Конкурентоспособность цепей поставок

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………...3

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ БИОДЕГРАДАЦИИ ПЕСТИЦИДОВ

1.1. Сущность и особенности  биодеградации пестицидов…………..5

1.2. Методы биоиндикации и биотестирования почв……………….10

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ  БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ПО ВОССТАНОВЛЕНИЮ ПЛОДОРОДИЯ ПОЧВ

2.1. Методы восстановления нефтезагрязненных почвенных экосистем………………………………………………………………………13

2.2. Основные подходы и роль биоремедиации в восстановлении нефтезагрязненных почв……………………………………………………...14

2.3. Методы рекультивации, основанные на интенсификации процессов самоочищения……………………………………………………..17

ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………21

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ……………………………………………...24

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

 

Современная биотехнология  – это направление, призванное изыскивать пути промышленного применения биологических  агентов и процессов. Это комплексная  многопрофильная область, включающая микробиологический синтез, генетическую, белковую и клеточную инженерию, инженерную энзимологию.

Биотехнология в основном опирается на использование микроорганизмов. Поэтому знания, накопленные микробиологией о многообразии мира, о строении, генетике, физиологии, изменчивости, экологии микробов создают научную основу для развития многих биотехнологических производств. Традиционное сырьё для  различных отраслей химической и  перерабатывающей промышленности (нефть  и газ) истощается, а это приведёт к тому, что всё более широко будут использоваться ресурсы биомассы.

Загрязнение почв – как по масштабам, так и по токсичности представляет собой общепланетарную опасность. Пестициды вызывают отравление, гибель организмов и деградацию почв. Естественное самоочищение природных объектов от загрязнения - длительный процесс, особенно в условиях Сибири, где долгое время сохраняется пониженный температурный режим. Поэтому исключительную актуальность приобретает проблема рекультивации загрязненных почв.

В настоящее время одной  из наиболее перспективной технологии очистки почв считается интродуцирование в почву различных комплексов микроорганизмов, отличающихся повышенной способностью к биодеструкции тех или иных загрязнителей и пестицидов.

В природных условиях биотрансформация осуществляется под воздействием комплекса самых различных групп организмов. Особое внимание уделяется исследованиям по совместному влиянию представителей двух смежных трофических уровней: микроорганизмов и дождевых червей на элиминирование пестицидов в почве.

Благодаря антропогенной  деятельности человека (промышленной, сельскохозяйственной, бытовой и  т.д.) постоянно происходит изменение  физических, химических и биологических  свойств окружающей среды, причём многие из этих изменений весьма неблагоприятны. Прогнозируется, что биотехнология  будет оказывать многообразное  и всё возрастающее влияние на способы контроля за окружающей средой и на её состояние.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ БИОДЕГРАДАЦИИ ПЕСТИЦИДОВ

1. Сущность и особенности биодеградации пестицидов

 

Пестициды - важная группа ядохимикатов (химических препаратов), применяемых для борьбы с сорняками, вредителями и болезнями сельскохозяйственных и лесных культур, вредителями и микроорганизмами, вызывающими порчу сельскохозяйственной продукции, материалов и изделий, а также для борьбы с паразитами и переносчиками заболеваний человека и животных. В случае их неправильного применения представляют серьезную экологическую опасность как потенциальные химические загрязнители окружающей среды, опасные для здоровья человека. В зависимости от назначения пестициды подразделяют на следующие группы: инсектициды — применяются для борьбы с вредными насекомыми, фунгициды — с болезнетворными грибами, нематоциды — с нематодами (растительноядными круглыми червями), бактерициды — с болезнетворными бактериями, гербициды — с сорняками, акарициды — с клещами. Объектами применения зооцидов являются позвоночные животные, арборицидов — древесная и кустарниковая растительность, дефолиантов — листья растений. Систематическое использование в земледелии особо стойких препаратов неизбежно приводит к накоплению их в почве. Они становятся экологическим фактором, формирующим микробиоценозы, источником загрязнения природной среды и продуктов питания. Способность сохраняться в почве в течение длительного периода отмечена у многих гербицидов. Так, через 5 месяцев после применения эптама, трихлорацетата натрия, пирамина на посевах свеклы обнаружены их остаточные количества в поверхностном слое почвы (сотые доли мг/кг). Ряд препаратов обладает способностью сохраняться в почве более длительные сроки. Важной экологической характеристикой пестицидов является их способность мигрировать по профилю почв, а также в растения, воду и воздух. Миграция хлорорганических пестицидов из почвы в растения может достигать 30, в воду — 10—15, в воздух —28%. Токсическое действие на почву и растения могут оказывать не только сами препараты, но и продукты их трансформации, обладающие более высокой устойчивостью и токсичностью. Они могут накапливаться в почве, загрязняя ее. В растениях продукты трансформации и метаболизма пестицидов могут обладать не только большой токсичностью, но и другими опасными эффектами действия. Так, превращения фталофоса сопровождаются образованием веществ, вызывающих уродство. Концентрация пестицидов в растениях особенно опасна, поскольку последние входят в пищевой рацион человека и животных. Препараты могут поступать в растения не только через корневую систему из почвы, но и через надземные части растений при обработке их препаратами, проникая вглубь растительных тканей. Кроме того, пестициды, применяемые в растениеводстве, могут сохраняться на вегетирующих культурах от недели до нескольких месяцев. Дольше задерживаются на них остатки масляных эмульсий, смачивающихся порошков, в виде которых применяются пестициды.

Персистентность пестицидов в почве зависит от применяемой дозы и формы, адсорбционной способности их, повторных обработок, распределения препарата в почве, типа почвы, внесения в нее различных веществ, реакции почвенного раствора, температуры, влажности, от возделываемых культур, комбинации пестицидов. Скорость разложения пестицидов в почве может также определяться степенью ее эродированности (за счет изменения содержания гумуса и илистой фракции). Так, скорость разложения одного из пестицидов (ГХЦГ) в серой лесной почве увеличивалась по мере усиления ее эродированности. Период полуразложения для несмытой, среднесмытой и смытой почвы составлял соответственно 260, 120 и 40 суток. Одним из сильнодействующих факторов, влияющих на скорость детоксикации пестицидов, является температура почвы. При увеличении температуры от 5^oC до 30^oC для симазина, например, период полуразложения снизился со 125 до 16 суток, а для линурона — с 83 до 29 суток. Анализ влияния типа почвы на способность пестицидов сохраняться в ней показал, что по максимальным количествам найденных остатков препаратов типы почв можно расположить в такой убывающей последовательности: луговые, черноземные, каштановые, дерновые, серые лесные. Скорость разложения пестицидов в растениях обычно выше, чем в почвах, и так же, как и в почвах, зависит от большого числа факторов:

- дозы, кратности и формы применяемого пестицида;

- культуры, сорта и фазы развития растений;

- уровня минерального питания и др.

В целях эффективного и  безопасного для окружающей среды  применения пестицидов реализуются  различные подходы. Постоянно совершенствуется ассортимент применяемых пестицидов за счет включения в него менее  токсичных и персистентных препаратов, разрабатываются и внедряются в  практику новые технологии и мероприятия, позволяющие снизить содержание в объектах окружающей среды остатков недостаточно "экологичных" по своим характеристикам пестицидов и их отрицательное воздействие на агрофитоценозы, животных и человека.

Что же представляет собой  биодеградация?

Биодеградация (биологический распад, биоразложение) - это разрушение сложных веществ в результате деятельности живых организмов.

Большинство пестицидов расщепляются бактериями и грибами. Превращение  исходного пестицида в менее  сложные соединения нередко осуществляется при участии сообществ микроорганизмов. Были описаны различные стадии и промежуточные продукты процессов деградации ДДТ (дихлордифенилтрихлорэтан), идущей, например, в ходе сопряженного метаболизма и приводящей к полной минерализации этого стойкого пестицида. Часто из среды, содержащей ксенобиотик, можно выделить сообщества такого рода, в которых он служит не основным источником углерода, а источником фосфора, серы или азота. Чрезвычайно высокая токсичность пестицидов зачастую утрачивается на первой же стадии их модификации. Это позволяет разработать относительно несложные микробиологические способы их детоксикации. Например, в результате гидролиза может значительно уменьшиться токсичность пестицидов или увеличиться вероятность биодеградации. Для этого хорошо было бы использовать внеклеточные ферменты, способные функционировать в отсутствие коферментов или специфических факторов и осуществлять детоксикацию разнообразных пестицидов. Это могут быть такие гидролазы, как эстразы, ациламиназы и фосфоэстеразы. Чтобы выбранный фермент можно было применять in situ, он должен обладать подходящей кинетикой в широком диапазоне температур и рН, быть нечувствительным к небольшим количествам растворителей и тяжелых металлов, не ингибироваться субстратом при концентрациях, характерных для содержимого очистных систем, а также хорошо храниться. В ряде случаев в качестве биологического агента детоксикации была испробована паратионгидролаза, выделенная из Pseudomonas spр. С её помощью удалось удалить 94 - 98% остаточного паратиона (около 75г) из контейнера с пестицидом за 16 ч при концентрации субстрата 1% (по весу). Забуференные растворы (паратионгидролазы) использовали также для детоксикации паратиона в разливах на почве, где его концентрация, по-видимому, была весьма высока. Скорость разложения паратиона в этом случае зависела от типа почвы, влажности, буферной емкости раствора и концентрации фермента. При этом значительные количества пестицида были обезврежены всего за 8 ч. Как показали лабораторные эксперименты, еще одна возможная сфера применения иммобилизованных ферментов — это очистка сточных вод. Были описаны гидролазы для детоксикации других пестицидов. Многие из них обладают широкой субстратной специфичностью, что открывает большие возможности для создания других простых систем детоксикации пестицидов. В будущем подобные системы смогут применять при промывке промышленных химических установок и реакторов, ферменты в виде аэрозолей - для удаления пестицидов с поверхностей, а ферменты в сочетании с пестицидами - для быстрого разрушения пестицидов после их использования.

Пестициды обладают мощным, но недостаточно избирательным действием. Так, гербициды, смываясь дождевыми потоками или почвенными водами на посевные площади, наносят ущерб сельскохозяйственным культурам. Помимо этого, некоторые пестициды длительно сохраняются в почве, что тоже приводит к потерям урожая. Возможны разные подходы к решению проблемы:

1) усовершенствование технологии  применения пестицидов, что не

входит в компетенцию  биотехнологии;

2) выведение растений, устойчивых  к

пестицидам;

3)биодеградация пестицидов в почве.

К разрушению многих пестицидов способна микрофлора почвы.

Методами генетической инженерии сконструированы штаммы микроорганизмов с повышенной эффективностью биодеградации ядохимикатов, в частности штамм Pseudomonas ceparia, разрушающий 2, 4, 5-трихлорфеноксиацетат. Устойчивость того или иного пестицида в почве меняется при добавлении его в сочетании с другим пестицидом. Так, устойчивость гербицида хлорпрофама увеличивается при его внесении совместно с инсектицидами из группы метилкарбаматов. Оказалось, что метилкарбаматы ингибируют микробные ферменты, катализирующие гидролиз хлорпрофама.

Микробная трансформация  пестицидов имеет и оборотную  сторону. Во-первых, быстрая деградация пестицидов сводит на нет их полезный эффект. Во-вторых, в результате микробного превращения могут образоваться продукты, сильно ядовитые для растений. При использовании гербицида тиобенкарба в Японии наблюдали подавление роста и развития риса. Установлено, что подавляет не сам гербицид, а его дехлорированное производное S-бензил-N,N-диэтилтиокарбамат. Чтобы предотвратить образование такого производного, тиобенкарб применяют в комбинации с метоксифеном, ингибитором дехлорирующего фермента микроорганизмов.

 

 

1.2. Методы биоиндикации и биотестирования почв

 

 

Биодиагностика антропогенных изменений относится к экспрессным методам анализа и, кроме того, дает комплексную оценку экологического состояния почвы. Существует множество биологических показателей, с помощью которых оценивается состояние почв. Наиболее важными являются интегральные показатели биологической активности: токсичность, «дыхание», количество свободных аминокислот и белков. Интенсивность дыхания почвы является исключительно вариабельной величиной и зависит от большого количества факторов (температурного режима, влажности, состояния фитоценоза и др.). Для оценки экологического влияния загрязнений необходимо проводить сравнение данных, полученных на разных участках в максимально близких условиях. Информативными являются и другие показатели, например, ферментативная активность.

Попадание нефти и нефтепродуктов в почву приводит к изменению  активности основных почвенных ферментов, что влияет на обмен азота, фосфора, углерода и серы[11]. Устойчивые изменения в активности некоторых почвенных ферментов могут использоваться в качестве диагностических показателей загрязнения почв нефтью. Удобна для этой цели группа ферментов, объединяемых под общим названием почвенные уреазы. Во-первых, они меньше подвержены воздействию других экологических факторов и, во-вторых, прослеживается четкая зависимость их активности от степени загрязнения почв[1].

Применение микроорганизмов  для оценки интегральной токсичности  почвы и создание на их основе комплексной  системы чувствительных, достоверных  и экономичных биотестов является перспективной областью исследований. Многие физиологические группы почвенных  микроорганизмов проявляют чувствительность по отношению к нефтяным углеводородам.

Общая численность микроорганизмов, как правило, достаточно четко отражает микробиологическую активность почвы, скорость разложения органических веществ  и круговорота минеральных элементов. На основании данного показателя можно не только судить о степени  загрязненности почвы нефтью, но и о потенциальной способности к восстановлению, а также о процессах разложения нефти в естественных природных условиях и при рекультивации загрязненных[5].

Нефтяное загрязнение  может также способствовать накоплению в почве микроскопических грибов, вызывающих заболевания растений и  фитотоксины[2]. Последнее обстоятельство играет немаловажную роль при разработке мероприятий по фитомелиорации нефтезагрязненных земель.

Непосредственное воздействие  нефти на растительный покров в том, что замедляется рост растений, нарушаются функции фотосинтеза и дыхания, отмечаются различные морфологические  нарушения, сильно страдают корневая система, листья, стебли и репродуктивные органы. Оперативную информацию о фитотоксичности загрязненной почвы можно получить, используя в качестве тест-объектов семена и проростки растений. Для удобства постановки тестов на токсичность семена подбирают по размерам и скорости их прорастания. Часто используют семена редиса, кресс-салата, кукурузы, зерновых. В качестве тест-функции выступают показатели всхожести семян, дружности и времени появления всходов, скорости удлинения проростков, последний из которых считается наиболее чувствительным.

В природных экосистемах  почвенные беспозвоночные широко используются для мониторинга на уровне комплекса видов[4].

Набор тест-объектов из семян растений, микроорганизмов, почвенных беспозвоночных и ферментов можно использовать как в полном объеме, так и частично, в зависимости от целевого назначения исследований и степени нефтяного загрязнения почвы. Если пробы с почвенными ногохвостками и активность ферментов дают хорошую количественную характеристику токсичности почвы при низкой и средней степени ее загрязнения, то микробиологические тесты удобны для описания состояния сильнозагрязненных высокотоксичных[8].