Изучением влияния токсических веществ, загрязняющих водоемы, на гидробионтов занимается водная токсикология. Она изучает также химические и физические свойства вредных веществ, находящихся в сточных водах, их действие на организм гидробионтов и “жизнь” водоемов, разрабатывает методы диагностики и профилактики отравления рыб и охраны рыбохозяйственных водоемов от загрязнений.

Яды — чужеродные вещества (ксенобиотики), способные вступать во взаимодействие с различными структурами организма и вызывать нарушение его жизнедеятельности, переходящее при определенных условиях в болезненное состояние (отравление).

Токсичность — способность химических веществ вызывать нарушение жизнедеятельности организма — отравление. При установлении степени токсичности химических веществ для гидробионтов различают:
1) смертельные концентрации (дозы) — вызывают гибель всех (СК₁₀₀) или половины (СК₅₀) животных при остром или хроническом отравлении;
2) токсические — максимально переносимые концентрации (СК₀), вызывающие клинические признаки отравления, не обусловливая гибели организма;
3) пороговые концентрации — минимальные концентрации, вызывающие достоверно патологические изменения в организме, регистрируемые наиболее чувствительными методами исследования;
4) предельно допустимые концентрации (ПДК) — допустимые концентрации вредных веществ в рыбохозяйственных водоемах, которые не оказывают отрицательного влияния на режим водоемов, не нарушают нормальную жизнедеятельность рыб и других полезных гидробионтов, не создают опасности накопления токсических веществ в объектах водоема.

Характер отравления рыб зависит от сочетания следующих факторов:
а) вида источника загрязнения и токсических компонентов в сточных водах;
б) концентрации (дозы) и продолжительности воздействия ядовитых веществ;
в) вида, возраста и физиологического состояния рыб;
г) состояния среды обитания, ее гидрологического, гидрохимического режима и других факторов.

По длительности течения различают острые, подострые и хронические отравления (токсикозы).

Острые отравления возникают при одновременном поступлении в организм больших количеств ядовитых веществ, сопровождаются бурным развитием признаков заболевания и завершаются массовой гибелью рыб в течение 3 — 10 сут или выздоровлением.

Подострые отравления протекают замедленно, вызывая умеренно выраженную клиническую картину и постепенную гибель рыб в течение 10 — 30 дней.

Хронические отравления развиваются при многократном поступлении в организм ядовитого вещества, вызывают медленную гибель рыб в течение длительного времени (месяцы) со стертыми клиническими признаками. В периоды стрессовых состояний хронические токсикозы нередко обостряются и сопровождаются массовой гибелью рыб.

Хроническое отравление вызывают те яды, которые обладают способностью к материальной или функциональной кумуляции. Под материальной кумуляцией понимают постепенное увеличение содержания ядовитого вещества в организме от недействующих количеств до токсического уровня. Кумулятивные свойства вещества выражают коэффициентом кумуляции (накопления) — отношением содержания токсического вещества в организме рыб или других гидробионтов (мг/кг) к концентрации его в воде (мг/л). Если же происходит суммирование не самого яда, а эффекта его действия, наступает функциональная кумуляция.

Отравления рыб в естественных водоемах О. Н. Крылов (1980) разделяет на три группы.
1. Природные токсикозы возникают в районах водораздела пресных и соленых водоемов, когда происходит засоление пресной воды при падении ее уровня и переливе морской воды.
2. Токсикозы рыб от сине-зеленых водорослей при обильном развитии выделяют токсины, а при массовом отмирании поглощают кислород и разлагаются с образованием ядовитых продуктов.
3. Токсикозы рыб от химических веществ антропогенного происхождения (наиболее массовые) проявляются в результате “залповых” сбросов сточных вод или систематического загрязнения водоемов небольшими количествами токсических веществ.

Классификация сточных вод. С ростом промышленности и химизацией различных отраслей народного хозяйства в водоемы могут поступать разнообразнейшие по своему химическому составу и токсическому действию ядовитые вещества. Приведенные ниже классификации сточных вод и их компонентов помогут ветврачу-ихтиопатологу разобраться в огромной массе токсикантов и целенаправленно осуществлять мероприятия по профилактике отравлений рыб.

В зависимости от происхождения сточные воды делят на три большие группы: промышленные, коммунально-бытовые и сельскохозяйственные, а также различают поверхностный сток с водосборной площади водоемов.

По классификации Е. А. Веселова (1971) сточные воды делят на две категории: неорганические (с преобладанием неорганических компонентов) и органические (с преобладанием органических компонентов). Каждая из этих категорий подразделяется на две группы: сточные воды без специфических токсических свойств и со специфическими ядовитыми свойствами.

Неорганические загрязнители без специфических токсических свойств включают минеральные взвеси, соли натрия, кальция и магния, неорганические кислоты и щелочи, минеральные удобрения. Их отрицательное действие заключается в отложении осадков на дне, замутнении и засолении водоемов, повышении жесткости воды, изменении рН, запаха, цвета и других свойств. Поставщиками этих вод являются рудообогатительные фабрики, содовые, азотно-туковые, машиностроительные, фарфорофаянсовые, угольные И некоторые химические предприятия.

Неорганические загрязнители со специфическими токсическими свойствами содержат в своем составе различные ядовитые вещества: аммиак и соли аммония, сероводород, сернистые соединения, тяжелые металлы и их соли, хлор, цианиды. Они поступают из предприятий черной и цветной металлургии, машиностроительной, химической, текстильной, целлюлозно-бумажной промышленности, азотно-туковых заводов, обогатительных фабрик свинцово-цинковых руд, железных руд и др.

Органические загрязнители без специфических токсических свойств являются преимущественно отходами предприятий пищевой, целлюлозно-бумажной и текстильной промышленности, коммунально-бытовые воды и стоки с животноводческих ферм. Они содержат большое количество нестойких органических веществ, легко подвергающихся брожению и гнилостному разложению с выделением аммиака, сероводорода, метана, индола и других продуктов. Это приводит к резкому дефициту кислорода, нарушению гидрохимического режима водоемов и гибели рыб от замора и токсикозов.

К органическим загрязнителям со специфической токсичностью относятся нефть и нефтепродукты, смолы, различные карбоциклические соединения, органические кислоты, спирты и кетоны, органические красители, поверхностно-активные вещества, пестициды. Источники поступления этих веществ различные: нефтепромыслы и нефтеперерабатывающие предприятия, машиностроительная, целлюлозно-бумажная, химическая, пищевая, текстильная, кожевенная промышленности, коммунально-бытовые предприятия, сельское и лесное хозяйство. Наряду со специфическим токсическим действием на гидробионтов эта группа сточных вод также подвергается энергичному окислению, вызывает дефицит кислорода, нарушает органолептические показатели воды и рыбы.

Основные источники поступления пестицидов в водоемы — поверхностный сток с обрабатываемых сельскохозяйственных угодий, лесных массивов, заболоченных участков рек, озер и т. д. Поэтому необходимо четко представлять номенклатуру и технику применения пестицидов, а также степень их опасности. В зависимости от производственного назначения различают следующие группы пестицидов:
акарициды — средства для борьбы с растительноядными клещами;
альгициды — для уничтожения водорослей и другой сорной растительности в водоемах;
аттрактанты — вещества, привлекающие насекомых;
гербициды — для борьбы с сорными растениями;
десиканты и дефолианты — для подсушивания растений и удаления листьев;
инсектициды — для борьбы с вредными насекомыми;
зооциды — для борьбы с грызунами;
ларвициды — для уничтожения личинок насекомых;
моллюскоциды (лимациды) — для борьбы с моллюсками;
репелленты — для отпугивания насекомых;
фунгициды — для борьбы с грибами.

Большинство пестицидов — сложные органические соединения: хлорорганические, фосфорорганические, карбаматы, ртутьорганические, производные уксусной, масляной, роданистоводородной кислот, симмтриазина, фенола, мочевины, алкалоиды, а также неорганические соединения, содержащие медь, мышьяк, серу и др.

Пестициды по стойкости в водной среде (распад на 95%) делят на следующие группы:

По способности к материальной кумуляции (Л. А. Лесников, К.К. Врочинский, 1974) различают:

По степени острой токсичности для рыб и водных организмов токсические вещества делят на следующие группы:

Особенности взаимодействия токсических веществ и гидробионтов в водоемах. Поступающие в водоемы токсиканты обычно включаются в круговорот веществ и претерпевают различные физико-химические превращения. Малостойкие, простые твердые и летучие вещества оседают на дно или улетучиваются, окисляются, связываются солями буферной системы воды или разлагаются под действием микроорганизмов и быстро подвергаются детоксикации. Они оказывают на гидробионтов прямое токсическое или косвенное воздействие, ухудшая физические свойства воды, газовый и солевой режимы водоемов.

Многие токсические вещества, особенно стойкие, могут длительно сохраняться в воде, кумулироваться в донных отложениях и гидробионтах, мигрировать по пищевой цепи, накапливаясь в возрастающих количествах от низшего к высшему звену. В этих случаях наряду с первичным важную роль играет вторичное загрязнение, которое возникает вследствие отмирания животных и растений или резорбции токсикантов из грунта. Такой способностью обладают тяжелые металлы, хлорорганические пестициды, радиоактивные изотопы и др.

При оценке токсичности химических веществ следует учитывать физико-химические свойства, характер взаимодействия их в гидросистемах между собой и с организмом гидробионтов, влияние экологических факторов.

В противоположность человеку и высшим животным в организм рыб большинство отравляющих веществ проникает осмотически — через жабры и кожу, особенно поврежденную. Оральный путь поступления имеет большое значение при хронических отравлениях. Поэтому токсичность в большой степени зависит от растворимости вещества в воде и биологических средах. Соединения, растворимые в воде, более ядовиты, чем нерастворимые. Вместе с тем через жабры, кожу и слизистую кишечника легко проникают и вещества, хорошо растворимые в липидах и тканевой жидкости. Они поступают в кровь и разносятся по всему организму. К ним относятся большинство органических загрязнителей — углеводороды, пестициды, детергенты и др.

Процесс интоксикации начинается с патогенного действия ядов в местах проникновения (жабрах, коже, слизистых оболочках), а также рефлекторной реакции со стороны нервной системы. В дальнейшем, после попадания в кровь отравляющие вещества, соединяясь с белками, нарушают физико-химические процессы в плазме и клеточных элементах. Затем они фиксируются в различных органах и тканях в соответствии с их сорбционной емкостью и биохимическим средством к отдельным ядам. Механизм действия большинства ядов тесно связан с включением их в различные звенья биохимических процессов, и прежде всего со способностью вступать в реакции с ферментами. Например, фосфорорганические пестициды блокируют фермент холинэстеразу, цианиды подавляют активность цитохромоксидазы, вызывая угнетение тканевого дыхания и т. д. Многие яды способны брать на себя функцию аналога субстрата, взаимодействующего с ферментами.

В зависимости от характера влияния на организм гидробионтов токсические вещества условно делят на яды локального (местного), резорбтивного и комбинированного действия.

Яды локального действия вызывают дистрофические и некробиотические изменения тканей в местах контакта их с гидробионтами, чаще на коже и в жабрах. В результате у рыб нарушается газообмен, накапливается избыток двуокиси углерода (гиперкапния), возникает гипоксия и наступает гибель от удушья. При высоких концентрациях локальным действием обладают свободный хлор, перекись водорода, перманганат калия, неорганические кислоты и щелочи, соли тяжелых металлов, формальдегид, органические кислоты, дубильные вещества, детергенты.

Резорбтивные яды делятся на несколько групп.
1. Нервно-паралитические яды вызывают нарушения функции нервной системы, проявляющиеся угнетением или возбуждением рыб, судорогами и параличами, расстройством координации плавания, потерей равновесия. К ним относятся: аммиак и соли аммония, двуокись углерода, фтор, фосфор, нефть и нефтепродукты, фенолы, хлор- и фосфорорганические пестициды, ряд гербицидов, смолы, алкалоиды, сапонины, терпены, токсины сине-зеленых водорослей и др.
2. Наркотические яды вызывают у рыб анестезию или наркоз без стадии возбуждения. Это ациклические углеводороды (этилен, пентан и др.), алкилгалогениды (хлороформ, четыреххлористый углерод, дихлор- и трихлорэтан), алкоголи, эфиры, кетоны, альдегиды и нитросоединения.
3. Протоплазматические и гемолитические яды нарушают клеточный метаболизм, вызывая дистрофию, распад эритроцитов и некробиоз клеток паренхиматозных органов. К ним относятся: цианиды, галогены, меркаптаны, тяжелые металлы, сапонины, некоторые гербициды (монурон, диурон, пропанид), токсины сине-зеленых водорослей и др.

Многие из перечисленных веществ обладают комбинированным (местным и резорбтивным) действием, которое тесно связано с величиной концентрации (дозы) и длительностью воздействия. Отмечается общая закономерность: с повышением концентрации (дозы) преобладает деструктивный и некробиотический эффект, с понижением ее — функциональные расстройства.

В зависимости от физико-химических свойств и степени сродства с биологическими субстратами токсические вещества имеют в организме определенную локализацию, что очень важно знать для диагностики отравлений. Например, в органах, богатых жиром, депонируются жирорастворимые хлорорганические пестициды; в паренхиматозных органах и жире локализуются фосфорорганические соединения; детергенты — в жабрах, гонадах и стенке пищеварительного тракта; тяжелые металлы — в поверхностной слизи, мышцах и внутренних органах. В организме рыб они подвергаются различным химическим превращениям (окислению, восстановлению, гидролизу и синтезу) с образованием безвредных конечных продуктов (воды и углекислоты), а иногда метаболитов более токсичных, чем исходные вещества. Наиболее эффективно детоксикация проходит в печени и ретикулоэндотелиальной системе. Однако у рыб в связи с адсорбцией химических веществ жабрами и кожей они вначале минуют печеночный барьер. Отчасти этим объясняется более высокая чувствительность рыб к токсикантам по сравнению с наземными животными.

Из организма рыб токсические вещества и их метаболиты выделяются через жабры, почки, кожу, кишечник и печень. Если количество выделенного или обезвреженного яда меньше поступившего за тот же промежуток времени, создаются условия для его кумуляции.

Чувствительность к ядам у рыб сильно варьирует в зависимости от видовых, возрастных, индивидуальных особенностей и физиологического состояния их организма. Высокочувствительными к токсикантам являются лососевые (радужная и ручьевая форель, лосось), судак, окунь; слабочувствительными — карп, карась, линь, вьюн. Остальные рыбы занимают промежуточное между ними положение.

Влияние возраста рыб на течение и исход отравления неоднозначно и часто зависит от природы токсиканта. Отмечено, что к ядам неорганической природы устойчивость рыб с возрастом повышается, а к некоторым органическим соединениям понижается.

Устойчивость рыб неодинакова также на разных этапах онтогенеза. Отмечают периоды более высокой устойчивости (икра на стадии пульсирующего сердца, сеголетки) и высокочувствительные стадии (икра в период гаструляции, личинки, мальки).

Неблагоприятные условия среды, голод, скученность рыб, поражение паразитами и другие факторы снижают их устойчивость к токсикантам. Кроме того, даже незначительное загрязнение водоемов снижает резистентность рыб к возбудителям инфекционных и инвазионных болезней и является одной из косвенных причин, вызывающих гибель рыб.

Поскольку любые сточные воды имеют сложный, многокомпонентный химический состав, необходимо учитывать их комбинированное действие. Последнее проявляется в виде синергизма (усиления токсичности смеси компонентов), антагонизма (снижения токсичности смеси компонентов) и суммированного (аддитивного) действия.

Синергизм четко проявляется в комбинациях тяжелых металлов (меди и цинка, меди и кадмия, никеля и цинка, кадмия и ртути, никеля и хрома), аммиака и меди, фенола и ПХП, меди и СПАВ. Вследствие этого смеси даже субтоксических концентраций этих веществ могут оказаться смертельными.

Антагонистами являются ионы кальция по отношению к натрию, магнию и калию. Токсичность солей цинка и свинца снижается в присутствии соединений кальция, а синильной кислоты в присутствии окиси и закиси железа.

По данным Д. Алабастер и Р. Ллойд (1984), большинство токсических веществ оказывают на рыб суммированное действие. Для характеристики совместного эффекта смесей токсикантов ими предложен коэффициент аддитивности. Установлено, что степень комбинированного действия зависит от вида токсиканта, его доли в смеси, длительности воздействия, показателей состава воды (например, жесткости).

На токсичность существенно влияют также экологические факторы температура, газовый состав, жесткость, рН, скорость течения воды и инсоляция.

С температурой воды тесно связана растворимость химических веществ, а следовательно, и величина их концентраций. Чем выше температура воды, тем выше растворимость большинства ядов (например, солей тяжелых металлов) и их концентрация в воде. При низкой температуре многие соединения выпадают в осадок, плохо проникают в организм гидробионтов и становятся менее токсичными. С другой стороны, температура оказывает неспецифическое влияние на токсикорезистентность рыб, поскольку с ней тесно связаны интенсивность обмена веществ и скорость всасывания токсикантов. С подъемом температуры воды повышается чувствительность рыб к ядам, сокращается время проявления симптомов интоксикации и ускоряется гибель. Поэтому концентрации, нетоксичные при низких температурах, могут оказаться летальными при повышенных. Наконец, повышение температуры воды в ряде водоемов, обусловленное сбросом нагретых сточных вод (термальное загрязнение), влияет отрицательно как самостоятельный фактор.

Резистентность рыб к различным токсическим воздействиям снижается при дефиците растворенного в воде кислорода, так как он приводит к повышению скорости кровотока в жабрах, что благоприятствует проникновению и накоплению ядовитых веществ в органах и тканях рыб.

Повышенное содержание СО₂ в водоеме, с одной стороны, изменяет буферные свойства воды и благодаря этому снижает действующую концентрацию вещества, с другой — отрицательно влияет на физиологические функции организма, прежде всего на газообмен.

Жесткость воды влияет на токсичность двояко. Высокоминерализованные воды, образуя с токсическими (в основном неорганическими) веществами нерастворимые комплексы, уменьшают действующие на рыб концентрации ядов. В мягкой воде токсичность обычно выше, чем в жесткой. Снижение токсичности упомянутых соединений, с другой стороны, связано с тем, что ионы кальция, уменьшая проницаемость биологических мембран, препятствуют проникновению ядов внутрь организма. На токсичность большинства органических соединений, например детергентов и пестицидов, жесткость воды влияет незначительно.

Взаимосвязь токсичности и рН воды наиболее четко проявляется у тех веществ, которые могут существовать в ионизированной и неионизированной формах. Так, солевой аммиак при рН 8,0 в несколько раз токсичнее, чем при рН 7,0 за счет резкого повышения концентрации неионизированных молекул (NH₃). Действие сероводорода, сульфидов и цианидов усиливается по тому же принципу при сдвиге рН в кислую сторону.

Из физических факторов следует учитывать скорость течения воды, играющую важную роль в разбавлении и сносе сточных вод, и солнечный свет, ускоряющий их детоксикацию.