Экологическая токсикология и биотестирование водных экосистем

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ 
ТОКСИКОЛОГИЯ 
И БИОТЕСТИРОВАНИЕ 
ВОДНЫХ ЭКОСИСТЕМ 

Допущено Учебно-методическим объединением
 по классическому университетскому образованию
в качестве учебного пособия для студентов
высших учебних заведений, обучающихся
 по направлению 06.03.01 «Биология» и смежным направлениям

Москва
ИНФРА-М
2023

С.В. КОТЕЛЕВЦЕВ
Д.Н. МАТОРИН
А.П. САДЧИКОВ

Учебное пособие

УДК 614.7(075.8)
ББК 20.1я73
 
К73

Котелевцев С.В., Маторин Д.Н., Садчиков А.П. 
 Экологическая токсикология и биотестирование водных экосистем : 
учебное пособие / С.В. Котелевцев, Д.Н. Маторин, А.П. Садчиков. — 
Москва : ИНФРА-М, 2023. — 252 с. + Доп. материалы [Электронный 
ресурс]. — (Высшее образование: Бакалавриат). — DOI 10.12737/6560.

ISBN 978-5-16-010160-6 (print)
ISBN 978-5-16-102007-4 (online)

Учебное пособие знакомит студентов вузов с основными направлениями 
экологической токсикологии и методами биотестирования окружающей среды. 
Особое внимание уделено методам биотестирования и биоиндикации, позволяющим определять наличие токсикантов в экосистемах, их перемещение по 
трофическим цепям, влияние на здоровье населения. Приведены основные 
методы нормирования токсикантов в различных экологических системах и экологическое законодательство, устанавливающее нормы выбросов и контроль 
токсикантов в окружающей среде. Содержится информация о методах разработки эколого-рыбохозяйственных нормативов и санитарных норм, а также представления о современных методах реабилитации загрязненных экосистем.
Книга предназначена для экологов, токсикологов, гидробиологов, студентов 
и аспирантов соответствующих специальностей.

К73

ББК 20.1я73

© Котелевцев С.В., Маторин Д.Н.,
 
Садчиков А.П., 2015 
ISBN 978-5-16-010160-6 (print)
ISBN 978-5-16-102007-4 (online) 

Рецензенты:
Ю.Г. Симаков — профессор кафедры биоэкологии и ихтиологии Московской 
государственной технологической академии;
Л.К. Казаков — профессор географического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова

Авторы:
С.В. Котелевцев — профессор, ведущий научный сотрудник кафедры биофизики Биологического факультета Московского государственного университета 
имени М. В. Ломоносова, доктор биологических наук;
Д.Н. Маторин — профессор кафедры биофизики Биологического факультета 
Мос ковского государственного университета имени М.В. Ломоносова, доктор 
биологических наук;
А.П. Садчиков — профессор Международного биотехнологического центра 
Москов ского государственного университета имени М.В. Ломоносова, доктор 
биологических наук

Материалы, отмеченные знаком 
, доступны 
в электронно-библиотечной системе znanium

ВВЕДЕНИЕ

Экологическая токсикология изучает последствия действия антропогенных экологических факторов (химического загрязнения, 
света, электромагнитного и радиационного излучения и пр.) на биологические системы и здоровье населения. Большинство загрязняющих веществ, выбрасываемых в окружающую среду, рано или 
поздно попадает в водные экосистемы. Это связано с поступлением 
сточных вод промышленных и сельскохозяйственных предприятий 
в реки, озера, моря и океаны, со смывами токсикантов с территорий 
городов и полей в результате выпадения дождей и таяния снегов,  
а также с воздушным переносом загрязнителей. В связи с этим биотестирование и биоиндикация водных экосистем — очень важная и 
актуальная задача. Биотестирование и биоиндикация являются одними из основных методов экологической токсикологии. Совместно 
с химико-аналитическими методами они позволяют судить о «здоровье» экосистем, от которого во многом зависит здоровье населения, проживающего на территориях, подвергающихся усиленному 
воздействию антропогенных факторов окружающей среды.
В данном учебном пособии разобраны основные направления 
развития сравнительно молодой науки — экологической токсикологии, сформулированы основные определения, даны представления 
о методах, использующихся для эколого-токсикологического анализа окружающей среды, описаны экологические факторы окружающей среды, определяющие развитие экосистем и влияющие на 
здоровье человека. Особое внимание уделяется загрязнителям окружающей среды, включая стойкие опасные загрязнители (СОЗ), проявляющие аллергический, мутагенный, канцерогенный и тератогенный эффекты. Отдельная часть пособия посвящена методам биотестирования и биоиндикации водных экосистем.
Дисциплина «Экологическая токсикология» входит в блок ОПДФ 
дисциплин. Целью преподавания этой науки является формирование 
у студентов представлений о накоплении различных экотоксикантов 
в экологических системах, о механизмах воздействии токсикантов, 
а также других антропогенных экологических факторов на биологические системы (от клетки и ее компонентов до организма и популяции).
Содержание учебного пособия нацелено на выполнение основных требований государственного образовательного стандарта по 
специальности 013100 (020801.65) «Экология». 
Изучение экологической токсикологии и основных методов биотестирования не только расширяет представление студентов об экологии, но и дает возможность узнать и в дальнейшем использовать 

методы эколого-токсикологического анализа окружающей среды, 
применять эти методы для охраны природы и здоровья человека. 
В 1992 г. в Бразилии под эгидой ООН прошла Конференция по 
окружающей среде и развитию (United Nations Conference on Environment and development (UNCED)), известная под названием «Саммит 
Земли». На конференции были приняты основные соглашения: Повестка дня для ХХI века (теперь говорят «дорожная карта»): Декларация Рио-де-Жанейро; Конвенция о биоразнообразии; Заявление 
о принципах лесного хозяйства; Рамочная конвенция об изменении 
климата. Позднее (в 2001 г.) была принята Стокгольмская Конвенция 
о стойких органических загрязнителях (СОЗ), действующая под эгидой UNCED. Конвенция направлена на запрет производства, торговли и хранения СОЗ.
 К настоящему времени Конвенцию СОЗ ратифицировало более 
170 стран, включая Россию.
Все эти международные усилия направлены на защиту окружающей среды. В настоящее время уже очевидно, что без решения 
проблем охраны окружающей среды, без постоянного контроля экологической безопасности невозможно дальнейшее развитие цивилизации. Видимо, даже изменение климата, наблюдаемое в последнее время, связано с антропогенными факторами, влияющими на 
экосистемы. Но несмотря на все усилия, предпринимаемые международным сообществом, правительствами различных стран и общественными организациями, ситуация продолжает ухудшаться.  
В окружающую среду все в больших количествах продолжают поступать вновь синтезированные особо опасные загрязнители. Увеличивается воздействие на окружающую среду загрязнителей, радиации, 
электромагнитных излучений, шумов и пр. Появляются новые опасности, связанные с развитием генной инженерии и нанотехнологий.
Ухудшение состояния окружающей среды в последние столетия 
определялось прежде всего развитием промышленности, сельского 
хозяйства, а также военной деятельностью человечества, которая в 
настоящее время, к сожалению, усиливается.
Технический прогресс требует интенсификации добычи полезных 
ископаемых (а теперь и сланцевого газа и нефти), создания и широкого применения новых, не существовавших ранее химических соединений и материалов. Создаются ранее не существовавшие в природе живые организмы (генномодифицированные вирусы, бактерии, 
растения и животные). Развитие электронных коммуникаций: использование мобильных телефонов, резкая интенсификация теле- и 
радиовещания модифицируют электромагнитный фон окружающей 
среды. Все это не только нарушает экосистемы, но и изменят нас 
самих, функции наших тканей и органов и даже наше сознание.

В начале ХIХ в. философы с оптимизмом смотрели на развитие 
цивилизации. В частности, оптимизм В.И. Вернадского опирался на 
представление о том, что «наука — природное явление», и как один 
из способов приспособления человечества оно не может «не сработать». Тейяр де Шарден полагал, что переход в «сверхжизнь» неизбежен. На Земле она утвердится помимо воли людей, несмотря ни на 
что, ибо такова поступь мировой эволюции. 
В.И. Вернадский был гораздо более осторожным в своих высказываниях. Но и он к концу своей жизни считал, что мы незаметно и 
неотвратимо приближаемся к эпохе ноосферы, поэтому говорил: 
«Входим в ноосферу». Однако в 1994 г. академик Н.Н. Моисеев писал: «Я расхожусь со знаменитыми авторами и не могу разделить их 
уверенности в будущем. Более точно: я полагаю, что выполнение 
условий коэволюции действительно необходимо для обеспечения 
нашего будущего, ибо человек может существовать только в биосфере, параметры которой удовлетворяют очень жестким условиям. Если 
человечество не вступит в эпоху ноосферы, то его ожидает деградация и постепенное исчезновение с лика Земли». И далее: «Человечеству уже в зримом будущем предстоит преодолеть чрезвычайной 
остроты глобальный экологический кризис. И переход в эпоху ноосферы не будет плавным и безболезненным «слиянием рас, Природы и Бога», как думал Тейяр де Шарден, а станет, скорее всего, бифуркацией с непредсказуемым исходом. В самом деле, такой переход 
будет означать кардинальную перестройку не только самой общественной структуры человечества, но и всего характера его эволюции. 
Нас ожидает не просто создание и использование новых технологий. 
И даже не создание новой экологической ниши. Человечеству предстоит научиться согласовывать свои потребности с убывающими 
возможностями планеты. Людям придется подчинить свою жизнь 
новым и очень жестким ограничениям. По существу, создать новую 
нравственность и следовать ей в своей повседневной жизни (Моисеев, 1994).
Аварии на атомных электростанциях и производствах, связанных 
с получением радиоактивных веществ, испытания ядерного оружия 
приводят к увеличению в окружающей среде радионуклидов. Изменения радиационного фона индуцируют мутагенез, свободнорадикальное окисление биологических молекул, а следовательно, является причиной модификации экосистем. 
Все эти антропогенные факторы представляют опасность не только для окружающей среды, но и непосредственно для здоровья человека, в этой среде обитающего. В районах, подвергающихся действию неблагоприятных антропогенных факторов окружающей среды, наблюдаются повышенная смертность населения, снижение 

рождаемости, возрастает частота возникновения различных заболеваний.
Нередко неблагоприятные факторы действуют совместно. Физические факторы усиливают токсическое действие химических загрязнителей, и наоборот, присутствие загрязнителя приводит к усилению 
действия на организм ионизирующей радиации, электромагнитных 
волн, шума и пр. 
В современном мире практически невозможно найти экосистем, 
в которых бы отсутствовали загрязнители, в том числе и наиболее 
опасные. Сегодня никому не удивительно наличие пестицидов в жировых тканях китов или полихлорированных бифенилов в молоке 
женщин, проживающих на островах Тихого океана, в тех местах, где 
эти химические вещества никогда не использовались. 
Эти проблемы привели к развитию экологической токсикологии. 
Именно экологическая токсикология должна охранять наше здоровье от воздействия неблагоприятных факторов окружающей среды, изучать химическое воздействие на экосистемы, предупреждать 
об опасности, связанной с этим воздействием, и искать пути обеспечения экологической безопасности. Таким образом, экологическая 
токсикология —одна из наук, которая должна обеспечить устойчивое 
развитие человечества.
Практически во всех университетах развитых стран есть лаборатории, кафедры и даже факультеты экологической токсикологии. 
В нашей стране утверждено несколько учебных программ для этой 
дисциплины, которые входят в образовательный стандарт 013100 
(020801.65) «Экология».
Авторы данного учебного пособия принимали участие в экспедиционных работах в различных регионах России. Эколого-токсикологические исследования проводились на Черном, Каспийском и 
Баренцевом морях, на Байкале и в Алтайском крае, на Можайском 
и Чернобыльском водохранилищах, на Москве-реке, а также в США, 
Норвегии, Финляндии, на Кубе, во Вьетнаме.
Эти работы помогли нам разработать концепцию применения 
основных законов экологической токсикологии к решению вопросов 
экологической безопасности и проблем охраны окружающей среды 
с использованием как классических, так и новых методов молекулярной биологии и биотехнологии.
В учебном пособии в качестве примеров по возможности использованы собственные экспериментальные данные, материалы курсов 
лекций, которые в разные годы читались на биологическом факультете Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова, экологическом факультете Российского университета 
дружбы народов и экологическом факультете Международного независимого эколого-политологического университета.

Целью учебного пособия является ознакомление студентов с 
основными направлениями экологической токсикологии и современными и классическими методами эколого-токсикологического 
анализа, биотестирования и биоиндикации окружающей среды. Кроме того, авторы постарались разъяснить основные понятия биотестирования и биоиндикации, описать подходы к решению проблем 
реабилитации окружающей среды с помощью современных методов 
биотехнологии и молекулярной биологии.
Надеемся, что учебное пособие поможет студентам овладеть 
методологией экологической токсикологии, сформировать современные представления о научно-обоснованных подходах к оценке 
воздействия токсикантов и других антропогенных факторов на 
биологические системы, вооружиться основными методами биотестирования и биоиндикации. 
Учебное пособие содержит информацию о методах разработки 
эколого-рыбохозяйственных нормативов (ПДК и ОБУВ) и санитарных норм (СанПиН), а также представлений о современных методах 
эколого-токсикологического анализа окружающей среды и методах 
реабилитации загрязненных экосистем. 
В учебном пособии описаны методы нормирования токсикантов 
в различных экологических системах, даны представления о экологическом законодательстве, определяющем нормы выбросов и порядок контроля экотоксикантов в окружающей среде.
Книга рассчитана на студентов старших курсов, а также специалистов, имеющих базовые знания в области физики, химии, биологии, биохимии и экологии. 
Учебное пособие «Экологическая токсикология и биотестирование водных экосистем» поможет:
 
• изучению источников появления потенциально токсичных веществ в окружающей среде; 
 
• изучению путей и механизмов поступления токсичных веществ 
в организмы, накопления токсикантов по пищевым цепям;
 
• усвоению понятий «ксенобиотики», «дозы»; «действующие концентрации»; «время действия»; «токсический эффект», «предельно допустимой концентрации», «LD50»; 
 
• усвоению основных групп загрязнителей, путей их миграции, 
детоксикации, метаболической активации и накопления в тканях, организмах и экосистемах;
 
• созданию представлений об основных механизмах воздействия 
факторов среды на биологические системы (включая клеточные 
структуры, генетический аппарат, клетки, ткани, организмы, 
популяции), о путях адаптации к антропогенным факторам 
окружающей среды;

 
• понять особенности влияния загрязнений различной природы 
на отдельные организмы и биоценозы, на организм человека;
 
• сформировать представления об основных механизмах фотосинтеза и их модификации под воздействием токсикантов
Предшествующими курсами, на которых непосредственно базируется дисциплина «Экологическая токсикология и биотестирование 
водных экосистем», являются основы общей экологии, учения о биосфере, биологии, биохимии, а также химии и физике. 
В процессе изучения дисциплины у студента должны сформироваться следующие профессиональные компетенции, в том числе общепрофессиональные:
 
• способность использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применять 
методы теоретического и экспериментального исследования;
 
• способность планировать и проводить эколого-токсикологические исследования водных экосистем описанными в учебном 
пособии методами;
а также компетенции в области производственно-технологической деятельности:
 
• готовность участвовать в проведении мониторинга водных экосистем с использованием методов биотестирования.
Изучение дисциплины призвано способствовать развитию общекультурных компетенций в области экологии и охраны окружающей 
среды, предусмотренных Федеральным государственным стандартом 
высшего профессионального образования по специальности 013100 
(020801.65) «Экология». 
 

Глава 1. 
ЭКОЛОГИЯ И ЭКОТОКСИКОЛОГИЯ

1.1. 
МЕСТО ЭКОТОКСИКОЛОГИИ В СИСТЕМЕ НауК  
Об ОхраНЕ ОКружающЕй СрЕДы

В настоящее время молекулярная биология, биотехнология и экология являются наиболее бурно развивающимися разделами биологической науки. Они дополняют друг друга и опираются на современные достижения математики, физики и химии. Экологическая 
токсикология (или экотоксикология), определение которой как отдельной науки будет дано ниже, рассматривается в учебных программах как один из разделов экологии, однако она тесно связана с химией, токсикологией и медициной. 
По мнению профессора В.Д. Федорова, основной принцип выделения фундаментальных подразделений в биологии базируется на 
концепции уровней организации, которая позволяет выделить биологический спектр уровней — ген, органелла, клетка, ткань, орган, 
организм, популяция, сообщество (Федоров и др., 1980). Подразумевается, что на всех этих уровнях происходит взаимодействие биологической материи с окружающей средой — обмен веществом и 
энергией. Таким образом, формируются соответствующие системы — молекулярные, генетические, субклеточные, клеточные и пр. 
Экологию относят к подразделению биологии, которое исследует 
фундаментальные свойства жизни надорганизменного уровня организации. Как писал В.Д. Федоров: «Экология изучает совокупность 
живых организмов, взаимодействующих друг с другом и образующих 
с окружающей средой обитания некое единство (т.е. систему), в пределах которого осуществляется процесс трансформации энергии и 
органического вещества». Элементарной единицей экологии принято считать особь популяции. Совокупность особей популяции образует низшую, или элементарную, подсистему в пределах экологиче
ской системы (см.  
 Рисунки (рис. 1.1 «Пищевая пирамида)).
Экологическая токсикология (как раздел экологии) изучает действие 
загрязнителей и других антропогенных факторов на живые объекты: 
особь, популяцию, экосистему. Однако токсикант, как и ряд других 
антропогенных факторов, действует на молекулярном уровне. Поэтому механизмы действия различных факторов нельзя изучать, не 
прибегая к исследованию их действия на молекулярном, генетическом и клеточном уровнях. Конечным звеном действия всех этих 
факторов являются особь и популяция. Исходя из сказанного, задачей экотоксикологии являются определение действия антропогенных 

экологических факторов на особь и популяцию, прогноз этого действия 
и разработка системы мер, позволяющих минимизировать это действие или полностью его избежать. 
Эколог прежде всего обращает внимание на изучение связей, изменение их интенсивности во времени, т.е. на функционирование 
экосистемы и ее элементов как единого целого. Георг Кларк считал 
экологию «физиологией экологического комплекса в том смысле, 
что она имеет дело с функциональными аспектами взаимодействий, 
изменений и регулирования членов сообщества и их условий обитания». Этим подчеркивается, что экология интересуется общими 
физиологическими процессами, протекающими в экосистемах (например, дыханием, обменом энергией) на различных уровнях от 
бактерий до млекопитающих. Экологическую же токсикологию интересует, как на эти процессы действуют присутствующие в окружающей среде загрязнители, различные экотоксиканты. При этом 
предполагается, что их действие также исследуется на всех уровнях 
от вирусов, бактерий, одноклеточных водорослей до высших растений, животных и человека. Механизм действия токсиканта изучается на молекулярном, генетическом и клеточном уровнях с использованием методов молекулярной биологии, биохимии и генетики. Для 
реабилитации экосистем, удаления из окружающей среды загрязнителей, как правило, наиболее эффективными являются методы биотехнологии. 
Однако без химико-аналитических методов нельзя определить 
присутствие и содержание загрязнителей в окружающей среде. Только с помощью химических методов можно установить источник поступления токсиканта в окружающую среду, его концентрацию в 
различных компонентах экосистемы и пр. Химико-аналитические 
методы являются основой эколого-токсикологического анализа и 
контроля окружающей среды. Штрафные санкции, экономически 
обоснованные решения по рациональному природопользованию 
должны опираться на точный химико-аналитический контроль загрязнителей в окружающей среде.
Таким образом, современная экологическая токсикология является комплексной научной дисциплиной, развивающейся на стыке 
биологии, химии и медицины.
Краткое определение экотоксикологии как самостоятельной науки может быть следующим, хотя не исключаются и другие трактовки: экологическая токсикология — это наука, которая изучает действие веществ на живые объекты, популяции, экосистемы, научно 
обосновывает допустимые нормы содержания веществ в окружающей 
среде, занимается профилактикой и предупреждением опасного воздействия веществ на живые организмы, экосистемы и человека, разраба