Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время в связи с катастрофическими масштабами антропогенного загрязнения окружающей среды чрезвычайно большое значение для прогнозирования развития возможных опасных экологических ситуаций приобретает информация о воздействии экотоксикантов и продуктов их трансформации на различные природные объекты - почву, водоемы и т.д.
В соответствии с Конвенцией «О запрещении разработки, производства, накопления и применения химического оружия и его уничтожении» и Федеральной целевой программой «Уничтожение запасов химического оружия в РФ» в России проводится переработка отравляющих веществ кожно-нарывного действия - иприта, люизита и ипритно-люизитных смесей, на первом этапе которой осуществляется их химическая детоксикация, на втором -уничтожение полученных в ходе этого процесса реакционных масс (РМ).
Одной из важнейших экологических проблем является очистка и восстановление территорий, которые могут быть загрязнены отравляющими веществами или продуктами их детоксикации в местах хранения, транспортировки и уничтожения в результате возможных утечек, аварийных выбросов и т.д. Экотоксиканты могут вступать во взаимодействие с природными веществами, образуя новые соединения, аккумулироваться и метаболизироваться живыми организмами. В настоящее время наряду с физическими и физико-химическими способами детоксикации отходов разрабатываются подходы для их биоутилизации с использованием микроорганизмов и растительно-микробных ассоциаций.
Токсическое действие различных соединений может не только подавлять жизнеспособность микроорганизмов, но и вызывать их метаболическую адаптацию к новым условиям существования. Концентрация продуктов деструкции отравляющих веществ может оказать решающее значение на их трансформацию той или иной ферментной системой клетки и биоаккумуляцию. Такие сведения в научной литературе весьма ограничены. Известно, что многие соединения, образующиеся при гидролизе и окислении иприта (2,2'-дихлордиэтилсульфида) токсичны, а некоторые сульфониевые производные по токсичности превосходят исходное (Александров, 1990; Федоров, 1997).
Влияние токсических концентраций продуктов деструкции иприта и люизита на почвенные микроорганизмы, растения и растительно-микробные ассоциации практически не исследовано, несмотря на то, что такие данные необходимы для разработки критериев оценки их вредного воздействия и создания новых экологически чистых методов очистки окружающей среды.
, !':-„ НАЦИОНАЛЬНА*"!
I БИБЛИОТЕКА і
4 Цель и задачи исследования Целью работы являлось исследование почвенных микроорганизмов и растений при воздействии продуктов деструкции иприта и люизита и разработка методических подходов для биоремедиации загрязненных почв и водоемов
В рамках поставленной цели были определены следующие задачи:
Исследовать диапазон токсичности мышьяк- и серусодержащих продуктов трансформации иприта и люизита для некоторых ризосферных микроорганизмов и растений.
Оценить влияние мышьяксодержащих соединений на триптофанзависимый синтез ИУК штаммом Azospirilhim brasilense Sp245.
Изучить возможности биодеструкции продуктов первой стадии нейтрализации иприта.
Подобрать условия для биоремедиации почв, загрязненных продуктами трансформации иприта и люизита, в лабораторных и микрополевые экспериментах.
Научная новизна. Впервые показана возможность ремедиации почв, загрязненных продуктами деструкции - иприта и люизита, с помощью специально подобранных микроорганизмов и растений. Установлены диапазоны токсичности мышьякорганических продуктов нейтрализации люизита и РМ иприта для некоторых ризосферных микроорганизмов и растений. Обнаружена способность микроорганизмов рода Pseudomonas подвергать биодеструкции 1,4-пергидротиазины, основные компоненты реакционных масс иприта. Показано, что интродукция этих микроорганизмов в почву в значительной степени увеличивает эффективность биоремедиации. Показана возможность и даны рекомендации по использованию штаммов P. aureofaciem BS1393 и A. brasilense Sp245 в процессах биоремедиации почв, загрязненных продуктами трансформации люизита.
Практическая значимость. Использование подобранных видов растений с инокуляцией их селекционированными штаммами микроорганизмов является основой для разработки метода биоремедиации почв, загрязненных продуктами трансформации кожно-нарывных отравляющих веществ - иприта и люизита.
Результаты проведенных исследований были использованы для разработки нового способа очистки почв, загрязнённых продуктами природного и техногенного разложения кожно-нарывных отравляющих веществ - фиторемедиации (патент РФ № 2185901).
Основные положения, выносимые на защиту:
Растения подсолнечника (сорт Юбилейный 60) и сорго (сорт Волжский 4) устойчивы к высоким концентрациям арсенита натрия (10 ПДК) я способны аккумулировать этот токсикант из загрязненной почвы. Степень извлечения мышьяка значительно возрастает при инокуляции их клетками бактериального ризосферного штамма Pseudomonas aureofaciens BSI393.
Продукты гидролиза люизита (2-хлорвиниларсиноксид и 2-хлорвиниларсоновая
5 кислота) ингибируют триптофанзависимый синтез ИУК штамма Azospinlltim brasilense Sp245: 2-хлорвиниларсиноксид на 80 % при концентрации 10 г/л, 2-хлорвиниларсоновая кислота - на 75 % при концентрациях 10* г/л .
Идентифицированные производные 1,4-пергидротиазина, являющиеся продуктами деток-сикации иприта, подвергаются трансформации клетками селекционированного штамма бактерий Pseudomonasputida ШК1 при росте в среде с реакционными массами иприта..
Степень очистки почв от серусодержащих продуктов деструкции иприта растениями сорго (сорт Волжский 4) значительно увеличивается при инокуляции семян клетками штамма Pseudomonas putida Ш К1.
Результаты экспериментов по извлечению продуктов деструкции люизита и иприта из загрязненных ими почв при совместном использовании растений и микроорганизмов могут быть использованы для разработки методов биоремедиации таких почв.
Работа выполнена в лаборатории структурных методов исследования Института биохимии и физиологии растений и микроорганизмов РАН (Саратов) в рамках научно-исследовательской работы «Изучение воздействия антропогенных загрязнителей на окружающую среду» (№ гос. регистрации 01200119220), на базе Саратовского военного института радиационной, химической и биологической защиты, в Институте биохимии и физиологии микроорганизмов РАН (Пущино) по проекту «Биотехнология защиты окружающей среды от антропогенных загрязнений» Федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения», в Институте общей экологии и защиты окружающей среды (Технический университет Дрездена, Германия).
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на Международном семинаре-презентации инновационных научно-технических проектов «Биотехнология - 2000» (Пущино, 2000), на 1-й Европейской конференции по биоремедиации (Ханья, Греция, 2001), на 1SEB Митинге по фиторемедиации (Лейпциг, Германия, 2001), на 12-м Международном симпозиуме по биодеградации и биоразрушению (Прага, Чехия, 2002), на Международном семинаре по химическому анализу и оценке риска загрязнений в осадках и донных отложениях (Барселона, Испания, 2002), на 1-й региональной конференции молодых ученых «Стратегия взаимодействия микроорганизмов с окружающей средой» (Саратов, 2002), на Семинаре-презентации инновационных научно-технических проектов "Биотехнология - 2003" (Пущино, 2003), на Международном симпозиуме «Биохимические взаимодействия микроорганизмов и растений с техногенными загрязнителями окружающей среды» (Саратов, 2003), на конференции «Постгеномная эра в биологии и проблемы биотехнологии» (Казань, 2004).
Публикации. По теме диссертации получен патент РФ, опубликовано 18 работ, из них 2 статьи в российских и 3 в зарубежных реферируемых научных журналах.
Структура диссертации. Работа состоит обзора литературы, описания использованных материалов и методов, результатов собственных исследований, и завершается заключением, выводами и библиографическим указателем, содержащим 176 литературных источников. Общий объем диссертации составляет 123 страницы. Текст иллюстрирован 16 таблицами и 28 рисунками.
