Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Полихлорированные дибензо-п-диоксины и родственные им соединения в экосистеме озера Байкал

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Мамонтов, Александр Анатольевич, Санкт-Петербург

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ Институт геохимии им. А.П. Виноградова

На правах рукописи

МАМОНТОВ Александр Анатольевич

ПОЛИХЛОРИРОВАННЫЕДИБЕНЗО-П-ДИОКСИНЫ И РОДСТВЕННЫЕ ИМ СОЕДИНЕНИЯ В ЭКОСИСТЕМЕ ОЗЕРА БАЙКАЛ

Специальность 03.00.16 - экология

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель Академик РАН Г.И. Галазий

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ -1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 5 ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Общие представления о проблеме 12

1.2 История возникновения диоксиновой проблемы. 14

1.3 Физико-химические свойства. 19

1.4 Распределение в окружающей среде 21

1.5 Воздействие на живые организмы. Токсичность. 25

1.6 Источники диоксинов. 45

1.7 Целлюлозно-бумажное производство. 47

1.8 Сжигание отходов на мусоросжигательных заводах 51

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

2.1.1 Выбор аналитического метода. 52

2.1.2 Обеспечение чистоты и представительности пробоотбора 54

2.2 Пробы почв. 55

2.3 Проба - сточные воды БЦБК 56

2.4 Пробы песчаного грунта из термальных источников 57

2.5 Пробы грунта с шельфовой и глубоководной зоны оз.Байкал и

р.Селенга. 57

2.6 Биопробы, представляющие отдельные звенья трофической сети. 60

2.6.1 Зоопланктон 60

2.6.2 Макрозоопланктон и молодь длиннокрылки. 62

2.6.3 Большая голомянка ( Comephorus baicalensis) 62

2.6.4 Малая голомянка (Comephorus dybowskii) 62

2.6.5 Желтокрылка (Cottocomephorus grewingki) 63

2.6.6 Песчаная широколобка (Paracottus kessleri) 63

2.6.7 Плотва (Rutilus rutilus lacustris) 63

2.6.8 Окунь (Perca fluviatilis) 63

2.6.9 Омуль (Coregonus autumnalis migratorius) 63

2.6.10 Байкальская нерпа (Phoca sibirica) 64

2.7 Подготовка проб для анализа. 67

2.8 Анализ проб.

68

ГЛАВА 3. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЭКОСИСТЕМЫ БАЙКАЛА КАК ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЯ НА СОДЕРЖАНИЕ СТОЙКИХ ОРГАНИЧЕСКИХ ЗАГРЯЗНИТЕЛЕЙ.

3.1 Байкал как экосистема 71

3.2 Исследование СОЗ в Байкале. 78

ГЛАВА 4. УРОВНИ, ОСОБЕННОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ И ВЕРОЯТНЫЕ ИСТОЧНИКИ ПХДД\Ф И ПХБ В ПОЧВАХ БАЙКАЛЬСКОГО РЕГИОНА.

4.1 Происхождение ПХДД/Ф в Байкальском регионе 80

4.2. Уровни содержания ПХДД/Ф в почве Байкальского региона и влияние глобального переноса. Сравнение с литературными данными 81

4.3 Особенности конгенерного состава ПХДД/Ф и ПХБ в почвах Байкальского региона. 83

4.4 Особенности пространственного распределения ПХДД/Ф и ПХБ 86

4.5 ПХДЦ/Ф в пробах снега 95

4.6 Возможные пути поступления ПХДД/Ф и ПХБ в экосистему Байкала 95

ГЛАВА 5. УРОВНИ И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПХДД/Ф В БАЙКАЛЕ

5.1 ПХДД и ПХДФ в донных отложениях. 105

5.2 ПХДД и ПХДФ в планктоне. 109

5.3 ПХДД/Ф и ПХБ в ихтиофауне Байкала 113

5.4 ПХДД и ПХДФ в нерпе. 122

5.5 Причины неоднородности конгенерного состава ПХДД/Ф в трофической сети пелагиали Байкала. 126

5.6 Особенности уровней ПХДД/Ф в экосистеме Байкала 134

ВЫВОДЫ 136

РЕКОМЕНДАЦИИ ДЛЯ ПРОДОЛЖЕНИЯ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 138 ЛИТЕРАТУРА 139

ПРИЛОЖЕНИЯ 159

Принятые сокращения

ТХДД - тетрахлордибензо-п-диоксин ТХДФ - тетрахлордибензофураны ПеХДД - пентахлордибензо-п-диоксины ПеХДФ - пентахлордибензофураны ГеХДД - гексахлордибензо-п-диоксины ГеХДФ - гексахлордибензофураны ГпХДД - гептахлордибензо-п-диоксины ГпХДФ - гептахлордибензофураны ОХДД - октахлордибензо-п-диоксины ОХДФ - октахлордибензофураны ПХБ - полихлорированные бифенилы ПХДД - полихлордибензо-п-диоксины ПХДФ - полихлордибензофураны

ПХДД/Ф - полихлорированные дибензо-п-диоксины и дибензофураны

МСП - мусоросжигательная печь

БЦБК - байкальский целлюлозно-бумажный комбинат

US ЕРА - (Environment Protection Agency) - Агентство охраны природы США

СОЗ - стойкие органические загрязнители

ДЭ - диоксиновый эквивалент токсичности

BSAF - биота-седиментационный фактор аккумуляции

BCF - биоконцентрационный фактор

Аналитические обозначения мкг - микрограмм (10 "6 г), ррт - мг/ кг, мкг/ г

нг - нанограмм (1С)"9 г), ppb - мкг/ кг, нг/ г

пг - пикограмм (10 "12 г), ppt-нг/кг, пг/г

, -15

фг - фемтограмм (10 г), ppq - пг/ кг, фг/ г

Введение

Актуальность темы. Гигантский демографический взрыв уходящего столетия, добыча, переработка и использование топливных и сырьевых ресурсов, невиданное и невозможное ранее глобальное перераспределение вещества и энергии, вызванное человечеством, - все это явилось причиной появления опасных химических токсикантов полихпорированных дибензо-пара-диоксинов и дибензофуранов - побочных продуктов промышленной деятельности человека.

Никто и никогда не создавал их специально. Они - тень, обратная сторона нашей цивилизации.

Вред, причиняемый ими, трудно переоценить: бесплодие и уродства, раковые заболевания и подавление иммунитета ( USA ЕРА, 1989,1993,1994; Dioxins and Health, 1996; Федоров, 1993; Фокин, Коломиец,1985; Цырлов, 1990; Филатов, Данилина, Михайлов, Киселев, 1997 ). Их невозможно обнаружить органолептически, а, следовательно, без проведения специальных исследований мы абсолютно беззащитны перед их воздействием. И именно поэтому определение уровней и изучение распределения стойких органических загрязнителей (СОЗ) в окружающей среде является важной задачей при решении проблемы сохранения биоразнообразия и защиты здоровья Человечества.

Три года назад произошло очень важное для охраны природы событие -включение озера Байкал в список Участков Мирового Природного Наследия -бесспорное признание мировой общественностью уникальности озера.

Однако по насыщенности диоксиноопасными технологиями и предприятиями близлежащих территорий, а Иркутская область входит в семерку самых неблагоприятных в экологическом отношении областей страны ( пленарный доклад губернатора Иркутской области Б. Говорина на конференции в Улан-Удэ «Байкал как участок Мирового Природного Наследия» в сентябре 1998 года ). Семь городов Иркутской области ( Ангарск, Братск, Зима, Иркутск, Усолье-Сибирское, Шелехов, Черемхово) внесены в список городов России с наибольшим уровнем загрязнения атмосферного воздуха, что составляет 16% общего количества городов России, внесенных в этот список ( Государственный доклад, 1994,1995,1996,1997), требует более пристального рассмотрения вопроса о поступлении и распределении токсикантов в экосистеме Байкала, опасности для живых существ и человека, для

того, чтобы максимально ограничить их поступление в окружающую среду и воздействие на человека.

Данная работа представляет собой первый этап этой большой комплексной программы, в которой главной задачей исследования является определение уровней содержания полихлорированных дибензо-п-диоксинов (ПХДД), полихлорированных фуранов (ПХДФ) и отдельных изомеров полихлорированных бифенилов (ПХБ) в различных матрицах оз. Байкал, Байкальского региона и, в частности, Иркутской области.

Важность представляемой работы, прежде всего, определяется исключительной токсичностью, способностью к биоаккумуляции и устойчивостью в окружающей среде выше названных соединений, благодаря чему они выделяются в отдельную группу хлорорганических суперэкотоксикантов ( Высочин, 1989; Федоров, 1993; Майстренко, Хамитов, Будников, 1996; Майстренко, 1998 ), образуя совместно с хлорорганическими пестицидами основу группы стойких органических загрязнителей (СОЗ) (Фидлер,1998; Сунден, 1998; Юфит, 1998).

Предпосылками к проведению настоящей работы были многолетние научные свидетельства многих исследователей, отмечающих, что за последние 30 лет, что совпадает с работой целлюлозных комбинатов (БЦБК и СЦКК), в экосистеме озера Байкал произошли значительные изменения : нарушена цикличность развития фитопланктона - АЫасоэе^а Ьаюа^пвю (Поповская, 1986; Кожова,1995); понизилась численность зоопланктона - рачка Ер1зИига Ьаюа1еп81з (Галазий и др.,1987; Настоящее и будущее Байкальского региона, 1996,стр.78); понизились темпы роста и ухудшились физиологические характеристики байкальских рыб (Галазий и др., 1987), так, средний вес омуля по сравнению с 1960-ми годами уменьшился в 2 раза (Настоящее и будущее Байкальского региона, 1996,стр.78); в водной толще глубоководной части озера найдены в массе бентосные формы диатомовых водорослей АсИпапШев ттиИвэ^а (Кожова,Кобанова,1994). В 1986 году на берегах Байкала обнаружены отложения волокон целлюлозы (Агафонов и др., 1995). В 19871988 годах отмечалась массовая гибель нерпы ( Вспышка чумы плотоядных ..., 1992). Обнаружена обратная корреляция между зимним содержанием биогенных элементов и весенней концентрацией хлорофилла «а» в водах открытого Байкала (Тарасова, Мещерякова, 1992; Галазий, Тарасова, 1994).

Все эти факты свидетельствуют о том, что Байкал испытывает значительную антропогенную нагрузку.

В биоте Байкала накоплено значительное количество хлорорганических токсикантов (Бобовникова и др.,1985,1988; Грошева и др.,1998; Kucklick et. al., 1994,1996; Iwata et. al., 1995). Не смотря на то что действие их в дикой природе чаще всего связывают лишь с общим ослаблением организма, подобно СПИДу, и значительно реже, как при аварии в Севезо ( Федоров, 1993; Высочин, 1989) локальной гибелью, в Соединенных Штатах Америки и Западной Европе этого оказалось достаточным для проведения дорогостоящих специальных мероприятий по очистке загрязненных водоемов и участков суши, а также введению жестких экономических санкций и экологических норм на приоритетные токсиканты ( Коммонер,1996; Юфит, 1998).

Недостаточность проведенных ранее и опубликованных в научной литературе исследований по содержанию диоксинов и родственных им соединений в оз. Байкал и прилегающих районов ( Бобовникова и др.,1996; Бобовникова, Дибцева,1994; Бейм, 1993; Белявцева, Дубовенко,1994; Грошева и др., 1996; Грошева и др., 1998; Тарасова и др.,1995; Schecter et.al, 1992, 1993;.Maatella et al.,1990; Oikari et. al.,1988; Nakata et. al., 1995) очевидна, поскольку большая их доля посвящена присутствию ПХБ и хлорорганических пестицидов в экосистеме Байкала, поэтому представляемые данные по содержанию диоксинов и фуранов, несомненно, будут полезны при проведении работ по оценке экологического риска для дикой природы Байкальского региона, экосистемы Байкала и человека. Достаточно обширный массив полученных данных также может быть использован при проведении в будущем мониторинговых программ.

Цель работы заключается в установлении уровней загрязнения экосистемы оз. Байкал диоксинами и родственными соединениями.

Для достижения этой цели решались следующие задачи:

1. Определить уровни содержания полихлорированных дибензо-п-диоксинов и дибензофуранов:

■ в почвах Прибайкалья и Забайкалья,

■ в донных отложениях глубоководных и шельфовых зон озера,

■ в основных звеньях трофической цепи пелагиали оз. Байкал: планктон - рыба -нерпа,

2. Сравнить полученные данные с мировыми исследованиями.

3. Установить характер распределения конгенерного состава ПХДД, ПХДФ в

трофической сети пелагиали озера.

4. Рассмотреть некоторые возможные источники поступления ПХДД, ПХДФ и ПХБ в

оз. Байкал.

Научная новизна исследований. Автором впервые:

■ установлены ( в пересчете на ДЭ -диоксиновый эквивалент) уровни содержания ПХДД/Ф в ненарушенной почве Байкальского региона;

■ на основе соотношения сравнительно хорошо (ТХДФ) и плохо растворимых (ОХДД) в воде конгенеров ПХДД/Ф рассмотрены особенности поступления и распределения ПХДД/Ф в трофической сети озера, влияние выбросов целлюлозно-бумажного производства на распределение конгенерного состава по акватории озера;

■ найдена способность байкальской нерпы метаболизировать соединения фуранового ряда;

■ рекомендовано использовать взрослые особи Сотер/югиз ЬаНю^пэ^ в качестве вида для мониторинга загрязнения диоксинами и родственными соединениями котловин озера.

Теоретическая значимость работы. Получены и обобщены новые данные, позволяющие вскрыть закономерности распределения ПХДД/Ф и ПХБ в окружающей среде.

Практическая значимость работы. Результаты работы содержат информацию, необходимую для более успешного проведения мониторинга диоксинов и родственных соединений, а также для решения задач, связанных с разработкой профилактических мероприятий для оздоровления окружающей среды, в первую очередь оз. Байкал, и улучшения здоровья населения Байкальского региона.

Материалы исследований представлены

■ В Государственном докладе «Экологическая обстановка в Иркутской области» за 1993,1994,1995,1996,1997 гг. ( акт внедрения Государственного комитета по охране окружающей среде Иркутской области № 1-5-146 от 20.01.1999).

■ В практической деятельности центров санитарно-эпидемиологического надзора Иркутской области, а также при разработке региональной программы «Защита населения Иркутской области от диоксинов и диоксиноподобных токсикантов на 1998-2003 гг.» (акт внедрения № 5-2-19-41 от 15-01.1999)

■ В УГПС при решении вопроса о возможном воздействии диоксинов и родственных соединений на здоровье участников тушения пожара на АО «Иркутсккабель» в 1992 г. ( акт внедрения №18 от 2.12.1998),

■ Результаты исследования по теме: «Диоксины и родственные соединения в экосистеме озера Байкал» были переданы в Администрацию Иркутской области (акт внедрения № 13/41-14 от 21.01.1999),

■ Материалы отчета-информации «О диоксиновой ситуации в Иркутской области» было решено использовать в законотворческой работе Комитета Государственной Думы по экологии (Решение Комитета Государственной Думы №83-3 от 10.12.1998).

Фактический материал и личный вклад автора. В настоящей работе представлены данные уровней содержания и конгенерного состава диоксинов и родственных им соединений в пробах почв Байкальского региона, донных отложений и биоты оз. Байкал.

Таблица 1

Количество проб и конгенерспецифических определений

Наименование Кол-во проб пхдд ПХДФ ПХБ

Снеговой покров 2 14 20 18

Почва 52 364 520 788

БЦБК 10 70 100 36

Термальные источники 4 28 40 68

Донные отложения 13 91 130 117

Планктон 3 21 28 12

Рыбы 19 133 184 257

Нерпа 14 98 126 84

Бумага 2 14 20 18 287

Контрольная (холостая) проба 21 147 398

Всего 140 980 1566 1685

4231

Всего было принято к интерпретации 4231 конгенерспецифических определений индивидуальных соединений ПХДД/Ф и ПХБ (таблица 1).

Диссертация является самостоятельно выполненным завершенным научным исследованием. В ней отражены результаты собственных экспериментальных работ за 1994-1998 гг., выполненных в рамках программ научно-исследовательских работ Отдела Экологических Исследований Прибайкалья ИНЦ СО РАН и Института геохимии им. А.П. Виноградова СО РАН. Вклад автора является основным.

Апробация работы. Результаты исследований по теме диссертации были представлены на: Международном симпозиуме по проблемам прикладной геохимии (Иркутск, 1994), 2-ой Международной Байкальской конференции, посвященной Г.Ю. Верещагину (Иркутск, 1995), XXVI Международном Лимнологическом конгрессе (Бразилия, 1995), Республиканской конференции «Диоксины: экологические проблемы и методы анализа» (Уфа, 1995), V Международной конференции «Проблемы экологии Прибайкалья» (Иркутск, 1995), Республиканской конференции «Проблемы экологического мониторинга» (Уфа, 1995), Международной конференции «Закономерности эволюции Земной коры» (Санкт-Петербург, 1996), 4-ом Российско-японском Международном Симпозиуме (Иркутск, 1996), ll-ом Международном конгрессе «Вода: экология и технология» («Экватек - 96», Москва, 1996), VII Гидробиологическом съезде «Чистые воды - XXI Веку» (Казань, 1996), Международном симпозиуме «Новая стратегия для исследования по охране окружающей среды» (Китай, 1997), Региональной конференции «Интеллектуальные и материальные ресурсы Сибири» (Иркутск, 1997), Международном симпозиуме «Экологически эквивалентные виды гидробионтов в великих озерах мира» (Улан-Удэ, 1997), Международных симпозиумах по диоксинам и родственным соединениям «Диоксин-97, 98» (США, 1997, Швеция, 1998), Международном симпозиуме «Байкал как участок мирового наследия» (Улан-Удэ, 1998), Международном симпозиуме «Контроль и реабилитация окружающей среды» (Томск, 1998), Международном симпозиуме по Байкалу (Япония, 1998), Региональном совещании «Город: прошлое, настоящее и будущее»( Иркутск, 1998), Региональной конференции «Водные ресурсы Байкальского региона: проблемы формирования и использования на рубеже тысячелетий» (Иркутск, 1998), Юбилейной конференции «Современные проблемы экологии, природопользования и ресурсосбережения Прибайкалья»

ю

(Иркутск, 1998), на второй и третьей российско-американской встрече ученых, политиков и представителей общественных организаций «Снижение опасности загрязнения окружающей среды диоксинами и защита здоровья населения» (Москва, 1996; Байкальск, 1998), молодежной конференции «Экология Прибайкалья» (Иркутск, 1998), молодежной конференции Института геохимии (Иркутск, 1998).

Материалы опубликованы в 32 работах.

Основные положения, выносимые на защиту:

- Экосистема оз. Байкал характеризуется широким диапазоном концентраций ПХДД/Ф в почвах водосборной территории и локального атмосферного влияния, относительно низким содержанием токсикантов в донных отложениях ( чем приближается к донным отложениям дна Мирового океана) и аномально высокими концентрациями ПХДД/Ф в биоте пелагиали Байкала, чем приближается к таким загрязненным акваториям, как Балтийское море и Великие Американские озера.

- Уровни содержания и распределения концентраций кон�