Биогеохимический подход С.А. Патина

Один из распространенных подходов к определению критических точек основан на предположении, что критерием нормального состоя­ния экосистемы является нормальный закон распределения ее перемен­ных. В этом случае максимальные и минимальные критические значе­ния ( и ) находятся из соотношения

где Ф — функция нормированного нормального распределения; σ_х — среднеквадратическое отклонение; Р(а) — вероятность соответствия нормальному закону (обычно Р принимается равным 0,8; 0,95 или 0,99). Для малого числа наблюдений критические значения могут быть опре­делены следующим образом:

гдеk— толерантный множитель, используемый в математической тео­рии надежности (его значения табулированы для данного Р(а) и числа наблюдений); Хср — среднее значение параметра.

В соответствии с основными положениями биогеохимии и геохи­мической экологии, организмы и биоценозы эволюционно адаптирова­лись к химическим факторам среды. Из этого следует, что существую­щие в настоящее время средние концентрации металлов в Мировом океане оптимальны для его биотического населения, а крайние пределы отражают соответственно критические уровни недостаточного (если элемент необходим для жизнедеятельности) или избыточного (если элемент токсичен) содержания металлов в морской воде. Последний уровень является естественной, эволюционно обусловленной границей зоны максимально допустимого содержания металла для всего населения Мирового океана.

Ориентируясь на вышеизложенное, С.А. Патиным был разработан биогеохимический подход к нормированию ПДК тех химических элементов, которые являются одновременно и естественными микрокомпонентами состава воды и распространенными антропогенными примесями в морских экосистемах. Каждый из таких компонентов среды должен иметь свой биологически допустимый (толерантный) для гидробионтов диапазон концентраций в воде, в пределах которого организмы, их сообщества и популяции располагают возможностями оптимальной реализации своих физиологических, экологических и других функций. Границы диапазонов концентраций каждого элемента устанавливают для океанических и морских условий, так как пределы колебаний и причины изменчивости содержания металлов в пелагиали океана и в морских бассейнах различны. Количественная оценка биогеохимических порогов экологической толерантности (L) проводится по формулам:

где Lв и Lн — верхний и нижний пороги экологической толерантности соответственно; С — средняя концентрация металла в морской воде; Sl — стандартное отклонение совокупности результатов, использованных для оценки С.

В отличие от рыбохозяйственных ПДК, устанавливающихся в основном по токсикологическому признаку вредности на уровне организмов и популяций, биогеохимические ПДК определяются даже не для отдельных видов и популяций, а для всей биоты морей и океанов с точки зрения устойчивости основных структурных и функциональных характеристик биоценозов, то есть на более высоком экосистемном уровне.

Согласно С.А. Патину (1979), токсичной концентрацией считается такая концентрация загрязняющих веществ, при которой относительные (по сравнению с контролем) значения выживаемости, плодовитости, роста и показателей биопродуцирования (включая скорости деления и фотосинтеза одноклеточных водорослей) достоверно снижаются более чем на 50% по сравнению с соответствующими показателями в контрольном экспериментах длительностью не менее 2-4 суток. К пороговым относят концентрации, которые изменяют аналогичные показатели, но в пределах до 50% и, главным образом, в хронических опытах, длительность которых соизмерима с продолжительностью жизненного цикла. В качестве максимально недействующей концентрации принимается такая концентрация токсичного вещества, при которой основные показатели жизнедеятельности гидробионтов в хронических экспериментах отклоняются не более чем на 25% от аналогичных показателей в контрольных опытах.

В общем токсический эффект рассматривается как результат взаимодействия трех основных факторов: организма (или совокупности организмов), концентрации токсичных веществ и времени. При этом изучают зависимость токсического эффекта от концентрации при фиксированном времени и изменение токсического эффекта во времени при определенной концентрации ксенобиотика в водной среде. По полученным результатам, кроме токсичных, пороговых и максимально недействующих (подпороговых) концентрациях, определяют ЛК50 — уровень, вызывающий летальный исход для 50% тест-объектов в острых опытах длительностью от 2 до 96 часов, и ЛК100 — уровень летальных концентраций в острых опытах (табл. 49).

Таблица 49