ИХТИОТОКСИКОЛОГИЯ 7 страница
В настоящее время в ихтиотоксикологии большую популярность приобрели кривые зависимости «концентрация – время» (concentration – time).
Если составить график, в котором по оси абсцисс откладывается концентрация, а по оси ординат – время выживания, то при интерполяции с экспериментальными данными график имеет более или менее сигмоидную форму и лишь его средняя часть будет прямой (рис.1). Если продолжить эту прямую линию до пересечения с осью абсцисс, то точку пересечения условно можно назвать теоретическим порогом токсичности.
Рис. 1. Отношение между временем выживания и концентрацией: α- теоретический порог токсичности
Форма кривых «концентрация – время» весьма вариабельна для различных ядов и в известной мере зависит от механизма их действия на организм. Время выживания рыб в токсических растворах, вероятно, определяется механизмом их действия и большим разнообразием других факторов, поэтому следует с известной осторожностью оценивать попытки определять токсичность неиспытанных концентраций, исходя из предположения о математическом характере связи концентрация – время.
Необходимо с осторожностью подходить к определению пороговых концентраций ядов только на прямолинейной части кривой и экстраполяции этих данных за пределы, в которых имеет место прямолинейное отношение.
В опытах по определению токсичности фенола для рыб установлено, что в области концентраций 800–200 мг/л время гибели рыб с разведением возрастало, но при дальнейшем разведении (от 200 до 100 мг/л) время гибели резко уменьшалось, и в растворе фенола концентрацией 100 мг/л караси погибали значительно раньше, чем в растворе концентрацией 200 мг/л (рис.2).
Рис. 2. Отношение между временем выживания (по оси ординат – среднее время выживания рыб в часах) и концентрацией фенола (мг/л), логарифмическая шкала: сплошная – теоретически ожидаемая кривая, пунктиром – опытная кривая
Из сказанного выше следует что, установление ПДК и особенно пороговых концентраций промышленных сточных вод – задача весьма сложная и никто не может предполагать без риска только путем умозрительных заключений и экстраполяцией на графиках без соответствующих экспериментов, что время выживания животных всегда будет увеличиваться с разведением, сточных вод, а их токсичность – уменьшаться.
Описываемая связь между концентрацией и временем действия часто нарушается. В реальности эта закономерность имеет более сложный характер и выражается в фазности. В диапазоне относительно малых концентраций или кратковременных воздействий отмечаются диапазоны как угнетающие, так и стимулирующие. Выявляются следующие временные фазы реакции организма на токсическое воздействие:
- период безразличия или некоторого нарушения функций, иногда довольно существенного;
- период нормализации или даже стимуляции жизненных процессов;
- период финальных нарушений.
В общих чертах эта последовательность реакций перекликается с концепцией адаптационного синдрома, в котором выделяются фазы «тревоги», «компенсации» и «истощения» в ответе организма на неблагоприятное воздействие.
Такого же характера зависимость удается получить для реакции на разные концентрации при постоянном времени учета ответа. Оказывается, что зависимость ответа от концентрации и времени воздействия сходны. Диапазон концентраций или сроков воздействия, в которых с возрастанием воздействия эффект не только не возрастает, но может наблюдаться и обратная картина - видимое улучшение состояния организма и даже стимуляция функций, как для отдельных функций, так для общего состояния.
Причину описываемого явления можно понять, если вспомнить, что в организме проходят одновременно две категории процессов - развитие деструктивных процессов под влиянием вещества и ответных компенсаторных, адаптивных и репарационных реакций организма на разных уровнях. Процессы, приводящие к поражению, и ответные реакции организма сопряжены между собой по времени и по интенсивности. Активность реагирования зависит от уровня токсического воздействия. Эта сопряженность характеризуется следующими основными закономерностями:
- на начальном этапе токсического воздействия ответные реакции каждой из функций организма отстают по времени от развития вызвавших их деструктивных процессов;
- для формирования ответной реакции функций организма необходимо достижение определенного порога токсического повреждения этой функции;
- ответная реакция функции развивается с упреждением по принципу избыточного реагирования.
Вероятно, ответная реакция функций имеет некоторый предел интенсивности или изменяется дискретно, переходя с одного уровня на другой.
Повреждение развивается только тогда, когда скорость процессов повреждения (инактивация, дегенерация и др.) превышает скорость процессов приспособления и восстановления.
При остром воздействии токсический эффект может частично ослабляться, но полностью не компенсируется. При более слабом воздействии первичный эффект затем может быть полностью погашен компенсацией. Если воздействие продолжается, то может наступить и такой период времени, когда продолжающаяся кумуляция повреждений выходит за пределы компенсаторного потенциала организма и может развиваться без ограничения.
Чаще всего в основе гибели при токсическом воздействии лежит поражение одного из жизненно важных органов или систем. Поэтому динамика гибели организма во времени определяется соотношением рассмотренных выше процессов в этой чувствительной системе или органе. В зависимости от времени воздействия может последовательно выявляться роль других органов или систем. Таким образом, в динамике суммарного эффекта возможно проявление кумуляции и компенсации в этих органах и системах.
Взаимосвязь этих двух процессов делает возможным существование таких периодов времени, когда результирующий повреждавший эффект меньшей концентрации проявляется сильнее, чем большей, что объясняет причину возникновения различных парадоксальных эффектов.
7.2. Влияние видовых, возрастных и индивидуальных особенностей, сезонных и некоторых других факторов на токсикорезистентность рыб
Знание видовых особенностей чувствительности рыб к ядам имеет важное значение как для распознавания загрязнения водоема, так и направленного изменения видового состава в рыбохозяйственном водоеме под влиянием токсических веществ. Отмечено, что организмы с низким уровнем обмена веществ, мирные рыбы, обитающие в слабопроточных или стоячих водоемах, более резистентны к различным факторам внешней среды, в том числе и к ядам, чем виды с высоким уровнем обмена веществ, обитающие в сильно проточных водоемах. К первой группе относятся такие рыбы, как карп; ко второй – форель.
На основании опытов с фенолом В. И. Лукьяненко разделил рыб по устойчивости на следующие группы:
· высокоустойчивые – карась, сом, плотва, лещ, осетр;
· малоустойчивые – ёрш, налим, чехонь, судак, радужная и ручьевая форель.
По степени чувствительности к фенолу эти виды рыб идут в следующем порядке:
· высокочувствительные – радужная форель, ручьевая форель, плотва, ёрш;
· низкочувствительные – щука, окунь, лещ, налим, синец, карась.
Высокая чувствительность вида не всегда сопровождается низкой устойчивостью, и наоборот. Следовательно, нельзя упрощать взаимоотношение между устойчивостью и чувствительностью рыб к ядам. Сопоставление чувствительности и устойчивости рыб к яду (в частности к фенолу) позволило выявить четыре основные группы:
· высокая чувствительность и низкая устойчивость (радужная и ручьевая форель, ёрш);
· низкая чувствительность и высокая устойчивость (карась, лещ, синец);
· высокая чувствительность и высокая устойчивость (плотва);
· низкая чувствительность и низкая устойчивость (налим).
Полученные данные по устойчивости и чувствительности рыб на примере фенольной интоксикации, можно использовать к разным компонентам промышленных сточных вод, которые обладают сходным механизмом действия на организм или объединены химическим родством.
Установлено, что устойчивость рыб к аммиаку в большей мере определяется экологическими особенностями вида, чем его систематическим положением. По отношению к аммиаку изученные рыбы можно разделить на три группы:
· высокоустойчивые (вьюн, карась, уклейка);
· среднеустойчивые (гольян, линь, плотва, лещ, красноперка);
· малоустойчивые (бычок, голец, щиповка, голавль, пескарь и окунь).
Уровень устойчивости к аммиаку тесно связан с экологией вида рыб. Следует отметить, что многие из представителей зоо- и фитопланктона более чувствительны к токсическим веществам, чем рыбы. Как правило, более устойчивы к токсическим веществам водные объекты, снабженные хитиновым панцирем, чем животные с незащищенной поверхностью тела (моллюски, черви, губки). Однако инсектициды особенно токсичны для насекомых и ракообразных, в то время как моллюски и черви более устойчивы к ним. Личинки насекомых более чувствительны к влиянию токсических веществ, чем взрослые особи. Отмечена большая устойчивость водных насекомых и их личинок, дышащих атмосферным воздухом. В опытах с хлором установлена большая повреждаемость токсическими веществами форм, свободно живущих в воде, чем донных и зарывающихся в ил.
Загрязнение водоемов создает неблагоприятные условия для развития объектов, служащих кормом для рыб, вследствие этого в водоеме снижается и количество рыб. Если в какой-либо части водоема в результате пагубного влияния токсических веществ погибают все без исключения водные организмы, то такой участок водоема называют зоной уничтожения. Если же гибнут только наиболее чувствительные организмы, в то время как устойчивые формы не повреждаются или повреждаются незначительно, то говорят об опустошенной или обедненной зоне.
Возрастной фактор также немаловажен в определении путей воздействия яда в естественном водоеме как на популяцию в целом, так и на отдельные стадии развития организма. По вопросу о чувствительности рыб в зависимости от возраста в литературе имеются разноречивые мнения. Одни авторы отмечают, что устойчивость рыб к токсикантам увеличивается с возрастом.
Опытами других ученых установлено, что развивающаяся икра и только что выклюнувшиеся личинки более устойчивыми к эндрину, чем взрослая рыба. В опытах на примере гексахлорана отмечена большая устойчивость икры и личинок, чем взрослых рыб.
Разноречивые данные по уровню токсикорезистентности рыб в зависимости от возраста следует объяснить природой токсического вещества. Установлено, что к неорганическим ядам (соли тяжелых металлов, аммиак и соли аммония и другие соединения) устойчивость рыб с возрастом увеличивается, а к ядам органической природы – падает. Степень устойчивости рыб на разных этапах онтогенеза зависит как от стадии развития, так и от природы яда.
Данные о влиянии массы рыб на устойчивость к яду противоречивы: одни исследователи считают, что размеры рыбы играют незначительную роль в устойчивости ее к ядам, другие устанавливают прямую зависимость между величиной рыбы и устойчивостью к ядам. Опытами В. И. Лукьяненко (1967) на сеголетках и трехлетках форели установлено, что фактор массы в устойчивости рыб к ядам становится реальным только при различиях в массе более чем в три раза, а у сеголетков только по достижении 19–22-кратных различий. Однако эти данные нельзя перенести на другие виды рыб и даже другие возрастные группы этого вида.
Большую роль при определении устойчивости рыб к ядам играют видовые и индивидуальные особенности рыб. Они являются частой причиной нарушения постоянства экспериментальных результатов и тем самым затрудняют установление связи между концентрацией яда и его действием. По-видимому, индивидуальная изменчивость устойчивости рыб к яду зависит от природы яда.
Время года также играет роль в устойчивости рыб к ядам. Рыбы очень чувствительны к токсическим веществам сразу после икрометания, в период же перед икрометанием их устойчивость к ядам максимальная. Зимой отмечена наибольшая устойчивость рыб к ядам, но в то же время низкие температуры могут маскировать токсичность препаратов.
Токсикорезистентность рыб в значительной мере зависит от физиологического состояния рыб. Голод, скученность, поражение паразитами значительно ослабляют организм рыб и снижают их устойчивость к токсическим веществам. В свою очередь, сточные воды, особенно содержащие детергенты, даже при незначительном содержании в них ядов понижают резистентность рыб, способствуют развитию на них паразитических грибов и других эктопаразитов.
7.3. Влияние экологических факторов среды на токсикорезистентность рыб
Токсическое воздействие сточных вод промышленных и других предприятий на гидробионтов зависит от ряда экологических факторов. Важнейшими из них являются температура воды, содержание растворенных в воде кислорода, углекислоты, минеральных веществ (жесткость воды), содержание органических веществ, концентрация водородных ионов (рН воды), скорость течения воды, свет и др.
По влиянию на токсикорезистентность рыб экологические факторы можно разделить на две группы (Wuhrmann и Woker, 1955):
1) факторы, оказывающие прямое влияние на физиологические функции организма (изменение проницаемости жабр, кожных покровов и других биологических мембран) и способствующие быстрому проникновению яда;
2) факторы, влияющие на яд, изменяя его концентрацию или физико-химические свойства.
Температура воды.Токсикорезистентность рыб к токсикантам тесно связаны с температурой воды. Экспериментально установлена зависимость уровня обмена веществ у рыб от температуры воды. Wuhrmann и Woker в своих экспериментах определили так называемый температурный коэффициент, равный от 1,9 до 3,4. Температурный коэффициент указывает, что при снижении температуры воды на 10° отдаляется время проявления симптомов отравления в 1,9–3,4 раза (табл. 4).
Величина температурного коэффициента больше, если речь идет о повышении температуры, то есть с увеличением температуры воды на 10° время проявления симптомов отравления ускоряется более чем на 1,9–3,4 раза.
Доказана роль температурного фактора в устойчивости рыб к сероводороду, к солям тяжелых металлов, к ядам органической природы. С повышением температуры воды сокращается время проявления симптомов отравления и ускоряется гибель рыб. Физиологически это явление объясняется тем, что при повышении температуры воды увеличивается проницаемость тканей для ядов, увеличивается скорость обмена веществ и потребление кислорода. Следовательно, концентрация токсиканта, действие которого не выявляется при низких и средних температурах, может оказаться летальным при повышении температуры в водоеме. Поэтому низкие температуры воды часто маскируют наличие токсических веществ в водоеме. Отравление рыб в водоеме может наступить с повышением температуры воды при условии сохранения токсических свойств токсикантом.
Исключением из этого правила являются некоторые хлорорганические пестициды, токсическое действие которых проявляется независимо от температуры. Установлено, что ДДТ более токсичен при низких температурах.
Следует коснуться и того факта, что вода при известных температурных диапазонах может быть причиной гибели рыб. Особенно неблагоприятен резкий перепад температур, встречающийся в естественных водоемах или обусловленный сбросом нагретых сточных вод или сбросных вод тепловых электростанции. Резкие изменения температуры воды в естественных водоемах часто приводят к массовой гибели промысловых.
Бурное строительство электростанций, в частности ТЭЦ, вызывает резкое нарушение тепловых режимов рек и водохранилищ, приводит к гибели рыб и представляет собой серьезную угрозу рыбному хозяйству. Сброс нагретых сточных вод в рыбохозяйственные водоемы опасен как зимой, так и летом, даже для рыб, адаптированных к летним температурам. Неблагоприятное действие нагретых сбросных вод на рыб значительно усиливается зимой.
Содержание растворенного в воде кислорода.Установлено, что дефицит кислорода в воде влияет на интенсивность обмена веществ, снижает устойчивость рыб ко многим ядам органической и неорганической природы. Так, при 30%-ном насыщении воды кислородом устойчивость рыб к токсическим веществам снижается в 7 раз по сравнению со 100%-ным насыщением.
Снижение устойчивости рыб при дефиците кислорода в большей степени зависит от видовых особенностей рыб, чем от природы яда. Физиологически это явление объясняется тем, что при дефиците кислорода в крови рыб возрастает уровень гемоглобина и увеличивается скорость циркуляции крови через жабры и яды более интенсивно поступают в организм рыбы. Снижение устойчивости рыб при дефиците кислорода обусловлено и тем, что кислород, являясь химически активным веществом, образует слаборастворимые окислы, которые оседают на дно, тем самым токсичность среды снижается. С некоторыми ядами кислород образует комплексные соединения.
Концентрация водородных ионов (величина рН).Изменение активной реакции среды в ту или иную сторону от нейтральной значительно влияет на устойчивость рыб к ядам, изменяя степень токсичности ядовитых веществ. При этом имеются в виду не крайние величины рН, токсически действующие сами по себе, а те, которые не оказывают какого-либо токсического эффекта. Это касается в первую очередь двух довольно обширных и распространенных групп токсических веществ: аммиака, солей аммония и цианистых соединений. Из других соединений, токсичность которых зависит от величины рН, следует указать на некоторые соединения хрома, железа (хлорное и сернокислое), марганца, меди, свинца, стронция, сульфидов.
Объясняется это явление тем, что активная реакция среды изменяет степень диссоциации ионизирующих веществ, в результате чего изменяется их токсичность. Проиллюстрируем это на примере с аммиаком и цианидами. В водном растворе соли аммония диссоциируют: (NH4) +OН ↔ NH3+H20. С увеличением концентрации водородных ионов (повышением рН) в воде равновесие сдвигается в сторону образования свободного аммиака. Аммиак усиливает свою токсичность в щелочной среде, поэтому устойчивость рыб в щелочных растворах аммиака значительно ниже, чем в нейтральной и кислой среде. По аналогии с солями аммония цианиды также диссоциируют в водном растворе, однако диссоциация их очень мала. В водном растворе цианидов образуется синильная кислота, количество которой зависит как от от величины рН: в сильно щелочном растворе цианистая кислота диссоциирует полностью. С увеличением величины рН цианистая кислота диссоциирует, поэтому ее токсичность резко снижается. В интервалах рН от 6 до 8,5 не наблюдается резкой разницы в токсичном действии цианидов, но по мере дальнейшего увеличения рН токсичность их резко падает
Кроме того, повышение или понижение концентрации водородных ионов оказывает влияние на устойчивость рыб к ядам в результате изменения интенсивности общего обмена веществ и газообмена в частности: понижение величины рН воды приводит к снижению интенсивности обмена, а увеличение рН – к повышению.
Связь между устойчивостью рыб к фенолу и величиной рН очень слабая, а токсичность пестицидов (из группы хлор- и фосфорорганических) не зависит от величины рН и жесткости воды.
Жесткость воды.Уже давно установлено, что токсическое действие многих солей щелочных, щелочноземельных и тяжелых металлов снижается в жесткой и морской воде. Физико-химически это явление объясняется тем, что высокоминерализованные воды, содержащие соли кальция, калия, натрия, магния и бария, снижают растворимость токсического вещества, образуя с ними нерастворимые осадки, и токсичность их в десятки раз уменьшается. Биологически снижение токсичности вышеупомянутых соединений следует объяснить тем, что ионы кальция влияют на клеточную проницаемость, уменьшая тем самым проникновение яда внутрь клетки .
Следует отметить, что в изменении токсичности тех или иных элементов имеют место явления антагонизма и синергизма ионов, то есть нейтрализация веществ или их синергизм в результате химического взаимодействия. На токсичность большинства органических соединений жесткость воды влияет незначительно или совсем не влияет. Токсичность анионоактивных и неактивных детергентов совершенно не зависит от жесткости воды.
Содержание углекислоты, скорость течения, свет. Из других экологических факторов, влияющих на токсикорезистентность рыб, следует указать на содержание в водоеме углекислоты, скорость течения воды, свет.
Наличие повышенных концентраций углекислоты в водоеме, с одной стороны, изменяет буферные свойства воды и химически взаимодействует с токсическими соединениями, с другой – влияет на физиологические функции организма, и прежде всего на газообмен. Скорость течения воды влияет на разбавление токсических веществ и на время контакта яда с гидробионтом. Свет в некоторых случаях отражается на токсичности сточных вод, повышая токсичность ферро- и феррицианидов. Эти сравнительно не токсичные комплексные соединения под действием света разлагаются с образованием свободных высокотоксических цианидов.
7.4. Комбинированное действие токсикантов
Большинство сточных вод промышленных и бытовых предприятий имеют сложный химический состав, следовательно, важно знать не только токсичность отдельных компонентов, но и их комбинированное действие. Комбинированное действие компонентов сточных вод проявляется в виде синергизма, антагонизма, сенсибилизации или аддитивного эффекта.
Синергизм – явление взаимодействия двух или нескольких компонентов, при котором токсический эффект выше, чем каждого компонента в отдельности, но меньше суммы эффектов этих компонентов. В виде символов данное взаимодействие выглядит следующим образом: Eff(A) и Eff(B) ‹ Eff (A+B) ‹ {Eff(A)+Aff(B)}.
Синергическими являются комбинации тяжелых металлов (меди и цинка, меди и кадмия, никеля и цинка), аммония и фенола, аммония и цианидов, аммония и хлора, муравьиной кислоты и сульфатов и др. Хлорирование некоторых среднетоксичных соединений приводит к резкому возрастанию токсичности соединения.
Сенсибилизация –такое явление, когда эффект суммы больше суммы эффектов
Eff (A+B) › Eff(A)+Eff(B). Иногда этот эффект отождествляют с синергизмом, называя мультипликацией.
Антагонизм – отрицательный синергизм, то есть действие компонентов, противоположное друг другу, в результате чего токсический эффект смеси снижается. Антагонизм может быть физиологический (противоположное действие на одну и ту же функцию организма) и химический (нейтрализация веществ в результате химического взаимодействия). В виде символов данное взаимодействие выглядит следующим образом: Eff (A+B) ‹ Eff(A) и Eff(B).
Антагонистами являются соли калия, кальция и соли натрия. Соли магния обезвреживаются солями кальция. Растворы хлористого натрия нейтрализуются солями хлористого кальция, хлористый натрий снижает токсичность хлористого кальция и калия. Синильная кислота снижает свою токсичность при одновременном действии окиси и закиси железа; наоборот, присутствие солей меди стабилизирует синильную кислоту. Известковое молоко нейтрализует или снижает токсичность сточных вод, содержащих соли тяжелых металлов (меди, цинка, олова, железа и др.), фторидов и другие соединения. Поэтому токсичность солей тяжелых металлов и фторидов в мягкой и дистиллированной воде более высокая, чем в жесткой и морской. Это свойство извести и других щелочных элементов используется на некоторых очистных сооружениях для обезвреживания сточных вод. Известно также, что наблюдается снижение токсичности, вплоть до полной нейтрализации, сточных вод целлюлозных предприятий от примеси коммунально-бытовых вод.
Аддитивный эффект. Большинство токсических веществ оказывают на рыб суммированное действие. Например, токсичность смеси соляной и серной кислот, смеси цианистого калия и паракрезола равна токсичности отдельных компонентов, то есть токсическое действие их проявляется в виде независимого совместного действия. Установлено, что степень комбинированного действия зависит от вида токсиканта, его доли в смеси, длительности воздействия, показателей состава воды (например, жесткости). В виде символов данное взаимодействие выглядит следующим образом:
Eff (A+B)=Eff(A)+Eff(B).
8. МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ ТОКСИКАНТОВ НА ГИДРОБИОНТОВ
В противоположность человеку и высшим животным в организм рыб большинство отравляющих веществ проникает осмотически – через жабры и кожу, особенно поврежденную. Оральный путь поступления имеет большое значение при хронических отравлениях. Поэтому токсичность в большой степени зависит от растворимости вещества в воде и биологических средах. Соединения, растворимые в воде, более ядовиты, чем нерастворимые. Вместе с тем через жабры, кожу и слизистую кишечника легко проникают и вещества, хорошо растворимые в липидах и тканевой жидкости. Они поступают в кровь и разносятся по всему организму. К ним относится большинство органических загрязнителей – углеводороды, пестициды, детергенты и др.
Процесс интоксикации начинается с патогенного действия ядов в местах проникновения (жабрах, коже, слизистых оболочках), а также рефлекторной реакции со стороны нервной системы. В дальнейшем, после попадания в кровь отравляющие вещества, соединяясь с белками, нарушают физико-химические процессы в плазме и клеточных элементах. Затем они фиксируются в различных органах и тканях в соответствии с их сорбционной емкостью и биохимическим средством к отдельным ядам. Механизм действия большинства ядов тесно связан с включением их в различные звенья биохимических процессов, и прежде всего со способностью вступать в реакции с ферментами. Например, фосфорорганические пестициды блокируют фермент холинэстеразу, цианиды подавляют активность цитохромоксидазы, вызывая угнетение тканевого дыхания и т. д. Многие яды способны брать на себя функцию аналога субстрата, взаимодействующего с ферментами.
Изменения при токсикозах биохимического состава и обмена веществ у рыб задолго до их гибели позволяют использовать биохимические показатели для диагностических целей и установления ПДК.
8.1. Влияние токсикантов на обмен веществ и биохимический состав рыб