Процессы самоочищения водных экосистем, подвергающихся воздействию отходов птицеводства

процессы самоочищения водных экосистем, подвергающихся воздействию отходов птицеводства

О. П. НЕВЕРОВА, кандидат биологических наук, доцент,

Г. В. ЗУЕВА,

кандидат биологических наук, доцент,

П. В. ШАРАВЬЕВ, аспирант,

А. А. СТЯЖКИНА, 620075, г. Екатеринбург, аспирант, ул. К. Либкнехта, д. 42;

Уральский государственный аграрный университет тел.: 8 (343) 371-33-63

Положительная рецензия представлена В. Ф. Гридиным, профессором, доктором сельскохозяйственных наук, старшим научным сотрудником Уральского научно-исследовательского института сельского хозяйства

Российской академии сельскохозяйственных наук.

Свердловская область характеризуется специфическими особенностями развития сельского хозяйства и его размещения. Одно из приоритетных направлений — птицеводство. Эта отрасль производит 13 % общероссийского объема мяса птицы. В Свердловской области мясо птицы составляет в мясном балансе потребления 58 %.

Высокая востребованность продукции птицеводства обусловила разработку программы комплексного развития птицеводства на Урале. Реализация программы позволит решить продовольственную проблему Свердловской области [2].

Программа по развитию этой отрасли не предусматривает мер по охране окружающей среды отходами производства. Полигоны отходов птицеводства расширяются. Эта тенденция просматривается и во всероссийском масштабе. Вблизи птицефабрик и по-тометохранилищ крайне тяжелая экологическая ситуация: нарушено экологическое состояние почвенной флоры и фауны на прилегающих к ним землях, поверхностные воды загрязнены продуктами распада отходов птицеводства, вызывающих эвтрофика-цию водоема. Вода эвтрофицированных водоемов синезеленых водорослями токсична для животных.

Таким образом, возникают экологические последствия загрязнения вод. Проблема качества воды в животноводстве в настоящее время остается чрезвычайно актуальной [3].

Цель и методика исследований.

Объектом исследования послужили река Исток и сток с полигона хранения помета птицефабрики «Свердловская».

Используемые методы исследования водных объектов (химические, биологические, альгологи-ческие) дают констатацию степени их загрязненности. Однако, водные экосистемы обладают буферной емкостью, обусловленной наличием водной биоты, которая поддерживает динамическое равновесие экосистемы.

Состояние и процессы самоочищения водных экосистем, загрязненных стоками с полигона отходов птицефабрики «Свердловская», изучены модифицированным и апробированным нами методом ферментативного анализа, ферменты нитратредукта-за (КФ 1.6.6.1) и уреаза (КФ 3.5.1.5) [6].

Уреаза представляет собой конститутивный фермент, для ее образования не требуется индукции мочевиной, и аммиак не подавляет ее синтеза фермен-

та. Разложение мочевины под действием уреазы протекает по типу гидролитического дезаминирования: H2N-CO-NH2 + H2O = 2NH3 + CO2.

Бактериями, разлагающими мочевину, являются Bacillus pasteurii, Sporosarcina ureae, Proteus vulgaris, Clostridium acidi-urici. Эти бактерии могут расщеплять всю имеющуюся мочевину до аммиака.

В разложении белков участвуют многочисленные грибы и бактерии: Bacillus cereus, виды рода Pseudomonas и другие [5]. Продуктом разложения белков и аминокислот животного и растительного происхождения является аммоний. В аэрируемых водах аммоний под влиянием нитритредуктазы, продуцируемой бактериями рода Nitrosomonas, окисляется до нитрита, который нитратредуктазой (синтезируемой бактериями рода Nitrobacter) окисляется до нитрата.

Проведен анализ вод на содержание аммонийного (NH+4) азота и азота нитритов (NO-2) и нитратов (NO-3) по общепринятым методам [6].

Концентрацию NH+4 определяли колорометриче-ским методом, основанном на реакции ионов NH+4 с реактивом Несслера (R2[HgJ4]) на фотоколориметре с синим светофильтром.

Колориметрический метод определения NO-2 основан на образовании азотсоединения красного цвета при взаимодействии нитритов с реактивом Грис-са (сульфаниловая кислота и а-нафтиламин). Эта реакция отличается высокой чувствительностью и позволяет обнаружить тысячные доли миллиграмма нитритов в 1 л воды.

Определение NO-3 проводили с помощью колори-метрирования продуктов взаимодействия NO-3 с фе-нолдисульфоновой кислотой, представляющих собой нитросоединения желтого цвета. Анализ выполняли на фотоколориметре с синим светофильтром.

Окисляемость воды обусловлена наличием в ней органических веществ и выражается массой кислорода, потраченного на окисление органических веществ, содержащихся в 1 л воды (мг О2/л). В качестве окислителя органических веществ использовали KMnO4.

Химическая потребность в кислороде (ХПК) дает представление о содержании в анализируемой воде ор-ганическихвеществ,которыеопределялититриметри-чески с использованием окислителя дихромата калия.

Биохимическая потребность в кислороде (БПК) — показатель количества кислорода (мг/л), которое рас-

ходуется аэробными микроорганизмами на окисление органических примесей. Полное биохимическое окисление органических веществ в воде требует длительного времени. В лабораторных условиях определяют биохимическое потребление кислорода за 5 суток или БПК5. Определение содержание растворенного кислорода проводили йодометрическим методом.

Микроорганизмы используют нитраты для двух целей. Во-первых, подобно большинству растений, бактерии способны извлекать из него азот для синтеза азотсодержащих клеточных компонентов. Асси-милиционная нитратредукция может протекать как в аэробных, так и анаэробных условиях.

В процессе ассимиляции нитрата сначала восстанавливается до нитрита, а затем до аммиака, который используется для синтеза аминокислот и других азотсодержащих компонентов клетки. Первый этап катализирует нитратредуктаза, этот фермент находится в цитоплазме, его синтез индуцируется в том случае, если нитрат оказывается единственным источником азота для питания организмов. Нитрит восстанавливается до аммиака с помощью нитритредуктазы. Нитритредуктаза — сложный фермент, его каталитические центры содержат атомы железа и атомы серы.

Во-вторых, возможна также диссимиляционная нитратредукция или «нитратное дыхание» аэробных и факультативно анаэробных бактерий, использующих в анаэробых условиях нитрат как акцептор водорода [8].

Отбор проб для процессов самоочищения водных экосистем, загрязненных стоками с полигона отходов птицефабрики «Свердловская» проведен в следующих точках:

1. река Исток до впадения стока с полигона отходов птицефабрики;

2. река Исток через 2 км после впадения стока с пометохранилища;

3. воды стока с полигона отходов птице фабрики.

По народным наблюдениям после сброса фекальных масс в воду через 5-7 км происходит ее самоочищение. Для исследования процессов самоочищения вод реки Исток нами выбрано расстояние в 2 км от места стока с пометоххранилища птицефабрики.

Птичий помет содержит 1,0-2,0 % азота, 1,52,0 % фосфора, 0,8-1,0 % калия. Азот находится главным образом в форме мочевой кислоты [7].

Результаты исследований.

Качественный состав стоков с пометохранилища (ПХ) и реки Исток представлен в табл. 1.

Данные таблицы иллюстрируют, что в реке Исток после впадения стока с пометохранилища и, особенно, в стоке с ПХ концентрации загрязняющих веществ превышают ПДК рыбохозяйственного назначения в 2-30 раз.

Показатели БПК5 в водах стока ПХ превышают нормативы для вод рыбохозяйственного назначения почти в 30 раз. Для окисления органических веществ в воде стока с пометохранилища потребовалось 16 мг О2/л (табл. 1), что указывает на полисопроб-ность воды стока с полигона пометохранилища.

Показатели содержания нитратов в водах стока с пометохранилища в 100 раз превышает норм для рыбохозяйственного пользования водоема. Количественные показатели нитратов в воде реки Исток до и после впадения в нее стока с ПХ также достаточно высокие в 25 и 22,5 раза соответственно превышающие нормативы для вод рыбохозяйственного назначения (табл. 1).

Нитритных форм азота в водах стока с ПХ более чем в 2 раза выше нормативов рыбохозяйственного назначения, однако в процессе нитрификации нитриты в водах реки Исток снижаются до впадения стока и после впадения стока с ПХ, соответственно, в 10 и 7 раз.

Известно, что фермент уреаза всегда присутствует в воде независимо от субстрата (мочевины) [8]. Поэтому разложение мочевины с освобождением аммиака под действием уреазы приводит к динамическому равновесию водной экосистемы, о чем свидетельствуют показатели содержание аммиака в воде реки Исток через 2 км после в падения в нее стока с полигона отходов птицефабрики (табл. 2).

В стоке ПХ содержание аммиачных соединений превышает в 27 раз, что естественно обусловлено в основном мочевиной — продуктом разложения органических (азотсодержащих) веществ куриного помета (табл. 1).

В процессе нитрификации — последовательных окислительных реакций, осуществляемых бактериями нитрификаторами (Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrobacter) образуется нитратная форма азота.

Процесс окисления нитритов и образования нитратов согласуется с показателями активности фермента нитратредуктазы (табл. 2) и количеством нитратных форм азота (табл. 1). Снижение количества нитратов в водах реки Исток до и после впадения вод с ПХ обусловлено процессами ассимиляционной ни-тратредукции, которая может протекать как в аэроб-нчых, так и в анаэробных условиях.

Таблица1

Качественный состав стоков с пометохранилища (ПХ) и реки Исток

Загрязняющее вещество ПДК (рыб-хоз. назн.) Содержание загрязняющих веществ, мг/л

в реке Исток до впадения стока с ПХ в реке Исток после впадения стока с ПХ в стоке с ПХ

^КН/) 0,39 0,40 2,20 10,80

N(N0.+) 0,1 0,02 0,03 0,21

N(N0,+) 0,02 0,45 0,54 2,0

Р(Р0/) 2,0 0,03 0,32 3,38

к+ 50,0 3,19 5,76 16,22

бпк5 3,0 2,36 4,76 30,74

ХПК 75,0 27,73 28,15 52,27

Окисляемость - 6,0 8,0 16,0

Таблица 2

Содержание азотосодержащих веществ и активность ферментов водных экосистемах

Дата взятия пробы Место взятия пробы Содержание N03, мг/дм3 Активность нитратредуктазы Ш3, мг/дм3 Содержание в воде МН3, мг/дм3 Активность уреазы КН3, мг/дм3

1 30 ± 3,02 165 ± 16,32 3,1 ± 0,31 93,0 ± 9,01

09.06.00 г. 2 30 ± 3,01 165,0 ± 16,31 3,0 ± 0,29 90,0 ± 8,88

3 50 ± 4,99 197,5 ± 19,34 28,0 ± 2,17 138 ± 13,24

В процессе ассимиляции нитраты сначала восстанавливаются до нитрита с помощью молибденосодержащего фермента нитратредуктазы, нитрит восстанавливается до аммиака под воздействием нитритредуктазы.

В водных экосистемах динамично протекают процессы микробиологической деградации азотсодержащих соединений не только за счет хемотрофных микроорганизмов, но особенно за счет разных физи-олого-таксономических групп фототрофных микроорганизмов [4].

Фототрофные организмы способны использовать в процессе роста в качестве источников углерода многие органические соединения. Например, пурпурные и зеленые бактерии могут участвовать в очистке водной среды от органических соединений и аммиака. Зеленую водоросль Scenеdesmus quadricauda (индикатора загрязненности вод) можно использовать для очистки сточных вод от NH3, ортофосфора, которыми насыщены стоки пометохранилища птицефабрик.

ЦианобактерияPhorm7' dium sp., утилизируя органические соединения, способна удалить из сточных вод до 93-95 % ортофосфора и неорганического азота [4].

При разложении уреазой мочевины до углекислого газа и аммиака происходит насыщение углекислотой водной экосистемы. Показано, что фототрофные бактерии видов рода Chromatium и Thiocapsa в среде с СО2 имели высокие показатели размножения [4].

В водной среде с пониженным содержанием кислорода

под влиянием микроорганирмов происходит процесс денитрификации, включающий серию восстановительных реакций азотистых соединений.

Биологически процесс денитрификации необходим для сохранения баланса азота в водной экосистеме [8].

Фототрофные микроорганизмы распространены в природе почти повсеместно, что позволяет использовать их в качестве не только биологических индикаторов, но и как утилизаторов загрязненных вод.

Фототрофные микроорганизмы способны переключаться с фототрофного на хемотрофный тип питания, что делает их перспективными для очистки сточных вод.

Показано, что пурпуровые бактерии в анаэробных условиях усиливают рост при использовании аммония в качестве источника азота [4]. Водоросли (хлорелла), используемые как кормовые добавки, требовательны к чистоте воды [1].

Проведенные исследования показали, что использованный метод ферментативного анализа позволяет выявить в загрязненных водах азотсодержащими соединениями процессы самоочищения на двух километровом протяжении реки Исток после впадения в нее стока вод с пометохранилища птицефабрики.

Изучение процессов самоочищения загрязненных водных объектов с использованием ферментативных систем важно для выработки правильных решений по защите и восстановлению водных экосистем.

литература

1. Гафаров Ш. С., Шацких Е. В. Использование хлореллы в кормлении поросят // Аграрный вестник Урала. 2010. № 11-2 (78). С. 16.

2. Государственный доклад «О состоянии и об охране окружающей среды Свердловской области в 2010 г.». Екатеринбург, 2011.

3. Донник И. М., Смирнов П. Н. Экология и здоровье животных. Екатеринбург, 2001. 331 с.

4. Кондратьева Е. Н. Фотосинтезирующие бактерии и бактериальный синтез. М. : МГУ, 1974. 7 с.

5. Кузнецов С. И., Романенко В. И. Микробиологическое изучение внутренних водоемов. М. : АН СССР, 1963. 129 с.

6. Минеев В. П. Практикум по агрохимии. М. : МГУ, 1989. 304 с.

7. Смирнов П. М., Муравин Э. А. Агрохимия. М. : Колос, 1981.

8. Шлегель Г. Общая микробиология. М. : Мир, 1987. 567 с.