Рис. 9. Показатели численности и биомассы макрозообентоса по группам

Макрозообентос. В настоящее время зообентос Куйбышевского водохранилища, особенно на его мелководьях и прибрежных участках, характеризуется сравнительно разнообразным составом бентосных, нектобентосных и фитофильных видов и форм. К настоящему времени их выявлено более 150 видов (Яковлев, 2002). Наиболее разнообразна фауна хирономид, олигохет, моллюсков и высших ракообразных. Средняя численность глубоководного зообентоса составляет 1245 экз./м², а биомасса - 208,9 г/м².

Численность формируется в основном группами: моллюсками, олигохетами, ракообразными и хирономидами, а биомасса - главным образом моллюсками (93,6 %). Чаще других в число доминирующих форм в тех или иных типах биоценозов входят два вида дрейссен (D. polymorpha и D. bugensis), многощетинковый червь Hypania invalida, униониды (Unionidae), гораздо реже - олигохеты семейства Tubificidae, хирономиды и ракообразные (рис. 9).

Рис. 10. Соотношение численности (А) и биомассы (Б) отдельных групп макрозообентоса в верхних и нижних плесах Куйбышевского водохранилища.

Средняя численность «мягкого» зообентоса по водохранилищу составляет 874 экз./м², а биомасса - 13,1 г/м², т.е. 70 и 6,3 % от средних количественных показателей всего зообентоса соответственно. Таким образом, по численности, и особенно по биомассе, ведущее место в зообентосе водохранилища занимают двустворчатые моллюски - дрейссены (D. bugensis и D. polymorpha). Средняя численность их по водохранилищу составляет соответственно 139,8 и 289,9 экз./м², и биомасса - 266,9 и 226,6 г/м².

Результаты анализа продольного распределения зообентоса по водохранилищу представлены раздельно для верхних (Волжский, Камский) и нижних (Центральный) плесов водохранилища (рис. 10).

Наибольшие значения средней численности глубоководного зообентоса характерны для Волжского (1403 экз./м²) и Камского (1179 экз./м²) плесов, а наименьшие - для нижних плесов (1155 экз./м²). Обращают на себя внимание относительно высокие показатели численности олигохет и хирономид в Камском плесе водохранилища. Максимальная биомасса характерна для нижних плесов водохранилища (336,8 г/м²) - в основном за счет моллюсков (95,1%), наименьшая (87,94 г/м²) - в Камском плесе. В составе донной фауны обследованных участков Куйбышевского водохранилища было выявлено 6 групп бентосных беспозвоночных: олигохеты, моллюски, личинки хирономид, ракообразные, пиявки, полихеты. Роль хирономид, олигохет и сфериид, составлявших основу глубоководного зообентоса примерно в течение 20 лет существования водохранилища (Куйбышевское …, 1983), в настоящее время продолжает сокращаться, что, по-видимому, обусловлено усилением конкуренции со стороны вселенцев - дрейссен, полихет и бокоплавов. Количественные показатели зообентоса возросли, в основном, за счет моллюсков.

Качество воды Куйбышевского водохранилища по показателям зообентоса по большинству гидробиологических показателей (ИВР =1,47-2,23; ГИ = 6,0-57,5; S = 2,28-2,54) соответствует умеренно-загрязненным (в-мезосапробной зоне) и относится к 3 классу.

Для оценки состояния Куйбышевского водохранилища были использованы модальные интервалы многолетних вариационных рядов общей численности макрозообентоса и относительной численности группы олигохет (РД 52.24.633-2002), закономерности изменчивости которых позволили заключить: по модальному интервалу численности (0,01-10 тыс.экз./м²) водохранилище относится к зоне экологического регресса, а по относительной численности олигохет (в среднем 38%) - к зоне антропогенного напряжения с элементами экологического регресса.

Рис. 11. Содержание металлов в песчанистых (А) и илистых (Б) пробах в пределах токсикологической толерантности (МинТК - концентрации металлов в ДО, при которых не обнаружен токсический эффект ни на одном тест-объекте; МаксТК - концентрации металлов в донных отложениях, при которых обнаружен токсический эффект хотя бы на одном тест-объекте; содержание ртути - в мкг/кг сухой массы)

Экотоксикологическая характеристика донных отложений. Многие химические соединения аккумулируются в донных отложениях и становятся доступными для бентосных организмов, вызывая прямой токсический эффект. Представленные на рис. 11 (А и Б) токсикологически обусловленные диапазоны концентраций получены при обобщении данных токсикологического анализа донных отложений, проведенного на батарее тест-объектов. Эти диапазоны являются природообусловленными, поскольку были получены на природных образцах грунтов с присущими им сорбционными свойствами, влияющими на биодоступность токсикантов. Обращает на себя внимание тот факт, что по абсолютным значениям чувствительность тест-организмов к большинству металлов в песчанистых пробах выше, чем в илистых.

Другим следствием токсического воздействия может быть возрастание частоты уродств у гидробионтов, которые наиболее полно изучены на примере личинок хирономид (Warwick, 1985; Назарова и др., 2004). В Куйбышевском водохранилище частота деформаций головных капсул хирономид в среднем составила 5,7 %, что несколько ниже значения, принятого в литературе за фоновое - 8 % (Deckere et al, 2000), и значительно ниже показателей, отмеченных для токсифицированных водоемов (Яковлев, 1999). Высокий (выше фона) уровень деформаций совпадает с повышенным уровнем содержания металлов только в Волжско-Камском и Приплотинном плесах. Большое количество деформаций личинок хирономид в Ундорском плесе, возможно, связано не столько с токсическим действием металлов, сколько с воздействием пестицидов, остаточное количество которых в донных отложениях обусловлено поверхностным стоком с сельскохозяйственных угодий (Говоркова, 2004).

Аккумуляция тяжелых металлов макрозообентосом. Сравнение содержания металлов в бентосных организмах Куйбышевского водохранилища с литературными данными (Никаноров и др., 1985; Яковлев, 2002; Леонова и др., 2007) показало, что по таким металлам, как медь, хром и никель наблюдается превышение фонового содержания металлов в биообъектах, определенных для экологически «чистых» регионов, в 2, 3 и 10 раз соответственно. Можно отметить наличие четкой тенденции к концентрированию металлов в биоте, обитающей на песчанистых грунтах, что связано с их более низкой сорбционной способностью (рис. 12-А, Б).

Исключение из вышеотмеченного правила составляют цинк и свинец, их среднее содержание достоверно больше в инфауне илов. Цинк характеризуется высокой миграционной способностью, а свинец обладает способностью образовывать сложные комплексные соединения с гуминовыми кислотами органической составляющей ДО, что способствует выпадению из водного миграционного потока данного элемента. Однако в анаэробных условиях возможно образование метилированных продуктов, при этом его биодоступность для роющих животных дна, питающихся детритом, возрастает.

Рис. 12. Диапазон содержания металлов в бентосных организмах - обитателях песчанистых (А) и илистых (Б) донных отложений (линией отмечено среднее значение)

Зависимость ответного отклика бентосных сообществ от химического состава среды обитания. Метод множественной нелинейной регрессии позволил определить приоритетные стрессовые факторы химической природы для бентосных сообществ. Так, на структурные показатели бентосных сообществ (биомасса олигохет, хирономид, пиявок и ракообразных) оказывают влияние лишь Fe, Zn и Cu (табл. 9). По способности к бионакоплению выделяются Zn и Pb, повышенная концентрация которых в среде обитания определяет их повышенное содержание (относительно фоновых значений для мягкого бентоса водохранилища).

Сравнительный анализ данных по всему водохранилищу позволил выявить взаимосвязь между значениями интегральной биологической характеристики, отражающей в определенной степени структурно-функциональную организацию бентосного сообщества - индекса видового разнообразия (ИВР) и суммарного показателя загрязнения донных отложений металлами - СПЗ_ДО. Увеличение степени загрязнения грунта металлами сопровождается уменьшением показателей ИВР. Так, тенденция ухудшения качества донных отложений по содержанию металлов от верховьев к низовьям водохранилища (рис. 13) сопровождается уменьшением значений индекса (ИВР = 3,45 - 1,43 СПЗ_ДО ; r = -0,77; р<0,05).

Таблица 9. Зависимость биомассы отдельных групп зообентоса и содержания Zn и Pb в организмах от химического состава воды и донных отложений (р0,05)

Примечание. *- коэффициент регрессии, **- коэффициент детерминации,

Характеристика рыбных ресурсов. В Волге и ее притоках до образования водохранилища встречалось более 40 видов рыб. Часть из них относилась к проходным, поднимающимся из Каспийского моря для размножения (осетр, белуга, белорыбица, каспийский лосось, сельди и др.), но основное население реки составляли ее постоянные обитатели. Ведущее место занимал лещ - до 40 % только учтенных уловов, запасы судака были значительно беднее, хотя эта рыба и встречалась в промысловых количествах.

Рис. 13. Изменение интегральных показателей индекса видового разнообразия (ИВР) и суммарного показателя загрязнения металлами донных отложений (СПЗ_ДО) по плесам: 1 -Волжский; 2 - Волжско-Камский; 3 - Камский; 4 - Тетюшский; 5 -Ундорский; 6 - Ульяновский; 7 -Приплотинный

Пойменные озера изобиловали щукой, карасем, линем и другими видами рыб (Калайда, 2003). Соотношение запасов отдельных видов рыб с момента формирования Куйбышевского водохранилища до настоящего времени претерпело значительные изменения (Говоркова, 2004; Шакирова и др., 2005; Кузнецов и Файзуллин, 2007). Происходит перераспределение запасов отдельных видов рыб: уменьшение количества ценных промысловых пород (стерлядь, судак, лещ) и увеличение количества синца. При этом сохраняется преобладание запасов леща по сравнению с запасами других видов рыб (рис. 14).

Накопление металлов в тканях и органах рыб. Рыбы являются важным звеном в трофической организации экосистемы. В течение всего онтогенеза рыб металлы из окружающей среды и кормовых компонентов поступают и аккумулируются в различных органах и тканях. В этой связи интерес представляет исследование факторов и степени аккумуляции тяжелых и токсичных металлов (Zn, Cu, Ni, Mn, Cr, Pb, Cd, Fe, Co, Hg) и As в рыбах Куйбышевского водохранилища.

Рис. 14. Изменение запасов основных видов промысловых рыб в 1956-2002 гг.

Сравнение среднего содержания металлов в мышцах и печени рыб с санитарно-гигиеническими нормативами показало, что превышение нормативов не носит системного характера. Наиболее часто разовые превышения содержания Pb в печени рыб отмечены в Ульяновском плесе, для которого характерен высокий уровень антропогенной нагрузки.

Прослеживая способность металлов к накоплению в тканях и органах рыб, необходимо учитывать их трофический уровень, определяющий механизм поступления и особенности накопления металлов. В этой связи полученные результаты были сгруппированы в соответствии с экологической группой рыб (планктофаги, бентософаги и хищники). При поиске зависимостей между содержанием металла в воде и в рыбе (по тканям и органам), а также между Ко (превышение фактического содержания металла в воде относительно ПДК) и Кс (коэффициентом концентрации - повышенным (относительно фона) содержанием в биообъекте) были выявлены общие закономерности. Уровень металлов в воде меньше всего отражается на их повышенном содержании в тканях и органах бентософагов: прослеживается только влияние концентрации Ni, Pb и Cu в воде на их содержание в мышцах, жабрах и печени соответственно (табл. 10). Наибольшее превышение фона наблюдается для Pb, как в жабрах (определяется его концентрацией в воде), так и в мышцах (зависит от его содержания в пищевом субстрате - зообентосе).

Для хищников отмечена ассоциация двух эссенциальных элементов Zn-Fe, содержание которых в воде влияет на их накопление в жабрах и мышцах. Причем связь между содержанием Zn в воде и рыбе прямая, а для Fe - обратная. Концентрация Cd-Mn в воде коррелирует с содержанием этих элементов в мышцах хищников, хотя и не приводит к повышению их уровня относительного фоновых значений. Повышенное содержание Cd, Cr и Ni в печени также обусловлено их поступлением, в том числе из воды.

Накопление металлов в печени планктофагов в меньшей степени зависит от химического состава воды, что связано с особенностью их питания (планктон меньше накапливает металлы). Для жабр и мышц отмечена общая закономерность, связанная с зависимостью содержания пар металлов Cd-Mn и Zn-Fe в этих органах и тканях от их концентрации в воде. Для Fe и Mn данная зависимость обратная, а Zn и Cd - прямая.

Таблица 10. Зависимость содержания металлов в тканях и органах рыб от их концентрации в воде (уровень значимости р<0,05).

Примечание. М - масса рыбы; Т-возраст рыбы; С^w_i - содержание i металла в воде; К^w_i - превышение содержания i металла в воде над ПДК; С(I) - содержание металла в соответствующих тканях и органах рыб; К_с(I) - сверхфоновое содержание металла в соответствующих тканях и органах рыб; К _i^Б - сверхфоновое содержание металла в бентосе.

Преимущественные направления поступления металлов из воды и их аккумуляция в тканях и органах рыб различного трофического уровня можно представить в виде обобщенной схемы (рис. 18).

Fe, несмотря на его сверхнормативное содержание в воде, не влияет на его повышенный уровень в жабрах и мышцах. Fe играет значительную роль в дыхательной функции за счет включения в состав дыхательного пигмента. Количество гемоглобина, а следовательно, и Fe в тканях и органах, зависит от активности организма, поэтому наблюдается сезонная изменчивость его содержания в организме рыб.

Другая физиологически важная группа металлов - Zn и Mn - активаторы карбоксилаз. Для них отмечена прямая зависимость содержания в рыбе от концентрации в воде. Однако у планктофагов содержание Mn в организме обратно пропорционально его концентрации в воде. Общим для физиологически активных металлов (Fe, Zn и Mn) является наличие большой величины независимого коэффициента В в уравнениях регрессии (табл. 10), что указывает на второстепенность фактора - концентрация металлов в воде - по сравнению с другими, не изученными в данной работе.

Следующая группа металлов - Cd, Cr, Ni и Pb - это физиологически неактивные, обладающие выраженным токсическим эффектом. Их содержание в воде Куйбышевского водохранилища, как правило, не превышает ПДК за исключением Ni. Для Cd в большинстве случаев отмечена прямая зависимость содержания в организме рыб от концентрации в воде. Процесс накопления металлов в жабрах и печени происходит более быстро и соответствует логарифмическому виду зависимости, для мышц характерен более медленный процесс насыщения по экспоненциальной кривой (Пономаренко и др., 2007).

Рис. 18. Влияние содержания металлов в воде, бентосе на их содержание в тканях и органах рыб различных экологических групп

Наличие прямой зависимости «концентрация в воде - содержание в жабрах» для Ni, Cd и Pb указывает на путь поступления этих металлов, связь «концентрация в воде - содержание в мышцах» при отсутствии подобной зависимости для печени может свидетельствовать об исчерпании печенью функции барьера в отношении этих металлов.

Другим фактором экологического риска для бентософагов является содержание металлов в пищевом субстрате. Наличие прямой зависимости содержания Pb в мышцах от его содержания в бентосе свидетельствует о доминировании биомагнификационного механизма его накопления.

При оценке патологоанатомического состояния рыб были выявлены легкие повреждения, не угрожающие рыбам гибелью, и повреждения средней тяжести, проявляющиеся внешне и при вскрытии. Состояние планктофагов и бентософагов оценивалось в среднем в 3, а хищников - в 1,8 балла. Наибольший уровень патологий был отмечен в верхних плесах водохранилища (Волжском, Камском и Волжско-Камском).

3.4. Состояние здоровья населения Республики Татарстан

Одна из важных задач обеспечения экологической безопасности - управление медико-экологической ситуацией через целенаправленное вмешательство в систему «окружающая среда - здоровье населения». В настоящее время достоверно доказана зависимость частоты заболеваний населения от качественного состава питьевой воды (Тихомиров и др., 2003; Ажгиревич и др., 2007). В этой связи актуальной задачей является выявление возможных экологообусловленных причин, влияющих на заболеваемость населения Республики Татарстан.

Для анализа из всего списка заболеваний были выбраны лишь те, которые могут быть обусловлены качеством питьевой воды, подаваемой населению централизованным водоснабжением. В предлагаемый перечень заболеваний с большой вероятностью взаимозависимостей входят такие классы заболеваний, как новообразования (НО), болезни органов пищеварения (БОП), болезни крови и кроветворных органов (БКиКО), болезни кожи и подкожной клетчатки (БКиПК), болезни эндокринной системы (БЭС), болезни системы кровообращения (БСК), болезни кожно-мышечной системы (БКМС) и болезни мочеполовой системы (БМПС).

Анализ динамики первичной заболеваемости показал ее рост по всем классам заболеваний за исключением болезни кожи и подкожной клетчатки. Если рассмотреть частоту заболеваемости рассмотренными классами болезней в отдельных городах и регионах, то можно отметить, что наибольший уровень заболеваемости новообразованиями, болезнями систем кровообращения, кожи и подкожной клетчатки, костно-мышечной и мочеполовой систем наблюдается в гг. Казань, Набережные Челны, в Юго-Восточном, Северо-Западном и Северо-Восточном районах.

При использовании бассейнового подхода в анализе уровня заболеваемости населения практически по всем классам заболеваний выделяются территории водосбора рек Казанка и Кама (рис. 19). Уровень заболеваемости населения практически по всем классам заболеваний выше в бассейне р. Казанки, только по новообразованиям, болезням кожи и подкожной клетчатки, а также болезням мочеполовой системы «лидирует» территория в бассейне р. Камы.

Состояние первичной заболеваемости на территории водосбора рек Меши и Свияги можно охарактеризовать относительно «благополучным» только в отношении новообразований, болезней кожи, костно-мышечной и мочеполовой системы.

Таким образом, наибольший рост заболеваемости наблюдается на территориях, расположенных в бассейнах главных притоков Куйбышевского водохранилища. Подтверждением данного тезиса стали результаты, полученные при анализе уровня первичной заболеваемости в районах, входящих в водосбор соответствующих плесов Куйбышевского водохранилища (рис. 20, А).

Обращает на себя внимание достаточно высокий уровень заболеваемости в тех районах, которые соответствуют территории водосбора Тетюшского и Волжско-Камского плесов, т.е. тех территорий, где отсутствует или в меньшей степени проявляется фактор загрязнения атмосферного воздуха, а в структуре питания населения большое место занимает речная рыба. Еще более ярко данная тенденция проявляется при анализе заболеваемости населения в районах с традиционным укладом и преимущественно сельскохозяйственным производством (рис. 20, Б). Высоким уровнем заболеваемости характеризуются Тетюшский и Камско-Устьинский районы, где в воде соответствующих плесов Куйбышевского водохранилища отмечалась повышенная численность синезеленых водорослей, выделяющих в воду цианотоксины

Рис. 19. Среднемноголетняя частота заболеваемости населения (на 1000 человек) основными классами заболеваний в бассейнах рек Казанка, Меша, Свияга, Кама и по РТ в целом

Присутствие цианобактериальных пленок на поверхности воды в водоемах представляет собой большую угрозу в виде тяжелых последствий для здоровья людей. Каждая группа цианотоксинов обладает своими специфическими свойствами и направленностью воздействия: печень, нейротоксичность и индуцирование новооборазований. (Guidelines for safe recreational waters…, 2002; Руководство по обеспечению качества питьевой воды..., 2004; Huisman et al., 2005).

Результаты настоящего исследования показали, что сезонные всплески численности синезеленых водорослей в Куйбышевском водохранилище в августе-сентябре на уровне 602,8-951,7 тыс. кл/мл в 6-9 раз превышает установленный ВОЗ предельный, критический уровень. Это влечет за собой принятие дополнительных мер по очистке воды или обеспечению населения альтернативными источниками питьевой воды (Eutrophication and health…, 2002; Harmful cyanobacteria, 2005).

Рис. 20. Среднемноголетняя частота заболеваемости населения (на 1000 человек) основными классами заболеваний по территориям водосбора соответствующих плесов Куйбышевского водохранилища и по Республике Татарстан (РТ) в целом (А) и в приволжских сельскохозяйственных районах (Б)

Глава 4. подходы к экологическому нормированию содержания загрязняющих веществ в воде и донных отложениях

4.1. Нормирование содержания загрязняющих веществ в донных отложениях

Актуальность вопросу нормирования качественного состава донных отложений придает отсутствие отечественных стандартов, что усложняет проблему оценки риска вторичного загрязнения воды. Существует несколько подходов к нормированию содержания токсикантов в донных отложениях, в основе которых лежит использование фоновых концентраций (Persaud et al., 1993), интервалов (либо предельных уровней) негативного воздействия на гидробионтов (Long, Morgan, 1991; Ingersoll et al., 1996; Cubbage et al., 1997), а также процессы сорбции или равновесного распределения загрязняющих веществ между взвешенными веществами и донными отложениями (Di Toro et al., 1991; Van Der Kooij et al, 1991; NYSDEC, 1994; EPA 823-R-97-006, 1997a; Wepener et al, 2000). В России можно отметить работы, связанные с разработкой экологических нормативов содержания индивидуальных соединений в донных отложениях, с использованием геохимического (Фрумин и др., 1998; Даувальтер, 2001; Бреховских и др., 2002) и токсикологического (Петрова, 1988; Томилина, 2000; Михайлова, 2006) подходов. На базе собственных экспериментов и опубликованных в литературе данных, полученных в период с 1993 по 2001гг. (Волга: независимые исследования.., 1994; Андреев и др., 2001; Иванов, 2001), определены значения среднего содержания металлов в донных отложениях разного типа. Приведенные в табл. 12 значения могут рассматриваться как фоновые (С_Ф), т.е. характеризующие современный геохимический «фон» металлов в илистых и песчаных ДО и могут служить критерием для ориентации по значению нижней границы нормативного содержания металлов в донных отложениях разного типа.

Таблица 12. Нормативы содержания (мг/кг) элементов в донных отложениях, рассчитанные различными методами

Примечание. С_Ф - фоновые концентрации металлов; С_Т - токсикологически толерантная концентрация, выше которой вероятность проявления токсического эффекта на гидробионтах высока (по данным токсикологического скрининга донных отложений); С_РР - рассчитанный уровень концентрации элементов методом равновесного распределения веществ; ПДУ_ДО - обобщенный норматив содержания элементов в донных отложениях; прочерк - отсутствие данных

В целях нормирования качественного состава донных отложений используется экспериментально-расчетный биогеохимический подход, основанный на учете миграционных потоков токсиканта и его распределения в системе «донные отложения - взвешенные вещества - вода - биота» по принципу «равновесного» распределения (DiToro et al., 1987; Shea, 1988; Van Der Kooij et al., 1991; Toxicological Benchmarks …, 1997; Wepener, 2000; Strategy for water quality …, 2002). Распределение токсиканта в системе «взвешенные вещества - вода - донные отложения» описывается через коэффициенты переноса К_тв и К_ТД, представляющие собой отношение содержания токсиканта в твердой фазе взвешенных частиц и в воде (К_тв), в твердой фазе взвешенных частиц и донных отложениях (К_ТД). Через эти коэффициенты можно выразить взаимосвязь между концентрацией вещества в воде и его содержанием в донных отложениях по выражению: С_ДО =

(1).

Концентрация (С_В) вещества в воде может быть также выражена и через параметры системы «вода - биота - человек». Распределение токсиканта в системе «вода - рыба» описывается через коэффициент биологического поглощения (), и, объединив выражения, получаем:

= (2).

Для того, чтобы содержание (С_ДО) токсиканта в донных отложениях приобрело смысл норматива для донных отложений (С_ДО = ПДУ_ДО), соответствующие концентрации С_В и С_Р выразили через их нормативное содержание (С_В=ПДК_В, С_Р=ПДК_Р) с тем, чтобы не были нарушены нормативы его содержания в воде - по водно-миграционному признаку вредности (ур.1) и в мышцах промысловых рыб - по способности вещества к транслокации в организмы рыб (ур. 2). Таким образом, учет двух механизмов воздействия загрязняющих веществ в составе донных отложений на гидробионтов (через воду) и на человека (через рыбу) позволяет рассчитать для каждого токсиканта два типа пороговых концентраций в донных отложениях: первый - по наибольшей не действующей на гидробионтов концентрации токсиканта в воде и второй - по способности вещества к накоплению в рыбах (мышцы). За нормативную величину С_РР в соответствии с принципом лимитирующего признака вредности принимали минимальную из двух рассчитанных пороговых величин (табл. 12). Для учета эффекта суммации действия металлов были также использованы результаты токсикологических лабораторных экспериментов (С_Т).

Значения ПДУ_ДО, полученные экспериментально-расчетным и токсикологическим методами, для ряда металлов (Co, Hg) практически соизмеримы. Для Cr целесообразно использовать нормативы ПДУ_ДО, определенные экспериментально-расчетным способом, как более жесткие в сравнении с токсикологическими; для Pb, напротив, - расчетные значения ПДУ_ДО значительно выше токсикологических, поэтому выбор сделан в пользу токсикологически толерантных значений. Для целей оценки уровня загрязнения донных отложений целесообразно использовать соответствующие нормативы в зависимости от типа грунта: ПДУ_П - для оценки уровня загрязнения песчаных проб; ПДУ_ИЛ - для оценки уровня загрязнения илистых проб.

Предложенные нормативы качества донных отложений, безусловно, носят региональный характер. Тем не менее, по порядку величин они практически укладываются в диапазоны значений, определенных теми или иными способами для донных отложений равнинных водоемов различных стран (Slooff et al., 1989; Code ..., 1990; Guide ..., 1991; Australian ..., 1992; Topfer, 1992; Janus, 1993; Ecotox …, 1996) (по мышьяку, кадмию и никелю), либо близки к нижнему пределу соответствующих значений (по большинству рассмотренных металлов) (рис. 21).

Загрязнение донных отложений Куйбышевского водохранилища органическими токсикантами носит локальный характер и приурочено к конкретным источникам загрязнения, что не позволяет использовать для нормирования их содержания геохимический метод. Исключение из предложенной системы нормирования токсикологических экспериментов в данном случае связано со сложностью интерпретации результатов в силу наложения токсических эффектов со стороны как упомянутых ксенобиотиков, так и соединений природного происхождения в реальных образцах донных отложений. Поэтому в основе нормирования содержания пестицидов и бенз(а)пирена в донных отложениях использован экспериментально-расчетный метод равновесного распределения. Процедура нормирования основывалась на учете токсичности соединений (NOEC) и физико-химических свойств, выраженных через коэффициент (К_OW) распределения в системе «октанол-вода», характеризующий способность накопления токсиканта в жировой ткани, а следовательно, и способность к накоплению в рыбе) (Di Toro et al., 1991; Van Der Kooij et al., 1991; EPA-823-R-00001; Анохина, 2004).

Рис. 21. Нормативное содержание (ПДУ_ДО - горизонтальная линия) металлов и мышьяка в донных отложениях Куйбышевского водохранилища в сравнении с диапазоном значений опубликованных зарубежных нормативов для донных отложений пресноводных систем (в логарифмических координатах)

Для учета региональных особенностей применяли экспериментальный показатель f_OC - коэффициент, характеризующий содержание органического углерода во взвешенном веществе воды (f_OC = (С_ООУ-С_РОУ)/С_ВЗВ, где С_ООУ - содержание общего органического углерода (мг/л); С_РОУ - содержание растворенного органического углерода (мг/л); С_ВЗВ - содержание взвешенных веществ (мг/л)). На основе собственных результатов было рассчитано значение f_OC = 0,15. Исходя из эмпирически полученного и описанного в литературе (Di Toro et al., 1991; Van Der Kooij et al., 1991; EPA-823-R-00001) отношения содержания органического вещества во взвешенном веществе и седиментах, равного 2, определили значение f_ДO = 0,15/2 = 0,075. Отсюда допустимое значение содержание токсиканта в донных отложениях рассчитывали по формуле:

ПДУ_ДОi = NOEC_i f_ДO ·К_OWi 10^-0,21 (3).

Такой способ расчета допустимого уровня содержания токсиканта в донных отложениях, основанный на его физико-химических свойствах (QSAR), как отмечается в литературе (Kalf et al., 1997), для многих соединений дает завышенные результаты по сравнению с экспериментальным, токсикологическим определением минимальной недействующей концентрации. Так, было показано (Kalf et al., 1997), что для таких веществ как, бенз(а)пирен, флюорантен, фенантрен и др., отношение NOEC_QSAR к NOECэксп составляет 1,1 - 133. Поэтому для корректировки данных, полученных расчетным методом, был введен поправочный коэффициент, равный 100, который, кроме того, позволяет учесть эффект суммации.

Другой способ расчета (ур. 4) допустимого уровня содержания токсиканта в донных отложениях основан на прогнозе его способности к накоплению в биоте и концентрированию по пищевой цепи (Di Toro et al., 1991). Для того, чтобы учесть фактор биоаккумуляции, можно воспользоваться взятыми из литературы значениями коэффициентов биологического поглощения (КБП) и санитарно-гигиеническими нормативами (СанПИН 2.3.2.1078-01) содержания вещества в продуктах питания (в рыбе).

Тогда ПДУ_ДОi = (С_Рi/КБП_i) f_ДO ·К_OWi 10^-0,21 (4).

Результаты расчетов предельно допустимого уровня содержания токсикантов в донных отложениях, полученные двумя описанными методами, представлены в табл. 13. Для использования в целях оценки уровня загрязнения донных отложений следует использовать минимальные значения из рассчитанных двумя методами.

Таблица 13. Нормативы содержания ряда органических загрязняющих веществ в донных отложениях, рассчитанные экспериментально-расчетным методом по водно-миграционному (С_ДО¹) и транслокационному в рыбу (С_ДО²) лимитирующим признакам вредности, и предложенные значения ПДУ_ДО

Примечание.: ¹⁾ - значение КБП для Oncorhynchus, Salmo, Salvelinus sp. (EPA-823-R-00001); ²⁾ Не нормируется (СанПиН 2.3.2.1078.01).

Таким образом, предложена и апробирована система экологического нормирования уровней содержания (ПДУ_ДО) органических и неорганических токсикантов в донных отложениях разного типа применительно к водохранилищам. Система включает оптимизируемую в зависимости от природы токсиканта совокупность различных методов (геохимический, экспериментально-расчетный, токсикологический) с учетом лимитирующих признаков вредности. Показано, что в основе нормативов содержания токсичных элементов, определенных экспериментально-расчетным методом, лежит водно-миграционный, а органических токсикантов - транслокационный в ихтиофауну лимитирующий признак вредности. Предлагаемые нормативы ПДУ_ДО могут быть встроены в общую систему отечественных эколого-токсикологических нормативов качества водных и рыбных ресурсов.

4.2. Нормирование содержания загрязняющих веществ в воде

Существующая оценка качества воды с помощью рыбохозяйственных ПДК не выявляет основные факторы риска для функционирования биотической составляющей экосистемы Куйбышевского водохранилища: отсутствие превышения содержания биогенных соединений при устойчивой тенденции к эвтрофированию, непревышение содержания в воде Сd и Pb, которые представляют наибольшую опасность по показателю биоаккумуляции в ихтиофауне. Неудовлетворенность существующей нормативной базой в отношении оценки качества воды привела к поиску методов определения более адекватных современному запросу нормативов. Один из общепринятых подходов в установлении региональных нормативов - определение фона, обусловленного геохимическими, литосферными особенностями бассейна, это, прежде всего, касается соединений природного происхождения (табл. 14). В основе второго, биотического подхода, лежит система экологического нормирования, которая предполагает учет предельно допустимой нагрузки на экосистему, т.е. нагрузки, под воздействием которой отклонение от нормального состояния системы не превышает естественных изменений, следовательно, не вызывает нежелательных последствий у живых организмов и не ведет к ухудшению качества среды. Согласно биотическому подходу оценка экологического состояния проводится по комплексу биологических показателей (Израэль, 1984; Левич, 1994; Булгаков, 2003; Беляев, 2006).

В соответствии с биотической концепцией нормирования и полученными зависимостями между качественным составом абиотической среды и характеристиками сообществ был рассчитан уровень содержания ряда загрязняющих веществ, сверх которого возможно ухудшение рассмотренных выше биотических параметров экосистемы (табл. 14), что позволяет откорректировать рассчитанные на основе биогеохимического подхода экологически безопасное содержание загрязняющих веществ. Рассчитанные геохимическим методом значения находятся на уровне или ниже действующих на сегодняшний день ПДК для БПК₅, азота аммонийного, нитратов, сульфатов, Cr. Для фенолов, нефтепродуктов, железа об. и Zn фоновые значения выше ПДК. Для ряда ингредиентов требуется более жесткий подход к нормированию и установление экологически безопасного уровня (ЭБУ) содержания. К таким веществам относятся, прежде всего, биогенные соединения, ответственные за состояние экологического регресса под действием эвтрофирования (фосфаты и в меньшей степени нитриты), а также СПАВ. Для тех, соединений, для которых не выявлено влияние на биотические показатели, возможно установление нормативов на уровне фоновых концентраций (диапазона концентраций), значения которых выше ПДКрх.

Таблица 14. Рассчитанные нормативы содержания загрязняющих веществ (мг/л) в воде Куйбышевского водохранилища (фоновые и на основе биотической концепции²⁾) в сравнении с величинами ПДК

Примечание. ¹⁾; где -среднее значение концентрации, д - среднее квадратическое отклонение концентрации, t_St - коэффициент Стьюдента при P = 0,95, n- число данных по ингредиенту; ЭБУ²⁾ - экологически безопасный уровень по наиболее чувствительной группе гидробионтов (зоопланктон - ИВРч, фитопланктон - численность, биомасса; зообентос - биомасса ракообразных, пиявок; рыбы - планктофаги).

Для совершенствования нормативной базы в области нормирования качества воды, для вхождения в единое нормативное пространство со странами Европейского Союза и в развитие методологии определения целевых показателей качества воды (ЦПКВ) как основы бассейнового принципа управления водопользованием (Водный Кодекс, ст. 35) в данной работе разработан алгоритм, представленный в виде схемы (рис. 22).

На первом этапе устанавливается экологическое состояние водоема с позиций адаптационных возможностей биотической составляющей, после чего - в случае удовлетворительного статуса в качестве ЦПКВ используются значения геохимического фона или - при определении состояния дестабилизации экосистемы - рассчитываются нормативы по показателям, ответственным за наблюдаемые отрицательные эффекты. Для соединений двойного генезиса, для которых не выявлено отрицательное влияние на биотические показатели, возможно установление нормативов на уровне фоновых концентраций (диапазона концентраций).

Рассчитанные допустимые значения (ЦПКВ) содержания ряда загрязняющих веществ в воде экологически обоснованы с точки зрения благополучия бентосного, планктонного сообществ, аккумуляции металлов в рыбе и установления экологического состояния водоема в целом.

Предлагаемые региональные нормативы ЦПКВ и ПДУ_ДО могут быть встроены в общую систему эколого-токсикологических нормативов, направленных на рациональное использование и управление качеством водных ресурсов.

Рис. 22. Схема расчета нормативов качества воды

Глава 5. Критерии оценки экологического риска для устойчивого функционирования Куйбышевского водохранилища

5.1. Индекс экологического состояния экосистемы (ИЭС)

Состояние биологической системы оценивается по некоторым частным показателям, в изменении которых находит отражение преобладание деструктивных или адаптивно-компенсаторных процессов (Филенко и др., 2005). В данной работе обосновывается метод экспертной оценки статуса (потенциала) водохранилищ, который представляет собой наиболее простой способ выявления экологического неблагополучия в водных экосистемах посредством фиксации наличия или отсутствия в ней определенных, чувствительных к комплексным и специфическим загрязнениям, индикаторных организмов.

При экспертной оценке использовали, прежде всего, хорошо зарекомендовавшие себя классификаторы качества вод, разработанные Росгидрометом (Организация и проведение…, 1992), предложенные в литературе гидробиологами С.С. Бариновой (Оценка…, 1992), Т.Д. Зинченко (Выхристюк и др., 2001; Зинченко и др., 2000; Головатюк и Зинченко, 2006), А.И. Бакановым (Баканов, 1999; 2000; Баканов и др., 1998) и Е.В. Балушкиной (Балушкина, 1997; 2001), а также предлагаемые в данной работе по совокупности многолетних экспериментальных данных классификаторы.

В основу расчета положены следующие количественные показатели.

1. Подындекс, характеризующий качество воды (ИХС) через гидрохимические показатели конкретного водохранилища:

2. Подындекс биотического состояния фитопланктона и зоопланктона (ИБС_i):

ИБСф - индекс биологического состояния по фитопланктонному сообществу (показатель - биомасса фитопланктона); ИБСз - индекс биологического состояния по зоопланктонному сообществу (показатели - ИВР, коэффициент трофии, показатель трофности, индекс сапробности).

3. Подындекс ИБСб, характеризующий состояние донных отложений (определяется в соответствии с триадным методом (Chapman, 1986; Guchte, 1992; Deckere et al., 2000));

4. Подындекс ИБСр (показатель биологического состояния рыб), характеризующий патологоанатомическое состояние рыб (Аршаница, Лесников, 1987);

5. Подындекс ИЗН, характеризующий состояние здоровья населения, оценивается через превышение среднего уровня заболеваемости по основным экологозависимым классам заболеваний относительно фонового уровня.

Для оценки интегральной величины ИЭС водоема перечисленные количественные показатели предлагается нормировать в единой шкале с приданием каждому из них определенного статистического веса (k_i) с учетом региональных особенностей:

По значению ИЭС можно оценить качество воды, экологический статус (потенциал) и экологический риск устойчивого функционирования водохранилища в соответствии с таблицей 15.

Таблица 15. Классификация качества воды, экологического статуса (потенциала) водохранилища и экологического риска его функционированию по показателям ИЭС

5.2. Определение экологического статуса Куйбышевского водохранилища и экологического риска его функционированию

Разработанная методология и предложенный экспериментально-расчетный способ определения индекса экологического статуса водохранилища как интегрального критерия оценки экологического риска апробирован на примере Куйбышевского водохранилища.

При оценке экологического состояния экосистем Куйбышевского водохранилища использовали комплексные показатели (табл. 16), каждому из которых присваивали весовые коэффициенты, зависящие от конкретных региональных условий (уровня связи с содержанием загрязняющих веществ, социальной и экологической значимости показателя).

Наибольший вклад в значение ИЭС Куйбышевского водохранилища вносят интегральные показатели, характеризующие фитопланктонное и бентосное сообщества. Первый - представляет собой ответ на наблюдаемое эвтрофирование водохранилища, а второй - показатель опасности токсичных веществ, накопленных в донных отложениях за время существования Куйбышевского водохранилища. Примененный в данной работе триадный метод выявил взаимосвязь между уровнем загрязнения донных отложений и наблюдаемым обеднением видового разнообразия бентосного сообщества за счет токсического воздействия. Очевидно, что донные отложения выступают как источник поступления токсичных и биогенных веществ в воду, а также фактором риска накопления металлов (Zn и Pb) в высших звеньях пищевой цепи - рыбе. Подындекс, характеризующий состояние макрозообентоса (ИБСб), вносит наибольший вклад в ИЭС нижних плесов Куйбышевского водохранилища.

Таким образом, по оцененному показателю ИЭС (3,0-3,3) Куйбышевское водохранилище характеризуется низким экологическим потенциалом и повышенным уровнем риска.

Таблица 16. Количественные данные для расчета индекса экологического состояния (ИЭС) Куйбышевского водохранилища по плесам

Примечание. Н.д. - нет данных

5.3. Анализ риска здоровью населения при поступлении в организм загрязняющих веществ с питьевой водой и рыбой

Канцерогенные вещества (ПАУ, ПХБ и пестициды) не были выявлены в составе воды Куйбышевского водохранилища, поэтому характеристика риска в отношении веществ, не обладающих канцерогенным эффектом, проводили путем сопоставления фактического суточного воздействия (суточной дозы) с величиной референтной дозы (RfD) (Chemical risk assessment, 2001; Ревич и др., 2004; Евгеньев и Евгеньева, 2007).

Оценка риска воздействия неканцерогенных соединений производили при помощи расчета индекса риска (ИР): ИР=СДД/RfD (5),

где СДД - средняя дневная доза; RfD - референтная доза из базы данных интегрированной информационной системы о рисках и таблиц оценки эффекта (IRIS/HEAST) на здоровье (http://cfpub.epa.gov/iris).

(6),

где С_i - концентрация химического вещества в среде (воде) в мг/кг; V_i - объем...