1.2 Влияние загрязняющих веществ на почвенные микроорганизмы

Ксенобиотики - чужеродные для организмов соединения (пестициды, ПАВ, красители, лекарственные вещества и пр.), которые практически не включаются в элементарные циклы углерода, азота, серы или фосфора. Ксенобиотики временно или постоянно накапливаются в окружающей среде и вредно влияют на все живое (Волова, 1997).

Механизм действия антимикробных соединений неодинаков: одни (окислители, фенолы, ПАВ, ионы водорода) влияют на функцию пограничных структур клетки, иногда вызывая ее повреждение, другие (тяжелые металлы, цианиды, некоторые окислители, спирты) нарушают структуру и функции белков, в том числе и ферментов; третьи, проникая в клетку, способны реагировать с ДНК (азотистая кислота, некоторые антибиотики, окись этилена). Наконец, есть вещества, обладающие сходной структурой с важнейшими метаболитами клетки. Их называют антиметаболитами, поскольку они способны замещать метаболиты в ферментных реакциях, тем самым прекращая процесс (Чурбанова, 1987).

1.2.1 Воздействие ПАВов на почвенные микроорганизмы

ПАВ стали использоваться практически во всех отраслях промышленности и сельского хозяйства. Это послужило основанием для бурного роста промышленного производства синтетических ПАВ. С 1950 г. их мировое производство выросло с нескольких сотен тысяч тонн до примерно 10 млн. т.

В России в конце 1980-х годов ежегодные объемы производства ПАВ превышали 450 тыс. т, ассортимент насчитывал более 150 наименований (по химической структуре). На производство 1 млн. т синтетических моющих средств (примерно 4 кг на человека в год при гигиенической норме 10-12 кг) использовалось примерно 150 тыс. т ПАВ, остальные 300 тыс. т применялись в промышленности и сельском хозяйстве (Яблоков, 1983).

Для промышленного использования СПАВ получают из двух видов сырья: нефти, жиров и побочных продуктов. Кроме того, СПАВ синтезируют из углеводородов и спиртов в нефтяной промышленности. Конечный продукт имеет в основе природные жирные кислоты (животные и растительные масла и жиры, побочные продукты лигнина) и является продуктом нейтрализации натрием, калием или аминовыми солями (Бутовский, 2005).

Преобладающее большинство ПАВ (более 95%) относится к 3-му и 4-му классам опасности (умеренно- и малотоксичные). Пороговые концентрации их биологического действия, как правило, в 30-50 раз выше установленных ПДК (0,1-0,5мг/л), что обеспечивает надежную защиту человека и окружающей среды. Коммунальные стоки содержат в среднем от 2 до 5 мг/л ПАВ (в 4 - 50 раз выше ПДК). В промышленных стоках содержание ПАВ может достигать от 10 до 100мг/л.

В случае если уровни загрязнений ПАВ в воде превышают ПДК в 10-20 раз, это приводит к ухудшению, в первую очередь, органолептических качеств воды, не повышая существенно гигиенической опасности по ее токсичности для человека, животных и птиц. Однако при этом возможно появление на поверхности воды пены, в которой концентрируются и активно размножаются полезные и патогенные микроорганизмы.

Они распространяются течением и ветром на значительные расстояния, и тем самым стабильные молекулы ПАВ создают угрозу здоровью населения. Присутствие ПАВ повышает также степень опасности других вредных веществ, находящихся в воде и почве при последующих их перемещениях по пищевым цепочкам.

Известно отрицательное влияние ПАВ и на неорганическую среду - интенсивная эрозия почв, повышение коррозии металлов, ускорение процессов старения железобетонных конструкций и т. д. (Остроумов, 1998)

Бактерии и грибы способны производить так называемые био-СПАВ, многие из которых запатентованы и используются в коммерческих целях. Термин био-СПАВ применим только к биологически активным соединениям со СПАВ-свойствами, которые непосредственно получены биологическим способом. Цель производства био-СПАВ с помощью микроорганизмов, растущих на нерастворимом органическом субстрате, заключается в увеличении растворимости и усилении биодоступности субстрата.

Среди органических загрязнителей техногенного происхождения анионоактивные синтетические поверхностно-активные вещества (АСПАВ) занимают особое место.

АСПАВ известны прежде всего как загрязнители водной среды, куда поступают в значительных количествах с хозяйственно-бытовыми (использование синтетических моющих средств в быту) и промышленными сточными водами (текстильная, нефтяная, химическая промышленность, производство синтетических каучуков), а также со стоком с сельскохозяйственных угодий (в качестве эмульгаторов входят в состав инсектицидов, фунгицидов, гербицидов и дефолиантов).

Строго говоря, в состав анионактивных СПАВ входят мыла (карбоксилаты), которые составляют значительное потребление СПАВ (например, в Дании 20% от общего количества СПАВ в 1986-1989 гг.). Карбоксилаты, однако, легко разлагаются и не представляют угрозы для наземных экосистем.

АСПАВ после растворения в воде характеризуются как вещества с отрицательно заряженной углеродной цепочкой в молекуле.

АСПАВ (исключительно мыла) преобладают на рынке, составляя 72% от общего количества СПАВ, используемых в Дании. Современное мировое потребление СПАВ оценивается в 15 млн т/год. При этом 50%, т.е. 8,3 млн т/год составляют мыла. Расчетное потребление АСПАВ в США и Западной Европе в 1987 г. составляло 1319 тыс. т при ежегодном увеличении потребления на 2% (Бутовский, 2005).

В исследованиях, выполненных многими авторами, показано существенное влияние этих веществ практически на все виды живых организмов, растений и человека. В животном организме даже незначительные концентрации ПАВ изменяют проницаемость мембран, оказывают влияние на кумуляцию различных веществ, в том числе токсических, изменяют токсичность последних. Заслуживает внимание также влияние ПАВ на обмен в организме аминокислот, глюкозы и других веществ (Остроумов, 1986).

Многие СПАВ обладают антимикробными свойствами.

Известно, что антимикробное действие зависит, в первую очередь, от их химического строения вещества, а также строения клеток микроорганизмов. Первым барьером на пути взаимодействия микроорганизмов с антимикробными веществами являются клеточная стенка и цитоплазматическая мембрана, которые обеспечивают осмотический барьер и избирательное проникновение веществ в клетку. Клеточные стенки разных микроорганизмов имеют различное строение, благодаря чему избирательно взаимодействуют с различными антимикробными веществами и обладают неодинаковой устойчивостью к воздействию химических соединений разных классов. Так, для катионных ПАВ мишенями являются карбоксильные группы аминокислот и кислых полисахаридов бактерий, а для анионных ПАВ -- кетонные группы белков, аминогруппы соответствующих углеводов и липидов, а также фосфатные группы тейхоевых кислот (Остроумов, 2000). Конечным результатом действия ПАВ на микробную клетку является деструктуризация клеточной оболочки (Ставская, 1981).

В естественных условиях микробные клетки обладают общим отрицательным зарядом, поэтому наиболее широкое практическое применение нашли катионные ПАВ, которые губительно действуют на грамположительные и грамотрицательные бактерии, дрожжевые и нитчатые грибы. Но в клетке также имеются молекулы, несущие положительные заряды, поэтому и анионные ПАВ губительно действуют на микроорганизмы, но при более высоких концентрациях.

Имеются также различия и в действии ПАВ на грамположительные и грамотрицательные микроорганизмы, а также на прокариотические и эукариотические клетки. Это связано с особенностями структурно-химической организации стенок и мембран клетки, а также ее цитоплазматического содержимого.

Следует учитывать, что микроорганизмы имеют весьма эффективные механизмы защиты от антимикробных средств, причем естественные различия в устойчивости различных микроорганизмов к антибактериальным средствам могут достигать сотен и даже тысяч раз.

Эффективность действия различных антимикробных средств на микроорганизмы в первую очередь зависит от их способности снижать проницаемость клеточной стенки и проникать внутрь клетки. В связи с этим большой интерес представляют вещества, увеличивающие пассивный транспорт и проницаемость мембран. Сильное дестабилизирующее действие на мембраны клеток оказывают низкомолекулярные катионные ПАВ (цитилпиридиний хлорид, хлоргексидин, алкилди-метил бензил аммоний хлорид) (Остроумов, 2000).

Например, цетилпиридинийхлорид токсичен для сапрофитных бактерий в концентрации 0,05 мг/г. Анионоактивные и неионогенные вещества обладают гораздо менее выраженным действием на микрофлору. Алкилсульфаты даже в концентрациях 500-2000 мг/л не оказывают ни бактерицидного, ни бактериостатического действия на протеолитическую микрофлору, разрушающую азотистые вещества до более простых - полипептидов, диаминовых кислот и моноаминов, а затем до аммиака, углекислоты и воды (Орлов, 2002).

Анионные ПАВ влияют главным образом на Г «+» бактерии. Активность анионных веществ усиливается при снижении рН (Ставская, 1981).

Моющее средство «Новость» в концентрациях 1-50 мг/л стимулирует развитие сапрофитной микрофлоры. АБС в концентрациях 1000 мг/л оказывает сильное бактерицидное действие на S.aureus. Лаурилсульфат в концентрации 2000-10000 мг/л угнетает рост S.aureus и S.lutea в сточных водах (Орлов, 2002); в концентрации 2% действует литически на кишечную палочку (Ставская,1981).

По данным Корш и др. добавка алкилсульфата в концентрации 0,5 мг/л не влияет на число сапрофитных бактерий, при 5 мг/л через 48 ч оно повышается более чем в 2 раза. При концентрациях алкилсульфата 50 мг/л число бактерий через 144 ч возрастает до 250000, а при 500 мг/л - до 1500000. Следовательно, алкилсульфат стимулирует размножение микрофлоры, причем, тем сильнее, чем выше его концентрация и более длителен срок пребывания бактерий в растворе ПАВ.

Т.о., ПАВ практически не тормозят развития микрофлоры в испытанных концентрациях; при концентрациях 2-10 мг/л и выше они стимулируют размножение бактерий, причем различные вещества - в разной степени. Причиной такой стимуляции, очевидно, является утилизация ПАВ микрофлорой. Так, в частности биологически «мягкие» ПАВ (алкилсульфаты) стимулирую размножение бактерий в наибольшей степени. Кроме того, ПАВ, изменяя проницаемость мембран живых клеток, возможно, способствует лучшей усвояемости микробами пищевых веществ, содержащихся в воде (Орлов, 2002).

Механизм действия АСПАВ заключается в разрушении биологических мембран и денатурации белков. У ароматических АСПАВ, в т.ч. ЛАС, местоположение бензольного кольца влияет на токсичность. Терминальное положение кольца приводит к более высокой токсичности по сравнению с центральным положением. Для большинства АСПАВ токсичность возрастает с увеличением длины углеродной цепочки, в то же время растворимость сохраняется (Бутовский, 2005).

АСПАВ антропогенного происхождения попадают в почву вместе со сточными водами. Сточные воды могут использоваться для орошения сельскохозяйственных земель в регионах, испытывающих дефицит воды.

В европейских странах были рассчитаны концентрации ЛАС, содержащиеся в почвах. В Швейцарии сообщают о концентрации 0,15 мг/кг почвы. Berna сообщают о том, что концентрации ЛАС в Великобритании составляли менее 1 мг/кг почвы и 0,3-1,3 мг/кг - в Испании, Германии и Швейцарии после обработки почвы сточными водами.

Ряд факторов оказывает влияние на распределение и судьбу сурфактантов: фотолиз, гидролиз, ионизация, окисление/редукция, обмен лигандами, адсорбция и биоразложение. Однако только адсорбция и биоразложение имеют практическое значение.

ПДК ПАВ. В связи с незначительным количеством данных о действии СПАВ на почвообитающие организмы критерии качества почвы не были установлены. Данные тестов, проведенных в водной среде, выявили, что уровни токсичности СПАВ были того же порядка, что и в наземной среде. Поэтому с учетом существующих различий в токсичности соответствующих СПАВ в водной среде и почве рекомендуемый критерий качества почвы для отдельных соединений в Дании составляет 0,5 мг/кг (Бутовский, 2005).

Действие ПАВ на нитрификаторов.

Наиболее изучено влияние ПАВ на процесс нитрификации. Результаты изучения действия ПАВ на процессы нитрификации показали, что недействующие концентрации ПАВ лежат в пределах 0,1-15 мг/кг. Концентрации веществ, которые тормозят эти процессы, составляют 2-50 мг/кг. Так, например, сульфонол сланцевый подавляет нитрификацию в концентрации 2 мг/л (кг), алкилсульфонат - 5 мг/л (кг), а некаль - в концентрации 50 мг/л (кг).

С практической точки зрения важно отметить, что величина максимальных недействующих концентраций ПАВ по влиянию на нитрификацию не ниже величин, допустимых по влиянию этих веществ на органолептические свойства воды (Орлов, 2002).

1.2.2 Воздействие серы на микроорганизмы почв

В составе Земли содержится в целом до 2,74% серы. Элементарная сера составляет 0,026% всего количества элементов и 0,0885% элементов в морской воде (Бусев, 1975).