Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Геоэкологическое тестирования горных пород на основе белковой индикации

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации по теме "Геоэкологическое тестирования горных пород на основе белковой индикации"

На правах рукописи

НИЖАРАДЗЕ Тинатин Николаевна

ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКОЕ ТЕСТИРОВАНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД НА ОСНОВЕ БЕЛКОВОЙ ИНДИКАЦИИ

Специальности: 11.00.11 "Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов " 04.00.07 "Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение "

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург 1997

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государствсшюм университете

Официальные оппоненты:

доктор геолого-минералогических наук, академик РАН В.И.Осипов

доктор технических наук, профессор, заслуженный

деятель пауки и техники РФ

И. С.Масленникова

доктор биологических наук

Т.С.Зверева

Ведущее предприятие: Управление "Морзащнта" Администрации Санкт-Петербурга

Защита диссертации состоится 4 апреля 1997 г. в14ч00 мин. на заседании диссертационного совета Д.063.15.11 в Санкт-Петербургском государствсшюм горном институте имени Г.В.Плеханова (техническом университете) по адресу: 199026, Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, в зале заседаний № 2 (портретная галерея).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан "4" марта 1997 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ И

диссертационного Совета__ИЩОМ*-} А.Н.МАКОВСКИЙ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время нарушение состояния окружающей среды принимает все более угрожающий характер, поскольку изменяются, и чаще всего необратимо, все компоненты этой среды: почвы, горные породы, подземные и поверхностные воды, воздушный бассейн. Вместе с тем, при оценке экологического состояния окружающей среды как многокомпонентной системы, в качестве обязательного критерия контроля должно входить исследование закономерностей трансформации биотической составляющей, и, в первую очередь, микроорганизмов как наиболее чувствительных индикаторов к изменению условий их существования, которое может быть вызвано как природными, так и техногенными факторами.

Следует признать, что универсального и достаточно надежного способа контроля за экологическим состоянием окружающей среды, основанного на изучении жизнедеятельности микроорганизмов, до сих пор не было разработано, хотя важность решения этой проблемы очевидна.

Как известно, микроорганизмам отводится ведущая роль в возникновении и развитии ряда негативных природных процессов, одним из типичных примеров которых является глееобразование. Широкое распространение этого процесса наносит значительный ущерб состоянию окружающей среды, поскольку в результате его воздействия формируются породы особого состава, структуры и свойств, весьма неблагоприятных с точки зрения освоения и развития территорий.

Оглеенные породы — это дисперсные, водонасыщенные, органо— минеральные грунты, образующиеся в ходе гипергенеза исходных пород в анаэробных условиях, в основе которого лежит воздействие микроорганизмов, преобразующих состав, структуру и свойства пород. В силу специфической природы оглеенных пород их оценка в экологических целях должна отличаться от общепринятой в геологии и обязательно включать изучение микробиологической составляющей.

Отметим, что глееобразование является одним из природных процессов, при котором возникают идеальные условия для изучения микробиологического фактора и его роли при оценке не только при—

родных, но и техногенных изменений, происходящих в горных породах.

Так, осуществление промышленного, щдротех!шческого и гражданского строительства в ряде случаев приводит к водонасьпцению слабоувлажненных грунтовых толщ, снижению степени аэрации массивов, сопровождаемых переходом от аэробных условий к анаэробным. Формирование восстановительной обстановки с одновременной активизацией микробиологической деятельности в породах приводит к резкой интенсификации глееобразовательного процесса, вызывающего негативные последствия.

Таким образом, техногенная нагрузка может являться важным фактором изменения геоэкологического состояния горных пород, как одного из компонентов окружающей среды. В связи с этим главным становится вопрос эволюционного преобразования дисперсных горных пород во взаимодействии с сооружениями и прогноза устойчивости последних, а также необходимость создания новых методов контроля, позволяющих соизмерять время эксплуатации сооружения со временем преобразования пород происходящего под влиянием жизнедеятельности микроорганизмов.

Особую важность в настоящее время приобретет аспект исследований, связанный с оценкой геоэкологического состояния в районах сооружений и объектов, загрязняющих окружающую среду. Применение похода, разработанного при изучении глееобразования, послужило предпосылкой для создания нового направления экологических исследований, основанного на количественном анализе взаимодействия системы живое вещество — загрязняющие техногенные компоненты.

Микроорганизмы, присутствующие во всех составляющих природных экосистем, являются наиболее универсальными из всех известных биоиндикаторов и обладают высокой чувствительностью к изменению условий среды обитания под воздействием техногенных загрязнений. Это обусловлено жесткой зависимостью микроорганизмов от окружающей среды как источника энергии и необходимых веществ для синтеза микробных клеток. Поэтому изменение уровня

микробной биомассы в природных экосистемах экспрессно отражает реакцию биоты на загрязнение и может рассматриваться как объективный количественный сигнал об изменении геохимических условий геологической среды, выходящих за пределы обычных колебаний.

Исходя из изложенного, исследование микробиологической составляющей представляется весьма важным и необходимым в связи с ее высокой информативностью при анализе состояния геологической среды. Поскольку в микробных клетках белки составляют около по — ловины сухой биомассы, количественная оценка микробиологической составляющей по суммарной концентрации белковых вещесш является вполне правомерной.

На этой основе автором предложено новое научное направление исследований — белковая индикация, применению которого в области геоэкологии посвящена настоящая работа.

Белковая индикация базируется на новом подходе к исследованию геоэкологического состояния горных пород связанном с изучением .д инамики процессов аккумуляции белковых веществ, образующихся в результате жизнедеятельности микрооргш шзмов.

Цель работы— разработка теоретического и экспериментального обоснования геоэкологического тестирования горных пород на основе белковой индикации, количественно характеризующей по содержанию белковых веществ интенсивность протекающих в горных породах микробиологических и биохимических процессов и их взаимосвязь с изменением состояния теологических экосистем.

Основные задачи исследований. В соответствии с поставленной целью были рассмотрены два аспекта проблемы, в рамках которых решались следующие задачи.

1. Теоретическое и экспериментальное обоснование тестирования уровня пораженносга горных пород под воздействием негативных природных и техногенных процессов на основе белковой инд икации.

2. Разработка эффективных методов выделения и количественной оценки суммарного белка (СБ) как продукта жизнедеятельности мик—

роорганизмов, контролирующего динамику природных и техногенных процессов.

Инженерно—геоэкологический аспект проблемы

3. Анализ природы процесса глееобразования и преобразования горных пород (в том числе их состава, структуры и свойств) на базе исследований биохимических процессов, контролируемых содержанием в горных породах суммарного белка

4. Обоснование общей биохимической модели глееобразования с целью контроля и прогнозирования возможных последствий развития этого процесса; разработка нового критерия оценки степени оглеен— ноет пород по концентрации СБ.

Собственно экологический аспект проблемы.

5. Анализ взаимосвязи интенсивности и направленности биохимических процессов с уровнем воздействия различных типов техногенного загрязнения на геологическую среду.

6. Обоснование критериев контроля за изменением состояния reo— логической среды под воздействием техногенного загрязнения (в том числе промышленных предприятий, полигонов захоронения отходов производств и пр.), основанных на исследовании содержания белко — вых веществ в горных породах.

7. Создание на основе белковой индикации системы биогеохими — ческого мониторинга с целью контроля нарушений геоэкологического состояния природных экосистем.

Научная новизна работы.

1. Предложено новое направление исследований — геоэкологическое тестирование горных пород на основе белковой индикации.

2. Разработан новый количественный показатель — концентрация белка в горных породах и эффективные методы его определения.

3. В инженерно—геоэкологическом аспекте предложен принципиально новый подход к исследованию природы и закономерностей глееоб— разоватального процесса, основанный на использовании белковой индикации. Доказаны связи концентрации СБ в оглеенных породах с определяющими факторами глееобразования и гипергенными изме—

нениями их состава, структуры и свойств. Обоснован новый подход к оценке степени оглеенносга пород с использованием биохимических моделей (БХМ).

4. Разработана общая модель глееобразования и осуществлена практическая реализация метода белковой индикации при оценке геоэкологического состояния среды.

5. В собственно экологическом аспекте установлены взаимосвязи между поступлением в окружающую среду различных типов загрязняющих веществ и изменением уровня развития микробных биоценозов, отражающих реакцию природных экосистем на техногенное загрязнение.

6. Разработаны критерии оценки и выявления по концентрации СБ биогеохимических аномалий, возникающих под влиянием техногенных загрязнений.

7. Обосновано и апробировано применение белковой индикации для организации долговременного мониторинга в пределах территорий, подверженных воздействию загрязняющих техногенных компонентов.

Практическая значимость работы. Результаты исследований внедрены в производство и используются различными организациями: Государственным гидрологическим институтом (С.—Петербург), ПГО "Севморгеология" (С,—Петербург), Санкт-Петербургским государственным гарным институтом (С.-Петербург), "Ленкомприродой" (С.—Петербург), Управлением "Морзащита" (С.—Петербург), ГКНТ СССР (Москва), "Грузгипроводхозом" (Тбилиси), Северо—Осетинским государственным университетом (Орджоникидзе), "Укргипроводхозом" (Киев), MANSFELD ENGINEERING GmbH (ФРГ), геологическими факультетами Вроцлавского (Польша) и Нанкинскош университетов (Китай).

Разработанное направление исследований открывает широкие возможности использования белковой индикации в других областях научно—производственной деятельности. Одной из наиболее важных отраслей, где осуществляется реализация данного направления в производственном масштабе, является поиск и разведка углеводородного сырья. Применение белковой индикации позволяет с высокой степе—

нью надежности прогнозировать наличие углеводородных залежей и используется в практике поисково—разведочных работ крупнейшими нефтедобывающими предприятиями России ("ЛУКойл", "Зарубежнефть", "Татнефть", "Башнефгь", "СеверНИПИгаз", "Сургутнефтегаз") и зарубежных стран (Министерство геологии Индии, компании США — Texaco, Mobil, Exxon). На ряде предприятий осуществлено производственное внедрение метода.

Полученные результаты исследований используются в учебном процессе при чтении курсов лекций "Инженерная геология" и "Региональное грунтоведение" на геологическом факультете Санкт-Петербургского государственного университета. Специальные курсы лекций читаются на экологическом факультете СП6ГУ, на географическом факультете Вроцлавского университета (1988 — 89 гг.) и геологическом факультете Нанкинского университета (1990 г.).

Апробация работы. Основные результаты и положения работы докладывались на заседаниях Ученого совета СПбГУ, Вроцлавского и Нанкинского университетов, на ВДНХ, всесоюзных и международных экологических семинарах (С.—Петербург, Москва, Суздаль, Самарканд), в Доме ученых (С.-Петербург), на первом Советско— Американском симпозиуме по гидрогеологическим и гидрологическим проблемам охраны окружающей среды, на втором съезде Общества почвоведов РАН, международной конференции "Закономерности эволюции Земной коры" и в ряде научно—производственных организаций.

На ВДНХ (1990 г.) научные достижения в области экологии отмечены серебряной медалью. Основные результаты работы являются конкурентоспособными и защищены патентами.

Основу работы составляют результаты 14—летней работы автора по проблеме "Слабые грунты, их вещественный состав, структуры и свойства", разрабатываемые в соответствии с программами госбюджетных и хоздоговорных тем.

Работа выполнена на кафедре грунтоведения и инженерной теологии и в НИИ Земной Коры Санкт-Петербургского государственного университета. Автор считает своим приятным долгом поблаго—

дарить творческие коллективы геологического факультета и НИИЗК СПбГУ за содействие, оказанное при выполнении настоящей работы. Глубокую признательность автор выражает доктору геолога —

минералогических наук, профессору АКЛарионову „и академику Академии транспорта России, доктору технических наук, профессору В.М.Кнатько за большую помощь и критические замечания.

Автор искренне благодарит доктора геолого—минералогических наук, профессора Р.Э.Дашко за ценные советы и содействие при проведении экспериментальных исследований механических свойств оглеенных пород доктора . биологических , наук Т.ВАрисговскую, доктора геолого—минералогических наук, . профессора В.Г.Кривовичева, члена—корреспондента Академии водохозяйственных наук АВ.Мяскова за консультации, проведенные по отдельным разделам диссертации, а также сотрудников кафедр и подразделений СПбГУ — О.М.Паринкину, МАЛаздовскую, АМТомилина, ИАПопову, Т.М.Капитонову, МДТолкачева, оказавших неоценимую помощь при выполнении экспериментальных работ. Особую признательность автор выражает научным сотрудникам Е.Б.Рудневой, Э.В.Табунсу и АТ.Маслову за помощь в статистической обработке результатов экспериментальных исследований и математическом обосновании моделей.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 57 работ, в том числе монография (1991 г.), статьи и учебные пособия.

Объем и структура работы. (Диссертационная работа состоит из двух томов. Первый том включает текстовую часть, состоящую из введения, шести глав и заключения, общим объемом 332 стр. машинописного текста, в том числе 87 рисунков, 36 таблиц и список литературы из 345 наименований. Второй том содержит приложения, представленные таблицами.

Фактический материал и методы исследований. В качестве объекта исследований были выбраны торные породы, подвергшиеся воздействию неблагоприятных в экологическом отношении природных и техногенных процессов, связанных в одном случае с развитием глее—

образования, в .другом — с техногенным загрязнением окружающей среды. Оглеенные массивы, в пределах которых проводились исследования, расположены в различных климатических регионах — Грузия, Краснодарский край, Ленинградская область, Польша, Китай. К исследованным территориям, испытывающим влияние техногенных загрязнений, относятся районы Тырныаузского вольфрам— молибденового комбината, полигона по захоронению токсичных отходов "Красный бор", акватория Невской губы и восточной части Финского залива, прибрежная зона г.Батуми, район Пшкярантского целлюлозно-бумажный комбината, Брацденбургские земли ФРГ.

В работе использован комплекс современных физических и химических методов исследований вещественного состава и свойств горных пород которые проводились по традиционнным методикам.

Разработаны новые методы выделения и определения концентрации белковых веществ в минеральных средах, защищенные патентами.

Обработка материалов исследований и математическое обоснование биохимических моделей проводились с использованием методов многомерной статистики.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ. 1. Новое научное направление исследований в области инженерной геоэкологии и экологии — геоэкологическое тестирование горных пород на основе белковой индикации, базирующееся на количественной характеристике процессов аккумуляции и разрушения белковых веществ в горных породах, связанных с жизнедеятельностью микро-пргрцп?мов. которые являются индикаторами геоэкологического состояния окружающей среды, поскольку они либо принимают непосредственное участие в развитии негативных в экологическом отношении процессов (глееобразование). либо отражают реакцию природных экосистем на техногенное загрязнение. 1.1. Повсеместное присутствие микроорганизмов в горных породах и связанные с их жизнедеятельностью процессы взаимодействия "живое вещество—порода" составляют нераздельную взаимообусловленную систему, в которой происходят различные биогеохимические преобразования.

Обзор данных о микробиологических процессах, протекающих в геологической среде, показывает, что численность микроорганизмов в горных породах (при наличии достаточного количества энергетического субстрата) зависит от ряда факторов, основными из которых являются условия среды обитания, литологический тип отложений и их вещественный состав.

Как известно, в геологической среде бактерии составляют большую часть микробной биомассы, состав и видовое разнообразие которой определяются, главным образом, типами обмена, свойственными данным микроорганизмам, а также типами источников энергии, используемых ими.

Интенсивность процессов жизнедеятельности микроорганизмов в геологической среде в значительной степени определяется гранулометрическим составом отложений, так как именно тонкие фракции являются ответственными за расселение микроорганизмов в горных породах.

Микроорганизмы, обладая способностью выполнять различные геохимические функции, могут изменять условия среды и минеральный состав пород воздействовать на их жидкую и газовую компоненты, участвовать в образовании и разложении гумуса и т.д Механизм биохимической деструкции минералов, вызывающей в конечном итоге изменение вещественного состава, структур и свойств горных пород гибок и разнообразен: в одних случаях главную роль может играть ферментативная активность микроорганизмов, в других — слизеобразование, в третьих — выделение продуктов обмена, обладающих агрессивными свойствами по отношению к минералам. 1.2. Поскольку микроорганизмы присутствуют практически во всех горных породах (В.И.Вернадский), а белок находится во всех составных частях микробной клетки и продуктах ее жизнедеятельности, автором была предложена гипотеза о том, что количество белковых веществ, присутствующих в горных породах и контролирующих раз — витие процессов жизнедеятельности микроорганизмов, является своеобразным индикатором состояния природных экосистем.

С целью количественной оценки микробиологической составляющей в горных породах был разработан новый показатель — концентрация суммарного белка, интегрально учитывающий белок микробных клеток и белковые продукты метаболизма. Правомочность введения этого показателя основана на том, что сухое вещество микробных клеток не менее, чем на 50% состоит из белка.

Разработана методика выделения белка и определения его концентрации в горных породах, основанная на модифицированном для минеральных сред методе Брэдфорда. Определение концентрации белка этим методом основано на сдвиге максимума поглощения красителя Кумасси бриллиантового голубого G—250 от 465 до 595 нм в результате связывания красителя с белком.

Для строгого доказательства того, что вещество, определяемое в горных породах разработанным методом, действительно представляет собой белок, были осуществлены специальные эксперименты:

- исследование возможной реакции свободных аминокислот с реактивом Брэдфорда показало, что увеличения оптической платности реакционной смеси при длине волны 595 нм не регистрировалось, что свидетельствует об определении в породах разработанным методом белка, а не свободных аминокислот;

- присутствие белка в породах подтверждено использованием колориметрического метода Лоури (основанного на химической реакции, принципиально отличающейся от реакции, описанной Брэдфордом);

- методом аминокислотного анализа выявлены и идентифицированы связанные аминокислоты, что является наиболее строгим доказательством наличия белка в исследованных образцах горных пород.

Разработанные методы количественного учета микробиологической составляющей в горных породах по концентрации суммарного белка позволяют объективно оценивать уровень развития микробных биоценозов. В связи с этим можно вьеделшь два аспекта использования белковой индикации при оценке состояния окружающей среды — инженерно—геоэкологи чески й, связанный с исследованием негативных природных процессов, происходящих при непосредственном участии

микроорганизмов (глееобразование), и собственно экологический, связанный с высокой чувствительностью микроорганизмов к изменениям, происходящим в окружающей среде под воздействием техногенных загрязнений.

2 Теоретическое и экспериментальное обоснование природы глее— образования с позиций белковой индикации на основе моделирования процессов гипергенного преобразования, которые характеризуются закономерным изменением вещественного состава, структуры и свойств оглеенных пород по мере увеличения интенсивности глее— образования, контролируемого накоплением в них белковых веществ: практическая реализация разработштою метода для оценки степени оглее!тости пород и анализа негативною влияния этою процесса на инженерно—геоэкологическое состояние среды.

2.1. По определению Ф.Р.Зайдельмана "глееобразование — процесс, протекающий в анаэробных условиях при участии микроорганизмов и наличии органического вещества в условиях постоянного или продолжительного обводнения отдельных горизонтов или всего профиля, сопровождающегося переходом окисных соединений в закисные, из — менением или распадом алюмосиликатов и новообразованием минералов".

Успехи в изучении глееобразования — одного из самых распространенных процессов на Земле — связаны, в основном, с именами отечественных ученых: Н.Г.Высоцкого, Я.КАфанасьева, Ф.Р.Зайдельмана, НАЗавалишина, К.В.Веригиной, И.С.Кауричева, Е.М.Сергеева, И.Н.Болотиной, К.С.Болатбековой, Т.ВАрисговской, И.М.Буачидзе, Г.И.Чохонелидзе, С.С.Калмахелидзе, ААЦерцвадзе, АГ.Мельниковой и др.

Изучение глееобразования в аспекте геоэкологии имеет большое значение, так как в результате негативного влияния этого процесса формируется породы особого состава, строения и свойств, вызывающие значительные осложнения при освоении земель и осуществлении мелиоративного, гидротехнического и гражданского строительства.

Как известно, возникновение и развитие глееобразования непосредственно связано с процессами жизнедеятельности анаэробных форм микроорганизмов, которые оказывают существенное влияние на изменение условий среды и гипергенное преобразование исходных пород В связи с этим использование белковой индикации при изучении закономерностей глееобразования имеет определенное преимущество, которое позволяет объективно оценивать динамику микробиологических процессов по изменению содержания в оглеенных породах белковых веществ.

Учитывая роль микроорганизмов при глееобразовании, можно полагать, что концентрация СБ в оглеенных породах должна отражать не только уровень развития процессов микробиологической деятельности, но и их взаимосвязь с изменением состояния геологической среды и, следовательно, может быть использована в качестве индикаторного показателя интенсивности глееобразования.

При исследовании содержания СБ в оглеенных породах различных регионов было выявлено, что распределение этого показателя подчиняется определенным закономерностям. Полимодальный характер распределения и разделение оглеенных пород на устойчивые группы, характеризующиеся определенными интервалами изменения концентрации СБ, послужили основой для условной дифференциации оглеенных пород С этой целью были созданы биохимические модели, которые позволяют оценить взаимосвязь условий и процессов, приводящих к формированию пород различной степени оглеенности.

Поясним сказанное на конкретных примерах. В качестве основного объекта изучения в данной работе были выбраны оглеенные глины, так как именно они представляют собой природную модель геологи — ческой среды, обеспечивающую оптимальные условия для развития глееобразовательного процесса.

На основании исследований содержания СБ в оглеенных глинах Колхидского региона выделяется три типа БХМ. Как показано на рис. 1, концентрация СБ в этом случае имеет полимодальное распределение с тремя максимумами частоты встречаемости.

По характеру распределения СБ можно выделить три строго разграниченные выборки, каждая из которых соответствует определенному типу БХМ: I тип БХМ - СБ^ЮО мкг/г, П тип БХМ -

100<СБ^200 мкг/г, III тип БХМ - СБ >200 мкг/г. В то же время для огле— енных озерно —

ледниковых глин Ае— нинградской области аналогичным образом выделяются только два типа БХМ, первый их которых характеризуется концентрацией СБ менее 50 мкг/г, второй — от 50 до 150 мкг/г, что объясняется разницей климатических условий регионов и менее интенсивным развитием глееобразования в последнем случае.

2.2. Необходимой предпосылкой для возникновения глееобразова— тельного процесса в горных породах является наличие комплекса специфических условий (или факторов), способствующих его развитию. В этой связи значительный интерес представляет исследование взаимосвязи концентрации СБ в породах с основными факторами, определяющими развитие глееобразования, такими как биогенная активность, естественная влажность пород, содержание органического вещества, окислительно—восстановительные условия, процессы редукции железа

Прежде всего следует остановиться на результатах исследований изменения перечисленных факторов дифференцированно по типам биохимических моделей, выделенным по концентрации СБ.

Например, для Колхидского региона, прошедшего все этапы развития глееобразования, первый тип БХМ включает глинистые породе!,

100

80

ё 60

40

20

I тип БХМ II тип БХМ III тип БХМ

Л

| 1

ЛтППЛл [I к и^ЛГЪпп

и 100 200

концентрация СБ, мкг/г

Рис.1 Гистограмма распределения концентрации СБ в оглеенных глинах Колхиды

находящиеся в фазе начального преобразования, когда характерные процессы охватывают лишь фрагменты породы. При этом в породах наблюдается относительно невысокая численность микроорганизмов. Величина естественной влажности СМест) невелика и составляет 0.27 дед Этот тип БХМ характеризуется нестабильностью окислительно— восстановительной обстановки и изменением величины ЕЬ от +196 тУ до —49 тУ О достаточно хорошей аэрируемости пород этого типа БХМ свидетельствует величина показателя аэробносги среды (гНг), которая находится в пределах от 13 до 21. Характерными для данного типа являются невысокие значения отношения Ре2+Л;е3+ (в среднем 0.65), свидетельствующие о незначительном развитии процесса восстановления железа.

Второй тип БХМ включает породы, находящиеся в фазе интенсивного глееобразования, которые характеризуются более высоким количеством микробного населения (в среднем 11-106 кл/г абс. сух. грунта) и возрастанием роли железоредуцирукмцих бактерий. Увеличение значений оглеенных пород (до 0.59 дед.) способствует резкому снижению степени аэробносги среды (гНгв среднем 9). Преобладание восстановительных условий приводит к доминированию анаэробных форм микроорганизмов и сопровождается активным восстановлением железа (концентрация Ре2"1" в среднем составляет 61 мг/г, величина отношения Ре2"1"/Те34" —2.23).

К третьему типу БХМ относятся специфические породы, находящиеся в фазе максимального проявления глееобразования. Для них отмечены наибольшие количества микрофлоры (до 95106 кл/г абс. сух. грунта), что свидетельствует о количественном скачке уровня жизнедеятельности микроорганизмов в этой фазе. Высокие значения пород (в среднем 0.86 дед), низкая степень аэрации среды (гНг от 0 до 4—5) и восстановительная обстановка способствуют интенсивному развитию анаэробной микробиологической деятельности. Для пород данного типа БХМ регистрируются наи — более высокие концентрации Ре2"1" (в среднем 85 мг/г) и значения отношения Ре2+/Ре3+ (в среднем 30).

Как видно, типы биохимических моделей имеют существенные отличия, которые выражаются как в количестве и составе микробной биомассы в оглеенных породах, так и в специфических особенностях условий среды, свойственных каждому из рассматриваемых типов. Следовательно, выделенные по концентрации СБ типы БХМ отражают уровень развития микробных биоценозов и изменение факторов среды в зависимости от степени проявления в породах глееобразования или, иначе говоря, характеризуют определенные этапы его развития.

В целом, по мере перехода от I к III типу БХМ наблюдается повышение биогенной активности и возрастание роли железоре — дуцирущих бактерий, происходящее на фоне увеличения естественной влажности пород и содержания в них гумифицированного органического вещества, смена окислительно—восстановительной обстановки на резко восстановительную, снижение величины показателя аэробности среды и накопление значительных количеств двухвалентного железа.

По данным регрессионного анализа, между концентрацией в оглеенных породах белка, отражающей интенсивность микробио — логических процессов, и основными факторами, характеризующими развитие глееобразования, существует закономерная взаимосвязь, которая выражается экспоненциальным видом зависимости. Уравнения регрессии имеют вид:

СБ = -269 + 231 ехр (4^/0.741); И=0.90 СБ =81.7 + 0.00006 ехр (содержание гумуса/0.112); И=0.84

СБ =42.4 + 31.0 ехр (-ЕЬ/119); 11=0.83

СБ =30.5 + 644 ехр (-гН2/5.22); И=0.84

СБ =6.03 + 17.7 ехр (Ре2+/26.2); 11=0.86

(1) (2)

(3)

(4)

(5)

СБ =33.0 + 560 ехр (-Ре3+/18.0); И=0.83. (6)

2.3. Изменение факторов среды, связанное с развитием глееобра— зовательного процесса, не может не отражаться на трансформации состава, структур и свойств оглеенных пород. Учитывая, что интенсивность процессов жизнедеятельности микроорганизмов имеет закономерную связь с изменением условий среды в ходе глееоб—

разования, целесообразно провести сравнительный анализ степени гипергенного преобразования пород в соответствии с выделенными по концентрации СБ типами биохимических моделей.

На основании статистического обобщения результатов исследований минерального и химического состава состава выявлено два параллельно происходящих процесса гипергенного преобразования пород при глееобразовании: первый — биохимическое выветривание, непосредственно связанное с микробиологическим фактором, второй — химическое выветривание, происходящее по обычному типу. Сущность биохимического выветривания состоит в том, что в результате воздействия микроорганизмов по мере перехода от I к III типу БХМ происходит увеличение дисперсности пород, разложение гидрослюды, вынос калия на фоне увеличения содержания БЮ^ редукция железа и образование глинистых минералов типа монтмориллонита. Выветривание по обычному типу характеризуется увеличением содержания в породах минералов типа каолинита и хлорита, происходящего на фоне выноса Са и иногда №. При этом в некоторых образцах пород III типа БХМ наблюдается увеличение содержания А1203, что свидетельствует о развитии в них самостоятельного процесса каолинитизации.

По данным злектронномикроскопических исследований структурных особенностей оглеенных пород установлено, что элементы их микроструктуры особенно чувствительны к биохимическому выветриванию. Для оглеенных пород установлен особый тип микроструктуры — биоячеистой (пленочно—тяжело—хлопьевидно — ячеистой), наличие которой является их главной отличительной особенностью. Развитие этой структуры (рис.2) связано с образованием хлопьевидных пленок, стяжений и примазок, количество которых увеличивается по мере перехода от I к III типу БХМ. Результаты исследований гранулометрическою состава, пластичности, физических, механических и фильтрационных свойств оглеенных пород приведены в таблице 1, где представлены средние значения и вариации рассматриваемых характеристик в пределах выделенных типов БХМ.

Рис.2 Микроструктура оглеенных пород (1-1 тип БХМ, увеличение *3000; 2- III тип БХМ, *5000)

Поскольку оглеенные породы представляют собой один из наиболее сложных типов отложений, обладающих высокой дисперсностью и пластичностью, низкой плотностью, несущей способностью и водопроницаемостью, именно указанные показатели являются тем комплексом геоэкологических свойств, который наиболее информативно характеризует изменение геологической среды в результате развития глееобразования.

Как следует из таблицы 1, различные типы БХМ отражают степень преобразования пород на определенных этапах развития глееобразования, которая количественно характеризуется вполне конкретными интервалами изменения гранулометрического состава оглеенных пород и их основных свойств.

Основные тенденции гипергенного изменения пород при глееоб— разовании связаны, во —первых, с биохимической деструкцией минералов, сопровождающейся разрушением минерального вещества цемента и распадом минеральных агрегатов, что в конечном итоге вызывает увеличение степени дисперсности пород. Во-вторых, постепенное преобладание в составе глинистой фракции минералов группы монтмориллонита, присутствие значительных количеств вы—

сокогумусировонного органического вещества и соединений двухвалентного железа, приводит (на фоне возрастания общей пористости пород за счет развития дополнительного вида микропорисгосги) к практически полному исчезновению в сильно оглеенных породах крупной акшвной пористости.

Таблица 1

Гранулометрический состав, пластичность, физические, механические и фильтрационные свойства оглеенных пород

Типы биохимических моделей

Параметры I тип БХМ II тип БХМ III тип БХМ

N среднее mm—max N среднее min—шах N среднее min—max

Содержание фракции 1.0-0.05 мм, % 54 19.58 6.90-38.53 156 10.18 0.17-30.84 41 4.41 0.10-12.30

Содержание фракции 0.05 - 0.002 мм, % 54 39.09 22.50 - 53.12 156 20.11 13.87 - 46.24 41 22.29 8.27-29.03

Содержание фракции < 0.002 мм, % 54 41.33 30.31-50.00 156 59.65 46.80 - 69.90 41 73.30 66.23 - 83.86

Плотность частиц грунта (рч), г/см3 54 2.73 2.70—2.80 156 2.66 2.60-2.71 41 2.39 2.10-2.60

Платность грунта (р), г/см3 54 1.93 1.85-2.01 156 1.74 1.64-1.84 41 1.46 1.35-1.58

Плотность сухого грунта (рг|), г/см3 54 1.51 1.37-1.66 156 1.19 1.03-1.35 41 0.80 0.65-0.95

Пористость (п), Д-ед. 54 0.45 0.40-0.50 156 0.55 0.50-0.60 41 0.67 0.63-0.70

Влажность на пределе текучести (Шт), д.ед. 54 0.46 0.34-0.50 156 0.61 0.56-0.70 41 0.76 0.77-1.07

Влажность на пределе раскатывания ^¡0, д.ед 54 0.24 0.15-0.29 156 0.33 0.19-0.44 41 0.40 0.22-0.58

Число пластичности Цр), д.ед. 54 0.21 0.17-0.29 156 0.28 0.18-0.45 41 0.37 0.28-0.51

Модуль деформации (Е), МПа (интервал нагрузок 0.1 - 0.2 МПа) 8 1.75 1.41-2.24 9 1.29 1.02-1.52 7 1.04 0.93-1.16

Сцспление(С), МПа 12 0.073 0.035-0.12 27 0.037 0.020 - 0.056 29 0.015 0.006 - 0.024

Угол внутреннего трения (ф), град. 12 19 3-26 27 и 3-21 29 8 2-19

Коэффициент фильтрации (Кь), м/сут 12 7-10"3 310"3—110"2 27 610'4 3-Ю"4-1-Ю"3 29 2-10"4 МО'4—5-Ю"4

Следствием этих процессов является понижение плотности и по — вышение пластичности оглеенных пород уменьшение их водопроницаемости и существенное снижение деформационных и прочностных характеристик.

На основании обобщения результатов исследований с использованием регрессионного анализа установлено, что динамика изменения состава и свойств горных пород в ходе глееобразования контролируется накоплением в них белковых веществ, связанных с жизнедеятельностью микроорганизмов. Вид взаимосвязи концентрации СБ с характеристиками, определяющими изменение состава и свойств по — род при глееобразовании, имеет определенное количественное выражение, которое аппроксимируется экспоненциальным видом зависимости. Уравнения регрессии приведены ниже:

СБ=47.7 + 0.921ехр((содержание фракции<0.002 мм)/123) И=0.77 (7)

2.4. Доказательством того, насколько объективно биохимические модели и установленные зависимости отражают закономерности развития глееобразовательного процесса, являются результаты исследований экспериментального материала с помощью методов многомерной статистики.

С целью обоснования целесообразности выделения типов БХМ на основе содержания в породах СБ были проведены дискриминаншый и кластерный анализы по основным параметрам, определяющим как условия (или факторы) среды при глееобразования, так и состав и свойства оглеенных пород На основании полученных результатов установлено, что разделение совокупности данных, в которую не была

СБ= -128+411 ехр (Шь/0.312) СБ= -30.1 +26.4 ехр (Шр/0.163) СБ= 120+72.7 ехр (1/0.201) СБ= -31.7 + 92500 ехр (—р/0.281) СБ= -508 + 21200 ехр (-рд/0.773) СБ=34.7 + 0.202 ехр (п/0.087) СБ=2.90 + 697 ехр (-С/0.031) СБ =103 + 4180 ехр (-ф°/2.82) СБ=84.6 + 696 ехр (-Кф /0.0003)

11=0.91 (8)

И=0.79 (9)

И=0.73 (10)

И=0.92 (11)

И=0.89 (12)

И=0.89 (13)

11=0.76 (14)

К=0.99 (15)

11=0.91 (16)

включена концентрация СБ, на три группы, полностью соответствует трем типам БХМ, выделенным только по концентрации суммарного белка. Отсюда следует, что типы биохимических моделей не только отражают взаимосвязь концентрации СБ с изменением условий, состава и свойств пород в ходе глееобразования, но и позволяют количественно охарактеризовать стадии развитая процесса глееобразования, каждой из которых свойственна определенная степень изменения оглеенных пород

С целью установления направленности процессов в ходе глееобра— зовании и доказательства их закономерной взаимосвязи с накоплением в породах СБ, был проведен факторный анализ всего комплекса исследованных параметров (рис. 3). Полученные результаты свидетельствуют о том, что изменчивость, определяющая развитие глееобразования в целом, отражает взаи — мосвязь концентрации СБ с комплексом параметров, характери— зующих условия глееобразования и геоэкологические свойства оглеенных пород

Структура связи концентрации СБ с основными исследованными параметрами показана на общей компонентой диаграмме. На фоне основного тренда отчетливо выделяются три выборки, соответствующие выделенным тепам БХМ, изменчивость в пределах которых обусловлена, в основном, вариациями гранулометрического состава оглеенных пород

С целью подтверждения корректности выбора концентрации СБ в качестве критерия степени развития в породах глееобразования, был проведен пошаговый регрессионный анализ. Полученные результаты показывают, что соотношение между исходными и расчетными

Рис.3 Общая компонентная диаграмма оглеенных пород

значениями концентрации СБ, определяемыми по линейному уравнению множественной регрессии: СБрасч= X к^+С (где Р4 — параметры, характеризующие условия глееобразования, состав и свойства оглеенных пород; — коэффициенты регрессии для соответствующего параметра Р^ С — константа), укладывается в 95% доверительный эллипс, что доказывает наличие закономерной значимой связи концентрации СБ с основными параметрами, определяющими изменение условий среды и состава и свойств пород при глееобразовашш. Следовательно, в отличие от всех остальных рассматриваемых параметров, именно концентрация СБ в силу своей универсальности может являться критерием для оценки степени развития глееобразования или степени оглеенносги пород.

Таким образом, полученные результаты являются убедительным статистическим обоснованием, подтверждающим правомерность подхода к исследованию глееобразования с позиций белковой индикации и возможность объективной характеристики закономерностей развитая этого процесса на ее основе.

25. Основываясь на доминирующей роли микроорганизмов в развитии глееобразования, целесообразно провести сравнительный анализ установленных закономерностей и результатов модельных экспериментов по искусственному оглеению с общими законами микробного роста.

Как было показано, при глееобразования изменение условий среды, состава исходных пород и, соответственно, их свойств, подчиняется определенным закономерностям, характеризующимся экспоненциальным видом зависимости (уравнения 1 —16).

Из общей теории роста микроорганизмов известно, что аналогичным видом зависимости аппроксимируются закономерности роста микробных клеток. В зависимости от создаваемых при культивировании условий возможны различные варианты процесса развития микроорганизмов. Периодическое культивирование базируется на процессе накопительного роста клеток в закрытой системе, а непрерывное — на процессе стационарного роста в условиях равновесия

энерго— и массообмена популяции с внешней средой (открытая система).

В закрытой системе рост микроорганизмов характеризуется прохождением последовательных фаз (рис. 4): лаг—фазы, экспоненциальной (или логариф — мической) фазы и стационарной фазы (Воробьева ЛИ., 1987).

Во время лаг—фазы клетки приспосабливаются к новым условиям и интенсивно не размножаются. Логариф — мическая фаза характеризуется сбаланси— рованным ростом микробных клеток с поста — янной удельной скоростью. При истощении питательных веществ или аккумуляции продуктов метаболизма, ско — росгь рост значительно понижается и происходит переход в стационарную фазу.

Экспоненциальный рост в закрытых системах, как правило, длится недолго. В открытой системе, где микроорганизмы не ощущают недостатка в питательной среде и ингибирующего действия своих метаболитов, экспоненциальный рост может длиться бесконечно долгое время.

Сопоставление зависимостей, определяющих естественное развитие глееобразования (рис. 5) и процессы искусственного оглеения (рис. 6), с кривыми микробного роста (рис. 4) показывает, что при глееоб— разовании динамика накопления в породах СБ соответствует законам микробного роста.

В реальных условиях развитие глееобразования сопровождается накоплением биомассы, аналогичным закономерностям роста микро-

га а.

I-

х <и

х о

о о о га

О! О

Лаг-фаза Экспоненциальная Стационарная

фаза фаза

Время

Рис.4 Кинетика роста периодической культуры

организмов при непрерывном культивировании. Поскольку в природных условиях временной фактор в явном виде не выражен, продолжительность глееобразования может оцениваться лишь косвенным образом по степени изменения условий среды и состава и свойств пород (рис. 5). При этом первый и в большинстве случаев второй типы БХМ отвечают лаг—фазе роста микробных клеток, третий тип БХМ — логарифмической фазе их развитая. 1000 - —

800

"С 600 5

g 400 200

0

-6-4-2 0246 -6-4-2 0246

условия глееобразования свойства огпеенных пород

Рис.5 Динамика накопления СБ при тееобразовании в природных условиях

1 - нормированные зависимости СБ-параметры", характеризующие условия глееобразования;

2- нормированные зависимости СБ-параметры*, характеризующие состав и свойства огпеенных пород.

Соответствие биохимических моделей определенным фазам микробного роста является еще одним доказательством того, что именно процессы микробиологической деятельности определяют развитие глееобразования в горных породах и еще раз подтверждает целесообразность использования концентрации СБ как основного критерия при анализе закономерностей глееобразования.

Дщгамика накопления СБ при проведении модельных опытов по искусственному оглеению пород разного литологического состава имеет несколько иной характер и отвечает законам микробного роста при периодическом культивировании (рис 6).

Таким образом, идентичность закономерностей глееобразования общим законам микробного роста и обобщение результатов исследований позволяет перейти от частных биохимических моделей, со—

pj 1 II i ! ®

I о

/ 9 I.........

Т содержание

содержаниеji фр. 1.0-0.05

фр.<0.002//

п 7 '>£//'

—rxX VHLr г.

ответствующих стадиям глееобразования, к общей модели развития этого процесса в горных породах. Основой для создания данной модели является: 1) наличие единого вида зависимости, характеризующего закономерности изменения условий среды, состава и свойств пород при глееобразо — вании; 2) соответствие закономерностей глее — образования законам микробного роста; 3) использование кон — центрации СБ в качестве критерия степени развития глееобразования (или степени оглеенносги пород).

Процесс глееобра— зования, происходящий в анаэробных условиях при непосредственном участии микроорганизмов, вызывает специфические изменения состояния геологической среды, которые подчиняются экспоненциальному закону и аппроксимируются общей модельной зависимостью вида:

СБ = а + Ь ехр (-Р/с),

где Р — параметры, характеризующие условия (или факторы) глееобразования и состав и свойства оглеенных пород; а, Ь, с — коэффициенты, характеризующие вцд зависимости для конкрегаого параметра Р.

В заключение необходимо отметить, что белковая индикация является наиболее оперативным путем для контроля геоэкологического состояния территорий, подверженных глееобразованию. Тенденция изменения индикаторного показателя.СБ в оглеенных породах, устанавливаемая на основе модельного подхода, отражает влияние не одного компонента или фактора на изменение геоэкологического состояния среды, а целой их совокупности, включающей как природные,

10 12 14 16 18 Время, мес

Рис.6 Динамика накопления СБ при ппееобразовании в экспериментальных условиях

так и антропогенные (гидротехническое, промышленное, гражданское, мелиоративное строительство) процессы и явления. Следовательно, этот показатель является интегральной характеристикой состояния геологической среды, подверженной негативным влияниям природных и техногенных процессов.

В качестве конкретного примера можно привести результаты исследований оглеенных озерно—ледниковых отложений Ленинградской области.

Установленные закономерности позволяют с помощью калибровочных диаграмм количественно оценивать степень оглеенносш пород в грунтовых массивах, охваченных глееобразованием, и динамику изменения основных свойств оглеенных пород по концентрации СБ (рис 7).

э-

о

90 100 СБ, мкг/г

Щ-, д.ед С, 100МПа

<р° -......... Щ, Д-ед

сод.фр. <0.002 мм,%Юг

Рис.7 Калибровочная диаграмма СБ - инженерно-геологические свойства озерно-ледниковых глин Ленинградской области

Таким образом, показатель СБ может быть использован для разработки экспертных систем оценки инженерно—геоэкологического состояния и степени оглеенносги пород в пределах территорий, где размещаются ответственные инженерные сооружения или осуществляются мелиоративные мероприятия, поскольку тенденция его изменения объективно характеризует не только состояние и ход фор—

мирования инженерно—геоэкологических свойств в пределах оклеенных массивов, но и позволяет осуществлять прогноз степени надежности работы (или эксплуатации) указанных инженерных объектов.

3. Теоретическое и экспериментальное обоснование тестирования экологического состояния окружающей среды с использованием белковой индикации, основанное на выявлении нарушений, происходящих в экосистемах под воздействием различных техногенных загрязнений, контролируемых концентрацией белковых веществ в горных породах: практическая реализация разработанного метода для оценки экологического состояния природных объектов на территориях, испытывающих влияние техногенеза.

3.1. Использование метода белковой индикации, разработанного при изучении преобразовании, открывает новый подход к решению ряда экологических проблем, связанных с техногенным загрязнением окружающей среды. Преимущество этого подхода, в отличие от общепринятых методов, заключается в количественной оценке реакции микробиологической составляющей природных экосистем на наличие загрязнений.

Применение метода белковой индикации при тестировании геоэкологического состояния окружающей среды основано на том, что в каждой функционирующей экосистеме имеет место деятельность микроорганизмов и, следовательно, синтез микробных клеток. Микроорганизмы, являющиеся неотъемлемой частью живой компоненты, для которых окружающая среда служит источником энергии и элементов для синтеза биомассы, быстро реагируют на изменение состояния природных экосистем снижением или увеличением микробной биомассы. При этом изменение численности микроорганизмов экспрессно отражает реакцию экосистемы на нарушение естественного экологического равновесия, связанного, в частности, с загрязнением окружающей среды.

Существует два класса загрязняющих веществ, одни из которых (токсичные) вызывают исключительно отрицательные реакции у сообществ микроорганизмов, сила которых пропорциональны интен—

сивносги загрязнения. Другие (подверженные биодеградации) вызывают отрицательные реакции только в случае превышения критического уровня, к которому организмы не адаптируются. При малых нагрузках они стимулируют жизнедеятельность микроорганизмов, что приводит к эвтрофированию — избыточному продуцированию биомассы. При нагрузках выше критического уровня происходит нарушение экохимического равновесия и раз балансирование структуры сообщества микроорганизмов, вплоть до его гибели.

По сравнению с другими видами микроорганизмов бактерии имеют выраженную реакцию на самый широкий спектр загрязняющих веществ, так как бактериальные клетки обладают универсальным набором ферментативных систем, способных охватить множество разных химических реакций.

В качестве индикаторного показателя количества микробной биомассы при контроле экологического состояния окружающей среды предложено использовать концентрацию суммарного белка. Анализ распределения концентрации СБ в природных объектах дает возможность вь^елять аномальные зоны, в которых биомасса микробных сообществ отклоняется от нормы, характерной для данного объекта и где, соответственно, содержание СБ отклоняется от фоновых значений. Сравнение аномальных значений с фоновыми позволяет суд ить о направленности экологического эффекта загрязнения — эвтрофика— ции или токсификации.

3.2. Переходя к рассмотрению результатов использования белковой индикации для оценки экологического состояния окружающей среды в пределах территорий, поверженных различным видам техногенного загрязнения, следует отметить, что концентрация суммарного белка является индикатором экологического состояния природного объекта, а ее изменение — интегральной характеристикой реакции экосистемы на загрязнение. То есть, динамика изменения концентрации суммарного белка в природном объекте может быть эффективно использована для оценки влияния различных видов техногенного загрязнения на экологическое состояние окружающей среды.

з.2.1. По результатам комплексных исследований в районе Тырныа— узского вольфрам—молибденового комбината установлены значительные техногенные аномалии, оказывающие негативное воздействие на экологическое состояние долины р.Баксан. Основное загрязнение окружающей среды обусловлено стоками дренажных вод рудника и осветленных вод хвосгохранилища. С последними происходит активный вынос в р.Баксан комплекса тяжелых металлов — Мо, Ре, Сг, Си, 7п, Бп, РЬ, В1; Аэ, Н^, токсичных флотареагенгов.

Наиболее стабильно загрязнение комплексами тяжелых металлов прослеживается в донных осадках. Тестирование токсичных загрязнений в донных осадках проводилось параллельно с использованием белковой индикации. Результаты проведенных исследований позволяют констатировать стабильность сходства пространственного распределения концентрации СБ и ряда тяжелых металлов, таких как Мо, Сг, РЬ, В1 (рис.8). Пространственная взаимосвязь распределения

содержания СБ и тяжелых металлов в донных отложений р.Баксан может объясняться ингибирующим воз — действием тяжелых металлов на микроорганизмы, и связыванием металлов с белком в органоминеральные соединения хелатного типа, имеющие относительно низкую ми — грационную способность

и, следовательно, накапливающиеся в донных осадках. Таким образом, белковая аномалия в донных отложениях р.Баксан маркирует зону, в которой уровень развития и состояния микробной популяции контролируется концентрацией тяжелых металлов.

Схема расположения источников загрязнения в долине р.Баксан

Рис.8 Изменение концентрации СБ и рудогенных металлов в донных отложениях р.Баксан

При интерпретации полученных результатов следует учитывать установленный ранее факт, выявленный автором в процессе обобщения экспериментально материала — высокие концентрации суммарного белка в донных отложениях обусловлены накоплением внеклеточного микробного белка и соответствуют зонам, в которых концентрация токсичных веществ является легальной для микробных ценозоа

Установленная взаимосвязь пространственного распределения концентраций белка и тяжелых металлов, а также раскрытие механизма их накопления в донных отложениях, доказывают эффективность использования метода белковой индикации при тестировании токсичных загрязнений.

3.22. Основной задачей исследований в районе полигона по захоронению токсичных отходов "Красный Бор" являлась оценка степени его влияния на состояние окружающей среды в пределах прилегающих территорий.

Полигон специализируется по захоронению токсичных отходов гальванических (кислые и щелочные растворы солей и гидроокисей Си, Бе, А1, 2п, №, V, Сс1, Сг, Мп, Нд, РЬ, Аз и др.), органических (эмульсии фаталиевой кислоты с примесями красок и лаков; эпоксидные, акриловые и полиэфирные смолы) и нефтяных (не подлежащие переработке нефтепродукты) производств. Захоронение твердых и жидких отходов осуществляется в карты глубиной 8—15 м.

В связи с тем, что полигон расположен вблизи город ской черты и в непосредственной близости от населенных пунктов (п-Никальское, Фек— лисгово, Мышкино, Красный Бор), а также, в связи с тем, что примыкающие территории используются в сельскохозяйственных целях, его следует рассматривать как потенциальный источник экологической опасности.

При проведении комплексных исследований экологического состояния окружающей среды в районе полигона "Красный Бор" (рис9), наряду с традиционными геохимическими методами, использовалась белковая индикация и специальные микробиологические методы (определение общего микробного числа и микробиологической активности).

контуры

жипои застройки

V?-' I источники зафязнения

сельхозугодья

.......: заболоченные

- : территории

I отрицательные биогеохимические аномалии

{—7 положительные ! ! геохимические 1.____; аномалии

зоны фоновых значений

пункты опробования

Рис.9 Биохимические (1) и геохимические (2) аномалии в районе полигона по захоронению токсичных отходов "Красный Бор"

По результатам геохимических исследований была выявлена приуроченная к полигону аномалия, которая обрамляет промзону и вытягивается на 1.5 км вдоль отводного канала—р.Большая Ижорка. В пределах этой аномалии наблюдается превышение международных норм по концентрации Сг, РЬ, V и Сё в почвах, почвообразующих породах и донных отложениях; зафиксировано превышение ПДК по концентрации № и Сг в грунтовых водах и увеличение их агрессивности.

Результаты определения содержания СБ и микробиологических исследований хорошо согласуются как друг с другом, так и с данными геохимических определений. Контуры отрицательной аномалии по концентрации СБ близки к контурам ореолов загрязнения, выявленных по содержанию тяжелых металлов. Установленная в пределах биохимической аномалии зональность не оставляет сомнений в том, что она сформировалась именно в результате воздействия полигона и позволяет контролировать зону, в пределах которой загрязнение имеет экологически значимый эффект.

На основании комплекса проведенных исследований установлено, что область влияния полигона по захоронению токсичных отходов "Красный Бор" имеет локальный характер. Распределение содержания СБ и концентрации тяжелых металлов в разрезе и особенности контура распределения грунтовых вод измененного химического состава свидетельствуют о том, что распространение загрязнения от полигона осуществляется с потоком грунтовых вод которые разгружаются в отводной канал на участке в пределах 1,5 км от полигона.

В районе поселков Красный Бор, Феклисгово, Мышкино, Никольское, Ивановское, г.Колшшо и на прилегающих к ним сельскохозяйственных территориях почвы, почвобразующие породы и грунтовые воды не испытывают влияния полигона.

Высокая эффективность белковой инд икации при оценке влияния полигона "Красный Бор" на состояние прилегающих территорий позволила ориентировать дальнейшие исследования на использование концентрации СБ в качестве приоритетного показателя для осуществления долговременного экологического мониторинга в пределах рассматриваемого района.

3.23. Исследования санитарного состояния Невской губы и восточной части Финского залива проводились с целью установления влияния маневрирования затворами водопропускных отверстий комплекса сооружений защты г. Санкг—Петербурга от наводнений на санитарное состояние д онных отложений в зонах размыва или аккумуляции осадков.

Отметим, что здесь рассматривается особый случай применения метода белковой индикации для оценки влияния бытового фекального за—

грязнения, представляющего особую опасность в санитарно-гигиеническом отношении, на экологическое состояние всдиого объекта. В связи с этим были проведены специальные бактериологические исследования (выявление зон фекального загрязнения по coli—index и оценка условий аэрации донных отложений, препятствующих развитию ассоциативных форм, характерных для фекального загрязнения).

Многочисленными исследованиями автора было показано, что дрнные отложения являются достаточно консервативной средой, что определяет относительную стабильность белковых аномалий в этих средах по сравнению с природными водами, в которых белковая аномалия имеет неустойчивый (по времени) характер. Комплекс загрязняющих веществ, характерный для зон фекального загрязнения, аккумулируясь в донных отложениях, способствует длительному сохранению жизнеспособных патогенных форм микроорганизмов, усугубляя опасность инфекционных заболеваний.

Проведенные исследования показали, что в донных отложениях Невской Тубы концентрация СБ меняется от 5 до 358 мкг/г. Было установлен^ что вариации этого показателя определяются не только лито— логическим составом осадков (в придонных средах основным "носителем" белка являются тонкие — пылевепые и глинистые фракции, обладающие высокой адоэрбционной способностью), но и интенсивностью антропогенной нагрузки.

На основании анализа содержания СБ в донных осадках были выделены нижние границы аномальных уровней — 32, 80 и 119 мкг/г, для песчаных, супесчаных и суглинистых отложений соответственно.

В соответствии с приведенными данными до начала маневрирования затворами водопропускных сооружений по концентрации СБ было зафиксировано две аномалии (1 и 2, рис 10), тяготеющие к очистным сооружениям.

Маневрирование затворами водопропускных отверстий привело к существеным изменениям состояния окружающей средет в пределах Невской губы, связанным с появлением трех аномальных зон с неблагоприятной экологической обстановкой (Г, 2', 3', рис 10).

К первой относится выделенная по результатам фонового опробования область, приуроченная к северным очистным сооружениям. В ее пределах зафиксированы аномально высокие значения концентрации белка в донных отложениях и повышенные значения coli— index. Наиболее логичным объяснением данной аномалии является поступление органических веществ в донные отложения из шлейфа сточных вод северных очистных сооружений.

манипулировании затворами водопропускных сооружений

Второй участок приурочен к северному крылу дамбы. Здесь, вследствие последовательного перекрытия затворов очистных сооружений, наблюдалось постепенное накопление пылеватых и глинистых частиц по направлению от берега к о.Котлин. Скорее всего, привнос и осаждение органических и неорганических веществ в пределах данной зоны вызвал активизацию развития бактериальных ценозов (увеличение концентрации белка, рост бактериальной биомассы) и появление аномально высоких значений содержания бактерий группы кишечных палочек, превышающих допустимые ГОСТ нормативы.

Третья зона выделена к югу от о.Котлин. В пределах данной зоны, имеющей вытянутую в меридиональном направлении форму, зафикси—

ровано некоторое увеличение содержания тонких фракций, рост концентрации белка и бактериальной биомассы, аномально высокие значения coli—index. Наиболее вероятным объяснением формирования на этом участке комплексной (по ряду независимых признаков) аномалии является то, что перекрытие затворов водопропускных сооружений северною крыла дамбы вызвало увеличение потока через южные ворота Вследствие этого увеличился как объем тонкой взвеси, так и объем орта — нических веществ, поступающих в донные отложения.

Установленное соответствие биохимических (выделенных по концентрации СБ) и бактериологических (определенных по coli—index) аномальных зон позволяет использовать метод белковой индикации для выявления фекального загрязнения и оценки санитарного состояния природных объектов. Выводы, сделанные в ходе анализа результатов исследований, важны и несут достоверную информацию о влиянии маневрирования затворами водопропускных сооружений на экосистему Невской губы.

Проведенные исследования подтверждают эффективность применения белковой индикации при оценке нарушений геоэкологического состояния среды под воздействием различных видов техногенных загрязнений и позволяют предложить следующие направления ее практической реализации: выявление зон техногенных аномалий но концентрации СБ и экологическое районирование территорий; организация долговременного мониторинга и разработка мероприятий по осуществлению контроля экологической ситуации в пределах районов, подверженных техногенному загрязнению.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Белковая индикация представляет собой новое направление исследований в области геоэкологии, основанное на количественной характеристике микробиологических процессов по содержанию в горных породах белковых веществ и анализе их взаимосвязи с изменением геоэкологического состояния среды. Концепия работы заключается в том, что микроорганизмы, повсеместно присутствующие в природных экосистемах, являются естественными индикаторами их состояния. Это обусловлено либо непосредст —

венным участием микроорганизмов в развитии негативных природных процессов, одним из классических примеров которых является глееобразование, либо их быстрой ответной реакцией на изменения, происходящие в окружающей среде под воздействием техногенных загрязнений.

2. В качестве критерия уровня развития микробных биоценозов предлагается новый количественный показатель — концентрация в горных породах суммарного белка, интегрально учитывающий белок микробных клеток и белковые продукты метаболизма. Целесообразность использования этого показателя основана на том, что содержание белка в микробных клетках составляет не менее половины их сухой массы. Разработаные методы выделения и изме — рения концентрации белковых соединений в горных породах, основаны на модифицированном для минеральных сред методе Брэдфорда. Правомочность разработанных методов доказана экспериментальными исследованиями, подтвердившими адекватность полученных результатов определению содержания белка другими методами (аминокислот!ютого анализа, Лоури), а также отсутствием реакции свободных аминокислот с реактивом Брэдфорда.

3. Инженерно—геоэкологический аспект реализации разработанного направления связан с изучением глееобразования, развитие которого происходит при непосредственном участии микроорганизмов.

На основе анализа распределения концентрации СБ в оглеенных породах и взаимосвязи этого показателя с основными факторами глееобразования (биогенной активностью, влажностью пород содержанием органического вещества, окислительно—восстановительными условиями и процессами редукции железа) разработаны количественные биохимические модели, используемые для дифференциации оглеенных пород Исходя из доминирующей роли микроорганизмов при глееобразовании, по концентрации СБ выделены определенные интервалы, в пределах которых биохимические модели адекватно отражают совокупность условий и процессов, определяющих спууаи глееобразования. При этом каждой стадии соответствуют конкретные

граничные условия, характеризующие интенсивность протекающего преобразования.

Формирование комплекса определенных условий на разных ста— даях глееобразования приводит к различной степени гипергенного преобразования пород. Основные тенденции изменения вещественного состава, структуры и свойств исходных пород по мере развития глееобразования, контролируемого накоплением в оглеенных породах белковых веществ, выражаются в разложении гидрослюды и постепенном преобладании монтмориллонита над остальными слоистыми фазами, появлении биоячеистого типа микроструктуры, увеличении степени дисперсности пород а также возрастании их общей пористости за счет увеличения микропорисгосги и практически полном исчезновении в сильно оглеенных породах крупной активной пористости. Совокупность этих процессов приводит к понижению плотности и повышению пластичности пород, уменьшению их водопроницаемости и существенному снижению деформационных и прочностных характеристик.

Экспериментально доказано, что биохимические модели отражают определенные интервалы изменения состава и свойств оглеенных пород на разных сщадях глееобразования. и позволяют количественно оценивать степень оглеенносги пород

С помощью методов многомерной статистики установлено, что характер взаимосвязи концентрации СБ с изменением условий (или факторов) среды при глееобразования, а также состава и свойств оглеенных пород характеризуется единым видом зависимости и подчиняется экспоненциальному закону. Из общей теории роста микроорганизмов известно, что аналогичным видом зависимости аппроксимируются закономерности роста микробных клеток. Все вышеизложенное доказывает правомерность использования концентрации СБ в качестве основного количественного критерия степени развитая глееобразования или степени оглеенносги пород

Таким образом, проведенное обобщение является основой для создания общей модели развития глееобразовательного процесса, характеризующей закономерности изменения геологической среды

при глееобразовании на основе белковой индикации.

4. Экологический аспект применения белковой инд икации основан на количественной оценке реакции микроорганизмов на нарушение состояния природных экосистем под воздействием различных видов техногенных загрязнений. Правомочность подобного подхода связана с тем, что для микроорганизмов окружающая среда является основным источником энергии и элементов, необходимых для синтеза биомассы. Привнос токсичных загрязнений вызывает уменьшение численности микроорганизмов, а подверженных биодеградаций — избыточное продуцирование их биомассы.

В качестве индикаторного показателя количества микробной биомассы при контроле экологического состояния геологической среда используется концентрация суммарного белка Анализ распределения концентрации СБ в природных объектах дает возможность выделять аномальные зоны, в которых биомасса микробных сообществ отклоняется от нормы, характерной для данного региона Сравнение аномальных значений с фоновыми позволяет судить о направленности экологического эффекта загрязнения — эвгрофикации или токсификации.

Работоспособность белковой инд икации доказана при оценке из — менения состояния геологической среды под воздействием различных видов техногенных загрязнений в районах Тырныаузского вольфрам—молибденового комбината и полигона по захоронению токсичных отходов "Красный бор", характеризующихся наличием загрязнений тяжелыми металлами и токсичными отход ами производств, а также в акватории Невской губы и восточной части Финского залива, где преоблад ает фекальное загрязнение

5. Разработаны основные направления практической реализации белковой индикации, связанные с использованием концентрации СБ в качестве приоритетного показателя при организации мероприятий по охране окружающей среды в пределах оглеенных массивов, а также территорий, испытывающих воздействие различных видов техногенных загрязнений. Реализация результатов исследований в инженерно—геоэкологическом аспекте заключается в оценке степени оглеен— ноет пород по концентрации в них СБ; инженерно—

геоэкологическом районировании и картировании массивов оглеен— ных пород ; прогнозировании возможных последствий развития глее— образования; организации геоэкологического и инженерно— геологического мониторинга территорий, подверженных оглеению. Практическая реализация разработанного направления в экологическом аспекте связана с выявлением по концентрации СБ аномалий, формирующихся под воздействием различных видов техногенных загрязнений; организацией долговременного экологического мониторинга и разработкой мероприятий по осуществлению контроля за изменением экологической ситуации в пределах районов, подверженных техногенному загрязнению.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ АВТОРА ПО ТЕМЕ ИССЛЕДОВАНИЙ

По теме диссертации опубликовано 57 работ, основными из кото — рых являются: Монография

1. Нижарадзе Т.Н., Моравецка Б., Ларионов АК., Шпонарь А Монография Биохимические модели оклеенных глин. —Вроцлав: Вроцлавск. ун-т, 1991. -291 с. Статьи

2 Нижарадзе Т.Н. К вопросу изменения гранулометрического состава электрохимических закрепленных глинистых оползневых накоплений: Тр. НИИ щдрогеал. и инж. —геол. проблем JIM —Тбилиси, 1960. —С.65—71.

3. Нижарадзе Т.Н., Джавахишвили ЭА, Калмахелидзе С.С. Строительные свойства глеевых грунтов Колхидской низменности: Тр. сов. по строительству на слабых водонасьпценных глинистых грунтах. — Таллин, 1965. -С.41-46.

4. Джавахишвили БА, Чоханелидзе Г.И, Нижарадзе Т.Н Строительные свойства глеевых ipymoB Колхидской низменности: Тез. Всес. совещ. по структурам не слабых водонасьпценных глинистых грунтов. -Таллин, 1965. -34 с.

5. Нижарадзе Т.Н., Варазашвили ЛИ., Кулик ВЯ. Теория капиллярного гистерезиса и метод ика определения обобщенных капиллярных характеристик почвогрунтов // Вопросы щлротехники и мелиорации. —Новочеркасск, 1967. —150 с.

6. Нижарадзе Т.Н., Кулик BJL О разложении многомерных характеристик функции капиллярного гистерезиса на одномерные: Тр. НИИ гидрогеол. и инж.—геол. проблем ГПИ. —Тбилиси, 1967. —С.45—50.

7. Нижарадзе Т.Н., Кулик ВЯ. Об уравнениях движения почвенной воды: Тез. докл. XVII Республ. межвед, конф. —Ровно, 1968. —С. 14—16.

8. Нижарадзе Т.Н., Кулик В Л. Разложение двумерной функции капиллярного гистерезиса на две одномерные: Тр. НИИ гидрогеол. и инж. - геол. проблем ГПИ. -Тбилиси, 1970. -С.65-71.

9. Нижарадзе Т.Н., Петрова М.В. Влияние капитальных промывок на ионный состав порового раствора почво—грунтов // Научно—техн. бюлл. по агроном, физика —Л: АФИ, 1979. -№39. С.13-17.

10. Нижарадзе Т.Н., Петрова М.В., Михайлова В.И. К вопросу исследования некоторых водно — физических характеристик грунтов в связи с оценкой эффективности промывок засоленных массивов // Грунтоведение и инж. геология. —Д.: ЛГУ, 1980. —В.2. —С.100—104.

11. Нижарадзе Т.Н. Влияние капитальных промывок на изменение ионно—солевого состава засоленных почво—грунтов Цнорского орошаемого массива ГССР // Грунтоведение и инж.— геология. —Л: ЛГУ, 1980. — В.2. — С.95—100.

12 Нижарадзе Т.Н., Петрова М.В., Михайлова В.И Влияние капитальных промывок на фильтрационные свойства почво—грунтов // Научно—техн. бюлл по агроном физике. —Л: АФИ, 1980. —№44. — С8—12

13. Ваганов ПА, Нижарадзе Т.Н. О микроэлементах в лессовидных и меловых отложениях (по данным нейтронно—активационного анализа)//Геохимия. -1981. —№1. —С.149—152.

14. Ларионов АК., Нижарадзе Т.Н. Исследование перехода некоторых разностей вывеггрелых мелов в слабые водонасыщенные мелы // Веста. ЛГУ: сер.7. -1984. -№24. -С.107-111.

15. Кнатько В.М., Нижарадзе Т.Н., Пушнова ЕА, Трибулкина МА Влияние микроорганизмов на пластичность грунтов // Вестник ЛГУ: сер.7. -1987. -В.1. -№7. -С.23 - 27.

16. Ларионов АК., Нижарадзе Т.Н., Лаэдовская МА Выявление природы и степени оглеенности глинистых фунтов как результат жизнедеятельности микроорганизмов // Вестник ЛГУ: сер.7. —1987. — В.4. -№28. -С.35-41.

17. Методические указания по количественному учету влияния жизнедеятельности микроорганизмов на физико—механические свойства оглеенных пород /Сост.: Т.Н. Нижарадзе, ЕА Пушнова, В.М. Кнатько, МА Трибулкина. -А: ЛГУ, 1988. -25 с.

18. Кнатько В.М, Лаптева Т.П., Нижарадзе Т.Н., и др. Методические указания по изучению геологических и инженерно—геологических процессов. -А: ЛГУ, 1989. -35 с.

19. Нижарадзе Т.Н., Кнатько В.М., Лаздовская МА Новый метод оценки степени оглеенносга глинистых грунтов, преобразуемых в технические грунты различного направления: Тез. докл. Всес. конф. по технологии грунта. —Суздаль, 1989. — С.24 —25.

20. Нижарадзе Т.Н, Лаздовская МА, Томилин АМ Экспресс— экспертиза нарушения экологического равновесия в грунтах и водах // Экогеохимия городок Тез. докл Всес семинара. —Москва, 1989. — С48.

21. Нижарадзе Т.Н., Томилин АМ., Тукалло АМ. Контроль загрязнения водных объектов по интегральной микробиологической активности // Вестник ЛГУ, сер.7. -1989. -В.З. -№21. -С.93 -97.

22. Ларионов АК., Нижарадзе Т.Н., Паринкина О.М., Лаздовская МА Сравнительная оценка некоторых параметров биогенной активности оглеенных грунтов в связи с инженерно—геологическими зад ачами // Весгаик ЛГУ: сер.7. -1989. -В.2 -№14. -С.30-37.

23. Нижарадзе Т.Н Механические свойства оглеенных грунтов: Деп. №5635 В—90 , 1990. -12 с.

24 Нижарадзе Т.Н, Томилин АМ, Лаздовская МА, Хаусгов В.В. Оценка загрязнения водаых объектов по результатам кошрсля нарушений экологического равновесия: Тез. докл. 1 —го Совегско—Американского симп. по гидрогеологическим и гидрологическим проблемам охраны окружающей среды. —Ленинград—Москва, 1990. —С.31—32

25. Нижарадзе Т.Н. Левченко Г.П., Гиллерман АА и др. Применение нового биохимического метод а при обосновании радиального вод ного режима сельхозугод ий // Биологическая роль микроэлементов и их применение в сельском хозяйстве: Тез. докл. XI Всес конф. — Самарканд 1990. -С.43. ' .

26. Нижарадзе Т.Н Формирование пластических свойств оглеенных глин: Деп. №3770 В-91, 1990.

27. Нижарадзе Т.Н Водопроницаемость оглеенных пород: Деп. N93771 В-91, 1991.

28. Нижарадзе Т.Н Формирование гранулометрического состава оглеенных грунтов // Изв. Высш. учебн. заведений серия: "Геология и разведка". -1991. -С.48-59.

29. Верзилин КН., Нижарадзе Т.Н., Гонтарев ЕА, Лаздовская МА Метод ика и результаты определения содержания суммарного белка в колонках донных осадков // Современные метод ы морских геологи—