Автореферат и диссертация по медицине (14.00.07) на тему:Исследование токсикогенетических свойств сточных вод предприятий целлюлозно-бумажной промышленности и их серосодержащих компонентов

^ ^НИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ И МЕДИНСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ ^ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

СИМОНОВА Елена Васильевна

Исслед чние токсикогенетических свойски ^точных вод предприятий целлюлозно-бумажной промышленности и их серосодержащих компонентов

14.00.07 — Гигиена

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Иркутск — 1996 г.

Работа выполнена в Иркутском государственном медицинском университете.

Научные руководители:

доктор медицинских наук, профессор Р. В. Киборт кандидат биологических наук, доцент В. В. Павленко

Официальные оппоненты:

доктор медицинских наук, профессор В. М. Прусаков доктор медицинских наук Е. Д. Савилов

Ведущая организация

• Институт- медицины труда и экологии человека ВСНЦ СО РАМН

Защита диссертации состоится__1996 г.

в _ ч. на заседании специализированного Ученого совета

(Д 84.26.01) в Иркутском государственном медицинском университете.

Адрес: 664003, г.-Иркутск, Красного восстания, дом ?>. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Иркутского государственного медицинского университета.

Автореферат разослан__ 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета, кандидат медицинских наук, доцент Г. А. Шилин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ИССЛЕДОВАНИЯ. Развитие промышленного производства с неизбежностью приводит к поступлению в окружающую среду огромного количества химических загрязнителей. В этой связи особую значимость приобретает проблема снижения и предотвращения нежелательных последствий их действия. Решение ряда ее практических задач неразрывно связано с экспериментальными исследованиями, на основе которых можно не только выявлять среди множества техногенных факторов биологически активные агенты, но и определять спектр индуцируемых ими повреждений, устанавливать степень их активности и прогнозировать отдаленные, в том числе генетические, последствия их действия на природные биоценозы. Ведь только так можно оценивать уровень их биологической опасности и, в случае необходимости,принимать те или иные технологические решения, которые могли бы способствовать оздоровлению природной среды.

Примером комплексного подхода к определению качества природной среды в условиях постоянного воздействия на нее промышленных выбросов предприятий целлюлозно-бумажной промышленности является настоящая работа. Целесообразность ее выполнения определяется,прежде всего тем,что предприятия этой отрасли составляют значительную долю в промышленном производстве Восточной Сибири,а их промышленные отходы являются приоритетными загрязнителями уникальных водоемов региона. Кроме того, несмотря на ряд публикаций, до сих пор не дана количественная оценка токсикогенетической активности сточных вод предприятий ЦШ. Практически отсутствуют сведения в литературе об измененнии их токсичности и мутагенности в процессе метаболической трансформации. По-прежнему остаются не изученными мутагенные свойства серосодержащих компонентов сточных вод предприятий ЦШ, хотя их токсичность исследовалась на различных организмах. Недостаточно хорошо известна и степень влияния сточных вод предприятий ЦШ на качество природной воды в водоемах, испытывающих их постоянное влияние. Все это требует дальнейшего изучения и свидетельствует об актуальности данных исследований..

Вышеизложенное послужило основанием для выбора темы настоящей, диссертационной работы, определило ее цель и задачи.

• ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Цель диссертационной работы - дать токсикогенетическую оценку биологической опасности сточных вод предприятий ЦШ, на примере Акционерного общества "Братский лесопро-

- г -

мышленный комплекс" (АО"БЛПК") и их серосодержащих компонентов по комплексу количественных показателей.

В соответствии с поставленной целью были определены следующие задачи:

- изучить токсикогенетическую активность очищенных и неочищенных сточных вод АО"БЛПК" и на основе экспериментальных данных определить биологическое качество их очистки;

- охарактеризовать токсические и мутагенные свойства сточных вод, образующихся на основных технологических этапах производства целлюлозы на АО"БЛПК" и выявить среди них наиболее загрязненные токсикантами и мутагенами;

- выявить спектр токсикогенетических повреждений,индуцируемых серосодержащими компонентами сточных вод предприятий ЦЕП и оценить уровень их активности в диапазоне концентраций,соответствующих их ГЩК или возможного содержания их в сточных водах;

- исследовать токсикогенетические эффекты проб воды из р. Вихо-ревой, отобранных в зоне сброса очищенных сточных вод АО "БЛПК" и определить степень их влияния на качество природной воды по комплексу количественных показателей;

- изучить изменения токсикогенетической активности сточных вод, прошедших все этапы очистки на АСГБЛПК" в зависимости от степени их разведения и установить безопасный в отношении эукариотических организмов уровень их разбавления по различным показателям,характеризующих токсичность и мутагенность.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ. При использовании токсикогенетического подхода к исследованию загрязнителей природной среды дана оценка токсических, мутагенных и промутагенных свойств сточных вод АО"БЛПК", которая позволила определить степень их потенциальной опасности для эукариотических организмов.

Впервые исследована по комплексу количественных показателей ток-сикогенетическая активность природной воды из р.Вихоревой в зоне ее антропогенного загрязнения и показана степень влияния сточных вод А0"БЛПК" на ее биологическое качество.

Экспериментально обоснована возможность применения "Способа оценки токсичности сточных вод" разработанного в соавторстве с сотрудниками лаборатории генетики Иркутского госуниверситета и признанного изобретением (А.С.1097947) для определения качества природных вод по комплексу- токсикогенетических показателей.

. - 3 -

Получены данные о токсикогенетических свойствах серосодержащих компонентов сточных вод предприятий ЦБП в широком диапазоне концентраций, генетическая актиьтгссть которых ранее не была изучена.

Исследованы концентрационные зависимости и установлены количественные характеристики токсических и генетических эффектов смесей серосодержащих веществ,что позволяет судить о их активности при совместном действии.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ И ВНЕДРЕНИЕ В ПРАКТИКУ. С использованием "Способа оценки токсичности сточных вод" количественно определены уровни токсического и мутагенного действия неразбавленных сточных вод, поступающих на очистные сооружения и прошедших на них все этапы очистки, что обеспечило возможность оценить качество их очистки по комплексу показателей.

Установленная токсикогенетическая активность сточных вод А0"ЕЛПК", образующихся на основных технологических этапах производства целлюлозы дает основания для определения уровня их загрязненности токсикантами и мутагенами,а также позволяет оценить' их влияние на качество сточных вод.поступающих на очистные сооружения, что обеспечивает возможность подойти к решению вопроса о необходимости совершенствования технологии производства.*

Обсуждается вопрос о биологической безопасности ЩК, установленных для серосодержащих компонентов сточных вод предприятий ЦБП.

Показана степень влияния серосодержащих компонентов на токсико-генетическую активность сточных вод предприятий ЦБП.

Данные о токсикогенетической активности сточных вод предприятий ЦБП и их серосодержащих компонентов могут быть рекомендованы санитарно-гигиеническим службам для использования в прогностической оценке при решении вопроса о степени их влияния на качество природной среды.

Научные данные о биологической опасности сточных вод предприятий ЦБП и их серосодержащих компонентов были использованы для обоснования рекомендаций,направленных на снижение отрицательного действия сточных вод в природных биоценозах.

По результатам исследования разработаны методические рекомендации "Биотестирование природных вод по комплексу токсикогенетических показателей", которые могут быть использованы как учебно-методическое пособие для студентов, интернов и аспирантов медицинских вузов и биологических факультетов университетов по санитарно-микробиологи-

ческим методам исследования качества природной среды.

Полученнные экспериментальные данные внедрены в Сибирском НИИ целлюлозы и картона, г. Братск (Акт внедрения от 15.12.93). Использование "Способа оценки токсичности сточных вод" для токсикогенети-ческого тестирования природных вод прошло апробацию в Гидрохимическом институте (г.Ростов-на-Дону) и принято научно-технической комиссией по оценке и систематизации методов биотестирования (Протокол апробации биотеста на дрожжах-сахаромицетах на природных водах от ■16.11.89).

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ.

1. По комплексу количественных показателей охарактеризована ток-сикогенетическая активность неочищенных и очищенных сточных вод АО"БЛПК". В процессе очистки сточных вод снижается их токсичность и мутагенность в отношении ядерных генов. Сточные воды, прошедшие все этапы очистки и сбрасываемые в природный водоем, характеризуются как токсиканты со средней мутагенной активностью.

2. Высокой токсикогенетической активностью обладают сточные воды с основных технологических этапов производства целлюлозной массы. Причем, сточные воды, формирующиеся на этапе варки проявляют выраженную токсичность, а Сточные воды с этапа ее отбеливания - мутагенность.

3. Серосодержащие компоненты сточных вод предприятий ЦБП ( диме-тилсульфид, диметилдисульфид, диметилсульфоксид, диметилсульфон и их смеси ) проявляют токсические свойства. ДМСО, ДМДС и ДМСО характеризуются специфичностью действия в отношении генетических структур,локализованных в цитоплазме эукариотической клетки. Другая группа исследуемых соединений обнаруживает мутагенную активность неспецифического типа. Величина токсичности и мутагенности зависит от концентрации серосодержащих соединений. Токсикогенетическая активность ДМС и ДМДС в диапазоне концентраций, соответствующих величине установленных для них ПДК, не обеспечивают им биологическую надежность. В связи с этим,появляется необходимость' пересмотреть уро-" вень содержания этих веществ в воде природных водоемов.

4. Вода р. Вихоревой загрязняется токсикантами и мутагенами,поступающими в нее с промышленными сточными водами А0"БЛПК".

АПРОБАЦИЯ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ. Основные положения работы доложены на заседаниях Секции генетических аспектов проблемы "Человек

и биосфера" МНТС при ГКНТ СССР, г.Иркутск, 1984; Орджоникидзе ,1986;. Ярославль,1987; на республиканском совещании "Проблемы экологии Прибайкалья", г.Иркутек,1979,1982; на Всесоюзной Байкальской школе-семинаре "Научное обоснование й разработка системы комплексного регионального мониторинга состояния озера Байкал", г. Байкальск, 1983; на 1-*ой научно-практической конференции "Проблемы охраны природы", посвященной Всемирному дню охраны окружающей среды, • г. Байкальск,1983; на ХУ1-ой конференции по химии и технологии органических соединений серы и сернистых нефтей .г.Рига,1984; ХХ1Х-ом Всесоюзном гидрохимическом совещании, посвященном "Состоянию и перспективам развития методологических основ химического и биологического мониторинга поверхностных вод и суши", г. Ростов-на-Дону,1987; • У-ой Всесоюзной конференции по водной токсикологии, г. Одесса, 1988; на Всесоюзной конференции по химическому мутагенезу, г. Москва, 1986; на Областной конференции "Состояние здоровья населения города Иркутска в связи с техногенным загрязнением окружающей среды, г. Иркутск, 1991; семинарах лаборатории генетики Иркутского госуниверситета; на Обществе микробиологов, г. Иркутск,1993; на региональной научно-практической конференции "Современные проблемы и методологические подходы изучения влияния факторов производственной деятельности на здоровье человека",г. Ангарск,1994; на научно-технических советах Байкальского института экологической токсикологии и Сибирского НИИ целлюлозы и картона Минлесбумпрома; демонстрировались на выставках ВДНХ СССР в 1982 и 1984 гг. (удостоверение N 33101 и 17947). Материалы были представлены на специализированной выставке-ярмарке с международным участием "Сибздравоохранение. Медицинская техника и лекарственные препараты" совместно с фирмой "Клон",19'94 г.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, одной главы обзора литературы,описания материалов и методов исследования, главы собственных исследований и обсуждения полученных результатов, общих выводов, рекомендаций для внедрения в практику. Указатель основного списка использованной литераткры включает 263 источника, в том чиелне 79 иностранных. Материалы изложены на 164 страницах машинописного текста, проиллюстрированного 32 таблицами и 14 рисунками.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Штаммы. В работе использовали гетероталличные штаммы дрожжей ЗассИагошусез сегеу!з1ае,относящиеся

- б -

к Петергофской генетической коллекции дрожжей. Условно прототрофный штамм 15В-П4,1-типа спаривания и имеющего генотип: aux+alk<'rgh+ rho* используется в качестве тест-объекта. Для определения генетической детерминации признака дыхательной недостаточности при проведении гибридологического анализа применяли штаммы S.cerevisiae,имеющие генотипы: L ade"alk*rgh*rho" и L ade'alk'rgh^rho" «которые были получены от исходного штамма 15В-П4 под действием химических веществ и повышенной температуры.

Методическое решение поставленных задач включало применение комплекса оригинальных .токсикогенетических методов, разработанных в соавторстве с сотрудниками лаборатории генетики Иркутского госуниверситета: "Способ оценки токсичности сточных вод" и "Способ определения ' мутагенной активности химических веществ".

МЕТОД ОЦЕНКИ ТОКСИЧНОСТИ СТОЧНЫХ ВОД. Обработку клеток дрожжевой культуры изучаемыми агентами и определение их токсической и мутагенной активности проводили 6 соответствии с описанием данным .в A.C., СССР N 1097947, 1983.

МЕТОД ОЦЕНКИ МУТАГЕННОЙ АКТИВНОСТИ ХИМИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ. Экспериментальные исследования по определению изменения токсикогенетической активности в процессе метаболической трансформации за счет эндогенных ■ оксидазных ферментов выполнены на основе А.С.,СССР, N 1200577.

Для идентификации ауксотрофных мутантов, индуцированных сточными водами предприятий ЦБП и их серосодержащими компонентами использовали ауксонографический метод Холлидея (Holliday,1956)

При статистической обработке результатов исследования токсичес-

р

ких эффектов применяли медод Стъюдента и метод X - для мутагенных эффектов (Плохинский, 1978).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ СОБСТВЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

1. Токсикогенетческая характеристика сточных вод предприятий целлюлозно-бумажной промышленности

Экспериментальные исследования,выполненные с применением токсикогенетических методов исследования позволили получить информацию о биологических особенностях действия сточных вод крупнейшего предприятия целлюлозно-бумажной промышленности - Акционерного общества "Братский лесопромышленный комплекс"(А0"БЛПК") и определить степень их опасности.

а

Было продемонстрировано, что очищенные сточные воды, перед спуском их в природный водоем обладают" токсичностью и мутагенностью (таблица 1). Так,при . отсутствии цитостатического эффекта, под их

Таблица 1

Токсикогенетическая активность очищенных сточных вод АО "БЛПК"

Число

Токсичность:

Мутагенность:

проана-Варианты .газированных Цитоста- Деталь-колоний тический ный эф-эффект.ч фект, X Ь + т х + и

Частота

ядерных

мутантов

на 10"4

выживших

клеток

Частота митохо-ндриа -ных мутантов на 10"3 выживших клеток

Опыта (1:0) 9071 0,0 + 0,0 33,8 ± 2,4 4,4О Контроль 12457 0,0 + 0,0 0,00

Спонтанный уровень 0,10

44,0

51,0 7,0

7,3

действием погибает от 23,9 до 47,2 7. клеток тест-культуры (х =33,8 + 2,4 X). Они индуцируют ядерные мутанты: ауксотрофные,дыхательные и морфологические с частотой, превышающей спонтанный уровень их возникновения в 44,0 раза. Кроме того, у дрожжевой культуры под их действием возникают мутационные события, приводящие к появлению ми-тохондриальных мутантов с дыхательной недостаточностью. В опытных вариантах этот тип мутантов можно обнаружить в 7,3 раза чаще, чем в контроле.

При изучении изменения токсикогенетической активности очищенных сточных вод А0"БЛПК" в процессе метаболической активации было показано, что продукты их деструкции,образующиеся в клетках дрожжей при участии цитохрома Р-450, также как и они сами, обладают токсичностью и мутагенностью. Причем, образовавшиеся в результате биохимических превращений метаболиты становятся более активными в токсикогенетической отношении по сравнению с исходными образцами сточной воды.

Полученные в экспериментальных исследованиях данные позволяют отнести очищенные сточные воды к токсикантам со средней мутагенной

ч

активностью, вызывающие широкий спектр генетических нарушений в ядерной и митохондриальной ДНК. Уровень их токеикогенетичесмой активности зависит от состояния функционирования метаболизиругацей системы оксидазных ферментов, в том числе и цитохрока Р-450. Кроме того, качественный и количественный состав химических ингредиентов, присутствующих в сточных водах,также определяют их токсические и мутагенные свойства.

В связи с тем, что очищенные сточные воды предприятий ЦЕЛ имеют выраженную токсикогенетическув активность правомерно поставить вопрос о том, насколько эффективно осуществляется их очистка. Для этого была проведена серий специальных исследований, в которых изучалось токсикогенетическое действие неочищенных сточных вод (таблица 2).

Таблица 2

Токсикогенетическая активность неочищенных сточных вод АО"ВЛПК"

Варианты Число

Токсичность:

Мутагенность:

сточных проааа-вод.пос- дизиро-тупающих ванных Цитоста- Детальна: колоний тический ный эф-эффект.ч фекг, 2 1 ± ш х + и

Частота

ядерных

мутантов

на 10"4

выживших

клеток

Частота митохо-ндриа -ных му- & " тантов ■ 1 на Ю-3 выживших клеток

&

биосорбцию 1 2646 12,0±3,7 58,8*7,5 1,23 123,0 45.0 3,5

биосорбцию 2 2338 12,0±4,0 64,4*7,9 - 48,3 3.8 биологическую

очистку 1 3733 12,0±2,5 50,2+5,7 0,27 27,0 58,1 4,6. биологическую

очистку 2 3602 12,0+3.0 51,7*7,4 0,28 28,0 60,0 4,7

Контроль 6992 0.0+0,0 0,00 12,7 Спонтанный уровень 0,01

* опытные варианты по показателям токсичности и мутагенности достоверно различаются с контролем (р < 0,05)

Заметим, что формирующиеся на разных технологических этапах произ-

водства целлюлозы сточные воды поступают на очистные сооружения по раздельным стокоотведениям в четыре потока.

Установлено,что неочищенные сточные воды обладают высокой токсичностью. При этом она проявляется как в цитостатическом, так и в летальном эффектах. Наиболее токсичными среди них оказались сточные воды, поступающие на биосорбцию.

Сточные воды, поступающие на очистные сооружения не обнаруживают специфического действия 'в отношении генетического материала эукарио-тической клетки дрожжей. Мутационные события, индуцируемые ими, формируют появление ядерных и митохондриальных мутантов в клеточной популяции штамма 15В-П4.

Неочищенные сточные воды по уровню их активности следует охарактеризовать как агенты с высокой токсичностью и средней мутагенностью.

Сопоставляя показатели токсичности и мутагенности неочищенных и очищенных сточных вод предприятий ЦБП, можно попытаться оценить эффективность технологии их обезвреживания на очистных сооружениях. Обращает на себя внимание, что в процессе очистки сточных вод снижается их токсичность. Так, в отличае от неочищенных .очищенные сточные воды не обладают цитостатическим действием. По величине летального эффекта они также оказались в 1,5 - 1,9 раза менее активнее, чем сточные воды,поступающие на очистные сооружения. В то же время такой закономерности в отношении мутагенности этих агентов проследить не представляется возможным. Мутации дыхательной недостаточности, детермированные митохондриальной ДНК можно чаще обнаружить в опытах с очищенными сточными водами.

Изложенное выше позволяет утверждать, что в. процессе сточных вод токсичность у них снижается, а генетическая активность, при этом, может возрастать.

2. Токсикогенетческая характеристика сточных вод, образующихся после варочного и отбельного этапов производства целлюлозы

Сточные воды , формирующиеся на стадии варки целлюлозы обладают высокой токсичностью (Ь> 24 ч; Ь>50%) и слабой мутагенностью (& < 10). При этом они обнаруживают специфичность в отношении генетического материала дрожжевой клетки, что связано со способностью индуцировать у тест-штамма мутации только одного типа (гЬо"). В отличие от них, сточные воды, образующиеся после стадии отбеливания целлюлозы

характеризуются как умеренные токсиканты (не вызывая цитостатическо-го эффекта,они приводят к гибели до 43,1 % обработанных ими клеток) с высокой мутагенной активностью (& > 100). Индуцируемые ими мутации преимущественно затрагивают ядерную ДНК, в результате с высокой частотой возникают ауксотрофные и дыхательные мутанты (таблица 3).

Таблица 3

Токсикогенетическая активность сточных вод с основных технологических этапов производства целлюлозы

Определяемые Количественные показатели активности

показатели сточных вод,образующихся после:

варочного процесса отбельного процесса

цитостатический эффект (ч.) 32,0 + 3,4 0,0 ± 0,0

летальный эффект

(X гибели клеток) 86,5 + 7,8 43,1 + 4,2

мутагенный эффект

(коэффициент превышения над кон-

тролем или спонтанным уровнем):

&я 237,0

6,9 4,9

Заключение о сте - Высоко токсичные Умеренно токсичные

пени их активности и слабо мутагенные и высоко мутагенные

Сравнительный анализ позволил определить степень загрязнения токсикантами и мутагенами сточных вод,образующихся на основных этапах производства целлюлозы. Высокий цитостатический эффект, а также способность приводить к большей гибели числа обработанных клеток тест-культуры отличает сточные воды с этапа варки целлюлозы от сточных вод с этапа ее отбеливания. Однако, мутагенность сточных вод с этапа отбел вания во много раз выше, чем у сточных вод, формирующихся в процессе варки. Следует также отметить,что под действием сточных вод,образующихся после отбеливания целлюлозы преимущественно возникают генетические события в ядерной ДНК, в то время как данный тип мутаций в опытах со сточными водами с этапа варки целлюлозы не выявлен.

На основании собственных исследований, а также при анализе дан-

ных, обсуждаемых в литературе мы пришли к заключению, что глубокая переработка древесины - сложный технологический процесс. Образующиеся на разных этапах производства сточные воды имеют не одинаковый качественный и количественный состав загрязняющих веществ. При этом,поступая в формирующийся поток сточной воды,промышленные выбросы со стадии варки целлюлозы привносят в него вещества,обладающие выраженной токсической активностью,а с этапа ее отбеливания - мута-генноактивные.

3. Токсикогенепгические свойства серосодержащих соединений - основных компонентов сточных вод предприятий ЦБП

Исходя из того, что сточные воды предприятий ЦБП, характеризуются выраженной токсичностью и мутагенностью, правомерно поставить вопрос: можно ли связать их токсикогенетическую активность с присутствующими в них серосодержащими соединениями, которые образуются в процессе сульфатной варки целлюлозы ? Экспериментальные и теоретические подходы к решению данного вопроса были выполнены в данном разделе диссертационной работы.

Исследованы концентрационные зависимости токсического и мутагенного действия серосодержащих компонентов сточных вод предприятий ЦБП: диметилсульфида (ДМС).диметилдисульфида (ДВДС), диметилсульфок-сида (ДМСО), диметилсульфона (ДМСФ) с использованием токсикогенети-ческих методов (рисунок 1). Показано,что при отсутствии цитостати-ческого эффекта, все исследуемые вещества обладают летальным действием. Величина гибели клеток штамма 15В-П4 зависит только от концентрации исследуемых агентов. Анализ концентрационных зависимостей серосодержащих соединений позеолил рассчитать величины концентраций, вызывающих гибель 5, 25 и 50 % клеток тест-культуры от числа обработанных (таблица 4). Как при низких (СЬ5 ),так и при высоких концентрациях (СЬ ^^ и СЬ ... ) наиболее токсичным оказался ДМСД, активность которого превышает"другие соединения на порядок. По степени убывающей активности все изученные вещества следует распределить в следующий ряд: ДВДС > ДМС > ДМСО > ДМСФ.

В отношении мутагенности серосодержащих агентов следует отметить такие особенности, как:

- мутагенный эффект зависит от их концентрации;

- между мутагенностью и токсичностью существует корреляционная

Токсическое и мутагенное действие серосодержащих соединений

-3-113 -3-113

концентрации, мг/л • концентрации, мг/л

Рис. 1

1 - ДОС 2- ДМДС 3 - ДМСО 4 - ДМСФ

сеязь,

- ДКЩС, ДМСО и ДМСФ проявляют специфичность действия на генети-

Таблица 4

Концентрации серосодержащих соединений,вызывающие равные токсические'эффекты

Исследуемые соединения С1 5 СЬ25

ДМС 6,3' 110,0 34,0-10*

ДМДС 1.2' ■ ю--" 25,0 7,4-10*

ДМСО 18,0' ■10* 190,0 860,0-10*

ДМСФ 86,0' ■Ю* 960,0 640,0-10*

ческий материал клеток дрожжей: под их действием появляются только мутаиты с дыхательной недостаточностью, воэнипопщпе оа счет мутаций

в митохондриальной ДНК;

- ДМС,в отличие от названных выше, индуцирует мутации неспецифического типа. Среди них встречаются ауксотрофные и морфологические мутации, возникновение которых связано с нарушением в ядерной ДНК, а также индуцирует митохондриальные мутации с дыхательной недостаточностью.

Оценить относительную степенть мутагенности серосодержащих компонентов сточных вод можно на основе сравнения величины & При равных токсических эффектах (таблица 5)/ При концентрациях, вызывающих ги-

Таблица 5

Мутагенная активность серосодержащих соединений при их изоэффективной токсичности

Исследуе- Мутагенность при

мые соединения СЬ- 0 & & & Я 11 я С1'25 • &п И- 5С & я & :.1

ДМС 4,6 28,0 7.3 65,0 10,0

щс 2,3 5,7 9,0

ДМСО 3,0 7,0 ' - 9,5

ДМСФ 1,3 3.7

бель 5 % клеток от числа обработанных,все исследуемые вещества индуцируют только гЫ"-мутации. Среди них генетической активностью обладают только ДМС и ДМСО. Другие при равных с ними условиях не активны в генетическом отношении. При концентрациях,вызывающих гибель 25'и. 50 % обработанных ими клеток штамма 15В-П4 по уровню мутагенности можно распределить в следующий ряд: ДМС>ДМС0>ДМДС>ДМСФ.

Обобщая вышеизложенное, можно заключить, что среди изученных серосодержащих компонентов сточных вод ИБП наиболее выраженными в генетическом отношении является ДМС. ДМДС, не обладая мутагенной активностью, эффективно проявляет свои токсические свойства. Продукты их окисления - ДМСО и ДМСФ обнаруживают невысокую токсичность и мутагенность .

Известно, что содержание серосодержащих соединений в воде водоемов лимитировано. На основе данных, полученных в экспериментальных исследованиях, можно попытаться охарактеризовать по уровню токсико-

генетической активности исследуемых веществ установленные для них ПДК.' Так, по показателям токсичности ПДК для ДМС соответствует ее минималыюдействующей концентрации, а вот по уровню мутагенности она не гарантирует его генетическую безопасность. Значить, лимитирующим показателем вредности для ДМС должна быть мутагенность. В отличае от него.ДМДС при СЬо генетически не активен. В то же время,установленная для него ПДК не обеспечивает ему биологической надежности по показателям токсичности. В этом случае, лимитирующим показателям является токсичность. Содержание ДМСО и ДМСФ в сточных водах, а также в воде природных водоемов в настоящее время не регламентируется. Установленные для этих веществ минимальнодействующие концентрации можно рассматривать как биологически безопасные.

Таким образом, выявленные токсикогенетические эффекты серосодержащих компонентов сточных вод предприятий ЦБП делают очевидной необходимость пересмотра традиционного подхода к нормирование вредных веществ, так как предусмотренные до сих пор методические приемы определения ГЩК для этой группы веществ не могут гарантировать им биологической безопасности. В связи С этим , представленные экспериментальные данные, на наш взгляд,являются достаточно веским аргументом для применения токсикогенетических подходов при разработки рекомендаций по регламентированию загрязнителей техногенного происхождения.

4. Токсикогенетические сЕойсяша смеси серосодержащих соединений - компонентов сточных вод

Поскольку серосодержащие компоненты сточных еод предприятий ЦБП обладают биологической активностью, то практический интерес представляет вопрос о том: будут ли они изменять свои токсикогенетические свойства при их совместном действии ? В связи с этим была предпринята попытка оценить токсикогенетическую активность модельных смесей серосодержащих соединений и сравнить их действие.по комплексу показателей с отдельными компонентами,входящими в состав анализируемых смесей.

Показано, что в силу своей специфичности каждая из них становится эффективной лишь при определенных условиях (рисунок 2). Это подтверждается сравнительной оценкой токсикогенетической активности при их действии на зукариотическую клетку дрожжей. Во-первых,не обладая цитостатическим эффектом, исследуемые агенты обладают деталь-

- 15 "

Токсикогенетическая активность смесей серосодержащих соединений - компонентов сточных вод предприятий ИБП / ^)

I I I I I ^ __ 11)1111

-3-113 -3-113

концентрации,мг/л концентрации, мг/л

Рис.2

1 - смесь А 2 - смесь В

ным действием на клетки штамма 15В-П4. Уровень их активности зависит от концентрации. При этом смесь А, в состав которой входит ДМС и ДВДС менее токсична, чем смесь В, в которой кроме названных веществ присутствует ДМСО. Для смеси А установлена та же закономерность, которая характеризует зависимость между величиной летального эффекта и концентрацией, что и для отдельных веществ .входящих в ее состав. Это говорит о том, что ДМС и ДМЦС имеют однонаправленный механизм действия. Во-вторых,обе изученные смеси серосодержащих • соединений обладают мутагенным действием. При концентрации, вызывающей гибель 5 7. клеток штамма 15В-П4 от числа обработанных, они индуцируют только митохондри&льные мутации с дыхательной недостаточностью. Причем, при этих условиях они проявляют слабую мутагенную активность (& <10). При более высоких изоэффективных концентрациях (СЛ^д и СЬ^ ) они индуцируют не только митохондриальные мутации, но и ядерные. Величина & , характеризующая мутагенность в отношении ядерных генов позволяет отнести их к мутагенам со средней активностью. В тоже время, по способности индуцировать гЬю* -мутации они относятся к веществам со слабой мутагенной активностью (&<10). Только смесь В при СЬзд характеризуется по этому показателю как агент со средней активностью, так как ее мутагенность превышает величину & в 10 раз. Среди ядерных мутантов, индуцируемых смесями, идентифицированы ауксотрофные, морфо-

-16 -

логические и дыхательные мутацты.

5. Влияние промышленных сточных вод предприятий ЦБП на состояние природных водоемов и возможные пути снижения их отрицательного воздействия

Промышленное производство является мощным фактором антропогенного воздействия на окружающую среду. Не составляет исключения и целлюлозно-бумажное производство. Учитывая то обстоятельство,что сточные воды,прошедшие все этапы очистки обладают токсичностью, а также индуцируют мутационные изменения неспецифического типа можно утверждать, что существующая сегодня технология обезвреживания сточных вод на предприятиях ЦБП не обеспечивает им токсикогенетическую безопасность с учетом существующих подходов для определения допустимых уровней загрязнения / Drakes Jhn W., 1975/. Однако, безоговорочно ставить вопрос о их полном устранении не представляется возможным. С одной стороны, это обусловлено, тем, что ЦБП относится к экономически и социально важному производству, без которого общество обойтись не может. С другой - вопрос о возможности их распространения решается для агентов со средней и слабой мутагенной активностью, а таковыми являются сточные воды данных предприятий,в зависимости от технологических возможностей общества /Лекявичус Р.К.,1983; Павленко В.В.,1987 и др./ Вместе с тем, для определения технологических путей, обеспечивающих нанесение минимального ущерба природном водоемам в результате поступления в них промышленных сточных вод, необходимы сведения о степени их влияния на качество воды в зоне сброса. Для этого необходимо знать: загрязняется ли природная вода в водоеме-приемнике сточных вод токсикантами и мутагенами. И если да, то насколько они опасны для природных биоценозов.

Ответить на поставленный круг вопросов, а также подойти к разработке практических рекомендаций, направленных на снижение отрицательного действия сточных вод предприятий ЦБП позволили экспериментальные исследования, выполненные с применением токсикогенетических методов. Наряду с данными, представленными в данной работе, также привлечены сведения, полученные ранее при изучении токсикогенетических свойств воды р.Вихоревой, испытывающей постоянное влияние сточных вод А0"БЛПК" / Симонова Е.В., 1988,1989,1991/.

Показано, что не проявляя цитостатических свойств, вода из р.Вихоревой, обнаруживает способность снижать жизнеспособность

тест-культуры. Так, пробы воды из условно чистого створа вызывают незначительную гибель и эта величина достоверно не отличается от контрольного уровня (Р>0,05). В тоже время, степень загрязненности воды токсическими веществами в пробах, отобранных в зоне сброса сточных вод в 4,5 раза выше по ставненио с пробами воды их условно чистого створа. Подобная закономерность прослеживалась и при определении мутагенности данных образцов природной воды. При их действии в клеточной популяции возникали мутации дыхательной недостаточности, имеющие митохондриальное происхождение. И только в вариантах опытов с пробами воды из зоны сброса сточных вод зарегистрированы ядерные мутанты (ашО • Вода из условно чистого створа была определена как не активная в токсикогенетическом отношении и как умеренно токсичная со средней мутагенностью - вода из зоны влияния сточных вод предприятий ЦБП. Из этого следует, что в зоне сброса сточных вод происходит загрязнение р. Вихоревой токсикантами и мутагенами. Учитывая это обстоятельство, а также степень токсической и мутагенной активности очищенных сточных вод, можно прийти к заключению : предприятия ЦБП способствуют росту суммарного объема выбросов биологически активных веществ,а следовательно, увеличивают опасность недопустимого загрязнения природной среды.

Обсуждая возможные пути снижения нежелательных последствий действия сточных вод предприятий ЦБП, мы попытались определить минимальную степень разбавления сточных вод очищенных сточных вод, при которой будет обеспечиваться их биологическая безопасность / Симонова Е.В., 1982; 1987; 1988; Павленко В.В., Трубачеева Л.Я. .Симонова Е.В.,1990/. Для этого выполнены исследования,в которых показано изменение токсикогенетической активности очищенных сточных вод в зависимости от степени их разбавления. Анализ полученных результатов дал возможность установить, что с увеличением разбавления сточных вод их токсичность и мутагенность снижается. При определении безопасного уровня поступления сточных вод предприятий ЦЕП в природные водоемы исходили из того,что по токсикогенетическим показателям можно рекомендовать такие разбавления, которые не обладают токсичностью достоверно не снижают жизнеспособность тестерной культуры и не проявляют цитостатического действия, а также не увеличивают мутирование более более, чем в 2 - 2,5 раза по сравнению с контролем. Принимая во внимание это обстоятельство, можно считать,что сточные воды, разбавленные более чем в тысячу раз являются биологически безопасными. Однако, поступая в природный водоем сточные воды не разбавляются в нем

до степени допустимого значения. Об этом убедительно свидетельствует сравнительный анализ, полученный при сопоставлении уровня токсической и генетической активности разбавленных сточных вод АО"ЕЛПК" и проб воды из р.Вихоревой, отобранных в воне их сброса. Выявлено, что по величине определяемого комплекса показателей пробы воды из анализируемой точки соответствуют сточной воде, разбавленной всего лишь в десять раз.

Возвращаясь к вопросу о степени влияния сточных вод предприятий ЦБП на качество воды в природных водоемах не следует забывать о том, что они могут быть не единственным источником их техногенного загрязнения. Именно такой случай нам пришлось наблюдать при определении биологических свойств воды р.Вихоревой. Продемонстрировано, что пробы воды, отобранные.выше по течению реки от точки сброса сточных вод АО"БЛПК", также характеризуются как умеренные токсиканты со слабой мутагенностью. Выраженная токсикогенетическая активность этих образцов природной воды, обусловлена сточными водами,поступающими в р.Ви-хоревую с еще одного гиганта промышленной индустрии - Братского алюминиевого завода (БРАЗ). Следовательно, промышленные выбросы двух крупнейших придприятий - АО"БЛПК" и БРАЗа внЬсят весомый вклад в процесс загрязнения этой небольшой реки, дебед воды которой составляет всего лишь 21 кубометр в минуту / Черкасов - А.Е.,Четко Т.П. ,1975/. При этом концентрация больших производственных мощностей в составе этих предприятий, широкий ассортимент выпускаемой продукции и водоемкость их технологий определяют сложный химический состав промышленных сточных вод. Кроме того, объем их так велик,что фактически, они превращают эту реку в естественный коллектор сточной воды. Значит, эта сибирская речка, берущая начало на склонах Катар-минского хребта и впадающая в уникальное Усть-Илимское водохранилище ниже Братской ГЭС, уже сегодня испытывает мощное влияние промышлен-• ных предприятий, загрязняющих ее токсикантами и мутагенами. Не исключено, что в результате такого воздействия могут возникнуть нежелательные последствия в природных биоценозах водоема. В связи с этим становится понятно, что проблема предотвращения загрязнения природной среды факторами антропогенного происхождения преобретает все более важное значение. Для поддержания оптимального качества природных водоемов, подверженных техногенному воздействию, необходимо скорейшее решение ряда практических задач.

Представляется возможным использовать экспериментальные данные, полученные с применением токсикогенетических методов исследования

; • - 19 "

и рассмотренных в настоящей работе, для разработки предложений, направленных на оптимизацию качества сбрасываемых сточных вод предприятий ЦБП.

ВЫВОДИ

1. На основе экспериментальных исследований, выполненных с применением токсикогенетических методов, получена информация о биологических особенностях действия промышленных сточных вод крупнейшего предприятия ЦБП - А0"БЛПК" и определена степень их опасности.

2. Сточные воды, поступающие на очистные сооружения, проявляют высокий цитостатический и летальный эффект по отношению к дрожжевой культуре S.cerevisiae , а также индуцируют широкий спектр генетических нарушений в ядерной и митохондриальной ДНК.

3. Промышленные сточные воды в большей степени загрязняется на стадии варки целлюлозы токсикантами, а на этапе ее отбеливания - мутагенами.

'4. В процессе очистки сточных вод снижается их токсикогенетичес-кая активность.

5. Очищенные сточные воды предприятий ЦБП характеризуются как токсиканты со средней мутагенной активностью. Минимальным разбавлением, обеспечивающим биологическую безопасность сточных вод, прошедших все этапы очистки на А0"БЛПК", можно считать тысячекратное разбавление.

6. Установлены концентрационные зависимости токсических и генетических эффектов серосодержащих компонентов сточных вод предприятий ЦБП. Гоксикогенетическая активность серосодержащих веществ коррелирует с их концентрацией. При концентрациях 0,01 - 0,001 мг/л исследуемые вещества - малоактивны в токсикогенетическом отношении . При более высоких концентрациях ДМС - токсикант со средней мутагенной активностью; ДМДС.ДМСО и ДМСФ - слабые мутагены с выраженной токсичностью.

7. Качественный и количественный состав химических компонентов, входящих в смесь серосодержащих соединений определяет их токсические и мутагенные свойства. К токсикантам со средней мутагенной активностью следует отнести смеси А и В при концентрациях 1000,0 -О,1 мг/л. При более низких концентрациях - это слабые токсиканты и мутагены.

- 20 -

ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО УЛУЧШЕНИЮ БИОЛОГИЧЕСКОГО КАЧЕСТВА СБРАСЫВАЕМЫХ СТОЧНЫХ ВОД АО"БЛПК"

1. Исходя из уровня токсикогенетической активности сточных вод, прошедших все этапы очистки, целесообразно совершенствовать технологию производства и системы очистки сточных вод. При оценке эффективности новых вариантов технологий в процессе их разработки и апробации рекомендовать,наряду с традиционными, применение методов токси-когенетики.

2. Учитывая,что сточные воды с разных технологических этапов производства целлюлозы обладают не одинаковой токсикогенетической активностью, усиливающейся при формировании единого потока, следует предложить внедрение установок для локальной очистки. Для этих целей предпочтительнее использовать биологические системы.

3. С учетом экологических проблем предложить пересмотреть нормы содержания серосодержащих веществ: . ДМС и ДМДС. Исходя из уровня их токсикогенетической активности, эта величина не должна превышать в .сбрасываемых сточных водах 0,06 мг/л. Установленные ПДК содержания в

воде водоемов для ДМС и МДС нуждается в корректировке. «

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1. Симонова Е.В. Исследование концентрационных зависимостей мутагенного и токсичного действия серосодержащих соединений метилсер-нистого ряда на дрожжи // Проблемы экологии Прибайкалья. 2.Эколо-го-генетические вопросы функционирования природных систем. Иркутск, 1979. С. 27-28.

2. Исследование концентрационных зависимостей токсических и генетических эффектов фенольных и серосодержащих компонентов промстоков и их смесей на генетических моделях / Павленко В.В.Симонова Е.В.Друбачеева Л.Я. и др.//Отчет по НИР НИИВ ИГУ. Иркутск,1980. N гос.per. 79078224, инв. N 0282.0066480. 127 с.

3. Исследование токсических и генетических эффектов промстоков Братского лесопромышленного комплекса на генетических моделях /Павленко В.В. .Симонова Е.В. .Чемерилова В.В.// Отчет по НИР НИИБ ИГУ. Иркутск,1982. N гос.per. 79078224. 78 С.

4. Токсикогенетическая характеристика сточных вод Братского и Усть-Илимского ЛПК / В.В.Павленко,Е.В.Симонова // Отчет по НИИ НИИБ

ИГУ. Иркутск,1982. N гос.per. 01822018680, iure.N 02830025306& 104 с.

5. Симонова Е.В..Чемерилова В.И. Токсикогенетическое исследование промстоков на генетических моделях // Проблемы экологии Прибайкалья. 5. Генетические,физиологические и биохимические аспекты экологического мониторинга. Иркутск,1982. С. 24-25.

6. Симонова Е.В..Трубачеева Л.Я. Исследование токсического и мутагенного действия комплексных смесей фенольных и серосодержащих соединений на штамм 15В-П4 дрожжей-сахаромицетов // Проблемы экологии Прибайкалья. 5. Генетические,физиологические и-биохимические аспекты экологического мониторинга. Иркутск,1982. С. 26-27.

7. Павленко В.В..Трубачеева Л.Я..Симонова Е.В. Зависимость токсического и мутагенного действия фенольных и серосодержащих соединений от концентрации // Проблемы охраны природы. Байкальск,1983. С.26-27.

8. Симонова Е.В..Павленко В.В.Изучение концентрационных зависимостей токсических и генетических эффектов метилсернистых соединений // Проблемы охраны природы, Байкальск,1983. С. 45.

9. Сопоставление мутагенного и токичного действифромстоков различных производств. Токсикогенетическая характеристика сточных вод Амурского целлюлозно-картонного комбината / Павленко В.В.,Симонова Е.В. // Отчет по НИР НИИБ ИГУ, Иркутск,1983. N гос.per. 79078224. С.. 39.

10. Способ оценки токсичности сточных вод / Павленко В.В..Демидова Л.А..Симонова Е.В.и др. // A.C. N1097947 (СССР). Заявл. 16.02.83, N 3557440/28-13; опубл. в БИ 1984, N 24, МКИ GCI,33/18; 01 N 33/00; GCI 2 1/00

11. Симонова Е.В..Нямхишинг Самбуу Изучение концентрационных зависимостей токсических и генетических эффектов смесей метилсернистых соединений // Тест-система для оценки мутагенного потенциала загрязнителей окружающей среды. Иркутск,1984. С. 46-47.

12. Влияние дивинилсульфида на санитарный режим водоемов и его токсикогенетические свойства / Глухарев Ю. А..Уждавини Э.Р.,Симонова Е.В. и др. // XYI Конференция по химии и технологии органических соединений серы и сернистых нефтей, Рига,1984. С. 90-91.

13. Павленко В.В..Симонова Е.В. Влияние серосодержащих соединений на токсикогенетическую активность сточных вод целлюлозно-бумажных предприятий // Генетические последствия загрязнения окружающей среды . Орджоникидзе,1986. С. 86-87.

14. Симонова Е.В..Павленко В.В. К вопросу токсикогенетического обоснования допустимых концентраций метилсернистых соединений в сточных водах ЦБП // Состояние и перспективы развития методологических основ химического и биологического мониторинга поверхностных вод суши. Ростов-на-Дону,1987, т. 2. С. 75.

15. Симонова Е.В. Исследование токсикогенетической характеристики сточных вод ЦБП // Состояние и перспективы развития методологических основ химического и биологического мониторинга поверхностных вод суши. Ростов-на-Дону,1987, т. 3. С.109.

16. Дать комплексную количественную оценку сточных вод ЦБП и их компонентов по токсикогенетическим показателям / Павленко В.В..Симонова Е.В..Денисова Т.П. и др.// Отчет по НИР НИИБ ИГУ. Иркутск,1987. N гос.per. 0186.0070199. 113 с.

17. Симонова Е.В. Токсикогенетическая характеристика сточных вод предприятий ЦБП и степень их влияния на качество окружающей среды // 5-я Всесоюзная конференция по водной токсикологии. Одесса, 1988. С. 113.

18. Исследование качества воды в воне сброса промышленных сточных вод ГО"БЛПК" по токсикогенетическим показателям / "Павленко В.В..Симонова Е.В.// Отчет по НИР НИИБ ИГУ. Иркутск,1989. N гос.per. 01890050357; инв. N0290.0025131. 22 с.

19. Метод оценки токсичности и мутагенности сточных вод и химических соединений / Павленко В.В..Симонова Е.В..Демидова Л.Я. и др.// Методы биотестирования вод . Черноголовка,1989. С. 87-91.

20. Разработать молекулярно-генетические принципы выявления мутагенов и предотвращения загрязнения окружающей среды в Байкальском регионе на основе биотехнологии утилизации опасных загрязнителей / Павленко В.В..Трубачеева Л.Я. .Симонова Е.В. и др. // Очет по НИР НИИБ ИГУ, Иркутск, 1990. N гос.per. 01860070199, инв-N 029.10006716. 297 с.

21. Симонова Е.В. Токсикогенетические исследования антропогенных воздействий на природные водоемы // Состояние здоровья населения города Иркутска в связи с техногенным загрязнением окружающей среды. III.Экологическая токсикология, Иркутск, 1991. С. 27.

22. Симонова Е.В.,Трубачеева Л.Я. Токсикогенетическая характеристика некоторых компонентов сточных вод целлюлозно-бумажной промышленности // Состояние здоровья населения города Иркутска в связи с техногенным загрязнением окружающей среды. III.Экологическая токсикология,Иркутск, 1991. С. 26.

23 Симонова Е.В. Влияние сточных вод предприятий целлюлозно-бумажной промышленности на качество природной воды //Современные проблемы и методологические подходы к изучению влияния факторов производственной и окружающей среды на здоровье человека. Ангарск,1993. С.129-131.

24.Павленко В.В..Симонова Е.В. Биотестирование природных вод. Методическое указание . В печати

25. Симонова Е.В. Токсикогенеглические подхода к определению биологического качества природной среды. Кемерово,1996. В печати.

рЛ-