Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 13
1.1 Современное состояние проблемы техногенного загрязнения почв северных регионов России 13
1.2 Анализ подходов и методов биоиндикации экологического состояния почв в техногенных условиях 22
1.3 Микромицеты как объект экологического мониторинга 30
1.4 Аллергенные плесневые грибы и их роль в сенсибилизации населения промышленных регионов 37
1.5 Математические методы оценки воздействия вредных факторов окружающей среды на здоровье населения северных регионов России 53
Глава 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 63
2.1 Характеристика объектов исследования 63
2.1.1 Характеристика территорий промышленных регионов 63
2.1.2 Характеристика населения промышленных регионов 66
2.2. Методы исследования 74
2.2.1 Определение валовых и подвижных форм тяжелых металлов в почве 74
2.2.2 Метод анализа видового состава почвенных микромицетов и оценки изменения структуры комплексов микроскопических грибов под влиянием антропогенных факторов 75
2.2.3 Определение структуры сообществ грибов методом инициированного микробного сообщества 77
2.2.4 Определение ферментативной (трансформационной активности) микромицетов почв 77
2.2.5 Определение этиологической значимости микромицетов в развитии аллергических состояний у жителей промышленных регионов севера России 78
2.2.6 Методика проведения анализа заболеваемости населения промышленных регионов 81
2.2.7 Методы математико-статистической обработки данных 82
Глава 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОВЕДЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 84
3.1 Почвенные грибы промышленных регионов Севера России и их реакция на загрязнение почв химическими поллютантами 84
3.1.1 Исследование содержания химических поллютантов в почвах промышленных регионов Севера России и их влияние на экологическую обстановку этих территорий 84
3.12 Почвенные грибы Норильского промышленного района, север Красноярского края РФ (Таймыр) 90
3.1.3 Почвенные грибы Мончегорского промышленного района 92
3.1.4 Почвенные грибы Череповецкого промышленного района 96
3.1.5 Динамика изменения видовой структуры и состава комплексов микроскопических грибов при антропогенных воздействиях 99
3.2 Определение значимости параметров микобиоты при экологической
оценке загрязнений наземных экосистем (на примере модельного эксперимента). Возможности использования этих параметров для мониторинга почв промышленных регионов севера 122
Глава 4. ІІЕГАГИВНЬШ ПОСЛЕДСТВИЯ АНТРОПОГЕННЫХ ИЗМЕНЕНИЙ КОМПЛЕКСОВ ПОЧВЕННЫХ МИКРОСКОПИЧЕСКИХ ГРИБОВ 142
4.1 Антропогенные изменения трансформационной активности почв 142
4.2 Характеристика уровня контаминации почв промышленных регионов Севера России грибковыми аллергенами 155
4 4.3 Микосенсибилизация и микоаллергия у жителей промышленных регионов Российского Севера 163
4.4 Математическое моделирование при оценке экологической ситуации промышленных регионов 172
4.5 Эколого - эпидемиологическая оценка заболеваемости населения промышленных регионов Севера России 195
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 211
ВЫВОДЫ 221
ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ 224
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 226
ПРИЛОЖЕНИЕ 265
- Современное состояние проблемы техногенного загрязнения почв северных регионов России
- Характеристика объектов исследования
- Почвенные грибы промышленных регионов Севера России и их реакция на загрязнение почв химическими поллютантами
Введение к работе
Загрязнение густонаселенных промышленных регионов химическими поллютантами продолжает увеличиваться. Так, экологическая обстановка ряда северных регионов, в частности, полуострова Таймыр, Кольского полуострова и Вологодской области обусловлена в основном аэротехногенным загрязнением выбросов предприятий металлургии [1,2,3]. Платой человечества за высокие темпы развития химической индустрии является существенный рост общей заболеваемости, инвалидности, смертности.
Парадоксальным кажется то обстоятельство, что рост общей заболеваемости в промышленных регионах наблюдается даже при соблюдении регламентов содержания химических соединений во внешней среде. Этот рост является результатом влияния комплекса неблагоприятных факторов. В настоящее время проблема установления связи между воздействием факторов окружающей природной среды и состоянием здоровья населения является актуальной и сложной. Над ней работает большинство ведущих медицинских научно-исследовательских учреждений страны. Важным аспектом данной проблемы является определение экологической обусловленности заболевания человека, выявления факторов риска нарушений состояния здоровья у отдельного индивидуума, определенной группы лиц и населения в целом. По данным экспертов ВОЗ (2003 г.) 23% всех заболеваний и 25 % случаев рака обусловлено воздействием факторов окружающей среды [4,5,6]. Для решения данной проблемы проводится гигиенический мониторинг техногенного загрязнения среды обитания населения, который нацелен, прежде всего, на определение уровня загрязнения экотоксикантами объектов окружающей среды. Оценка уровня загрязнения окружающей среды в этом случае производится по степени превышения поллютантов в исследуемых объектах над их ПДК или природными (фоновыми) содержаниями, определенными для районов, не подвергающихся загрязнению [7 - 9]. При этом разработанные для некоторых экотоксикаитов, например, металлов ПДК и оценочные шкалы
7 опасности загрязнения являются относительными и не отражают достаточно объективно остроты экологической ситуации. Эффективность мониторинга можно значительно увеличить, если кроме данных о величине техногенной нагрузки иметь информацию о её воздействии на биоту. Биотическая концепция экологического контроля базируется на фундаментальных трудах С.С. Шварца, Г.В. Добровольского, Д.Г. Звягинцева и др. [10-13]. В результате техногенного изменения свойств биоты она сама становится фактором риска для здоровья населения. К числу безусловных факторов риска можно отнести биологические факторы аллергизации населения.
На сегодняшний день грибковая аллергия в условиях химической нагрузки наиболее слабо изучена, как и динамика накопления в окружающей среде потенциально патогенных грибов в связи с экологическими ситуациями. Таким образом, целью настоящей работы является: комплексное исследование основных закономерностей и последствий изменения сообществ микроскопических грибов в наземных экосистемах, испытывающих техногенную нагрузку и разработка научных основ конструирования тест систем для оценки значимости микромицетов в сенсибилизации населения промышленных регионов.
Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:
Дать характеристику уровня загрязнения почв выбросами металлургических комбинатов Норильского, Мончегорского и Череповецкого промышленных районов.
Выделить и изучить структуру сообществ видов микромицетов в почвах,
подверженных воздействию промышленных выбросов; определить общие тенденции изменений таксономических и трофических групп грибов в условиях техногенного воздействия и выявить грибы-биоиндикаторы экологического состояния почв.
3. Провести статистический анализ динамики развития микоаллергозов
8 населения техногенных регионов российского Севера.
4. Выявить роль «техногенных» видов грибов в патогенезе аллерги-
ческих заболеваний.
5. Разработать алгоритм мониторинга экосистем промышленных регионов
для оценки и прогнозирования риска развития аллергических заболева
ний населения этих регионов.
Научная новизна
Впервые эколого-геохимическим методом проведена оценка уровня загрязнения почв промышленных центров севера России по широкому спектру элементов « 10 » с учетом специфики действующих промышленных предприятий. Выявлены зоны активного воздействия промышленных предприятий определены приоритетные элементы.
Впервые дана характеристика биотического состава (более 150 видов) почвенных грибов ранее мало исследованных северных регионов России. Проведено сравнение структурно - функциональной организации сообществ микромицетов в почвах различного зонального ряда и относящихся к отличным почвенно-климатическим регионам.
Впервые дана характеристика ответной реакции почвенной микобиоты, испытывающей техногенные нагрузки: ингибирование, нейтральная реакция, активация и индуцибельная реакция. Установлены сходные тенденции формирования «антропогенного» комплекса грибов в загрязненных почвах различного зонального ряда.
Проведено приоритетное исследование функциональной активности микобиоты на примере разложения растительного материала, что позволило представить механизм формирования «антропот енного» комплекса грибов в почвах под влиянием экотоксикантов.
Впервые теоретически обоснована и на большом информационном массиве подтверждена роль грибов в развитии аллергических заболеваний населения
9 промышленных регионов Севера России. Введен новый показатель - «уровень контаминации грибковыми аллергенами» почв этих регионов.
Сформулированы и детально апробированы основные этапы алгоритма мониторинга экосистем промышленных регионов с учетом как уровня контаминации их ксенобиотиками так и «уровня контаминации грибковыми аллергенами».
Практическая значимость и реализация результатов работы. Установлены тенденции изменения сообщества микроскопических грибов в почвах под влиянием антропогенных воздействий и выявлены грибы-биоиндикаторы реакции микробной системы на антропогенные воздействия.
Дана оценка «уровня контаминации грибковыми аллергенами» почв
северных регионов России и его этиологической значимости в
распространенности аллергических заболеваний жителей этих регионов.
Предложен алгоритм мониторинга экосистем промышленных регионов севера России с целью определения уровня риска и анализа внутренних условий развития грибковой аллергии.
Теоретические разработки и практические рекомендации исследования используются в учебном процессе кафедр: микробиологии, гигиены, эпидемиологии и в научных исследованиях Ботанического института им. В.Л. Комарова, НИИЦ (МБЗ) ГНИИИ ВМ МОРФ. Работа выполнена в соответствии с тематическими планами научно - исследовательской работы ГВМУ МО РФ: «Исследование проблем экологической безопасности ВС РФ в мирное и военное время» 2. 99. 104. п 7 «Антиквар»». Положения, выносимые на защиту-
1. Результаты исследования изменения структурно-функциональной организации сообществ микромицетов в почвах северных регионов России, подверженных загрязнению, которое выражается в формировании «антропогенного» комплекса грибов в загрязненных
10 почвах различного зонального ряда.
2. Биоиндикационные показатели уровня воздействия экотоксикантов
на наземные экосистемы, которые характеризуются индикаторными
видами грибов, отражающие четыре варианта реакции микробной
системы на изменение экологических условий: ингибирование,
нейтральная реакция, активация и индуцибельная реакция.
Показатель санитарно - гигиенического состояния почв - «уровень
контаминации грибковыми аллергенами», отражающий степень
влияния грибов на развитие заболеваний органов дыхания населения
промышленных регионов.
3. Научно - методические основы конструирования диагностической
тест-системы на основе ИФА для оценки этиологической значимости
микромицетов «антропогенного комплекса» в аллергизации
населения севера России.
4. Алгоритм микологического мониторинга почв промышленных
регионов.
Автор вырыжает благодарность своим учителям: д.б.н. Коневу Ю.Е., д.б.н. Виноградову Е.Я., проф., д.м.н. Сбойчакову В.Б., к.б.н. Лебедевой Е.В. за постоянную помощь и поддержку при выполнении диссертационной работы и ценные замечания, сделанные при ее обсуждении; своим коллегам: д.м.н. Григорьеву С.Г. за большую помощь в математической обработке результатов; проф., д.м.н. Лопатину С.А., к.м.н. Иванову A.M. за помощь и советы. Моя искренняя благодарность зам. директора Управления здравоохранения Братчику А.С. и зам. Главн. врача Апатитной центральной городской больницы Мамченкову В.В.
Апробация работы
Результаты исследования были представлены на Международных научных конференциях: «Selection of fungi for degradation processes» (Vilnius, 1995); «Ноология, экология ноосферы, здоровье и образ жизни» (С.-Петербург, 1996); «Ecological effects of microorganism action» (Vilnius, 1997); «Diversity of microbial species and regulation of their activity» (Vilnius, 1999); «Современные проблемы микологии, альгологии и фитопатологии» (Москва, 1998); «Микология и криптогамная ботаника в России» (С.-Петербург, 2000); «Современные проблемы органической химии, экологии и биотехнологии» (Луга, 2001); «Производство. Технология. Экология. ПРОТЭК 2002» (Москва, 2002); «Организация системы управления природными ресурсами и повышение эффективности экологической безопасности» (С.-Петербург, 2004); Международных симпозиумах: «Fourth International symposium on cold region development» (Finland, Espoo,1994); «International symposium on chromatography and mass spectrometry in environmental analysis, ISCMS 94», (St. Petersburg, 1994); « 18 lh International specialized symposium on yeast» (Slovenia, 1997); «Sixth International mycological congress IMC6» (Jerusalem, 1998); «International symposium on chromatography and spectroscopy in environmental analysis and toxicology1'( St. Petersburg, 1996); съездах: «Современная микология в России» (Москва, 2002); VIII съезд Итало - Российского общества по инфекционным болезням «Проблема инфекции в клинической медицине» (С.-Петербург, 2002); «Успехи медицинской микологии» (Москва, 2003,2004); научно - практических конференциях: «Интродукция микроорганизмов в окружающую среду» (Москва, 1994); «Экология. Безопасность жизни, АПЕЛЛ» (С- Петербург, 1994); «Биологически активные соединения: способы получения, промышленный синтез и применение» (Пенза, 1995.); «Биологические проблемы экологического материаловедения» (Пенза, 1995); «Современные достижения биотехнологии» (Ставрополь, 1996); «Экологические и генетические аспекты флоры и фауны Центральной России» (Белгород, 1996, 1998);
12 «Сохранность и доступность» (Москва, 1998); «Растения, микроорганизмы и среда» (С.-Петербург, 2000); «Современная микробиология - клинической медицине и эпидемиологии» (С.-Петербург, 2003).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 69 научных работ. Структура и объем работы. Диссертация изложена на 288 страницах машинописного текста, состоит из введения, 4 глав, заключения, выводов и приложения, включает 74 таблицы и 33 рисунка. Список цитируемой литературы насчитывает 374 наименования, из которых 128 на иностранных языках.
Современное состояние проблемы техногенного загрязнения почв северных регионов России
Большинство северных городов (Норильск, Мончегорск, Апатиты и др.) в результате сложившегося природопользования отличаются относительно высокими техногенными нагрузками на природную среду. Высокая доля горнодобывающих и обрабатывающих отраслей в этих индустриальных центрах - основной источник современных экологических проблем Заполярного Севера. Это способствовало сближению характера антропогенного воздействия на природную среду и привело к формированию общих черт в сформировавшихся техногенных районах: образование техногенных, химических аномалий тяжелых металлов в почве, гибель растений, загрязнение и изменение гидрологического режима водоемов и, как следствие, рост заболеваемости населения этих региононах. Норильский промышленный район (НПР) включает в себя города: Норильск, Талнах, Кайеркан и Оганер. В Норильске находятся крупные металлургические предприятия России по производству никеля, меди, кобальта, металлов платиновой группы - структурные подразделения Заполярного филиала ОАО «Горно-металлургическая компания Норильский никель». Основная часть выбросов (90%) приходится на предприятия металлургического цикла: медный завод, никелевый завод, Надеждинский металлургический комбинат, агломерационную фабрику. Только в атмосферу ежегодно заводы Норильска выбрасывают 2 млн. т оксида серы (IV) (примерно шестая часть выбросов этого вещества всеми странами ЕЭС вместе). Вместе с тем, в 2002 г., по данным Госкомстата России, в атмосферный воздух НПР поступили: сероводород (3,32 тыс. т), оксиды углерода (2,07 тыс. т), оксиды азота (1,05 тыс. т), формальдегид и фенол (13, 93 тыс. т), бенз (а) пирен (0,01 тыс. т), фтористый водород [14]. В атмосферный воздух поступает ежегодно 1,06 тыс. т твердых веществ. Как правило, это тяжелые металлы, поскольку 100% извлечения полезных компонентов из руд при существующих технологиях невозможно (Табл. 1.1). Сточные воды и газопылевые выбросы металлургических комбинатов представляют значительную экологическую опасность. Особенно опасно, когда в водоемы сбрасываются сточные воды, содержащие ионы тяжелых металлов, а воздух «обогащается» сернистым газом, который, окисляясь, превращается в серный ангидрид и также попадает в водоемы и почву: Сравнительная характеристика состояния водных объектов Норило - Гусинской водной системы приведены в таблице 1.2 [16,17]. В результате местных выбросов формируются кислотные дожди, что отражается на уменьшении величины рН водоемов Норило - Пясинской водной системы и почвенного покрова (до 4,6-4,8). Это привело к формированию своеобразных антропогенных почв, лишенных верхних, естественных горизонтов и в значительной мере эродированных. При общей площади городов Норильска, Талнаха и Кайеркана равной 807 га, в Норильском промышленном районе под различные виды отходов занято свыше 6000 га земли. Это шлако - и золоотвалы, отстойники металлосодер-жащего сырья, свалки промышленных и бытовых отходов, хвостохранилища, отвалы грунта, отвалы горных пород [15,18].
Характеристика объектов исследования
Норильский промышленный район, расположен на стыке зоны реко-лесной северной тайги и лесотундры в пределах 69 с.ш. и 88 в.д. в котловине плато Путорано, представленного краем плоскогорного массива Хараелах и Дамскими горами. Положение в котловине обусловливает особый ветровой режим (зимой - северо-западный, летом - юго-восточный), в целом, способствующий созданию острой экологической ситуации [15].
Объекты исследования: почвогрунт на территории Медного завода (300 м от сернокислотного цеха), который представляет бесструктурную, пылевую массу; зона радиусом 30 км от источника выбросов (гидропорт Валек); фоновая зона (контроль) - берег озера Лама (более 100 км от источника промвыбросов) (Табл. 12). Образцы почв брали по градиенту загрязнения с учетом розы ветров. Почвенные пробы отбирали в августе 1993 и 1998-2002 г.г. из верхнего горизонта (0 - 10 см) в трехкратной повторное.
Эпицентр загрязнения характеризуется полностью разрушенным растительным покровом. В долине реки Пясино (гидропорт Валек) лиственные редколесья сочетаются с участками залегания многолетней мерзлоты, где на почвах тяжелого механического состава встречаются злаково-разнотравные луга. Берег озера Лама представлен зарослями с кустарничками и лишайниковым покровом. Среди кустарничков преобладают: черника, брусника, а также морошка.
Мончегорско - Апатитный промышленный узел расположен в нижнем ярусе Хибинского плутона- щелочной интрузий позднего палеозоя, на предгорной равнине с относительно расчлененным рельефом. Для него характерны также ветры северо-западного и юго-восточного направления [3].
Объекты исследования: почвогрунт за территорией горно-металлургического комбината «Североникель» (500 м от комбината), который представляет бесструктурную, пылевую массу; зона радиусом 5 км от источника выбосов - почва подзолистая Al-Fe - гумусовая, подверженная эрозионным процессам; 15 км от комбината - почва Al-Fe - гумусовый оторфованный песчаный подзол; фоновая зона (контроль) - Al-Fe- гумусовый песчаный подзол (50 км от источника промвыбросов). Почвенные пробы отбирали в мае 1991, и 1998 -2002 г.г. из верхнего горизонта (0—10 см) в трехкратной повторности.
Фоновая зона расположена вблизи г. Апатиты, Мурманской обл. Сосновый лес кустарничковый с примесью березы и можжевельника; в надпочвенном покрове преобладают брусника, вороника и брусника. В 15 км южнее комбината «Североникель» растительность испытывает воздействие выбросов предприятия цветной металлургии. Значительно угнетены хвойные растения (соснсвый лес кустарничковый, заболоченный), но надпочвенный покров хорошо сохранился. В 5 км зоне древесный ярус полностью разрушен. Встречается угнетенный подрост березы. Растительностью покрыто 20% поверхности с преобладанием вороники и злака - луговика извилистого. Мохо-лишайниковый ярус разрушен. Почвогрунт за территорией горно-металлургического комбината «Североникель» - бесструктурный, пылеватый.
Череповецкий промышленный район был обследован в зоне до 75 км к юго-западу от комбината «Северсталь» по направлению господствующих южных и юго- западных ветров.
Объекты исследования: почвогрунт за территорией Череповецкого металлургического комбината «Северсталь» - техногенные модификации дерново - подзолистых почв; зона радиусом 5 км от источника выбросов -аллювиальные почвы на песчаных отложениях пойм рек Шексна, покрытые сосняком бруснично-чернично-зеленомошным; 75 км от комбината - фоновая зона (контроль) - дерново - подзолистая почва на мореном суглинке и делювии, покрытая сосняком брусично-зеленомошным. Почвенные пробы отбирали в августе 1995, 1998 - 2003 г.г. из верхнего горизонта (0 - 10 см) в трехкратной повторности.
Для оценки микосенсибилизации населения регионов с экологически неблагоприятной обстановкой, обусловленной антропогенными воздействиями на окружающую среду использовались:
- сведения о числе заболеваний: органов дыхания - аллергический ринит, хронический фарингит, бронхит хронический, бронхоэктактическая болезнь, астма и астматический статус; кожи и подкожной клетчатки: атонический и контактный дерматит, зарегистрированных у взрослого населения, проживающего в г.г. Норильск, Талнах, Оганер в 1997-2002 г.г. (Форма 12);
- сведения об общей заболеваемости взрослого населения НПР болезнями органов дыхания и кожи за 2002 - 2004 г.г.;
- сведения о числе аналогичных заболеваний, зарегистрированных у взрослого населения г.г. Мончегорск и Апатиты в 1999 - 2002 г.г. (Форма 12);
- сведения о численности больных с заболеваниями органов дыхания, находящихся в стационарах г.г. Мончегорска и Апатиты -310 человек в возрасте от 19 до 75 лет (медицинские карты).
В клиническом отношении микогенная аллергия составляет широкую группу заболеваний, которые часто не имеют четко патогномоничиых признаков, поскольку любое аллергическое заболевание полиэтиологично и грибы входят в спектр причинно-значимых аллергенов. Картина микоаллергозов соответствует нозологическим формам аллергических заболеваний, приведенных во всех известных классификациях [124].
Почвенные грибы промышленных регионов Севера России и их реакция на загрязнение почв химическими поллютантами
Норильский промышленный район по уровню загрязнения почв тяжелыми металлами характеризуется как чрезвычайно опасный. Так, по валовому содержанию никеля, хрома, меди, кадмия имеет место превышение ПДК в 700, 400, 200 и 100 раз, соответственно. Учитывая, что преобладающими направлениями ветра являются юго-восточное, западное и северо-западное, то основная масса выбросов предприятий НИР приходится па г. Кайеркан и г. Норильск. Особую опасность представляют высокие концентрации подвижных форм этих металлов, посколько они легко усваиваются корневой системой растений, аккумулируются в них и далее по пищевым трофическим связям попадают в организмы человека и животных [239,240]. За пределами этих промышленных городов в направлении озера Лама концентрации подвижных соединений тяжелых металлов снижаются и на удалении 50 км от промышленной зоны достигают фоновых значений. Результаты анализа содержания тяжелых металлов в почвах промышленных регионов России представлены в Табл. 3.1.
Череповецкий промышленный район по ориентировочной шкале оценки очагов загрязнения и по аномалии валового содержания тяжелых металлов в почвах города относится к чрезвычайно опасному уровню. В направлении господствующих ветров, на юго-западе от Череповца показатель суммарного увеличения общей нагрузки металлов максимален на расстоянии всего лишь 5 км от источника загрязнения ЧМК, а затем резко снижается, достигая фонового значения на расстоянии 75 км. В почвах промзоны ПДК свинца, цинка, кадмия и железа превышена в 2 - 200 раз, никеля и марганца в 1,5-2 раза.
В Мончегорском промышленном районе среди тяжелых металлов -загрязнителей верхних горизонтов почв повышены валовые концентрации хрома, стронция, кадмия, меди и никеля. Уровень концентрации стронция увеличивается в северо-зааадном направлении, достигая максимальных значений (более 200 мг/кг) вблизи комбината. Концентрация подвижных форм никеля и меди достигает соответственно 8132 и 5831 мг/кг. Наблюдается существенное превышения фона содержание таких металлов, как Fe, Со, Сг, Zn, Pb. Кислотность плодородного слоя почв изменяется в пределах 3,2 - 5,6 рН и типична для территории Северной Скандинавии [241]. С приближением к эпицентру загрязнения значения рН почвы смещались в сторону подкисления (рН=3,2).
Оценка опасности загрязнения почв HTTP, МПР и ЧПР тяжелыми металлами по показателю суммарного загрязнения почв Zc, который был рассчитан относительно ПДК подвижных форм тяжелых металлов (см. разд. 2.2.1), , проведена по оценочной шкале, и представлена в Табл. 3.2. Градации оценочной шкалы разработаны на основе изучения показателей состояния здоровья населения, проживающего на территории с различным уровнем загрязнения [242].
