Биологические науки/7. Зоология

 

Д.б.н., профессор Зиновьев Е.А., к.г.н., доцент Китаев А.Б.

 

ФГБОУ ВПО Пермский государственный национальный исследовательский университет, Пермь, Россия (614990, г. Пермь, ул. Букирева, 15) zoovert@psu.ru

 

ВОЗДЕЙСТВИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЙ НА ИХТИОФАУНУ ВОДОХРАНИЛИЩ (НА ПРИМЕРЕВОДОЕМОВ СРЕДНЕКАМЬЯ)

 

Показан характер влияния основных элементов промышленных сточных вод на рыб Камских водохранилищ. Воздействие промышленных стоков на ихтиофауну водоемов оценено в различные периоды существования водохранилищ и в разные периоды развития промышленности Пермского края. Особое влияние уделено при этом тяжелым металлам.

 

Ключевые слова: камские водохранилища, ихтиотоксикология, поллютанты, воздействие на рыб.

 

Общеизвестно, что воздействие разных химических агентов, особенно солей тяжелых металлов, описано в десятках тысяч исследований (прежде всего иностранных), однако, изучение влияния промышленных стоков на рыб в естественных водоемах далеко до полного.

До создания водохранилищ на Средней Каме, река и ее притоки отличались довольно чистыми водами с достаточным обеспечением кислородом [8,13,16,19], поэтому, почти до середины XX в. здесь массовых заболеваний и гибели рыб не отмечалось. Однако, после постройки камских калийных комбинатов в Соликамске и Березниках и крупных ЦБК, а также с развитием предприятий металлургической, химической и угольной промышленности с масштабными выбросами сточных вод без достаточной очистки, ситуация резко изменилась. В результате около 70 лет в Каму ежегодно поступало более тыс. т отходов производства из сотен поллютантов и каменной соли. Столь интенсивное многолетнее загрязнение не могло не вызвать серьезных перестроек в гидрофауне Камы [6]. Если воздействие на зоопланктон в 30-50-е гг. было минимальным, то в бентосе происходило массовое развитие полисапробных тубифицид [18]. Отмечено постепенное исчезновение стерляди и сокращение промысла рыб, особенно в районе Камы ниже Краснокамска.

С 1941-1945 гг. в районе Березниковского промышленного узла наблюдаются эпизоотии рыб, связанные с негативным воздействием сточных вод предприятий г. Березники, особенно в зонах их выпуска, тогда как в других местах больных и погибших рыб не было [19]. Основные признаки заболевания – пучеглазие, поражение чешуи, вздутие брюшка и др. Впоследствии оно было названо О.Н. Крыловым [11] токсической водянкой. Интересно, что в 30-40 е гг. ХХ в. воздействие загрязнений на гидрофауну зоны будущего Камского водохранилища было небольшим, но для Камы от Перми до устья Белой весьма значительным [6]. К примеру, еще в 1941 г. Краснокамский ЦБК сбрасывал в Каму до 52 т волокна и 258 т растворенных органических веществ в сутки, что приводило к массовому цветению воды у г. Оханска, ухудшению газового режима, угнетению кормовой базы рыб, изменению структуры гидробионтов, сокращению биомассы бентоса и уменьшению численности рыб. В частности добыча рыбы Осинским рыбоцехом упала от 840 ц в 1939 г., до 200 ц в 1953 г. и вскоре промысел был прекращен из-за нерентабельности. В основном по этой причине исходное стадо рыб в будущем Воткинском водохранилище было слабым, что обусловило замедленный характер формирования водохранилищной фауны рыб [7,15,17] и преобладание в нем мелкочастиковых рыб.

Появление первого в Прикамье крупного водохранилища (Камское в 1954-1956 гг.) привело к значительному увеличению водной массы, росту уловов рыбы, стихийному прохождению этапов формирования гидрофауны в новом водоеме [1,2,3,14,15,16]. Масштабы загрязнения промстоками возросли вследствие замедления водообмена и увеличения производства. Участились заболевания, эпизотии, расширились зоны воздействия поллютантов, их накопления в воде, илах, растительных и животных организмах. Заморы приняли катастрофический характер, как от роста загрязнений, так и от изменения гидрологического режима, прежде всего от зимней «сработки» уровня до 8 м, пятикратного уменьшения объема вод, деструкции оставшегося на корню леса. Особенно значительными были заморы в Иньвенском заливе и устье р. Яйвы [5].

Помимо Иньвенского залива и р-на Березниковско-Соликамского промузла сильно загрязнялись кислыми, сернокислыми, железистыми шахтными водами и «фенольными» органическими соединениями сточных вод Губахинского коксо-химического комбината р. Косьва и Косьвинский залив. В весенне-осенний период благодаря разбавлению водохранилищными водами они отражались в основном на органолептических свойствах рыб, зимой же с повышением концентрации вызывали массовые заморы от отравления, особенно молоди всех видов рыб до нескольких миллионов экземпляров. Интересно, что в последние 15 лет с закрытием шахт, продолжается самоизлив красно-бурых шахтных вод, хотя концентрация сбросов заметно уменьшилась, и в некоторых местах Косьвы появились исчезавшие хариус и таймень. В самом глубоководном и сравнительно чистом Сылвинском заливе зимние заморы не отмечались. Небольшие и редкие заморные явления наблюдаются в Обвинском заливе.

По результатам экспериментальных исследований [4,10,11] показано, что большое количество веществ, содержащихся в стоках даже в слабых концентрациях, оказывает негативное действие на рыб. Часть из них является ядами крови, производя изменения ее состава, или свертывания в сосудах и сердце, в результате – смерть. Другие обладают нервнопаралитическими свойствами, в конечном счете, приводящими к гибели, третьи способствуют воспалению и деградации органов дыхания, разрушают тканевые белки, вызывая асфиксию и смерть. Нередко совокупное действие разнотипных поллютантов приводит к распаду роговой оболочки глаз, слепоте и гибели. Возникновение описанной выше токсической водянки, также завершается смертью.

Ранее неоднократно отмечалось соответственно транзиту загрязнений от верховий Камского водохранилища до устьев Белой, Вятки и Камского отрога Куйбышевского водохранилища наличие в последнем случаев поимки рыб с признаками чисто камской болезни [9,19]. Естественно, что помимо стоков предприятий Пермского края, свою долю вносят заводы Ижевска, Елабуги, Чистополя, Набережных Челнов, а также нефтяные разработки.

Одной из ведущих отраслей органического синтеза является анилинокрасочная промышленность, в промстоках которой присутствуют высокотоксичные для живых организмов вещества. Источниками появления в Камском водохранилище таких продуктов является Березниковский химкомбинат (БХК). Его сточные воды поступают в водоем через коллекторы, пруд-накопитель «Белое море» и станцию перекачки. В стоках БХК присутствуют сотни токсических веществ, из которых наиболее вредны: анилин, разные амины, фенолы, сероуглерод, тиосульфаты, бутилксантогенат, бутиловый спирт, соли цинка и др. Некоторые вещества до сих пор недостаточно изучены и методы их определения несовершенны.

Количество анилина и аминов в пересчете на анилин содержалось в 70 е гг. ХХ в. в стоках разных производств БХК 0,2-10,0 г/л, причем объем стоков с содержанием анилина от 1,5 до 10 г/л составлял около 7 тыс. м3 в год. Диэтиламин и амины содержались в стоках от 0,3 до 1,5 г/л, таких вод сбрасывалось до 25 тыс. м3. Фенол и его производные (пирокатехин, резорцин, гидрохинон, пирогаллол, флороглюцин, крезол, аминофенол, нафтол и др.) присутствовали в выпускаемых водах в пруд-накопитель в концентрации до 10 г/л. Количество стоков с высоким содержанием каптакса достигало 1,8-25 тыс. м3/год. То же касается динитрохлорбензола, бутилового спирта, бутилксантогената калия и многих других органических соединений. Содержание в стоках БХК минеральных веществ было еще более высоким (в десятки раз превышало ПДК) - хлоридов от 0,6 до 86,7 г/л, сульфатов от 0,8 до 295 г/л, серы до 2,2  г/л, сероуглерода до 2 г/л, цинка в пределах 0,1-0,8 г/л. Естественно, что введение в строй устройств по химической очистке стоков в середине 70-х гг. позволило сократить количество указанных  поллютантов, но проблема полного обезвреживания стоков до сих пор не решена.

Известно, что анилин и его производные являются сильными ядами для рыб, всех водных беспозвоночных, а также для теплокровных и человека. В частности, в организме животного, анилин приводит к нарушению кровообращения, изменяет структуру эритроцитов, цвет крови, замедляет скорость переноса кислорода, вызывая обильное слизеотделение и смерть. Яды фенольного ряда нарушают деятельность ЦНС, причем токсичность убывает при увеличении числа  нитрогрупп в молекулах нитрофенолов. Среди одногидроксильных фенолов наиболее токсичны крезол и ксиленол, среди двухгидроксильных - гидрохинон. Фенольная интоксикация характеризуется некрозом клеток дыхательного эпителия, их гипертрофией и асфиксией, кроме того, обычен паралич нейромускульного аппарата. По уменьшению устойчивости к фенолам рыбы образуют следующий ряд: карась, плотва, лещ, синец, щука, ерш, окунь, ручьевая и радужная форель [12]. Обычно, в природных условиях рыбы уходят из зон с концентрацией фенолов выше 0,03 мг/л, но уже при 10 мг/л гидробионты теряют способность отличать чистую воду от загрязненной.

Следовательно, практически все органические соединения, содержащиеся в сточных водах БХК, ядовиты для гидробионтов, в том числе и для рыб. Среди минеральных соединений к таковым относятся сероуглерод, сероводород, цинк и многие другие тяжелые металлы и их соединения. Сероводород и сульфиды высоко токсичны для рыб. От первого из них возникает резкий дефицит кислорода в водоеме. При отравлении у рыб наблюдается вялость и паралич, тело покрывается опалесцирующей слизью. На токсичность сероводорода влияют реакция среды (рН), причем с ее увеличением, токсичность сероводорода и сульфидов снижается. Порог токсичности сероводорода для разных видов рыб и значений рН колеблется в пределах 0,3 - 2,0 мг/л. Сероуглерод менее токсичен, порог составляет около 100 мг/л. Воздействие цинка на рыб связано с тем, что его растворимые соли вызывают коагуляцию белков, повреждение жабр, причем токсичность возрастает с уменьшением растворенного в воде кислорода. Концентрация 15 мг/л смертельна для всех рыб. Наличие токсикантов часто сопряжено с их включением в биологические цепи (питания, дыхания) и процессы, к примеру, в макрофитах (тростник, рогоз, рдесты, осоки) наблюдается накопление цинка, марганца в 2-3 раза больше, чем в воде. Животные и растения могут накапливать многие химические соединения в сотни раз больше, чем их содержится в воде, рыба и икра – в сотни тысяч раз, что позволяет относить рыбу к уникальным тест-объектам и индикаторам, гораздо более показательным, чем анализ химического состава воды. Для нормального существования разных организмов разработаны достаточно точные пределы концентраций элементов в воде (ПДК). Вместе с тем многие ионы могут усиливать (синергизм) или подавлять (антагонизм) действие друг дуга. Естественно, что совокупное их действие в природных водах существенно отличается от экспериментов по каждому иону. Кроме того, они часто связываются с органическими компонентами, либо воздействуют на разные фазы жизненного цикла гидробионтов.

Следует отметить значительную амплитуду значений устойчивости разных водных объектов к концентрациям металлов, причем самые устойчивые  - сине-зеленые водоросли, а величина ПДК для рыбы близка к минимальным значениям, что вновь говорит о высокой индикаторной роли рыб. Токсичность металлов по степени воздействия на водных обитателей, экосистему и виды образует по мере убывания следующий ряд: ртуть - медь - свинец - кадмий - хром - цинк - никель - алюминий. Вследствие большей активности токсичность кадмия и цинка оказывается выше, чем у свинца. Характер воздействия тяжелых металлов достаточно хорошо изучен и известен.

Доказано, что соли тяжелых металлов, прежде всего, воздействуют на органы дыхания рыб, разрушают эпителий жаберного аппарата, причем даже при большом разведении они обладают сильным резорбтивным действием. Соли свинца приводят к гемолизу крови, мышьяк воздействует на нервную систему, вызывая параличи. Хромсодержащие воды (р. Чусовая, ниже завода «Хромпик» в Свердловской области) вызывают в высоких концентрациях обильное слизоотделение с поражением жабр и летальным исходом, в слабых растворах шестивалентного хрома наблюдается образование в брюшной полости оранжево-желтой жидкости. Бихроматы токсичнее хроматов в солидных концентрациях, в слабых - их действие одинаково. Следует отметить, что токсичность хроматов зависит от жесткоста воды и в мягкой среде она сильнее.

Мышьяк в поверхностных водах встречается реже хрома и в более низких концентрациях, но является сильным, хотя и медленно действующим ядом резорбтивного характера. Рыбы всех видов в водах, содержащих мышьяк, становятся вялыми, апатичными, перед гибелью у них наблюдается сильное возбуждение, возникают судороги.

Цианиды (цианистый водород, цианистая кислота, цианистый калий, натрий и др.) являются сильными ядами, воздействующими на ферментативные системы. Чаще всего они блокируют железосодержащие дыхательные ферменты (пероксидаза, цитохромоксидаза), обусловливая невозможность тканей и клеток поглощать кислород, вследствие чего возникает кислородное голодание, прежде всего наиболее чувствительных к недостатку кислорода нервных клеток, что приводит к смерти. При отравлении цианидами повышается частота дыхательных движений, затем теряется равновесие, замедляется ритм сердечных сокращений, наступает агония. Специфичным признаком такого отравления считается попеременное посветление и потемнение окраски тела и ярко красная светящаяся окраска жабр.

Соединения ртути (хлориды, сульфаты, нитраты, свободные ионы) остро токсичны не только для рыб, но и для всех остальных обитателей вод. Обычно ртуть вызывает разрушение эпителия жаберных лепестков. Симптоматика отравления: первая фаза - возбуждение, вторая - угнетение, третья - опрокидывание на бок, снижение частоты дыхательных движений, четвертая - нарушение эпителия жабр, пятая - асфиксия (удушье) и смерть. Обычно тело покрывается белым налетом, рыбы лежат на боку, туловище не изогнуто (погибают без судорог, в отличие от отравления мышьяком).

Токсичность свинца и его соединений меньше, чем ртути, меди, кадмия, мышьяка, цианидов, но достаточно высокая. Большие концентрации свинца воздействуют на жаберный аппарат и нервную систему, ускоряется ритм дыхания, тело и жабры рыб покрываются слоем коагулировавшей слизи, затем движения замедляются, нарушается равновесие, наступает смерть. Свинец, в отличие от большинства других тяжелых металлов, медленно выводится из организма, при отравлении свинец обнаруживается в жабрах, печени, кишечнике, мышцах (до 0,04-5,0 мг/кг мышечной массы).

Медь в виде хлоридов и нитратов остротоксична для рыб в концентрациях 0,01-0,02 мг/л, тогда как металлическая медь обычно инертна. Симптомы отравления: возбуждение, появление голубоватой слизи, затруднение дыхания, аритмия, всплывание к поверхности, смерть наступает после продолжительного периода проявления указанных симптомов.

Соединения цинка, как уже указывалось, сильно повреждают жабры рыб, стимулируют обильное слизеотделение и в дальнейшем фазы аналогичны вышеприведенным симптомам при отравлении другими тяжелыми металлами. Вместе с тем возможно спасение отравленных медью рыб даже в фазе опрокидывания и нарушения координации движения если перевести рыб в свежую, воду. Необходимо  учитывать, что при наличии синергизма в смеси цинка и меди; цинка и никеля усиление токсичности происходит на порядок; а кадмий не изменяет токсичности цинка.

Железо в ионной форме стимулирует рост водорослей в концентрациях 0,14-1,4 мг/л, хотя большее количество токсично для них но слабо действует на животных. Вместе с тем при переходе из закисей в окиси железо связывает кислород и может вызывать массовые заморы и гибель рыб. Кроме того соли трехвалентного железа действуют на рыб подобно кислоте, снижая рН воды. Считается, что даже небольшое количество ионов железа (более 0,05 мг/д) опасно для рыб, т.к. приводит к образованию на жабрах бурого налета из гидроокиси железа, что сопровождается удушьем и гибелью.

Необходимо отметить, что краткий очерк токсикологической значимости наиболее часто встречающихся тяжелых металлов, характерен для относительно высоких их концентраций, которые образуются лишь в результате сброса промстоков и прочих антропогенных причин. Совокупное органическое и неорганическое загрязнение вызывает множество эффектов – от перестройки экосистем среди бентосных и планктонных беспозвоночных в сторону уменьшения или исчезновения реофилов и любителей чистых вод, до изменения структуры, распределения видов в ихтиоценозах, уменьшения численности популяций, ухудшения органолептических качеств рыб, замедления темпа роста, показателей размножения, отрицательного воздействия на все элементы жизненного цикла от икринки до взрослого организма, изменяя физиологические и биохимические параметры, спектр питания, паразитофауну и цитогенетические показатели, причем последние пока изучены недостаточно. Кроме того отмечается воздействие в появлении массовых эпизотий, заморов с гибелью десятков, сотен тысяч особей, а также миграций рыб в чистые притоки.

Литература:

1. Балабанова З.М. О влиянии промышленного загрязнения на Камском водохранилище первой очереди наполнения // Гидрохимические материалы. – 1959 – Т.29. – С.78-81.

2. Балабанова З.М. Гидрохимическая характеристика Камского водохранилища (1954-1959 гг.) // Труды Уральского отделения ГОСНИОРХ. – 1961. – Т.5. – С.38-104.

3. Букирев А.И., Козьмин Ю.А., Соловьева Н.С. Рыбы и рыбный промысел Средней Камы // Изв. Ест.-науч. ин-та при Перм. ун-те. – Пермь, 1959. – Т.XIV, Вып.3. – С.17-53.

4. Володин В.М. Сравнительная характеристика устойчивости рыб к фенолу на ранних этапах онтогенеза. – Труды ИБВВ АН СССР. – 1966. – Вып.10. – С.17-23.

5. Гальнбек А.И. О возникновении заморных явлений в Камском водохранилище (1956-1958 гг.) // Труды УралВНИОРХ. – 1961. – Т.V. – С.195-299.

6. Громов В.В. Влияние сточных вод промышленных предприятий на гидрофауну и уловы рыбы в Средней Каме // Вопросы ихтиологии. – 1958. – Вып.10. – С.172-187.

7. Дубова Т.В., Соловьева Н.С. Формирование ихтофауны в камских водохранилищах // Учен. зап. Перм. ун-та. – Пермь, 1965. – № 125. – С.5-22

8. Зиновьев А.П. Планктон реки Камы в районе от устья р. Вишеры до устья р. Яйвы // Известия биол. НИИ при ПГУ. – Пермь, 1939. – Т.XIII, Вып.3-4. – С.3-48.

9. Костарев Г.Ф. Паразиты и болезни рыб бассейна Средней Камы (в условиях загрязнения). – Пермь: Изд-во Перм. ун-та, 2003. – 194 с.

10. Кокуричева М.П. О токсическом действии загрязнения водоемов на рыб // Сб. науч. тр. ГосНИОРХ. – 1979. – № 144. – С.147-156.

11. Крылов О.Н. Токсическая водянка рыб реки Камы и Камского водохранилища: Автореф. дис. канд. биол. наук. – Л., 1965. – 23с.

12. Лукьяненко В.И. Общая ихтиотоксикология. – М.: Пищевая промышленность, 1983. – 320с.

13. Меньшиков М.И. Рыбы р. Камы и ее долины в окрестностях г. Перми // Изв. Биол. НИИ при Перм. ун-те. – Пермь, 1929. – Т.VI, Вып.8. – С.377-407.

14. Померанцев Г.П. Камское водохранилище // Изв. ГосНИОРХ. – 1961. – Т.50. – С.88-102.

15. Соловьева Н.С., Зиновьев Е.А. Изменения ихтиофауны Средней Камы после зарегулирования стока // Биология рыб бассейна Средней Камы. – Пермь, 1971. – С.3-31.

16. Троицкая В.И. Ихтиофауна Камского водохранилища и некоторые черты ее формирования в 1956-1959 гг. // Труды Урал. отд. ГосНИОРХ. – Свердловск, 1961. – Т.V. – С.176-195.

17. Устюгова Т.В. Особенности формирования ихтиофауны и биология  промысловых рыб Воткинского водохранилища: Автореф. дис. канд. биол. наук – Казань, 1974. – 24с.

18. Фридман Г.М. Материалы по изучению влияния промышленных стоков на донную жизнь р. Камы // Труды биол. НИИ при ПГУ. – Пермь,1939. – Т.8, Вып.3-4. – С.73-92.

19. Щупаков И. Г. Заболевание и гибель рыбы в Камском водохранилище, на Нижней Каме и в Камском отроге Куйбышевского водохранилища // Труды Урал. отд. ГосНИОРХ. – Свердловск, 1961. – Т.V. – С.211-220.