Экологическая токсикология и биотестирование водных экосистем
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Общая экология
Издательство:
НИЦ ИНФРА-М
Год издания: 2023
Кол-во страниц: 252
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-16-010160-6
ISBN-онлайн: 978-5-16-102007-4
Артикул: 474150.07.01
К покупке доступен более свежий выпуск
Перейти
Учебное пособие знакомит студентов вузов с основными направлениями экологической токсикологии и методами биотестирования окружающей среды. Особое внимание уделено методам биотестирования и биоиндикации, позволяющим определять наличие токсикантов в экосистемах, их перемещение по трофическим цепям, влияние на здоровье населения. Приведены основные методы нормирования токсикантов в различных экологических системах и экологическое законодательство, устанавливающее нормы выбросов и контроль токсикантов в окружающей среде. Содержится информация о методах разработки эколого-рыбохозяйственных нормативов и санитарных норм, а также представления о современных методах реабилитации загрязненных экосистем.
Книга предназначена для экологов, токсикологов, гидробиологов, студентов и аспирантов соответствующих специальностей.
Только для владельцев печатной версии книги: чтобы получить доступ к дополнительным материалам, пожалуйста, введите последнее слово на странице №109 Вашего печатного экземпляра.
Ввести кодовое слово
ошибка
-
котельцев_экологическая токсикология\
-
рисунки.pdf
-
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ТОКСИКОЛОГИЯ И БИОТЕСТИРОВАНИЕ ВОДНЫХ ЭКОСИСТЕМ Допущено Учебно-методическим объединением по классическому университетскому образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебних заведений, обучающихся по направлению 06.03.01 «Биология» и смежным направлениям Москва ИНФРА-М 2023 С.В. КОТЕЛЕВЦЕВ Д.Н. МАТОРИН А.П. САДЧИКОВ Учебное пособие
УДК 614.7(075.8) ББК 20.1я73 К73 Котелевцев С.В., Маторин Д.Н., Садчиков А.П. Экологическая токсикология и биотестирование водных экосистем : учебное пособие / С.В. Котелевцев, Д.Н. Маторин, А.П. Садчиков. — Москва : ИНФРА-М, 2023. — 252 с. + Доп. материалы [Электронный ресурс]. — (Высшее образование: Бакалавриат). — DOI 10.12737/6560. ISBN 978-5-16-010160-6 (print) ISBN 978-5-16-102007-4 (online) Учебное пособие знакомит студентов вузов с основными направлениями экологической токсикологии и методами биотестирования окружающей среды. Особое внимание уделено методам биотестирования и биоиндикации, позво- ляющим определять наличие токсикантов в экосистемах, их перемещение по трофическим цепям, влияние на здоровье населения. Приведены основные методы нормирования токсикантов в различных экологических системах и эко- логическое законодательство, устанавливающее нормы выбросов и контроль токсикантов в окружающей среде. Содержится информация о методах разра- ботки эколого-рыбохозяйственных нормативов и санитарных норм, а также пред- ставления о современных методах реабилитации загрязненных экосистем. Книга предназначена для экологов, токсикологов, гидробиологов, студентов и аспирантов соответствующих специальностей. К73 ББК 20.1я73 © Котелевцев С.В., Маторин Д.Н., Садчиков А.П., 2015 ISBN 978-5-16-010160-6 (print) ISBN 978-5-16-102007-4 (online) Рецензенты: Ю.Г. Симаков — профессор кафедры биоэкологии и ихтиологии Московской государственной технологической академии; Л.К. Казаков — профессор географического факультета Московского государ- ственного университета имени М.В. Ломоносова Авторы: С.В. Котелевцев — профессор, ведущий научный сотрудник кафедры биофи- зики Биологического факультета Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова, доктор биологических наук; Д.Н. Маторин — профессор кафедры биофизики Биологического факультета Мос ковского государственного университета имени М.В. Ломоносова, доктор биологических наук; А.П. Садчиков — профессор Международного биотехнологического центра Москов ского государственного университета имени М.В. Ломоносова, доктор биологических наук Материалы, отмеченные знаком , доступны в электронно-библиотечной системе znanium
ВВЕДЕНИЕ Экологическая токсикология изучает последствия действия антропогенных экологических факторов (химического загрязнения, света, электромагнитного и радиационного излучения и пр.) на биологические системы и здоровье населения. Большинство загрязняющих веществ, выбрасываемых в окружающую среду, рано или поздно попадает в водные экосистемы. Это связано с поступлением сточных вод промышленных и сельскохозяйственных предприятий в реки, озера, моря и океаны, со смывами токсикантов с территорий городов и полей в результате выпадения дождей и таяния снегов, а также с воздушным переносом загрязнителей. В связи с этим биотестирование и биоиндикация водных экосистем — очень важная и актуальная задача. Биотестирование и биоиндикация являются одними из основных методов экологической токсикологии. Совместно с химико-аналитическими методами они позволяют судить о «здо- ровье» экосистем, от которого во многом зависит здоровье населе- ния, проживающего на территориях, подвергающихся усиленному воздействию антропогенных факторов окружающей среды. В данном учебном пособии разобраны основные направления развития сравнительно молодой науки — экологической токсиколо- гии, сформулированы основные определения, даны представления о методах, использующихся для эколого-токсикологического анали- за окружающей среды, описаны экологические факторы окружа- ющей среды, определяющие развитие экосистем и влияющие на здоровье человека. Особое внимание уделяется загрязнителям окру- жающей среды, включая стойкие опасные загрязнители (СОЗ), про- являющие аллергический, мутагенный, канцерогенный и тератоген- ный эффекты. Отдельная часть пособия посвящена методам биоте- стирования и биоиндикации водных экосистем. Дисциплина «Экологическая токсикология» входит в блок ОПДФ дисциплин. Целью преподавания этой науки является формирование у студентов представлений о накоплении различных экотоксикантов в экологических системах, о механизмах воздействии токсикантов, а также других антропогенных экологических факторов на биологи- ческие системы (от клетки и ее компонентов до организма и попу- ляции). Содержание учебного пособия нацелено на выполнение основ- ных требований государственного образовательного стандарта по специальности 013100 (020801.65) «Экология». Изучение экологической токсикологии и основных методов био- тестирования не только расширяет представление студентов об эко- логии, но и дает возможность узнать и в дальнейшем использовать
методы эколого-токсикологического анализа окружающей среды, применять эти методы для охраны природы и здоровья человека. В 1992 г. в Бразилии под эгидой ООН прошла Конференция по окружающей среде и развитию (United Nations Conference on Environ- ment and development (UNCED)), известная под названием «Саммит Земли». На конференции были приняты основные соглашения: По- вестка дня для ХХI века (теперь говорят «дорожная карта»): Декла- рация Рио-де-Жанейро; Конвенция о биоразнообразии; Заявление о принципах лесного хозяйства; Рамочная конвенция об изменении климата. Позднее (в 2001 г.) была принята Стокгольмская Конвенция о стойких органических загрязнителях (СОЗ), действующая под эги- дой UNCED. Конвенция направлена на запрет производства, тор- говли и хранения СОЗ. К настоящему времени Конвенцию СОЗ ратифицировало более 170 стран, включая Россию. Все эти международные усилия направлены на защиту окружа- ющей среды. В настоящее время уже очевидно, что без решения проблем охраны окружающей среды, без постоянного контроля эко- логической безопасности невозможно дальнейшее развитие циви- лизации. Видимо, даже изменение климата, наблюдаемое в послед- нее время, связано с антропогенными факторами, влияющими на экосистемы. Но несмотря на все усилия, предпринимаемые между- народным сообществом, правительствами различных стран и обще- ственными организациями, ситуация продолжает ухудшаться. В окружающую среду все в больших количествах продолжают посту- пать вновь синтезированные особо опасные загрязнители. Увеличи- вается воздействие на окружающую среду загрязнителей, радиации, электромагнитных излучений, шумов и пр. Появляются новые опас- ности, связанные с развитием генной инженерии и нанотехнологий. Ухудшение состояния окружающей среды в последние столетия определялось прежде всего развитием промышленности, сельского хозяйства, а также военной деятельностью человечества, которая в настоящее время, к сожалению, усиливается. Технический прогресс требует интенсификации добычи полезных ископаемых (а теперь и сланцевого газа и нефти), создания и широ- кого применения новых, не существовавших ранее химических сое- динений и материалов. Создаются ранее не существовавшие в при- роде живые организмы (генномодифицированные вирусы, бактерии, растения и животные). Развитие электронных коммуникаций: ис- пользование мобильных телефонов, резкая интенсификация теле- и радиовещания модифицируют электромагнитный фон окружающей среды. Все это не только нарушает экосистемы, но и изменят нас самих, функции наших тканей и органов и даже наше сознание.
В начале ХIХ в. философы с оптимизмом смотрели на развитие цивилизации. В частности, оптимизм В.И. Вернадского опирался на представление о том, что «наука — природное явление», и как один из способов приспособления человечества оно не может «не срабо- тать». Тейяр де Шарден полагал, что переход в «сверхжизнь» неизбе- жен. На Земле она утвердится помимо воли людей, несмотря ни на что, ибо такова поступь мировой эволюции. В.И. Вернадский был гораздо более осторожным в своих выска- зываниях. Но и он к концу своей жизни считал, что мы незаметно и неотвратимо приближаемся к эпохе ноосферы, поэтому говорил: «Входим в ноосферу». Однако в 1994 г. академик Н.Н. Моисеев пи- сал: «Я расхожусь со знаменитыми авторами и не могу разделить их уверенности в будущем. Более точно: я полагаю, что выполнение условий коэволюции действительно необходимо для обеспечения нашего будущего, ибо человек может существовать только в биосфе- ре, параметры которой удовлетворяют очень жестким условиям. Если человечество не вступит в эпоху ноосферы, то его ожидает деграда- ция и постепенное исчезновение с лика Земли». И далее: «Человече- ству уже в зримом будущем предстоит преодолеть чрезвычайной остроты глобальный экологический кризис. И переход в эпоху но- осферы не будет плавным и безболезненным «слиянием рас, Приро- ды и Бога», как думал Тейяр де Шарден, а станет, скорее всего, би- фуркацией с непредсказуемым исходом. В самом деле, такой переход будет означать кардинальную перестройку не только самой общест- венной структуры человечества, но и всего характера его эволюции. Нас ожидает не просто создание и использование новых технологий. И даже не создание новой экологической ниши. Человечеству пред- стоит научиться согласовывать свои потребности с убывающими возможностями планеты. Людям придется подчинить свою жизнь новым и очень жестким ограничениям. По существу, создать новую нравственность и следовать ей в своей повседневной жизни (Мои- сеев, 1994). Аварии на атомных электростанциях и производствах, связанных с получением радиоактивных веществ, испытания ядерного оружия приводят к увеличению в окружающей среде радионуклидов. Изме- нения радиационного фона индуцируют мутагенез, свободноради- кальное окисление биологических молекул, а следовательно, явля- ется причиной модификации экосистем. Все эти антропогенные факторы представляют опасность не толь- ко для окружающей среды, но и непосредственно для здоровья че- ловека, в этой среде обитающего. В районах, подвергающихся дей- ствию неблагоприятных антропогенных факторов окружающей сре- ды, наблюдаются повышенная смертность населения, снижение
рождаемости, возрастает частота возникновения различных заболе- ваний. Нередко неблагоприятные факторы действуют совместно. Физи- ческие факторы усиливают токсическое действие химических загряз- нителей, и наоборот, присутствие загрязнителя приводит к усилению действия на организм ионизирующей радиации, электромагнитных волн, шума и пр. В современном мире практически невозможно найти экосистем, в которых бы отсутствовали загрязнители, в том числе и наиболее опасные. Сегодня никому не удивительно наличие пестицидов в жи- ровых тканях китов или полихлорированных бифенилов в молоке женщин, проживающих на островах Тихого океана, в тех местах, где эти химические вещества никогда не использовались. Эти проблемы привели к развитию экологической токсикологии. Именно экологическая токсикология должна охранять наше здо- ровье от воздействия неблагоприятных факторов окружающей сре- ды, изучать химическое воздействие на экосистемы, предупреждать об опасности, связанной с этим воздействием, и искать пути обес- печения экологической безопасности. Таким образом, экологическая токсикология —одна из наук, которая должна обеспечить устойчивое развитие человечества. Практически во всех университетах развитых стран есть лабора- тории, кафедры и даже факультеты экологической токсикологии. В нашей стране утверждено несколько учебных программ для этой дисциплины, которые входят в образовательный стандарт 013100 (020801.65) «Экология». Авторы данного учебного пособия принимали участие в экспеди- ционных работах в различных регионах России. Эколого-токсико- логические исследования проводились на Черном, Каспийском и Баренцевом морях, на Байкале и в Алтайском крае, на Можайском и Чернобыльском водохранилищах, на Москве-реке, а также в США, Норвегии, Финляндии, на Кубе, во Вьетнаме. Эти работы помогли нам разработать концепцию применения основных законов экологической токсикологии к решению вопросов экологической безопасности и проблем охраны окружающей среды с использованием как классических, так и новых методов молеку- лярной биологии и биотехнологии. В учебном пособии в качестве примеров по возможности исполь- зованы собственные экспериментальные данные, материалы курсов лекций, которые в разные годы читались на биологическом факуль- тете Московского государственного университета имени М.В. Ло- моносова, экологическом факультете Российского университета дружбы народов и экологическом факультете Международного не- зависимого эколого-политологического университета.
Целью учебного пособия является ознакомление студентов с основными направлениями экологической токсикологии и совре- менными и классическими методами эколого-токсикологического анализа, биотестирования и биоиндикации окружающей среды. Кро- ме того, авторы постарались разъяснить основные понятия биоте- стирования и биоиндикации, описать подходы к решению проблем реабилитации окружающей среды с помощью современных методов биотехнологии и молекулярной биологии. Надеемся, что учебное пособие поможет студентам овладеть методологией экологической токсикологии, сформировать совре- менные представления о научно-обоснованных подходах к оценке воздействия токсикантов и других антропогенных факторов на биологические системы, вооружиться основными методами биоте- стирования и биоиндикации. Учебное пособие содержит информацию о методах разработки эколого-рыбохозяйственных нормативов (ПДК и ОБУВ) и санитар- ных норм (СанПиН), а также представлений о современных методах эколого-токсикологического анализа окружающей среды и методах реабилитации загрязненных экосистем. В учебном пособии описаны методы нормирования токсикантов в различных экологических системах, даны представления о эколо- гическом законодательстве, определяющем нормы выбросов и по- рядок контроля экотоксикантов в окружающей среде. Книга рассчитана на студентов старших курсов, а также специа- листов, имеющих базовые знания в области физики, химии, биоло- гии, биохимии и экологии. Учебное пособие «Экологическая токсикология и биотестирова- ние водных экосистем» поможет: • изучению источников появления потенциально токсичных ве- ществ в окружающей среде; • изучению путей и механизмов поступления токсичных веществ в организмы, накопления токсикантов по пищевым цепям; • усвоению понятий «ксенобиотики», «дозы»; «действующие концентрации»; « время действия»; «токсический эффект», «предельно допустимой концентрации», «LD50»; • усвоению основных групп загрязнителей, путей их миграции, детоксикации, метаболической активации и накопления в тканях, организмах и экосистемах; • созданию представлений об основных механизмах воздействия факторов среды на биологические системы (включая клеточные структуры, генетический аппарат, клетки, ткани, организмы, популяции), о путях адаптации к антропогенным факторам окружающей среды;
• понять особенности влияния загрязнений различной природы на отдельные организмы и биоценозы, на организм человека; • сформировать представления об основных механизмах фотосинтеза и их модификации под воздействием токсикантов Предшествующими курсами, на которых непосредственно базируется дисциплина «Экологическая токсикология и биотестирование водных экосистем», являются основы общей экологии, учения о биосфере, биологии, биохимии, а также химии и физике. В процессе изучения дисциплины у студента должны сформироваться следующие профессиональные компетенции, в том числе общепрофессиональные: • способность использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы теоретического и экспериментального исследования; • способность планировать и проводить эколого-токсикологические исследования водных экосистем описанными в учебном пособии методами; а также компетенции в области производственно-технологической деятельности: • готовность участвовать в проведении мониторинга водных экосистем с использованием методов биотестирования. Изучение дисциплины призвано способствовать развитию общекультурных компетенций в области экологии и охраны окружающей среды, предусмотренных Федеральным государственным стандартом высшего профессионального образования по специальности 013100 (020801.65) «Экология».
Глава 1. ЭКОЛОГИЯ И ЭКОТОКСИКОЛОГИЯ 1.1. МЕСТО ЭКОТОКСИКОЛОГИИ В СИСТЕМЕ НауК Об ОхраНЕ ОКружающЕй СрЕДы В настоящее время молекулярная биология, биотехнология и экология являются наиболее бурно развивающимися разделами биологической науки. Они дополняют друг друга и опираются на совре- менные достижения математики, физики и химии. Экологическая токсикология (или экотоксикология), определение которой как отдельной науки будет дано ниже, рассматривается в учебных программах как один из разделов экологии, однако она тесно связана с химией, токсикологией и медициной. По мнению профессора В.Д. Федорова, основной принцип выделения фундаментальных подразделений в биологии базируется на концепции уровней организации, которая позволяет выделить биологический спектр уровней — ген, органелла, клетка, ткань, орган, организм, популяция, сообщество (Федоров и др., 1980). Подразумевается, что на всех этих уровнях происходит взаимодействие биологической материи с окружающей средой — обмен веществом и энергией. Таким образом, формируются соответствующие системы — молекулярные, генетические, субклеточные, клеточные и пр. Экологию относят к подразделению биологии, которое исследует фундаментальные свойства жизни надорганизменного уровня организации. Как писал В.Д. Федоров: «Экология изучает совокупность живых организмов, взаимодействующих друг с другом и образующих с окружающей средой обитания некое единство (т.е. систему), в пределах которого осуществляется процесс трансформации энергии и органического вещества». Элементарной единицей экологии принято считать особь популяции. Совокупность особей популяции образует низшую, или элементарную, подсистему в пределах экологической системы (см. Рисунки (рис. 1.1 «Пищевая пирамида)). Экологическая токсикология (как раздел экологии) изучает действие загрязнителей и других антропогенных факторов на живые объекты: особь, популяцию, экосистему. Однако токсикант, как и ряд других антропогенных факторов, действует на молекулярном уровне. Поэтому механизмы действия различных факторов нельзя изучать, не прибегая к исследованию их действия на молекулярном, генетическом и клеточном уровнях. Конечным звеном действия всех этих факторов являются особь и популяция. Исходя из сказанного, задачей экотоксикологии являются определение действия антропогенных
экологических факторов на особь и популяцию, прогноз этого действия и разработка системы мер, позволяющих минимизировать это действие или полностью его избежать. Эколог прежде всего обращает внимание на изучение связей, из- менение их интенсивности во времени, т.е. на функционирование экосистемы и ее элементов как единого целого. Георг Кларк считал экологию «физиологией экологического комплекса в том смысле, что она имеет дело с функциональными аспектами взаимодействий, изменений и регулирования членов сообщества и их условий оби- тания». Этим подчеркивается, что экология интересуется общими физиологическими процессами, протекающими в экосистемах (на- пример, дыханием, обменом энергией) на различных уровнях от бактерий до млекопитающих. Экологическую же токсикологию ин- тересует, как на эти процессы действуют присутствующие в окружа- ющей среде загрязнители, различные экотоксиканты. При этом предполагается, что их действие также исследуется на всех уровнях от вирусов, бактерий, одноклеточных водорослей до высших расте- ний, животных и человека. Механизм действия токсиканта изучает- ся на молекулярном, генетическом и клеточном уровнях с использо- ванием методов молекулярной биологии, биохимии и генетики. Для реабилитации экосистем, удаления из окружающей среды загрязни- телей, как правило, наиболее эффективными являются методы био- технологии. Однако без химико-аналитических методов нельзя определить присутствие и содержание загрязнителей в окружающей среде. Толь- ко с помощью химических методов можно установить источник по- ступления токсиканта в окружающую среду, его концентрацию в различных компонентах экосистемы и пр. Химико-аналитические методы являются основой эколого-токсикологического анализа и контроля окружающей среды. Штрафные санкции, экономически обоснованные решения по рациональному природопользованию должны опираться на точный химико-аналитический контроль за- грязнителей в окружающей среде. Таким образом, современная экологическая токсикология явля- ется комплексной научной дисциплиной, развивающейся на стыке биологии, химии и медицины. Краткое определение экотоксикологии как самостоятельной на- уки может быть следующим, хотя не исключаются и другие трактов- ки: экологическая токсикология — это наука, которая изучает дей- ствие веществ на живые объекты, популяции, экосистемы, научно обосновывает допустимые нормы содержания веществ в окружающей среде, занимается профилактикой и предупреждением опасного воздей- ствия веществ на живые организмы, экосистемы и человека, разраба-
К покупке доступен более свежий выпуск
Перейти