ИЗВЕСТИЯ РАИ. СЕРИЯ БИОЛОГИЧЕСКАЯ, 2007, № 1, с. 91-101
БИОЛОГИЯ ПОЧВЫ
УДК 632.95:632.122.2:57.084
МОДЕЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ БИОЛОГИЧЕСКОГО РАЗЛОЖЕНИЯ
ПЕСТИЦИДОВ В ПОЧВЕ
© 2007 г. Й. Беганьска
Силезский политехнический университет, факультет инженерного дела по натуральной среде и энергетике, Польша, 44-100 Глиыице, ул. Конарского, 18 E-mail: jolanta.bieganska@polsl.pl
Статья посвящена эффективности микробных биопрепаратов дпя разложения остатков пестицидов в почве. Описывается способ разложения пестицидов - DNOC и пендименталина - c помощью бактерий Pseudomonas и Arthobacter с примесью питательного вещества.
Средства охраны растений называемые пестицидами являются отходами опасными для окружающей среды (Homsby et al., 1996; White-Stevens, 1971). Эти вещества в прошлом обезвреживались путем складирования в так называемые могильники (подземные сосуды, бункеры или колодцы, выполненные из бетонных цилиндров). В настоящее время (Wodageneh, 1998), вследствие потери непроницаемости могильников, токсические вещества, накопленным в 1950-1970 гг., проникают в окружающую среду (почву, грунтовую воду, а иногда даже в бытовые водоемы, колодцы и озера (Amador, Uijetewaal, 1992; Hamdi, Tewfik, 1970; Thyssen, 1998)) и вызывают угрозу для всех форм жизни (Kamrin, 1997). Биологически активные вещества (БАВ), содержащиеся в устаревших пестицидах, характеризуются острой либо продолжительной токсичностью, долговременным сроком существования в окружающей среде и способностью к биологическому накоплению (Nehez et al., 1981). Из-за этих свойств применение некоторых из них было отменено. Количество неиспользованных пестицидов в масштабах всего мира оценивается в 300000 т (Dipendaal et al., 1993).
Предпочительным методом обезвреживания пестицидов является сжигание их в специальных установках. Однако во время разгрузки могильников, подготовки их содержимого к транспортировке в сжигающие установки довольно часто случается вторичное загрязнение почвы.
В связи с этим возникает вопрос обеззараживания почвы вокруг могильников. Химическая дезинфекция в этом случае не может применяться, так как этот метод приводит лишь к замене одного вредного вещества другим. Физические методы рекультивации очень дорогостоящи. Обычно концентрация БАВ в загрязненной почве невелика,
поэтому предпочительным способом обезвреживания этих веществ должен быть биологический метод.
В настоящей статье описано разложение пестицидов, содержащих ароматическое кольцо с двумя нитрогруппами, с применением биологического метода в модельных условиях. Для модельных исследований были выбраны DNOC и пендимента-лин. Это средства защиты растений: гербицид -4,6-динитро-орто-крезол (IUPAC), или 2-метил-4,6-динитрофенол (CA); CAS № 543-52-1 (Hartley, Kidd, 1987). Пендименталин или CTOMn также является гербицидом. Его химическое название - N-(1-этилопропил)-2,6-динитро-ксилидин (IUPAC); CAS № 40487-42-1.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Характеристика пестицидов применяемых для испытаний. Гербициды: DNOC (C7H6N2O5) и пендименталин (C13H19N3O4), принадлежат к производным нитрофенолов (Tomlin, 1997).
OH
юТ <■>
N02 DNOC
NO2
НзС ^ NHCH(CH2CH3)2 (2)
H3C N02
Пендименталин
Таблица 1. Свойства DNOC и пендименталина
Параметр DNOC Пендименталин
Деградация в воде ЛД >1годa >21сут
Токсикология
Токсические дозы
ЛД50 мг/кг для
крыс 25-40 1050-1250
мышей 16-47 1340-1620
коз 100 -
кошек 50 -
кроликов - >5000
Экотоксикология
Токсические дозы
ЛД50 мг/кг для
перепелок 15.7 4187
уток 23 10388
серых куропаток 20-25 -
фазанов 6-85 -
пчел, мкг/шт. - >50
Токсическая концентрация
ЛЦ50 мг/л для
карпа 6-13 -
форели 0.45 0.14
сома - 0.42
Примечание. Содержание DNOC в крови свыше 50 ррт (число частей на миллион) является очень опасным. Токсическое воздействие этих веществ усиливается с ростом температуры.
DNOC после сушки чувствителен к внешним воздействиям и разлагается со взрывом. Физико-
химические и токсикологические свойства этих веществ представлены в табл. 1.
Биологические методы обезвреживания. Отходы пестицидов принадлежат к группе опасных веществ и должны обезвреживаться согласно процедурам, применяемым для опасных отходов (Беганьска, 2004; Вандраш, Беганьска, 2003). Для этой цели используются термические (Bernadini-er, Szurygin, 1990; Benestad, 1989; Bieganska, 2003; Bieganska, 2005; Gustafson, 1989; Kennedy et al., 1969; Krainov et al., 1999; Friedman, Halpern, 1993; Schneider, Beckstrom, 1990; Schnoor, 1992; Stojanov-ic et al., 1972; Thome-Kozmiensky, 1994), физические (Melnikov, 1974; Chiron et al., 1999; Masten, Davies, 1994; Owens, 1980; Hoch, 1991; Halpern, 1991) и биологические методы.
С помощью биологических методов можно производить разложение отходов пестицидов, в которых содержание биологически активного вещества невелико (Engelhardt et al., 1989). В процессах биодеградации используются бактерии и несовершенные грибы. Процессы биологического разложения происходят очень медленно. Вследствие специфического воздействия микроорганизмов (Harris et al., 1984) имеют место химические реакции, вызывающие деградацию пестицида, которая проходит через стадии окисления, редукции и гидролиза. В конечном результате возникают метаболиты первоначальных веществ. Почвенные микроорганизмы (Hamdi, Tewfik, 1970; Jensen, Gundersen, 1955), применяемые для разложения средств охраны растений с ароматической группой (Francis, 1994) приводят к разрыву ароматического кольца. Разложение DNOC почвенными бактериями:
В случае разложения DNOC Pseudomonas и Arthobacter было обнаружено наличие 2,3,5-три-гидрокситолуена - промежуточного вещества в процессе разрывания ароматического кольца.
Активность микроорганизмов в водной среде (Crawford, 1995) приводит к снижению концентрации нитрофенолов и нитротолуолов (Bieganska, 2001).
Исследование разложения DNOC и пендименталина в почве, загрязненной этими веществами,
было проведено в стеклянных колоннах с внутренним диаметром 16 см и высотой 200 см в которых вдоль главной оси, был помещен шланг диаметром 1 см с отверстиями для аэрации (Се1агу, 2а1шИ, 1999; Огиса, ОагНсИ, 2000). Колонны последовательно были заполнены гравием, песком и почвой (рис. 1).
В колонны было помещено 50 кг почвы одного и того же качества: влажность около 20%, рН - 5.5, - 0.115%, Сорг - 0.936%, Робщ - 0.085%.
В опыте использовали 4 колонны: I и II - с внесением пестицидов, удобрений, биопрепарата, Ы и Па - с внесением пестицидов, без удобрений, без биопрепарата.
Разложение каждого из пестицидов исследовали с применением двух колонн: в одной находился препарат, содержащий микроорганизмы BЮ ACITV PH (Био Мерие С.А., Франция), способный разлагать фенолы, бензол, формалин и другие углеводороды, другая не содержала биопрепарата (контроль). Для установления правильного соотношения N : Р : К в почве и поддержания ее рН на уровне около 7 было применено питательное вещество AQUAFLOC (Био Мерие С.А., Франция).
Пестицид после растворения в 1 дм3 дистиллированной воды наносили на верхнюю поверхность колонны: колонна I - растворили 0.386 г №ОН и 1.439 г ОШС, колонна Ы - 0.371 г №ОН и 1.446 г DNOC, колонна II - 4.3 г препарата СТОМП, колонна Па - 4.3 г препарата СТОМП. Через 24 ч верхний слой почвы перемешивали до глубины 5 см, а еще через 24 ч почву поливали дистиллированной водой. Суточная доза воды на одну колонну была принята 6.6 дм3, что соответствует осадкам 150 мм/мес. (средняя величина осадков рассчитана на основании суммы осадков за год в районе проведения исследований). В течение эксперимента, после появления фильтрата, доза воды была уменьшена до величины 0.3 дм3/сут на одну колонну. После появления первой порций фильтрата патоки было добавлено питательное вещество AQUAFLOC - 17 г на одну колонну. Удобрение рассеивали равномерно на поверхности колонны и поливали дистиллированной водой в суточной дозе. Биопрепарат (ВЮ АСТГУ РН) массой 2.8 г, разведенный в 0.1 дм3 воды, был разлит по поверхности почвы. Эта процедура применялась для колонн I и II. В колонны !а и Па не добавляли ни питательного вещества, ни биопрепарата.
Бактерии биопрепарата - бактерии кислородного типа, в связи с чем два раза в неделю проводили аэрацию каждой колонны 10 л сжатого воздуха сверхдавлением 13.33 ЬРа.
Во время проведения эксперимента 1 раз в нед измеряли температуру почвы и окружающей среды, 1 раз в мес. измеряли рН фильтратов отдельных колонн.
Результаты измерений представлены на графиках (рис. 2, 3). Раз в неделю отбирали пробы фильтрата и определяли их фитотоксичность (табл. 2, 3; рис. 4); измерения выполняли также для дистиллированной воды (без пестицидов, удобрения, биопрепарата).
Проводилось также качественное определение пестицидов, содержащихся в фильтратах, с
Рис. 1. Поперечное сечение колонны: 1 - гравий фракции 3-10 мм (слой высотой 30 см); 2 - песок (слой высотой 30 см); 3 - почва (слой высотой 120 см); 4 - воздух; 5 - пестицид; 6 - патока.
применением метода газовой хроматографии (после одного месяца эксперимента и после его завершения). Хроматографическое определение выполняли также для фильтрата из незагрязненной почвы. Результаты этих определений представлены на хроматограммах (рис. 5-9).
Выполнение теста фитотоксичности. Тест состоит в измерении приращения корня проростка Cardamine через 24 ч после контакта с исследуемым фильтратом и сравнении полученных результатов с образцом, выращенным на дистиллированной воде. Семена Cardamine высеивали на чашку Петри (диаметром 80 мм) выложенную фильтровальной бумагой, смоченной дистиллированной водой, которую помещали в термостат при температуре 26°С. После истечения 24 ч для дальнейших испытаний выбирали проростки, корни которых не достигли длины 1 мм. Двадцать пять семян помещали на фильтровальную бумагу, смоченную 10 мл фильтрата и чашку ставили в термостат при температуре 25 ± 1°С и выдерживали в темноте очередные 24 ч. После этого измеряли длину корней проростков. Идентичные измерения выполняли для контрольной группы.
Для анализа результатов был применен метод распределения Стьюдента (Hellwig, 1970). Преде-
4
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.