Проблемы загрязнения почв района космодрома Байконур гидразином и его производными

Размещено на http://www.allbest.ru/

Международный казахско-турецкий университет им. Х.А. Ясави, РК, г. Туркестан

Проблемы загрязнения почв района космодрома Байконур гидразином и его производными

Багдат Н.К.- студент гр. ЖМ -105

Мамырбекова А.К.- к.х.н., доцент

Всемирно известный космодром Байконур, гордость Казахстана, в настоящее время находится под реальной экологической угрозой, так как упавшие и падающие на землю ступени ракет, продукты сгорания и разливы высокотоксичного топлива и другие факторы оказывают негативное воздействие на окружающую среду и проживающее в непосредственной близости население. Среди загрязнителей самыми опасными являются гидразин и его производные, которые в настоящее время определены как потенциальные канцерогены. Экологическая обстановка усложнена отсутствием эффективных методов обезвреживания одного из самых токсичных видов ракетного топлива - несимметричного диметилгидразина (НДМГ). Таким образом, проблема несимметричного диметилгидразина является одной из основных при обеспечении экологической безопасности территорий, связанных с космической деятельностью. Было установлено, что некоторые виды растений способны очищать почвы от гидразина и его производных, более того, они могут использовать их в качестве регуляторов роста и развития.

Работа посвящена поиску и выявлению видов высших растений, способных очищать почву и воду от гидразина и его производных в регионе космодрома. Иучена способность высших растений, распространенных в районе космодрома Байконур, поглощать несимметричный диметилгидразин и выявлены виды, пригодные для использования с этой целью, определены некоторые условия, влияющие на способность эндемичных видов очищать почву и воду от гидразина и его производных.

В ходе проведения исследования были использованы следующие методы: выращивание семян и проростков в лабораторных условиях в почвах, содержащих гептил, а также нитраты и соли аммония; предпосевной прайминг семян водой и раствором гептила; определение содержания токсиканта в супернатанте целого растения, почве и семенах экстракционно-хроматографическим и спектрофотометрическим методами [1]. Для исследований были использованы семена 35 видов пустынных и полупустынных растений, широко распространенных в Казахстане. Из них семена 21 вида хорошо проросли в лабораторных условиях, и только три вида растений были способны поглощать и аккумулировать НДМГ. Это - эстрагон, солянка холмовая и конопля.

Растительный покров на загрязненных гептилом почвах является вторым элементом природной среды, активно, как и почва, накапливающим компоненты ракетного топлива. Поступление гептила в растения происходит как из почвы через корневую систему, так и непосредственно из атмосферы аэрогенным путем.

В экспериментах гептил смешивали с водой, доводя его содержание до 0,25 мг/кг почвы. Семена выращивали на фильтровальной бумаге в чашках Петри. 10-дневные проростки переносили в пластиковые горшки с почвой, содержащей гептил. Растения выращивали в больших горшках в течение 30 дней. Затем растения убирали из почвы и промывали водой. Целое растение гомогенизировали в ультразвуковом дезинтеграторе.

Супернатант целого растения получали по известной методике.

Как видно из таблицы 1, активными поглотителями НДМГ из почвы оказались солянка холмовая (Salsolacollina) и полынь эстрагоновая (Artemisiadracunculus), и несколько меньше поглощает ячмень короткоостый (Hordeumbrevisubulatum). Остальные 17 видов пустынных растений также поглощали гептил, но значительно меньше. Почти не поглощали пырей тарбагатайский (Agropyrontarbagataensis) и лебеда бородавчатая (Atriplexverrucifera). А в 30-дневной конопле посевной (Cannabissativa) и в ее субстрате (т.е. в почве, в которой она выращивалась) обнаружилось очень низкое количество НДМГ. Эксперименты по выращиванию семян конопли повторялись более чем 5 раз, и все опыты показали одинаковые результаты, т.е. в целом растении конопле и в почве, где она выращивалась, обнаруживается низкое содержание гептила. Эти результаты убедительно показывают, что корни (может быть и листья) конопли активно ассимилируют гептил в качестве источника азота.

Одним из многообещающих подходов повышения устойчивости прорастания к неблагоприятным условиям окружающей среды является предпосевной прайминг семян.

Таблица 1. Содержание НДМГ в корнях и листьях пустынных растений после выращивания их в почве с НДМГ

Прайминг представляет собой замачивание семян в контролируемых условиях до полного обводнения и последующее высушивание. Установлено, что прайминг семян приводит к синхронному, однородному и быстрому росту проростков и высокому урожаю. После прайминга семена раньше проклевываются, резко повышается процент прорастания семян, улучшается рост растений во время вегетативного периода и созревания семян. Растение, выращенное из семян после прайминга, становится более морозоустойчивым. Установлено также, что после прайминга в 1 М растворе хлорида натрия семена помидора хорошо прорастали в соленой почве. Предпосевной прайминг семян дыни раствором хлорида натрия улучшал солеустойчивость ее проростков. Семена после прайминга начали прорастать раньше, чем необработанные. Прайминг приводит к повышенным синтезам белков, РНК и ДНК в семенах, повышаeтся активность антиоксидантных ферментов, каталазы и супероксидисмутазы, глутатионредуктазы. Таким образом, предпосевной прайминг семян все чаще используется для улучшения роста и развития растений, и их способности к различным физиологическим процессам.

Семена всех 21 вида растений выдерживали при различных температурах в толще воды до полного насыщения водой. Затем высушивали их также при различных температурах до полной потери воды. Полученные результаты показали, что в течение 2428 часов все виды семян полностью насыщались водой. Для полного высушивания требовалось 30 ч при комнатной температуре и 38 ч при низкой температуре (56^оС).Насыщение водой и высушивание семян в диапазоне температуры 5-15^оС резко повышает темп роста проростков, который оценивался по конечным массам выращенных растений. Такая процедура при температуре выше 25^оС несколько замедляет темп роста растений. А при температурах выше 30^оС прорастание семян сильно подавляется. Такие результаты получены при предпосевном прайминге всех видов растений.

Таблица 2 показывает, что предпосевное насыщение семян водой и последующее высушивание приводят к повышению способности солянки и эстрагона поглощать НДМГ из почвы. На 12-ый день роста проростков эстрагона из почвы НДМГ полностью исчез. Такая способность солянки была несколько ниже, чем эстрагона, хотя она также показывала такую способность. Предпосевной прайминг семян эстрагона в воде резко повышал скорость поглощения гептила его проростками.

Таблица 2. Эффект предпосевного прайминга семян эстрагона (Artemisiadracunculus) и солянки (Salsolacollina) на поглощение НДМГ (0.25 мг/кг) из почвы этими растениями

Как было сказано выше, при обработке с НДМГ повышалась устойчивость к засухе растений озимой пшеницы в фазе формирования колосков (стадии жизни растений более всего чувствительной к потерям влаги); индуцировались на поверхности листьев защитные реакции, которые привели к уменьшению потерь урожая и количества белка в зерне озимой пшеницы в условиях засухи. Заметный эффект наблюдался уже при однократной обработке растений с помощью водного раствора производных гидразина. В связи с этим был изучен эффект предпосевного прайминга семян солянки на рост и развитие этого растения. Семена солянки инкубировали (насыщали) растворами возрастающих концентраций НДМГ в течение 30 часов при температуре 7^оС в темноте. Затем семена тщательно промывали дистиллированной водой и оставляли сушиться еще на 30 часов. После такой обработки семена проращивали в почве поселка Тюретам (региона космодрома Байконур). После одного месяца выращивания темп роста растений оценивали по массе 50 растений. Результаты этих экспериментов представлены в таблице 3.

Как было сказано выше, простой прайминг семян в воде значительно улучшает всхожесть семян большинства видов растений. Таблицы 3 показывает, что прайминг семян солянки и эстрагона в возрастающих концентрациях НДМГ не улучшал рост и развитие проростков этих растений, т.е. урожай этих растений был такой же, как после прайминга их семян в воде. Как известно, в корнях бобовых растений образуются клубеньки, в которых находятся азотфиксирующие бактерии (симбиотические бактероиды). В клетках этих симбиотических бактерий содержится особый фермент - нитрогеназа. Этот фермент превращает атмосферный азот (N₂) в аммоний (NH₄⁺), при этом промежуточным продуктом является диимид (HN=NH) и гидразин (H₂N-NH₂):

N₂ а HN=NH а H₂N-NH₂ а NH₄⁺

Нетрудно обнаружить сходство между гидразином H₂N-NH₂ и несимметрическим диметилгидразином H₂N-N(СH₃)₂. Любое растение может усваивать аммоний и гидразин в качестве источника азота. Поэтому было изучено влияние других природных источников азота, таких как нитрат и аммоний, на поглощение гептила корнями солянки и эстрагона. Для этого в почву одновременно в комбинациях давали возрастающие концентрации нитрата и гептила.

Полученные результаты показывают, что в присутствии нитрата поглощение НДМГ из почвы происходит интенсивно, т.е. нитрат способствует поглощению гептила корнями солянки и эстрагона. В то же время, сульфат аммония сильно ингибировал поглощение гептила корнями солянки и эстрагона. Вероятно, аммоний и НДМГ конкурируют между собой, т.е. гептил ассимилируется корнями солянки и эстрагона в качестве источника азота. Аммоний, а также гидразин и его производные в молекуле имеют N-H связи. По-видимому, эти связи претерпевают химическое изменение (окисление или восстановление) одним и тем же ферментом (пока неизвестным). В то же время, этот фермент не действует на вещества, имеющие в молекуле N-О связи (на нитрат - NО₃^-).

Таблица 3. Эффект прайминга семян солянки (Salsolacollina) и эстрагона (Artemisiadracunculus) в растворах НДМГ на темп роста его проростков

Аналогичные эксперименты были проведены с семенами конопли. В листьях и корнях проростков конопли количество НДМГ не определялось, так как гептил без остатка трансформируется (таблица 1). Таким образом, результаты позволяют предположить, что в пустынных растениях - солянке и эстрагоне - содержится некий фермент, трансформирующий НДМГ. Установлено, что в бактерии Brocadiaanammoxidans синтезируется особый фермент гидразиноксидоредуктаза, который катализирует реакцию окисления субстрата (гидразина) [2,3]:

Гидразин + Акцептор электронов ? N₂ + Восстановленный акцептор

Если такой фермент существует, то его содержание в корнях конопли высокое. Каким образом нитрат стимулирует окисление гидразина - остается неясным.

В результате проведенного исследования была собрана информация о загрязнителях и степени загрязнения почвы и водоемов в районе космодрома Байконур. Из испытанных 21 вида пустынных растений, эндемиков Казахстана, активными поглотителями НДМГ из почвы оказались солянка холмовая (Salsolacollina) и эстрагон (Artemisiadracunculus), и несколько меньше поглощает ячмень короткоостый (Hordeumbrevisubulatum).

Таким образом, эндемичные для Казахстана пустынные растения - солянка холмовая (Salsolacollina), эстрагон (Artemisiadracunculus), и конопля посевная (Cannabissativa) могут быть использованы для очистки почв, загрязненных токсичным НДМГ. Кроме того, эти растения могут быть рекомендованы для распространения в промышленных центрах и городах Казахстана для поддержания чистоты почвы.

Список использованной литературы

загрязнение почва космодром байконур

1. Методика выполнения измерений массовой доли подвижных форм 1,1диметилгидразина в образцах почв методом ионной хроматографии с амперометрическим детектированием. М: МВИ МГУ № 41-01 (свидетельство ВНИИМС), 2006. С. 14.

2. Иоффе Б.В., Кузнецов М.А., Потехин А.А. Химия органических производных гидразина. Л.: Химия, 1979. 224 с.

3. Колла В.Э., Бердинский И.С. Фармакология и химия производных гидразина. Йошкар-Ола: Мар. кн. изд-во, 1976. 264 с.

Размещено на Allbest.ru