Введение к работе
Актуальность проблемы. Окружающая среда постоянно пополняется вредными факторами физической, химической, биологической природы. Объективная оценка и прогнозирование опасности загрязняющих веществ возможны только при совершенствовании экоанализа, включающего учет данных химического состояния объектов окружающей среды, постановки модельных экспериментов с использованием биотестов, экстраполяции реакций тест-объектов на природные популяции организмов. Экологическая оценка территорий с использованием биотестирования предусматривает выявление токсических реакций чувствительных тест-систем по летальности, модификационной, мутационной изменчивости, стрессовому ответу. Среди токсикантов мутагены отличаются способностью вызывать все перечисленные формы токсикации. При скрининге мутагенов используются микробные, растительные, животные тест-объекты. В связи с прогрессирующим техногенным загрязнением биоресурсов слабыми мутагенами все большую актуальность приобретает проблема отдаленных последствий подобного воздействия. Распространение малых концентраций мутагенов увеличивает число онкозаболеваний среди населения, число неопухолевых форм отдаленной патологии (развитие катаракты, пневмо- и нефросклероза, ослабление эластичности кожи, различные нейродистрофические расстройства), в том числе и нарушений нейроэндокринной регуляции, снижающих адаптивные возможности организма. На уровне эмбриональных клеток даже одиночный клеточный дефект может привести к нарушениям развития, тератогенезу. Данная проблема связана и с ускоренным старением, бесплодием, смертью в первом поколении (Бочков, Чеботарев, 1989; Дубинин, 1990; Москалев, 1991; Бычковская и др., 2003, 2007; Турзин, Ушаков, 2007 и др.). Появление новых экспериментальных данных, развитие теории эпигенетической наследственности и изменчивости признаков (Chandler et al., 2000; Голубовский, 2000; Чураев, 2000; Васильев, 2000, 2004, 2005, 2009; Гродницкий, 2001; Назаренко, 2002; Жерихин, 2003; Шишкин, 2006; Bird, 2007; Chandler, 2007; Жерихин и др., 2008) выявили необходимость разработки теоретических основ и технологий интегрированного биотестирования поллютантов с учетом их способности вызывать генетические и эпигенетические изменения в биообъектах.
Источниками формирования повышенного мутагенного фона являются и тяжелые металлы в составе выбросов предприятий. Существует практика утилизации сточных вод предприятий на земледельческих полях орошения. При этом авторы подобного решения, основанного на экономии финансовых вложений предприятия, трудоемкости строительства очистных сооружений и т.д., ссылаются на внедрение технологий рационального использования водных ресурсов. Так, сточные воды Оренбургского газохимического комплекса (ОГХК) используются для полива кормовых культур на земледельческих полях орошения (ЗПО) с 1974 г. В процессе переработки газа на ОГХК ежегодно образуется до 4 млн. м3 биологически очищенных сточных вод, которые утилизируются на площади 1670 га. Мониторингом почв, растений и качества животноводческой продукции занимались ученые Оренбургского государственного аграрного университета с 1974 года, практически с первых лет существования ЗПО. Мониторинг первых 10 лет показал тенденцию к микроэлементному загрязнению почв и кормов, прогнозировался риск прогрессивного засоления почв за счет использования высокоминерализованных вод предприятия с повышенным содержанием ионов натрия и хлора (Иоаниди и др., 1977, 1978, 1979, 1980, 1982, 1986).
Загрязнения микроэлементной природы являются одной из важных сторон возрастающей агрессивности внешней среды, что декларируется экспертными комитетами ВОЗ и в многочисленных публикациях. Последствиям техногенного загрязнения территории в зоне влияния ОГХК уделялось внимание многих специалистов региона (Блохин, 1997; Блохин, Грошев, 2003; Боев, Быстрых, Верещагин и др., 2003; Калиев, 1990, 1991, 1993, 1995, 1996, 2009; Сетко, Скрипко, 2005; Макшанцев, 2008). Большинство авторов связывает риск микроэлементного загрязнения почв, грунтовых вод, растениеводческой и животноводческой продукции с развитием газоперерабатывающей промышленности. Однако комплексного экологического анализа территории в зоне влияния газоперерабатывающего предприятия с учетом реакций биосистем на нарастающий микроэлементный фон не проводилось.
В связи с этим в диссертационном исследовании решается проблема разработки методологических основ и технологии комплексного биотестирования потенциальных загрязнителей с учетом их способности вызывать генетические и эпигенетические изменения в биообъектах.
Цель и задачи исследований. Целью наших исследований являлась разработка интегрированной системы оценок экологического состояния территории, подверженной микроэлементному загрязнению, на основе биотестирования поллютантов и экоанализа зоны техногенного воздействия газоперерабатывающего предприятия.
Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
-
Исследовать химическое состояние сточных вод Оренбургского газохимического комплекса, почв земледельческих полей орошения в динамике, выявить приоритетные загрязнители, подобрать блок тест-систем для скрининга генетически активных веществ и индукторов эпигенетической изменчивости.
-
Выявить компоненты сточных вод и почв ЗПО с учетом микроэлементного состава, способные индуцировать мутации и эффекты последействия, в натурных исследованиях и модельных экспериментах.
-
Разработать систему комплексной эколого-генетической и эпигенетической оценки воздействия микроэлементов окружающей среды.
-
Анализ экспериментальных данных и разработка условий экстраполяции для прогнозирования отдаленных последствий воздействия сточных вод на микробные, растительные и животные объекты.
Научная новизна. На основании многолетнего мониторинга и экоанализа, с применением традиционных и оригинальных методов биотестирования установлена микроэлементная природа мутагенной и эпигенетической активности выбросов газоперерабатывающей промышленности и риск развития микроэлементозов в популяциях растительных и животных организмов, находящихся в зоне влияния газоперерабатывающего предприятия. Выявлено, что основу мутагенной и эпигенетической активности сточных вод ОГХК и почв ЗПО составляют соединения никеля, цинка и меди. Показана перспективность использования фитотестов для выявления индукторов цито- и морфофизиологических нарушений, а также внутрипопуляционных реакций растений на загрязнение окружающей среды; рекомендованы наиболее удобные и практичные из них. Разработаны новые способы биотестирования воды, почвы, биологически активных веществ, позволяющие проводить экспресс-диагностику способности поллютантов вызывать отдаленную патологию у многоклеточных организмов, потенциальные дестабилизирующие изменения в фитопопуляциях, а также повысить объективность оценки токсикантов за счет интегрированного учета индукции цито- и морфофизиологических нарушений в фитотестах (Патенты на изобретение RU № 2319959; RU № 2322669). На основании полученных данных предложены новые способы эпигенетической оценки индукторов отдаленных последствий воздействия, включающие учет проявлений нестохастической наследуемой клеточной летальности на дрожжах-сахаромицетах и клеточных структурно-метаболических изменений в фитотестах. Разработана и использована система комплексной эколого-генетической и эпигенетической оценки поллютантов, включающая применение тест-объектов от микроорганизмов до млекопитающих, учет индуцированных мутаций, морфозов, модификаций, а также анализ взаимодействия компонентов загрязнителя в модельных экспериментах, что позволило выявить реальную опасность слабых доз мутагенов техногенного происхождения как индукторов эффектов последействия в онтогенезе и в репродукциях.
Положения, выносимые на защиту:
-
Использование сточных вод газоперерабатывающего предприятия для получения растениеводческой продукции привело к накоплению и повышению содержания микроэлементов в почвах и растениях до токсичных концентраций, что свидетельствует о недопустимости дальнейшей эксплуатации ЗПО для доочистки сточных вод ОГХК и получения кормов.
-
Основу мутагенной и эпигенетической активности сточных вод Оренбургского газохимического комплекса и почв земледельческих полей орошения составляют соединения никеля и меди.
-
Комплексное биотестирование, включающее учет традиционных генетических и предложенных новых методов эпигенетической оценки индукторов отдаленных последствий воздействия, позволяет дать объективную оценку загрязнителям и рекомендовать использование этих методов в структуре экологического мониторинга.
-
Прослеженная цепочка миграции микроэлементов от загрязняемых в процессе орошения почв к растениям ЗПО ОГХК, а также результаты экспериментов, проведенных на растительных и животных объектах, позволяют прогнозировать в зоне влияния ОГХК развитие патологий по типу микроэлементозов.
Практическая значимость. Полученные на основании обобщения 30-летний опыта утилизации сточных вод газохимического производства и результатов мониторинга состояния загрязненных почв с момента определения тенденций к микроэлементному загрязнению до установления факта загрязнения почв ЗПО солями никеля по нормам ОДК (по ГН 2.1.7.020-94) данные, позволили выявить новые закономерности и биологическая обусловленность реакции биосистем на техногенное воздействие. Результаты диссертационного исследования включены в Государственный доклад Комитета по охране окружающей среды и природных ресурсов Оренбургской области за 2008 г.; доведены до сведения администрации ОГХК (акт о внедрении № 1) и являются научным обоснованием перспективы реконструкции очистных сооружений и внедрения технологий замкнутого цикла водопотребления. Разработанные методы биотестирования внедрены в комплексный мониторинг окружающей среды зоны влияния ОГХК (акт внедрения № 2), в систему почвенного мониторинга и токсикологической оценки препаратов сельскохозяйственного назначения в учебном опытном хозяйстве Оренбургского государственного аграрного университета и хозяйствах Оренбургской области (акты о внедрениях №№ 3-9) и используется в системе подготовки кадров (Методические рекомендации). Использование разработанных способов биотестирования вод, почв, биологически активных веществ в экологических лабораториях предприятий позволяет дать объективную оценку опасности загрязнителей и качеству природоохранных мероприятиям, а также выявить эффективные агротехнологии, сохраняющие генофонд ценных популяций растений и способствующие экологизации производства. Итоги многолетней исследовательской работы были представлены во Всероссийском Выставочном Центре (ВВЦ, г. Москва) в 2005 г., автор награжден нагрудным знаком «Участник ВВЦ».
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены, обсуждены и одобрены на 13 научно-практических конференциях ученых и специалистов (Самарканд, 1986; Оренбург, 1995, 1997, 1998, 2001-2003; Челябинск, 2002; Санкт-Петербург, 2002; Уфа, 2006; Екатеринбург, 2007), на 4 Международных конференциях и симпозиумах (Ставрополь, 2002; Оренбург, 2003, 2004; Курган, 2008), XXVII Российской научно-практической школы «Наука и технологии. Секция Новые технологии» (Екатеринбург, 2007).
Публикации. По теме диссертации опубликовано: 12 научных статей в журналах, рекомендованных ВАК РФ для публикации основных результатов диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук, 39 научных статей в других периодических изданиях и сборниках, два патента РФ на изобретение.
Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 281 странице машинописного текста и состоит из введения, обзора литературы, главы с описанием материала и методов исследования, трех глав собственных исследований, заключения, выводов, списка литературы, включающего 408 источников, из которых - 130 иностранных. Текст иллюстрирован 40 таблицами, 33 рисунками. Диссертация содержит приложения на 28 страницах.
Объектом экоанализа и биотестирования настоящей исследовательской работы являлись сточные воды ОГХК и почвы ЗПО ОГХК. Исследования осуществлялись в соответствии с научно-технической программой «Дать оценку изменениям наземных и водных экосистем в условиях антропогенного воздействия» (№ ГР 08501080202), с межведомственной координационной программой РАСХН «Агропатологический мониторинг и практические приемы комплексной защиты сельскохозяйственных культур от болезней, вредителей и сорняков в степной зоне Южного Урала. Разработка растительных тест-систем для токсикогенетической оценки вод, почв, биологически активных веществ» (№ ГР 01200105539).
