Биохимические методы переработки техногенных отходов Часть 1. Биологи

Недостаток кислорода способствует разрушению зооидов вплоть до их разрыва. Токсические вещества вызывают возникновение разнообразных уродств (вмятины, складки, асимметрия и др.);

5)состояние ресничного диска у прикрепленных кругоресничных инфузорий (открыт, закрыт). Неблагоприятные условия (избыточное количество растворенной органики, наличие токсических веществ) вызывают закрытие ресничного диска;

6)интенсивность работы ресничного аппарата, обеспечи-

вающего питание и движение инфузорий (интенсивная, слабая, полная неподвижность). Движение ресничного аппарата зависит от многих факторов: температуры и химического состава среды обитания;

7)размеры организмов (крупные, нормальные, мелкие), они связаны с трофическими условиями и неблагоприятным влиянием токсических веществ, попадающих с промышленными сточными водами, вызывающими измельчение организмов;

8)характер размножения, зависящий от условий жизни инфузорий. При неблагоприятных экологических условиях половой путь размножения преобладает по сравнению с бесполым;

9)наличие цист. Инцистирование является важным биологическим приспособлением для большинства простейших организмов, которое обеспечивает им выживаемость при неблагоприятных условиях среды (понижение температуры, подсушивание, ухудшение питания, наличие токсических веществ). В процессе образования цист происходит сбрасывание или втягивание органелл движения, округление формы, выделение на всей поверхности тела плотной защитной оболочки. В благоприятных условиях цисты раскрываются и простейшие вновь становятся активными;

10)наличие погибших организмов. Гибель может вызываться быстрым и резким изменением жизненно важных факторов в результате присутствия ксенобиотиков, радиоактивных и токсических веществ, к которым организмы не успевают приспособиться. Массовая гибель гидробионтов происходит при мощных залповых сбросах отходов промышленных предприятий. Этот вид анализа требует творческого подхода, так как могут появиться покоящие-

151

ся формы в результате сезонных изменений и изменения способов их питания и др.

Организмы экосистемы активного ила адекватно реагируют на условия существования в окружающей среде. Поэтому правильное заключение о состоянии организмов активного ила – это быстрое выполнение анализов, правильное хранение проб до их просмотра (при доступе воздуха, вдали от химических препаратов и не допускать кратковременного их перегрева).

Определение количественного состава гидробионтов активного ила по пятибалльной системе. Принцип определения – оценка относительной численности организмов активного ила по условной пятибалльной шкале. Преимущество такого метода заключается в быстроте определения (при достаточном навыке за 10–15 мин в каждой пробе). Метод может быть использован при

повседневных массовых анализах. Недостатком метода является субъективная оценка полученных результатов исследования. Надежные результаты зависят от квалификации исследователя. При учете гидробионтов по пятибалльной системе желательно использовать покровные стекла размером 24 24 мм. Для качественного определения фауны необ-

ходимо взять две капли из каждой пробы с поверхности ила и со дна сосуда для приготовления препаратов, в которых необходимо просмотреть по 40 полей зрения. Препарат под объективом просматривают, проводя его зигзаобразно (рис. 6.1) [2]. При таком способе содержимое препарата можно рассмотреть практически полностью. Подсчет гидробионтов проводится при увеличении 5 10, детали рассматриваются при больших увеличениях.

При просмотре препарата необходимо учитывать: гидробионты, свободные бактерии, нитчатые бактерии, гифы грибов, своеобразные скопления бактерий вида Zoogloea ramigera.

152

Условные баллы встречаемости организмов: 1 – единичные представители; 2 – мало; 3 – порядочно; 4 – много; 5 – массовое присутствие.

При необходимости математической обработки результатов подсчета гидробионтов по способу Пантле и Бука, Зелинки и Морвана кроме пятибалльной шкалы может быть использована шестиступенчатая десятибалльная с условными баллами: 1, 2, 3, 5, 7, 9 [2].

Определение абсолютного количества организмов в еди-

нице объема. Определение организмов проводится в счетных камерах различных систем: Кольквитца, Горяева (в камерах для учета элементов крови), Фукса – Розенталя. Полученное число организмов в камере делят на объем камеры в миллиметрах и получают число экземпляров в 1 мл жидкости аэротенка. Однако наиболее удобным в практике при абсолютном учете микрофлоры активного ила является метод «откалиброванной капли». Принцип метода основан на учете организмов в капле пробы, предварительно измеренной и отобранной пипеткой. Каплю помещают под покровное стекло препарата, в котором учитываются организмы в нескольких полях зрения микроскопа. Количество организмов определяется в капле, а затем в 1 мл. Для выполнения анализа жидкость с активным илом помещают в колбу объемом 150 мл, встряхивают содержимое для получения равномерной взвеси. Микропипеткой набирают 0,1 мл жидкости, наносят каплю на предметное стекло, покрывают покровным стеклом размером 18 18 мм. Таким способом готовят 3–5 препаратов и в каждом по диагонали покровного стекла при увеличении 5 10 подсчитывают организмы в 10 полях зрения. При густом иле пробу разводят в 2 раза и полученные значения в этом случае удваивают. После подсчета количества гидробионтов в 30–50 полях зрения находят среднее арифметическое для 1 поля зрения.

Количество организмов в 1 мл пробы определяют по формуле

D Sdr2 p,

153

где d – количество организмов в одном поле зрения, среднее арифметическое, полученное из числа просмотренных полей зрения; r2 – площадь поля зрения объектива, мм2 (радиус r поля зрения объектива определяется по линейке объект-микрометра); S – площадь покровного стекла, мм2 (18 18); p – объем жидкости, взятой для приготовления препарата.

Для подсчета крупных организмов (черви, водные клещи, личинки насекомых, тихоходки) применяют стереоскопический микроскоп МБС-1 с окуляром 12. Объем откалиброванной жидкости увеличивают до 5–10 мл. Подсчет ведут в чашке Петри или камере Богорова. В данном объеме учитывают все организмы и пересчитывают полученные данные на 1 мл.

Поскольку размеры организмов активного ила неодинаковые, правильнее выражать их содержание не численным значением, а в пересчете на их биомассу. С этой целью вычисляют объем организмов, исходя из их размеров, форма каждого организма уподобляется простому геометрическому телу.

Обработка данных учета индикаторных организмов. При разработке метода биологического контроля за качеством очистки сточных вод возникают трудности, связанные с особенностями существования искусственных биоценозов, формирующихся в очистных сооружениях.

Как показал опыт, при оценке качества очищенной воды по индикаторным организмам наиболее удобным, менее трудоемким и позволяющим быстро получить достаточно точный результат является метод, предложенный Пантле и Бука. По этому методу степень органического загрязнения характеризуется индексом сапробности SРВ, который вычисляется по формуле

SPB shh,

где s – индикаторная значимость вида; h – относительное количество особей вида.

154

Относительное количество особей в каждом объеме пробы оценивается в баллах: 1 балл – единичная встречаемость, 3 балла – частая встречаемость, 5 баллов – массовое развитие. Индикаторная значимость для учтенных видов берется из таблиц, составленных Пантле и Буком. С целью упрощения подсчетов делается допущение, что каждый вид характеризует одну из зон сапробности. Индекс сапробности, равный 4,0–3,5, соответствует полисапробной зоне, 3,5–2,5 – α-мезосапробной зоне, 2,5–1,5 – ß-мезосапроб- ной зоне, 1,5–1,0 – олигосапробной зоне. Индекс сапробности 4,5–8,5 характеризует сильное загрязненые (эусапробные), а от 0 до 0,5 – чистые (ксеносапробные) зоны [2].

В случае, когда необходимо определить не только степень сапробности данного биоценоза, но и выявить наиболее вероятные отклонения, можно использовать метод Зелинки и Марвана – определение средневзвешенных сапробных валентностей. С целью уточнения биологического анализа и сопоставления данных с результатами химических анализов они ввели понятия сапробной валентности и индикаторного значения вида.

Сапробная валентность отражает распределение вида по зонам сапробности. Каждому виду приписывается 10 баллов, которые распределяются в соответствии с принадлежностью вида к той или иной зоне сапробности.

Индикаторное значение вида (G; J) – производное от предыдущего показателя – определяет возможность использования вида как индикатора сапробности. Оно приводится в баллах от 1 до 5. Виды, характерные только для одной зоны (5 баллов), имеют большее значение для оценки качества воды, по сравнению с видами, встречающимися в разных зонах и имеющими более низкие баллы. Численность индикаторных организмов может быть выражена в абсолютных и условных значениях: числах, баллах или в процентных отношениях.

Для определения степени сапробности всего биоценоза рассчитываются средневзвешенные сапробные валентности отдельно для каждой из зон сапробности (ксеносапробной – А, олигосапробной – В и т.д.) по формулам:

155

где hi – величина, характеризующая количество особей вида i; Gi – индикаторное значение вида; ai, bi и т.д. – сапробные валентности; n – количество видов с известной сапробной валентностью.

Величины сапробной валентности и индикаторного значения вида находят в таблицах [44]. Произведения ahG, bhG и т.д. для каждого вида и их суммы делятся на суммы произведений hG. Полученные величины (A, B и т.д.) являются средневзвешенными сапробными валентностями, сумма которых равна 10, а их соотношение характеризует сапробные условия в биоценозе. Для наглядности это соотношение может быть представлено графически. Наивысшее значение в этом ряду определяет принадлежность биоценоза к определенной зоне сапробности, остальные показатели – возможность отклонений.

Гидробиологический анализ активного ила. Для характери-

стики работы сооружений биохимической очистки сточных вод гидробиологический анализ имеет существенное значение, так как позволяет определить состав, количественное распределение и своеобразие организмов активного ила – деструкторов загрязняющих веществ, содержащихся в сточных водах. Характерный биоценоз активного ила формируется в специфических экологических условиях в искусственном сооружении и отражает особенности протекающего процесса очистки. Происходящие изменения в структуре биоценоза активного ила позволяют непрерывно выявлять основные неблагоприятные факторы, влияющие на процесс очистки сточных вод.

При регулярно повторяющихся и бессистемных изменениях количества и качества очищаемых вод и режима их очистки необходимо использовать оперативные методы контроля для эффективного управления процессом очистки. Изменения, происходящие в процессе очистки сточных вод на ранней стадии, можно выявить только в результате оценки состояния функционирующего биоценоза активного ила, состав и численность которого отра-

156

жают экологические условия его обитания и ответную реакцию на отрицательное воздействие. При различных нарушениях технологического процесса, вызывающих повреждение хлопьев активного ила, гидрохимическое качество очистки изменяется не так быстро. Повреждение хлопьев и бактерий, возникающее под влиянием различных факторов, компенсируется ферментативной активностью ила, которая сохраняется некоторое время и обеспечивает биохимическое окисление загрязняющих веществ, несмотря на изменение в экосистеме активного ила. Из комплекса гидрохимических показателей в качестве оперативного можно использовать только прозрачность надиловой жидкости, которая зависит от состояния хлопьев активного ила и резко снижается при его разрушении.

Гидрохимический контроль незаменим для получения надежной информации при изменении среды, в которой находится активный ил, и для оценки эффективности очистки сточных вод в различных точках очистного сооружения.

Гидробиологический анализ с помощью микроскопирования позволяет оценить состояние и структурные особенности биоценоза активного ила. Микрофлора активного ила обладает способностью реагировать на состав и свойства очищаемых сточных вод, а также условия, обеспечивающие ее жизнеспособность в зависимости от конструкции и режима эксплуатации сооружения.

В состав активного ила входит значительное количество организмов, обладающих высокой экологической пластичностью

(Aspidisca costata, Rotaria rotatoria, Arcella vulgaris, голые амебы,

инфузории рода Vorticella, Opercularia и др.), которые присутствуют в биоценозе в различных экологических условиях. Поэтому учет только качественных изменений в видовом составе биоценоза создает ошибочное представление о стабильности условий функционирования активного ила. Только при обязательном определении количества всех групп микроорганизмов активного ила возможно выявить динамику происходящих изменений в биоценозе, отражающих постоянные нарушения в технологическом ре-

157

жиме эксплуатации, количестве и качестве сточных вод, поступающих на очистку.

Трудность использования традиционных гидробиологических методов в целях контроля за работой аэротенка обусловлена особенностями их экосистемы. Рециркуляция активного ила, мощное его перемешивание способствует преобладанию в биоценозе организмов с широкой экологической валентностью и делает активный ил малопригодным для определения степени очистки сточных вод по индикаторным видам. О плохой или хорошей работе очистного сооружения только в самой общей форме можно судить по наличию тех или иных видов организмов.

С целью оценки эффективности работы аэротенка и качества очищенной воды пробы на гидробиологические и биохимические анализы должны отбираться в одних и тех же местах после первичных и вторичных отстойников, а не в самом аэротенке. Отсутствие рециркуляции и циклических изменений в отстойниках создает условия для формирования биоценоза приближенных к естественным. В связи с отсутствием в этих сооружениях активного ила для выявления индикаторных видов необходимо использовать метод получения обрастаний на предметных стеклах.

Для оценки эффективности работы аэротенка по индикаторным организмам перифитона необходимо сравнить степень загрязнения воды, поступающей в аэротенк, и в конце процесса ее очистки – на сливе после вторичных отстойников. Полученные данные как в относительных, так и в абсолютных показателях могут быть обработаны по методу Пантле и Бука. Фауна биоценозов, обнаруженная в этих точках, по своей экологической сущности делится на две группы организмов:

1) виды с узкой экологической валентностью, не способные существовать в жестких условиях экосистемы аэротенка и поэтому отсутствующие в активном иле. При индикации они обрабатываются обычным способом, данные по индикаторной значимости берутся из таблиц [44];

158

2) виды с широкими приспособительными возможностями,

которые хорошо освоили среду обитания в аэротенках и способны существовать за его пределами. К таким видам относятся практически все перитрихи и многие свободноплавающие инфузории родов Oxуtricha, Aspidisca, Trochilia, Chilodonella и др. Для этой группы видов организмов неприменимы обычные табличные показатели индикаторной значимости, основанные на статистике, они дают усредненные величины, а анализ требует характеристики конкретного состояния пробы.

Для характеристики конкретного состояния пробы необходим учет степени отклонения от средних показателей. Например, в большинстве руководств Vorticella microstoma характеризуется как строго полисапробный вид. Обнаружение его в значительном количестве в активном иле расценивается как признак неудовлетворительной работы сооружения. Однако в циклически изменяющихся условиях аэротенка приспособительные возможности V. microstoma резко возрастают и этот вид может присутствовать при различных степенях очистки сточных вод. Аналогично ведут себя и другие прикрепленные инфузории, поэтому индикаторы сапробной принадлежности, установленные для гидробионтов в условиях природных водоемов, не всегда пригодны для оценки качества сточной воды, очищаемой в аэротенке.

Для индикации необходимо использовать признаки организмов, которые непосредственно изменяются под воздействием качества очистки сточных вод. Для видов с широкой экологической валентностью предлагается применять визуальное морфологическое тестирование. Возможно использовать показатели приуроченности тех или иных экологических форм к определенным зонам сапробности, приведенным в табл. 6.1 [2].

При морфологическом тестировании можно использовать целый ряд признаков, обнаруживаемых под микроскопом, не применяя специальные методы исследования. Изменение морфологических показателей наблюдается у свободноплавающих инфузорий.

159