Введение к работе
Актуальность работы.
В 1996 году ЮНЕСКО внесло озеро Байкал в Список участков мирового природного наследия, тем самым мировое сообщество признало озеро уникальным природным феноменом, имеющим важное значение для всего человечества.
Для сохранения озера необходимо знать современный уровень загрязнения озера вредными веществами. Особую опасность для экосистемы озера представляют стойкие органические загрязнители (СОЗ). Это, в основном, галогенированные органические соединения, синтезированные в промышленных целях или соединения, спонтанно синтезирующиеся в процессах химического синтеза (побочные продукты) или горения. Особенностью этих соединений является высокая токсичность для биоты, высокая устойчивость к фотолитическому, химическому и биологическому разложению. Они характеризуются низкой растворимостью в воде и' хорошей растворимостью в жирах, что приводит к биоаккумуляции в жировых тканях организмов.
В настоящее время из примерно 60 тысяч особо опасных химических веществ были выбраны 12 стойких органических загрязнителей, которые наиболее опасны для человека и окружающей среды. Эти 12 СОЗ получили название «грязная дюжина». В мае 1995 года список 12 СОЗ утвержден решением № 18/32 Совета управляющих ЮНЕП (СОЗ, 2003).
Для байкальского региона актуальны исследования содержания в природе пестицида ДЦТ и изомеров пестицида ГХЦГ, относящихся к «грязной дюжине». Эти пестициды широко использовались как инсектициды в сельском хозяйстве и для борьбы с вредителями леса. Для региона также характерно загрязнение акваэкосистем хлорфенолами и фенолом (оксибензолом). Байкальский целлюлозобумажный комбинат (БЦБК) является крупнейшим поставщиком в озеро Байкал крайне опасных токсикантов - полихлорированных фенолов. БЦБК располо-
жен непосредственно на берегу озера, а сброс сточных вод происходит прямо в озеро. Хлорфенолы крайне токсичны для гидробионтов, а также обладают мутагенным и канцерогенным воздействием. Фенол (ок-сибензол), несмотря на отсутствие в структуре атомом хлора, также является токсичным для гидробионтов загрязнителем. Фенол поступает в окружающую среду при сгорании на тепловых станциях органиче-' ского топлива, при работе газогенераторных станций, со стоками целлюлозно-бумажных и деревообрабатывающих производств.
Полиароматические углеводороды (ПАУ), также можно отнести к токсичным СОЗ, поскольку ПАУ с большим числом ароматических колец также устойчивы в природе. ПАУ являются наиболее токсичными соединениями, входящими в состав нефти и нефтепродуктов. Огромное количество ПАУ выбрасывается в окружающую среду в регионе при производстве алюминия (сгорание электродов при электролизе).
Поэтому важной проблемой, на наш взгляд, является выявление источников поступления в бассейн озера Байкал токсичных СОЗ.
Крайне высокая токсичность СОЗ для акваэкосистем, а также способность аккумулироваться и достигать высоких концентраций в конечных цепях трофической цепи (байкальская нерпа) с необходимостью определяет СОЗ как приоритетные загрязнители для озера Байкал, а байкальская нерпа является чувствительным индикатором загрязнения СОЗ озера.
Известно, что большинство СОЗ разлагаются в окружающей среде микроорганизмами, но скорость разложения мала, поскольку природные микроорганизмы не в достаточной мере выработали способность к кагаболизму, к биодеградации этих чуждых природе веществ. Повысить скорость биодеградации СОЗ в природных экосистемах и в сточных водах предприятий, содержащих СОЗ, можно с помощью селекции микроорганизмов или создания микроорганизмов с помощью генной инженерии. Но согласно Федеральному закону Российской Федерации «О государственном регулировании в области генно-инженерной деятельности» генетически модифицированные микроорганизмы нельзя
ингродуцировать в окружающую среду. Запрещает интродукцию живых организмов, не свойственных экосистеме озера Байкал и его бассейну, и Федеральный закон «Об охране озера Байкал». Следовательно, ускорить биодеградацию СОЗ в бассейне озера возможно лишь с помощью аборигенных микроорганизмов, адаптированных к конкретным СОЗ.
Большую проблему для региона представляют склады запрещенных к использованию пестицидов и других ядохимикатов. Только в ООО «Саянтуй-Сервис» (Тарбагатайский район Республики Бурятия), хранится в неприспособленных складах более 140 тонн пестицидов и ядохимикатов. Это только в одном земледельческом районе региона. Поэтому проблема утилизации (обезвреживания) этих веществ требует исследований. Очевидно, что утилизация с использованием высокотемпературных печей, плазменных установок требует больших затрат. Поэтому биодеградация этих веществ с использованием микроорганизмов представляет наиболее дешевый и эффективный способ. Следовательно, исследование закономерностей биологической деструкции фенола и его хлорпроизводных, как крайне токсичных акваполлютан-тов, крайне важно для оценки состояния бассейна озера Байкал, а полученные данные в перспективе позволят совершенствовать биодегра-дативные методы защиты экосистем бассейна. Цель и задачи исследования.
Целью работы является определение современного уровня загрязнения водных экосистем бассейна озера Байкал стойкими органическими загрязнителями, установление закономерностей динамики контаминации СОЗ этих экосистем, научное обоснование методов биодеградации стойких органических загрязнителей для защиты окружающей среды в бассейне озера Байкал.
Для реализации заявленной цели решались следующие задачи:
- определение уровней загрязнения экосистем бассейн озера Байкал стойкими органическими загрязнителями;
идентификация источников поступления стойких органических загрязнителей в бассейн озера Байкал;
определение закономерностей распределения пестицидов и по-лихлорированных бифенилов (ПХБ) по глубине в керне мелководья озера Байкал;
сравнение уровней загрязнения СОЗ байкальской нерпы в 1992 г. и в 2002 г.;
определение петрогенной и пиролитической природы поли-ароматичееких углеводородов по соотношениям индивидуальных соединений;
установление антропогенного и природного происхождения хлорфенолов по соотношениям Индивидуальных соединений;
определение источников происхождения фенола в природных водах притоков озера Байкал;
определение деструктивной активности (по разложению фенола) органотрофных микробиоценозов водных экосистем бассейна озера Байкал;
выделение культур с наивысшей способностью к деструкции фенола;
выделение культур из пруда-аэратора БЦБК с наивысшей способностью к утилизации хлорфенолов и установление закономерностей биодеградации хлорфенолов;
определение перспективности применения выделенных культур для эффективной очистки стоков БЦБК при концентрациях хлорфенолов до 10 мг/л;
обобщение опьпа выделения культур с высокой деструктивной способностью для биодеградации других стойких органических соединений.
Научная новизна работы.
Впервые получены данные о степени загрязнения бассейна озера Байкал стойкими органическими загрязнителями - хлорорганическими пестицидами, полихлорированными бифенилами, полиароматическими
углеводородами, хлорфенолами.
Идентифицированы источники поступления стойких органических загрязнителей для разных классов соединений.
Для байкальской нерпы установлено понижение уровня загрязнения СОЗ за последние 10 лет.
В керне донных отложений мелководья озера Байкал определены уровни содержания СОЗ.
Определены характеристики биодеградации фенола природными сообществами водных экосистем бассейна озера Байкал.
Выявлены закономерности биодеградации хлорфенолов выделенными культурами-деструкторами хлорфенолов. Практическая значимость работы.
Определена степень контаминации водных экосистем бассейна озера Байкал стойкими органическими загрязнителями, материалы исследований вошли в «Ежегодные доклады о состоянии окружающей среды в Республике Бурятия» 1998 - 2004 г.г. и «Ежегодные доклады Правительственной комиссии по Байкалу» 1999 - 2004 г.г.. Результаты исследований вошли в нормативные документы по охране окружающей среды на Байкальской природной территории - «Нормативы предельно допустимых вредных воздействий на уникальную экологическую систему озера Байкал» и «Перечень веществ, вредных для экосистемы озера Байкал». Выделены культуры с высокой деградативной способностью фенола и хлорфенолов, которые могут быть использованы для обезвреживания промышленных стоков. Апробация работы.
Основные результаты работы были представлены и обсуждены на международных конференциях: «International Baikal Conference 1999» (Schneverclingen, Germany, 1999), "Экология Сибири, Дальнего Востока и Арктики" (Томск, 2001), V International Congress "Water: Ecology and Technology" (ECWATECH-2002), (Moscow, 2002), "Селенга - река без границ" (Улан-Удэ, 2002), International Baikal Symposium on Microbiology (IBSM-2003) «Microorganisms in Ecosystems of Lakes, Rivers and
Reservoirs» (Irkutsk, 2003), International Ecologic Forum "Environment and Human Health" (St. Petersburg, 2003); на всероссийских конференциях: Всероссийских научных чтениях с международным участием, посвященных 70-летию со дня рождения члена-корреспондента АН СССР М.В. Мохосоева (Улан-Удэ, 2002), X Всероссийской научно-практической конференции "Экология и проблемы охраны окружающей среды" (Красноярск, 2003); на региональных научных конференциях: "Природные ресурсы Забайкалья и проблемы природопользования" (Чита, 2001), «Экологические и гидрометеорологические проблемы больших городов и промышленных зон» (Санкт-Петербург, 2002). Результаты исследований также обсуждались на семинарах Центра экологических исследований (г. Лейпциг, Германия, 2000), Центра морских исследований Эхимэ университета (Япония, 2004). Публикации.
Материалы диссертации опубликованы в 44 работах (в том числе в аналитическом обзоре). Объем и структура.
Диссертация состоит из введения, 8 глав, выводов, списка использованных источников, включающего 259 источников, в том 179 иностранных. Работа изложена на 225 стр., включая 43 таблицы, 44 рисунка. Основные положения, выносимые на защиту.
загрязнение бассейна озера Байкал стойкими органическими загрязнителями относительно небольшое, сравнимо с загрязнением арктических районов;
источники поступления стойких органических загрязнителей в бассейн озера Байкал следующие:
глобальный атмосферный перенос вносит в бассейн озера пестициды ГХБ, пентахлорфенол;
региональный атмосферный перенос вносит/в бассейн озера пестицид ДДТ;
локальные источники поступления у пестицида ГХЦГ, хлорфенолов, ПХБ и ПАУ;
распределение пестицидов и ПХБ по глубине в керне мелководья озера Байкал зависит от возраста отложений;
уровень загрязнения СОЗ байкальской нерпы за период 1992 -2002 г.г. существенно уменьшился и тенденция уменьшения соответствует мировым тенденциям;
соотношения индивидуальных соединений ПАУ определяют петрогснную или пиролитическую природу этих соединений;
соотношения ЕТХФ/ЕДХФ и 2ТХФ/2-ХФ могут быть использованы для установления природы хлорфенолов;
деструктивная активность (по разложению фенола) органо-трофных микробиоценозов водных экосистем в дельте р. Селенга на порядок выше, чем в экосистемах самой реки;
микроорганизмами-деструкторами фенола, как в природных экосистемах, так и в отстойнике сточных вод, являются бактерии, отнесенные к роду Pseudomonas sp.;
способность выделенных культур из пруда-аэратора БЦБК утилизировать хлорфенолы увеличивается в ряду 2-хлорфенол < 4-хлорфенол < 2,4-дихлорфенол. Вьщеленные культуры отнесены к роду Rhodococcus sp;
вьщеленные культуры применимы для эффективной очистки стоков БЦБК при концентрациях хлорфенолов до 10 мг/л.