Роль сорных растений в процессе детоксикации хлорорганических соединений
Казахский национальный университет
имени Аль-Фараби
МАГИСТРАТУРА БИОЛОГИЧЕСКОГО ФАКУЛЬТЕТА
кафедра биотехнологии
ДИПЛОМНАЯ РАБОТА
Роль сорных растений в процессе детоксикации
хлорорганических соединений
Исполнитель: ____________ А.Жумабаев
(подпись, дата)
Научный руководитель:
доцент, канд.биол.наук ___________
(подпись, дата)
Внс, кбн ___________ А.А. Нуржанова
(подпись, дата)
Допущена к защите:
Зав. кафедрой
проф., доктор биол. наук___________ А.Т.Иващенко
(подпись, дата)
Алматы, 2007
РЕФЕРАТ
Диссертационная работа изложена на страницах печатного текста,
включает таблиц, рисунков и источников литературы, из которых
зарубежных авторов.
Ключевые слова и выражения: хлорорганические пестициды, ГХЦГ, ДДТ,
стойкие органические загрязнители, толерантные растения, аккумуляция,
детоксикация, фиторемедиация.
Цель работы: Определить аккумуляционную и детоксикационную способность
дикорастущих видов с целью использования их в фиторемедиационных
технологиях.
Материалы исследования: Образцы почв из территорий бывших хранилищ
пестицидов , расположенных в Каскеленском районе, образцы вегетативных
органов растений, выращенных на почве из территории бывших хранилищ
пестицидов.
Методы исследования: метод хроматографии.
Результаты исследования: Идентифицировано содержание запрещенных
хлорорганических пестицидов (метаболитов ДДТ и изомеров ГХЦГ) на почве из
территорий бывших складских помещений, где хранились химические средства
защиты растений. Установлено, что концентрация хлорорганических пестицидов
в почве превышает предельно допустимые нормы в 62 раз.
Установлено, что пестициды как стресс фактор в зависимости от
концентрации накопления пестицидов в почве обуславливают ускоренное
прохождение стадий развития и наступления цветения.
Изучена возможность использования толерантных растений, произрастающих
на исследуемой территории, для фиторемедиации загрязненных пестицидами
почв.
Выявлены виды растений, способных к накоплению и детоксикации
хлорорганических пестицидов. Полученные результаты могут быть использованы
для разработки технологии фиторемедиации почв, загрязненных
хлорорганическими пестицидами.
СОДЕРЖАНИЕ
ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 4
ВВЕДЕНИЕ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... 5
ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 7
Пестициды в мире и Казахстане: проблемы и перспективы ... ... ... 7
Общая характеристика загрязнения окружающей среды стойкими
органическими пестицидами ... ... ... ... ... ... ... . 7
Использование пестицидов в Казахстане и проблема загрязнения
хлорорганическими пестицидами ... ... ... ... ... . 7
Характеристика хлорорганических пестицидов ... ... ... ... ... ... .. 11
Краткая характеристика хлорорганических пестицидов ... ... . 11
ДДТ и его производные ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 12
ГХЦГ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 17
Генотоксичность хлорорганических пестицидов. Тест-системы для оценки их
мутагенной активности ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 20
Возможности фиторемедиации загрязненных пестицидами почв ... 23
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ... ... ... ... ... ... ... ... 28
Материалы и методы исследования возможности фиторемедиации территорий,
загрязненных ДДТ, ГХЦГ и их метаболитам ... ... ... ... 28
Материалы исследования ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 28
Методы исследования ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 29
Материалы и методы исследования генотоксичности ДДТ, его метаболитов и
изомеров ГХЦГ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 30
Материалы исследования ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 30
Методы исследования ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 31
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ ... ... ... ... ... 33
Идентификация ДДТ, его метаболитов и изомеров ГХЦГ и определение их
содержания в почве Каскеленского района ... ... ... 33
Изучение генотоксического действия хлорорганических пестицидов на семена
ячменя ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 34
Изучение возможности накопления хлорорганических пестицидов в надземной
и корневой частях растений ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 39
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 45
ВЫВОДЫ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. .. 46
ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 47
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ... ... ... ... ... ... ... ... . 48
ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ
ГХЦГ – гескахлорциклогексан
ДДД – дихлордифенилдихлорэтан
ДДТ – дихлордифенилтрихлорэтан
ДДЭ – дихлордифенилдихлорэтилен
ПДК – предельно допустимая концентрация
СОЗ – стойкие органические загрязнители
ХОП – хлорорганические пестициды
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. В связи с насыщением биосферы различными факторами
мутагенной природы, способными проникать в клетки живых организмов и
вызывать нарушения их генетической структуры, особую актуальность
представляет эколого-генетическая оценка последствий загрязнения окружающей
среды пестицидами.
Среди пестицидов особую опасность представляет группа хлорорганических
пестицидов, относящихся к стойким органическим загрязнителям (СОЗ). Эта
проблема особо актуальна для стран бывшего СССР, где использование ДДТ и
ГХЦГ получило большое распространение. В сельском хозяйстве Республики
Казахстан остро стоит проблема накопления значительных объёмов запрещенных,
непригодных к использованию и обезличенных устаревших пестицидов. В
Казахстане, начиная с 1991 года в течение 3-5 лет, были разрушены многие
складские помещения, где ранее хранились химические средства защиты
растений. В настоящее время эти территории превратились в ''горячие точки''
и представляют большую экологическую опасность, так как многие пестициды
остались под открытым небом. Среди них предполагается высокое содержание
запрещенных стойких токсических веществ, которые согласно Стокгольмской
конвенции, подписанной Казахстаном в 2001 году, должны быть уничтожены.
Ряд таких ''горячих точек'' находится в Каскеленском районе Алматинской
области, и изучение их воздействия на биоту практически не проводилось.
Кроме того, недалеко от этих точек располагаются населенные пункты, дачные
участки, сельскохозяйственные поля, производится выпас скота, а также
произрастают лекарственные травы. Поэтому изучение последствий и уровня
загрязнения окружающей среды пестицидами, а также поиск возможностей их
удаления представляется актуальным.
Исходя их вышеизложенного, целью настоящего исследования явилось
эколого-генетическое исследование Каскеленсокго района Алматинской области
и изучение возможностей фиторемедиации загрязненных почв.
Для достижения поставленной цели ставились следующие задачи:
• Идентифицировать и определить содержание метаболитов ДДТ и изомеров
ГХЦГ в почве территории бывшего складского помещения.
• Изучить генотоксическое действие исследуемых пестицидов в выявленных
концентрациях;
• Изучить возможности накопления исследуемых пестицидов в надземной и
корневой частях следующих видов растений: Artemisia annua L. Sp. Pl.
(Полынь однолетняя), Xanthium strumarium L. (Дурнишник
обыкновенный), Kochia Sieversiana (Кохия Сиверсовская), Kochia
scoparia (Кохия веничная).
Теоретическая значимость. Полученные результаты расширят представление
о современном эколого-генетическом состоянии Алматинской области, о
генотоксическом влиянии стойких органических пестицидов на живые организмы
и о возможностях использования произрастающих на загрязненных территориях
видов растений в фиторемедиационных технологиях.
Практическая значимость. Полученные в работе данные могут быть
использованы при оценке генетических последствий загрязнения природной
среды хлорорганическими пестицидами.
Для разработки фиторемедиационной технологии могут быть использованы
растения, произрастающие на загрязненных пестицидами территориях Республики
Казахстан.
Новизна. Впервые проведена эколого-генетическая оценка территории
Каскеленского района Алматинской области, где ранее располагались склады
химических средств защиты растений; идентифицированы метаболиты ДДТ и
изомеры ГХЦГ и определено их содержание в почве изучаемой территории.
Установлен повышенный фон загрязнения запрещенными пестицидами, а также
мутагенный эффект выявленных концентраций пестицидов. Установлено, что
растения, произрастающие на данных территориях, способны аккумулировать
пестициды и, следовательно, могут быть использованы для разработки
технологии фиторемедиации.
Публикации. Результаты исследований опубликованы в сборнике материалов
3 съезда ВОГИС Генетика в 21 веке: современное состояние и перспективы
развития (Москва, 2004); в сборнике материалов международной конференции
Humboldt-Кolleg “Use of Geographic Information Systems and Simulation
Models for Research and Decosion Support in Central Asian River Basins”
(Ташкент, 2004); в сборнике материалов межвузовской студенческой научно-
практической конференции ''Социум, молодежь, личность в мысли и
деятельности. Год России в Казахстане'' (Алматы, 2004); в сборнике
материалов III-й международной конференции молодых ученых и студентов
(Алматы, 2003) и конференции молодых ученых и студентов КазНУ им. аль-
Фараби (Алматы, 2005).
Цель: Разработать технологию фиторемедиации окружающей среды
загрязненной и пестицидами с использованием растений аккумулирующих иили
деградирующих пестициды.
Этап 1. Изучение особенностей накопления пестицидов дикими видами
растений в полевых условиях
Этап 2. Изучение особенностей накопления пестицидов дикими видами
растений в лабораторных условиях
ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
Природно-климатическая характеристика Каскеленского района
Каскеленский район по природно-экономической характеристике относится к
предгорной овощемолочной зоне.
Основная часть района расположена в пределах 700 – 800 метров над
уровнем моря. Глубина залегания грунтовых вод по долинам и логам – 5-6 м, а
в холмисто-увалистой части – 10-20 м и более [1].Климат континентальный
[2]. Отличается сравнительно мягкой зимой, влажной прохладной весной, сухим
жарким летом и продолжительной теплой осенью [1].Средняя годовая
температура зоны колеблется в пределах 7,7 - 8,7(. Средняя температура
воздуха самого теплого месяца (июля) + 19,3 - 22,4°, холодного (января) -
3,7-7,4( Средняя годовая амплитуда составляет 28,4 - 35,9(, а абсолютная -
69-80(. Продолжительность периода со среднесуточной температурой выше +10°
составляет 164 - 182 дня [2]. Годовое количество осадков составляет 463 -
779 мм Продолжительность зимы со снежным покровом составляет 101 - 104 дня.
Высота снежного покрова колеблется от 8 до 30 см (1,2). Глубина промерзания
почвы обычно не превышает 25-30 см. Средняя продолжительность безморозного
периода – 149 дней. Влажность атмосферного воздуха колеблется от 25 до 80%
[2]..
Таким образом, степень увлажнения и температурный режим,
продолжительность периода с температурой выше +10°, а также
продолжительность безморозного периода создают благоприятные условия для
развития различной растительности.
Почвa Каскеленского района относится к степной предгорной, пустынно-
степной предгорной, а также к пустынно-равнинной зонам. Имеет холмисто-
увалистый рельеф. Почвы светлокаштановые, обыкновенные сероземы, по склонам
увалов местами эродированные. Доминируют светлокаштановые почвы, реже
сероземы, и ещё реже встречаются черноземы и темнокаштановые почвы.
Площадь Каскеленского района составляет 327,7 тыс.га., из них 13 – 102
тыс.га – пахотная площадь. В основном эти почвы не обеспечены водой
(84%), но осваиваемые под богарное земледелие.
Степная предгорная зона. Степная зона подразделяется на две подзоны:
первая соответствует поясу ковыльно-разнотравных степей с участием
кустарников по склонам на горных черноземах среднегумусных и малогумусных,
вторая – поясу ковыльно-типчаковых степей на темно-каштановых почвах.
Богатый растительный покров с хорошо развитой тонкой корневой системой
многолетних трав, достаточная влажность и высокие температуры в летний
период способствуют интенсивной микробиологической деятельности и процессам
гумификации. Органические вещества этих почв содержат много гуминовых
кислот.
Степная зона имеет наибольшее сельскохозяйственное значение; здесь
сосредоточены основные земельные фонды бесполивного и поливного земледелия,
садоводства и огородничества.
Пустынно-степная предгорная зона. Светлокаштановые карбонатные почвы
располагаются ниже темнокаштановых почв и составляют верхнюю подзону
пустынно-степной зоны.
Растительность светлокаштановых карбонатных почв типчаково-полынная и
полынно-изеневая с участием ковыля, эбелека, мятлика луковичного. Общее их
проективное покрытие составляет 70-80%. По мере продвижения на север, к
подзоне сероземов, растительность и почвенный покров изменяются постепенно:
уменьшается количество злаков, а почвы становятся все более светлыми.
Если между темнокаштановыми и светлокаштановыми почвами можно отчетливо
провести границу, то это довольно трудно сделать по отношению к
обыкновенным сероземам. Только по косвенным показателям, именно по
выпадению из состава растительности злаков, а также по осветлению
гумусового горизонта, можно установить смену типов почв.
Растительность на сероземных почвах представлена в основном полынью и
ковылью, в небольшом количестве встречается прутняк, эбелек. Значительное
участие в растительном покрове принимают эфемеры: мятлик луковичный,
костер, мелкая осочка, маки и др..
Зона пустынная равнинная. Сероземы эродированные пользуются широким
распространением в пределах подзоны обыкновенных сероземов.
Сельскохозяйственное значение этих почв по сравнению с неэродированными
аналогами значительно ниже. В силу смытости поверхностного горизонта они,
разумеется, отличаются несколько меньшим плодородием [2].
1.3 Химические средства защиты растений, применяемые в Казахстане
Защита растений – мониторинг за появлением, развитием и распространением
вредителей, болезней растений и сорняков, обеспечение долгосрочными и
краткосрочными прогнозами, своевременное проведение мероприятий по борьбе с
вредителями (4).
В 50-х – 60-х гг. XX века в СССР применялось около 100 различных
химических средств защиты растений (5). В 70-х их количество достигло 140
(6). В Казахстане в 60-х широко применялись инсектициды в борьбе против
саранчовых и других насекомых. Против саранчовых массово применялся
препарат ГХЦГ, против других вредителей (жуков, клопов) применялись такие
препараты как ДДТ, метафос, хлорофос, вофатокс, линдан (γ-ГХЦГ). Многие
наиболее действенные препараты, которые применялись в Казахстане относятся
к группе хлорорганических соединений: ДДТ, ГХЦГ, линдан, полихлорпинен
(ПХП), хлориндан, гептахлор, алдрин, диэлдрин и многие другие (7). В
качестве гербицида, против таких сорных растений как куриное просо, марь
белая, щирица, полынь, пырей ползучий и осот, широкое применение получил
препарат симазин (8). Против сорных растений овощных культур использовали
гербициды ронит, ленацил, этам, хлоразан (9), прометрин, 2,4-Д, хлор-ИФК,
рамрод, префар, пирамин, прометрин, пропазин, тиллам, солан, семерон (10),
2КФ, хлорамп, банвел, трисбен, тордон (11), ялан, пропанид (12),
дифениламид, аланап, А-1866 (13) и многие другие. Многие из ранее
применяемых пестицидов устарели и не находят применения в сельском
хозяйстве Казахстана, вместо стойких хлорорганических соединений (ХОС) и
фосфорорганических пестицидов начали применять малостойкие пестициды и
биопреператы. ХОС относятся к группе стойких органических загрязнителей
(СОЗ)- это соединения и смеси которые обладают токсическими свойствами,
устойчивостью к разложению и повышенной биоаккумуляцией. В результате
трансграничного переноса по воздуху и воде, они осаждаются на большом
расстоянии от источников их выброса, накапливаясь в водных и наземных
экосистемах. СОЗ представляют наибольшую угрозу для здоровья людей и
окружающей среды (14). Фторорганические пестициды хотя и не относятся к
группе СОЗ, но имеют более токсичный эффект по сравнению с
хлорорганическими соединениями (15).
Сельскохозяйственным культурам в нашей стране причиняют вред около 50
видов многоядных и свыше 100 – специализированных вредителей, более 70
видов болезней и не менее 120 видов сорных растений (16). Освоение земель в
Казахстане проходило в четыре этапа: начало было положено в 1860году;
активное освоение пришлось на 1954-1964гг.; почвозащитные системы
земледелия применялись в 1965-1975гг.; интенсивные технологии внедрялись в
1976-1992гг.
На современном этапе сократились пашня и площади, занятые
сельскохозяйственными культурами. В результате много пашни перешло в
залежи. Их появление обусловило увеличение зоны контакта между
обрабатываемыми и необрабатываемыми участками и перераспределение
насекомых на территории (17). Начиная с 1997 г., наблюдается резкое
увеличение площадей сельскохозяйственных культур и угодий, заселенных особо
опасными вредителями (18).
Перечень наиболее опасных вредных организмов, утвержденный
постановлением Правительства РК от 10.12.2002 г. № 1295, включает следующие
виды: клопа-черепашку, серую зерновую совку, паутинного клеща на
хлопчатнике, ржавчину и септориоз зерновых культур, сусликов и мышевидных
грызунов. Борьба с вышеперечисленными вредителями финансируется за счет
бюджетных средств. Так, в течение 2000-2002 гг. на проведение мероприятий
против указанных вредных организмов из республиканского бюджета ежегодно
выделялось около 3 млрд. тг. В 2003-2005 гг. на эти цели предусмотрено 2,8;
2,5 и 2,2 млрд. тг. Соответственно (19). В 2000 г., площади, заселенные
саранчовыми вредителями, составили 12,0 млн.га, химические обработки были
проведены на площади более 8 млн.га. На борьбу с саранчовыми вредителями в
2000 г. из республиканского бюджета была выделена сумма эквивалентная 20,1
млн. долларов США.
Широкомасштабные химические обработки против саранчовых вредителей,
проведенные в 2001 г. на площади около 4 млн. га, применение
агротехнических методов борьбы против них привели к тому, что в следующем
году объемы химических обработок против вредных саранчовых еще больше
сократилось и составили около 1,5 млн. га (при прогнозируемом объеме 1,85
млн.га) ( 18), в 2002году было обработано 1,2 млн.га.(20). Против
саранчовых (разнообразие которых составляет порядка 230 подвидов) в
Казахстане широко применимы контактные инсектициды, такие как, сумитион,
дурсбан (17), адонис, фастак (21). Против паутинного клеща используют
акарицид неорон, против совки инсектициды номолт и фастак (22). Обнаружены
новые вредители: в Алматинской области – белая бабочка, В Карагандинской
области- червец Комстока (23).
Потери урожая от сорных растений достигает 20-30%. В 2003 году на
севере Казахстана сложились благоприятные условия для роста и развития
сорных растений: овсюг обыкновенный, осот полевой и розовый, вьюнок
полевой, горчак розовый и ползучий. Из обследованных площадей 84% были
засорены всеми видами сорняков (24). Особо актуально борьба с овсюгом, а
также с головневыми заболеваниями зерновых культур, планируется
субсидировать применение противоовсюжных гербицидов и протравителей семян,
зерновых культур из бюджетных средств (19). К ряду наиболее вредных сорных
растений также относятся повилика, амброзия, паслен колючий, щирица,
гречишка, марь и другие сорные растения (25). Против сорных растений
применяются препараты Авадекс БВ, пума-супер, топик, эверест (26), стинг
360в.р., раундап, 36% в.р., ураган 480, в.р.(24) и ряд других гербицидов.
Широко применимыми фунгицидами являются ридомил голд МЦ и ридомил МЦ
(27).
В Южном Казахстане имеется 200 видов вредителей и 70 видов сорных
растений (22). Установлено, что у 46 видов насекомых сформировались
популяции, резистентные к инсектицидам (ФОС, пиретроиды) (28).
Подавляющая часть применяемых в республике пестицидов - гербициды и
инсектициды (14), но в последние года широко распространились заболевания
культурных растений различными грибками в связи с этим набирает обороты
использование фунгицидов (29).
Более чем из 100 стран мира к нам ввозится огромное количество различной
продукции. В Казахстане зарегистрированы 13 видов карантинных объектов:
колорадский жук, капровый жук, червец Комстока, калифорнийская щитовка,
восточная плодожорка, четырехпятнистая зерновка, филлоксера, американская
белая бабочка, горчак ползучий, повилика, амброзия многолетняя, амброзия
полыннолистная, паслен колючий (16). По данным Таможенного комитета
Министерства государственных доходов Республики Казахстан, в страну в 2000
году было завезено 4 026 346 кг гербицидов, 64 702 кг фунгицидов, 598 645
кг инсектицидов, 10 000 кг дефолиантов, 646 556 кг прочих пестицидов, всего
- 5 346 249 кг. По официальным данным, в республику ввозятся только
препараты, разрешенные для применения. По данным Таможенного комитета
Министерства государственных доходов Республики Казахстан, по состоянию на
1 апреля 2001 г., в страну было ввезено более 6,36 млн. кг пестицидов (30).
В мае 2001 года была принята Стокгольмская конвенция о стойких
органических загрязнителях - глобальное, имеющее обязательную юридическую
силу для всех стран, соглашение по сокращению и прекращению выбросов СОЗ.
Его целью является охрана здоровья населения и окружающей среды от
воздействия СОЗ (31). В аграрном секторе, несмотря на разнообразие
используемых новых средств защиты растений, в анализируемых образцах
обнаруживаются СОЗ 50-60 гг., такие как ГХЦГ, гептахлор, ДДТ (32).
В январе-мае 2001 года в Казахстане была проведена предварительная
инвентаризация устаревших и нежелательных к использованию пестицидов (в
соответствии с Меморандумом о взаимопонимании, достигнутом между
Министерством природных ресурсов и охраны окружающей среды Республики
Казахстан (МПРООС РК) и UNEP Chemicals от 8 января 2001 года) и был выпущен
отчет. Он содержит данные по инвентаризации запасов пестицидов (включая и
пестициды из числа СОЗ), более не использующихся в Казахстане, и анализ
собранной информации (31).
Согласно официальным данным СЭС Агентства по делам здравоохранения (33)
и ЮНЕП Chemicals, все еще используются такие пестициды как альдрин,
дильдрин, гептахлор и ДДТ. В 1995-98 гг. площадь земель, используемых в
сельскохозяйственных целях, уменьшилась на 31% (32). Это привело к
накоплению неиспользованных пестицидов, хранящихся часто в полуразрушенных
хранилищах, не оборудованных для этих целей, что увеличило риск загрязнения
грунтовых вод (14).
По официальной справке Министерства сельского хозяйства РК, по состоянию
на 1 января 2001 г. в Казахстане использовался и находился в остатках ряд
пестицидов из числа запрещенных и отсутствующих в “Списке химических и
биологических средств”, используемых для борьбы с вредителями, болезнями
растений и сорняками и т.п. (в этом списке содержатся наименования
химических и биологических средств, которые разрешены для применения в
сельском и лесном хозяйствах республики на 1997-2001 гг.) - в общей
сложности 336 246 т. Скопились также большие объемы устаревших,
просроченных и пришедших в негодность пестицидов (в основном оставшихся в
наследство еще со времен бывшего Союза - в общей сложности 323 032 т (32).
Результаты предварительной инвентаризации СОЗ из числа пестицидов: их
запасы в республике оцениваются в 39,5 т. Это - гексахлорциклогексан (ГХЦГ)
- 24 т этого вещества хранятся на Атырауской противочумной станции),
токсафен - 15 т находятся в Северо-Казахстанской области и ДДТ - 0,5 т
находится в Восточно-Казахстанской области. В процессе предварительной
инвентаризации СОЗ и более не использующихся пестицидов в Казахстане
впервые было установлено общее количество пестицидов всех категорий,
подлежащих утилизации и захоронению. Оно составляет более 1200 т (по данным
областных управлений ООС) и более 620 т (по данным областных
территориальных управлений Министерства сельского хозяйства Республики
Казахстан). Эти цифры более чем на порядок превышают официальные данные
Министерства сельского хозяйства на 1 января 2001 г. - 85,3 т. Однако
нельзя считать эти данные окончательными. Так, по сведениям Алматинского
областного управления ООС в области подлежит захоронению 76 636 т
пестицидов, а по сведениям территориального управления Министерства
сельского хозяйства - 126 513 т, что почти вдвое превышает цифру,
приводимую областным управлением ООС. Все это свидетельствует о том, что
детальная инвентаризация конкретных складов и хранилищ в областях не
проводилась.
Исходя из тяжелого экономического положения в сельском хозяйстве в целом
по республике, можно предположить, что в действительности дела обстоят еще
хуже. Пестициды, завезенные и неиспользованные в 70-80 гг., хранятся в
неприспособленных, ветхих помещениях, часто с протекающими крышами,
зачастую сваленные в одну кучу. С грунтовыми водами остатки таких
пестицидов попадают в реки и водоемы, загрязняя окружающую среду (14).
Такая же судьба постигла ряд препаратов, которые использовали в 90-х годах
XX века – метафос, хлорофос, гексахлоран и др. были выведены из ассотимента
средств защиты растений. Построенные 20-25 лет назад полигоны-могильники
переполнены и законсервированы.
Министерство сельского хозяйства считает, что должны быть выделены
средства из гос.бюджета на захоронение и утилизацию этих пестицидов (16).
Ряд сведений по общему количеству пестицидов, подлежащих утилизации и
захоронению, содержится в данных мониторинга сред жизнеобеспечения,
осуществляемого санитарно-эпидемиологическими службами Агентства Республики
Казахстан по делам здравоохранения. Они свидетельствуют о том, что,
несмотря на уменьшение нагрузки пестицидов на почвы в 5-6 раз, проблема
загрязнения земель пестицидами остается. Загрязненность почв остаточными
количествами пестицидов выше среднего республиканского уровня отмечается в
Кустанайской, Южно-Казахстанской и Западно-Казахстанской областях, где, по
предварительной оценке, запасы пестицидов невысоки. (14). После подписания
Республикой Казахстан 23 мая 2001 года Стокгольмской конвенции о СОЗ,
решением Совета Глобального Экологического Фонда (ГЭФ) стране был
предоставлен грант в размере 500 000 долл. США для реализации
поддерживающих мероприятий (разработки Плана действий) Стокгольмской
конвенции СОЗ.
В настоящее время решены все организационные вопросы и проект готов к
запуску. Поддерживающие мероприятия помогут правительству осознать степень
остроты проблемы СОЗ в Казахстане, повысить уровень информированности
общественности(31). В Казахстане многие экологические НПО заняты вопросами
СОЗ, финансируются проекты, целью которых являются мониторинг, анализ,
способы снижения воздействия СОЗ (35).
За истекшие два десятилетия объем применяемых пестицидов в Казахстане
сократился почти в 4 раза. Изменился их ассортимент, но число разрешенных
для применения препаратов остается на одном и том же уровне (около 200
наименований). В основном Казахстан импортирует пестициды. За последние
несколько лет в строй вступили два завода-производителя отечественных
пестицидов это ТОО Пестицид и ТОО Сункар. Два новых завода и такие
крупные производители как Агрохимия и АО Гербициды в скором будущем
смогут полностью снабжать пестицидами не только рынок Казахстана, но и
частично Центральную Азию. Производимые в Казахстане пестициды не относятся
к группе СОЗ, соответствуют мировым стандартам и по цене гораздо доступнее
зарубежных аналогов (34).
1.4 Хлорорганические соединения
Хлорорганические пестициды (ХОП) – большой класс химических веществ,
представленный галогенпроизводными алициклических и ароматических
соединений. Они представляют собой твердые кристаллические вещества,
которые обладают высокой термостабильностью, низким давлением насыщенного
пара (10-4-10-7мм.рт.ст.), устойчивостью к действию концентрированных
кислот, плохой растворимостью в воде (по уточненным данным, например,
растворимость ДДТ оценивается единицами нанограмм на литр), но хорошей
растворимостью в жирах и липидах. Особенностью ХОП является присутствие в
структурах их молекул бензольных колец, которые придают этим веществам
чрезвычайно высокую стабильность
ХОП – чрезвычайно персистентные соединения, т.е. они способны
мигрировать в биосфере, долго оставаясь в неизменном состоянии. За время
интенсивного использования ДДТ, период полураспада которого около 20-ти
лет, в биосферу поступило несколько млн. т. этого препарата. В биосфере
пестициды, вовлекаются в различные физико-химические процессы. Они
переносятся внутри различных составляющих биосферы (почва, водные системы,
атмосфера) и из одной подсистемы в другую. В почве пестициды, в основном,
локализуются в слое 0-30 см. В водоемы ХОП поступают, главным образом, в
результате смыва атмосферными осадками с поверхности суши. Концентрации
пестицидов в поверхностном стоке колеблются от тысячных до десятых долей
мгл.
В атмосферу пестициды попадают в результате испарения и ветровой эрозии
из почвы и водоемов и распространяются на более обширные территории,
порождая региональное и глобальное загрязнение биосферы. Так, концентрации
ДДТ в дождевой воде имеют один порядок величин в сельскохозяйственных и
несельскохозяйственных районах - 1.8*10-5- 6.6*10-5 мгл (36).
Как отмечалось выше ХОС относятся к группе стойких органических
загрязнителей – особо опасных химические веществ, могущих нанести
окружающей среде непоправимый вред. Юридическим механизмом по контролю и
запрещению СОЗ является Стокгольмская конвенция (май 2001 г.) К числу
стойких органических загрязнителей (СОЗ) в настоящее время отнесены 12
соединений.: Альдрин и дильдрин, Хлордан и гептахлор, ДДТ, Эндрин,
Гексахлорбензол, Мирекс, Токсафен относятся к группе СОЗ (37).
Стойкие к различным физико-химическим воздействиям вещества
персистентные соединения. могут длительное время сохраняться в объектах
внешней среды и поступать в организм человека с пищевыми продуктами, водой
и пр. Из почвы эти пестициды могут переходить в произрастающие клубни и
корнеплоды, подпочвенные воды и т.д. В продукты животноводства пестициды
попадают в результате обработки животных и помещений ядохимикатами, при
использовании на корм фуража, содержащего остаточные количества стойких
пестицидов (38).
Хлорорганические пестициды (ХОП) представляют собой хлорпроизводные
многоядерных углеводородов (ДДТ), циклопарафинов (гексахлорциклогексан),
соединения диенового ряда (гептахлор), алифатических карбоновых кислот
(пропанид) и др [39].
Примерами пестицидов, относящихся к классу хлорорганических
(хлорированных углеводородов) являются: альдрин, бензин, гексахлорид,
карбон тетрахлорид, хлордан, хлороформ, хлоронеб, хлорприцин, 4-ЦПА, Д-Д,
ДДД, ДДЭ, ДДТ, дикамба, дикофол, диельдрин, энодосульфан, фенак, гептахлор,
гексахлорбензин, гексахлорофен, гексахлорциклогексан (ГХЦГ), линдан (гамма-
ГХЦГ), метоксихлор, мирекс, токсафен и др.
Принцип действия: Влияние на передачу нервных импульсов по аксонам,
первоначально разрушая центральную нервную систему.
Острое воздействие: Конвульсии (могут проявится спустя несколько дней
после воздействия); дискоординация; индицирование быстрого метаболизма
лекарств и естественных стеройдных гормонов; гиперчувствительность кожи
лица и конечностей; головная боль; головокружение; тошнота; рвота; дрожь;
замешательство; мышечная слабость; непроизвольные движения глаз; невнятная
речь; боль в груди и суставах; кожная сыпь; затрудненное дыхание;
возбуждение ЦНС следующее за депрессией; диарея; нарушение мозговых волн;
гипертермия; повышенное кровяное давление; слюноотделение; потоотделение.
Долгосрочное воздействие: накопление; передача через плаценту зародышу;
обнаружены в грудном молоке; канцерогены; возможные терратогены; возможные
мутагены; апластическая анемия; ''репродуктинвый эффект''; повреждение
яичка; повреждение зрения; влияние на гормональный уровень; повреждение
ЦНС; повреждение мочевого пузыря, почек, печени, селезенки, легких и
щитовидной железы; нарушения в крови; анемия; периодическая астма;
нарушенное сердцебиение; атрофия коры надпочечников; изменение поведения
младенцев у матерей, подвергшимся даже небольшому воздействию во время
беременности; эмбриотоксины; снижение фертильности; иммкунотоксины;
повышенная смертность младенцев; тератогены; нарушение сна; галлюцинации
ХОП способны образовывать липидно-белковые комплексы, влияющие на
проницаемость клеточных мембран, приникать в клетки и изменять их
метаболизм [40].
Воздействие на окружающую среду: бионакопление; устойчивость; многие
быстро испаряются, переносятся на большие расстояния в атмосфере и
выпадают на удаленных территориях; снижают фертильность птиц; утончение
скорлупы птичьих яиц; загрязнение подземных вод [41-44].
Гексахлорциклогексан (ГХЦГ, гексахлоран, гексатокс, долмикс, котол,
синекс) C6H6Cl6 (45). Действующее вещество 1,2,3,4,5,6-гексахлорциклогексан
может быть в виде нескольких стереоизомеров, которые отличаются различной
ориентацией связей С-С, распределением по ним атомов водорода и хлора.
Атомы 1,3,5 лежат в одной, а 2,4,6- в другой плоскости. В настоящее время
известны II стереоизомеров гексахлорциклогексана, из них высокой
инсектицидной активностью обладает лишь гамма-изомер. Все изомеры
гексахлорциклогексана – кристаллические вещества, горькие на вкус, со
специфическим запахом, значительно отличаются физическими свойствами, ГХЦГ
устойчив к действию различных окислителей и концентрированных кислот
(серной, азотной, соляной) даже при температуре кипения последних. Это
свойство используют при анализе содержания остатков инсектицида в растениях
(38).
ГХЦГ применяют в форме технического препарата - смеси восьми
стереоизомеров (a, b, g, d, e, x, h, q) — желтовато-серого (грязного) цвета
с запахом плесени. В воде ГХЦГ нерастворим. Это инсектицид комплексного
действия, который применяют для борьбы с различными вредными насекомыми, в
том числе в качестве инсектицидной добавки к протравителям семян с целью
предохранения всходов от повреждения почвообитающими вредителями.
В водоемы ГХЦГ поступает из почвы с поверхностными стоками и
ирригационными водами. При содержании ГХЦГ в почве 3,3 -5 мгкг в воду
переходит 0,6 мгдм3 препарата. Если дожди идут сразу после внесения в
почву ГХЦГ, в водоемы переходит ~ 1% препарата. Вынос гексахлорциклогексана
зависит от состояния почвы: с необработанных площадей в 2 раза больше, чем
со вспаханного поля. В водоемы ГХЦГ поступает также в результате
непосредственного применения гексахлорциклогексана или гамма-
гексахлорциклогексана для обработки воды при борьбе с комарами, за счет
загрязнения сточными водами предприятий по производству пестицидов. Из воды
гексахлорциклогексан мигрирует по водным биологическим цепям: вода —
фитопланктон — зоопланктон — рыбы — рыбоядные птицы; рыбы — морские
млекопитающие; рыбы — человек. ГХЦГ длительно сохраняется в почве: через 3
года после обработки в почве обнаруживалось 5% препарата.
ГХЦГ – высокотоксичный нейротропный яд, обладающий эмбриотоксическим,
кожно-резорбтивным и местно-раздражающим действием. ГХЦГ поражает
кроветворную систему. Летальная доза для человека составляет 15 грамм.
ДДД 1,1-ди(4'-хлорфенил)-2,2-дихлорэтан . ДДД – нерастворимый в воде
инсектицид, который является продуктом восстановительного метаболизма ДДТ.
ДДТ (п,п' -ДДТ) 1,1,1-трихлор-2,2-бис-(4-хлорфенил) -этан (45).
Способность ДДТ убивать насекомых, но при этом оставаться безопасным для
человека и других теплокровных животных, была обнаружена в 1939 году.
Его считали идеальным инсектицидом и широко использовали по всему миру
в течение 20 лет. Затем производство его было сокращено и полностью
запрещено в 1972 году во многих странах, хотя кое-где его продолжают
использовать до сих пор. В январе 1944 года с помощью ДДТ была
предотвращена эпидемия тифа в Неаполе. Это первая зимняя эпидемия тифа,
переносимого вшами, которую удалось остановить. В Индии благодаря ДДТ в
1965 году ни один человек не умер от малярии, тогда как в 1948 погибло 3
млн. человек. Уже с 1945 года стали накапливаться факты
отрицательного воздействия ДДТ и продукта его метаболизма ДДЕ (1,1-дихлор-
2,2-бис-(n-хлорфенил)-этилен) на животных и человека. Причем обнаружилось,
что отрицательное воздействие оказывают очень низкие дозы без внешних
признаков отравления.
ДДТ был одним из первых мощных инсектицидов, широкое применение
которого связано с борьбой против переносчиков малярии и сыпного тифа во
многих странах. Однако из-за широкого спектра действия вместе с вредными
насекомыми уничтожались и полезные, а устойчивость ДДТ приводила к тому,
что он накапливался в пищевых цепях и оказывал губительное действие на их
концевые звенья.
В организме человека ХОП (хлорорганические пестициды) могут:
- накапливаться в жировой ткани.
- повышать риск развития рака.
- нарушать структуру генетического аппарата.
- Повреждать репродуктивную функцию.
- Приводить к заболеванию крови
ДДТ - белое кристаллическое вещество, малорастворимое в воде.
Технический препарат этого инсектицида обычно содержит 75-76% основного
вещества, остальное — родственные соединения (о,п-изомеры и др.). В
настоящее время в большинстве стран введен запрет на применение ДДТ (в РК —
с 1970 г.). Однако полный запрет на применение ДДТ существует не во всех
странах, кроме того, во многих странах еще имеются солидные запасы ДДТ.
Обладая высокой стойкостью, ДДТ метаболизируется в окружающей среде и в
организме животных, давая метаболиты нескольких типов, основным из которых
является ДДЭ. ДДТ является канцерогеном и мутагеном, эмбриотоксином,
нейротоксином, иммунотоксином, изменяет гормональную систему, обладает
способностью к накоплению в организме животных и человека (38). Из
использованных в прошлом 1,5 млн. тонн ДДТ до настоящего времени в природе
сохраняется около 70% (46).
Линдан (гаммафекс, гаммагексан, изотокс, линдатокс, линдрам, нексол,
примекс) Гексахлорциклогексан (гамма-изомер).
Линдан – высокоэффективный инсектицид с широким спектром действия,
применяемый на многих сельскохозяйственных культурах. Он проявляет слабые
кумулятивные свойства. В воде данный препарат стабилен: для биологического
разрушения необходимо от 3 недель до 3 лет. Дафнии погибают при
концентрации 0,1 мгдм3. Линдан очень токсичен для пчел и других полезных
насекомых. Применение препарата в РК строго регламентировано. В настоящее
время для защиты растений разрешается использовать линдан только в смесевых
протравителях. Кроме того разрешено использование остатков препарата. (45)
1.5 Биоремедиация и фиторемедиация
Биоремедиация и фиторемедиация интенсивно развивались в течение
последних десяти лет от перспективных идей они перешли к практическим
подходам ремедиации загрязненных земель. Основные подходы биоремедиации
сводятся к процессам кометаболизма, аэробным и анаэробным механизмам,
биологическим восстановительным реакциям дехлорирования, биоаугментации,
биомониторинга и фиторемедиации (56).
Загрязнение окружающей среды требуют принятия адекватных мер для
предотвращения этого процесса и ликвидации уже существующих очагов
загрязнения. Использование в этих целях живых организмов получило название
биоремедиации.
Биоремедиация включает в себя комплекс научных разработок и технологий,
задачей которых является использование биохимического потенциала
аборигенных, адаптированных или модифицированных биологических систем,
прежде всего микроорганизмов, для деградации или детоксикации поллютантов.
Биоремедиация обладает большими потенциальными возможностями для
предотвращения загрязнения окружающей среды и для борьбы с уже имеющимся
загрязнением. По сравнению с другими методами очистки окружающей среды от
загрязнения, биоремедиация in situ гораздо дешевле. При рассеянном
загрязнении, как в случае с пестицидами, применяемыми на огромных площадях
в практике сельского хозяйства, загрязнениями нефтью и нефтепродуктами
больших территорий Западной Сибири, тринитротолуолом, которым загрязнены
полигоны и стрельбища, альтернативы биоремедиации просто не имеется.
Процессы биоремедиации иногда могут осуществляться природными
микроорганизмами. Задача ученых и технологов в этом случае заключается в
стимуляции биодеградативной активности этих микроорганизмов. Если в почве
или воде, загрязненной ксенобиотиками, отсутствуют микроорганизмы,
способные к деградации данных соединений, целесообразна интродукция туда
микроорганизмов-биодеструкторов. В том случае, когда при биоремедиации
используются биопрепараты, то, по сути дела, речь идет о разработке двух
технологий. Целью первой биотехнологии является получение препарата живых
клеток микроорганизмов, которые будут использоваться при осуществлении
второго биотехнологического процесса – собственно биоремедиации.
В отличие от промышленной биотехнологии, где имеется возможность
выдерживать все параметры технологического процесса, биоремедиация, как
правило, осуществляется в буквальном смысле этого слова в открытой системе,
то есть, в окружающей среде. Поэтому в гораздо большей степени успех
процесса биоремедиации зависит от критической массы знаний, опыта, методов,
и наконец, разнообразия микроорганизмов, способных осуществлять реакции
биодеградации. В известной мере это будет всегда “ноу-хау”, определяемое
вышеперечисленными возможностями и обстоятельствами.
Разработка теоретических основ процессов биоремедиации, самих технологий
и их осуществление требуют междисциплинарного подхода и участия
специалистов в области генетики и молекулярной биологии, науки об
окружающей среде, инженерных дисциплин. Однако главную роль в этом
содружестве играет микробиологическая наука. Дальнейшая разработка
стратегий и методов биоремедиаци в первую очередь требует углубления
знаний, касающихся экологии и эволюции микроорганизмов-биодеструкторов
(57).
Фиторемедиация - захватывающий новый метод для восстановления нарушенных
экосистем при использовании зеленых растений. При фиторемедиации
вовлекаются сосудистые растения, морские водоросли, грибы (58).
Методы ремедиации используются для восстановления земеля, загрязненных
углеводородами, металлами, пестицидами, перхлоратом, и хлорированными
растворителями. К тому же фиторемедиация включает в себя специализированные
подходы ремедиации, такие как, анаэробноеаэробное восстановление,
мембранные биореакторы, и окисление реактива Фентона. (59).
Гипераккумулирующие растения являются более экономичной альтернативой
ныне используемым методам ремедиации.
Используемые традиционные методы биологической очистки могут приводить
к конечным концентрациям не соответствующим стандартам. Разработаны и
используются более 27 типов технологий очистки окружающей среды физико-
химической и биотехнологической направленности. Физико-химические методы
отличаются от биотехнологических высокой стандартизацией применения
технологий, оперативностью и предсказуемостью (однозначностью) результата,
но проигрывают за счет жесткости воздействия на почву и повышенной
затратностью на 10-40 %(60). Растительность может непосредственно
содействовать биологическому распаду, накапливая, усваивая, или испаряя
загрязнители. Растительность может косвенно увеличить биологический распад
загрязнителей через действие ризосферы, выделяя через корни растения.
Высокая микробная активность связана с ризосферой, которая может увеличить
биологический распад органических загрязнителей. Фиторемедиация особенно
подходит для поверхностных, загрязненных почв, особенно если это
используется как долгосрочный, дешевый метод восстановления с низкими
эксплуатационными расходами (61).
Ранее использовался метод сжигания опасных веществ, на смену ему
пришел метод фиторемедиации (62). Метод фиторемедиации наиболее эффективен
при загрязнении почвы на глубине не более 2 метров (63).
Под фиторемедиацией понимается использование определенных растений для
очистки почвы, осадков и воды, загрязненных металлами иили органическими
загрязнителями, такими как сырая нефть, растворители и полиароматические
углеводороды. Это название старого процесса протекающего в естественных
условиях посредством растений (круговороторганических и неорганических
компонентов). Для каждого вида почвы выбираются соответствующие растения и
условия, в этих целях мы используем методы физиологии растений, агрономии,
микробиологии, гидрогеологии и инженерии. Фиторемедиация снижает затраты на
восстановление, очистка на месте рассматривается лучшим способом по
сравнению с захоронением или переносом на другие участки, поэтому
фиторемедиация – механизм эстетичный.
Фиторемедиацию проводят несколькими способами:
- Фитоиспарение. Растения корнями впитывают воду и органические
загрязнители, затем они переносятся в листья и уже с их поверхности
окисленные загрязнители испаряются в атмосферу.
- Стимуляция микгоорганизмов. Ферменты и органические вещества,
выделенные и запасенные в корнях растений, стимулирует рост таких
микроорганизмов, как грибы и бактерии. Микроорганизмы, находящиеся в
корневой зоне, разрушают органические загрязнители до нужных им
метаболитов.
- Фитостабилизация(уравновешивание). Растение, снижая утечки,
поверхностную эрозию и скорость потока грунтовых вод, этим образом
предотвращают миграцию загрязнителей. Когда корни проникают в
грунтовые воды и начинают впитывать большой объем воды, то может
возникнуть гидравлическая помпа, контролирующая гиравлический градиент
и предотвращающая распространение загрязнителей в зоне грунтовых вод.
- Фитоаккумуляцияэкстракция. Посредством процессов плавления (smelting
processes) корни растений способны извлекать металлы из загрязненных
почви аккумулировать их в листьях и стеблях для сбора, передачи или
возвращения.
- Фитодеградация(разрушение). Посредством естественных химических
процессов, протекающих в растениях, поглощенные органические
загрязнители распадаются до нетоксичных молекул.
Наибольшим преимуществом является низкая стоимость. К примеру, стоимость
очистки при помощи растений одного акра песковато-глинистой почвы на
толщину в 50 см, оценивается в 60-100 тысяч $, и если сравнить с методом
условного выкапывания и методом передачи, которые стоят по 400 тысяч $, то
методы фиторемедиации значительно дешевле. Отпадает ... продолжение
Вы можете абсолютно на бесплатной основе полностью просмотреть эту работу через наше приложение.
имени Аль-Фараби
МАГИСТРАТУРА БИОЛОГИЧЕСКОГО ФАКУЛЬТЕТА
кафедра биотехнологии
ДИПЛОМНАЯ РАБОТА
Роль сорных растений в процессе детоксикации
хлорорганических соединений
Исполнитель: ____________ А.Жумабаев
(подпись, дата)
Научный руководитель:
доцент, канд.биол.наук ___________
(подпись, дата)
Внс, кбн ___________ А.А. Нуржанова
(подпись, дата)
Допущена к защите:
Зав. кафедрой
проф., доктор биол. наук___________ А.Т.Иващенко
(подпись, дата)
Алматы, 2007
РЕФЕРАТ
Диссертационная работа изложена на страницах печатного текста,
включает таблиц, рисунков и источников литературы, из которых
зарубежных авторов.
Ключевые слова и выражения: хлорорганические пестициды, ГХЦГ, ДДТ,
стойкие органические загрязнители, толерантные растения, аккумуляция,
детоксикация, фиторемедиация.
Цель работы: Определить аккумуляционную и детоксикационную способность
дикорастущих видов с целью использования их в фиторемедиационных
технологиях.
Материалы исследования: Образцы почв из территорий бывших хранилищ
пестицидов , расположенных в Каскеленском районе, образцы вегетативных
органов растений, выращенных на почве из территории бывших хранилищ
пестицидов.
Методы исследования: метод хроматографии.
Результаты исследования: Идентифицировано содержание запрещенных
хлорорганических пестицидов (метаболитов ДДТ и изомеров ГХЦГ) на почве из
территорий бывших складских помещений, где хранились химические средства
защиты растений. Установлено, что концентрация хлорорганических пестицидов
в почве превышает предельно допустимые нормы в 62 раз.
Установлено, что пестициды как стресс фактор в зависимости от
концентрации накопления пестицидов в почве обуславливают ускоренное
прохождение стадий развития и наступления цветения.
Изучена возможность использования толерантных растений, произрастающих
на исследуемой территории, для фиторемедиации загрязненных пестицидами
почв.
Выявлены виды растений, способных к накоплению и детоксикации
хлорорганических пестицидов. Полученные результаты могут быть использованы
для разработки технологии фиторемедиации почв, загрязненных
хлорорганическими пестицидами.
СОДЕРЖАНИЕ
ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 4
ВВЕДЕНИЕ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... 5
ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 7
Пестициды в мире и Казахстане: проблемы и перспективы ... ... ... 7
Общая характеристика загрязнения окружающей среды стойкими
органическими пестицидами ... ... ... ... ... ... ... . 7
Использование пестицидов в Казахстане и проблема загрязнения
хлорорганическими пестицидами ... ... ... ... ... . 7
Характеристика хлорорганических пестицидов ... ... ... ... ... ... .. 11
Краткая характеристика хлорорганических пестицидов ... ... . 11
ДДТ и его производные ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 12
ГХЦГ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 17
Генотоксичность хлорорганических пестицидов. Тест-системы для оценки их
мутагенной активности ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 20
Возможности фиторемедиации загрязненных пестицидами почв ... 23
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ... ... ... ... ... ... ... ... 28
Материалы и методы исследования возможности фиторемедиации территорий,
загрязненных ДДТ, ГХЦГ и их метаболитам ... ... ... ... 28
Материалы исследования ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 28
Методы исследования ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 29
Материалы и методы исследования генотоксичности ДДТ, его метаболитов и
изомеров ГХЦГ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 30
Материалы исследования ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 30
Методы исследования ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 31
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ ... ... ... ... ... 33
Идентификация ДДТ, его метаболитов и изомеров ГХЦГ и определение их
содержания в почве Каскеленского района ... ... ... 33
Изучение генотоксического действия хлорорганических пестицидов на семена
ячменя ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 34
Изучение возможности накопления хлорорганических пестицидов в надземной
и корневой частях растений ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 39
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 45
ВЫВОДЫ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. .. 46
ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 47
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ... ... ... ... ... ... ... ... . 48
ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ
ГХЦГ – гескахлорциклогексан
ДДД – дихлордифенилдихлорэтан
ДДТ – дихлордифенилтрихлорэтан
ДДЭ – дихлордифенилдихлорэтилен
ПДК – предельно допустимая концентрация
СОЗ – стойкие органические загрязнители
ХОП – хлорорганические пестициды
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. В связи с насыщением биосферы различными факторами
мутагенной природы, способными проникать в клетки живых организмов и
вызывать нарушения их генетической структуры, особую актуальность
представляет эколого-генетическая оценка последствий загрязнения окружающей
среды пестицидами.
Среди пестицидов особую опасность представляет группа хлорорганических
пестицидов, относящихся к стойким органическим загрязнителям (СОЗ). Эта
проблема особо актуальна для стран бывшего СССР, где использование ДДТ и
ГХЦГ получило большое распространение. В сельском хозяйстве Республики
Казахстан остро стоит проблема накопления значительных объёмов запрещенных,
непригодных к использованию и обезличенных устаревших пестицидов. В
Казахстане, начиная с 1991 года в течение 3-5 лет, были разрушены многие
складские помещения, где ранее хранились химические средства защиты
растений. В настоящее время эти территории превратились в ''горячие точки''
и представляют большую экологическую опасность, так как многие пестициды
остались под открытым небом. Среди них предполагается высокое содержание
запрещенных стойких токсических веществ, которые согласно Стокгольмской
конвенции, подписанной Казахстаном в 2001 году, должны быть уничтожены.
Ряд таких ''горячих точек'' находится в Каскеленском районе Алматинской
области, и изучение их воздействия на биоту практически не проводилось.
Кроме того, недалеко от этих точек располагаются населенные пункты, дачные
участки, сельскохозяйственные поля, производится выпас скота, а также
произрастают лекарственные травы. Поэтому изучение последствий и уровня
загрязнения окружающей среды пестицидами, а также поиск возможностей их
удаления представляется актуальным.
Исходя их вышеизложенного, целью настоящего исследования явилось
эколого-генетическое исследование Каскеленсокго района Алматинской области
и изучение возможностей фиторемедиации загрязненных почв.
Для достижения поставленной цели ставились следующие задачи:
• Идентифицировать и определить содержание метаболитов ДДТ и изомеров
ГХЦГ в почве территории бывшего складского помещения.
• Изучить генотоксическое действие исследуемых пестицидов в выявленных
концентрациях;
• Изучить возможности накопления исследуемых пестицидов в надземной и
корневой частях следующих видов растений: Artemisia annua L. Sp. Pl.
(Полынь однолетняя), Xanthium strumarium L. (Дурнишник
обыкновенный), Kochia Sieversiana (Кохия Сиверсовская), Kochia
scoparia (Кохия веничная).
Теоретическая значимость. Полученные результаты расширят представление
о современном эколого-генетическом состоянии Алматинской области, о
генотоксическом влиянии стойких органических пестицидов на живые организмы
и о возможностях использования произрастающих на загрязненных территориях
видов растений в фиторемедиационных технологиях.
Практическая значимость. Полученные в работе данные могут быть
использованы при оценке генетических последствий загрязнения природной
среды хлорорганическими пестицидами.
Для разработки фиторемедиационной технологии могут быть использованы
растения, произрастающие на загрязненных пестицидами территориях Республики
Казахстан.
Новизна. Впервые проведена эколого-генетическая оценка территории
Каскеленского района Алматинской области, где ранее располагались склады
химических средств защиты растений; идентифицированы метаболиты ДДТ и
изомеры ГХЦГ и определено их содержание в почве изучаемой территории.
Установлен повышенный фон загрязнения запрещенными пестицидами, а также
мутагенный эффект выявленных концентраций пестицидов. Установлено, что
растения, произрастающие на данных территориях, способны аккумулировать
пестициды и, следовательно, могут быть использованы для разработки
технологии фиторемедиации.
Публикации. Результаты исследований опубликованы в сборнике материалов
3 съезда ВОГИС Генетика в 21 веке: современное состояние и перспективы
развития (Москва, 2004); в сборнике материалов международной конференции
Humboldt-Кolleg “Use of Geographic Information Systems and Simulation
Models for Research and Decosion Support in Central Asian River Basins”
(Ташкент, 2004); в сборнике материалов межвузовской студенческой научно-
практической конференции ''Социум, молодежь, личность в мысли и
деятельности. Год России в Казахстане'' (Алматы, 2004); в сборнике
материалов III-й международной конференции молодых ученых и студентов
(Алматы, 2003) и конференции молодых ученых и студентов КазНУ им. аль-
Фараби (Алматы, 2005).
Цель: Разработать технологию фиторемедиации окружающей среды
загрязненной и пестицидами с использованием растений аккумулирующих иили
деградирующих пестициды.
Этап 1. Изучение особенностей накопления пестицидов дикими видами
растений в полевых условиях
Этап 2. Изучение особенностей накопления пестицидов дикими видами
растений в лабораторных условиях
ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
Природно-климатическая характеристика Каскеленского района
Каскеленский район по природно-экономической характеристике относится к
предгорной овощемолочной зоне.
Основная часть района расположена в пределах 700 – 800 метров над
уровнем моря. Глубина залегания грунтовых вод по долинам и логам – 5-6 м, а
в холмисто-увалистой части – 10-20 м и более [1].Климат континентальный
[2]. Отличается сравнительно мягкой зимой, влажной прохладной весной, сухим
жарким летом и продолжительной теплой осенью [1].Средняя годовая
температура зоны колеблется в пределах 7,7 - 8,7(. Средняя температура
воздуха самого теплого месяца (июля) + 19,3 - 22,4°, холодного (января) -
3,7-7,4( Средняя годовая амплитуда составляет 28,4 - 35,9(, а абсолютная -
69-80(. Продолжительность периода со среднесуточной температурой выше +10°
составляет 164 - 182 дня [2]. Годовое количество осадков составляет 463 -
779 мм Продолжительность зимы со снежным покровом составляет 101 - 104 дня.
Высота снежного покрова колеблется от 8 до 30 см (1,2). Глубина промерзания
почвы обычно не превышает 25-30 см. Средняя продолжительность безморозного
периода – 149 дней. Влажность атмосферного воздуха колеблется от 25 до 80%
[2]..
Таким образом, степень увлажнения и температурный режим,
продолжительность периода с температурой выше +10°, а также
продолжительность безморозного периода создают благоприятные условия для
развития различной растительности.
Почвa Каскеленского района относится к степной предгорной, пустынно-
степной предгорной, а также к пустынно-равнинной зонам. Имеет холмисто-
увалистый рельеф. Почвы светлокаштановые, обыкновенные сероземы, по склонам
увалов местами эродированные. Доминируют светлокаштановые почвы, реже
сероземы, и ещё реже встречаются черноземы и темнокаштановые почвы.
Площадь Каскеленского района составляет 327,7 тыс.га., из них 13 – 102
тыс.га – пахотная площадь. В основном эти почвы не обеспечены водой
(84%), но осваиваемые под богарное земледелие.
Степная предгорная зона. Степная зона подразделяется на две подзоны:
первая соответствует поясу ковыльно-разнотравных степей с участием
кустарников по склонам на горных черноземах среднегумусных и малогумусных,
вторая – поясу ковыльно-типчаковых степей на темно-каштановых почвах.
Богатый растительный покров с хорошо развитой тонкой корневой системой
многолетних трав, достаточная влажность и высокие температуры в летний
период способствуют интенсивной микробиологической деятельности и процессам
гумификации. Органические вещества этих почв содержат много гуминовых
кислот.
Степная зона имеет наибольшее сельскохозяйственное значение; здесь
сосредоточены основные земельные фонды бесполивного и поливного земледелия,
садоводства и огородничества.
Пустынно-степная предгорная зона. Светлокаштановые карбонатные почвы
располагаются ниже темнокаштановых почв и составляют верхнюю подзону
пустынно-степной зоны.
Растительность светлокаштановых карбонатных почв типчаково-полынная и
полынно-изеневая с участием ковыля, эбелека, мятлика луковичного. Общее их
проективное покрытие составляет 70-80%. По мере продвижения на север, к
подзоне сероземов, растительность и почвенный покров изменяются постепенно:
уменьшается количество злаков, а почвы становятся все более светлыми.
Если между темнокаштановыми и светлокаштановыми почвами можно отчетливо
провести границу, то это довольно трудно сделать по отношению к
обыкновенным сероземам. Только по косвенным показателям, именно по
выпадению из состава растительности злаков, а также по осветлению
гумусового горизонта, можно установить смену типов почв.
Растительность на сероземных почвах представлена в основном полынью и
ковылью, в небольшом количестве встречается прутняк, эбелек. Значительное
участие в растительном покрове принимают эфемеры: мятлик луковичный,
костер, мелкая осочка, маки и др..
Зона пустынная равнинная. Сероземы эродированные пользуются широким
распространением в пределах подзоны обыкновенных сероземов.
Сельскохозяйственное значение этих почв по сравнению с неэродированными
аналогами значительно ниже. В силу смытости поверхностного горизонта они,
разумеется, отличаются несколько меньшим плодородием [2].
1.3 Химические средства защиты растений, применяемые в Казахстане
Защита растений – мониторинг за появлением, развитием и распространением
вредителей, болезней растений и сорняков, обеспечение долгосрочными и
краткосрочными прогнозами, своевременное проведение мероприятий по борьбе с
вредителями (4).
В 50-х – 60-х гг. XX века в СССР применялось около 100 различных
химических средств защиты растений (5). В 70-х их количество достигло 140
(6). В Казахстане в 60-х широко применялись инсектициды в борьбе против
саранчовых и других насекомых. Против саранчовых массово применялся
препарат ГХЦГ, против других вредителей (жуков, клопов) применялись такие
препараты как ДДТ, метафос, хлорофос, вофатокс, линдан (γ-ГХЦГ). Многие
наиболее действенные препараты, которые применялись в Казахстане относятся
к группе хлорорганических соединений: ДДТ, ГХЦГ, линдан, полихлорпинен
(ПХП), хлориндан, гептахлор, алдрин, диэлдрин и многие другие (7). В
качестве гербицида, против таких сорных растений как куриное просо, марь
белая, щирица, полынь, пырей ползучий и осот, широкое применение получил
препарат симазин (8). Против сорных растений овощных культур использовали
гербициды ронит, ленацил, этам, хлоразан (9), прометрин, 2,4-Д, хлор-ИФК,
рамрод, префар, пирамин, прометрин, пропазин, тиллам, солан, семерон (10),
2КФ, хлорамп, банвел, трисбен, тордон (11), ялан, пропанид (12),
дифениламид, аланап, А-1866 (13) и многие другие. Многие из ранее
применяемых пестицидов устарели и не находят применения в сельском
хозяйстве Казахстана, вместо стойких хлорорганических соединений (ХОС) и
фосфорорганических пестицидов начали применять малостойкие пестициды и
биопреператы. ХОС относятся к группе стойких органических загрязнителей
(СОЗ)- это соединения и смеси которые обладают токсическими свойствами,
устойчивостью к разложению и повышенной биоаккумуляцией. В результате
трансграничного переноса по воздуху и воде, они осаждаются на большом
расстоянии от источников их выброса, накапливаясь в водных и наземных
экосистемах. СОЗ представляют наибольшую угрозу для здоровья людей и
окружающей среды (14). Фторорганические пестициды хотя и не относятся к
группе СОЗ, но имеют более токсичный эффект по сравнению с
хлорорганическими соединениями (15).
Сельскохозяйственным культурам в нашей стране причиняют вред около 50
видов многоядных и свыше 100 – специализированных вредителей, более 70
видов болезней и не менее 120 видов сорных растений (16). Освоение земель в
Казахстане проходило в четыре этапа: начало было положено в 1860году;
активное освоение пришлось на 1954-1964гг.; почвозащитные системы
земледелия применялись в 1965-1975гг.; интенсивные технологии внедрялись в
1976-1992гг.
На современном этапе сократились пашня и площади, занятые
сельскохозяйственными культурами. В результате много пашни перешло в
залежи. Их появление обусловило увеличение зоны контакта между
обрабатываемыми и необрабатываемыми участками и перераспределение
насекомых на территории (17). Начиная с 1997 г., наблюдается резкое
увеличение площадей сельскохозяйственных культур и угодий, заселенных особо
опасными вредителями (18).
Перечень наиболее опасных вредных организмов, утвержденный
постановлением Правительства РК от 10.12.2002 г. № 1295, включает следующие
виды: клопа-черепашку, серую зерновую совку, паутинного клеща на
хлопчатнике, ржавчину и септориоз зерновых культур, сусликов и мышевидных
грызунов. Борьба с вышеперечисленными вредителями финансируется за счет
бюджетных средств. Так, в течение 2000-2002 гг. на проведение мероприятий
против указанных вредных организмов из республиканского бюджета ежегодно
выделялось около 3 млрд. тг. В 2003-2005 гг. на эти цели предусмотрено 2,8;
2,5 и 2,2 млрд. тг. Соответственно (19). В 2000 г., площади, заселенные
саранчовыми вредителями, составили 12,0 млн.га, химические обработки были
проведены на площади более 8 млн.га. На борьбу с саранчовыми вредителями в
2000 г. из республиканского бюджета была выделена сумма эквивалентная 20,1
млн. долларов США.
Широкомасштабные химические обработки против саранчовых вредителей,
проведенные в 2001 г. на площади около 4 млн. га, применение
агротехнических методов борьбы против них привели к тому, что в следующем
году объемы химических обработок против вредных саранчовых еще больше
сократилось и составили около 1,5 млн. га (при прогнозируемом объеме 1,85
млн.га) ( 18), в 2002году было обработано 1,2 млн.га.(20). Против
саранчовых (разнообразие которых составляет порядка 230 подвидов) в
Казахстане широко применимы контактные инсектициды, такие как, сумитион,
дурсбан (17), адонис, фастак (21). Против паутинного клеща используют
акарицид неорон, против совки инсектициды номолт и фастак (22). Обнаружены
новые вредители: в Алматинской области – белая бабочка, В Карагандинской
области- червец Комстока (23).
Потери урожая от сорных растений достигает 20-30%. В 2003 году на
севере Казахстана сложились благоприятные условия для роста и развития
сорных растений: овсюг обыкновенный, осот полевой и розовый, вьюнок
полевой, горчак розовый и ползучий. Из обследованных площадей 84% были
засорены всеми видами сорняков (24). Особо актуально борьба с овсюгом, а
также с головневыми заболеваниями зерновых культур, планируется
субсидировать применение противоовсюжных гербицидов и протравителей семян,
зерновых культур из бюджетных средств (19). К ряду наиболее вредных сорных
растений также относятся повилика, амброзия, паслен колючий, щирица,
гречишка, марь и другие сорные растения (25). Против сорных растений
применяются препараты Авадекс БВ, пума-супер, топик, эверест (26), стинг
360в.р., раундап, 36% в.р., ураган 480, в.р.(24) и ряд других гербицидов.
Широко применимыми фунгицидами являются ридомил голд МЦ и ридомил МЦ
(27).
В Южном Казахстане имеется 200 видов вредителей и 70 видов сорных
растений (22). Установлено, что у 46 видов насекомых сформировались
популяции, резистентные к инсектицидам (ФОС, пиретроиды) (28).
Подавляющая часть применяемых в республике пестицидов - гербициды и
инсектициды (14), но в последние года широко распространились заболевания
культурных растений различными грибками в связи с этим набирает обороты
использование фунгицидов (29).
Более чем из 100 стран мира к нам ввозится огромное количество различной
продукции. В Казахстане зарегистрированы 13 видов карантинных объектов:
колорадский жук, капровый жук, червец Комстока, калифорнийская щитовка,
восточная плодожорка, четырехпятнистая зерновка, филлоксера, американская
белая бабочка, горчак ползучий, повилика, амброзия многолетняя, амброзия
полыннолистная, паслен колючий (16). По данным Таможенного комитета
Министерства государственных доходов Республики Казахстан, в страну в 2000
году было завезено 4 026 346 кг гербицидов, 64 702 кг фунгицидов, 598 645
кг инсектицидов, 10 000 кг дефолиантов, 646 556 кг прочих пестицидов, всего
- 5 346 249 кг. По официальным данным, в республику ввозятся только
препараты, разрешенные для применения. По данным Таможенного комитета
Министерства государственных доходов Республики Казахстан, по состоянию на
1 апреля 2001 г., в страну было ввезено более 6,36 млн. кг пестицидов (30).
В мае 2001 года была принята Стокгольмская конвенция о стойких
органических загрязнителях - глобальное, имеющее обязательную юридическую
силу для всех стран, соглашение по сокращению и прекращению выбросов СОЗ.
Его целью является охрана здоровья населения и окружающей среды от
воздействия СОЗ (31). В аграрном секторе, несмотря на разнообразие
используемых новых средств защиты растений, в анализируемых образцах
обнаруживаются СОЗ 50-60 гг., такие как ГХЦГ, гептахлор, ДДТ (32).
В январе-мае 2001 года в Казахстане была проведена предварительная
инвентаризация устаревших и нежелательных к использованию пестицидов (в
соответствии с Меморандумом о взаимопонимании, достигнутом между
Министерством природных ресурсов и охраны окружающей среды Республики
Казахстан (МПРООС РК) и UNEP Chemicals от 8 января 2001 года) и был выпущен
отчет. Он содержит данные по инвентаризации запасов пестицидов (включая и
пестициды из числа СОЗ), более не использующихся в Казахстане, и анализ
собранной информации (31).
Согласно официальным данным СЭС Агентства по делам здравоохранения (33)
и ЮНЕП Chemicals, все еще используются такие пестициды как альдрин,
дильдрин, гептахлор и ДДТ. В 1995-98 гг. площадь земель, используемых в
сельскохозяйственных целях, уменьшилась на 31% (32). Это привело к
накоплению неиспользованных пестицидов, хранящихся часто в полуразрушенных
хранилищах, не оборудованных для этих целей, что увеличило риск загрязнения
грунтовых вод (14).
По официальной справке Министерства сельского хозяйства РК, по состоянию
на 1 января 2001 г. в Казахстане использовался и находился в остатках ряд
пестицидов из числа запрещенных и отсутствующих в “Списке химических и
биологических средств”, используемых для борьбы с вредителями, болезнями
растений и сорняками и т.п. (в этом списке содержатся наименования
химических и биологических средств, которые разрешены для применения в
сельском и лесном хозяйствах республики на 1997-2001 гг.) - в общей
сложности 336 246 т. Скопились также большие объемы устаревших,
просроченных и пришедших в негодность пестицидов (в основном оставшихся в
наследство еще со времен бывшего Союза - в общей сложности 323 032 т (32).
Результаты предварительной инвентаризации СОЗ из числа пестицидов: их
запасы в республике оцениваются в 39,5 т. Это - гексахлорциклогексан (ГХЦГ)
- 24 т этого вещества хранятся на Атырауской противочумной станции),
токсафен - 15 т находятся в Северо-Казахстанской области и ДДТ - 0,5 т
находится в Восточно-Казахстанской области. В процессе предварительной
инвентаризации СОЗ и более не использующихся пестицидов в Казахстане
впервые было установлено общее количество пестицидов всех категорий,
подлежащих утилизации и захоронению. Оно составляет более 1200 т (по данным
областных управлений ООС) и более 620 т (по данным областных
территориальных управлений Министерства сельского хозяйства Республики
Казахстан). Эти цифры более чем на порядок превышают официальные данные
Министерства сельского хозяйства на 1 января 2001 г. - 85,3 т. Однако
нельзя считать эти данные окончательными. Так, по сведениям Алматинского
областного управления ООС в области подлежит захоронению 76 636 т
пестицидов, а по сведениям территориального управления Министерства
сельского хозяйства - 126 513 т, что почти вдвое превышает цифру,
приводимую областным управлением ООС. Все это свидетельствует о том, что
детальная инвентаризация конкретных складов и хранилищ в областях не
проводилась.
Исходя из тяжелого экономического положения в сельском хозяйстве в целом
по республике, можно предположить, что в действительности дела обстоят еще
хуже. Пестициды, завезенные и неиспользованные в 70-80 гг., хранятся в
неприспособленных, ветхих помещениях, часто с протекающими крышами,
зачастую сваленные в одну кучу. С грунтовыми водами остатки таких
пестицидов попадают в реки и водоемы, загрязняя окружающую среду (14).
Такая же судьба постигла ряд препаратов, которые использовали в 90-х годах
XX века – метафос, хлорофос, гексахлоран и др. были выведены из ассотимента
средств защиты растений. Построенные 20-25 лет назад полигоны-могильники
переполнены и законсервированы.
Министерство сельского хозяйства считает, что должны быть выделены
средства из гос.бюджета на захоронение и утилизацию этих пестицидов (16).
Ряд сведений по общему количеству пестицидов, подлежащих утилизации и
захоронению, содержится в данных мониторинга сред жизнеобеспечения,
осуществляемого санитарно-эпидемиологическими службами Агентства Республики
Казахстан по делам здравоохранения. Они свидетельствуют о том, что,
несмотря на уменьшение нагрузки пестицидов на почвы в 5-6 раз, проблема
загрязнения земель пестицидами остается. Загрязненность почв остаточными
количествами пестицидов выше среднего республиканского уровня отмечается в
Кустанайской, Южно-Казахстанской и Западно-Казахстанской областях, где, по
предварительной оценке, запасы пестицидов невысоки. (14). После подписания
Республикой Казахстан 23 мая 2001 года Стокгольмской конвенции о СОЗ,
решением Совета Глобального Экологического Фонда (ГЭФ) стране был
предоставлен грант в размере 500 000 долл. США для реализации
поддерживающих мероприятий (разработки Плана действий) Стокгольмской
конвенции СОЗ.
В настоящее время решены все организационные вопросы и проект готов к
запуску. Поддерживающие мероприятия помогут правительству осознать степень
остроты проблемы СОЗ в Казахстане, повысить уровень информированности
общественности(31). В Казахстане многие экологические НПО заняты вопросами
СОЗ, финансируются проекты, целью которых являются мониторинг, анализ,
способы снижения воздействия СОЗ (35).
За истекшие два десятилетия объем применяемых пестицидов в Казахстане
сократился почти в 4 раза. Изменился их ассортимент, но число разрешенных
для применения препаратов остается на одном и том же уровне (около 200
наименований). В основном Казахстан импортирует пестициды. За последние
несколько лет в строй вступили два завода-производителя отечественных
пестицидов это ТОО Пестицид и ТОО Сункар. Два новых завода и такие
крупные производители как Агрохимия и АО Гербициды в скором будущем
смогут полностью снабжать пестицидами не только рынок Казахстана, но и
частично Центральную Азию. Производимые в Казахстане пестициды не относятся
к группе СОЗ, соответствуют мировым стандартам и по цене гораздо доступнее
зарубежных аналогов (34).
1.4 Хлорорганические соединения
Хлорорганические пестициды (ХОП) – большой класс химических веществ,
представленный галогенпроизводными алициклических и ароматических
соединений. Они представляют собой твердые кристаллические вещества,
которые обладают высокой термостабильностью, низким давлением насыщенного
пара (10-4-10-7мм.рт.ст.), устойчивостью к действию концентрированных
кислот, плохой растворимостью в воде (по уточненным данным, например,
растворимость ДДТ оценивается единицами нанограмм на литр), но хорошей
растворимостью в жирах и липидах. Особенностью ХОП является присутствие в
структурах их молекул бензольных колец, которые придают этим веществам
чрезвычайно высокую стабильность
ХОП – чрезвычайно персистентные соединения, т.е. они способны
мигрировать в биосфере, долго оставаясь в неизменном состоянии. За время
интенсивного использования ДДТ, период полураспада которого около 20-ти
лет, в биосферу поступило несколько млн. т. этого препарата. В биосфере
пестициды, вовлекаются в различные физико-химические процессы. Они
переносятся внутри различных составляющих биосферы (почва, водные системы,
атмосфера) и из одной подсистемы в другую. В почве пестициды, в основном,
локализуются в слое 0-30 см. В водоемы ХОП поступают, главным образом, в
результате смыва атмосферными осадками с поверхности суши. Концентрации
пестицидов в поверхностном стоке колеблются от тысячных до десятых долей
мгл.
В атмосферу пестициды попадают в результате испарения и ветровой эрозии
из почвы и водоемов и распространяются на более обширные территории,
порождая региональное и глобальное загрязнение биосферы. Так, концентрации
ДДТ в дождевой воде имеют один порядок величин в сельскохозяйственных и
несельскохозяйственных районах - 1.8*10-5- 6.6*10-5 мгл (36).
Как отмечалось выше ХОС относятся к группе стойких органических
загрязнителей – особо опасных химические веществ, могущих нанести
окружающей среде непоправимый вред. Юридическим механизмом по контролю и
запрещению СОЗ является Стокгольмская конвенция (май 2001 г.) К числу
стойких органических загрязнителей (СОЗ) в настоящее время отнесены 12
соединений.: Альдрин и дильдрин, Хлордан и гептахлор, ДДТ, Эндрин,
Гексахлорбензол, Мирекс, Токсафен относятся к группе СОЗ (37).
Стойкие к различным физико-химическим воздействиям вещества
персистентные соединения. могут длительное время сохраняться в объектах
внешней среды и поступать в организм человека с пищевыми продуктами, водой
и пр. Из почвы эти пестициды могут переходить в произрастающие клубни и
корнеплоды, подпочвенные воды и т.д. В продукты животноводства пестициды
попадают в результате обработки животных и помещений ядохимикатами, при
использовании на корм фуража, содержащего остаточные количества стойких
пестицидов (38).
Хлорорганические пестициды (ХОП) представляют собой хлорпроизводные
многоядерных углеводородов (ДДТ), циклопарафинов (гексахлорциклогексан),
соединения диенового ряда (гептахлор), алифатических карбоновых кислот
(пропанид) и др [39].
Примерами пестицидов, относящихся к классу хлорорганических
(хлорированных углеводородов) являются: альдрин, бензин, гексахлорид,
карбон тетрахлорид, хлордан, хлороформ, хлоронеб, хлорприцин, 4-ЦПА, Д-Д,
ДДД, ДДЭ, ДДТ, дикамба, дикофол, диельдрин, энодосульфан, фенак, гептахлор,
гексахлорбензин, гексахлорофен, гексахлорциклогексан (ГХЦГ), линдан (гамма-
ГХЦГ), метоксихлор, мирекс, токсафен и др.
Принцип действия: Влияние на передачу нервных импульсов по аксонам,
первоначально разрушая центральную нервную систему.
Острое воздействие: Конвульсии (могут проявится спустя несколько дней
после воздействия); дискоординация; индицирование быстрого метаболизма
лекарств и естественных стеройдных гормонов; гиперчувствительность кожи
лица и конечностей; головная боль; головокружение; тошнота; рвота; дрожь;
замешательство; мышечная слабость; непроизвольные движения глаз; невнятная
речь; боль в груди и суставах; кожная сыпь; затрудненное дыхание;
возбуждение ЦНС следующее за депрессией; диарея; нарушение мозговых волн;
гипертермия; повышенное кровяное давление; слюноотделение; потоотделение.
Долгосрочное воздействие: накопление; передача через плаценту зародышу;
обнаружены в грудном молоке; канцерогены; возможные терратогены; возможные
мутагены; апластическая анемия; ''репродуктинвый эффект''; повреждение
яичка; повреждение зрения; влияние на гормональный уровень; повреждение
ЦНС; повреждение мочевого пузыря, почек, печени, селезенки, легких и
щитовидной железы; нарушения в крови; анемия; периодическая астма;
нарушенное сердцебиение; атрофия коры надпочечников; изменение поведения
младенцев у матерей, подвергшимся даже небольшому воздействию во время
беременности; эмбриотоксины; снижение фертильности; иммкунотоксины;
повышенная смертность младенцев; тератогены; нарушение сна; галлюцинации
ХОП способны образовывать липидно-белковые комплексы, влияющие на
проницаемость клеточных мембран, приникать в клетки и изменять их
метаболизм [40].
Воздействие на окружающую среду: бионакопление; устойчивость; многие
быстро испаряются, переносятся на большие расстояния в атмосфере и
выпадают на удаленных территориях; снижают фертильность птиц; утончение
скорлупы птичьих яиц; загрязнение подземных вод [41-44].
Гексахлорциклогексан (ГХЦГ, гексахлоран, гексатокс, долмикс, котол,
синекс) C6H6Cl6 (45). Действующее вещество 1,2,3,4,5,6-гексахлорциклогексан
может быть в виде нескольких стереоизомеров, которые отличаются различной
ориентацией связей С-С, распределением по ним атомов водорода и хлора.
Атомы 1,3,5 лежат в одной, а 2,4,6- в другой плоскости. В настоящее время
известны II стереоизомеров гексахлорциклогексана, из них высокой
инсектицидной активностью обладает лишь гамма-изомер. Все изомеры
гексахлорциклогексана – кристаллические вещества, горькие на вкус, со
специфическим запахом, значительно отличаются физическими свойствами, ГХЦГ
устойчив к действию различных окислителей и концентрированных кислот
(серной, азотной, соляной) даже при температуре кипения последних. Это
свойство используют при анализе содержания остатков инсектицида в растениях
(38).
ГХЦГ применяют в форме технического препарата - смеси восьми
стереоизомеров (a, b, g, d, e, x, h, q) — желтовато-серого (грязного) цвета
с запахом плесени. В воде ГХЦГ нерастворим. Это инсектицид комплексного
действия, который применяют для борьбы с различными вредными насекомыми, в
том числе в качестве инсектицидной добавки к протравителям семян с целью
предохранения всходов от повреждения почвообитающими вредителями.
В водоемы ГХЦГ поступает из почвы с поверхностными стоками и
ирригационными водами. При содержании ГХЦГ в почве 3,3 -5 мгкг в воду
переходит 0,6 мгдм3 препарата. Если дожди идут сразу после внесения в
почву ГХЦГ, в водоемы переходит ~ 1% препарата. Вынос гексахлорциклогексана
зависит от состояния почвы: с необработанных площадей в 2 раза больше, чем
со вспаханного поля. В водоемы ГХЦГ поступает также в результате
непосредственного применения гексахлорциклогексана или гамма-
гексахлорциклогексана для обработки воды при борьбе с комарами, за счет
загрязнения сточными водами предприятий по производству пестицидов. Из воды
гексахлорциклогексан мигрирует по водным биологическим цепям: вода —
фитопланктон — зоопланктон — рыбы — рыбоядные птицы; рыбы — морские
млекопитающие; рыбы — человек. ГХЦГ длительно сохраняется в почве: через 3
года после обработки в почве обнаруживалось 5% препарата.
ГХЦГ – высокотоксичный нейротропный яд, обладающий эмбриотоксическим,
кожно-резорбтивным и местно-раздражающим действием. ГХЦГ поражает
кроветворную систему. Летальная доза для человека составляет 15 грамм.
ДДД 1,1-ди(4'-хлорфенил)-2,2-дихлорэтан . ДДД – нерастворимый в воде
инсектицид, который является продуктом восстановительного метаболизма ДДТ.
ДДТ (п,п' -ДДТ) 1,1,1-трихлор-2,2-бис-(4-хлорфенил) -этан (45).
Способность ДДТ убивать насекомых, но при этом оставаться безопасным для
человека и других теплокровных животных, была обнаружена в 1939 году.
Его считали идеальным инсектицидом и широко использовали по всему миру
в течение 20 лет. Затем производство его было сокращено и полностью
запрещено в 1972 году во многих странах, хотя кое-где его продолжают
использовать до сих пор. В январе 1944 года с помощью ДДТ была
предотвращена эпидемия тифа в Неаполе. Это первая зимняя эпидемия тифа,
переносимого вшами, которую удалось остановить. В Индии благодаря ДДТ в
1965 году ни один человек не умер от малярии, тогда как в 1948 погибло 3
млн. человек. Уже с 1945 года стали накапливаться факты
отрицательного воздействия ДДТ и продукта его метаболизма ДДЕ (1,1-дихлор-
2,2-бис-(n-хлорфенил)-этилен) на животных и человека. Причем обнаружилось,
что отрицательное воздействие оказывают очень низкие дозы без внешних
признаков отравления.
ДДТ был одним из первых мощных инсектицидов, широкое применение
которого связано с борьбой против переносчиков малярии и сыпного тифа во
многих странах. Однако из-за широкого спектра действия вместе с вредными
насекомыми уничтожались и полезные, а устойчивость ДДТ приводила к тому,
что он накапливался в пищевых цепях и оказывал губительное действие на их
концевые звенья.
В организме человека ХОП (хлорорганические пестициды) могут:
- накапливаться в жировой ткани.
- повышать риск развития рака.
- нарушать структуру генетического аппарата.
- Повреждать репродуктивную функцию.
- Приводить к заболеванию крови
ДДТ - белое кристаллическое вещество, малорастворимое в воде.
Технический препарат этого инсектицида обычно содержит 75-76% основного
вещества, остальное — родственные соединения (о,п-изомеры и др.). В
настоящее время в большинстве стран введен запрет на применение ДДТ (в РК —
с 1970 г.). Однако полный запрет на применение ДДТ существует не во всех
странах, кроме того, во многих странах еще имеются солидные запасы ДДТ.
Обладая высокой стойкостью, ДДТ метаболизируется в окружающей среде и в
организме животных, давая метаболиты нескольких типов, основным из которых
является ДДЭ. ДДТ является канцерогеном и мутагеном, эмбриотоксином,
нейротоксином, иммунотоксином, изменяет гормональную систему, обладает
способностью к накоплению в организме животных и человека (38). Из
использованных в прошлом 1,5 млн. тонн ДДТ до настоящего времени в природе
сохраняется около 70% (46).
Линдан (гаммафекс, гаммагексан, изотокс, линдатокс, линдрам, нексол,
примекс) Гексахлорциклогексан (гамма-изомер).
Линдан – высокоэффективный инсектицид с широким спектром действия,
применяемый на многих сельскохозяйственных культурах. Он проявляет слабые
кумулятивные свойства. В воде данный препарат стабилен: для биологического
разрушения необходимо от 3 недель до 3 лет. Дафнии погибают при
концентрации 0,1 мгдм3. Линдан очень токсичен для пчел и других полезных
насекомых. Применение препарата в РК строго регламентировано. В настоящее
время для защиты растений разрешается использовать линдан только в смесевых
протравителях. Кроме того разрешено использование остатков препарата. (45)
1.5 Биоремедиация и фиторемедиация
Биоремедиация и фиторемедиация интенсивно развивались в течение
последних десяти лет от перспективных идей они перешли к практическим
подходам ремедиации загрязненных земель. Основные подходы биоремедиации
сводятся к процессам кометаболизма, аэробным и анаэробным механизмам,
биологическим восстановительным реакциям дехлорирования, биоаугментации,
биомониторинга и фиторемедиации (56).
Загрязнение окружающей среды требуют принятия адекватных мер для
предотвращения этого процесса и ликвидации уже существующих очагов
загрязнения. Использование в этих целях живых организмов получило название
биоремедиации.
Биоремедиация включает в себя комплекс научных разработок и технологий,
задачей которых является использование биохимического потенциала
аборигенных, адаптированных или модифицированных биологических систем,
прежде всего микроорганизмов, для деградации или детоксикации поллютантов.
Биоремедиация обладает большими потенциальными возможностями для
предотвращения загрязнения окружающей среды и для борьбы с уже имеющимся
загрязнением. По сравнению с другими методами очистки окружающей среды от
загрязнения, биоремедиация in situ гораздо дешевле. При рассеянном
загрязнении, как в случае с пестицидами, применяемыми на огромных площадях
в практике сельского хозяйства, загрязнениями нефтью и нефтепродуктами
больших территорий Западной Сибири, тринитротолуолом, которым загрязнены
полигоны и стрельбища, альтернативы биоремедиации просто не имеется.
Процессы биоремедиации иногда могут осуществляться природными
микроорганизмами. Задача ученых и технологов в этом случае заключается в
стимуляции биодеградативной активности этих микроорганизмов. Если в почве
или воде, загрязненной ксенобиотиками, отсутствуют микроорганизмы,
способные к деградации данных соединений, целесообразна интродукция туда
микроорганизмов-биодеструкторов. В том случае, когда при биоремедиации
используются биопрепараты, то, по сути дела, речь идет о разработке двух
технологий. Целью первой биотехнологии является получение препарата живых
клеток микроорганизмов, которые будут использоваться при осуществлении
второго биотехнологического процесса – собственно биоремедиации.
В отличие от промышленной биотехнологии, где имеется возможность
выдерживать все параметры технологического процесса, биоремедиация, как
правило, осуществляется в буквальном смысле этого слова в открытой системе,
то есть, в окружающей среде. Поэтому в гораздо большей степени успех
процесса биоремедиации зависит от критической массы знаний, опыта, методов,
и наконец, разнообразия микроорганизмов, способных осуществлять реакции
биодеградации. В известной мере это будет всегда “ноу-хау”, определяемое
вышеперечисленными возможностями и обстоятельствами.
Разработка теоретических основ процессов биоремедиации, самих технологий
и их осуществление требуют междисциплинарного подхода и участия
специалистов в области генетики и молекулярной биологии, науки об
окружающей среде, инженерных дисциплин. Однако главную роль в этом
содружестве играет микробиологическая наука. Дальнейшая разработка
стратегий и методов биоремедиаци в первую очередь требует углубления
знаний, касающихся экологии и эволюции микроорганизмов-биодеструкторов
(57).
Фиторемедиация - захватывающий новый метод для восстановления нарушенных
экосистем при использовании зеленых растений. При фиторемедиации
вовлекаются сосудистые растения, морские водоросли, грибы (58).
Методы ремедиации используются для восстановления земеля, загрязненных
углеводородами, металлами, пестицидами, перхлоратом, и хлорированными
растворителями. К тому же фиторемедиация включает в себя специализированные
подходы ремедиации, такие как, анаэробноеаэробное восстановление,
мембранные биореакторы, и окисление реактива Фентона. (59).
Гипераккумулирующие растения являются более экономичной альтернативой
ныне используемым методам ремедиации.
Используемые традиционные методы биологической очистки могут приводить
к конечным концентрациям не соответствующим стандартам. Разработаны и
используются более 27 типов технологий очистки окружающей среды физико-
химической и биотехнологической направленности. Физико-химические методы
отличаются от биотехнологических высокой стандартизацией применения
технологий, оперативностью и предсказуемостью (однозначностью) результата,
но проигрывают за счет жесткости воздействия на почву и повышенной
затратностью на 10-40 %(60). Растительность может непосредственно
содействовать биологическому распаду, накапливая, усваивая, или испаряя
загрязнители. Растительность может косвенно увеличить биологический распад
загрязнителей через действие ризосферы, выделяя через корни растения.
Высокая микробная активность связана с ризосферой, которая может увеличить
биологический распад органических загрязнителей. Фиторемедиация особенно
подходит для поверхностных, загрязненных почв, особенно если это
используется как долгосрочный, дешевый метод восстановления с низкими
эксплуатационными расходами (61).
Ранее использовался метод сжигания опасных веществ, на смену ему
пришел метод фиторемедиации (62). Метод фиторемедиации наиболее эффективен
при загрязнении почвы на глубине не более 2 метров (63).
Под фиторемедиацией понимается использование определенных растений для
очистки почвы, осадков и воды, загрязненных металлами иили органическими
загрязнителями, такими как сырая нефть, растворители и полиароматические
углеводороды. Это название старого процесса протекающего в естественных
условиях посредством растений (круговороторганических и неорганических
компонентов). Для каждого вида почвы выбираются соответствующие растения и
условия, в этих целях мы используем методы физиологии растений, агрономии,
микробиологии, гидрогеологии и инженерии. Фиторемедиация снижает затраты на
восстановление, очистка на месте рассматривается лучшим способом по
сравнению с захоронением или переносом на другие участки, поэтому
фиторемедиация – механизм эстетичный.
Фиторемедиацию проводят несколькими способами:
- Фитоиспарение. Растения корнями впитывают воду и органические
загрязнители, затем они переносятся в листья и уже с их поверхности
окисленные загрязнители испаряются в атмосферу.
- Стимуляция микгоорганизмов. Ферменты и органические вещества,
выделенные и запасенные в корнях растений, стимулирует рост таких
микроорганизмов, как грибы и бактерии. Микроорганизмы, находящиеся в
корневой зоне, разрушают органические загрязнители до нужных им
метаболитов.
- Фитостабилизация(уравновешивание). Растение, снижая утечки,
поверхностную эрозию и скорость потока грунтовых вод, этим образом
предотвращают миграцию загрязнителей. Когда корни проникают в
грунтовые воды и начинают впитывать большой объем воды, то может
возникнуть гидравлическая помпа, контролирующая гиравлический градиент
и предотвращающая распространение загрязнителей в зоне грунтовых вод.
- Фитоаккумуляцияэкстракция. Посредством процессов плавления (smelting
processes) корни растений способны извлекать металлы из загрязненных
почви аккумулировать их в листьях и стеблях для сбора, передачи или
возвращения.
- Фитодеградация(разрушение). Посредством естественных химических
процессов, протекающих в растениях, поглощенные органические
загрязнители распадаются до нетоксичных молекул.
Наибольшим преимуществом является низкая стоимость. К примеру, стоимость
очистки при помощи растений одного акра песковато-глинистой почвы на
толщину в 50 см, оценивается в 60-100 тысяч $, и если сравнить с методом
условного выкапывания и методом передачи, которые стоят по 400 тысяч $, то
методы фиторемедиации значительно дешевле. Отпадает ... продолжение
Вы можете абсолютно на бесплатной основе полностью просмотреть эту работу через наше приложение.
Похожие работы
Дисциплины
- Информатика
- Банковское дело
- Оценка бизнеса
- Бухгалтерское дело
- Валеология
- География
- Геология, Геофизика, Геодезия
- Религия
- Общая история
- Журналистика
- Таможенное дело
- История Казахстана
- Финансы
- Законодательство и Право, Криминалистика
- Маркетинг
- Культурология
- Медицина
- Менеджмент
- Нефть, Газ
- Искуство, музыка
- Педагогика
- Психология
- Страхование
- Налоги
- Политология
- Сертификация, стандартизация
- Социология, Демография
- Статистика
- Туризм
- Физика
- Философия
- Химия
- Делопроизводсто
- Экология, Охрана природы, Природопользование
- Экономика
- Литература
- Биология
- Мясо, молочно, вино-водочные продукты
- Земельный кадастр, Недвижимость
- Математика, Геометрия
- Государственное управление
- Архивное дело
- Полиграфия
- Горное дело
- Языковедение, Филология
- Исторические личности
- Автоматизация, Техника
- Экономическая география
- Международные отношения
- ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности), Защита труда
