Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время нарушение состояния окружающей среды принимает все более угрожающий характер, поскольку изменяются, и чаще всего необратимо, все компоненты этой среды: почвы, горные породы, подземные и поверхностные воды, воздушный бассейн. Вместе с тем, при оценке экологического состояния окружающей среды как многокомпонентной системы, в качестве обязательного критерия контроля должно входить исследование закономерностей трансформации биотической составляющей, и, в первую очередь, микроорганизмов как наиболее чувствительных индикаторов к изменению условий их существования, которое может быть вызвано как природными, так и техногенными факторами.
Следует признать, что универсального и достаточно надежного способа контроля за экологическим состоянием окружающей среды, основанного на изучении жизнедеятельности микроорганизмов, до сих пор не было разработано, хотя важность решения этой проблемы очевидна.
Как известно, микроорганизмам отводится ведущая роль в возникновении и развитии ряда негативных природных процессов, одним из типичных примеров которых является глееобразование. Широкое распространение этого процесса наносит значительный ущерб состоянию окружающей среды, поскольку в результате его воздействия формируются породы особого состава, структуры и свойств, весьма неблагоприятных с точки зрения освоения и развития территорий.
Оглеенные породы — это дисперсные, водонасыщенные, органо— минеральные грунты, образующиеся в ходе гипергенеза исходных пород в анаэробных условиях, в основе которого лежит воздействие микроорганизмов, преобразующих состав, структуру и свойства пород. В силу специфической природы оглеенных пород, их оценка в экологических целях должна отличаться от общепринятой в геологии и обязательно включать изучение микробиологической составляющей.
Отметим, что глееобразование является одним из природных процессов, при котором возникают идеальные условия для изучения микробиологического фактора и его роли при оценке не только при—
родных, но и техногенных изменений, происходящих в горных породах.
Так, осуществление промышленного, гидротехішческого и гражданского строительства в ряде случаев приводит к водонасыщению слабоувлажненных грунтовых толщ, снижению степени аэрации массивов, сопровождаемых переходом от аэробных условий к анаэробным. Формирование восстановительной обстановки с одновременной активизацией микробиологической деятельности в породах приводит к резкой интенсификации глееобразовательного процесса, вызывающего негативные последствия.
Таким образом, техногенная нагрузка может являться важным фактором изменения геоэкологического состояния горных пород как одного из компонентов окружающей среды. В связи с этим главным становится вопрос эволюционного преобразования дисперсных горных пород во взаимодействии с сооружениями и прогноза устойчивости последних, а также необходимость создания новых методов контроля, позволяющих соизмерять время эксплуатации сооружения со временем преобразования пород происходящего под влиянием жизнедеятельности микроорганизмов.
Особую важность в настоящее время приобретает аспект исследований, связанный с оценкой геоэкологического состояния в районах сооружений и объектов, загрязняющих окружающую среду. Применение похода, разработанного при изучении глееобразования, послужило предпосылкой для создания нового направления экологических исследований, основанного на количественном анализе взаимодействия системы живое вещество — загрязняющие техногенные компоненты.
Микроорганизмы, присутствующие во всех составляющих природных экосистем, являются наиболее универсальными из всех известных биоиндикаторов и обладают высокой чувствительностью к изменению условий среды обитания под воздействием техногенных загрязнений. Это обусловлено жесткой зависимостью микроорганизмов от окружающей среды как источника энергии и необходимых веществ для синтеза микробных клеток. Поэтому изменение уровня
микробной биомассы в природных экосистемах экспрессно отражает реакцию биоты на загрязнение и может рассматриваться как объективный количественный сигнал об изменении геохимических условий геологической среды, выходящих за пределы обычных колебаний.
Исходя из изложенного, исследование микробиологической составляющей представляется весьма важным и необходимым в связи с ее высокой информативностью при анализе состояния геологической среды. Поскольку в микробных клетках белки составляют около по — ловины сухой биомассы, количественная оценка микробиологической составляющей по суммарной концентрации белковых веществ является вполне правомерной.
На этой основе автором предложено новое научное направление исследований — белковая индикация, применению которого в области геоэкологии посвящена настоящая работа.
Белковая индикация базируется на новом подходе к исследованию геоэкологического состояния горных пород связанном с изучением динамики процессов аккумуляции белковых веществ, образующихся в результате жизнедеятельности микрооргаштзмов.
Цель работы— разработка теоретического и экспериментального обоснования геоэкологического тестирования горных пород на основе белковой индикации, количественно характеризующей по содержанию белковых веществ интенсивность протекающих в горных породах микробиологических и биохимических процессов и их взаимосвязь с изменением состояния геологических экосистем.
Основные задачи исследований. В соответствии с поставленной целью были рассмотрены два аспекта проблемы, в рамках которых решались следующие задачи.
-
Теоретическое и экспериментальное обоснование тестирования уровня пораженносш горных пород под воздействием негативных природных и техногенных процессов на основе белковой индикации.
-
Разработка эффективных методов выделения и количественной оценки суммарного белка (СБ) как продукта жизнедеятельности мик—
роорганизмов, контролирующего динамику природных и техногенных процессов.
Инженерно—геоэкологический аспект проблемы
-
Анализ природы процесса глееобразования и преобразования горных пород (в том числе их состава, структуры и свойств) на базе исследований биохимических процессов, контролируемых содержанием в горных породах суммарного белка
-
Обоснование общей биохимической модели глееобразования с целью контроля и прогнозирования возможных последствий развития этого процесса; разработка нового критерия оценки степени оглеен— ности пород по концентрации СБ.
Собственно экологический аспект проблемы.
-
Анализ взаимосвязи интенсивности и направленности биохимических процессов с уровнем воздействия различных типов техногенного загрязнения на геологическую среду.
-
Обоснование критериев контроля за изменением состояния геологической среды под воздействием техногенного загрязнения (в том числе промышленных предприятий, полигонов захоронения отходов производств и пр.), основанных на исследовании содержания белко — вых веществ в горных породах.
-
Создание на основе белковой индикации системы биогеохими — ческого мониторинга с целью контроля нарушений геоэкологического состояния природных экосистем.
Научная новизна работы.
-
Предложено новое направление исследований — геоэкологическое тестирование горных пород на основе белковой индикации.
-
Разработан новый количественный показатель — концентрация белка в горных породах и эффективные методы его определения.
-
В инженерно—геоэкологическом аспекте предложен принципиально новый подход к исследованию природы и закономерностей глееоб— разовательного процесса, основанный на использовании белковой индикации. Доказаны связи концентрации СБ в оглеенных породах с определяющими факторами глееобразования и гипергенными изме—
нениями их состава, структуры и свойств. Обоснован новый подход к оценке степени оглеенности пород с использованием биохимических моделей (БХМ).
-
Разработана общая модель глееобразования и осуществлена практическая реализация метода белковой индикации при оценке геоэкологического состояния среды.
-
В собственно экологическом аспекте установлены взаимосвязи между поступлением в окружающую среду различных типов загрязняющих веществ и изменением уровня развития микробных биоценозов, отражающих реакцию природных экосистем на техногенное загрязнение.
-
Разработаны критерии оценки и выявления по концентрации СБ биогеохимических аномалий, возникающих под влиянием техногенных загрязнений.
-
Обосновано и апробировано применение белковой индикации для организации долговременного мониторинга в пределах территорий, подверженных воздействию загрязняющих техногенных компонентой
Практическая значимость работы. Результаты исследований внедрены в производство и используются различными организациями: Государственным гидрологическим институтом (С—Петербург), ПГО "Севморгеология" (С—Петербург), Санкт-Петербургским государственным горным институтом (С—Петербург), "Ленкомприродой" (С—Петербург), Управлением "Морзащита" (С—Петербург), ГКНТ СССР (Москва), "Грузгипроводхозом" (Тбилиси), Северо—Осетинским государственным университетом (Орджоникидзе), 'Укргипроводхозом" (Киев), MANSFELD ENGINEERING GmbH (ФРГ), геологическими факультетами Вроцлавского (Польша) и Нанкинского университетов (Китай).
Разработанное направление исследований открывает широкие возможности использования белковой индикации в других областях научно—производственной деятельности. Одной из наиболее важных отраслей, где осуществляется реализация данного направления в производственном масштабе, является поиск и разведка углеводородного сырья. Применение белковой индикации позволяет с высокой степе—
нью надежности прогнозировать наличие углеводородных залежей и
используется в практике поисково—разведочных работ крупнейшими
нефтедобывающими предприятиями России ("ЛУКойл",
"Зарубежнефть", "Татнефть", "Башнефть", "СеверНИПИгаз", "Сургутнефтегаз") и зарубежных стран (Министерство геологии Индии, компании США — Texaco, Mobil, Exxon). На ряде предприятий осуществлено производственное внедрение метода.
Полученные результаты исследований используются в учебном процессе при чтении курсов лекций "Инженерная геология" и "Региональное грунтоведение" на геологическом факультете Санкт-Петербургского государственного университета. Специальные курсы лекций читаются на экологическом факультете СПбГУ, на географическом факультете Вроцлавского университета (1988—89 гг.) и red— логическом факультете Нанкинского университета (1990 г.).
Апробация работы. Основные результаты и положения работы докладывались на заседаниях Ученого совета СПбГУ, Вроцлавского и Нанкинского университетов, на ВДНХ, всесоюзных и международных экологических семинарах (С—Петербург, Москва, Суздаль, Самарканд), в Доме ученых (С.-Петербург), на первом Советско— Американском симпозиуме по гидрогеологическим и гидрологическим проблемам охраны окружающей среды, на втором съезде Общества почвоведов РАН, международной конференции "Закономерности эволюции Земной коры" и в ряде научно—производственных организаций.
На ВДНХ (1990 г.) научные достижения в области экологии отмечены серебряной медалью. Основные результаты работы являются конкурентоспособными и защищены патентами.
Основу работы составляют результаты 14—летней работы автора по проблеме "Слабые грунты, их вещественный состав, структуры и свойства", разрабатываемые в соответствии с программами госбюджетных и хоздоговорных тем.
Работа выполнена на кафедре грунтоведения и инженерной геологии и в НИИ Земной Коры Санкт—Петербургского государственного университета. Автор считает своим приятным долгом поблаго—
дарить творческие коллективы геологического факультета и НИИЗК СПбГУ за содействие, оказанное при выполнении настоящей работы. Глубокую признательность автор выражает доктору геолрго —
минералогических наук, профессору АКЛарионову ,.и академику Академии транспорта России, доктору технических наук, профессору В.М.Кнатько за большую помощь и критические замечания.
Автор искренне благодарит доктора геолого—минералогических
наук, профессора Р.Э.Дашко за ценные советы и содействие при
проведении экспериментальных исследований механических свойств
оглеенных пород; доктора .биологических наук ХВАристовскую,
доктора геолого—минералогических наук, . профессора
В.Г.Кривовичева, члена—корреспондента Академии водохозяйственных наук АВ.Мяскова за консультации, проведенные по отдельным разделам диссертации, а также сотрудников кафедр и подразделений СПбГУ — О.М.Паринкину, МАЛаздовскую, АМТомилина, ИАПопову, Т.М.Капитонову, МДТолкачева, оказавших неоценимую помощь при выполнении экспериментальных работ. Особую признательность автор выражает научным сотрудникам Е.Б.Рудневой, Э.В.Табунсу и АТ.Маслову за помощь в статистической обработке результатов экспериментальных исследований и математическом обосновании моделей.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 57 работ, в том числе монография (1991 г.), статьи и учебные пособия.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из двух томов. Первый том включает текстовую часть, состоящую из введения, шести глав и заключения, общим объемом 332 стр. машинописного текста, в том числе 87 рисунков, 36 таблиц и список литературы из 345 наименований. Второй том содержит приложения, представленные таблицами.