Біотестування

Особливу увагу приділяють зараз прийомам токсикологічного біоте­стування, тобто використання в контрольованих умовах біологічних об'єк­тів як засобів виявлення сумарної (загальної) токсичності водного середо­вища.

Для біотестування використовуються найрізноманітніші організми - бактерії, водорості, вищі рослини, п’явки, дафнії, молюски, риби, амфібії та інші. Для кожного з досліджуваних рівнів можна виділити окремі (конк­ретні) та інтегральні тест-функції. Інтегральні параметри характеризують стан системи відповідного рівня найбільш узагальнено, даючи сумарну відповідь про стан системи.

Для організму до інтегральних належать характеристики виживання, росту, плодючості. А фізіологічні, біохімічні гістологічні та інші парамет­ри належать до конкретних. Надійність одержуваної у відповідності з ме­тою дослідження відповіді знижується при віддаленні системного рівня тест-функції від рівня процесу чи явища, що моделюється. Біохімічний па­раметр організму, наприклад, надійно характеризує функцію конкретної ферментної системи, до певного ступеня ймовірності може оцінювати стан організму в цілому і практично непридатний для оцінки екологічної ситуа­ції у водоймі.

Для параметрів, що належать до різних біологічних рівнів, загальна тенденція полягає у тому, що зі збільшенням інтегральності підвищується «екологічний реалізм» тесту, проте, як правило, знижується його операти­вність і чутливість. Функціональні параметри виявляються більш лабіль­ними за структурні, а параметри клітинного і молекулярного рівнів про­грають у екологічній інформативності, виграючи у чутливості, оператив­ності та відтворюваності.

Біопродукційний і токсикологічний напрямки у вивченні екосистем тривалий час розвивалися незалежно один від одного.

Головна увага була зосереджена на складових енергетичного обміну. Значна увага при цьому приділялася особливостям річних циклів різних організмів, зокрема риб, біохімічним процесам в їхньому організмі. Цей підхід дозволив розглядати з єдиної точки зору рибогосподарські і саніта­рно-біологічні аспекти, проте могутні токсичні фактори водного середо­вища залишалися поза увагою. Багатьма екологами токсикологія, що оці­нює вплив токсичних речовин на екосистеми, розглядається як особлива наукова дисципліна - екотоксикологія.

До найважливіших задач екотоксикології належать виявлення ступеня шкідливого впливу (як у якісному, так і у кількісному відношенні) і розро­бка лікувальних заходів. Іншою важливою задачею екотоксикології є вияв­лення змін видового складу і функції екосистеми. Таке ж важливе значен­ня, як і структурно-видові зміни, мають функціональні порушення в екоси­стемі. Тут мова йде в принципі про контрольні кількісні параметри росту організмів і обміну речовин (Экологическая химия, 1997). Виміри об'ємних показників росту рослин є чутливим методом виявлення можливого впли­ву шкідливих речовин, особливо в кількості, близькій до межі токсичності. Зниження показників біопродуктивності вищих рослин (дерев) у деяких випадках кількісно виявляється лише через кілька років. Однак як додат­ковий критерій може слугувати зниження фотосинтетичної активності.

Досягнутий рівень біопродукційних досліджень дозволяє впевнено вирішувати питання складання екологічного балансу озер, обґрунтовувати раціональні рибогосподарські заходи для ставкових господарств, розрахо­вувати продуктивність прісноводних водойм, морів та океанів. Водночас слід зауважити, що розраховані таким чином продукційно-біологічні бала­нси досить часто не підтверджуються результатами конкретних дослі-

джень, а продуктивність екосистем різного ступеня забруднення виявля­ється значно нижчою від теоретично розрахованої.

Водночас перед водною токсикологією ще в 50-60 роки XX століття постала проблема докорінних змін у гідроекосистемах, викликаних потуж­ними потоками нафти, пестицидів, важких металів, радіонуклідів, поверх­нево-активних речовин та інших забруднень, які надходять до водойм, що призвело до істотних змін практично всіх внутрішньоводоймних процесів. Для розв’язання цих проблем важливо було виявити кількісну сторону не­безпеки забруднень водойм токсичними речовинами, що й було передумо­вою для орієнтації наукових досліджень в галузі водної токсикології на встановлення рибогосподарських гранично допустимих концентрацій (ГДК) шкідливих речовин.

Перші дослідження, що показали можливість оцінювати пригнічую­чий вплив пестицидів на водорості за інтенсивністю фотосинтезу, були проведені наприкінці 50-х років ХХ століття. Було встановлено також вплив на первинну продукцію важких металів та низки інших речовин.

Інша група досліджень, яка поєднувала токсикологічні й біопродук- ційні підходи - це експериментальний аналіз впливу токсикантів на проду­ктивність водяних тварин у низці поколінь. Але пошук методик, що об'єд­нували б ці напрямки, обмежений кількома працями. Остання методика ре­алізована в численних експериментах Е.П. Щербань (1969, 1971, 1973 та ін.). Інтимний механізм впливу токсикантів на ті чи інші параметри рако­подібних (структура токсичного ефекту) може бути різноманітним, але кі­нцевий ефект завжди один - продуктивність популяції знижується в десят­ки разів.

Токсикологічний експеримент такого роду включає в себе як обов’язковий елемент контроль - «норму», тобто тест-культуру (без токси- кантів). Аналогічний принцип може успішно застосовуватися до всіх ме­тодик, за допомогою яких досліджується продуктивність водяних тварин, швидкість поглинання кисню, темп росту тощо.

Слід відзначити ще одну точку перетину інтересів водної токсикології і біопродукційних досліджень на рівні вищих трофічних ланок - біоенерге­тичну оцінку впливу токсикантів на риб і безхребетних. Головним показ­ником з багатьох фізіолого-біохімічних критеріїв, досліджених багатьма авторами, є зміни калорійності тканин (а також вміст у них ліпідів та іншо- 225

го енергетичного матеріалу), який в умовах інтоксикації знижується і у риб, і у безхребетних. Стійкі токсиканти накопичуються в організмах, що призводить до підриву їх відтворювальної здатності, а часто - і до масової загибелі. Токсичність - це здатність різноманітних отрут за концент­рацій, які перевищують деякі критичні значення, викликати певне коло по­рушень життєдіяльності біологічних об'єктів. Якщо буде забезпечено іс­нування організму на найбільш чутливих стадіях, то тим самим буде збе­режено весь його біологічний цикл.

Тест-об'єкт - піддослідний біологічний об'єкт (зазвичай організм чи тест-культура), який підлягає впливу несприятливих факторів середови­ща. Найбільш чутливим показником впливу того чи іншого токсиканта є зміна інтенсивності обміну речовин. Про це може свідчити темп росту, ін­тенсивність дихання тощо, тому дедалі все частіше ці показники викорис­товуються для розробки рибогосподарських ГДК.

Тест-функція - це будь-який показник реакції біоти на відповідні зміни умов середовища, або функціональний показник, що реагує на ток­сичний вплив і може бути виміряний кількісно за допомогою певного ме­тоду [5].

Токсичні чинники мають важливе значення у формуванні біопродук- тивності різноманітних екосистем. Проте широке використання біопроду- кційних параметрів організмів для діагностики екотоксикологічної ситуації і оцінки якості середовища в цілому ще не знайшло належного застосуван­ня у практиці біоіндикації й біотестування.

Питання ж кількісної характеристики якості середовища може вирі­шуватися за функцією благополуччя біо- і екосистем різного рівня органі­зації й інтеграції. На рівні індивідууму якість середовища оцінюється за станом самого організму, на рівні популяції - за популяційними характе­ристиками - структурою популяції, її динамічними параметрами. На біо- ценотичному рівні - за видовим різноманіттям, інформацією угруповання, біомасою на одиницю доступного потоку енергії тощо. Нарешті, на екоси- стемному рівні - за скорельованість і збалансованістю біогеохімічних ко- лообігів, інформаційними параметрами системи, змінами ентропії тощо.

Вкрай важливим питанням є застосування єдиного методологічного підходу, який дозволяє оцінювати стан якості середовища для різнорівне- вих біо- і екосистем, а також може однаково успішно застосовуватися до живих організмів різних систематичних груп, їх популяцій і угруповань. В цьому аспекті можна виділити три основні групи показників: речовинні, енергетичні та інформаційні.

Речовинні характеристики стосуються збалансованості та скорельова- ності метаболічних процесів на рівні організму, популяції, угруповання і екосистеми в цілому. Так, на рівні організму - це перш за все збалансова­ність метаболічних процесів, що забезпечує нормальний стан живого орга­нізму. На рівні ж екосистеми мова вже йде про скорельованість і збалансо­ваність біогеохімічних колообігів.

Енергетичні показники однаково успішно можуть використовуватися для систем будь-якого рівня організації. Так, на рівні організму, популяції й угруповання - це відносна швидкість накопичення енергії та ефектив­ність її трансформації, потужність енергетичного потоку через систему. Ці ж характеристики справедливі і для екосистемного рівня.

Інформаційні - це показники, що відображають інформаційні процеси в системі. Найчастіше використовують індекси видового різноманіття угруповання, асамблеї тощо.

Кожному рівню організації притаманні свої своєрідні особливості. Зокрема, ми можемо спостерігати процвітання певної популяції на тлі при­гніченого стану більшості членів біотичного угруповання.

Важливою характеристикою є також спряженість речовинно-енерге­тичних та інформаційних процесів в системі. Адже певний тип метаболіз­му угруповання чи біогеохімічних циклів забезпечується зовнішнім дже­релом енергії, від ефективності трансформації якої залежить і величина на­явної біомаси, і енергія, фіксована в хімічних зв’язках органічних сполук. Ефективність же трансформації енергії нерозривно пов’язана з видовим рі­зноманіттям і структурою популяцій, тобто з певною інформаційною стру­ктурою як біотичного угруповання, так і екосистеми в цілому.

Фізичною і фізико-хімічною основою реагування екосистем на шкід­ливі впливи є закони термодинаміки і принцип Ле Шательє-Брауна [5].

11.6.