Сергей (sergei) Остроумов (ostroumov) » Публикация

Аннотация Остроумов С.А. Связь процессов самоочищения воды и экологической репарации // ВОДА: ХИМИЯ И ЭКОЛОГИЯ. 2009. №12 (декабрь), с. 29-34. http://scipeople.com/publication/67785/; Ostroumov S.A. Relationship between water self-purification and environmental repair processes // Water: Chemistry and Ecology. 2009 (Dec). No. 12, p. 29-34. РЕФЕРАТ. В работе получены экспериментальные результаты, доказывающие, что в водных экосистемах один из важнейших процессов репарации на экологическом уровне (восстановление качества воды в ходе процесса изъятия гидробионтами взвеси из воды) ингибируется загрязняющим веществом (ксенобиотиком). Это указывает на элемент аналогии с процессами репарации на генетическом уровне, которые также могут нарушаться ксенобиотиками и характеризуются некоторыми другими свойствами, аналогичными особенностям экологической репарации. В исследованиях автора показано, что в число ксенобиотиков, оказывающих негативное воздействие на процессы, важные для экологической репарации качества воды, входят различные поверхностно-активные вещества (ПАВ), детергенты, тяжелые металлы и др. Приводятся экспериментальные данные о воздействии ПАВ тетрадецилтриметиламмонийбромида на фильтрационную активность морских двустворчатых моллюсков - мидий природной гибридной популяции Mytilus edulis × M. galloprovincialis. КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: качество воды, поллютанты, ксенобиотики, репарация, поверхностно-активные вещества (ПАВ), детергенты, металлы, тетрадецилтриметиламмонийбромид, морские мидии, Mytilus edulis, Mytilus galloprovincialis, загрязнение, марикультура, самоочищение, полезные функции экосистем. Ostroumov S.A. Relationship between water self-purification and environmental repair processes // Water: Chemistry and Ecology. 2009. (Dec). No. 12, p. 29-34. ABSTRACT. The experimental results were obtained to demonstrate that one of the most important ecological rehabilitation processes (the process of improving water quality by the removal of suspended matter from water by filter-feeders) is inhibited by a pollutant (a xenobiotic). This fact and some other considerations suggest some analogy between repair processes at genetic and ecosystem level. Author’s experiments have shown that the group of xenobiotics which cause adverse effects on ecological mechanisms for improving water quality includes surface-active agents (surfactants), detergents, heavy metals, and other chemicals. The author’s experiments have discovered the inhibitory effects of tetradecyltrimethylammonium bromide on the filtration activity of the natural hybrid mussel population of Mytilus edulis × M. galloprovincialis. KEY WORDS: water quality, pollutants, xenobiotics, rehabilitation, surfaceactive agents (surfactants), detergents, metals, tetradecyltrimethylammonium, sea mussels, Mytilus edulis, Mytilus galloprovincialis ДОПОЛНЕНИЕ К РЕФЕРАТУ СТАТЬИ – ФРАГМЕНТЫ ТЕКСТА: ВВЕДЕНИЕ. В пресноводных и морских экосистемах происходят процессы самоочищения [1-7], благодаря которым система под- держивает качество воды [3, 5]. Биотические процессы самоочищения являются природ- ной биоремедиацией экосистемы [6 – 10]. В водные экосистемы ежегодно поступает аллохтонное органическое вещество в виде частиц размером более 0,5 мкм (particulate organic matter, POM). Поступление аллох- тонного POM может составлять 89 кг на 1 га поверхности водоема в год, например, в озеро Лоренс (Lawrence Lake, Мичиган, США [3]). В реке поступление POM может достигать около 5900 т обеззоленного сухого вещества на участке реки (New River, США) протя- женностью 135 км (с учетом вещества, пос- тупающего с притоками) [3]. К этому добав- ляется поступление аутохтонного POM, которое достигает величины около 5000 т обеззоленного сухого вещества на том же участке реки протяженностью 135 км [3]. Вклад фитопланктона в поступление POM в воду может составлять 43 г углерода на 1 м2 площади водоема в год, например, в озере Лоренс [3]. Это вещество должно удаляться из столба воды в ходе природных процессов самоочищения. На экосистемном уровне организации жизни происходят процессы ремедиации, восстановления и, в широком смысле слова, экологической репарации («ремонта») системы [3 – 6], что порождает целесообразность поиска аналогий при сопоставлении этих процессов с процессами репарации на других уровнях организации жизни. Цель данного сообщения – анализ некоторых особенностей экологической репарации (деятельности биотического блока системы самоочищения) на примере процесса изъятия из воды взвеси при филь- трации воды моллюсками с использованием результатов опытов, в которых применялся ингибиторный анализ экологических взаи- модействий организмов [8]). Получены новые результаты, показывающие, что один из процессов экологической репа- рации качества воды (процесс изъятия гид- робионтами взвеси из воды) ингибируется загрязняющими веществами (ксенобиотика- ми), что указывает на некоторый элемент аналогии с процессами репарации на генети- ческом уровне, которые также могут нару- шаться ксенобиотиками. Возможность и пра- вомерность такой аналогии была отмечена и обоснована нами ранее. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ Экспериментальные исследования филь- трационной активности моллюсков проводили по методике, описанной в [5, 10]. Изучали изменение скорости фильтрации воды моллюсками из природной гибридной популяции мидий Mytilus edulis × M. galloprovincialis при воздействии катионного поверхностно-активного вещества (ПАВ) тет- радецилтриметиламмоний бромида (ТДТМА). Моллюски были собраны со ска- листого дна вблизи побережья Англии в райо- не города Плимут (Plymouth). В опытах в результате фильтрации воды моллюски извле- кали из нее клетки водоросли Isochrysis galbana. Снижение концентрации суспенди- рованных в воде клеток регистрировали с помощью счетчика Култера. Эксперименты проводили в термостатируемой комнате при 16 °С. В опытах использовали моллюсков, стандартизированных по весу. В опытах по изучению действия ТДТМА сырая масса мол- люсков составляла около 4 – 5 г (с раковина- ми), размер 30-35 мм. В опытах по изучению действия тяжелых металлов на фильтрацию воды черноморскими моллюсками Mytilus galloprovincialis использовали методику, опи- санную в [5, 10]. Расчет величины ВЭИ (воз- действие на эффективность изъятия взвеси моллюсками) проводили как описано в [5]. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ Полученные в опытах результаты свиде- тельствуют о нарушении фильтрацион- ной активности моллюсков при воз- действии органических и неорганических загрязняющих веществ (поллютантов, ксено- биотиков) (табл. 1, 2). Эти результаты целесообразно обсудить в связи с процессами самоочищения водных экосистем [7 – 10]. Процессы самоочищения включают в себя три группы процессов: физические, химические и биотические [5, 9]. В данном сообщении мы ограничимся рассмотрением биотических процессов, кото- рые в своей совокупности интерпретируют- ся как экологическая репарация – восстанов- ление качества воды [10]. Угроза нарушению качества воды (что вызовет разрушение мес- тообитаний и серьезное ухудшение условий обитания гидробионтов, вплоть до исчезно- вения видов) проистекает с двух сторон. Такую угрозу создают две группы факторов: во-первых, антропогенные факторы; во-вто- рых, многие естественные процессы, вклю- чая накопление и отмирание биомассы фитопланктона, поступление в воду биоге- нов с окружающей территории и из донных осадков и т.д. [3]. В водных экосистемах идут процессы ухудшения качества воды (поступ- ление аутохтонного и аллохтонного органи- ческого вещества, биогенов, взвесей), что делает важными гидробиологические про- цессы экологической репарации, ведущие к восстановлению качества воды [1 – 5, 10]. Процессы самоочищения, движимые гидро- бионтами, уязвимы для повреждающих воз- действий загрязняющих веществ [7]. Среди таких процессов – фильтрация воды гидро- бионтами [5]. Ее изучению посвящены наши исследования, которые привели к новым эле- ментам в видении проблемы эвтрофирова- ния [9] и роли биоразнообразия в формиро- вании качества воды [10]. К ранее полученным результатам добавляются новые факты о действии катионного ПАВ ТДТМА на моллюсков (Mytilus edulis × M. galloprovincialis, природная гибридная популяция) (табл. 1), а также о действии тяжелых метал- лов на M. galloprovincialis (табл. 2). Суммирование ряда последних эксперимен- тов автора проведено в табл. 2, где для раз- личных веществ приведен показатель, обоб- щающий данные экспериментов, так называемый индекс ВЭИ (воздействие на эффективность изъятия частиц из воды при ее фильтрации гидробионтами). Чем выше численное значение ВЭИ, тем сильнее воз- действие данного загрязняющего вещества на изъятие взвешенного вещества из воды в результате ее фильтрации. В таблице числен- ное значение ВЭИ превышает 100%, что ука- зывает на ингибирование фильтрации воды и изъятия взвеси при действии всех изучен- ных веществ. Наши новые данные хорошо согласуются с примерами сходного действия на фильтраторов других загрязняющих веществ, в том числе пестицидов (например, P. Donkin и соавторы, 1997 – цит. по [5]). Недавно нами были получены новые экспе- риментальные результаты, указывающие на некоторую степень ингибирования фильтра- ционной активности морских мидий под воз- действием и других химических веществ таких, как наночастицы металла (Au) и сус- пензии нефти. Новые данные подтверждают, что процессы, участвующие в экологической репарации, могут быть чувствительны к таким внешним факторам, как загрязнение водной среды химическими веществами. Высокая потенци- альная лабильность и уязвимость экологи- ческой репарации заставляет с максимально бережным вниманием относиться к ней как предпосылке поддержания биологических процессов на надорганизменном уровне орга- низации жизни. Сказанное выше переклика- ется с поисками подходов для анализа про- блем стабильности и устойчивости экосистем [11, 15]. Новые подходы к определению этих свойств экосистем были предложены в [11]. Представляет интерес поиск элементов общего в особенностях процессов репарации на разных уровнях организации жизни – например, на надорганизменном уровне и суборганизменном уровне (молекулярно- генетическом) (табл. 3). В табл. 3 сопоставлены некоторые особен- ности, общие для процессов репарации в обоих случаях. По-видимому, эти процессы – одно из условий поддержания важных характеристик организации жизни на соот- ветствующих уровнях и одно из условий самого сохранения этих уровней организа- ции жизни. Отме чалось, что организован- ность жизни, ее поддержание во времени, противостояние процессу нарастания нару- шений организованности – существенные черты феномена жизни в биосфере Земли [11 – 14, 16]. Общим элементом упомянутых выше репа- рационных явлений, по-видимому, может являться активное противостояние нараста- нию нарушений организованности в соот- ветствующих «зонах ответственности» этих процессов репарации. Поддержание качества воды означает антиэнтропийное противосто- яние выравниванию концентрационных градиентов, существующих в водных экосис- темах [16]. Репарация ДНК, как и эколо- гическая репарация, также носит антиэнтро- пийный характер. Интересно, что в обоих случаях репарация проводится с эффектив- ностью менее 100 %. В экосистемах при вос- становлении качества воды последняя очи- щается от загрязнителей, растворенного органического вещества (РОВ) и взвесей, но не полностью: в природной воде поддержи- вается некоторое содержание РОВ (в сред- нем 0,5-10 мг/л), а также некоторое содержа- ние взвешенного вещества [3]. Обсуждаемый в данной статье материал имеет отношение к ряду концептуально существенных вопросов экологии, в том числе и к сложным вопросам устойчивого функционирования экологических систем и их места в формировании геохимической среды. Анализ важных аспектов функциони- рования пресноводных экологических сис- тем и теория соответствующих вопросов даны в работе [11]. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Итак, экспериментальная работа выявила новые факты того, что про- цессы экологической репарации (на примере изъятия взвешенных частиц благо- даря фильтрационной активности моллюс- ков) могут ингибироваться под воздействием загрязняющих веществ (ксенобиотиков) (табл. 1, 2). Аналогичное явление может наблюдаться в случае репарации ДНК, эффективность которой также может нару- шаться при воздействии ксенобиотиков (табл. 3). Из сказанного выше вытекает, что осуществляемая сообществом гидробионтов экологическая репарация (биотическое само- очищение воды) в водных экосистемах несет функцию, в некоторой степени аналогичную репарации ДНК на молекулярно-генетиче- ском уровне организации жизни. В результа- те выявляется и характеризуется определен- ная сторона опасности антропогенного загрязнения, вызывающего нарушение репа- рационных процессов на различных уровнях организации жизни. Выявление и сравнительный анализ тех или иных свойств или явлений жизни, общих для нескольких уровней ее организации, пред- ставляется целесообразным для дальнейшего уточнения концепций общей экологии [15]. Процессы самоочищения воды и связанной с этим экологической репарации включают в себя большое количество этапов и процессов и могут служить примером процессов, в сумме составляющих то, что названо «интег- ральным метаболизмом» [28] в водных эко- системах. Представления об экологической репарации были прокомментированы в [16] и вписыва- ются в теорию биотического самоочищения воды и улучшения ее качества, которая осве- щена в публикациях [17 – 28] и поддержана многими специалистами [29 – 35]. СПИСОК ТАБЛИЦ: Таблица 1. Снижение фильтрационной активности атлантических мидий из природной популяции Mytilus edulis × M. galloprovincialis при воз- действии ПАВ тетрадецилтриметиламмонийбромида (ТДТМА). Таблица 2. Химические вещества, в том числе ксенобиотики и поллютан- ты, которые проявили способность ингибировать процесс изъятия взвешенного вещества из воды гидробионтами- фильт раторами (новые результаты автора, а также по мате- риалам [5 – 10, 25, 28]) 1 сульфат кадмия Mytilus galloprovincialis 0,5 мг/л новые результаты автора 2 сульфат меди M. galloprovincialis 2 мг/л новые результаты автора 3 нитрат свинца M. galloprovincialis 20 мг/л новые результаты автора 4 бихромат калия M. galloprovincialis 5 ТДТМА 6 ТДТМА Crassostrea gigas 0,5 мг/л ВЭИ 761 % 7 ДСН M. edulis, M. galloprovincialis 8 ДСН Crassostrea gigas 0,5 мг/л ВЭИ 231 % 9 Тритон Х-100 Unio tumidus 5 мг/л [5] 10 Тритон Х-100 M. edulis 1 мг/л и более [5] 11 СМС1 (ОМО) Unio tumidus 50 мг/л ВЭИ 187 % 12 СМС2 (Tide) M. galloprovincialis 50 мг/л ВЭИ 207 % 13 СМС3 (Лоск) M. galloprovincialis 7 мг/л ВЭИ 551 % 14 СМС4 (IXI) M. galloprovincialis 10 мг/л ВЭИ 158 % 15 СМС4 (IXI) M. galloprovincialis 50 мг/л ВЭИ 276 % 16 ЖМС1 (Е) M. galloprovincialis 2 мг/л ВЭИ 214 % 17 ЖМС1 (Е) Crassostrea gigas 2 мг/л ВЭИ 305 % 18 ЖМС2 (Fairy) C. gigas 2 мг/л ВЭИ 1790 % Примечание. Обычно указывается максимальная величина ВЭИ за весь период эксперимента. Таблица 3 Некоторые особенности репарации на различных уровнях Литература 1. А. Ф. Алимов, Функциональная экология пресноводных двустворчатых моллюсков, Л., Наука, 1981, 248 с. 2. Л.М. Сущеня, Количественные закономер- ности питания ракообразных, Минск, Наука и техника, 1975, 208 с. 3. R. Wetzel, Limnology, 3rd edition, San Diego et al., Academic Press, 2001, 1006 p. 4. R.F. Dame, Ecology of Marine Bivalves: an Ecosystem Approach. Boca Raton, CRC Press, 1996, 277 p. 5. Остроумов С.А. Биологические эффекты при воздействии поверхностно-активных веществ на организмы, М., МАКС-Пресс, 2001, 334 с. 6. Остроумов С.А. Водная экосистема: крупно- размерный диверсифицированный биореак тор с функцией самоочищения воды. ДАН (Докла- ды РАН), 2000, Т. 374, № 3, С. 427 – 429. 7. Остроумов С.А. Концепция водной биоты как лабильного и уязвимого звена системы самоочищения воды. ДАН, 2000, Т. 372, № 2, С. 279 – 282. 8. Остроумов С.А. Ингибиторный анализ регуляторных взаимодействий в трофических сетях. ДАН, 2000, Т. 375, № 6, С. 847 – 849. 9. Остроумов С.А. Синэкологические основы решения проблемы эвтрофирования ДАН, 2001, Т. 381, № 5, С. 709 – 712. 10. Остроумов С.А. Сохранение биоразнооб- разия и качество воды: роль обратных связей в экосистемах // ДАН, 2002, Т. 382, № 1, С. 138 – 141. 11. А. Ф. Алимов, Элементы теории функци- онирования водных экосистем, Санкт- Петербург, Наука, 2000, 147 с. 12. Э. Шредингер (E.Schrödinger), Что такое жизнь с точки зрения физики. М., ИЛ, 1947, 146 c. 13. О.Г. Газенко, В.Б. Малкин, Космическая биология. В кн.: История биологии (с начала ХХ века до наших дней), М., Наука, 1975, С. 560 – 578. 14. Э.М. Галимов, Феномен жизни: между равновесием и нелинейностью. Происхожде- ние и принципы эволюции, М., Едиториал УРСС, 2001. 256 с. 15. Г.С. Розенберг, Д.П. Мозговой, Д.Б. Гелашвили, Экология: элементы теоретичес- ких конструкций современной экологии, Самара, Самарский научный центр РАН, 1999, 396 с. 16. Остроумов С.А. О биотическом очище- нии воды и экологической репарации // Сиб. экол. журнал. 2006. № 3. C. 339 – 343. 17. Ostroumov S.A. Inhibitory analysis of topdown control: new keys to studying eutrophication, algal blooms, and water self-purification. Hydrobiologia. 2002. 469, Р. 117 – 129. 18. Ostroumov S.A. Polyfunctional role of biodiversity in processes leading to water purification: current conceptualizations and concluding remarks // Hydrobiologia. 2002. V. 469 (1-3) Р. 203 – 204. 19. Ostroumov S.A. Aquatic ecosystem as a bioreactor: water purification and some other functions // Rivista di Biologia /Biology Forum. 2004. V. 97. Р. 39 – 50. 20. Остроумов С.А. О биотическом самоочи- щении водных экосистем. Элементы теории // ДАН. 2004. Т.396. № 1. С. 136 – 141. 21. Остроумов С.А. Биологический механизм самоочищения в природных водоемах и водо- токах: теория и практика // Успехи современ- ной биологии. 2004. Т.124. №5. С. 429 – 442. 22. Остроумов С.А. Роль биотических фак- торов в формировании качества воды и само- очищении водных экосистем // Экологи- ческая химия. 2004. Т. 13(3) С. 186 – 194. Some aspects of water filtering activity of filterfeeders // Hydrobiologia. 2005. Vol. 542, No. 1. P. 275 – 286. 23. Остроумов С.А. О некоторых вопросах поддержания качества воды и ее самоочище- ния // Водные ресурсы. 2005. Т.32. № 3. С. 337 – 347. 24. Остроумов С.А. О полифункциональной роли биоты в самоочищении водных экосис- тем //Экология. 2005. № 6. С. 452 – 459. 25. Ostroumov S.A. Biological Effects of Surfactants. CRC Press. Taylor & Francis. Boca Raton, London, New York. 2006. 279 p. 26. Ostroumov S.A. Biomachinery for maintaining water quality and natural water selfpurification in marine and estuarine systems: elements of a qualitative theory // International Journal of Oceans and Oceanography. 2006. Volume 1, №.1. Р. 111 – 118. 27. Остроумов С.А. Элементы теории био- контроля качества воды: фактор экологичес- кой безопасности источников водоснабже- ния //Химическая и биологическая безопасность. 2008. № 5-6. С. 36 – 39. 28. Остроумов. С.А. Гидробионты в самоочи- щении вод и биогенной миграции элементов. М.: МАКС-Пресс. 2008, 200 с. 29. Ермаков В.В. О книге С.А.Остроумова «Гидробионты в самоочищении вод и биогенной миграции элементов» //Вода: химия и экология. 2009. №8. С. 25 – 29. 30. Brooks, B.W.,Riley, T.M., Taylor, R.D. Water quality of effluent-dominated ecosystems: Ecotoxicological, hydrological, and management considerations // Hydrobiologia. 2006. 556 (1), Р. 365 – 379. 31. Fisenko A.I. A New Long-Term On Site Clean-Up Approach Applied to Non-Point Sources of Pollution // Water, Air, & Soil Pollution. 2004, V. 156, № 1-4. Р. 1-27. 32. Neofitou, C., Dimitriadis, A., Pantazis, P., Psilovikos, A., Neofitou, N., Paleokostas, A. Selfpurification of a long-stretched gully affects the restoration of an alpine-type lake in northern Greece // Fresenius Environmental Bulletin. 2005. 14 (12 A), Р. 1141 – 1149. 33. Stabili, L., Licciano, M., Giangrande, A., Longo, C., Mercurio, M., Marzano, C.N. Corriero Filtering activity of Spongia officinalis var. adriatica (Schmidt) (Porifera, Demospongiae) on bacterioplankton: Implications for bioremediation of polluted seawater // Water Research, 2006, 40 (16), Р. 3083 – 3090. 34. Добровольский Г.В., Розенберг Г.С., Тодераш И.К. (ред.) Открытие нового вида опасных антропогенных воздействий в эко- логии животных и биосфере: ингибирование фильтрационной активности моллюсков поверхностно-активными веществами. М.: МАКС-Пресс. 2008. 104 с. 35. Wang X., Y. An, J. Zhang, X. Shi, C. Zhu, R. Li , M. Zhu and S. Chen. Contribution of biological processes to self-purification of water with respect to petroleum hydrocarbon associated with No. 0 diesel in Changjiang Estuary and Jiaozhou Bay, China // Hydrobiologia, 2002. V.469, No. 1-3, Р. 179 – 191.