Екотоксикологічні методи. Стратегію моніторингу токсичного забруднення природного середовища засновано на сучасних наукових досягненнях, серед яких слід виділити два основних напрями: перший – екотоксикологічний підхід до аналізу антропогенного впливу на природне середовище; другий – використання концепції оцінки ризику за прогнозними показниками небезпечності.
В основі гігієнічного нормування екзогенних хімічних речовин у ґрунті лежить визначення показників вели чини міграції, біокумуляції, виявлення найчутливіших біоіндикаторів тощо, що є невід'ємною частиною екотоксикологічних досліджень.
М. Соколов і Б. Стрекозов (1975 р.) розробили для оцінки хімічних речовин у ґрунті бальну шкалу, в якій критерії нормування поділено на дві групи: екотоксикологічні (персистентність у ґрунті, дія на ґрунтові ферментативні процеси і біоту, міграція ґрунтовим профілем, транслокація у культурні рослини і фітотоксична дія через ґрунт, реакція на інсоляцію) і токсиколого-гігієнічні (оцінка за нормативами ДОК і ГДК, дія на органолептичні якості, леткість, токсичність для теплокровних, здатність до кумуляції в організмі теплокровних). За величиною загального оціночного балу хімічні речовини об'єднувалися у три групи: > 21 (високонебезпечні); 20–14 (середньонебезпечні) і < 13 (малонебезпечні). При цьому наголошено, що насамперед слід враховувати екотоксикологічні критерії.
С. Найнштейн зі співавт. (1981 р.) запропонували класифікацію токсичних речовин, які можуть міститися у грунті, за ступенем їхньої небезпечності. Згідно з цією класифікацією, передусім, слід нормувати сполуки, що належать до І і II класу небезпечності (табл. 9).
Таблиця 9. Класи небезпечності екзогенних хімічних речовин, які містяться у ґрунті
| Показники | Класи небезпечності | ||||
| 1 | II | III | |||
| Токсичність при пероральному введенні (ЛД5о, мг/кг маси тварини) | 50-200 | 200-1000 | > 1000 | ||
| Стабільність у ґрунті, міс. | >12 | 12-6 | <6 | ||
| Міграція: | |||||
| у грунті, см | 60-41 | 40-21 | 20-0 | ||
| у повітря | >гдк | =гдк | <гдк | ||
| уводу | >ГДК | =гдк | <гдк | ||
| Перехід у рослининаявність | |||||
| у рослинах протягоммісяців | >3 | 3-1 | <1 | ||
| вплив на харчову цінність | впливає | впливає | не впливає | ||
| Вплив на санітарний стан ґрунту | те саме | те саме | те саме | ||
Екотоксикологічна оцінка небезпечності хімічних речовин передбачає вивчення їхньої поведінки у ґрунтовій, водній і наземній екосистемі для яких розроблено свої методичні підходи та систему показників. Для оцінки забруднення водних екосистем хімічними речовинами запропоновано використовувати критерії ГДК, розчинності у воді, відношення розчинності до ГДК, персистентності, показники гострої та хронічної токсичності для риб, дафній і водоростей, коефіцієнти біокумуляції тощо. За числовими значеннями кожного критерію визначається клас небезпечності. Як тест-об'єкти при вивченні впливу препаратів на водну екосистему, використовують гідробіонти – риби (райдужна форель, сом, короп, вухастий окунь та ін.), дафнії (дафнія магна, церіодафнія), водорості (хлорела, сценедесмус).
Вплив хімічної речовини на біоту надземної екосистеми – птахів та корисних комах, визначають на основі показників ЛД50 і ЛК50, які є критерієм екотоксикологічної оцінки ступеня небезпечності. Основними тест-об'єктами надземної екосистеми при екотоксикологічній оцінці препаратів є птахи (качка, куріпка, фазан, японська та віргінська перепелиці), корисні комахи (бджоли).
З погляду спеціалістів, для практичної діяльності найважливішими є проблеми нормування неорганічних речовин у ґрунті, які передусім пов'язані з невідповідністю між фоновим вмістом токсичних елементів у ґрунті та їхнім граничне допустимим рівнем. Ці протиріччя заважають проведенню об'єктивної оцінки токсикологічного стану ґрунту. Так, ГДК для С1 за валовим вмістом становить 100 мг/кг, а його фоновий вміст (за даними ННЦ «Інститут ґрунтознавства та агрохімії» УААН) у зоні Лісостепу України коливається в Межах 18–100 мг/кг, у зоні Степу – 40–150, у зоні передгір'я Карпат – 138–145 мг/кг; ГДК для РЬ становить ЗО мг/кг, а у зоні Карпат фоновий вміст змінюється у межах 23–168 мг/кг.
Важливою є проблема оцінки поліелементного характеру забруднення грунту токсичними елементами. Нормативи, що діють, дають можливість оцінити ступінь їхньої небезпечності за сумою адитивних ефектів без урахування ефектів синергізму та антагонізму, які обов'язково присутні у таких складних поліфункціональних системах, як грунт.
Аналіз зарубіжних діючих нормативів свідчить, що між ГДК токсичних елементів, зокрема ВМ, прийнятих у різних країнах, існують дуже великі розбіжності. ГДК для As у Німеччині та Нідерландах становить 50 мг/кг, Румунії – 5, Росії – 2; ГДК РЬ у Німеччині та Румунії – 100, Нідерландах – 600, в Україні – ЗО мг/кг. Ці невідповідності стосуються й інших елементів.
Існує думка, що ГДК слід розробляти для кожного типу ґрунту з урахуванням їхніх буферних властивостей та рН середовища. Так, для малобуферних ґрунтів рекомендують гігієнічні ГДК зробити жорсткішими: для цинку знизити з 300 до 150–200 мг/кг, міді – з 100 до 60, кадмію – з 3 до 2 мг/кг і т. д. Відповідне коригування потрібно провести і щодо рН. Так, для марганцю, вилученого з дерново-підзолистого ґрунту з рН 4, ГДК має становити 300 мг/кг, з рН 5,1–5,9 – 400, з рН 6,0 - 500 мг/кг.
Пропонують оцінювати небезпечність токсичних елементів за вмістом їхніх рухомих форм у ґрунті, а також за ГДК у сільськогосподарській продукції. У такому разі ГДК виступає опосередкованим показником антропогенного впливу на екосистеми і практично не береться до уваги структура і стан екосистеми, особливості технології впливу людини на них.
Екотоксикологічна характеристика хімічних речовин мінеральних добрив. Мінеральні добрива, які за своєю природою є хімічними солями та їхніми сумішами, можуть бути джерелом надходження багатьох ХЕ та сполук у довкілля, зокрема: NH4+ , NO3~, Na+ , Са2+, SO42~, F-, С1-, As, Cd, Pb, Cr, Zn, Ni, Cu, Sn, Hg, Se, Co, W, Sr, Ba, Mg, Mn, Fe та ін. Багато з цих елементів виступають для біоти в якості життєво необхідних мікроелементів: Fe, Co, Mn, Cu, Mo, Se та ін. Але, безпосередню загрозу навколишньому природному середовищу, а також людині, представляють, насамперед, ХЕ, які характеризуються високою токсичністю щодо біологічних об'єктів: As, Cd, Pb, Zn, F (І клас – високонебезпечні) і Cu, Co, Ni (II клас – помірно небезпечні). У зв'язку із застосуванням мінеральних добрив, поряд з мікроелементами, привертають увагу також сполуки азоту (нітрати, нітрити), хлор тощо.
Доведено, що багато захворювань виникає в результаті зміни обміну мінеральних речовин. Так, при атеросклерозі у стінках судин збільшується вміст кадмію. При розвитку інфаркту міокарду змінюється концентрація мікроелементів у крові – вмісту натрію, калію, цинку, рубідію, сурми. При хронічному холіцеститі значно підвищується вміст марганцю, міді, титану, хрому у стінках жовчного міхура. При цьому лікування хвороб, пов'язаних з дисбалансом мікроелементів, звичайними фармакотерапевтичними засобами малоефективно.
Токсичні елементи здебільшого є катіонами. Вони легко нагромаджуються у ґрунті, але на відміну від більшості органічних ксенобіотиків важко виводяться з нього. Так, періоди напіввиведення з ґрунту Cd– 11О років, Zn– до 510, Cu– до 1500, Pb– близько кількох тисяч років. За профілем ґрунтів ВМ хімічно мігрують дуже повільно. Так, у Швейцарії за 100 років Cuі Znз верхнього горизонту ґрунтів проникли лише до глибини 10–20 см. Вертикальна міграція залежить, насамперед, від властивостей орного шару ґрунту. М. Соколов (1995 р.) вказує, що на підставі таких показників зазначені токсичні елементи можна віднести до типових консервативних забруднювачів.
Щодо рослин дуже токсичними вважають Со2+, Ni2+, Pb2+, які шкідливо діють на тест-організми при концентраціях у розчині до 1 мг/л. Помірно токсичними вважають As, A1, Cd, Zn, які інгібуюче діють при концентраціях 1–100 мг/л. Слаботоксичні – СГ, NO3", K+, Na+ , що рідко негативно впливають при рівнях понад 1800 мг/л. К. Смайлд (1981 р.) встановив ряд фітотоксичності– Cd<Ni<Cu<Zn<Cr=Pb. Було також виявлено, що токсичність металів у чистому вигляді менша, ніж у сполученні з іншими металами.
Токсичні елементи, біологічне значення яких пояснити важко, мають коефіцієнт біологічного поглинання менше 1. Однак, усі вони перед тим, як включитися в обмін речовин, проходять етапи проникнення через пектоцеллюлозну мембрану клітинної оболонки, потім цитоплазматичну мембрану, товщу цитоплазми і вакуольну мембрану. Цей шлях може бути зумовлений простою дифузією через пори мембрани за градієнтом концентрації, проходженням через пори мембрани з током розчинника, ліпозною дифузією, дифузією за участі переносника, обмінною дифузією, активним метаболічним переносом елементів та піноцетозом.
Із шляхів надходження токсичних елементів слід виділити апоплазматичний і симплазматичний. Апоплазматичний шлях проходить у вільному просторі клітинних оболонок та міжклітинників за принципом дифузії і току води з розчиненими у ній речовинами. Цим шляхом у рослини можуть надходити випадкові, непотрібні для метаболізму елементи. Ймовірність надходження у рослини токсичних елементів таким шляхом підвищується з підвищенням їхнього вмісту у ґрунтовому розчині. Симплазматичний шлях у безперервній симплазмі між клітинами по плазмодесмах носить вибірковий характер. Як правило, випадкові або шкідливі сполуки та іони не перерозподіляються в організмі рослин цим шляхом, оскільки блокуються у момент проникнення в клітину.