Проблемы нормативного обеспечения аквамониторинга

Контроль качества водной среды является одним из ключевых в комплексе экологического контроля. В России загрязнено до 75% поверхностных и 30% подземных вод [1]. В настоящее время состояние нормативно-методических материалов по охране природных вод не соответствует требованиям практики, не имеет удовлетворительного научного обоснования. Не разработана методология оценки экологического состояния водных экосистем, нормативов, определяющих фоновое состояние, нормативов, определяющих предельно допустимое воздействие на водные экосистемы с учетом функционального значения территории. Не координированы нормативы различных органов (Минздрав, Госкомэкология, Госстандарт, Госкомэкология и др). Отсутствует регламентация иерархии приоритетных показателей качества воды, принятая в разных странах и необходимая в связи с ростом числа таких показателей, уже превышающего тысячу наименований.

Актуальность проблемы нормативов качества природных вод и состояния водных экосистем очевидна. Так, например, в "Концепции экологического нормирования в РФ", проект которой в третьей редакции рассмотрен в ВНИИ природы ГОСКОМЭКОЛОГИИ в 1999 г., среди четырех основных задач называется и "Разработка методологии оценки состояния экосистем", причем подчеркивается, что основной критерий такой оценки - ПДК является лишь отдаленным прообразом действительно экологических нормативов. Проблеме аквамониторинга и управления качеством вод речного бассейна посвящена докторская диссертация А.А.Цхай [2]. Различные аспекты аквамониторинга и его нормативного обеспечения рассматриваются в ряде наших работ [3,4,5,6,7,8]. В 1997 г. Правительством Российской Федерации утверждено "Положение о введении государственного мониторинга водных объектов" (N 307, 14.03.1997).

В настоящее время используются три основных подхода к оценке состояния водных экосистем - биоиндикация, биотестирование и гидрохимическая оценка, основанная на сопоставлении концентраций вредных веществ с величинами ПДК (предельно допустимых концентраций) или ОДУ (ориентировочно допустимых уровней), утвержденных соответствующими ведомствами. Наиболее распространена оценка с использованием ПДК. Она лежит в основе определения областей чрезвычайной экологической ситуации, экологического бедствия, служит для характеристики степени загрязненности водных объектов, в частности в "Государственных докладах о состоянии окружающей природной среды Российской Федерации", является основанием для решений о допустимости использования вод для различных целей. Ввод предприятий, новых цехов, технологий в эксплуатацию возможен только при наличии ПДК всех используемых и получающихся в процессе производства веществ. Санитарные правила и нормы, основанные на ПДК, обязательны для соблюдения должностными лицами и гражданами, и за их нарушение виновные лица несут уголовную и административную ответственность [9].

Закономерно встает вопрос об обоснованности значений ПДК и практике их использования. Прежде всего, следует отметить тенденцию к росту числа нормируемых показателей. Так для воды рыбохозяйственных водоемов это число от 68 в 1975 г. выросло до 952 в 1988г. и 1250 в 1996 г. [10,11,12], а для вод водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования от 420 в 1975 г. до 1345 в 1988 г. [13,9]. Реально как правило определяется во много раз меньшее число компонентов. В обязательном перечне показателей, которые необходимо определять для оценки качества вод централизованных систем питьевого водоснабжения [14] указывается на 7 обобщенных показателей, 22 неорганических и 3 органических компонента (всего 32 показателя). Вместе с тем в том же руководстве содержится около 700 гигиенических нормативов. Практически редко когда определяют при рядовых обследованияз более одного - двух десятков показателей. К тому же для большинства контаминантов отсутствуют доступные для рядовых лабораторий методики определения. Таким образом вода, удовлетворяющая требованиям по минимальному числу показателей загрязнения и признанная пригодной для водопользования [15], может быть неудовлетворительной по другим, не определенным в процессе аналитического контроля контаминантам.

Иные принципы положены в основу отбора показателей качества воды в других странах. Так, например, в США приоритетный федеральный перечень контаминантов насчитывает всего 10 показателей, но к нему добавляются региональные, локальные и отраслевые нормативы, типизированные по характерным источникам загрязнения. Большую помощь в оценке качества воды могут оказать различные методы биотестирования, характеризующие интегральную токсичность.Ряд из этих методов позволяет использоватьобъективные приборные методы регистрации.

Перспективным является поиск суммарных показателей токсичности, интегрирующих вредность отдельных компонентов, в частности такими показателями возможно могут быть свободные радикалы.

Характерной является также тенденция ужесточения требований к качеству воды. Так, например, ПДК ионов меди понизилось в 10 раз с 1975 г., нитритов - в 30 раз (разница между первым и вторым уровнем чистоты [16]). По ряду компонентов такая тенденция не оправдана. Сопоставление с фоновыми и кларковыми концентрациями значений ПДК показывает, что к высокоопасным веществам неоправданно отнесен кремний, содержание которого в пресных водах часто выше 10 мг/л (четвертый по величине элемент растворенного речного стока, превышающий такие элементы как натрий, магний, калий и хлор-ионы). Значения ПДК бора, марганца, железа также одного порядка или превышают фоновые [17]. Завышенные требования к предельным концентрациям ряда элементов ведут к неоправданным добавочным расходам на водоочистку, исключают из водопользования без оснований некоторые объекты.

Практически не отражены в нормативах качества воды требования, касающиеся минимально необходимых концентраций биологически активных элементов (исключение - фторидные ионы). Известно, что определенные концентрации иода и даже таких токсичных элементов как селен и кадмий необходимы для нормальной жизнедеятельности организмов.

Сопоставление принятых в России значений ПДК с аналогичными нормативами других стран показывает, что по многим компонентам первые значительно выше: по цианидам в 2 - 10 , сульфат-иону в 1,2 - 2,5 , фосфатам в 3,5 - 30, бензолу в 50, ДДТ в 100, стронцию в 7000 раз [18, 19, 20]. Расхождения в значениях на порядки дает весомые основания сомневаться в достоверности методик, применяемых для определения значений ПДК.

Явно недостоверны значения ПДК, на порядки отличающиеся для одного и того же элемента при отсутствии прочных комплексов и металлоорганических соединений. Так, например, рыбохозяйственные ПДК [11] на Fe²⁺ составляет 0,005 мг/л, а для FeSO₄, диссоциирующее на ионы Fe²⁺ и SO₄^2-, - 0,1 мг/л. Аналогично ПДК Li⁺ - 0,0007 мг/л, а LiCl - 0,17 мг/л, CN^- 0,05 мг/л, а цианорганических соединений, гидролизующихся в воде, - 1,0 мг/л.

Большие сомнения вызывает отнесение различных вредных веществ к определенным классам опасности. Диапазон ПДК для веществ, попадающих в I класс чрезвычайно опасных достигает трех порядков (от линдана - 0,004 до бенз(а)пирена - 5*10^-6 мг/л). К II классу высокоопасных отнесены такие широко распространенные в чистых природных водах компоненты, как ионы натрия (ПДК - 200 мг/л( !), силикатные ионы (30 мг/л), фторидные ионы (0,7 - 1,5 мг/л). К опасным (III класс) отнесены железо (совершенно необходимое для нормальной жизнедеятельности), нитраты, медь. А в IV класс умеренно опасных попадают такие яды, как карбофос (ПДК 0,05 мг/л), тиофос (0,003), фенол (0,001), сероуглерод, керосин, аценол 0,00003 мг/л). Поразительно, что текущий контроль за веществами III -IV классов разрешено проводить по органолептическим показателям, т.е. сугубо субъективными методами.

Диапазон соотношений рыбохозяйственных и санитарно-токсикологических ПДК превышает 4 порядка - от 50 для бензола до 0,001 для меди. Не исключено, что это связяно с несопоставимостью методик определения ПДК разных ведомств.

Применение аддитивной формулы, рекомендуемой для оценки пригодности воды, по которой приведенные по ПДК значения концентраций в сумме не должны превышать единицы, почему-то ограничено веществами только I и II классов опасности, нормируемыми по санитарно-токсикологическому признаку вредности. Эта формула не учитывает возможный синергизм воздействия, что наглядно проявляется при сопоставлении ПДК ртути, олова и свинца с ПДК их металлоорганических соединений. Реально могут проявляться процессы сенсибилизации, при которых малые примеси увеличивают токсичность, и маскировки, при которых токсичные компоненты связываются в прочные комплексы и при той же валовой концентрации оказываются менее токсичными. Так, например, ртуть может маскироваться иодидными ионами, образующими с ней исключительно прочный комплекс [21].

При использовании ПДК как правило не учитывается воздействие различных факторов. Известно, что повышение температуры повышает токсичность. Вместе с тем при низких температурах, льдообразовании резко уменьшается скорость разложения органических веществ, например, нефти, и при прочих равных условиях ее концентрации, даже не превышающие ПДК, становятся опасными. Свет с одной стороны разрушает многие вещества, с другой - под воздействием света даже из нетоксичных веществ могут образовываться фототоксиканты, свободные радикалы.

Перечисленные проблемы, связанные с использованием ПДК, естественно приводят к правомерному вопросу о достоверности обоснования этих величин, корректности методик их получения. Анализ методологии обоснования ПДК выходит за рамки данной работы. Тем не менее некоторые из публикаций [22,23,24], посвященных научным основам обоснования гигиенических нормативов химических веществ в воде, позволяют сформулировать ряд вопросов по предложенным методам:

1. Определение ПДК и других показателей, необходимых для обоснования ПДК (средняя смертельная доза, среднее время гибели животных, максимальная недействующая концентрация и др.) часто проводится по веществам - аналогам, для которых ПДК установлен ранее. Как известно, аналогии в химических и особенно биохимических свойствах - понятия весьма относительные, справедливые в одних аспектах и совершенно не адекватные в других.
2. Многие пороговые концентрации устанавливаются органолептически экспертами, что неизбежно вносит элементы субъективизма.
3. Экспериментальное установление стабильности веществ, необходимое для определения ПДК, проводится под воздействием озона, ультрафиолетового облучения, свободного хлора, при кипячении, т.е. при условиях, отсутствующих в природной обстановке.
4. Токсикологические исследования проводятся на мышах, кроликах, крысах, морских свинках, иногда при дозах, "ураганных" для организма (до 700 г в пересчете на человека), а затем экстраполируются до ПДК.
5. В подострых экспериментах на одном организме испытывается последовательно несколько доз, не учитывая накопления воздействия и эффекта привыкания.
6. Осуществление перехода от среднесмертельной дозы к ПДК производится через коэффициент, выбирающийся достаточно произвольно.

Таким образом очевидно, что достоверность значений ПДК вызывает серьезные сомнения.

Критически следует оценить и рекомендации по периодичности производственного контроля за качеством воды [14]. Для количества обслуживаемого населения до 10 тыс. человек достаточно 2 проб в месяц, а от 50 до 100 тыс. необходимо уже 100 проб в месяц. Если же воспользоваться приведенной в табл. 8 формулой (число проб для количества обслуживаемого населения больше 100 тыс. человек составляет 100 + 1 проба на каждые 5 тыс. человек свыше 100 тыс. населения) то, например, для Москвы следует проводить опробование каждые 20 минут. Вместе с тем совершенно недостаточно в условиях интенсивного техногенеза проводит анализ химического состава неорганических и органических контаминантов в поверхностных водах один раз в сезон, а в подземных - раз в год, как это указано в той же работе.

На рубеже смены столетий полезно выделить ряд новых перспективных направлений, имеющих непосредственное отношение к проблеме ПДК, но требующих серьезных научных проработок:

1. Л.С.Эрнстовой в большой серии публикаций, в том числе докторской диссертации [25], на основании экспериментальных исследований и анализа эколого-токсикологических ситуаций на многих крупных реках и озерах была доказана исключительная роль свободных радикалов : синглетного кислорода, гидроксильного, супероксидного и перекисных радикалов в экологической обстановке. Несмотря на ничтожные концентрации ( 10^-8 - 10^-18 м) благодаря чрезвычайно высокой реакционной способности они с одной стороны вносят ведущий вклад в самоочищающую способность водоемов, с другой - оказывают токсичное действие на субклеточном и клеточном уровне. При экологическом мониторинге в процессе подготовки пробы они теряются, и проба, "чистая" по ПДК, может быть токсичной из-за наличия свободных радикалов.
2. Величины ПДК, характеризуя токсичность компонентов, совершенно не учитывают их каталитическую активность при процессах трансформации, самоочищения. Так, например, ПДК меди в три раза больше ПДК железа, а каталитическая активность меди в 2000 раз превышает каталитическую активность железа. Медь подавляет скорость процессов с участием серы, а сера в свою очередь влияет на каталитическую активность марганца. Эта сложная система взаимодействий совершенно не учитывается при обосновании и использовании ПДК.
3. Радикально новый подход к познанию механизма процессов в водных растворах связан с открытием информационно-фазового состояния воды [26,27]. С.В.Зениным обнаружено и доказано современными физико-химическими средствами наличие стабильных ассоциатов, состоящих из 912 простейших молекул воды и оказавшихся неразрушаемыми структурными элементами строгой геометрической формы в виде шестигранников с гранями ромба с углом 60⁰. Эти ячейки - клатраты размером до 0,5 - 1 микронов можно непосредственно наблюдать в контрастно-фазовый микроскоп. Переход из одного структурного состояния в другое происходит скачком. как и при любых фазовых переходах. При этом образуется вода с качественно иными свойствами.
    
   Структурированное состояние воды оказалось чувствительным датчиком различных полей. Механизм молекулярной и полевой информационной ретрансляции клатратами воды объясняет целый ряд парадоксальных эффектов, обнаруженных ранее, и имеющих непосредственное отношение к санитарно-токсикологическим свойствам водных растворов.
4. И.М.Дмитриевским было показано, что обобщенная зависимость отклика биологической системы разного уровня организации от интенсивности физического (или химического) стимула, установленная Л.Д.Кисловским, может служить хорошим критерием разделения областей сильных (энергетических) от слабых (информационных) взаимодействий [28,29]. Указанная зависимость лежит в основе токсикологических экспериментов, проводящихся для обоснования ПДК, но при этом для определения средней смертельной дозы используется основной "энергетический" максимум. Установлено, что "информационный" максимум, реализующийся в области на четыре порядка более слабых воздействий, характеризует отклик биологического объекта, сопоставимый с аналогичным при "энергетическом" воздействии, а иногда и более выраженный. Другими словами концентрации, на несколько порядков более низкие, чем ПДК, могут эффективно воздействовать на организмы.
5. В конце 70-х годов Г.Н.Шангин-Березовским и др. был обнаружен феномен положительного влияния на рост и развитие ряда видов животных и растений так называемых "мнимых" растворов биологически активных соединений (БАС), аналогичный действию микродоз этих соединений [30,31]. "Мнимые" концентрации соответствуют разведениям "за число Авогадро", при которых вероятность нахождения даже единичных молекул растворенного вещества в растворе становится меньше единицы. После большой серии публикаций Г.Н.Березовского с сотрудниками открытие было подтверждено и за рубежом [32]. Обнаружен эффект "резонансных" значений разведения, при которых эффект воздействия резко возрастает. Вероятно механизм "памяти" воды, сохраняющей информацию о растворенных в ней веществах и иных воздействиях можно объяснить теорией молекулярной и полевой ретрансляции С.В.Зенина [27]. Очевидно, что это явление не может не иметь значения для оценки качества воды.

Можно сформулировать следующие основные задачи методологических исследований в области нормативов качества воды:

1. Унификация терминологии. Сокращение типов показателей, приведение их в соответствие с международными. Метрологическое обеспечение показателей. Единый подход к нормативам на стабильные и радиоактивные компоненты, к нормативам в различных средах.
2. Анализ имеющихся материалов по разделению веществ на классы опасности на основе первичных данных медико-санитарных исследований и сопоставления их с данными медицинской географии по фоновым содержаниям в природных средах.
3. Введение в практику расчетных методов нахождения реальных форм миграции элементов в природных водах на основе термодинамических расчетов с использованием программ расчетов на ЭВМ.
4. Корректировка перечня норм ПДК на основе химических сведений о свойствах соединений в водных растворах и сопоставления значений ПДК с фоновыми концентрациями для отдельных районов.
5. Анализ и сопоставление опубликованных методов комплексной оценки загрязнения и рекомендация оптимального метода для использования службами водонадзора.
6. Санитарно-токсикологическое исследование различных миграционных форм отдельных элементов.
7. Более полная дифференциация ПДК по объектам воздействия (население, домашние животные, изтиофауна, насекомые, отдельные сельскохозяйственные культуры и другие растения), по времени воздействия.
8. Изучение синергизма действия различных контаминантов.
9. Анализ эффективности рекомендуемых методов анализа воды для определения компонентов различной степени закомплексованности.
10. Сопоставление результатов биотестирования и химических оценок качества воды в целях сокращения комплекса аналитических работ.
11. Проведение независимой экспертизы методического обоснования гигиенических и других нормативов качества природных вод.