Морская экотоксикология

 
 
 
 
М. М. Донец, В. Ю. Цыганков 
 
 
 
 
 
 
МОРСКАЯ ЭКОТОКСИКОЛОГИЯ 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 

УДК 574.47 
ББК 28.082 
Д67 
 
 
 
Рецензенты: 
 
канд. техн. наук, декан факультета агропищевых биотехнологий и пищевой инженерии  
Передовой инженерной школы «Институт биотехнологий, биоинженерии и пищевых  
систем» Дальневосточного федерального университета Лях Владимир Алексеевич; 
 
д-р биол. наук, профессор кафедры мировой экономики и управления внешнеэкономической 
деятельностью Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова  
Сенотрусова Светлана Валентиновна 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Донец, М. М. 
Д67  
Морская экотоксикология : учебное пособие / М. М. Донец, В. Ю. Цыганков. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. - 128 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1927-7 
 
Дано описание основных типов загрязнения морской среды в современных условиях. Подробно изложены методы работы с морскими организмами при проведении 
оценки качества морской среды и токсичности загрязняющих веществ. 
Для студентов, а также исследователей в области гидробиологии. 
 
УДК 574.47 
ББК 28.082 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1927-7 
© Донец М. М., Цыганков В. Ю., 2024 
 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 

Оглавление 
 
ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................. 5 
1. Основные понятия экотоксикологии 
..................................................................... 8 
2. Общая характеристика загрязнения морей 
......................................................... 19 
2.1. Нефтяное загрязнение 
........................................................................................ 22 
2.2. Тяжелые металлы и металлоиды ...................................................................... 28 
2.3. Радиоактивные элементы .................................................................................. 32 
2.4. Стойкие органические загрязняющие вещества (СОЗ) 
.................................. 42 
2.5. Синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ) .......................... 54 
2.6. Фенолы ................................................................................................................ 58 
2.7. Биологическое загрязнение ............................................................................... 60 
2.7.1. Микробное загрязнение .................................................................................. 60 
2.7.2. Интродукция чужеродных видов 
................................................................... 62 
2.7.3. «Цветение» вредоносных микроводорослей 
................................................ 64 
2.8. Влияние изменения климата на поведение загрязняющих веществ 
в морской среде ......................................................................................................... 68 
3. Использование морских организмов в экотоксикологических 
исследованиях. Биотестирование ............................................................................ 71 
3.1. Область применения биотестирования ............................................................ 72 
3.2. Отбор, хранение, подготовка проб, приготовление растворов веществ, 
разбавлений проб воды, водных вытяжек из донных отложений 
и буровых растворов ................................................................................................ 73 
4. Общая характеристика тест-объектов 
................................................................. 75 
4.1. Морские ежи ....................................................................................................... 75 
4.1.1. Характеристика тест-объектов 
....................................................................... 76 
4.1.2. Методы работы с морскими ежами ............................................................... 78 
4.1.3. Определение токсичности загрязняющих веществ в модельных 
экспериментах 
............................................................................................................ 79 
4.1.3.1. Приготовление растворов токсикантов. Соли тяжелых металлов 
.......... 79 
4.1.3.2. Приготовление растворов токсикантов. Нефтепродукты ........................ 80 
4.1.4. Искусственное осеменение ............................................................................ 80 
4.1.5. Основные виды биотестов с гаметами, эмбрионами и личинками 
морских ежей ............................................................................................................. 80 
4.1.6. ОСС-тест .......................................................................................................... 81 
4.1.7. Использование эмбриотеста для оценки качества природных вод 
............ 84 
4.1.8. Действие токсичных веществ на раннее развитие морских ежей 
.............. 84 
4.1.9. Критические стадии развития ........................................................................ 85 
4.1.10. Основные аномалии развития и их причины ............................................. 85 
4.2. Мизиды ................................................................................................................ 86 
4.2.1. Характеристика тест-объекта 
......................................................................... 86 
4.2.2. Условия лабораторного содержания ............................................................. 87 
4.2.3. Проведение исследований 
.............................................................................. 87 
4.2.4. Учет и анализ результатов 
.............................................................................. 88 
4.3. Предличинки и личинки морских рыб 
............................................................. 88 
3 

4.3.1. Биотестирование на примере дальневосточных видов рыб ....................... 89 
4.3.2. Условия лабораторного содержания и проведение исследований 
на предличинках дальневосточных видов рыб ...................................................... 90 
4.4. Молодь и взрослые рыбы .................................................................................. 91 
4.4.1. Условия лабораторного содержания рыб ..................................................... 91 
4.4.2. Проведение исследований 
.............................................................................. 92 
4.4.3. Учет и анализ результатов 
.............................................................................. 93 
4.5. Бентосные организмы. Мидии .......................................................................... 95 
4.5.1. Условия лабораторного содержания ............................................................. 96 
4.5.2. Отбор мидий для опыта .................................................................................. 96 
4.5.3. Проведение исследований 
.............................................................................. 97 
4.5.4. Учет и анализ результатов 
.............................................................................. 97 
4.6. Водоросли ........................................................................................................... 98 
4.6.1. Одноклеточные водоросли ............................................................................. 98 
4.6.1.1. Характеристика тест-объектов 
.................................................................... 98 
4.6.1.2. Условия лабораторного содержания одноклеточных водорослей 
.......... 99 
4.6.1.3. Проведение исследований 
......................................................................... 100 
4.6.1.4. Учет и анализ результатов 
......................................................................... 101 
4.6.2. Макроводоросли и морские травы .............................................................. 101 
4.6.2.1. Характеристика тест-объектов 
.................................................................. 102 
4.6.2.2. Проведение исследований и анализ результатов 
.................................... 102 
5. Математическая обработка результатов биотестирования и оценка 
токсичности веществ. Пробит-анализ ................................................................... 104 
6. Установление класса опасности загрязняющего вещества 
для гидробионтов .................................................................................................... 108 
7. Методические указания по определению биохимического потребления 
кислорода при санитарной оценке воды рыбохозяйственных водоемов .......... 111 
8. Контрольные вопросы для самостоятельной оценки качества освоения 
дисциплины 
.............................................................................................................. 118 
Библиографический список 
.................................................................................... 121 
 
 
 
4 

ВВЕДЕНИЕ 
 
По мере развития цивилизации влияние человека на природу постоянно усиливается. Преследуя цель создать для своего существования более благоприятные условия жизни, человечество сознательно и целенаправленно изменяет 
среду своего обитания. Возрастающие потребности людей требуют освоения новых территорий, вовлечения в эксплуатацию новых минерально-энергетических 
сырьевых и пищевых ресурсов, создания и активного использования новых химических соединений, материалов и технологий, наращивания промышленного 
и сельскохозяйственного производства. Все это влечет за собой масштабное поступление в природную среду веществ антропогенного происхождения, отсутствующих в естественных условиях или встречающихся в природе в незначительных, безопасных для живых организмов количествах. Бесконтрольное поступление и накопление этих веществ в природной среде ведет к ее загрязнению 
и ухудшению качества, что вызывает гибели организмов, деградацию сообществ 
и целых экосистем. 
Однако было бы необъективно списывать все существующие экологические 
проблемы в части загрязнения окружающей среды только на человека. Любая 
природная система является динамической. В них постоянно происходит огромное количество процессов, так или иначе влияющих на окружающую среду. Ярким примером является поступление микроэлементов из подводных вулканов в 
северо-западной части Тихого океана, где исключительно природные условия 
формируют повышенное содержание токсичных элементов в организме местных 
видов гидробионтов. Или влияние природных пожаров или тления торфяников, 
выделяющих одни из самых канцерогенных веществ в мире - полиядерных ароматических углеводородов (ПАУ).  
Безусловно, с развитием химии и химической технологии, благодаря синтезу все новых и новых химических соединений влияние человека на природные 
системы существенно возрастает. Это воздействие накладывается на природные, 
зачастую - специфические условия, что оказывает еще большее влияние на различные экосистемы. И если на ранних этапах истории человечества его влияние 
на природу носило локальный, ограниченный характер, а все изменения в окружающей среде развивались достаточно медленно, в течение жизни нескольких 
поколений, то в последнее столетие оно становится все более глобальным и скоротечным (одно-два поколения).  
Среди наиболее громких событий и процессов, оказавших влияние на всю 
планету за последние 50 лет можно выделить:  
1)полевые испытания ядерного оружия;  
2)аварии на атомных электростанциях в Чернобыле и Фукусиме, повлекшие 
за собой поступление большого количества радиоактивных веществ в окружающую среду;  
3)авария на буровой платформе в Мексиканском заливе, приведшая к катастрофической утечке нефти и масштабному загрязнению шельфовой зоны океана;  
4)постоянно возрастающий выброс парниковых газов в атмосферу в результате добычи и сжигания углеводородов;  
5 

5)трансграничный атмосферный перенос персистентных антропогенных 
химических веществ, способствующий их повсеместному распространению и 
долгосрочному циркулированию в окружающей среде; 
6)формирование в океане ряда «мусороворотов», сопоставимых по площади с территорией Австралии.  
Этот список далеко не полон, однако иллюстрирует глобальность современного влияния человека на окружающую среду и необходимость в постоянной регистрации человеческого влияния на окружающую среду. 
Водные ресурсы, и в первую очередь морские, интенсивно используются 
человечеством на протяжении всей его истории. Море дает людям пищу и сырье, 
морские организмы служат источником многих лекарств, морские пути связывают страны и континенты. Большое количество полезных ископаемых, в том 
числе нефти и газа, добывается на морском шельфе. Рекреационная и научная 
функция морских экосистем удовлетворяет потребность людей в познании и отдыхе. Экологические функции, или экосистемные услуги морей и океанов связаны с сохранением биоразнообразия, регулированием климата, поддержанием 
круговорота веществ на планете и играют решающую роль в процессах фиксации 
углерода и азота.  
Однако в настоящее время антропогенное воздействие существенно меняет 
морские экосистемы. Как отмечал еще Вернадский, деятельность человека по изменению состава биосферы стала новым экологическим фактором, сопоставимым с природными геохимическими и биологическими процессами (Вернадский, 1965). Загрязнение водосборных территорий, трансграничный перенос 
поллютантов как воздушным, так и водным путем, промышленные и бытовые 
стоки изменяют геохимические циклы элементов и приводят к накоплению токсичных веществ в водной среде (Моисеенко, 2005). 
Морские экосистемы отличаются от внутренних водоемов прежде всего 
своей глобальностью и постоянством состава, а учесть все взаимодействия входящих в их состав компонентов и спрогнозировать результат изменения соотношения компонентов - практически невозможно. Отношения между видами, 
между климатом и океанографическими флуктуациями, изменениями качества 
вод тесно взаимосвязаны между собой.  
Человек оказывает значительное влияние на морскую среду своей хозяйственной деятельностью, которая включает рыболовство, марикультуру, туризм, 
разработку месторождений полезных ископаемых, прибрежную коммунальную 
инфраструктуру, морской транспорт. По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), почти два миллиарда человек проживает в прибрежных морских и океанических районах. В будущем урбанизация побережья морей и океанов будет только расти. Одновременно с этим антропогенное воздействие на 
прибрежные акватории будет усиливаться и приводить к нарушению морских 
экосистем. 
Два столетия технического прогресса привели к тем глубоким изменениям 
природы, которые мы наблюдаем сейчас. Обилие различных веществ, попадающих в окружающую среду и необходимость оценки их влияния на организмы и 
человека, в частности, привели к необходимости выделения экотоксикологии, 
6 

как самостоятельной науки. Это привело к значительным успехам в познании 
законов антропогенного преобразования природы, однако недостаточное развитие (на текущем этапе) методологии экотоксикологических исследований, расширение номенклатуры токсичных веществ и «переоткрытие» отрицательных 
свойств хорошо известных соединений не позволяет до конца предсказать все 
возможные последствия воздействия на окружающую среду и организмы токсичных элементов и веществ, оценить, насколько глубоко деградировали экосистемы, возможно ли их восстановление. 
Учебное пособие направлено на погружение молодых исследователей в 
морскую экотоксикологию, раскрытие базовых понятий и методов, а также описание наиболее распространенных и требующих тщательного изучения тем этой 
науки. Распространение и обучение молодых ученых современным методам 
оценки воздействия антропогенных факторов на природные, и в том числе морские экосистемы, послужит более успешному решению задач охраны водных ресурсов и сохранения морских экосистем. 
 
7 

1. Основные понятия экотоксикологии 
 
Токсикология с древнейших времен. С древнейших времен человек сталкивался с ядами, токсинами, а также и с теми, кто их производит - растениями и 
животными. Ядовитые вещества действительно широко распространены в природе, а люди, живущие в тесном контакте с природой как правило имеют широкие представления о том, с чем можно взаимодействовать, что будет безопасно.  
Яды использовались и используются людьми для самых разных целей 
(ловля рыбы, отравление наконечников стрел, в магических ритуалах и лекарствах). Первая египетская медицинская документация (написанная в папирусе 
Эберса) датируется 1550 годом до нашей эры и демонстрирует, что древние египтяне обладали обширными знаниями о токсичных и лечебных свойствах натуральных продуктов. Известно немало сведений о ядовитых веществах, которыми 
располагали греки и римляне. Они очень интересовались ядами и использовали 
их для казней. Сократа, например, казнили с использованием экстракта болиголова (Conium maculatum). Также не было ничего необычного в использовании 
яда для убийства политических оппонентов. Яды идеально подходили для этой 
цели, поскольку установить причину смерти путем осмотра жертвы обычно было 
невозможно. Для этого потребовался бы продвинутый химический анализ, которого в то время не было. 
Парацельс. Одним из первых экотоксикологических исследований являются изыскания Парацельса (1493-1541) (рис. 1). Он отметил, что рабочие горнодобывающей промышленности, контактирующие с различными металлами и 
другими элементами, склонны к развитию специфических заболеваний. Им были 
описаны симптомы человека, регулярно наблюдаемые в результате контакта с 
мышьяком и ртутью в его трактате 1567 г. «Заболевания шахтеров и другие болезни горного дела». В период зарождения научного ренессанса он также обратил внимание на дозозависимость токсического действия веществ. Ему принадлежит знаменитое выражение «Все есть яд и только доза делает его не ядом» 
(более известное в России как «Все есть яд и все есть лекарство, вопрос только 
в дозе»). Этот принцип актуален и сегодня, однако очень часто игнорируется в 
общественном понимании токсикологии. 
 
 
 
Рис. 1 Портрет Парацельса 
 
8 

Работа того же периода «De Re Metallica» Гергиуса Агриколы (Георг Бауэр, 
1556 г.) посвящена особенностям здоровья при работе с металлами. Агрикола 
даже предложил профилактические меры для рабочих, например ношение защитной одежды (масок) и использование вентиляции. 
Другим примером осознания влияния окружающей среды на здоровье человека стало предположение Персиваля Потта в 1775 году о том, что высокая частота рака мошонки среди британских трубочистов связана с воздействием сажи. 
Он был первым, кто описал профессиональный рак. Сажа состоит из полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) и их производных. Воздействие 
сажи сопровождалось одновременным воздействием ряда канцерогенов, таких 
как кадмий и хром. Из 1487 зарегистрированных случаев рака мошонки 6,9  
произошли у трубочистов (Van Gestel et al., 2019). 
Рождение экотоксикологии. С конца XIX века человечество перешло в 
«химическую эру», проходящую под девизом «Химия - ключ для лучшей 
жизни». Это период характеризуется невероятно быстрым развитием промышленности и сопутствующим увеличением использования продуктов химического 
синтеза в самых разнообразных областях.  
Действительно, экстенсивное развитие химической технологии привело к 
существенному улучшению экономических и социальных аспектов во многих 
странах и увеличило уровень жизни населения. Однако здесь была и другая сторона медали - рост рисков возникновения вреда здоровью населения из-за воздействия широкого ряда химических агентов. Многие соединения способны приводить к неблагоприятным последствиям для здоровья людей, что стало пристально изучаться классической токсикологией, которая сфокусировалась на исследовании опасности именно для человека, ведь предотвратить можно только 
то, о чем ты знаешь. 
В связи с химической эрой, в которую вступил мир, область исследований 
токсикологии существенно расширилась. Теперь, помимо ядов и природных токсинов, она включала и вещества, под воздействие которых в процессе работы 
могли попасть работники фабрик или сельскохозяйственных предприятий, загрязняющие вещества воздуха и промышленных стоков, автомобильных выхлопов, пестицидов, пищевых добавок и т. д. С этого момента стало очевидно, что 
изучать отдельные вещества - не эффективно, необходимо переходить к изучению целых сред жизни, содержащих комплекс различных токсикантов, одновременно воздействующих на организм человека. К людям пришло осознание, что 
воздух, которым они дышат, вода, которую они пьют, еда, которую они едят - 
все может быть токсичным. Из этого неисчерпывающего списка примеров становится понятно, что влияние человека на окружающую среду может также повлиять и на него самого, причем в большинстве случаев - крайне негативно. Более того, человек - не единственный обитатель планеты. Он лишь часть экосистемы, все элементы которой, хоть и обладают своей автономией, находятся в 
динамическом равновесии между собой, формируя биосферу. Для сохранения 
этого равновесия необходимо изучать не только воздействие токсичных соединений на человека (за появление которых он ответственен в большей мере), но и 
оценивать их влияние на экосистемы.  
9 

Экотоксикология была выделена как научное направление в начале 70-х годов ХХ века. В1962 году вышла в свет книга Рэйчел Карсон (рис. 2) «Безмолвна 
весна», в которой автор описывает случаи массовой гибели птиц и рыб от бесконтрольного использования пестицидов. Карсон сделала вывод, что выявляемые эффекты поллютантов на дикую природу предвещают надвигающуюся катастрофу для человека и настаивала на рациональном применении химикатов в 
сельском хозяйстве (что означало существенное сокращение их применения). 
Эта книга привлекла всеобщее внимание и стала, фактически, первой широко 
известной публикацией в защиту природы. В результате появились первые общества защиты окружающей среды, правительственные законодательные акты, 
регламентирующие выбросы ксенобиотиков. С этой книги, по сути, началось 
развитие новой ветви науки - экотоксикологии (ecotoxicology).  
 
 
 
Рис. 2 Фотография Рэйчел Карсон 
 
В самостоятельную науку экотоксикологию выделил Рене Трахаут (Renp 
Truhaut) (рис. 3) на заседании специального комитета Международного совета 
научных союзов (ICSU) в Стокгольме в 1969 году. Он определил ее, как науку, 
изучающую токсическое воздействия природных или синтетических загрязнителей на компоненты экосистем, животных (включая человека), растений и микробов, в целостном контексте (Truhaut, 1977).  
В дальнейшем, для более четкого разграничения между классической и экологической токсикологией и исключением дублирования научных проектов со 
Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ), было проведено уточнение 
определения: экотоксикология – это наука, изучающая токсическое воздействие природных или синтетических загрязнителей на популяции живых организмов, от человека до микроорганизмов, составляющих экосистемы.  
 
10