Почвенная экологическая токсикология

Почвенная экотоксикология начала развиваться, как считается, во 2-й половине 20 в. В мировой практике становление экотоксикологии как науки связывают с исследованиями побочных эффектов синтетических пестицидов, масштабное использование которых в годы после Второй мировой войны приобрело угрожающий характер.

Первые статьи по почвенной экотоксикологии относятся к 1960-м гг., в частности работы К. Фокса (Fox. 1964) и К. Эдвардса (Edwards.1969^[1]), посвящённые наблюдениям за негативным воздействием пестицидов на почвенных беспозвоночных. В России исследования профессора МГУ С. Н. Строганова послужили толчком к проведению тестов на токсичность с отдельными организмами для последующего прогнозирования побочных эффектов в полевых условиях. Первые результаты испытаний почв на токсичность с использованием коллембол и дождевых червей были опубликованы в конце 1960-х гг. (Ghabbour S. I. The effect of five herbicides on three Oligochaete species / S. I. Ghabbour, M. Imam // Revue d’Ecologie et du Biologie du Sol. 1967. № 4. P. 119–122^[2]; Scopes N. E. A. The Use of Folsomia fimetaria and Drosophila melanogaster as Test Insects for the Detection of Insecticide Residues Get access Arrow / N. E. A. Scopes, E. P. Lichtenstein // Journal of Economic Entomology. 1967. Vol. 60, № 6. P. 1539–1541^[3]). Прежде всего оценки токсичности основывались на учёте показателей смертности и воспроизводства почвенных беспозвоночных. Спустя 30 лет для тех же организмов были утверждены поведенческие тесты (например, тест на избегание), а для дождевых червей и энхитреид – тест по биоаккумуляции (Van Gestel. 2008). В этот же период начали успешно применять тест-виды высших растений и микроорганизмов для оценки экологического благополучия почв.

Важным вкладом в развитие почвенной экотоксикологии стали работы Н. В. Лазарева (1966) по проблемам геогигиены, Д. А. Криволуцкого (1983) по радиоэкологическим проблемам, А. Д. Покаржевского (1985) и Н. В. Лебедевой (1999) по экотоксикологии животных, Э. И. Слепяна (1979) по экологической токсикологии, фитотоксикологии и фитогигиене.

Методы почвенной экотоксикологии, стандартизованные международными организациями (Организация экономического сотрудничества и развития и Международная организация по стандартизации), появились в конце 1990-х – начале 2000-х гг.; оценка токсичности в них основана на учёте показателей смертности и воспроизводства энхитреид, дождевых червей (OECD Guidelines for the Testing of Chemicals No. 222) и коллембол (OECD Guidelines for the testing of Chemicals 232. OECD Guidelines for the Testing of Chemicals No. 207). Ныне в международной практике почвенных экотоксикологических исследований существуют стандартные методики, основанные на реакциях большого набора тест-видов и тест-реакций.

В 1990 г. Государственным комитетом СССР по охране природы был утверждён первый нормативный документ в области экотоксикологической оценки, касающийся водных объектов – «Методическое руководство по биотестированию воды» (РД 118-02-90) – предусматривающий использование небольшого набора гидробионтов: водорослей (Scеnedesmus quadricauda, Chlorella vulgaris), беспозвоночных (Daphnia magna, Ceriodaphnia affinis), рыбы (Poecilia reticulatus). В 1991 г. утверждены Правила охраны поверхностных вод, регулирующие очистку и сброс сточных вод в водные объекты с помощью токсикологического контроля методами биотестирования. Разработанные в методическом документе принципы поныне используются в законодательных актах в целях охраны не только водных, но и почвенных ресурсов.

Современный этап почвенной экотоксикологии характеризуется разнообразием подходов, которые включают оценку влияния почвенных свойств на динамику трансформации экотоксикантов и на взаимодействие между видами живых организмов при оценке токсичности.

К основным направлениям экотоксикологических исследований почв относят количественные определения токсикантов, проявление действий токсикантов на живые системы в природных условиях (in situ) и лабораторные анализы токсичности почвенных образцов (ex situ) на реакцию биосенсоров.

Наиболее распространённый метод исследования экотоксичности почв – биотестирование. Биотестирование – методический приём лабораторной оценки качества образцов по реакциям подопытных организмов с известными и поддающимися учёту характеристиками. Биологический объект в биотестировании фактически используется в качестве аналитического прибора или его части. Преимуществом биотестирования является то, что оценке подвергаются не индивидуальные компоненты исследуемых объектов в отдельности, а их совокупность с учётом синергических и антагонистических взаимоотношений между ними. Результаты биотестирования экологической токсичности образцов почв в лабораторных условиях с помощью стандартизованных биотест-культур служат необходимым дополнением к биоиндикационным наблюдениям по признакам, проявившимся в природных условиях. С помощью биотест-систем возможно установить неблагополучие почв до проявления видимых нарушений и отклонений от нормы.

Методы биотестирования почвы подразделяются на аппликатные (тестирование твёрдой массы почвы) и элюатные (биотестирование водной вытяжки почв, или элюатов). В первом случае изучают реакции почвообитающих организмов, а во втором анализируют реакции гидробионтов. Выделяют острую токсичность (в непродолжительных по времени экспериментах) и хроническую, для анализа которой нужны более продолжительные эксперименты.

Методы биологического тестирования, позволяющие в короткое время оценить токсичность различных соединений или объектов, в 2020-е гг. разрабатываются особенно активно и применяются как в исследовательской работе, так и в практике природоохранных органов в отношении традиционных поллютантов (тяжёлые металлы, нефть и нефтепродукты, радионуклиды) и новых видов загрязняющих веществ (фармпрепараты, микропластик, наноматериалы).

В почвенных экотоксикологических исследованиях для контроля применяется референтная почва (англ. reference soil). Как правило, это незагрязнённая почва, отобранная поблизости от загрязнённого участка, со свойствами (содержание питательных веществ, рН, содержание органического углерода и гранулометрический состав), близкими к свойствам исследуемой загрязнённой почвы. В мировой практике для сравнения результатов в стандартных испытаниях в качестве референтного образца рекомендована стандартная искусственная почва (англ. standard soil, artificial soil) – смесь песка, каолинита, торфа и карбоната кальция (согласно ИСО 11268-1).

Экологическая оценка почв с использованием биотестирования предусматривает выявление токсических реакций чувствительных тест-систем по летальности, модификационной, мутационной изменчивости, стрессовому ответу. Для получения объективной оценки используют т. н. батареи биотестов (набор биотест-систем) на основе организмов, представляющих разные трофические уровни.

В почвенной экотоксикологии оценивают реакции гидробионтов на элюаты (водные экстракты почв, или почвенные вытяжки). Перечень наиболее широко распространённых в РФ тест-организмов для элюатного биотестирования включает: зелёные водоросли – сценедесмус (Scenedesmus quadricauda) и хлореллу (Chlorella vulgaris); ракообразных – дафний (Daphnia magna) и цериодафний (Ceriodaphnia affinis); простейших – инфузорий (Paramecium caudatum); биолюминесцентные бактерии и др.

Основанное на анализе водных экстрактов элюатное тестирование не учитывает физико-химические свойства многофазной системы почв. Аппликатное биотестирование (биотестирование твёрдой массы почв) проводится с помощью фитотестирования, некоторых видов микроорганизмов, почвенных коловраток, дождевых червей, энхитреид и нематод.

Экотоксикологическая оценка почв требует комплексного подхода, который предполагает получение обобщённой оценки состояния почвенной экосистемы. Широкое использование биотических показателей в интегральной оценке почв способствовало выработке предложений по свёртыванию информации в обобщающие индексы состояния.

В современной мировой литературе как надёжный способ характеристики экологического состояния при загрязнении почв отмечается «триадный» подход, основанный на методологии междисциплинарного уровня (Chapman. 1990^[4]). В расчёт индекса экологического состояния почв наряду с данными химических и биоиндикационных исследований включены результаты оценки экотоксичности почв методами биотестирования.

При расчёте индекса токсичности исследуемой почвы значения тест-функций определённого набора биотестов сравнивают со значениями, полученными для фонового образца (референтной почвы). Ныне действует нормативный акт ISO 19204:2017 «Качество почвы. Методика оценки экологического риска локального загрязнения почвы (ТРИАДный подход к оценке качества почвы)» [англ. «Soil quality – Procedure for site-specific ecological risk assessment of soil contamination (soil quality TRIAD approach)»].