Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Разработка биодеградативных методов защиты окружающей среды от стойких органических загрязнителей, характерных для бассейна озера Байкал

ВАК РФ 03.00.23, Биотехнология

Автореферат диссертации по теме "Разработка биодеградативных методов защиты окружающей среды от стойких органических загрязнителей, характерных для бассейна озера Байкал"

БАЙКАЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЯ СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

БАТОЕВ ВАЛЕРИЙ БАБУДОРЖИЕВИЧ

РАЗРАБОТКА БИОДЕГРАДАТИВНЫХ МЕТОДОВ ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ОТ СТОЙКИХ ОРГАНИЧЕСКИХ ЗАГРЯЗНИТЕЛЕЙ, ХАРАКТЕРНЫХ ДЛЯ БАССЕЙНА ОЗЕРА БАЙКАЛ

Специальность 03.00.23 биотехнология 03.00.16 экология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук

Улан-Удэ 2004

БАЙКАЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЯ СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

БАТОЕВ ВАЛЕРИЙ БАБУДОРЖИЕВИЧ

V

РАЗРАБОТКА БИОДЕГРАДАТИВНЫХ МЕТОДОВ ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ОТ СТОЙКИХ ОРГАНИЧЕСКИХ ЗАГРЯЗНИТЕЛЕЙ, ХАРАКТЕРНЫХ ДЛЯ БАССЕЙНА ОЗЕРА БАЙКАЛ

Специальность 03.00.23 биотехнология 03.00.16 экология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук

Улан-Удэ 2004

Работа выполнена в Байкальском институте природопользования Сибирского отделения Российской академии наук.

Официальные оппоненты:

Доктор биологических наук, профессор Анцупова Татьяна Петровна Доктор биологических наук, профессор Намсараев Баир Бадмабазарович Доктор биологических наук, профессор Пронина Светлана Васильевна

Ведущая организация: Институт геохимии СО РАН, г. Иркутск

Защита состоится 27 декабря 2004 г., в 10 часов на заседании Регионального диссертационного Совета ДМ 212.039.02 при ВосточноСибирском государственном технологическом университете по адресу: 670013, г. Улан-Удэ, ул. Ключевская, 40а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВСГТУ. Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим отравлять по указанному адресу ученому секретарю совета. Автореферат разослан 26 ноября 2004 г.

Ученый секретарь

Регионального диссертационного Совета, доктор технических наук ^

ХамнаеваН.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

В 1996 году ЮНЕСКО внесло озеро Байкал в Список участков мирового природного наследия, тем самым мировое сообщество признало озеро уникальным природным феноменом, имеющим важное значение для всего человечества.

Для сохранения озера необходимо знать современный уровень загрязнения озера вредными веществами. Особую опасность для экосистемы озера представляют стойкие органические загрязнители (СОЗ). Это, в основном, галогенированные органические соединения, синтезированные в промышленных целях или соединения, спонтанно синтезирующиеся в процессах химического синтеза (побочные продукты) или горения. Особенностью этих соединений является высокая токсичность для биоты, высокая устойчивость к фотолитическому, химическому и биологическому разложению. Они характеризуются низкой растворимостью в воде и' хорошей растворимостью в жирах, что приводит к биоаккумуляции в жировых тканях организмов.

В настоящее время из примерно 60 тысяч особо опасных химических веществ были выбраны 12 стойких органических загрязнителей, которые наиболее опасны для человека и окружающей среды. Эти 12 СОЗ получили название «грязная дюжина». В мае 1995 года список 12 СОЗ утвержден решением № 18/32 Совета управляющих ЮНЕП (СОЗ, 2003).

Для байкальского региона актуальны исследования содержания в природе пестицида ДДТ и изомеров пестицида ГХЦГ, относящихся к «грязной дюжине». Эти пестициды широко использовались как инсектициды в сельском хозяйстве и для борьбы с вредителями леса. Для региона также характерно загрязнение акваэкосистем хлорфенолами и фенолом (оксибензолом). Байкальский целлюлозобумажный комбинат (БЦБК) является крупнейшим поставщиком в озеро Байкал крайне опасных токсикантов - полихлорированных фенолов. БЦБК располо-

жен непосредственно на берегу озера, а сброс сточных вод происходит прямо в озеро. Хлорфенолы крайне токсичны для гидробионтов, а также обладают мутагенным и канцерогенным воздействием. Фенол (ок-сибензол), несмотря на отсутствие в структуре атомом хлора, также является токсичным для гидробионтов загрязнителем. Фенол поступает в окружающую среду при сгорании на тепловых станциях органиче-' ского топлива, при работе газогенераторных станций, со стоками целлюлозно-бумажных и деревообрабатывающих производств.

Полиароматические углеводороды (ПАУ), также можно отнести к токсичным СОЗ, поскольку ПАУ с большим числом ароматических колец также устойчивы в природе. ПАУ являются наиболее токсичными соединениями, входящими в состав нефти и нефтепродуктов. Огромное количество ПАУ выбрасывается в окружающую среду в регионе при производстве алюминия (сгорание электродов при электролизе).

Поэтому важной проблемой, на наш взгляд, является выявление источников поступления в бассейн озера Байкал токсичных СОЗ.

Крайне высокая токсичность СОЗ для акваэкосистем, а также способность аккумулироваться и достигать высоких концентраций в конечных цепях трофической цепи (байкальская нерпа) с необходимостью определяет СОЗ как приоритетные загрязнители для озера Байкал, а байкальская нерпа является чувствительным индикатором загрязнения СОЗ озера.

Известно, что большинство СОЗ разлагаются в окружающей среде микроорганизмами, но скорость разложения мала, поскольку природные микроорганизмы не в достаточной мере выработали способность к кагаболизму, к биодеградации этих чуждых природе веществ. Повысить скорость биодеградации СОЗ в природных экосистемах и в сточных водах предприятий, содержащих СОЗ, можно с помощью селекции микроорганизмов или создания микроорганизмов с помощью генной инженерии. Но согласно Федеральному закону Российской Федерации «О государственном регулировании в области генно-инженерной деятельности» генетически модифицированные микроорганизмы нельзя

ингродуцировать в окружающую среду. Запрещает интродукцию живых организмов, не свойственных экосистеме озера Байкал и его бассейну, и Федеральный закон «Об охране озера Байкал». Следовательно, ускорить биодеградацию СОЗ в бассейне озера возможно лишь с помощью аборигенных микроорганизмов, адаптированных к конкретным СОЗ.

Большую проблему для региона представляют склады запрещенных к использованию пестицидов и других ядохимикатов. Только в ООО «Саянтуй-Сервис» (Тарбагатайский район Республики Бурятия), хранится в неприспособленных складах более 140 тонн пестицидов и ядохимикатов. Это только в одном земледельческом районе региона. Поэтому проблема утилизации (обезвреживания) этих веществ требует исследований. Очевидно, что утилизация с использованием высокотемпературных печей, плазменных установок требует больших затрат. Поэтому биодеградация этих веществ с использованием микроорганизмов представляет наиболее дешевый и эффективный способ. Следовательно, исследование закономерностей биологической деструкции фенола и его хлорпроизводных, как крайне токсичных акваполлютан-тов, крайне важно для оценки состояния бассейна озера Байкал, а полученные данные в перспективе позволят совершенствовать биодегра-дативные методы защиты экосистем бассейна. Цель и задачи исследования.

Целью работы является определение современного уровня загрязнения водных экосистем бассейна озера Байкал стойкими органическими загрязнителями, установление закономерностей динамики контаминации СОЗ этих экосистем, научное обоснование методов биодеградации стойких органических загрязнителей для защиты окружающей среды в бассейне озера Байкал.

Для реализации заявленной цели решались следующие задачи:

- определение уровней загрязнения экосистем бассейн озера Байкал стойкими органическими загрязнителями;

- идентификация источников поступления стойких органических загрязнителей в бассейн озера Байкал;

- определение закономерностей распределения пестицидов и по-лихлорированных бифенилов (ПХБ) по глубине в керне мелководья озера Байкал;

- сравнение уровней загрязнения СОЗ байкальской нерпы в 1992 г. и в 2002 г.;

- определение петрогенной и пиролитической природы поли-ароматичееких углеводородов по соотношениям индивидуальных соединений;

- установление антропогенного и природного происхождения хлорфенолов по соотношениям Индивидуальных соединений;

- определение источников происхождения фенола в природных водах притоков озера Байкал;

- определение деструктивной активности (по разложению фенола) органотрофных микробиоценозов водных экосистем бассейна озера Байкал;

- выделение культур с наивысшей способностью к деструкции фенола;

- выделение культур из пруда-аэратора БЦБК с наивысшей способностью к утилизации хлорфенолов и установление закономерностей биодеградации хлорфенолов;

- определение перспективности применения выделенных культур для эффективной очистки стоков БЦБК при концентрациях хлор-фенолов до 10 мг/л;

- обобщение опыта выделения культур с высокой деструктивной способностью для биодеградации других стойких органических соединений.

Научная новизна работы.

Впервые получены данные о степени загрязнения бассейна озера Байкал стойкими органическими загрязнителями - хлорорганическими пестицидами, полихлорированными бифенилами, полиароматическими

углеводородами, хлорфенолами.

Идентифицированы источники поступления стойких органических загрязнителей для разных классов соединений.

Для байкальской нерпы установлено понижение уровня загрязнения СОЗ за последние 10 лет.

В керне донных отложений мелководья озера Байкал определены уровни содержания СОЗ.

Определены характеристики биодеградации фенола природными сообществами водных экосистем бассейна озера Байкал.

Выявлены закономерности биодеградации хлорфенолов выделенными культурами-деструкторами хлорфенолов. Практ ическая значимость работы.

Определена степень контаминации водных экосистем бассейна озера Байкал стойкими органическими загрязнителями, материалы исследований вошли в «Ежегодные доклады о состоянии окружающей среды в Республике Бурятия» 1998 - 2004 г.г. и «Ежегодные доклады Правительственной комиссии по Байкалу» 1999 - 2004 г.г.. Результаты исследований вошли в нормативные документы по охране окружающей среды на Байкальской природной территории - «Нормативы предельно допустимых вредных воздействий на уникальную экологическую систему озера Байкал» и «Перечень веществ, вредных для экосистемы озера Байкал». Выделены культуры с высокой деградативной способностью фенола и хлорфенолов, которые могут быть использованы для обезвреживания промышленных стоков. Апробация работы.

Основные результаты работы были представлены и обсуждены на международных конференциях: «International Baikal Conference 1999» (Schneverdingen, Germany, 1999), "Экология Сибири, Дальнего Востока и Арктики" (Томск, 2001), V International Congress "Water: Ecology and Technology" (ECWATECH-2002), (Moscow, 2002), "Селенга - река без границ" (Улан-Удэ, 2002), International Baikal Symposium on Microbiology (IBSM-2003) «Microorganisms in Ecosystems of Lakes, Rivers and

Reservoirs» (Irkutsk, 2003), International Ecologic Forum "Environment and Human Health" (St. Petersburg, 2003); на всероссийских конференциях: Всероссийских научных чтениях с международным участием, посвященных 70-летию со дня рождения члена-корреспондента АН СССР М.В. Мохосоева (Улан-Удэ, 2002), X Всероссийской научно-практической конференции "Экология и проблемы охраны окружающей среды" (Красноярск, 2003); на региональных научных конференциях: "Природные ресурсы Забайкалья и проблемы природопользования" (Чита, 2001), «Экологические и гидрометеорологические проблемы больших городов и промышленных зон» (Санкт-Петербург, 2002). Результаты исследований также обсуждались на семинарах Центра экологических исследований (г. Лейпциг, Германия, 2000), Центра морских исследований Эхимэ университета (Япония, 2004). Публикации.

Материалы диссертации опубликованы в 44 работах (в том числе в аналитическом обзоре). Объем и структура.

Диссертация состоит из введения, 8 глав, выводов, списка использованных источников, включающего 259 источников, в том 179 иностранных. Работа изложена на 225 стр., включая 43 таблицы, 44 рисунка.

Основные положения, выносимые на защиту.

- загрязнение бассейна озера Байкал стойкими органическими загрязнителями относительно небольшое, сравнимо с загрязнением арктических районов;

- источники поступления стойких органических загрязнителей в бассейн озера Байкал следующие:

♦ глобальный атмосферный перенос вносит в бассейн озера пестициды ГХБ, пентахлорфенол;

♦ региональный атмосферный перенос вносит/в бассейн озера пестицид ДДТ;

• локальные источники поступления у пестицида ГХЦГ, хлорфенолов, ПХБ и ПАУ;

- распределение пестицидов и ПХБ по глубине в керне мелководья озера Байкал зависит от возраста отложений;

- уровень загрязнения СОЗ байкальской нерпы за период 1992 -2002 г.г. существенно уменьшился и тенденция уменьшения соответствует мировым тенденциям;

- соотношения индивидуальных соединений ПАУ определяют петрогснную или пиролитическую природу этих соединений;

- соотношения ЕТХФ/ЕДХФ и 2ТХФ/2-ХФ могут быть использованы для установления природы хлорфенолов;

- деструктивная активность (по разложению фенола) органо-трофных микробиоценозов водных экосистем в дельте р. Селенга на порядок выше, чем в экосистемах самой реки;

- микроорганизмами-деструкторами фенола, как в природных экосистемах, так и в отстойнике сточных вод, являются бактерии, отнесенные к роду Pseudomonas sp.;

- способность выделенных культур из пруда-аэратора БЦБК утилизировать хлорфенолы увеличивается в ряду 2-хлорфенол < 4-хлорфенол < 2,4-дихлорфенол. Выделенные культуры отнесены к роду Rhodococcus sp;

- выделенные культуры применимы для эффективной очистки стоков БЦБК при концентрациях хлорфенолов до 10 мг/л.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение.

Обоснована актуальность темы, сформулирована цель исследований, задачи и основные положения, выносимые на защиту. Изложены основные принципы стратегии охраны окружающей среды от загрязнения СОЗ, принятые мировым сообществом, актуальные для бассейна озера Байкал, поскольку озеро является участком мирового природного наследия.

Глава 1. Общая характеристика СОЗ

Приведен анализ отечественной и зарубежной литературы о стойких органических загрязнителях - хлорорганических пестицидах, по-лихлорированных бифенилах, полихлорированных фенолах и полиароматических углеводородах. Приведены данные об их происхождении, путях поступления в окружающую среду, об их трансформации в природе. Подробно изложены токсические свойства СОЗ, способность к накоплению в трофических цепях. Рассмотрены данные последних лет о содержании СОЗ в акваэкосистемах, поскольку запрет на производство и использование особо опасных СОЗ, входящих в «грязную дюжину», вызвал уменьшение содержания этих СОЗ в объектах окружающей среды. Также рассмотрены механизмы сорбции СОЗ в аква-экосистемах, испарения и переноса СОЗ по воздуху. Рассмотрены современные представления о глобальном перераспределении СОЗ из южных широт в более высокие (арктические) широты. Глава 2. Микробиологическая деструкция СОЗ

Проанализированы современные данные о механизмах разложения СОЗ с помощью микроорганизмов, данные о деструктивном потенциале ферментативной системы микроорганизмов. Рассмотрены как штаммы с высоким деструктивным потенциалом, так и микробиоценозы, адаптированные к высоким концентрациям СОЗ.

Показано, что наиболее действенным методов деградации СОЗ является их разложение с помощью микроорганизмов - биодеградация. Биодеградация является современным и высокоэффективным методом зашиты окружающей среды, особенно в случае рассеянного загрязнения больших площадей (сельхозугодья, производственные площадки, склады и т.д.).

Глава 3. Методы определения СОЗ.

Обобщен опыт определения СОЗ с помощью современной газовой хроматографии, с масс-селективным и электрон-захватным детекторами. Приведены современные методы пробоотбора, пробоподготовки, экстракции и газохроматографического анализа экстрактов в зависимо-

сти от вида СОЗ, описанные в статьях последнего десятилетия. Приведены подробные методики по определению СОЗ в пробах поверхностной воды, донных отложениях, почве и биологических объектах. Отбор методик пробоподготовки, экстракции и газохроматографического определения произведен по достоверности и соответствию поставленным задачам. Показано, что выбранные методики наиболее соответствуют экстракции и определению хлорорганических пестицидов, полихлори-рованных бифенилов, полиароматических углеводородов, фенола и полихлорированных фенолов. Глава 4 Микробиологические методы.

Описаны принятые методики культивации микроорганизмов, выделения культур, выращенных в среде в присутствии определенного химического соединения, относящегося к СОЗ. Также подробно описаны методы исследования морфолого-культуральных и физиологических свойств микроорганизмов.

Глава 5. Исследование содержания СОЗ в воде и донных отложениях притоков озера Байкал и залива Провал.

Приведены данные оригинальных исследований содержания СОЗ в экосистемах бассейна озера Байкал. Исследования показали, что концентрации пестицидов в донных отложениях притоков озера Байкал сравнительно невысоки и сравнимы с концентрациями этих загрязнителей в донных отложениях арктических морей (таб. 1.). Сравнение с данными других авторов по содержанию пестицидов в донных отложениях рек и морей показывает, что бассейн озера Байкал можно отнести к малозагрязненным регионам (таб. 2.). В тех же странах, где широко используются эти пестициды, уровень загрязнения выше в десятки и сотни раз (таб.2).,. В Китае (включая Гонконг) содержание ДДТ и метаболитов в донных отложениях доходит до очень больших значений (наивысшая концентрация - 1893 мкг/кг (Flower, 1990)). Соотношение ДДТ/ДДЕ в донных отложениях рек Китая достигает значений 11.1 (Wu et al., 1999), что вызвано современным использованием пес-гицидов.

Таблица 1. Содержание ХОП в донных отложениях притоков озера Байкал.

Соединение Содержание, пг/г сухого веса

ГХБ 3.7-8.8

п,п'-ДЦТ 102-621

п.п'-ДДЭ 22-86

п.п'-ДДД 12-385

о.п'-ДДТ 200-261

о.п'-ДДЭ 13-15

о.п'-ДЦЦ 23-34

2ДЦХ 135- 1594 1

дильдрин не обнаружен

эндрин не обнаружен

а-ГХЦГ 470 - 3523

(3-ГХЦГ 469-516

у-ГХЦГ 170 - 606

I ГХЦГ 640-4598

Таблица 2. Сравнение уровня загрязнения донных отложений пестицидами притоков озера Байкал с другими регионами

Канада Гренландия оз. Байкал Притоки оз. Байкал* Китай

ГХБ 80-1800 <100 5-160 3.7-8.8 -

2 ДЦХ 50-5000 <300 14-2700 135-1594 100-14500

£ ГХЦГ 50-3000 <300 19-120 640-4598 200101400

*настоящая работа

Также исследовано содержание полиароматических углеводородов в донных отложениях притоков озера Байкал, показано, что уровни загрязнения относительно невысоки и само загрязнение вызвано сжиганием органического топлива и проливами горюче-смазочных материалов. Из приведенных значений ПАУ (табл. 3) следует, что уровень загрязненности ПАУ относительно невелик и сумма концентраций

ПАУ по 23 индивидуальным соединениям находится в диапазоне 1.4 -5 2 мкг/кг (по 5 соединениям - 0.15 -1.11 мкг/кг). Эти значения сравнимы с уровнем концентраций ПАУ в приповерхностных донных отложениях в арктических морях и дельтах северных рек.

I Таблица 3. Содержание ПАУ в образцах донных отложений,

нг/кг сухого веса

Станции отбора проб

Соединение А1 А2 АЗ А4 А5 131 В2 С О Е

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Нафталин 16,4 11,0 нд 20,0 15,6 10,2 22,8 нд нд нд

Ьифенил 12,3 4,4 КД 13,9 12,2 5,4 12,9 нд нд нд

Ацьнафтилен 4,9 1,8 нд 11,1 7,8 2,8 10,6 нд нд нд

Ащ.нафин 13,8 12,8 нд 17,9 10,1 9,7 16,3 нд нд нд

'Флуорен 66,8 27,1 "Д 53,4 67,0 30,9 66,1 нд нд нд

Фемантрен 606,0 80,7 297,0 439,0 353,0 141,0 334,0 547,5 376,5 522,0

Ан фацен 58,8 3,1 28,0 12,6 7,1 1,4 90,0 13,2 12,8 23,0

3- Мсж 1фепан-треи 310,0 83,8 нд 226,0 205,0 90,5 380,0 нд нд нд

2- Ме1и |фспан- фСП 295,0 83,9 нд 227,0 232,0 88,3 215,0 нд нд нд

4-/9М;1н фгнашрен 2854 853,0 нд 2187 1965 761,0 2457 нд нд нд

1- М1; 1 ил фемантрен 283,0 86,4 нд 199,0 208,0 89,1 199,0 нд нд нд

Ф |уоран1сн 322,0 60,7 469,5 87,2 128,0 67,0 143,0 305,0 152,5 299,0

Пиреп 12,9 5,1 287,0 28,1 11,3 4,4 29,3 126,5 34,0 231,0

Ьс1п(а)анграцен 29,6 12,9 нд 12,3 16,7 4,7 18,3 нд нд нд

Хризен 72,1 31,2 нд 20,2 36,2 18,5 60,4 нд нд нд

Беш(Ь) флуоран-тен 93,0 57,5 нд 14,9 57,0 27,5 100,0 нд нд нд

Бепз(к)флуоран-ген 19,5 15,2 нд 8,3 15,9 4,7 33,0 нд нд нд

Бет(е)пирен 57,9 52,3 нд 41,1 35,9 25,9 36,3 нд нд нд

Продолжение таблицы 3.

Расположение станций отбора проб: А1- р Селенга (22 км выше г.Улан-Удэ), А2 р.Селеша (15 км выше г.Улан-Удэ), А3 - р.Селенга ( 1.5 км ниже очистных сооружений г. Улан-Удэ), А4 - р Селенга (17 км ниже г.Улан-Удэ), А5 - р.Селенга (дельта р. Селента), В1 - залив Сор-Чсркалово, В2 - бухта Змеевая, С - р.Турка (0.5 км выше месаа впадения в озеро), Б - р.Хаим (28 км выше места впадения), Е - р.Баргузин (4 км выше места впадения), нд* - нет данных.

Концентрация полихлорированных бифенилов в донных отложениях также невысока и по набору конгенеров соответствует широко использовавшейся в электротехнике технической смеси ПХБ «Совол» (таб. 4).

Таблица 4. Содержание ПХБ в донных отложениях притоков озера

Байкал.

Соединение Содержание, пг/г сухого веса

ПХБ 28 9.30-23

ПХБ 52 13-32

ПХБ 101 -

ПХБ 138 6.8 - 54

ПХБ 153 6.5 - 224

ПХБ 180 53-58

Е 6ПХБ 26 - 225

В образце керна донных отложений залива Провал (оз. Байкал) были определены уровни загрязнения пестицидами и полихлорирован-ными бифенилами (рис. 1.). Из рисунка видно, как уровни загрязнения уменьшаются по глубине и, зная скорость седиментации (около 1 см в год), мы полагаем, что определяемые уровни СОЗ обнаруживаются в пятидесятые годы, когда эти соединения стали широко использоваться в байкальском регионе. Как известно, пестициды ДДТ, ГХЦГ и ГХБ применялись для борьбы с насекомыми-вредителями в сельском хо-:яйстве, а ТТХБ входили в состав трансформаторного масла.

Рис. 1. Вертикальное распределение ПХБ, ДДТ, ГХЦГ и ГХБ в керне донных отложений, нг/г сухого веса.

Глава 6. Исследование содержания СОЗ в подкожном жире нерпы.

Приведены оригинальные данные исследования содержания СОЗ в подкожном жире бельков байкальской нерпы (отбор проб -2002 г.). Сравнение с данными, полученными для ювенильных особей, отобранных в 1992 г., позволило прийти к выводу, что уровень загрязнения байкальской нерпы существенно уменьшился (концентрации ГХЦГ и ПХБ в образцах 2002 г. примерно в два раза, тогда как концентрация ДДТ в три раза ниже, чем соответствующие значения в 1992 г.). Эта тенденция понижения уровня загрязнения связано с запретом использования пестицидов ДДТ и ГХЦГ.

Таблица 5. Концентрации пестицидов в образцах подкожного жира ювенильных особей байкальской нерпы (1992 г») и детенышей байкальской нерпы (2002 г.). Концентрации выражены в нг/г липидов.

Год отбора образцов

Кол-во

Возрасг, мес

Содержание липидов, %

1ГХЦГ

2ДДТ

ЕПХБ

1992

2002

12

3 5-24

87

85

57

26

13000

4300

6300

3100

8

Глава 7. Идентификация источников поступления СОЗ.

Проведена идентификация источников поступления СОЗ. Идентификация источников поступления проведена с использованием анализа соотношений метаболитов (ДДТ), соотношений изомеров (ГХЦГ) или соединений, входящих в класс СОЗ (ПХБ и хлорфенолы).

Проведенный анализ показал, что пестициды ДДТ и ГХЦГ имеет локальные источники поступления, поскольку использовались в сельском хозяйстве. Также локальное поступление у ПХБ (использование в электротехнических устройствах), хлорфенолов (БЦБК и хлорирование питьевой воды).

Региональный (трансграничный) атмосферный перенос ответственен за перенос пестицида ДДТ из Индии и Китая, где этот запрещен-

ный пестицид используется в наши дни для борьбы с комарами-переносчиками малярии.

Глобальный атмосферный перенос вносит в бассейн озера Байкал пестициды ГХБ и пентахлорфенол. Эти пестициды используются в странах, расположенных южнее бассейна озера, но воздушные массы равномерно распределяют эти загрязнители по всему северному полушарию.

Глава 8. Исследование микробной деструкции СОЗ.

Исследована деструкция опасных для гидробионтов фенола и по-лихлорированных фенолов. Найдены характеристики биодеградации этих токсикантов, выделены культуры с высокой деградативной способностью. Определены морфолого-культуральные и физиологические свойства микроорганизмов.

Деструкция фенола микроорганизмами природных поверхностных вод была исследована в искусственных микрокосмах. Установлено, что средняя константа скорости деструкции фенола в микрокосмах дельты р. Селенга (п. Истомино), при исходной концентрации фенола 100 мг/дм3, составила а период полураспада - 1,3 суток,

тогда как в микрокосмах створа, расположенного в 160 км от дельты реки (п. Вахмистрово), константа скорости деструкции и период полураспада составили 8,7 мгх.гГ'хсут'1 И 4,5 суток, соответственно. Это свидетельствует о высокой деструктивной активности водных органо-трофных микроорганизмов дельты реки, служащей своеобразным биологическим фильтром, обеспечивающим чистоту озера Байкал. Можно предположить, что отсутствие выраженного периода индукции на всех кинетических кривых деструкции свидетельствует о наличии систем ферментов, необходимых для первичной атаки молекулы фенола и осуществляющих гидроксилирование его до двухатомных фенолов типа пирокатехина (рис. 2.).

120 т -

< V

0 10 20 30

40 50

Время, сутки

Рис. 2. Деструкция фенола микрофлорой водных экосистем р. Селенги (1 - стерильный контроль, 2 - п. Вахмистрово, 3 - дельта, п. Истомино).

Исследование деструкции фенола микробным консорциумом сточных вод проводилось в водной минеральной среде, содержащей фенол в качестве единственного источника углерода и энергии. При аэробном культивировании микроорганизмов сточных вод процесс деструкции фенола имел следующие зависимости (рис. 3.)

500

* 300

о

ф 200

-9-

100

0

0 2 4 6 8 10 12

Время, сутки

О 2 4 6 8 10 12 Время, сутки

2

Рис. 3. Кинетика деструкции фенола (1) и накопления биомассы (2).

При деструкции фенола микроорганизмами сточных вод на кинетической кривой наблюдался лаг-период, во время которого не происходило ни разрушения субстрата, ни роста биомассы, продолжительностью 6,8 суток, что обусловлено интродукцией в среду фенола в более высокой концентрации (500 мг/дм3), чем в случае природных вод (100 мг/дм3). В течение последующей экспоненциальной фазы (2,2 суток) клетки интенсивно росли, активно утилизируя субстрат, и по истечении этого времени вступали в непродолжительную стационарную фазу роста, переходящую в фазу отмирания клеток. Изменение электронных спектров поглощения культуральной среды в процессе деструкции фенола показало, что к концу экспоненциальной фазы в среде концентрация фенола снизилась от 386 мг/дм3 до 0,5 мг/дм3. Поскольку при изменении состава и концентрации загрязняющих веществ меняется и набор систем ферментов, наличие выраженного лаг-периода свидетельствует о процессе синтеза ферментов с конструированием адекватного состояния клетки, способной активно расти в режиме деструкции единственного субстрата - фенола, играющего в данном случае роль

эффектора индукции первого фермента (монооксигеназы) цепи энзи-матических реакций.

Исследование изменения морфологических типов клеток в процессе деструкции фенола показало, что во всех пробах также преобладали аэробные, грамотрицательные, каталазоположительные палочки, предположительно отнесенные к роду Pseudomonas

Деструкция хлорфенолов микроорганизмами пруда-аэратора БЦБК была проведена с использованием аборигенной микрофлоры пруда-аэратора БЦБК, адаптированной к высоким концентрациям хлорфенолов. При культивировании ила пруда-аэратора в жидкой питательной среде, содержащей хлорфенолы, после четырех последовательных пересевов наблюдался скудный рост клеток, поэтому в качестве косубстрата в среду была внесена глюкоза в концентрации 4 % (Wang, Loh, 1999). Полученная через 8 суток в условиях кометаболиз-ма биомасса была пересеяна в соотношении ]1_:10 в свежую среду с одним из хлорфенолов. В результате нами были получены накопительные культуры, при повторном культивировании которых в жидкой среде в течение 11 суток 2,4-ДХФ был утилизирован полностью (средняя константа скорости деструкции а концентрация 4-ХФ снизилась до 3.27 мг/л (к = 0,62 ирхл^хсут'). 2-ХФ разлагался незначительно. Полученные клетки были суспендированы в среде и подвергнуты повторному культивированию. В результате выявлена невысокая способность культур разлагать 2-ХФ в жидкой среде (к=0,54 мг*л 'хсуг') Через 5 суток культивирования концентрация 2,4-ДХФ в КЖ снизилась до 0,13 мг/л (к=1,53 ирхл^хсут"1), а концентрация 4-ХФ составила 4,6 мг/л (к=0,76 михд^хсут"1) (рис. 4.).

а)

С, мг/л 20 16

■ л .и , А,-. _ _ 1С - -А Г- 1 • 1 _ 1 1

А —1—---* -

--1- - к- —1—I—

2 4 -X (биомасса)

8

X, мгсух. биомассы 0,15^1

0,12

0,09

0,06

0,03

О

10 12 14 Время, сутки

-А- С (концентрация)

9

См/л Ю'

| ^ 1 1 1—

г/\ - - -— N.

—1— — м -1-

^л/гсус Ц13 бшэосы

/М1

012 СЦ1

С11

8 10 12 14 ^хм^сулм

Рис. 4. Кинетика деструкции хлорфенолов и динамика изменения биомассы: а) 2-ХФ, б) 4-ХФ, в) 2,4-ДХФ

Максимальная концентрация клеток в процессе деструкции 2,4-ДХФ достигала 0,27 мг сухой биомассы/мл и к концу культивирования снизилась до 0,23 мг сухой биомассы/мл. Метаболиты при хромато-графическом анализе экстрактов не обнаружены, что, вероятно, связано с разрывом бензольного кольца и разложением продуктов кислотного характера, о чем свидетельствовало снижение величины рН КЖ к концу культивирования.

Очевидно, что способность выделенных культур утилизировать хлорфенолы увеличивается в ряду 2-ХФ < 4-ХФ < 2,4-ДХФ. В случае монохлорфенолов это обусловлено тем, что в аэробных условиях мета-и пара-замещенные (4-ХФ) хлорфенолы разлагаются микроорганизмами легче, чем орто-замещенные (2-ХФ) (Annachhatre, Gheewala, 1996; Финкельштейн и др., 2000). Напротив, полихлорированные фенолы, как известно, разлагаются труднее, чем монохлорфенолы (Финкель-

штейн и др., 2000; Ye Fen-xia, Shen Dong-sheng, 2004), причем в анаэробных условиях наблюдается обратная зависимость (Ye Fen-xia, Shen Dong-sheng, 2004: Atuanya et в1., 2000). В данном случае наиболее эффективными оказались культуры бактерий-деструкторов 2,4-ДХФ, что обусловлено, по нашему мнению, как наличием квазианаэробных условий в пруде-аэраторе БЦБК, так и относительно высоким содержанием 2,4-ДХФ в воде пруда-аэратора БЦБК (1,66 мкг/л) и, следовательно, большей степенью адаптированности аборигенных микробиоценозов. Кроме того, по мере дехлорирования скорость анаэробного разложения образовавшихся монохлорфенолов значительно уменьшается (Kohrmg et в1., 1989), поэтому монохлорфенолы склонны накапливаться в такой среде (Ye Fen-xia, Shen Dong-sheng, 2004). Этим может быть обусловлен приблизительно одинаковый уровень содержания 2-ХФ в воде озера Байкал ниже выпуска сточных вод БЦБК (0,47 мкг/л) и в воде пруда-аэратора (0,30 мкг/л), в то время как концентрация 2,4-ДХФ в природной воде в 1,9 раза меньше, чем в воде пруда-аэратора.

Выводы

1.Установлены уровни загрязнения экосистем бассейн озера Байкал стойкими органическим загрязнителями.

Показано, что загрязнение бассейна озера Байкал стойкими органическими загрязнителями относительно небольшое, сравнимо с загрязнением арктических районов.

2.Идентифицированы источники поступления стойких органических загрязнителей в бассейн озера Байкал, установлено, что:

глобальный атмосферный перенос вносит в бассейн озера пестициды ГХБ, пентахлорфенол;

региональный атмосферный перенос вносит в бассейн озера пестицид ДДТ;

- локальные источники поступления у пестицида ГХЦГ, хлорфе-нолов, ПХБ и ПАУ;

в наши дни продолжается поступление пестицида ДДТ (по соотношениям метаболитов ДДТ (ДЦТ/ДДЭ)).

3.Найдены закономерности распределения пестицидов и ПХБ по глубине в керне мелководья озера Байкал.

4.Уровень загрязнения байкальской нерпы СОЗ за период 1992 -2002 г.г. существенно уменьшился и тенденция уменьшения соответствует мировым тенденциям.

5.Показано, что соотношения индивидуальных соединений ПАУ определяют петрогенную или пиролитическую природу этих соединений. Установлено, что соотношения могут быть использованы для установления природы хлорфенолов.

6. Деструктивная активность (по разложению фенола) органотроф-ных микробиоценозов водных экосистем в дельте р. Селенга на порядок выше, чем в экосистемах самой реки, что объясняется более высокими температурой воды и ферментативной активностью микроорганизмов.

7. Найдено, что максимальная деструктивная активность по разложению фенола при концентрации 500 мг/дм3 проявляется у консорциума микроорганизмов отстойника фенолсодержащих сточных вод

8.Установлено, что микроорганизмами-деструкторами фенола, как в природных экосистемах, так и в отстойнике сточных вод, являются бактерии, отнесенные к роду Рзеиёошопаз зр.

9. Показано, что способность выделенных культур из пруда-аэратора БЦБК утилизировать хлорфенолы увеличивается в ряду 2-хлорфенол < 4-хлорфенол < 2,4-дихлорфенол. Выделенные культуры отнесены к роду ЯИоёососсш зр.

10. Выявлена перспективность применения выделенных культур для эффективной очистки стоков БЦБК при концентрациях хлорфено-лов до 10 мг/л. Полученные результаты исследований рекомендованы для биодеградации и других стойких органических соединений.

Основное содержание работы опубликовано в следующих работах:

1. Рязанцев А.А., Батоев В.Б., Батоева А.А., Корсун Л.Н. Гальва-нокоагуляционная очистка сточных вод, // Химия в интересах устойчивого развития, 1996, №3, т.4, с. 233-241.

2. Ryazantsev A.A., Batoev V.B., Batoeva A.A., Korsun L.N. Waste Water Purification by Galvanocoagulation // Chemistry for Sustainable Development, 1996, №4, p. 231-239.

3. Батоева А.А., Молотов B.C., Рязанцев А.А., Батоев В.Б., Туму-рова Л.В., Найданов О.Д. Экологические проблемы водообес-печения населения Бурятии // Инженерная экология, 1997, №4, с. 33-39.

4. Рязанцев А.А., Батоев В.Б., Маниева В.И., Сизых М.Р., Батоева А.А .Fe-монтмориллонит: получение, свойства, применение // Химия в интересах устойчивого развития, 1999, т. 7, № 1, - с. 89-96.

5. Ежегодный доклад о состоянии окружающей среды в Республике Бурятия в 1998 .- г. Улан-Удэ, 1999. - 267 с.

6. Охрана озера Байкал и обеспечение рационального природопользования в Байкальском регионе в 1998 г. (Ежегодный доклад Правительственной комиссии по Байкалу).- М.: Гос. центр экол. прогр., 1999. - 176 с.

7. Батоев В.Б., Палицына С.С., Нимацыренова Г.Г., Цыденова О.В., Цыцыктуева Л.А. Хлорорганические соединения в экосистемах республики Бурятия: современное состояние // Материалы науч.-практ. конф. "Экологобезопасные технологии освоения недр Байкальского региона: современное состояние и перспективы" (к 300-летию учреждения Приказа рудокопных дел). - Улан-Удэ: Изд-во БНЦ СО РАН, 2000. - с.90-91.

8. Ежегодный доклад о состоянии окружающей среды в Республике Бурятия в 1999 .- г. Улан-Удэ, 2000. - 272 с.

9. Охрана озера Байкал и обеспечение рационального природопользования в Байкальском регионе в 1999 г. (Ежегодный доклад Правительственной комиссии по Байкалу).- М.: Гос. центр экол. прогр., 2000. - 192 с.

10. Батоев В.Б., Палицына С.С., Цыденова О.В., Нимацыренова Г.Г. Проблема идентификации источников загрязнения бассейна озера Байкал стойкими органическими загрязнителями //

Теория и практика рационального природопользования (к 10-летию Байкальского института природопользования СО РАН) - Улан-Удэ: Изд-во БНЦ СО РАН, 2001. - с.136-138.

11. Батоев В.Б., Рязанцев А.А., Нимацыренова Г.Г., Палицына С.С., Цыденова О.В. Оценка загрязнения основных притоков озера Байкал фенолом и хлорорганическими пестицидами // Материалы научной конференции "Природные ресурсы Забайкалья и проблемы природопользования", 10-15 сентября 2001 г., г. Чита. - Чита: Издание ЧИПР СО РАН, 2001. - с.123-124.

12. Батоев В.Б., Цыденова О.В. Хлорорганические пестициды в донных отложениях притоков озера Байкал // Тезисы докладов Международной конференции "Экология Сибири, Дальнего Востока и Арктики" - Томск,2001,- с. 49.

13. Ежегодный доклад о состоянии окружающей среды в Республике Бурятия в 2000 .- г. Улан-Удэ, 2001. - 282 с.

14. Охрана озера Байкал и обеспечение рационального природопользования в Байкальском регионе в 2000 г. (Ежегодный доклад Правительственной комиссии по Байкалу).- М.: Гос. центр экол. прогр., 2001.- 186 с.

15. Батоев В.Б., Нимацыренова Г.Г. Деструкция фенола микрофлорой //Экология и промышленность России, 2002.- №8 - с. 2627.

16. Батоев В.Б., Нимацыренова Г.Г., Цыденова О.В., Бекетов С.А. Хлорорганические пестициды и тяжелые металлы // Биологи-

ческое разнообразие Тугнуйской котловины. - Улан-Удэ: Бурятское книжное изд-во, 2002. - с. 113 -119.

17. Сизых М.Р., Батоева А.А., Батоев В.Б., Нимацыренова Г.Г. Каталитическое разложение хлорорганических токсикантов // Материалы Межд. конф. «Экологические и гидрометеорологические проблемы больших городов и промышленных зон», 15—17 октября 2002 г. - СПб: изд. РГГМУ, 2002. -с. 107

18. V.B. Batoev, O.V. Tsydenova, G.S. Dabalaeva, V.S. Ivlev. Lake Baikal pollution by persistent organic pollutants // Proceedings of the 5 th International Congress "Water: Ecology and Technology" (ECWATECH-2002), Moscow, 2002. - p. 57.

19. Батоев В.Б., Цыденова О.В., Ивлев B.C. Трансграничный перенос хлорорганических пестицидов в бассейн реки Селенги // Материалы международной научно-практической конференции "Селенга - река без границ". - Улан-Удэ, 2002. - с. 75-77.

20. В.Б. Батоев, С.С. Палицына, О.В. Цыденова, Г.С. Дабалаева, B.C. Ивлев / Хлорорганические пестициды, полиароматические углеводороды и полихлорированные бифенилы в донных отложениях притоков озера Байкал / Тезисы докладов Всероссийских научйых чтений с международным участием, посвященных 70-летию со дня рождения члена-корреспондента АН СССР М.В. Мохосоева - Улан-Удэ: Изд-во БНЦ СО РАН, 2002.-с. 111-112.

21. Нимацыренова Г.Г., Батоев В.Б., Базарова Ж.Г., Дабалаева Г.С. Газохроматографическое определение фенола и его биодеградация в природных и сточных водах // Тезисы докладов Всероссийских научных чтений с международным участием, посвященных 70-летию со дня рождения члена-корреспондента АН СССР М.В. Мохосоева - Улан-Удэ: Изд-во БНЦ СО РАН, 2002.-с. 162-163.

22. В.Б. Батоев, О.В. Цыденова, Г.С. Дабалаева, B.C. Ивлев / Загрязнение бассейна озера Байкал стойкими органическими за-

грязнителями // Тезисы V Международного конгресса "Вода: экология и технология (ECWATEСH-2002)" Москва, 2002. - с. 54.

23. Ежегодный доклад о состоянии окружающей среды в Республике Бурятия в 2001 ,- г. Улан-Удэ, 2002. -284с.

24. Охрана озера Байкал и обеспечение рационального природопользования в Байкальском регионе в 2001 г. (Ежегодный док-» лад Правительственной комиссии по Байкалу).- М.: Гос. центр экол. прогр., 2002.-182 с.

25. Цыденова О.В., Батоев В.Б., Weissflog L., Wenzel K.-D. Загрязнение бассейна озера Байкал: хлорорганические пестициды// Химия в интересах устойчивого развития. - 2003. -Том 11, №2. -с. 349-352.

26. Батоев В.Б., Weissflog L., Wenzel K.-D., Цыденова О.В., Пали-цына С.С. Загрязнение бассейна озера Байкал: полиароматические углеводороды // Химия в интересах устойчивого развития. - 2003,-Том. 11, № 6 - с. 837-842.

27. Batoev V.B., Dabalaeva G.S., Nimatsyrenova G.G. 2-Chlorophenol, 4-Chlorophenol And 2,4-Dichlorophenol Degradation By Pond-Aerator Microflora Of Baikalsk Pulp And Paper Mill // Proceedings of International Baikal Symposium on Microbiology (IBSM-2003) «Microorganisms in Ecosystems of Lakes, Rivers and Reservoirs», Irkutsk, 2003.-p. 10-11.

28. Dabalaeva G.S., Batoev V.B., Nimatsyrenova G.G., Toctokhoev Ch.V. Chtorophenols in aquatic ecosystems of Lake Baikal Basin // Proceedings of International Ecologic Forum "Environment and Human Health", St. Petersburg, 2003. - p. 254-255.

29. Ежегодный доклад о состоянии окружающей среды в Республике Бурятия в 2002 .- г. Улан-Удэ, 2003. - 294 с.

30. Охрана озера Байкал и обеспечение рационального природопользования в Байкальском регионе в 2002 г. (Ежегодный док-

лад Правительственной комиссии по Байкалу).- М.: Гос. центр экол. прогр., 2003.-192 с.

31. Дабалаева Г.С., Нимацыренова Г.Г., Батоев В.Б., Базарова Ж.Г. Определение хлорфенолов в воде реки Селенги и ее притоков // Труды Второй интеграционной междисциплинарной конференции молодых ученых СО РАН и высшей школы, Иркутск, 2003.-с. 74-76.

32. Батоев В.Б., Цыденова О.В., Нимацыренова Г.Г., Палицына С.С. Загрязнение бассейна озера Байкал стойкими органическими загрязнителями //Аналит. обзор / СО РАН. Байкальский институт природопользования, ГПНТБ. - Новосибирск, 2004. -172 с.

33. Tsydenova O.V., Minh T.B., Kajiwara N.. Batoev V.B., Tanabe S. Recent contamination by persistent organochlorines in Baikal seal (Phoca sibirica) from Lake Baikal, Russia // Marine Pollution Bulletin.- 2004.- 48, -p. 749-758

34. В.Б. Батоев, Г.Г. Нимацыренова, Г.С. Дабалаева, С.С. Палицы-на. Загрязнение хлорированными фенолами бассейна реки Селенги // Химия в интересах устойчивого развития- 2004, Том. 12, № 6

35. В.Б. Батоев, В.Ж. Цыренов, Г.Г. Нимацыренова,Е.Г. Инешина, Г.С. Дабалаева, И.М. Почерней. Деструкция хлорфенолов микроорганизмами пруда-аэратора Байкальского ЦБК // Экология и промышленность России - 2004, № 9. - с. 22 - 24.

36. Батоев В.Б., Цыденова О.В. Поступление стойких органических загрязнителей в бассейн озера Байкал // Вестник Бурятского государственного университета, Серия 1: Химия. Выпуск 1. - Улан-Удэ: Издательство Бурятского государственного университета, 2004. - с. 130-150.

37. Батоев В.Б., Нимацыренова Г.Г., Дабалаева Г.С, Базарова Ж.Г. Хлорфенолы в водных экосистемах байкальского региона: поступление и биодеструкция // Вестник Бурятского государст-

венного университета, Серия 1: Химия,] Выпуск 1. - Улан-Удэ: Издательство Бурятского государственного университета, 2004.-с.116-130.

38. Ежегодный доклад о состоянии окружающей среды в Республике Бурятия в 2003 .- г. Улан-Удэ, 2004. - 298 с.

39. Охрана озера Байкал и обеспечение рационального природопользования в Байкальском регионе в 2003 г. (Ежегодный доклад Правительственной комиссии по Байкалу).- М.: Гос. центр экол. прогр., 2004. - 196 с.

40. Нормативы предельно допустимых вредных воздействий на уникальную экологическую систему озера Байкал. - М: 2004.

41. Перечень веществ, вредных для экосистемы озера Байкал. -М.: 2004.

42. Цыденова О.В., Батоев В.Б. Хлорорганические соединения в керне донных отложений залива Провал (оз. Байкал) // Сборник трудов ВСГТУ. - Улан-Удэ, 2004.- Вып.9.- с.87-90.

43. Цыденова О.В., Батоев В.Б. Хлорорганические соединения в подкожном жире байкальской нерпы (Phoca Sibirica) // Сборник трудов ВСГТУ. - Улан-Удэ, 2004.- Вып.9.- с.91-94.

44. Дабалаева Г.С., Нимацыренова Г.Г., Батоев В.Б., Намсараев Б.Б. Хлорфенолы в поверхностной воде реки Селенга и их биодеструкция// Сборник трудов ВСГТУ. - Улан-Удэ, 2004.-Вып.10.-сЛ02-107.

Подписано в печать 26.11.2004 г. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Объем 2 печ. л. Тираж 100. Заказ № 200.

Отпечатано в типографии Изд-ва БНЦ СО РАН, 670047 г. Улан-Удэ, ул. Сахьяновой. 6.

«249ве 1