Введение к работе
Актуальность проблемы. В условиях прогрессирующего промышленного производства чистота природной среды является общегосударственной задачей, от решения которой зависят здоровье и благосостояние нынешнего и будущих поколений людей. Из видов химических загрязнений наиболее объемны и опасны промышленные загрязнения. Выбросы предприятий представляют собой мощный фактор, существенно воздействующий на компоненты и элементы биогеоценоза. Выброс в окружающую среду гигантского количества проыышлеи-huv nTvnnnn часто создает условия, оказывающие неблагоприятные ?оздойгтпия ня почну, ее живое населенно, расїсніїд, aCiiiCTiiUX ( Kaiser , 1984; Leislnger , 1983; Израэль, 1964 ). Они могут влиять на структуру и функции микробных ценозов - вызывать нежелательные перегруппировки их состава, снижать активность,приводить к распаду экологических ассоциаций ( Свирижев, Сидорин, 1979; Звягинцев, 1982; Одум, 1986; Аристовская, 1988). Распространяясь током воздуха, компоненты пылегазовыбросов прежде всего оседают на почву, растения, попадают в водоемы. Почва - малоподвижная среда, и миграция загрязняющих веществ в ней проходит медленно. Вследствие этого загрязнения почв в местах локализации выбросов могут быть весьма значительными. При всей научной и практической значимости проблемы загрязнения почв следует отметить, что основное внимание исследователей до сих пор уделяется изучению последствий применения пестицидов , высоких доз минеральных удобрений, накопления тяжелых металлов, разливов нефти (Pesticide Microbiol , 1978; Alexander, 1981; Domscb, 1983; Ананьева, 1981; Меренюк, 1982; Соколов, Галиулин, 1982 і Клинцаря, 1983; Головлева. 1984; Евдокимова, 1985; Звягинцев , 1988; Круглов, 1991). Исследований негативного действия на почву химических веществ техногенного происхождения, практически бесконтрольно попадающих в окружающую среду, чрезвычайно мало, как и попыток разработки методов предотвращения депонирования токсикантов в почве и ускорения их деструкции. В частности, в известной нам литературе отсутствуют сведения о влиянии выбросов производства синтетических волокон и пластификаторов на почвенную биоту; ее развитие, формирование устойчивых форм, участие в деструкции компонентов этих выбросов в естественных условиях, а также об использовании активных утилизаторов в системе мероприятия, предотвращающих накопление в техногенной почве наиболее опасных с экологических позиций компонентов выбро-
сов. Немногочисленные данные о состоянии эпифитной микрофлоры растения в условиях техногенных территорий, как правило,отрывочны, мало сопоставимы, поскольку характеризуют воздействие на биоценозы производств, выбросы которых отличаются как по качественному, так и количественному составу. Ограничиваясь чаще всего констатацией факта воздействия выбросов на окружающую среду, они не раскрывают действие отдельных ингредиентов выбросов и не дают ответ на вопрос об устойчивости компонентов биоценозов к вредному действию промышленных токсикантов. Наши исследования, проведенные в условиях естественного загрязнения почвы и растений выбросами химического предприятия, а также получившие подтверждение в вегетационных и лабораторных моделях, направлены на решение одной из наиболее злободневных, важной в теоретическом и практическом отношении проблемы воздействия компонентов пылегазовыбросов предприятия по производству синтетических волокон на микрофлору почвы и растений.Они являются первым опытом разработки путей регулирования деятельности микроорганизмов с целью интенсификации процессов деструкции бесконтрольно попадающих в почву и на растения токсических химических веществ.
Связь работы с крупными научными программами, темами. Диссертационная работа явилась итогом выполнения ряда научно-исследовательских тем: "Изучить влияние вредных выбросов ПО "Хим-волокно" на окружающую среду", * Гос.регистрации 01.08.2013794, 1981-1985 гг.; "Микробные ценозы и биологическая активность почв в условиях антропогенеза", № Гос.регистрации 01.85.0044793 1985-1988 гг.; "Регулирование деятельности микробных сообществ с целью охраны почвы от антропогенного воздействия", № Гос. регистрации 01.89.0005270, 1989-1992 гг.; "Разработать микробиологический метод локальной очистки стоков от; фталевих эфиров", » Гос.регистрации 01.86.00090398, х/д, 1987-1989 гг.; "Разра -ботать и внедрить микробиологические методы, предотвращающие загрязнение окружающей среды и сельскохозяйственной продукции выбросами предприятий химической промышленности",\№ Гос.регистрации 0І.9.Ю02275І, 75.02р "Охрана природы", 1991-1993 г г', осуществленных в соответствии с планами Республиканских программ и\ хозяйственных договоров.
Цель и задачи исследования. Цель исследования заключалась в выявлении основных закономерностей воздействия органических соединений, составляющих основную массу выбросов в атмосферу производства лавсана и смеси их компонентов на интегральные микро-
биологические и связанные с ними биохимические процессы в почве, эпифитнуга и ризосферную микрофлору растений; в обосновании функциональной роли микроорганизмов различных физиологических групп в деструкции ксенобиотиков; создании научной концепции направ -ленного регулирования деятельности почвенных микроорганизмов ДІЯ интенсификации процессов самоочищения почв от экологически опасных химических веществ.
Б основные задачи исследований входило:
- установление ареала и степени загрязнения почв в зоне дей
ствия ЫОГИЛвВГКПГП ПППИ10ПП|ЧГВОііилш\ Г~Л- „-.„.-.....- "'Jy;. -„.„;-,;;„,
диентов пылегазовыбросов предприятия в почве;
характеристика основных закономерностей воздействия выб -росов лавсанового производства, вызывающих изменения в составе и деятельности микробных ценозов почв, эпифитной биоты и микрофлоры силоса;
выявление способности микроорганизмов дерново-подзолистой почвы разлагать ксенобиотики, входящие в состав пылегазовыбросов;
выделение, получение, отбор и идентификация активных штаммов микроорганизмов с повышенной способностью деградировать ксенобиотики и перспективных для практического использования;
исследование подготовительного метаболизма диметилтерефта-лата у выделенных активных деструкторов эфира;
определение условий, способствующих повышению эффективности утилизации ксенобиотиков микроорганизмами-деструкторами;
выявление закономерностей разложения в почве основных ин -гредиентов выбросов производства синтетического 'волокна лавсан;
изыскание путей регулирпв?ния деятельнее?:* м""росргс;г.53!ЛОь, конечной целью которого является интенсификация активности при -родных микробных сообществ, десгруктирующих ксенобиотики; повышение потенциала самоочищения загрязненной почвы с помощью интроду-цированных в нее культур микроорганизмов-деструкторов.
Научная новизна полученных результатов. Впервые обоснованы закономерности воздействия многокомпонентных выбросов крупнейшего в вропе комбината по производству синтетического волокна на микрофлору почв и сельскохозяйственных растения. Показано, что пы-легазовыбросы оказывают глубокое воздействие на равновесие почвенного микробоценоза, выражающееся в изменении общей численности , активности и структуры комплекса почвенных микроорганизмов. Для загрязненных почв характерна активация бактериальной части комп -
лекса - бациллярных форм м групп микроорганизмов, выявляемых на средах, содержащих ингредиенты пылегазовыбросов в качестве источников питания и энергии.
Выявлено разнохарактерное действие диметилтерефталата, ди-нила, ацетальдегида, параксилола в разных концентрациях, а также их смеси на состав и функциональную деятельность микрофлоры лочвы. Впервые проведено нормирование некоторых компонентов выбросов промышленного предприятия в почве по микробиологическим «показателям.
Впервые показано, что в зоне действия комбината развитие -специфической эпифитной микрофлоры сельскохозяйственных расте -ний заторможено, защитные свойства растений снижены. Результаты модельных экспериментов подтверждают выявленное в натурных наблюдениях соответствие уровня депрессии развития эпифитной мик -рофлоры дозе использованных для загрязнения ксенобиотиков.
Установлено, что качество силоса, получаемого из растений, выращенных в зоне действия комбината, а также в условиях их модельного загрязнения компонентами выбросов производства лавсана и их смесью, снижается вследствие нарушения процесса брожения, вызванного активным развитием гнилостной микрофлоры.
Проведенное впервые исследование динамики разрушения ин -.гредиентов промышленных выбросов производства лавсана позволило охарактеризовать зависимость уровня самоочищающей способности почвы от ряда экологических факторов - температуры, влаж -ности, концентрации ксенобиотиков и, главным образом, от наиболее динамичной части загрязненной почвы - микрофлоры, интенсивности ее размножения и активности.
Выделены и селекционированы микроорганизмы, утилизирующие эфиры о-фтадевой кислоты, диметилтерефталат и метанол в высоких концентрациях в качестве единственных источников углерода и энергии. Изучены начальные этапы подготовительного метаболизма диметилтерефталата у выделенных штаммов родококков.
На основании данных о развитии комплекса почвенных микро -организмов при различных методах воздействия на него обоснована научная концепция регулирования деятельности микрофлоры, обес -печивающая интенсификацию процессов разрушения загрязняющих почву токсических веществ. Это достигается интродукцией микроор -ганизмов-деструкторов в загрязненную почву и обогащением ее биологически активными веществами, содержащимися в отходах ряда лроизводств (активный ил, осадок сточных вод биологических очи-
стных сооружений). ..._-"
Практическая значимость полученных'рсзультатоя. Разработаны и приняты к использованию МогилевскоЯ санитврно-эпидемиологичес-кой станцией метода определения диметилтерефталата и метанола с иелыо мониторинга содержания ингредиентов пылегазовыбросов про -иэводства лавсана в почве. Метода включены Витебским ветеринар -ным институтом в программу практических занятий по курсу охрены окружающей среды.
Разработаны практические рекомендации по микробиологически» индикации загрязнений почвы ингредиентами ни.-щазчрчорсса производства лавсаня **.r. ai^ui»""!'" au ^колп^пе^ким состоянием ок-рі*ьюі"«»!" сро,^і в р»яс;;о действия Могилевского производственного >,«ьедкнония "Химволокно".
Разработан экспресс-метод выявления и учета микроорганизмов деструкторов диметилтерефталата, направленный на отбор высокоактивных штаммов и контроль за уровнем их деструктивной активности в процессе хранения.
Создана и изучена коллекция из 1670 штаммов - представите -лей различных родов микроорганизмов, использущих в качестве единственного источника углерода метанол, этиленгликоль, ацеталь-дегид, параксилол, эфиры о-фталевой кислоты, диметиловый эфир те-рефталевой кислоты; 7 из них згегсцены штерскими свидетельствами.
Выделенные и селекционированные штаммы микроорганизмов-деструкторов использованы в рвзрьСої энной нами биотехнологии локальной очистки сточных вод от зфиров о-фталевой кислоты. Способ внедрен на Кусковском химическом заводе (г. Москва).
Материалы исследований вошли в состав "Рекомендаций по снижению отрицательного действия пылегазовыбросов Могилевского производственного объединения "Хи:.!волокно" на почву, корма, животных',' которые явились основой практических мероприятий по охране окружающей среды производственной зоны предприятия.
Разработаны биотехнологические приемы интенсификации процес -са разрушения в почве ингредиентов пылегазовыбросов производства синтетического волокна, внедренные в хозяйствах Могилевского района (совхоз-комбинат "Восход"., совхоз "Вейно", подсобное сельское хозяйство Могилевского производственного объединения"Хим80локно"),
Экономическая значимость полученных результатов. Использование штаммов микроорганизмов-деструкторов эфиров о-фталевой кислоты, диметилтерефталата, метанола в созданных на их основе биотехнологиях очистки почвы и сточных вод имеет существенный социаль-
ный эффект, выражающийся в охране окружащей среда от загрязнения. Штаммы, защищенные авторскими свидетельствами, а также разработанные на их основе биотехнологий являются коммерческими продуктами, которые могут быть реализованы заинтересованным предприятиям И организациям ;по договорным иенам.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту.
Охарактеризованы закономерности нарушения структуры микроб -
них сообществ почв под воздействием химического загрязнения и фф-
мирования техногенных ценозов, отличающихся активацией бактери -
альной части микробного комплекса - бациллярных форм и групп мик
роорганизмов, использующих загрязняющие вещества в качестве исто
чников питания. ;'.:.'-:.''\
Характер изменения состава и функциональной деятельности ми-кпофлоры загрязненной почвы зависит от природы загрязняющих веществ, концентрации загрязнителей и их смеси. Обоснована необходимость нормирования компонентов.выбросов производства лавсана, в почве по микробиологическим показателям, характеризующим экологическую обстановку в анализируемом объекте. .'.-' ,
Факторами, определяющими ухудшение защитных свойств растений в зоне техногенного загрязнения, являются сниженная активность развития специфической эпифитной и ризосферной микрофлоры. Эффект негативного действия промышленных загрязнений соответствует уровню техногенной нагрузки, определяемой расстоянием от источника загрязнения и зависит от растения-хозяина. Нарушение процессов брожения при силосовании загрязненных растений вызвано активным развитием гнилостной микрофлоры.
Селекционированные штаммы бактерий-деструкторов эфиров фтале-
вых кислот идентифицированы и отнесены к роду Kb od ос pec us -_» Наибо
лее активные из них способны утилизировать эфиры о-фталевой кисло
ты в качестве единственного источника углерода в концентрации до
15 г/л. Л-
Полное биоразрушение токсичных и обладающих генетической активностью ксенобиотиков наиболее желательно, но не всегда-возмож -но. На основании анализа данных физико-химических методов исследования продуктов разрушения диметилтерефталата установлено, что деградация его культурой Rhod оо ос с us erythropol is осуществляется путем последовательных превращений в 3-кетоадипиновую кислоту. Дальнейшее разрушение 3-кетоадипиновой кислоты сопровождается образованием экологически безвредных для окружающей среды продуктов, что обеспечивает безопасность использования культуры в биотехнологиях,
основанных на 'интродукции штамма в природные и производственные среды.
Внедрена биотехнология очистки почвы от диметилтерефтала-
та и метанола, основанная на использовании интродуиированнъгх ми
кроорганизмов-деструкторов и дополнительных источников питания в
виде отработанного активного ила и осадка сточных вод очистных
сооружений. Ускорение разрушения ксенобиотиков в почве сопровож
дается решением еще одной из важнейших проблем охраны окружающей
Срада- утилизации отходов-производства. " "
Внедрение биотехнологии микробиологической локальной очистки сточных вод на Кусковском химическом заводе показало ее высокую эффективность. Очистка стока от эфиров о-фталевой кислоты на промышленной установке осуществляется на IORt, эффект очистки по ХПК составляет 96..
Личный вклад соискателя. Диссертантом сформировано направление, осуществлена постановка цели и конкретизация задач, разработаны подходы к ее решение; получен; обобщен и обоснован экспериментальный материал, составляющий основу диссертации. Соавторы совместных работ принимали участие в получении экспериментальных данных исследований, руководителей или ответственным исполнителем которых являлся соискатель.
Апробация результатов диссертации. Основные положения диссертационной работы докладывались не: Всесоюзном симпозиуме "Микроорганизмы как компонент биогеоценоза", Алма-Ата, 1982; Всесоюзной конференции "Микробиология очистки воды", Киев,1982; У Республиканской зоологической конференции "Биологические основы освоения, реконструкции и охраны животного мира Белоруссии",Минск, І9ЄЗ; Конференции Белорусского микробиологического общества "Микроорганизмы в сельском хозяйстве", Минск, І983ІУП съезде Все -союзного микробиологического общества, Алма-Ата, 1985; Ш Всесоюзной конференции "Микроорганизмы в сельском хозяйстве", Москва, 1986; її Республиканской конференции "Микробиологические процессы в почвах и урожайность сельскохозяйственных культур" , Каунас, 1986; Всесоюзной конференции "Микробиологическая деструкция органических остатков в биоценозе", Хабаровск, 1987;Всесоюзной конференции "Микробиологические методы защиты окружающей среды",Пущине І9В6; Республиканской конференции "Микроорганизмы в сель -ском хозяйстве", Кишинев, 1988; Всесоюзном симпозиуме "Биодина -мика почв", Таллин, 1988; Всесоюзной конференции "Микробиология и биотехнология очистки воды", Киев, 1989; Международной научно-
технической конференции "Достижения науки и техники в области ресурсосбережения и экологии", Гомель, 1989; Всесоюзной конференции "Антропогенная экология микромицетов, аспекты математического моделирования и охрана окружающей среды", Киев, 1990; Республиканской конференции по охране окружающей среды индустриальных территорий Белоруссии", Могилев, 1991; I Всесоюзной научной конференции "Биология почв антропогенных ландшафтов",/^епропетровск, 1992; Республиканской конференции "Биология и биотехнология очистки воды", Полтава, 1992; ІУ Всесоюзной конференции "Микроорганизмы з сельском хозяйстве", Пущино, 1992; Международной конференции "Загрязнение окружающей среда", Пермь, 1993; ХУ Менделеевском съезде "Химические проблемы экологии", Минск,1993. В завершенном виде диссертационная работа доложена на расширенном заседании лаборатории микробиологии почв и группы биодеградации неприродных соединений Института микробиологии АНБ, Минск,1993; на заседании Ученого совета Института микробиологии АНБ, Минск, 1995.
Публикация результатов исследований. По теме диссертации опубликовано 57 работ, в том числе 7 авторских свидетельств, 2 коллективные монографии, 2 обзора, 2 научно-популярные брошюры.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, обзора литературы, описания объектов и методов исследования, экспериментальной части, обсуждения результатов, выводов, списна литературы и приложения из 13 документов о внедрении результатов.