Введение к работе
Актуальность темы.
На конференции ЭКО-92 в Рио был поставлен вопрос о необходимости устойчивого экономического развития, безопасного для окружающей среда, и сформулированы принципы такого развития. В частности, было отмечено, что: "Правительства должны содействовать разработке законодательства по устойчивому развитию, основанного на разумных экономических, социальных и природоохранных принципах, а также соответствующей оценке рисков". То есть проблемы оценки, анализа и управления экологическим риском признаны главным теоретическим основанием концепции экологической безопасности и их решение абсолютно необходимо для опредения условий устойчивого экологически безопасного развития. В настоящее время одной из важнейших задач России стало обеспечение экологической безопасности как составной части национальной безопасности страны. Стержнем концепции экологической безопасности признана теория экологического риска. Существенной частью этой теории является определение уровня приемлемого риска. А для определения этого уровня необходимо в первую очередь выявить опасности и условия их преодоления. Именно эта цель и стоит перед новым научным направлением - анализом экологического риска.
Анализ экологического риска состоит из трех основных частей:
1)Оценка ЭКОЛОГИЧеСКОГО риска (risk assessment). 2)Управление ЭКОЛОГИЧесКИМ РИСКОМ (risk management). З)Информационное Обеспечение анализа риска (risk communication) .
4)Прогноз развития ситуации и возможных последствий. В процессе оценки экологического риска необходимо ответить На Следующую Триаду ВОПРОСОВ [Kharchenko, 1994]:
і)что может быть нарушено в человеке и природе, и по каким показателям можно достоверно судить о таких нарушениях;
2)какова вероятность того, что "это" может быть нарушено и какова возможная степень такого нарушения,-
з)каковы последствия такого нарушения.
Ответы на эти вопросы дают возможность идентифицировать, определить класс опасности, определить и измерить степень риска, оценить различные риски, их воздействия и последствия.
Методологически при оценке состояния окружащей среды проводится определение трех главных компонентов анализа экологического риска, то есть осуществляется так называемый "триадный анализ экологического риска11, в который входят:
і)оценка воздействия на окружающую среду и оценка соответствующих рисков, исходя из количества и концентрации химических веществ в выбросах, выхлопах, стоках и накоплеїшя их в природных средах - воде, воздухе и почве;
2)оценка состояния здоровья человека по интегральным показателям здоровья;
з)оценка состояния биоты по биологическим интегральным показателям. И только собрав воедино информацию об этих трех главных компонентах, можно проводить как комплексную оценку текущего состояния окружащей среда, так и делать прогнозы в отношении будущего развития всей системы.
Оценка состояния биоты должна включать также три основных
Компонента [Kharchenko, Lutsky,1994; Lutsky, Kharchenko,1994 ]: і)оценку состояния фотосинтезирующих организмов; 2)оценку Оиоразнообразия как генетического фонда планеты,-з)оценку состояния сельско-хозяйственных животных и птиц, как источника питания человека.
При оценке состояния биогы оценка состояния фэтосингези-рующих организмов имеет определяющее значение, так как они являются первым и самым чувствительным звеном пищевой цепи и основным источником биомассы, энергии и кислорода для всех других организмов. От состояния фотосинтезирующих организмов зависит состояние всей экосистемы, поскольку они определяют пищевые условия (Одум, 1986) для всех остальных звеньев экосистемы, а также в значительной степени определяют состав атмосферного воздуха (Вернадский, 1926; Заварзин, 1984), то есть именно они определяют все условия жизнедеятельности для всегс
живого на Земле. Поэтому точно оценив состояние фототрофных бактерии, можно с высокой степенью уверенности судить о состоянии всей экосистемы.
Поэтому исследования методов оценки состояния экосистем по таким биологическим интегральным индшсаторам, как фототроф-ные бактерии, имеют большое значение для развития всей системы оценок в анализе экологического риска. Это научное направление развивается автором в рамках ГНТП "Экологическая безопасность России" (тема N 5.2.1.4.) и ГНТП "Безопасность" (тема б.ю).
Основной целью работы была разработка концепции, основных принципов и подходов к оценке состояния окружающей среды на основе оценки состояния фотосинтезирующих организмов как определяющего звена всей экосистемы.
Основные задачи:
I.Сформулировать концепцию применения фотрофных бактерий в качестве интегральных индикаторов состояния окружающей среды.
2.На основе концепции биологических интегральных индикаторов сформулировать методологию использования фотосинтетичес-хой пигментной системы фототрофных бактерий в качестве интегрального индикатора состояния окружающей среды.
3.Разработать методы оценки состояния структурно-функциональной организации фотосинтезирующего аппарата фототрофных бактерий.
4.Выявить основные направления и показатели изменения фотосинтезирующего аппарата бактерий под влиянием изменения жружающей среды.
Научная новизна определяется основными результатами:
Сформулированы основные принципы и характерные черты сис-емного подхода при оценке состояния окружающей среды. Обосно-!ано применение интегральных индикаторов как наиболее адекват-юго инструмента для оценки состояния экосистемы. Сформулиро-іано представление о структурно-функциональном состоянии сис-емы и проанализированы факторы определяющие это состояние, босновывается, что состояние пигментного аппарата может отра-
- б -
жать энергетическое и структурно-функциональное состояние фототрофных бактерий. Сформулированы аргументы в доказательства того, что спектры поглощения и флуоресценции могут служить индикаторами состояния пигментной системы фототрофных бактериальных клеток, как и интегральным индикатором состояния популяции и окружающей среды.
Впервые в структуре фотосинтезирующего аппарата зеленых фототрофных бактерий обнаружена почти идеальная ориентация векторов дипольних моментов молекул Бхл с основной светосоОи-рающей антенны (ССА) вдоль длинной оси хлоросомы. Было найдено, что q -перехода молекул Бхл с ориентированы параллельно друг другу и плоскости мембраны, а угол между длинной осью ХМК и дипольними моментами о. -переходов молекул Бхл с равен 0 7. Эта ориентация нарушается при загрязнении окружающей среды.
Разработан универсальный фазово-флуорометрический метод измерения времени жизни флуоресценции фогосинтезирующих пигментов in vivo в пикосекундном диапазоне. Определено время переноса энергии возбувдения от основной ССА зеленых бактерий к минорной - перенос энергии от Бхл с к Бхл а происходит 20-60 пксек с эффективностью большей 97%. При повреждении пигментной системы (в частности, в результате загрязнения окружающей среды) эффективность переноса энергии резко нарушается, что ведет к умиранию популяции.
Впервые обнаружены характерные особенности изменения спектров поглощения зеленых бактерий, по которым можно оценить стадию роста культуры бактерий. Эта характеристика может иметь практическое значение при проведении оценки окружающей среды по состоянию биологических интегральных индикаторов.
Впервые показана значительная вариабельность основной полосы поглощения Бхл с ССА зеленых бактерий в зависимости от состояния окружающей среды. Максимум поглощения длинноволновой полосы поглощения в зависимости от условий может сдвигаться от 725 до 752 нм, ширина полосы поглощения на полувысоте изменяется от 50 до 70 нм, коэффициент асимметричности полосы поглощения изменяется от 0,65 до 1,18. Это дает возможность по
спектрам поглощения зеленых бактерий оценивать состояние окружающей среды.
Впервые проведены прямые измерения времени переноса энергии от ССА на активные РЦ у пурпурных бактерий методом селективной пикосекундной абсорбционной спектроскопии, которое оказалось равным во 15 пксек. При повреждении пигментной системы, как ССА, так и РЦ (в частности, в результате загрязнения окружающей среды) перенос энергии нарушается, что ведет к отмиранию культуры бактерий.
С помощью пикосекундного флуоресцентного спектрохроногра-фа измерено время разделения зарядов в фотоактивных реакционных центрах ПУРПУРНЫХ бактерий Rhodospirillum rubrum, которое
оказалось равным 6 I пксек и не зависело от температуры. При повреждении реакционных центров (в частности, в результате загрязнения окружающей среды, например пестицидами) разделение зарядов в фотохимических реакционных центрах резко нарушается, что ведет к гибели клеток. Это делает реакционные центры фото-трофных бактерий одним из самых чувствительных биосенсоров на широкий спектр загрязняющих окружающую среду веществ.
Практическая значимость. Результаты исследований, включенные в данную работу, были использованы в практической деятельности для следующих целей:
і.Разработка практического пособия по определению состояния окружающей среды по состоянию фотосинтезирующих организмов (в рамках ГНТП "Экологическая безопасного России").
2.Результаты работы использовались при подготовке студентов в Международном университете.
з.Резул? гаты работы использовались в учебном процессе Академии Генерального Штаба МО России.
4.Результаты работы использовались в учебном процессе Российской Академии Государственной Службы при Президенте РФ.
Личный вклад автора вразработку проблемы. Автор осуществлял выбор направления исследований, постановку и решение всех рассматривавшихся задач. Результаты, изложенные в диссертации, получены либо самим автором, либо под его руководством при не-
посредственном участии в разработке методик исследований, проведении экспериментов, обработке и обсуждении результатов, их интерпретация, обобщение и систематизация, а также построение теоретических моделей. Все препараты, использованные в экспериментах, получены руками автора, значительное большинство всех измерений также проведено лично автором. Вклад других соавторов отражен в публикациях по теме диссертации. Автор выражает глубокую благодарность всем коллегам, принявшим участие в совместных работах и в обсуждении полученных результатов.
Апробация работы и публикации. Основные результаты и отдельные положения работы докладывались на yi Всесоюзной конференции по фотоэнергетике растений (Львов, i9so), iv-om Международном Семинаре по переносу энергии в конденсированных средах (Прага, Чехословакия, 1981), і-ом Всесоюзном биофизическом съезде (Москва, 1982), Всесоюзной конференции "Контроль и управление бИОТеХНОЛОГИЧеСКИМИ ПрОЦеССаМИ" (ГОРЬКИЙ, 1985),
iv-ой Всесоюзной межуниверситетской конференции "БИОЛОГИЯ
клетки1' (Тбилиси, 1985), v-ом Международном Семинаре по пере
носу энергии в конденсированных средах (Прага, Чехословакия,
1985), 1-ой Всесоюзной конференции "Современные проблемы био
химии и физико-химической биологии" (Москва, 1985), хі-ом Меж
дународном симпозиуме iupac по фотохимии (Лиссабон, Португа
лия, 1986), vii-ом Международном конгрессе по фотосинтезу
(Провиденс, США, 1986), Всесоюзной конференции "Структурно-
функциональная ор""ііп!яация клеток микроорганизмов" (Пущино,
1987), Всесоюзно!: сренции "Физико-химическая биология и
ОИОТеХНОЛОГИЯ фОТС , tIMX МИКрООрГаНИЗМОВ" (МОСКВа, 1987),
Всесоюзной конференции "Микробиологические мето;1 --.бы с загрязнением окружающей среды (Пущино, 1988), ні .-дународ-ном семинаре "Структура исвойства модельных и:,, .логических мембран" (Дубна, 1989), Всесоюзной конференции "Преобразование световой энергии в фотосинтезирующих системах и их моделях" (Пущино, 1989), vii1-ом Международном конгрессе по фотосинтезу (Стокгольм, Швеция, 1989), Всесоюзная конференция по биоорганической химии (Алушта, 1989), Международной конференции
"Фотосинтез и фотобиотехнология" (Пущино, 1991), и-ом Всесоюзном симпозиуме "Теоретические и прикладные аспекты молекулярной биологии" (Самарканд, 1991), iv-om Международном семинаре "Изучение биологических и липидных мембран, амфифилов методом нейтронного рассеяния (Дубна, 1992), іх-ом Международном конгрессе по фотосинтезу (Нагойя, Япония, 1992), v-ом Российско-Шведском симпозиуме по физико-химической биологии биомембран, биоэнергетике, фотосинтезу (Пущино, 1992), Международном семинаре ЮНЕСКО/ЮНЕП "Промышленные токсичные отходы" (Москва, 1992), Международной конференции стран СНГ "Структурно-функциональная организация фотосинтетических мембран и их моделей" (Пущино, 1993), Международной конференции "Моделирование первичных стадий фотосинтеза" (Пущино, 1993), школе-конференции го биоорганической химии "Фоторецепторы и фитогормоны (Пущино, 1993), Международной конференции "Экология города" (Москва, 1994), Межведомственном научно-методическом семинаре "Загрязнение окружающей среды и здоровье населения экологически неблагополучных территорий" (Москва, 1994), 1-ом Международном
СИМПОЗИуме EERO "ОцеНКЭ ХВДИЧЄСКОГО рИСКЭ" (МОСКВЭ, 1994), НЭ
семинарах в Институте физико-химической биологии им.А.Н.Белозерского МГУ, Института почвоведения и фотосинтеза РАН и на заседании Всесоюзного микробиологического общества.
Основные результаты диссертации представлены в 42 публикациях .
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения,
7 глав, заключения, выводов и списка цитированной литературы. Диссертация содержит Г60 страниц основного текста, зі рисунка, 2 таблиц и списка цитируемой литературы из 469 наименований.