Установление предельно допустимых концентраций вредных веществ

Одним из главнейших вопросов нормирования является установление биологически обоснованных ПДК вредных веществ в воде рыбохозяйственных водоёмов. До 1974 г. было установлено ПДК вредных веществ для воды рыбохозяйственных водоёмов около 70, что в несколько раз меньше запросов промышленности по количеству.

Работы по установлению ПДК очень трудоёмки, требуют большой чёткости и возлагают на исследователей большую ответственность. Небольшие ошибки в сторону завышения или занижения могут привести к подрыву рыбных запасов или к экономическим потерям. Трудность установления ПДК вредных веществ в воде рыбохозяйственных водоёмов обусловливается ещё и тем, что мы не всегда знаем, что считать нормальным состоянием организма, до каких пределов организм, изменяясь от воздействия среды, может находиться в нормальном состоянии. Это относится не только к рыбам, но и к другим гидробионтам. Проблема нормы организма остаётся ещё «труднейшей физиологической и биологической проблемой». В то же время при проведении токсикологических опытов с водными организмами для установления ПДК вредных веществ задачей исследователей является умение отличать норму от патологии, защитнофизиологические реакции организмов от патологических реакций, свидетельствующих о нарушении нормальной жизнедеятельности организмов, нарушении нормальной деятельности отдельных органов, тканей и т. д.

Биологическое и, в частности, рыбохозяйственное нормирование ставит перед собой более широкие цели, чем гигиеническое. С биологических позиций, вода должна быть не только пригодной для водопользования населения, но и нормальной средой для жизни рыб и других гидробионтов и иметь свойства, обеспечивающие нормальный ход биологических процессов и сохранность хозяйственных качеств промысловых гидробионтов и их потомства. Поэтому иным должен быть и критерий токсичности.

Вопрос о критерии токсичности наиболее полно освещён Н. С. Строгановым (1975). Исходя из высказанных выше требований к качеству воды с биологических позиций, он рекомендует считать биологическим критерием токсичности водной среды сохранность вида, плодовитость и качество потомства. Совершенно ясно, что если поступающие в водоём загрязнения в результате нормирования будут доведены до таких количественных концентраций, которые не будут оказывать отрицательного влияния на плодовитость организмов и качество их потомства, то не будет нарушена и жизнь в водоёмах. В плодовитости и качестве потомства в этих двух проявлениях жизни сконцентрирована вся основа существования вида. «В них проявляются в интегральной и опосредованной форме все биохимические и физиологические процессы организма». Мерилом этого критерия может быть только нарушение биологической нормы, а также хозяйственной нормы, если понимать под последней нормальные качества промысловых гидробионтов как продуктов, используемых человеком.

Н.С. Строганов пишет, что биологическая норма «в конечном итоге обеспечивается физиологической нормой». Однако нарушение последней не может быть мерилом критерия токсичности, «так как при многих нарушениях физиологической нормы организмы размножаются и дают жизнеспособное потомство».

В противоположность данным взглядам высказываются и другие, получившие наибольшее освещение в работах В. И. Лукьяненко (1967). Он считает, что «при проведении опытов по биологическому нормированию вредных веществ для рыбохозяйственных водоёмов и определению порогового токсического эффекта сточных вод, первостепенное значение имеет физиологическая норма организма, а не биологическая». Одновременно он отмечает, что «физиологическая норма лежит в основе биологической». Биологический критерий, по его мнению, «имеет вполне определённое значение для оценки правильности и эффективности биологического нормирования вредных веществ в естественных водоёмах, но не имеет непосредственного значения в методическом отношении» и «весьма ограниченное значение в практическом отношении, поскольку может быть использован только в опытах с гидробионтами с коротким биологическим циклом (в основном беспозвоночные)». К рыбам этот критерий мало применим не только из-за значительной длительности их биологического цикла. Плодовитость и качество потомства — функция многих переменных, которая определяется нормальным течением разнообразных физиологических процессов. Ход этих процессов может быть нарушен лишь массированным токсическим воздействием…". В. И. Лукьяненко обращает также внимание на то, что «чувствительность различных функциональных систем организма к токсическому воздействию неодинакова, при различных ядах и нарушение деятельности одних наступает позже, чем других». Поэтому нарушение ряда функциональных систем может наступить и «оказать губительное действие на организм задолго до того периода, когда можно будет судить о плодовитости и качестве потомства».

Таким образом, при рыбохозяйственном нормировании установление ПДК вредных веществ в воде водоёмов должно производиться не только с целью предотвращения патологических изменений в организмах, но и с целью сохранения высоких качеств окружающей организмы водной среды и протекающих в ней биологических процессов.

Предельно допустимые концентрации для рыбохозяйственных водоёмов должны предохранить водные организмы и от этих глубоких последствий, вызванных загрязнённой средой, то есть предохранить от ухудшения качества потомства.

Высокая биологическая продуктивность рыбохозяйственных водоёмов может быть сохранена только в том случае, если в них нс будет нарушаться воспроизводство. Поэтому с рыбохозяйственных позиций критерием токсичности, безусловно, следует считать сохранность вида, плодовитости, качества потомства и качества продукции, получаемой из гидробионтов, то есть хозяйственной нормы. Только такой подход к нормированию загрязнений в рыбохозяйственных водоёмах может обеспечить сохранность необходимой чистоты воды как среды обитания водных организмов, высокие запасы рыб и других промысловых гидробионтов и определенный уровень их добычи.

В практике рыбохозяйственного нормирования были приняты следующие показатели вредности: органолептический, общесанитарный и токсикологический (или санитарно-токсикологический) и, помимо этого, ещё рыбохозяйственный (порча качеств промысловых гидробионтов). Тот показатель вредности, который характеризуется наименьшей концентрацией токсического вещества, называется лимитирующим показателем вредности.

Установление предельно допустимых концентраций практически сводится к выявлению порогов вредного и безвредного действия токсических веществ по тем или иным лимитирующим показателям вредности. Наименьшая концентрация вещества, при которой начинают появляться незначительные минимальные изменения в организмах или в водной среде по тому или иному показателю вредности (органолептическому, общесанитарному, токсикологическому, рыбохозяйственному), называется пороговой концентрацией или минимально действующей концентрацией вещества.

Максимально безвредную концентрацию, при которой современными методами исследований не обнаруживается никаких изменений в среде и в организмах, у гигиенистов принято называть подпороговой концентрацией. Опыты по установлению ПДК ведутся с различными организмами (рыбы, кормовые беспозвоночные и др.), обладающими разной чувствительностью к токсическим веществам. Во время проведения этих опытов выявляют наиболее слабое биологическое звено среди испытуемых организмов и устанавливают максимально недействующие концентрации для изучаемых токсических веществ по тому или иному показателю вредности. Слабым биологическим звеном могут быть рыбы, водоросли, представители бентоса и т. д. К большинству токсических веществ обычно более чувствительны животные, а не водоросли, грибы и бактерии.

Максимально недействующая (безвредная) концентрация из наиболее слабого биологического звена по отношению к изучаемому веществу принимается за предельно допустимую концентрацию (ПДК) в воде рыбохозяйственных водоёмов. Поясним это на примере установления ПДК цинка. Так, например, было выявлено, что лимитирующим показателем вредности цинка является токсикологический. Установлено, что концентрация цинка 0,5 мг/л не оказывает отрицательного влияния на рыб, не нарушает их развитая и не влияет отрицательно на личинок рыб и их развитие. Но эта концентрация отрицательно сказывается на представителях планктона (дафнии). Более низкая концентрация цинка 0,1 мг/л не влияет отрицательно на выживаемость дафний и на ход процессов самоочищения, но тормозит их развитие.

В растворах, содержащих 0,05 мг/л цинка, развитие дафний идёт нормально до третьего поколения, но особи этого поколения делаются бесплодными и потомства не дают. Только концентрация 0,01 мг/л Zn не вызывает никаких нарушений и в последующих поколениях. Таким образом, наиболее слабым биологическим звеном по отношению к цинку является планктон. Максимально недействующей концентрацией для планктона по токсикологическому показателю вредности является 0,01 мг/л. Это значит, что по другим показателям вредности (органолептическому, общесанитарному, рыбохозяйственному) безвредная концентрация находится на данном уровне или выше его, но ни в коем случае не ниже. Этим самым создаётся запас надёжности для предотвращения отрицательного действия цинка на организмы и водоём по другим показателям вредности.

Иногда лимитирующим показателем вредности является не токсикологический и не общесанитарный, а органолептический или рыбохозяйственный. Например, содержание в воде 0,1 мг/л растворимых и эмульгированых нефтепродуктов сточных вод нефтеперерабатывающих предприятий безвредно для водных организмов, их развития и потомства, но при длительном воздействии вызывает порчу товарных и вкусовых качеств рыбы. При содержании в воде 0,05 мг/л нефтепродуктов этого не наблюдается. Поэтому эта концентрация была принята за ПДК вредных веществ в воде рыбохозяйственных водоёмов. Лимитирующим показателем вредности в данном случае оказался рыбохозяйственный.

По этому же показателю вредности была установлена предельно допустимая концентрация в воде фенола, равная 0,001 мг/л.

В тех случаях, когда устанавливают ПДК вещества, имеющего запах или вкус, целесообразно начинать опыты с определения безвредной концентрации по органолептическому показателю, определение которого относительно несложно. Это значительно облегчает дальнейшие исследования по другим показателям вредности, так как их можно начинать с безвредной концентрации, полученной по органолептическому показателю вредности. Следует лишь учитывать, что запахи, а иногда и окраска, могут маскировать присутствие в воде продуктов разложения животных и растительных материалов. Могут они также исчезать при отстаивании, аэрировании, повышении температуры.

Установленная безвредная, недействующая концентрация того или иного вещества по лимитирующему показателю вредности является практически безвредной для жизни водоёма в целом. Эта концентрация может быть принята за предельно допустимую для воды рыбохозяйственных водоёмов, если у данного вещества отсутствуют кумулятивные свойства. При наличии кумулятивных свойств следует внести поправку на кумуляцию.

Изложенное показывает, что нельзя установить ПДК вредных веществ в воде рыбохозяйственных водоёмов на основании проведения экспериментальных работ по влиянию токсических веществ только на представителей одного биологического звена и тем более на основе работ с каким-либо одним организмом.

Рекомендуется считать предельно допустимой концентрацией вредных веществ в воде рыбохозяйственных водоёмов такую концентрацию вещества (или комплекса веществ), которая не оказывает отрицательного влияния на режим водоёмов, на водные организмы (по наиболее слабому биологическому эвену), на их развитие и потомство.

В более широкой формулировке это можно изложить следующим образом. Предельно допустимая концентрация — это такая концентрация вещества или комплекса веществ, кратковременное или длительное воздействие которой на водные организмы прямо или через изменившуюся под её воздействием водную среду не вызовет у них в течение всего цикла их развития изменений, выходящих за пределы физиологических приспособительных реакций, не нарушит нормальный ход биологических процессов формирования качества волы в водоёме и не скажется отрицательно на плодовитости и качестве потомства водных организмов, а для промысловых гидробионтов и на товарных, вкусовых и промысловых качествах. Другими словами, это такая концентрация, которая нс будет вызывать нарушений физиологической, биологической и рыбохозяйственной норм в настоящем и будущем.

Н.С. Строганов (1972) рекомендует считать за ПДК воды водоёмов ту максимальную концентрацию вещества, при которой не нарушается (не ухудшается) ни один из следующих показателей: процессы минерализации органических веществ; органолептические свойства воды и промысловых организмов (рыбы, раки, моллюски); жизнедеятельность (выживаемость, рост, размножение, плодовитость и качество потомства) основных групп водных организмов (растения, беспозвоночные животные, рыбы), играющих важную роль в формировании качества воды, создании и трансформации органического вещества. ПДК должна обеспечивать нормальный ход биологических процессов, формирующих качество воды, и не ухудшать товарные качества промысловых организмов, В практике нормирования приходится устанавливать ПДК синтетических веществ с недостаточно изученным составом и свойствами и с неизвестными-изменениями, происходящими с веществом в дальнейшем в воде и в организмах. Они могут претерпевать различные превращения под влиянием окисления, восстановления, гидролитического распада и т. д., могут взаимодействовать с другими веществами, образуя нерастворимые соединения, отлагающиеся и накапливающиеся с течением времени в органах и тканях организмов. Правда, в большинстве случаев превращение токсических веществ и их взаимодействие с другими веществами приводит к образованию менее ядовитых веществ, но бывает и обратное явление, когда образуются и более ядовитые вещества. Поэтому целесообразно установленную безвредную концентрацию по лимитирующему показателю вредности для наиболее слабого биологического звена принимать за ПДК воды рыбохозяйственных водоёмов с некоторым запасом надежности.

Введение

«коэффициента безопасности» будет служить гарантией от возможного неблагоприятного воздействия данного вещества в будущем на водоём и водные организмы.

Это необходимо и по другим причинам. Степень воздействия того или иного вещества на организмы зависит не только от его свойств, но и от ряда внешних факторов (температура, насыщенность воды кислородом, её минерализация, время воздействия, наличие в воде других токсических веществ или природных веществ, усиливающих или ослабляющих воздействие токсического вещества — таннидов, гуминовых кислот и т. д.). Вследствие этого установленные в опыте безвредные концентрации могут не отражать полностью вредного действия изучаемого токсического вещества, что может быть устранено введением коэффициента безопасности. Тщательное проведение экспериментальных работ с учётом всех факторов, влияющих на их точность, также способствует точному установлению ПДК.

В мягкой воде токсичность ряда металлов проявляется значительно сильнее, чем в жёсткой. Токсичность, например, таких металлов, как кадмий, трёхвалентный хром, алюминий, медь, никель, кобальт, в мягкой воде значительно выше, чем в жёсткой. То же отмечается и в отношении цинка. Устойчивость же рыб к детергентам не зависит от жёсткости.

Разные яды действуют на водные организмы неодинаково. Например, органические яды действуют главным образом на нервную систему. Для взрослых рыб они более токсичны, чем неорганические. Последние, наоборот, более токсичны для икры, личинок, молоди, кормовых беспозвоночных. Токсичность ядов в большей степени зависит не от концентрации, а от продолжительности действия. Поэтому при установлении ПДК предварительно необходимо хорошо изучить природу и физико-химические свойства исследуемых загрязнений (веществ), а эксперимент вести, исходя из наихудших условий опыта. Наиболее целесообразно использовать в экспериментах для приготовления растворов мягкую воду, а опыт вести при температуре, близкой к комнатной, так как токсичность сильнее проявляется при высоких, чем при низких температурах. Понятно, что данное положение не может быть распространено на опыты с организмами, живущими при низких температурах, и на протекающие при этих температурах процессы. В частности, наблюдения за влиянием токсических веществ на развитие икры рыб должны проводиться при тех температурных показателях, при которых икра развивается в природных условиях.

Действие любого токсикологического фактора на организмы в зависимости от концентрации токсиканта происходит через следующие фазы: безразличие, когда организм не реагирует на действие токсиканта даже при длительном воздействии; стимуляция обмена веществ и всей жизнедеятельности организма; угнетение (депрессия) обмена веществ, а при большой концентрации наступление общей депрессии; смерть. Иногда четвертую фазу подразделяют на две: частичного отмирания и полной гибели. Если концентрация токсиканта небольшая, то воздействие его может не доходить до конечной фазы.

Безразличное отношение организмов к действию тех или иных веществ не говорит о полном отсутствии у них токсичности и не указывает, что данные вещества не будут оказывать отрицательного влияния на среду обитания водных организмов. Точно так же стимулирование не всегда является положительным показателем, как можно было бы думать. В каждом отдельном случае необходимо установить его характер и выявить, происходит или не происходит под влиянием стимулирования нарушение биологической и рыбохозяйственной норм.

В зависимости от природы токсического вещества (или веществ), степени его концентрации в водной среде, продолжительности влияния, а для комплекса веществ также и от их сочетания, отрицательное действие на водные организмы может быть быстрым и замедленным. Быстрые, острые отравления, как правило, происходят при больших концентрациях токсических веществ. При этом поражаются наиболее чувствительные органы и ткани — кровеносная и нервная системы, дыхательные органы и т. д., прекращается жизнедеятельность и наступает гибель организмов, что часто наблюдается при аварийных сбросах сточных вод. Обычно это сопровождается легко наблюдаемыми ответными реакциями организма на воздействие токсиканта (возбуждение, нарушение нормального движения, выскакивание из испытуемого раствора, перевёртывание; удушье и т. п.).

Влияние малых концентраций проявляется при длительном воздействии токсических веществ. Повреждение органов и тканей происходит постепенно, и ответные реакции организмов могут быть мало заметными. Гибель организмов может происходить после продолжительного нахождения их в токсической среде, а иногда её и вообще не наблюдается. Однако отрицательное воздействие может сказываться не только на отдельных органах и тканях организмов, но и на их развитии и потомстве, причём некоторые вещества, постепенно накапливаясь в организме, оказывают на него токсическое действие только при ухудшении условий обитания. Так, например, отрицательное влияние на рыб хлорорганичсских пестицидов проявляется при понижении температуры воды, что характерно не для всех токсических веществ.

При длительном воздействии некоторых слаботоксических веществ в результате адаптационных способностей водные организмы приспосабливаются к данной среде, происходит, как пишет Н. С. Строганов (1941), «выравнивание, и состояние организма несколько приближается к первоначальному состоянию». Это происходит вследствие приспособления его к данной концентрации токсического вещества, а не в результате изменения её, поэтому выравнивание нельзя рассматривать как одну из фаз действия вещества, соответствующую концентрации средней токсичности, как это пишет О. Н. Крылов (1969).

В тех случаях, когда в водоёмы поступает несколько вредных веществ, ПДК которых установлены по одному лимитирующему показателю вредности, количественное их содержание нормируется по принципу суммации: величина предельно допустимой концентрации каждого вещества, входящего в комплекс, уменьшается во столько раз, сколько вредных веществ в комплексе, а сумма концентраций всех веществ, выраженных в процентах от соответствующих предельно допустимых концентраций для каждого вещества в отдельности, не должна превышать 100%.

Поясним это следующими примерами. В воде содержатся нефть, фенол, цианиды, бензол, медь, кобальт. Предельно допустимые концентрации фенола 0,001 мг/л и нефти — 0,05 мг/л установлены по органолептическому показателю вредности, а ПДК цианидов, равная 0,05 мг/л, бензола 0,5 мг/л, меди 0,01 мг/л и кобальта 0,01 мг/л установлены по токсикологическому показателю вредности. При совместном их присутствии количество каждого из них должно быть уменьшено во столько раз, сколько веществ находится в комплексе, то есть:

CN = 0,05/4 = 0,0125 (25%), бензол = 0,5/4 =0,125 (25%),.

Си²* = 0,01/4 =0,0025(25%),.

Со²* = 0,01/4=0,025 (25%).

ИЛИ фенол = 0,001/2 = 0,0005 (50%), нефть = 0,05/2 = 0,025 мг/л (50%).

Такой подход очень важен для оценки эффективности проведенных мероприятий по уменьшению загрязнения водоемов и для контроля за сбросом загрязнений в водоёмы.

Предположим, что на участке водоёма, где расположен контрольный створ, было обнаружено 0,05 мг/л цианидов, 0,4 мг/л бензола, 0,001 мг/л фенола и 0,05 мг/л нефти, то есть в количествах, равных или меньших ПДК этих веществ. Для того чтобы решить вопрос, всё ли в данном случае благополучно, прежде всего нужно распределить вещества по показателям вредности, а затем произвести расчёт. ПДК цианидов и бензола, как указано выше, установлены по токсикологическому показателю вредности, а фенола и нефти — по органолептическому. Цианиды обнаружены в воде в количестве, равном ПДК, а бензол в количестве, меньшем ПДК, и согласно принципу суммации цианидов должно быть: 0,05/2 = 0,025 мг/л; бензола — 0,5/2 = 0,25 мг/л. Фенол и нефть находятся в количествах, равных их ПДК. При совместном же присутствии фенола должно быть: 0,001/2 = 0,0005 мг/л, а нефти — 0,05/2 = 0,025 мг/л.

Следовательно, все определённые здесь вещества находятся в количествах, превышающих выдвинутый принцип суммации.

В другом случае в водоёме обнаружено 0,02 мг/л нефти и 0,0006 мг/л фенола. При совместном их присутствии по принципу суммации наличие нефти можно допустить: 0,05/2 = 0,025 мг/л, а фенола: 0,001/2 = 0,0005 мг/л.

В рассмотренном примере содержание в воде нефти равно 0,02 мг/л, что составляет 40% от её ПДК, а фенола 0,0006 мг/л, то есть 60% от ПДК. Таким образом, сумма концентраций этих веществ не превышает 100% и, следовательно, совместное содержание в воде указанных выше количеств нефти и фенола находится в соответствии с нормативными требованиями.