Биохимические методы переработки техногенных отходов Часть 1. Биологи

с резким преобладанием восстановительных процессов – полисапробная зона. Вторую категорию представляют воды, в которых восстановительные процессы постепенно заменяются окислительными – мезосапробная зона. Эта зона подразделяется на α-мезосапробную, более загрязненную, близкую к полисапробной

иß-мезосапробную, в которой происходят окислительные процессы. К третьей категории относятся воды, в которых произошло полное окисление органических веществ – олигосапробная зона. Р. Кольквитц и М. Марссон дополнительно ввели катаробную зону, под которой подразумевалась абсолютно чистая вода, не содержащая органических веществ.

Вкаждой зоне сапробности развивается присущий ей комплекс биоты, способный существовать в данных условиях, который был назван сапробными организмами. Система, в которой организмы тесно связаны с условиями среды, является экологической. В полисапробной зоне небольшая численность видов и много особей каждого отдельного вида. По мере развития процесса самоочищения возрастает видовое разнообразие, но численность каждого отдельного вида уменьшается. Видовое разнообразие достигает максимума в олигосапробной зоне, но численность отдельных видов мала из-за недостатка питательных веществ в этой зоне.

Эта система сапробных (гнилостных, от греч. sapros – гниль, гниение) организмов полностью отвечает экологическому принципу А. Тинемана: «Чем больше условия существования данного местообитания отличаются от оптимальных для большинства видов, тем беднее по видовому разнообразию становится биоценоз

итем характернее и многочисленнее каждый отдельный вид».

21

Система Р. Кольквитца и М. Марссона получила широкое распространение и была использована для гидробиологической оценки санитарного состояния водных объектов в Европе и России.

Ряд основных положений в предложенной Р. Кольквитцом

иМ. Марссоном системе подверглись критике, в частности:

система сапробных организмов является чисто эмпирической, в которой отсутствует научное обоснование;

упрощены сложные экологические процессы, которые происходят в водном объекте;

индикаторное значение организмов установлено произвольно и субъективно;

система не пригодна для оценки действия промышленных вод, содержащих токсические вещества и продукты органического синтеза, на которые не действуют микроорганизмы, так как она учитывает только органические вещества, подвергающиеся бактериальной деструкции;

отсутствует точная количественная методика, в результате этого невозможна статистическая обработка полученных результатов и их сопоставление с данными химического и бактериологического анализов.

Кольквитц и Марссон считали, что некоторые из критических замечаний справедливы и учитывали их в дальнейших исследованиях, в которых основное внимание уделяли изучению не отдельных видов, а биоценозов, т.е. сообщества индикаторных организмов. Первоначальные списки индикаторных организмов были составлены ими.

Экспериментальное направление в применении санитарногидробиологического метода в области биохимической очистки сточных вод было продолжено русскими исследователями: А.С. Разумовым, К.А. Мудрецовой-Висс, Ц.И. Роговской, М.М. Калабиной, Г.В. Поруцким, Е.С. Липеровской и многими другими.

Существующая система применима к водным обьектам, в которые поступают бытовые сточные воды, содержащие органические вещества естественного происхождения. Именно на таких

22

видах сточных вод и был впервые установлен процесс постепенной деструкции органических веществ. Поэтому многие авторы считают, что термин «сапробность» следует применять только к сточным водам, содержащим органические вещества, которые могут подвергаться процессам гниения и брожения.

Для промышленных сточных вод, содержащих токсические вещества, В.И. Жадиной было предложено использовать термин «токсобность», а индикаторные организмы, способные деструктировать такие вещества, называть «токсобионтами».

Внастоящее время перечень токсобионтов отсутствует. Вновь созданные вещества в процессе органического синтеза способны вызвать полную гибель биоты. В водном объекте и сооружениях биохимической очистки возникают мертвые зоны в результате действия ксенобиотических (чуждых жизни) веществ на аппарат самоочищения, к которым гидробионты и микроорганизмы не адаптированы.

Метод оценки качества вод водного объекта и сооружений очистки по составу организмов-индикаторов прошел длительную практическую проверку и сохраняет свое значение до настоящего времени, особенно при контроле биохимических установок.

Первоначальная система санитарно-биологического анализа

вдальнейшем претерпела изменения по следующим направлениям: уточнение и дополнение индикаторных видов; учет только стеносапробных форм; уточнение и деление зон сапробности, особенно полисапробной зоны.

Врезультате совершенствования системы сапробности происходило и уточнение понятия «сапробность». В санитарной гидробиологии под сапробностью понимается комплекс физиологических особенностей организмов и их возможность к развитию

вводной среде с определенным содержанием органического вещества, с определенной степенью деструкции. В. Сладечек под сапробностью понимал биологическую ситуацию водного объекта с учетом количества и интенсивности деструкции органического вещества как автохтонного, так и аллохтонного происхождения.

23

Он считал, что под сапробностью подразумевается вся сумма метаболитических процессов, которые ведут к потере потенциальной энергии. Система сапробности является динамичной и под влиянием биотических и абиотических факторов постоянно развивается во времени и пространстве в двух взаимопротивоположных направлениях (в сторону загрязнения и самоочищения). О характере развития сапробности можно судить по сукцессиям сообществ, по режиму кислорода, количеству редуцентов и другим факторам. Изучение метаболитических процессов, происходящих в организмах, позволяет в дальнейшем определить уровни сапробности на физиологической основе.

Для оценки процесса бактериального самоочищения и степени деструкции органического вещества в сточных водах полисапробной зоны используют индикаторные организмы сапробности родов Zooflagellata и Ciliata. Более 50 % видов организмов, приуроченных к зоне сапробности, составляют цилиаты.

Метод сапробных индикаторов широко используется для оценки качества очистки сточных вод на различных этапах их деструкции в биохимическом сооружении. Основное назначение системы сапробности – индикация степени загрязнения.

Совершенствуя систему сапробности, В. Сладечек предложил единую систему оценки качества воды, согласно которой вы-

деляют: 1) лимносапробность (водоемы); 2) эвсапробность (сточ-

ные воды); 3) транссапробность (абиотические сточные воды). Лимносапробность включает в себя следующие степени сапроб-

ности: поли (р), ксено (х), олиго (о), бета (ß), альфа (α). Эвсапробность подразделяется на гиперсапробность (h), метасапробность

(m) и изосапробность (i). Эта шкала сапробности сравнивается с вариантами систем других авторов и соотносится с физико-хи- мическими условиями среды (БПК, О2, рН и др.).

Используя принцип экологических пирамид, В. Сладечек предложил структуру сапробных сообществ в виде треугольника, в которой биомасса организмов выражена в единицах веса

(рис. 1.1).

24

Рис. 1.1. Треугольник сапробности: 1 – Sphaerotilus; 2 – другие бактерии; 3 – грибы; 4 – бесцветные жгутиковые; 5 – Ciliata; 6 – миксотрофные жгутиковые; 7 – водоросли; А – загрязнение; В – самоочищение

Основание треугольника разделено на секции, представляющие 5 степеней лимносапробности (x, o, ß, α, p) и эвсапробности (i, m, h). Медиана треугольника представляет границу между аэробными и анаэробными условиями. Вершина треугольника лежит между p и i, показывая наибольшую продуктивность в этих зонах. На треугольнике среди продуцентов выделены миксотрофные фитофлагелляты. Среди консументов бесцветные жгутиковые отделены от цилиат, так как метасапробность характеризуется редуцентами и бесцветными жгутиковыми, а изосапробность – редуцентами, бесцветными жгутиковыми и цилиатами. В зоне изосапробности господствуют цилиаты, метасапробности – зоофлагелляты, гиперсапробности – только бактерии.

Зону метасапробности, включающую в себя биоценозы активного ила, В. Сладечек подразделяет на 4 ступени. На первой ступени преобладают представители рода Polуtoma, которые первыми обнаруживаются в городских сточных водах со свежим за-

25

грязнением. На второй ступени ведущая роль принадлежит до-

простейших организмов на этой ступени встречаются Bodo,

Monas, Cercobodo. На третьей ступени доминируют Oicomonas socialis и не доминируют виды Bodo, Cercobodo, Trigomonas.

Четвертая ступень зоофлагеллят граничит с изосапробной зоной (зоной цилиат), в которой доминирующими представителями яв-

ляются Bodo edax, B.celler, Cercobodo agilis, C. gransis, C. longicauda, C. simplex, C. varians. В зоне зоофлагеллят встречаются в небольших количествах мелкие инфузории видов: Trimуema compressum, Hexotricha caudate, Enchelуs vermiculare. В этой зоне присутствует свободный Н2S и серобактерии. Согласно В. Сладечеку, распределение индикаторов по 4 ступеням метасапробно-

сти можно представить: Polуtoma uvella – Hexamitus inflatus – Oicomonas socialis – Bodo xeda.

Классификация В. Сладечека дает возможность при содержании в активном иле жгутиковых организмов отличить фазу свежего загрязнения от загрязнения, которое уже частично подвергнуто деструкции.

В. Сладечек указывает на большое значение сапробных секвенций (последовательностей) в пределах одного систематического рода. Один род может быть представлен различными видами в зависимости от степени загрязнения. К секвенциям в пределах одного рода он относит индикаторы, присутствующие в активном иле коловраток, располагая виды коловраток рода Rotaria по отношению к степени сапробности (от большей к меньшей): R. Neptunia – R. Rotatoria – R. tardigrada – R. trisecata. Несмотря на то, что коловратки постоянно присутствуют в активном иле, с возможностью использования их в качестве индикаторов согласны не все исследователи из-за большой вероятности ошибки при оценке их редкой встречаемости в активном иле и недостаточной изученности действия лимитирующих факторов на их развитие.

26

Разработанная В. Сладечеком система сапробности имеет большое практическое значение, так как позволяет определить сапробные секвенции, характеризующие отдельные стадии очистки.

1.5. Влияние различных факторов среды на индикаторные виды организмов зон сапробности

На основании полученных экспериментальных данных влияния абиотических факторов среды на различные виды индикаторных организмов были установлены их спектры толерантности (устойчивости). Исследование влияния различных факторов на индикаторные организмы в природных экосистемах позволили установить появление индикаторов при различных условиях очистки сточных вод.

Несмотря на высокое содержание органических веществ в сточных водах, являющихся источником питания для многих микроорганизмов, в полисапробной зоне выживают только высокотолерантные (высокоустойчивые) виды, приспособленные к различным абиотическим факторам среды.

Установлена прямая зависимость влияния температурного фактора на численность видов простейших в аэротенках. В зимнее время при пониженных температурах численность видов простейших в аэротенках снижается по сравнению с летним периодом времени. При 5 °С процессы самоочищения замедляются, нитрификация отсутствует. Косвенное влияние на организмы температуры в пределах 10–20 °С сказывается в связи с увеличением дефицита кислорода, появлением сероводорода и свободного аммиака. При повышении температуры до 25–30 °С происходит изменение биоценоза простейших организмов, исчезают жгутиковые, появляются инфузории вида Cуrtolophosis mucicola. В диапазоне температуры 35–45 °С только 1–3 вида цилиат дают кратковременные пики, а виды Cуrcotolophosis mucicola, Vorticella microstoma, Coleps cucullus присутствуют в виде единичных особей. При температуре 50 °С процесс нитрификации прекращается,

27

бактерий мало, в сточной жидкости присутствуют единичные виды коловраток и корненожек. По данным ВНИИ ВОДГЕО повышение температуры в аэротенке на 35–40 °С резко изменяет состояние биоценозов микроорганизмов и отрицательно сказывается на качестве очищенной сточной воде. Прирост активного ила на единицу снятого БПК снижается. Наибольшая численность простейших (30 видов) обнаружена при температуре 20 °С, а при 37 °С – только 7 видов.

Влияние температуры на различные микроорганизмы зависит от состава сточных вод. В присутствии ацетата в сточных водах и имеющих температуру 37 °С, в активном иле в значительных количествах развивались простейшие вида Glaucoma setosa. В сточных водах, содержащих формальдегид и имеющих температуру до 30 °С присутствовали коловратки вида Philodina roseola. Максимальной температурой, при которой коловратки этого вида выживают более 3 суток, является 38 °С.

Морфологически близкие виды одного и того же рода простейших организмов отличаются повышенными требованиями к растворенному кислороду, минимальная концентрация которого составляет 6,4 мг/ дм3.

Реакция среды оказывает различное влияние на простейшие организмы. С понижением рН среды наступает и снижение потребления кислорода. В кислой среде увеличивается численность цилиат в связи с блокированием свободного аммиака. Из предста-

вителей рода Vorticella выживает: V. companula – до рН 5, V. convallaria, V. microstoma, V. striata – до рН 4. Повышение реакции среды до 8,0 не влияет на организмы рода Opercularia, но численность рода Vorticella в этих условиях снижается. В сточных водах текстильного производства при повышении рН до 11,0–12,0 и при отсутствии растворенного кислорода через неделю были обнаружены инфузории вида Trimуema compressum в количестве до 10 тыс. экз./мл совместно с жгутиковыми рода Hexamitus.

Изучен спектр толерантности некоторых индикаторов сапробности к ионам NH+4 на примере встречаемости инфузорий

28

вида Coleps hirtus. В полисапробной зоне, в которой в результате деструкции белка образуются ионы NH+4, при недостатке кислорода данный вид отсутствует в активном иле. Оптимальное условие для его существования – полное отсутствие ионов аммония

всточных водах.

Всточных водах текстильного производства обнаружены инфузории вида Trimуema compressum в количестве 10 тыс. экз./мл совместно с жгутиковыми рода Hexamitus, толерантными канаэроб-

ным условиям, содержанию H2S (до 6 мг/дм3), NH+4 (до 3 мг/дм3) и свободному СО2 (до 30 мг/дм3). Некоторые инфузории толерантны к ядам, образующимся в процессе гниения, H2S, СО2 и др. и соответствуют степени их сапробности. Устойчивость к СО2 у различных видов простейших организмов активного ила отмечается по зонам сапробности. Устойчивость цилиат в α-мезосапроб- ной зоны к диоксиду углерода составляла 55 мин, в ß-мезоса- пробной зоне – 12 мин, а в олигосапробной – 1 мин 40 с. Простейшие α-мезосапробной зоны родов Carchesium и Vorticella чувствительны к содержанию СО2 в сточных водах. Толерантность к ксенобиотическим веществам снижается в связи с усложнением организации от простейших организмов к многоклеточным.

Влияние биогенов, присутствующих в сточных водах, на простейшие организмы зависит от состава субстрата, реакции среды и степени аэрации. Инфузории толерантны к довольно широкому диапазону биогенных веществ. Концентрация 2 г/дм3 различных биогенных солей не оказывала летального действия на простейшие организмы. Различные простейшие организмы родов Arcella, Euglуpcha и Nematodes предпочтительно используют нит-

раты, Beggiatoa alba, Euglena sp., Paramaecium caudatum, P. Tpichium и коловратки – фосфаты.

Присутствие в хозяйственно-бытовых сточных водах широко распространенного детергента Axion оказывало бактериостатическое действие на простейшие организмы. При концентрации детергента в воде 75 мг/дм3 численность видов простейших уменьшалась на 54 %, и восстановление численности наступало при-

29

мерно через 240 ч. Численность отдельных видов Coleps и Lembadion снижалась на 90 %.

Действие сернокислого алюминия и хлористого железа, входящих в состав коагулянтов, используемых при комбинированной химико-биологической очистке воды с целью удаления из них фосфатов, снижало содержание общего фосфора на 90 % и уменьшало численность простейших в активном иле.

Тяжелые металлы оказывают токсическое действие на простейшие организмы. По степени токсичности, связанной с пропорциональностью накопления металлов в активном иле, они располагаются в следующем порядке: Hg2+ > Ag+ > Cd2+ > Ni2+ > > Zn2+ > Cu2+ > Cr6+ > Pb2+.

Для простейших организмов из тяжелых металлов наиболее токсична ртуть. При ее концентрации в сточных водах 1 мг/дм3 происходила полная гибель инфузорий. Полную гибель простейших вызывали цинк и медь в концентрации 10 мг/дм3. Летальное действие на простейшие организмы оказывали свинец, кадмий, цинк в концентрации 100 мг/дм3. Вышеперечисленные виды тяжелых металлов в концентрациях 1–10 мг/дм3 влияли на процесс размножения простейших. Синергетическим эффектом обладают двойные и особенно тройные смеси тяжелых металлов (например, Zn, Pl, Hg), которые сильнее подавляют скорость роста, по сравнению с отдельными ионами в тех же концентрациях.

Принадлежность индикаторных организмов к той или иной зоне сапробности совпадает с их чувствительностью к изменению концентрации растворенного кислорода, реакции среды, присутствию токсикантов. Виды простейших одного и того же рода часто различно реагируют на абиотические условия среды. Температура оказывает на простейших и микрофлору активного ила как прямое, так и косвенное влияние в результате изменения абиотических факторов среды.

30