Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 10
1.1. Влияние фосфорорганических соединений на экологическое состояние окружающей среды 11
1.2. Методы изучения биодеградации фосфорорганических соединений 15
1.3. Структура и физико-химические свойства фосфорорганических соединений 18
1.4. Метаболизм и токсикология фосфорорганических соединений 20
1.5. Модификация свойств химических загрязнений в процессе трансформации при очистке сточных и обработке питьевых вод 26
1.6. Влияние фосфорорганических соединений на состав микробиоценоза почвы 31
Глава 2. Материалы и методы 35
2.1. Объекты исследования 35
2.2. Методы исследований 36
2.2.1. Санитарно-экологические исследования 36
2.2.2. Моделирование водных объектов с примесью ФОС и их исследование 37
2.2.3. Исследования проб почвы 39
2.2.4. Определение чувствительности чистых культур бактерий кПД 40
2.2.5. Определение деструкции ПД ФОС 41
2.3 Статистическая обработка результатов 42
Глава 3. Изучение стабильности фосфорорганических соединений и продуктов их трансформации в водных объектах 43
Глава 4. Изучение эффективности водопроводных очистных сооружений в отношении фосфорорганических соединений и продуктов их трансформации 52
4.1. Эффективность отдельных этапов очистки воды, содержащей примеси ФОС 54
4.2. Эффективность очистки воды, содержащей фосфор-органические соединения и продукты их трансформации по оптимальной технологической схеме 67
Глава 5. Санитарно-токсикологические исследования воды, с примесью ФОС, обработанной по оптимальной технологической схеме 70
Глава 6. Влияние ПД ФОС на микробиоценоз почвы 77
6.1. Изучение динамики численности почвенных микроорганизмов в присутствии ПД ФОС 77
6.2. Изучение чувствительности чистых культур почвенных микроорганизмов к ПД 82
6.3. Выделение микроорганизмов - деструкторов продукта дегазации ФОС и определение их деструктивной активности... 86
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 93
ВЫВОДЫ 103
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ЛИТЕРАТУРЫ 105
- Влияние фосфорорганических соединений на экологическое состояние окружающей среды
- Объекты исследования
- Изучение стабильности фосфорорганических соединений и продуктов их трансформации в водных объектах
Введение к работе
Актуальность проблемы. Реализация принятой в России двухстадийной технологии уничтожения запасов химического оружия связана с образованием большого количества твердых, жидких и газообразных отходов, которые значительно превышают массу уничтожаемых веществ и являются потенциальными источниками загрязнения окружающей среды (Шляхтин и др., 1993; 1995, 2004; Куценко и др., 1994; Холстов и др., 1995; Конешова и др., 1997; Кургузкин, 2002; Решетников, 2002; Трубачев и др., 2002; Черных, Сидоренко, 2003; Воронин и др., 2004). Значительный научный и практический интерес представляет экологическая характеристика продуктов дегазации фосфорорганических отравляющих веществ в связи с отсутствием в отечественной и зарубежной литературе данных о закономерностях их превращения в водной среде, почве и специфической биологической активности.
Актуальность выбора объекта исследований обосновывается также приоритетностью по критериям опасности для здоровья населения, поскольку фосфорорганические соединения (ФОС), согласно оценке ВОЗ, являются одними из наиболее опасных ксенобиотиков окружающей среды. Кроме того, известно, что химические ингредиенты, попадая в окружающую среду, в натурных условиях могут трансформироваться, образуя продукты, обладающие иными, чем исходные вещества, органолептическими и токсическими свойствами (часто отдаленными эффектами) (Королев, 1981; Красовский, 1987; Рах-манин, 1988, Елисеев и др., 1992; Луцевич, 2005). Проблема трансформации веществ тесно связана с проблемой системы аналитического контроля. Закономерности процессов трансформации органических соединений под действием физико-химических факторов окружающей среды остаются до настоящего времени малоизученными.
6 Целью настоящей работы явилась экологическая оценка продукта дегазации фосфорорганических веществ и продуктов его трансформации в почве и водных объектах.
Для выполнения этой цели были поставлены следующие задачи: изучить стабильность ПД ФОС и продуктов его трансформации в водных объектах; определить эффективность водопроводных очистных сооружений в отношении ПД ФОС и продуктов его трансформации; дать санитарно-токсикологическую оценку качества воды, содержащей ПД ФОС, обработанной по общепринятой методике и по оптимальной технологической схеме; изучить влияние ПД ФОС на ассоциацию почвенных микроорганизмов; определить чувствительность чистых культур почвенных бактерий к ПД ФОС и отобрать штаммы - потенциальные деструкторы; провести сравнительную оценку экологической нагрузки на окружающую среду ПД ФОС и широко используемого пестицида фосфорорганической природы - трихлорметафоса (ТХМ-3).
Научная новизна. Впервые проведены скрининговые исследования ФОС, принадлежащих к приоритетным классам контаминации окружающей среды. Полученные материалы пополнили банк данных по трансформации фосфорорганических ксенобиотиков в почве и водных объектах.
Показана способность продуктов трансформации ФОС длительно сохраняться в водных объектах в зависимости от активной реакции (рН), ионного состава и уровня минерализации воды.
Установлено, что реагентная обработка воды (хлорирование) сопровождается высокой деструкцией ФОС и образованием продуктов трансформации, относящихся по интенсивности влияния на органолептические качества воды к группе «опасных», а совместное присутствие в воде ПАВ, ФОС и продуктов их трансформации снижает экологическую эффективность водоочистки.
Проведены исследования по экологической оценке безвредности воды, содержащей ФОС и продукты их трансформации, в хроническом санитарно-токсикологическом эксперименте.
Показано влияние ФОС на состояние микробоценоза почвы, рост и развитие чистых культур отдельных почвенных микроорганизмов. Проанализированы возможные пути трансформации ФОС в почве под действием ее микробио-ты.
Практическая значимость. Проведенные исследования показали, что органолептические свойства воды, содержащей ФОВ и продукты их трансформации и прошедшей традиционную обработку в соответствии СНиП 2.04.02-84, улучшались незначительно. Установлено, что общепринятый комбинированный метод не позволяет эффективно очищать примеси ФОВ и получать воду с удовлетворительными органолептическими своствами.
Предложена обработка воды по оптимальной схеме: предварительное хлорирование + коагуляция + отстаивание + фильтрация через двухслойный фильтр или активные угли + вторичное хлорирование, что позволяет нормализовать органолептические свойства воды соответственно требованиям стандартов, снизить токсичность продуктов и исключить попадание остаточных количеств ядохимикатов в питьевую воду. Доказано, что вода, обработанная от продуктов трансформации ФОС по оптимальной технологической схеме, не содержит вредных веществ, обладающих биологической активностью.
Результаты исследований внедрены в учебный процесс кафедры общей гигиены и экологии Саратовского государственного медицинского университета и кафедры микробиологии и физиологии растений Саратовского государственного университета им. Н.Г. Чернышевского.
Основные положения, выносимые на защиту
Научная разработка методической схемы экологических исследований продуктов трансформации ФОС в почве и водных объектах.
Вода, обработанная от продуктов трансформации ФОС по оптимальной технологической схеме, не содержит вредных веществ, обладающих биологической активностью.
Микробоценоз почвы восстанавливается к 30 суткам после воздействия продукта дегазации ФОС за счет процессов деструкции почвенными бактериями.
Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на научных конференциях различного ранга:
III международной научно-практической конференции «Экономика природопользования и природоохраны» - Пенза, 2000; научно-практической конференции с международным участием «Окружающая среда и здоровье» - Саратов, 2002; международной научно-методической конференции «Экология - образование, наука и промышленность» - Белгород, 2002;
II международной научной конференции «Ксенобиотики и живые системы» - Минск, 2003; юбилейной научной конференции, посвященной 90-летию кафедры общей гигиены и экологии СГМУ - Саратов, 2004.
Публикации результатов исследований. По материалам диссертации опубликовано 8 работ.
Структура и объём диссертации.
Диссертация состоит из введения, главы обзора литературы, главы материалов и методов, 4-х глав собственных исследований, обсуждения, выводов, списка использованных литературных источников. Материалы диссертации изложены на 125 страницах текста, включают 19 рисунков и 19 таблиц. Список использованных литературных источников включает 298 наименований, в том числе 87 зарубежных.
Влияние фосфорорганических соединений на экологическое состояние окружающей среды
В настоящее время в России принята двухстадийная технология уничтожения ФОС. На первой стадии осуществляется химическая нейтрализация ФОС, в результате которой образуются реакционные массы. На второй стадии проводится обеззараживание и уничтожение реакционных масс. Стадия химической нейтрализации ФОС сопровождается образованием сточных вод, содержащих продукты разложения этих веществ и остатки нейтрализующих рецептур. На стадии уничтожения реакционных масс получаются газообразные, жидкие и твердые отходы, которые, как уже отмечалось выше, являются потенциальными источниками загрязнения окружающей среды.
Ключевым процессом комплексной технологии биодеградации ФОС является собственно детоксикация веществ, относящихся к производным ал-килфосфоновых кислот (Александров, Емельянов, 1990). Для осуществления детоксикации необходимы прежде всего ферменты, способные осуществлять эффективный гидролиз фосфорорганических соединений с расщеплением связей P-F, Р-О, P-S.
Е. Rainina с соавторами (1994, 1995) было показано, что этими ферментами являются органофосфатгидролазы (ОФГ), наиболее эффективными для детоксикации ФОС из них - кобальтзависимые формы ОФГ. Преимущества ферментативных процессов детоксикации заключаются в следующем: 1) гидролитический процесс может быть осуществлен в нейтральных, слабокислых и слабощелочных средах, при этом вода выступает как единственный нукле-фил, вовлеченный в реакцию; 2) скорости ферментативных реакций весьма широки, в силу чего могут быть достигнуты высокие степени конверсии в ограниченные промежутки времени; 3) ферменты совместимы с любыми биологическими системами, чем обуславливается экологическая безопасность процесса ферментативной детоксикации ХО для территорий, объектов, сточных вод и отходов. Последняя особенность ферментативной нейтрализации позволяет рассматривать её как важное звено любой экологически безопасной технологии детоксикации. Имеющиеся в литературе данные свидетельствуют об успешном использовании ОФГ в условиях биотехнологической детоксикации ФОС. Показано также, что фермент может быть использован в изолированном виде, в клетках микроорганизмов, в иммобилизованном виде, в форме иммобилизованных клеток.
По завершению ферментативной нейтрализации ФОС следует этап полной микробиологической конверсии органических компонентов в смесь метана и диоксида углерода.
Биодеградация органической части ФОС
Накопленные знания в области фундаментальной и прикладной микробиологии, генетической инженерии и инженерной энзимологии дали научно -техническую базу для разработки биотехнологических процессов, обеспечивающих экологически безопасную деградацию ФОС и продуктов их разложения. Биохимическая деградация в применении к ФОС будет представлять собой аэробные и анаэробные процессы, осуществляемые как природными штаммами микроорганизмов, рекомбинантными и мутантными штаммами, активным илом, так и ферментами (Варфоломеев и др., 1995).
Биотехнологический метод уничтожения отравляющих веществ и продуктов их нейтрализации приводит к полной их деструкции и, в зависимости от условий протекания процесса, в качестве конечных продуктов образуются диоксид углерода, метан и вода (Петров и др., 1995).
Мощным процессом биодеградации органических соединений является метаногенный процесс под действием ассоциации микроорганизмов в анаэробных условиях. Базовая химическая реакция может быть представлена в виде уравнения: 4CH3PO(OH)OCH(CH3)2+10H2O = ІЗСН4 + 4Н3Р04 + ЗС02 Анаэробное разложение органических соединений под действием метаногенных микроорганизмов протекает при рН=4 - 10, температуре 5 -60С, процесс может идти от нескольких суток до нескольких месяцев. Удобным источником метаногенных микроорганизмов является гидросмыв животноводческих ферм. Данная стадия процесса бионейтрализации ФОС делает процесс уничтожения ХО полностью необратимым.
Продуктами ферментативной нейтрализации и анаэробной конверсии органических компонентов будут неорганические смеси в виде сульфидов и гидроксидов металлов, растворимых фторидов и фосфатов. Для достижения полной конверсии системы необходимо проведение процесса осаждения фторидов и фосфатов гидроксидом кальция. Продуктом этой реакции являются высокопрочные кальций - фосфатофторидные осадки, близкие по составу к костной ткани и зубной эмали.
Объекты исследования
Комплексные санитарно-гигиенические исследования химических веществ в воде проводились в соответствии с методическими указаниями, утвержденными Минздравом России (Сборники методических указаний, 1997, 1999, 2004). Гигиеническая оценка химических загрязнений проводилась на основе комплексного изучения возможного неблагоприятного их влияния на органолептические свойства воды, процессы естественного самоочищения водоемов, а также на состояние теплокровного организма.
Качественный и количественный анализ концентраций химической контаминации и продуктов их трансформации в воде проводился фотометрическим, спектрофотометрическим, хроматографическим методами. Первичные вещества и продукты их трансформации оценивались по интегральным показателям, исходя из гигиенических критериев вредности. Проводились органолептические исследования характера и степени изменения запаха, привкуса, окраски и пенообразования водных растворов ксенобиотиков.
Влияние химических веществ и продуктов их трансформации на санитарный режим водоемов изучено в трех основных направлениях: исследовалось влияние веществ на процессы биохимического потребления кислорода, минерализации азотсодержащих органических соединений, развития и отмирания сапрофитной микрофлоры водоемов.
Санитарно-токсикологические исследования проводились поэтапно, использовались различные виды лабораторных животных с оценкой наиболее чувствительных систем и функций организма к влиянию химических токсикантов и продуктов их трансформации. Наряду со специфическими методами широко использовались интегральные приемы оценки состояния теплокровного организма. Существенное внимание в санитарно-токсикологических экспериментах уделялось выявлению отдаленных эффектов биологического действия веществ. Санитарно-токсикологические эксперименты проведены на 330 лабораторных животных (белых крысах, белых мышах, морских свинках и кроликах).
При выполнении работы проведено исследований:
? органолептических - 160
? физико-химических-122
? санитарно-токсикологических - 145
Эксперименты проводились на лабораторной модели водоочистных сооружений в условиях, максимально приближенных к естественным. Для очистки воды используются чаще всего общепринятые приемы: первичное хлорирование, коагуляция, отстаивание, фильтрация, вторичное хлорирования. В наших экспериментах была изучена эффективность использования этих приемов по отношению к воде, содержащей продукт дегазации ФОВ или ТХМ в качестве сравнительного химиката. Кроме того, проводилось изучение продуктов трансформации ФОВ, образующихся в процессе обработки воды различными окислителями.
Моделирование продуктов трансформации осуществляли хлорированием воды, содержащей фосфорорганические ядохимикаты в концентрациях от 1 до 10 ПДК. Использовались хлорсодержащие препараты в дозах, рекомендованных СНиП.
Для определения остаточных количеств ФОВ в воде были использованы методы тонкослойной хроматографии (Клисенко и др., 1974; Кремарен-ко, Туркевич, 1978). Учитывая сложный состав и невозможность дифференциации продуктов, их гигиеническая оценка проводилась по органолептиче-ским (запах, кратность эффективных разведений, при которых запах не отмечался) и токсическим (энзимометрическим) показателями.
Энзиматический метод, основанный на способности ингибитора (ФОВ и их оксианалоги) подавлять активность холинэстеразы крови (in vitro), был использован в качестве экспресс-метода количественной оценки эффективности барьерной роли в отношении ФОВ и продуктов их трансформации (по токсическому признаку).
Исследования по гигиеническому изучению безвредности воды в хроническом санитарно-токсикологическом эксперименте. Хронический эксперимент длительностью шесть месяцев проводился на белых крысах. Сорок животных с исходной массой тела 178-180 г были разделены на 4 группы: три опытных и одна контрольная, по 10 крыс в каждой.
Изучение стабильности фосфорорганических соединений и продуктов их трансформации в водных объектах
Стабильность фосфорорганических соединений в воде изучалась рядом авторов (Акимов, Бабич, 1978; Штанников, Подземельников, 1978). Однако данные по стабильности продуктов трансформации ФОП в литературе отсутствуют. Изучение этого вопроса приобретает особую важность в связи с тем, что в процессе водоочистки возможна полная деструкция исходного вещества, исключая наличие остаточных количеств, в то же время образующиеся продукты трансформации могут ухудшать органолептические и сообщать воде токсические свойства.
В наших исследованиях для изучения стабильности продуктов трансформации ФОС в воду вносили ПД и ТХМ в концентрациях, превышающих предельно допустимые в 3-Ю раз, и обрабатывали реагентами, применяемыми на водоочистных сооружениях. При этом отмечено, что озонирование, перманганатное окисление и ультрафиолетовое облучение в общепринятых дозах (соответственно: 0,8-4 мг/л; 4-20 мг/л; 20 Вт-час/мЗ) не оказывали существенного влияния на органолептические свойства воды, содержащей ФОС. Хлорирование в дозах, рекомендованных СНиП (активного хлора 3-6 мг/л, время контакта до 2 часов), напротив, приводило к усилению запаха ПД ФОС. Наблюдаемая при хлорировании деструкция химиката достигала 83,0-94,1 %, а остаточные концентрации ПД в воде составляли 0,03-0,05 мг/л, то есть на уровне ПДК и менее. Дехлорирование гипосульфитом натрия (из расчета 3,5 мг тиосульфата на 1 мг хлора) не приводило к улучшению органо-лептических свойств воды. Следовательно, усиление запаха было обусловлено наличием в воде продуктов хлорирования ПД ФОС. При этом продукты хлорирования ФОС отличались стабильностью, об этом свидетельствует их высокая устойчивость в органолептическом отношении. По классификации Г.Н. Красовского с соавторами (1976), полученные продукты трансформации следует отнести к разряду «опасных». Время снижения интенсивности запаха продуктов хлорирования ТХМ и ПД ФОС в 4-5 баллов до порога восприятия, названное нами «период нормализации запаха», соответственно составляло 7-Ю и 6-7 дней.
Нами изучались также взаимосвязь между свойствами хлорирующих агентов и стабильностью продуктов трансформации. Можно предполагать, что сильные окислители, вызывая деструкцию, могут снижать стабильность; слабые, напротив, приводя к реакциям замещения или присоединения в молекулах первичных веществ, не обладают этим свойством.
В наших исследованиях установлена эта зависимость. Так, например, в процессе хлораммиачной обработки (окислительно-восстановительный потенциал ОВП-400 мВ) ПД ФОС и ТХМ образовавшиеся продукты обладали наибольшей активностью. Период нормализации запаха соответствовал 8 и 12 дням. В то же время под влиянием газообразного хлора (ОВП 700-780 мВ) получались менее стойкие продукты, стабильность которых составляла 5-6 дней (рис. 1).
Данные стабильности трихлорметафоса и продуктов его хлорирования представлены в таблице Изучалось также влияние на стабильность продуктов трансформации ФОС некоторых факторов: активной реакции (рН), ионного состава и уровня минерализации.
Влияние активной реакции воды на стабильность
Как известно, активная реакция (рН) воды колеблется в природных водах в довольно значительных пределах. Кроме того, определенные изменения активной реакции воды могут иметь место при обработке её на водоочистных станциях избыточными дозами реагентов: Al2 (S()4)3 , хлорной извести, жидкого хлора. Для выяснения влияния этого показателя нами были проведены исследования на образцах дистиллированной воды, рН которых моделировался с помощью буферных растворов. Оказалось, что активная реакция среды является фактором, определяющим стабильность продуктов трансформации. Хлорированные ФОС были менее устойчивы в щелочной среде, что, видимо, обусловлено их быстрым гидролизом, и более устойчивы в кислой. Например, период нормализации запаха ПД ФОС, обработанного хлорной известью, в щелочной среде (рН=9) отмечался на 5-й день, а в кислой (рН=5) на 9-й (рис. 2-А и 2-Б). Подобная тенденция ранее наблюдалась для фосфо-рорганических ядохимикатов (Шрадер, 1985). Эти особенности дают возможность рассматривать активную реакцию природных вод, а также изменение этого показателя в процессе реагентной обработки как фактора, оказывающего влияние на стабильность продуктов хлорирования ФОС.
