Влияние нефтепродуктов на жизнедеятельность гидробионтов

     Нефть является сложной смесью парафиновых, циклопарафиновых, ароматических углеводородов  с простыми и разветвленными цепями. Помимо этих основных составляющих, она  содержит соединения серы и азота, органические кислоты, микроэлементы. Нефти могут также содержать нафтеновые кислоты и фенольные соединения, хлороформенные битумоиды, в составе которых имеются такие экологически особо опасные соединения, как полиароматические углеводороды. Приконтурные воды за счет высокой восстановительной способности углеводородов обогащаются органическими кислотами, бензолом, толуолом, фенолом и другими органическими веществами. В них также отмечаются заметные аномалии по содержанию серы, фосфора, тяжелых металлов. Загрязнение приконтурными водами способно сильно изменять химический состав подземных вод.

     Нефтяные  компоненты при поступлении в  поверхностные воды находятся в  различных формах (масляная, растворенная, эмульгированная, адсорбированная). В  начальный период 60-70 % поступившей нефти содержится в водной массе в растворенном, эмульгированном, адсорбированном состоянии. Обычно эмульгированных компонентов в 2 раза больше растворенных. Последние состоят на 80-90 % из ароматических углеводородов (бензол, толуол, этилбензол, ксилол и др.), обладающих высокой токсичностью в связи с повышенной способностью к растворению в воде [22].

     Поступившая в поверхностные воды нефть вступает в общую цепь сложных и мало исследованных по длительности процессов (испарение, растворение, эмульгирование, окисление, образование агрегатов, седиментация, биодеградация). Эти процессы зависят как от состава и количества нефти в водной среде, так и от условий в водоемах (наличия в воде коллоидов, взвешенных частиц, планктона, температуры, солнечного освещения и т.д.). Известно, что во всех формах миграции происходит накопление устойчивых к биологическому разложению компонентов (смол, асфальтенов, парафинов и др.), причем максимум нефтепродуктов концентрируется в донных отложениях. При хроническом загрязнении водотоков углеводороды накапливаются в донных отложениях на участках с замедленным течением, где активно проходят процессы илонакопления. Размыв загрязненных донных отложений вызывает вторичное загрязнение вод и их перенос далее вниз по течению реки, что зависит от диаметра частиц и скоростей речного потока [18]. В стоячих водоемах, загрязнение донных отложений нефтью приурочено, как правило, к прибрежным, наиболее биологически продуктивным зонам. При крупных авариях, когда водоем полностью покрыт нефтью и не приняты оперативные меры по ее сбору, донные отложения покрываются слоем нефти и наблюдается полная деградация донных сообществ. К факторам, существенно сдерживающим скорость деградации нефти, относятся низкая прозрачность воды, сдерживающая фотоокисление (особенно в половодье), а также пониженная температура воды и дефицит кислорода, приводящий в зимний период к заморам. Установлено, что при отсутствии ультрафиолетового излучения скорость химической деструкции нефти снижается почти в 2 раза, а со снижением температуры на 10° – в 2-4 раза. Пониженная температура существенно снижает и биохимические процессы, связанные с деструкцией и трансформацией различных веществ. В анаэробных условиях или дефиците кислорода происходит не окисление, а сульфатредукция и метанообразование. При этом в воде накапливаются токсичные для гидробионтов вещества (меркаптаны, сероводород и др.). Наиболее экологически опасными являются хорошо растворимые, трудно окисляемые нефтяные углеводороды – водорастворимая фракция может содержать до 90 % токсичных ароматических соединений. В нижних горизонтах локализуется сверхмедленно окисляемая фракция, обогащенная полиароматическими углеводородами [7].

     Важная  роль в распределении нефтепродуктов в водотоках принадлежит физическим процессам сорбция нефти взвесью и ее осаждение. По мере удаления от источников загрязнения концентрация нефтепродуктов во взвеси снижается, что обусловлено испарением их летучих компонентов, а также биохимическим окислением. Опытами установлено, что 1 г взвеси и донных отложений сорбирует до 12-25 мг солярового масла. Однако, на взвеси чаще всего сорбируются липкие смолистые компоненты нефти. Не исключено, что промежуточные продукты распада органического детрита, захороненного в донных отложениях, могут определяться как нефтепродукты, хотя они не являются компонентами загрязнения. Полициклические ароматические углеводороды могут образовываться из захороненной биоты при участии микроорганизмов [3].

     Влияние нефти, нефтепродуктов и их составляющих частей не ограничивается определенной территорией или одним видом живых организмов. При попадании в окружающую среду они оказывают действие  на биоразнообразие водоема и на всю экосистему в целом.

1.3. Исследования влияния нефтепродуктов на водные экосистемы

    При попадании нефти и нефтепродуктов в водную экосистему, в первую очередь происходит воздействие на донные микроорганизмы, которые являются наиболее чувствительными к токсикантам, чем более крупные обитатели водоемов.

    Л.С. Кравцовой и др. исследовалось влияние водорастворимых битумов в донных отложениях на распределение гидробионтов. Максимальные значения численности и биомассы олигохет, хирономид и моллюсков отмечены при содержании водорастворимых битумов 40 мг/кг грунта. При более высоких концентрациях (82 мг/кг) происходило уменьшение количественных показателей, как отдельных групп, так и зообентоса в целом. Однако, влияние водорастворимых битумов на группы зообентоса неоднозначно. Так, концентрации 40 мг/кг, вероятно, создают оптимальные условия для развития микрофлоры, повышающей пищевую ценность детрита, что способствует обилию гидробионтов. При дальнейшем возрастании содержания водорастворимых битумов наблюдается снижение численности как у моллюсков, так и хирономид; у олигохет эта тенденция выражена слабо. Аналогичные закономерности прослежены и другими исследователями. При загрязнении донных отложений дизельным топливом смертность личинок хирономид (на примере Chironomus riparins) достоверно была выше контрольной при содержании нефтепродуктов 220…320 мг/кг.

    Нефть разных месторождений по-разному влияет на донных беспозвоночных, прежде всего это связано с различным фракционным составом углеводородов. Нефть с высоким содержанием нафтеновых кислот, смол и серы была самой ядовитой для гидробионтов. Нефть не является специфическим токсикантом, поражающим какую-либо одну систему, а вызывает несогласованные изменения в содержании белка, свободных нуклеотидов и нуклеиновых кислот. Помимо микробиальных деструкторов нефти, донные организмы также участвуют в преобразовании нефти в донных осадках. Многие исследователи уже давно отмечали, что гидробионты способны накапливать в своем организме нефтепродукты. Так, полихеты способствуют преобразованию нефти в грунте [18]. Эксперимент показал, что ароматические структуры органического вещества фекалий нереисов из опыта приобретали иной характер, чем исходных.  Полихеты  перерабатывали  нефтепродукты, а именно тяжелые фракции.

    Проходя через организм мидий, углеводороды нефти претерпевают более глубокие качественные и количественные изменения по сравнению с трансформацией нефти в морской воде. Накопление углеводородов мидиями зависит от нескольких факторов: степени их исходного загрязнения углеводородами нефти; физиологического состояния, связанного с отсутствием (недостатком) питательных веществ; химического спектра углеводородов в нефтепродуктах. Моллюски способны продолжительное время сохранять в своем теле нефть [22].

     Донные  беспозвоночные подвержены влиянию  нефти и нефтепродуктов, которое  выражается в изменении количественных и качественных характеристик донных сообществ, его структуре, причем это влияние зависит от качественного состава нефти или нефтепродуктов, их концентрации и периодичности загрязнения. Важная роль отводится донным организмам в процессах самоочищения водных объектов от данных загрязнителей [22].

     То  есть характер токсического действия нефти и нефтепродуктов на все живые организмы водоема носит различный характер, в зависимости от химического состава и концентрации токсиканта, и вида живого организма, а именно от возраста, массы тела и продолжительности жизненного цикла.

1.4. Влияние токсических веществ на жизнедеятельность дафний

    Влияние токсикантов на зоопланктон осуществляется как прямо путем адсорбции на поверхности тела и поглощения фильтрацией, так и косвенно, при питании бактерио- и фитопланктоном, накопившим токсиканты. Поступая в зоопланктонные организмы, токсиканты частично аккумулируются в их тканях, а частично подвергаются метаболизации и детоксикации [3].

    Если  они не вызывают острого отравления и гибели животных, то при накоплении в организме могут вызывать либо хроническую интоксикацию, выражающеюся в изменение ритма и скорости движения, отказе от пищи, нарушение информационных связей и дезорганизации поведения, снижении интенсивности обмена и темпа роста, либо сказываются на последующих поколениях вследствие проникновения в хромосомный аппарат, в тонкие генные структуры, вплоть до молекул ДНК, где токсиканты вмешиваются в самые интимные процессы воспроизводства живого на молекулярном уровне и дезорганизуют его. Аккумуляция токсикантов в гонадах приводит к снижению выживаемости молоди, к рождению уродливых или мутантных особей, что, в конечном счете, снижает численность популяции, а, следовательно, и продуктивность беспозвоночных – зоопланктонов [32].

    Снижение количества фильтраторов в водоеме приведет к нарушению питательных цепей и к тому же сильно скажется на процессах самоочищения водоемов, что, в свою очередь, может привести к загрязнению воды органическими веществами.

    На  показателях токсикологических  реакций планктона сказывается эффект фазности. Различают 4 фазы: безразличие, стимуляция, депрессия и смерть[27].

    Внешне  констатируемое «безразличие» не является действительным показателем отсутствия реакции:  «безразличие» на организменном  уровне может скрывать глубокие внутриклеточные и молекулярные процессы, медленно накапливающиеся изменения в клетках, их органеллах, хромосомах, ДНК и других микроструктур. Стимуляция же, т.е. интенсификация жизнедеятельности, является первой фазой интоксикации. При длительном воздействии или повышение концентрации токсиканта развивается депрессия, т.е. угнетение жизнедеятельности, которое в конечном итоге может привести к смерти. [27].

    Интенсивность действия загрязнителей зависит  от изменения факторов внешней среды, а так же от систематического и физиологического, в том числе возрастного, состояния [15].

      Так, например, дафнии в более раннем возрасте интенсивней потребляют пищу, и, следовательно, более интенсивно накапливают в своем организме токсиканты.

    Чувствительность  и устойчивость водных организмов к токсикантам тесно связано с их оксифильностью, а проблема токсичности тесно связано с уровнями  «кислородных порогов» и интенсивностью потребления кислорода (ИПК, СПК) при различных условиях. Таким образом, одним из основных показателей токсического эффекта являются, в общем, кислородный обмен [3].

    Освещение может стимулировать или угнетать обмен в зависимости от интенсивности света и размера дафний [5].

    Большое влияние на токсичность ядов и  загрязнителей оказывают температурные колебания. Резкое возрастание токсичности отмечено в пределах 15-25⁰С. В пределах 5-25⁰С изменения температуры могут влиять на время гибели и порог устойчивости животных, снижая величину минимальной летальной концентрации, т. е. токсическое действие многих веществ может проявляться только при повышенных температурах [29].

    Таким образом, природные экологические  факторы могут изменять – усиливать  или ослаблять воздействие токсикантов  на водные организмы. У каждой экологической  группы гидробионтов существуют свои оптимальные зоны абиотических факторов, зоны комфорта. Опытным путем можно легко установить предпочитаемую оптимальную зону для каждого гидробионта, в пределах которой организм, как правило, более устойчив и к чужеродным к нему факторам [15].

1.5. Современные методы анализа загрязнения водной среды. 
Методы биотестирования

    В данное время существует множество  методов анализа водной среды. Самые  распространенные из них – химические. Для этих методов подготовлены и отработаны многочисленные методики, позволяющие определять содержание веществ в пробе. Однако, из-за огромного числа видов самих загрязняющих веществ, источников их выбросов, а так же сложности и высокой стоимости анализов, организовывать постоянные химические экспертизы только средствами аналитической химии практически невозможно. Это невозможно еще и по тому, что химико-аналитический контроль исключает комбинированный характер действия загрязнителей, когда влияние каждого из них может дополнять, усиливать или подавлять друг друга. В этом случае наряду с химическими методами оценки загрязнения окружающей среды производиться так же на основе результатов биологического анализа [20].

    Гидробиологической  науке и одному из ее разделов – водной токсикологии – принадлежит ведущая роль в обосновании мероприятий , направленных на охрану чистой водной среды. Серьезный научный фундамент водоохранных мер немыслим без получения информации о степени загрязнения водной среды, оценки существующей и потенциальной опасности от поступающих в водоем токсических веществ. Живые организмы способны воспринимать более низкие концентрации веществ, чем любой аналитический датчик, в связи с чем биота может быть подвержена токсическим воздействиям, не регистрируемым техническими средствами контроля [27].

    В связи с этим сформировалась концепция токсикологического биотестирования, то есть использования биологических объектов в качесве средства выявления суммарного содержания токсических компонентов в водной среде. Биотестирование, в широком понимании, представляет собой методический прием, основанный на оценке действия фактора среды, в том числе и токсического на организм, его отдельную функцию или систему организмов. Биотестирование с применением гидробионтов может быть использовано для:

• Оценки токсичности загрязненных природных вод;
• Контроля токсичности вод;
• Ускоренной оценки токсичности экстрактов, смывов и сред для санитарно – гигиенических целей
• Первичного исследования перед проведением химического анализа в лабораторных условиях [16].

       Цель  биотестирования – выявление  на гидробионтов степени и характеристики токсичности воды, загрязненной биологически опасными веществами и оценка возможной  опасности этой воды для водных и других организмов [30]. Важным требованием, предъявленным к биотестированию, является экспрессность. Обеспечить сокращение процедуры биотестирования можно, применяя тест-объекты, более чувствительные к загрязняющим веществам [10].