Современная наука обладает огромным арсеналом средств для наблюдения за количественными и качественными изменениями в гидросфере, аналитической обработки данных и построения прогнозов.
Итоги многолетних систематических наблюдений неутешительны: загрязнены практически все водные бассейны, снабжающие наши производственные, сельскохозяйственные и коммунально-бытовые нужды.
Водные ресурсы РФ в 1999 г. составляли 4 310 км3. В целом по России на питьевые и хозяйственные нужды забирается 3% водных ресурсов, из которых 2/3 сбрасывается назад в виде сточных вод. Структура нашего водопотребления такова:
- производственные нужды — 57,8%;
- хозяйственно-питьевые — 19,6%;
- орошение — 14,3%;
- сельскохозяйственные нужды — 2,4%;
- другие нужды — 5,9%.Потери воды во внешних водопроводных сетях составили в 1999 г. 8,4 км3, т.е. более 6%, потери в коммунальном хозяйстве — 14% (из-за утечек в водопроводных сетях и запорной аппаратуре). Из общего объема сточных вод (54,8 км3) почти 38% отнесены к категории «загрязненных». Основные промышленные «вредители» — предприятия энергетики, топливной, химической и нефтехимической, целлюлозно-бумажной промышленности, металлургии и машиностроения.Наиболее распространены загрязнения поверхностных вод России нефтепродуктами, фенолами, легко окисляемыми органическими веществами, соединениями металлов, аммонийным и нитратным азотом, а также специфическими поллютантами: лигнином, ксантогенатами, формальдегидом и др. В связи с развитием производства и экономией на очистных сооружениях до 80-х гг. быстро нарастало загрязнение поверхностных вод, которое несколько снизилось только после введения экономических санкций за нанесение ущерба окружающей среде. В 90-х гг. в связи с общим снижением объемов производства суммарные объемы загрязнений в целом по стране сократились, что, однако, не привело к заметному улучшению качества поверхностных вод.В 1999 г. крупные реки оценивались как «загрязненные», а их притоки — от «очень загрязненных» до «чрезвычайно загрязненных». В местах мощных сбросов сточных вод наблюдается катастрофическое снижение разнообразия биологических сообществ, укорочение пищевых цепей, что очень быстро может привести к полной ликвидации биоценозов.Прогнозные ресурсы подземных вод России в 1997-99 гг. оценивались в 316,8 км3/год, из которых использовалось 10,9 км3/год. Выявлено 2776 очагов загрязнения подземных вод и водозаборов, в том числе в таких городах, как Печора, Калуга, Самара, Южно-Сахалинск, Оренбург, Биробиджан и др. Примерно в 40% случаев это происходит из-за нарушений режима эксплуатации водоемов. При этом для питьевых нужд используется вода, содержащая чуть ли не всю таблицу Менделеева: соединения азота, железа и марганца, сульфатов, хлоридов, нефтепродуктов, фенолов, бария, кадмия, бора, кобальта, брома, ртути, кремния.Каждый водоем — это сложная живая система, где обитают водоросли, высшие растения, бактерии, различные беспозвоночные животные. При антропогенном воздействии нарушается равновесие водной экосистемы, что отражается на видовом составе биоценоза. Таким образом, структура сообщества водных организмов определяется качеством воды. В водной среде обитает около 250 тыс. видов животных и 10 тыс. видов растений. В тропических водах их число может достигать 400 тыс., в северных видовое разнообразие гораздо меньше.Человек с незапамятных времен использовал живые организмы для определения присутствия в окружающей среде токсичных веществ по показателям биохимических реакций организмов, изменениям их состояния, морфологическим и функциональным нарушениям [12]. Всем известно использование шахтерами в былые времена канареек для обнаружения рудничного газа, а присутствие фиалок определенного цвета в тайге говорит о наличии в земле кимберлитовых трубок. Данный метод называется биотестированием. Существует также понятие биоиндикации — это способ оценки антропогенной нагрузки на водоем по состоянию его живых обитателей, причем индикаторами качества воды могут служить организмы самого разного уровня — от бактерий до рыб.Ученые работают над созданием все более совершенных методов определения загрязнения воды: чувствительных, быстродействующих, компактных, недорогих, удобных в эксплуатации. Наиболее распространены тест — методы химического анализа с использованием реагентных индикаторных бумаг. Избирательность химического анализа достигается иммобилизацией органических реагентов на поверхности кремнеземных носителей. В настоящее время реагенты на поверхности кремнеземной матрицы закрепляют за счет их ионного взаимодействия. Дальнейшее изучение химизма взаимодействия реагентов различных классов с поверхностью носителей и установление закономерностей комплексообразования с участием лигандов, закрепленных на поверхности, позволит значительно расширить аналитические возможности методов с использованием нековалентно иммобилизованных реагентов.
В поисках более чувствительных тестов ученые обращаются к биохимическим реакциям. Биологические объекты: ферменты, белково-ферментные комплексы, культуры клеток, — могли бы выступать в качестве аналитических реагентов, осуществляющих молекулярное распознавание. В процессе эволюции они идеально «настроились» на особенности строения субстрата, лиганда, эффектора и поэтому обеспечивают высокую чувствительность к биологически активным веществам. В ряде случаев уровень обнаружения токсикантов биохимическими методами сопоставимы с возможностями традиционных физико-химических методов анализа. Однако изменения на молекулярном и клеточном уровне очень лабильны, кратковременны и чувствительны к «биологическим часам».
Тем не менее создано множество ферментных тестов, совершенствование которых идет по нескольким направлениям: стабилизация фермента путем его иммобилизации, решение вопросов долгосрочной стабильности основных характеристик, улучшение измерения скорости ферментативной реакции, автоматизация средств измерения и т.д. Активно используются холинэстеразные тесты для оценки суммарного содержания фосфоорганических и карбаминатных пестицидов (предел обнаружения до 10-12 моля). Часть этих разработок предназначалась для контроля боевых отравляющих веществ и затем была адаптирована для решения задач эколого-аналитического контроля.
Тесты на основе пероксидазы и щелочной фосфатазы, иммобилизованной в системе полиуретан-хитозан, прошли широкую апробацию, в том числе в контроле водопроводных, подземных и поверхностных вод. Пероксидаза обнаруживает ртуть с уникальной чувствительностью до 10-12 моля.
Применение целых клеток имеет ряд преимуществ по сравнению с изолированными ферментами, так как отпадает необходимость в трудоемких операциях по выделению фермента, его очистке и стабилизации. Успехи биотехнологии позволяют получать модифицированные микроогнзмы с повышенной активностью «нужных» ферментов. Однако микробные тесты действуют намного медленнее ферментных, поскольку на проникновение веществ через клеточные мембраны и перемещение к местам локализации фермента необходимо время. Кроме того, культивирование микроорганизмов требует стерильных условий и особых процедур стандартизации.
Микробные тесты впервые были предложены и использованы в Японии в 1977 г. В нашей стране имеется вариант люминесцирующего микробного теста (система Биотокс), основанного на оценке токсичности по измерениям свечения живых неповрежденных микробных клеток, обусловленного комплексом реакций с участием фермента люциферазы. Выделение и расшифровка гена, ответственного за синтез данного вещества, позволили использовать в биолюминесцентных исследованиях и несветящиеся организмы. Начиная с 1993 г. применение плазмидных рекомбинантных ДНК с встроенным опероном, ответственных за синтез люциферазы, позволило получить высокопродуктивные культуры E. coli, S. cerevisae, X.campertis и др., продуцирующие в присутствии необходимых компонентов инуцированное свечени. Пределы обнаружения кадмия, свинца и сурьмы с помощью светящихся штаммов Staphilococcus aureus и Bacilus subtilis составили, соответственно, 10, 33 и 1 наномоля.
Возрастающее использование методов генной инженерии — основная тенденция развития биохимических и микробиологических методов контроля сточных вод.
Самый простой способ исследования токсичности воды с помощью многоклеточных организмов — «рыбная проба». Наиболее чувствительных к вредным веществам рыб — окуней, ершей, форелей, щук, налимов и судаков помещают в сетчатом садке в реку и ведут за ними наблюдение или же ставят опыты в аквариумах, заполненных загрязненной и чистой водой для контроля. Беспокойное поведение по сравнению с контролем — это уже сигнал. Если рыба начинает терять ориентацию в пространстве, переворачиваться — значит, вода содержит вредные вещества в больших концентрациях.
Промышленные предприятия, сливающие отработанные воды, уже используют аквариумы с рыбами, которые «тестируют» качество воды, сбрасываемой в водоемы. Однако специалисты пошли дальше, создавая оригинальные биотестирующие системы на основе повышенной чувствительности некоторых пород рыб к определенным видам загрязнения.
На выходе сточных вод ставится длинный лоток с форелями. Рыба сообразно своей природе держится против течения у входа в лоток, однако при появлении примеси вредных веществ уходит в противоположный конец. Это фиксируют фотоэлементы, соединенные с системой сигнализации. Подобные установки работают на некоторых предприятиях России и Франции.
Группа сотрудников из Агентства по охране окружающей среды США несколько лет исследовала «кашель» у рыб и обнаружила, что рыбы, в особенности ушастый окунь, пескарь и форель, таким образом очищают свои жабры от вредных веществ. Уже созданы промышленные системы, которые автоматически регистрируют «кашель» рыб, его частоту и подают сигнал тревоги, если загрязнение превышает установленные нормы.
Западногерманские токсикологи пошли несколько иным путем. Они регистрируют частоту электрических разрядов у нильской щуки в нормальной водной среде и при ее загрязнении. Эта «электрическая» рыба очень тонко ощущает своими хеморецепторами состав примесей в воде и реагирует на изменение электропроводности воды при появлении вредных веществ.
Французские биологи решили создать что-то наподобие рыбы-ищейки — они вживили в обонятельные области мозга радужной форели электроды и соединили их с миниатюрным передатчиком, прикрепленным к голове рыбы. В лабораторных условиях были расшифрованы электрические импульсы, соответствующие различным загрязнителям, таким, как пестициды, различные фенолы и другие компоненты сточных вод. Передатчик весит всего 3 грамма и форели не мешает, а ученым дает возможность непрерывного слежения за появлением определенных примесей в водоеме.
Рыбы, при всех их достоинствах, неудобны тем, что требуют корма, и активность их зависит от времени суток. Более совершенный «живой прибор» попытались создать с помощью двустворчатого моллюска перловицы. Одну створку раковины фиксируют, а ко второй прикрепляют нечто вроде рычага, и тогда, закрывая створку при попадании загрязненной воды, моллюск будет включать сигнальную систему. Такие же автоматические системы мониторинга химического загрязнения воды создают с помощью более мелких ракушек — дрейсен.
Системы постоянного слежения за чистотой воды созданы даже на основе микроскопических водных животных: коловраток и инфузорий, которые обнаруживают такие редкие металлы, как селен, ванадий и цирконий в концентрациях 5-10 промиле за 20-30 минут. Очень перспективным выглядит направление эмбриологического мониторинга, при котором токсикологи проверяют наличие вредных веществ в воде по ее влиянию на развитие эмбрионов дафний, икры радужной форели и личинок водных нематод.
Организмы-биоиндикаторы помогают отслеживать качество очистки в активном иле: при ухудшении очистки меняется видовой состав микробиоценоза и поведение отдельных представителей. Например, у сувойки при нехватке кислорода сжимаются устьица и перестают работать реснички.
Развитие и расширение индикаторных и тестовых исследований с использованием живых объектов — надежный и гуманный путь спасения природы, общаясь с ней на ее языке.
Ученые пристально следят за судьбой Байкала, который относится к числу наиболее чистых водоемов на Земле. Это огромное сибирское озеро, возникшее более 20 млн. лет назад, «владеет» 1/5 частью всех мировых запасов поверхностных пресных вод. Питаясь чистой водой горно-таежных рек и сбрасывая излишек в Ангару, Байкал сохраняет очень низкий уровень минерализации. Обитающий только здесь веслоногий рачок эпишура очень эффективно очищает воду от бактерий, водорослей и органических частиц, а заодно служит основным кормом знаменитого байкальского омуля. Более половины «населения» Байкала — эндемики, приспособленные к очень чистой воде.
Замечательным примером эволюционно сложившейся кооперации в поддержании чистоты воды служит семга и двустворчатый моллюск пресноводная жемчужница. Обязательное условие развития молоди семги — чистота воды и высокое содержание в ней кислорода. Многомиллионные популяии пресноводной жечужницы очищают воду в реках от органических соединений и остатков организмов. Но и жемчужница зависит от семги, поскольку ее личинки развиваются, паразитируя на жабрах и коже семги. О былом обилии этих видов на русском Севере можно судить по богато украшенным «русским жемчугом» парадным одеждам наших предков. Более того, по свидетельствам историков, при найме на работу в этих местах, между работником и хозяином нередко заключалось соглашение, включающее удивительное условие — не кормить их семгой чаще двух раз в неделю, чтобы не уменьшать количество жемчужниц и не подрывать основу добычи жемчуга.
Кажется, что наземные организмы в меньшей степени зависят от воды, чем обитатели водоемов. Это совсем не так — любой живой организм на Земле более чем наполовину состоит из воды. У каждого из нас есть своя «гидросфера» — сосудистая система, водный баланс отдельных клеток. У сложных многоклеточных организмов каждая клетка с помощью сложной системы сосудов и межклеточных емкостей омывается внеклеточными жидкостями (кровью, лимфой и др.), которые доставляют им питательные вещества и уносят шлаки. При нормальных условиях вода постоянно входит и выходит через мембрану клеток и диффундирует из области высоких концентраций различных веществ в область низких. Например, если поместить клетку в концентрированный раствор соли, молекулы которой не проникают через клеточную мембрану, то вода будет выходить из клетки и она съежится. В дистиллированной воде с низкой концентрацией солей возникнут, напротив, потоки воды внутрь клетки: она будет набухать и может лопнуть. Процессы движения любых веществ через клеточную мембрану обязательно сопровождаются перемещениями воды, и от этого напрямую зависит наше здоровье и самочувствие. Но вода в многоклеточных организмах выполняет не только транспортные функции: она является и непременным участником реакций энергетического обмена внутри клетки.
В процессе фотосинтеза с помощью света происходит образование углеводов из воды и углекислоты. При дыхании с помощью кислорода происходит обратный процесс. Из школьного курса всем известно замечательное уравнение:
СО2 + Н2О + свет = глюкоза + О2
В зеленых растениях эта реакция идет слева направо, у животных (в том числе и у человека) — справа налево. Уже в середине XX в. ученым стало ясно, что в основе фотосинтеза лежит сложная последовательность окислительно-восстановительных реакций транспорта электронов между молекулами-переносчиками, погруженными в биологические мембраны. Источником электронов при фотосинтезе у зеленых растений служат молекулы воды. Через биосферу Земли идет постоянный поток энергии от Солнца и кругооборот воды и углекислого газа. В химических лабораториях реакция газообразного водорода с кислородом, при которой образуется вода, весьма взрывоопасна. В живой клетке процесс высвобождения энергии из молекул глюкозы с помощью кислорода при дыхании происходит в несколько стадий, причем на каждой из них выделяется только часть энергии, которая тут же (в доли секунды) аккумулируется молекулами АТФ.
Человек испокон веку почтительно относился к воде, особенно высоко ценя ее чистоту. С чистотой воды сравнивали чистоту драгоценных камней («бриллиант чистейшей воды») и ясность мысли («как в воду глядел»). Пора и современной цивилизации отказаться от порочного и высокомерного отношения к воде как к полезному ископаемому, а ценить и беречь ее как основу всего сущего на Земле, как великую загадку, как источник душевной услады и покоя и помнить, что именно водный мир Земли связывает воедино жизнь, атмосферу, почву, энергетические процессы в биосфере, обеспечивая их системную устойчивость.
— доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник НИИФХБ им. А. Н. Белозерского.
http://vitnik.ru/4istwat.htm
Источник:
