Микробиологическая оценка свалочных новообразований на рекультивированных свалках твердых бытовых отходов

УДК 628.472.3.032:628.473.24

Л. В. Рудакова, Е. С. Белик, Н. Н. Слюсарь

МИКРОБИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА СВАЛОЧНЫХ НОВООБРАЗОВАНИЙ НА РЕКУЛЬТИВИРОВАННЫХ СВАЛКАХ ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ

Ключевые слова: твердые бытовые отходы, микробиологические показатели, урбаноземы, рекультивированная свалка, сапрофитные микроорганизмы, микроскопические грибы, азотобактер, актиномицеты.

Представлены результаты микробиологических исследований свалочных новообразований, формирующихся на рекультивированной свалке, а также данные сравнительного анализа микробиологических показателей дерново-подзолистых почв, урбаноземов и отходов, отобранных с эксплуатируемой свалки. Для изучения направленности процессов микробиологической деструкции отходов определяли основные физиологические группы микроорганизмов: сапрофитные бактерии; азотфиксаторы; актиномицеты и микроскопические грибы. Полученные данные свидетельствуют о формировании свалочных новообразований, которые соответствуют по микробиологическим показателям дерново-подзолистым почвам и урбаноземам. Результаты проведенных исследований могут быть использованы для обоснования хозяйственного освоения территории свалок и полигонов твердых бытовых отходов после их рекультивации.

Keywords: municipal solid waste, microbiological, urbanozem, remediated landfill, saprophytic bacteria, microscopic fungi,

Azotobacter, actinomycetes.

The results of microbiological tests landfill tumors formed on remediated landfill, as well as the results a comparative analysis of the data of microbiological indicators of sod-podzolic soils, urbanozem and wastes operated landfills. To study the direction of the processes of microbiological degradation of waste defines the basic physiological groups of microorganisms: saprophytic bacteria; nitrogen-fixers; actinomycetes and fungi. The findings suggest that the formation of tumors landfill that match microbiological indicators of sod-podzolic soils and urbanozem. The results of the research can be used to support the economic development of the territory of dumps and landfills after their reclamation.

В России ежегодно образуется более 60 млн тонн твердых бытовых отходов (ТБО) [1]. В настоящее время около 95 % образующихся отходов направляется на захоронение, где в течение десятков лет протекают сложные физико-химические и биохимические процессы разложения отходов, сопровождающиеся эмиссиями загрязняющих веществ, представляющие опасность для населения и объектов окружающей природной среды [2-4]. Объекты по захоронению отходов занимают огромные территории, площадь которых составляет более 4 млн га [1].

Большой интерес представляет безопасное для здоровья человека хозяйственное освоение территории рекультивированных и подлежащих рекультивации свалок и полигонов твердых бытовых отходов. Формирование свалочных грунтов на рекультивированных свалках твердых бытовых отходов, которые соответствуют по физико-химическим, сани-тарно-бактериологическим и микробиологическим показателям дерново-подзолистым почвам или ур-баноземам, позволит использовать эти территории для хозяйственных целей, например, для отсыпки дорог, в качестве рекультивационного материала и т. д., не ухудшая при этом качества среды обитания человека.

Известно, что в теле полигона после 20 - 30-летнего прекращения приема отходов, образуется твердая минеральная субстанция с высокой пористостью (65-70%), состоящая в основном из частиц менее 0,05 мм и крупных инертных включений (от 250 до 300 мм). С течением времени депонированные отходы трансформируются в свалочные грунты (новообразование), которые по физико-механическим свойствам приближаются к естественным водонасыщенным грунтам со свойствами

суглинков и глин. Высокая зольность (81,48 %), низкое содержание органической фракции (4,8 %) свидетельствует о сравнительно быстром (в течение 25-30 лет) завершении процессов биодеградации органических компонентов отходов. В процессе микробиологической деструкции органических веществ на рекультивируемой территории полигона формируется микробиологическое сообщество, близкое к дерново-подзолистой почве [2].

Цель работы заключалась в оценке микробиологических показателей свалочных новообразований рекультивированной свалки для их безопасного хозяйственного использования.

Объектом исследования являлись свалочные новообразования рекультивированной свалки ТБО, твердые бытовые отходы эксплуатирующейся свалки г. Перми (Россия). Прием отходов на территорию рекультивированной свалки прекращен с 1982 года после длительной эксплуатации (более 30 лет). На месте свалки проведена техническая рекультивация: планировка территории и засыпка песчано-глинистым грунтом.

Методики проведения исследований

Микробиологическим исследованиям подвергались образцы свалочных новообразований рекультивированной свалки, отобранных из двух скважин с различной глубины. Отбор проб производился с помощью ковшового экскаватора. Минимальная глубина отбора проб составила - 1,0 м, максимальная - 5,0-6,0 м.

Для оценки процесса биодеструкции отходов дополнительно исследовали образцы твердых бытовых отходов эксплуатируемой свалки, возраст которых составлял не более 6 лет.

Для микробиологического анализа отбирали пробы отходов, которые предварительно усреднялись и измельчалась до однородного состояния. Из подготовленных образцов готовили разведения -болтушки (10 г отходов на 90 мл воды) [5].

В отобранных пробах отходов определяли основные группы микроорганизмов: сапрофитные бактерии, азотфиксаторы, актиномицеты, микроскопические грибы, а также общее микробное число методом прямого счета бактерий.

Для выявления и учета численности микроорганизмов использовали методы прямого микроскопи-рования и метод посева на плотные питательные среды [5].

Количественный анализ микрофлоры отходов проводили из различных разведений (2-6). Для учета микрофлоры использовали разведения и посев на элективные питательные среды путем инокуляции 0,1 мл исследуемой водной вытяжки на плотную среду.

Приготовление питательных сред и культивирование микроорганизмов проводили в соответствии с руководствами [5]. Сапрофитные микроорганизмы выращивали на мясо-пептонном агаре (МПА), микроскопические грибы - на среде Чапека, актиноми-цеты - на крахмало-аммиачном агаре (КАА), бактерии р.Л2о1оЪас1ет - на агаризованной среде Эшби (метод «почвенных комочков»).

Количество клеток микроорганизмов в 1 мл исследуемого субстрата определяли по формуле:

М =-— к и

з х^ ,

где М - количество клеток в 1 мл исследуемого субстрата; а - среднее количество клеток в квадрате окулярной сетки (поля зрения); 8 - площадь квадрата окулярной сетки (поля зрения); V - объем нанесенной на стекло суспензии; 8 - площадь мазка; п -коэффициент разведения исследуемого субстрата.

Подсчет выросших колоний на твердых средах. Количество клеток микроорганизмов в 1 мл исследуемого субстрата вычисляли по формуле:

ах1(Гп

,

где М - количество клеток в 1 мл; а - среднее число колоний, выросших после посева из данного разведения; 10п - коэффициент разведения; V - объем суспензии, взятый для посева, мл.

Интенсивность и направленность микробиологических процессов, протекающих на различных стадиях жизненного цикла объектов размещения отходов определяли по отношениям численности микроорганизмов, учтенных разными способами и выросших на разных питательных средах: коэффици-

КАА

ент К и-. Индикацию стадий микробной сук-

МПА

цессии определяли по изменению коэффициента К. Коэффициент К рассчитывали по формуле:

К- «

,

где М - численность бактерий, учитываемых прямым методом; П - бактерии, учтенные на питательной среде МПА.

По литературным данным низкие значения коэффициента К (менее 1000) указывают на увеличение доли быстрорастущих микроорганизмов, но менее конкурентоспособных, так называемых Г-стратегов, что характерно для начальных этапов сукцессий. Такие популяции быстро расселяются, но они малоустойчивы. Высокие значения коэффициента (свыше 1000) характеризуют зрелые сообщества, в которых преобладают микроорганизмы К-стратеги. Это медленно размножающиеся, но более конкурентоспособные организмы.

Степень минерализации определяли как отношение количества актиномицетов, выросших на КАА, к количеству сапрофитных микроорганизмов, выросших на МПА [5].

Микроскопические исследования выделенных микроорганизмов проводились с использованием микроскопа Carl Zeiss с программным обеспечением при увеличении 800 раз.

Микробиологические показатели свалочных новообразований сравнивали с показателями дерново-подзолистой почвы, в наибольшей степени распространенной на территории Пермского края, а также урбаноземами, которые формируются в результате функционирования городских агломераций.

Обсуждение результатов исследования

Важным аспектом хозяйственного освоения рекультивированных свалок является безопасность свалочных новообразований для окружающей среды и здоровья человека. Изучение структуры микробного сообщества и индикация стадии микробной сукцессии необходимы для оценки завершенности процесса микробиологической деструкции органических отходов, сопровождающейся эмиссией загрязняющих веществ в окружающую среду, и стабильности полученного материала.

Отобранные из двух скважин пробы, представляли собой на 70 % свалочные новообразования, по структуре схожие с дерново-подзолистыми почвами, с включениями камней (около 10 %) и прочих компонентов, присутствующих в количестве менее 5 % (стекло, дерево, металлы) [6].

В табл.1. представлена микробиологическая характеристика свалочных новообразований рекультивированной свалки ТБО, отходов эксплуатируемой свалки ТБО, дерново-подзолистой почвы и ур-банозема. Микробиологическая характеристика дерново-подзолистых суглинков и урбанозема составлена по результатам исследований Т. А. Зайцевой [2, 7].

Общее количество микроорганизмов, выявленных в пробах свалочных новообразований рекультивированной свалки ТБО, по сравнению с отходами эксплуатируемой свалки больше в сотни раз, а по сравнению дерново-подзолистой почвой и урбана-земом в 104 раз.

Количество сапрофитных бактерий, выросших на МПА, в пробах свалочных новообразований рекультивированной свалки ТБО, по сравнению с отходами эксплуатируемой свалки отличается незначительно, а по сравнению с дерново-подзолистой почвой и урбаназемом больше в 104 раз.

Таблица 1 - Микробиологическая характеристика свалочных новообразований рекультивированной свалки ТБО, отходов эксплуатируемой свалки ТБО, дерново-подзолистой почвы и урбанозема

Сравнение показателей проб отхо-

Наименование пробы дов рекультивированной свалки ТБО с

Показатель Пробы отходов рекультивированной свалки ТБО Пробы отходов эксплуатируемой свалки ТБО Дерново-подзолистые суг- Урбанозе-мы Отходами ТБО эксплуатируемого Дерново-подзолистыми Урбано-земами

Скв. №1 Скв. №2 Скв. №3 Скв. №4 линки полигона почвами

Общее коли- 30 • 109-120 • 109 32 • 109 -85 • 109 3,23-108 -5,54108 1,73 108 -8,39-108 0,46-1061,4106 0,51062,0-106

чество микроорга- > в 102-103 > в 104 > в 104

низмов, кл/г

Кол-во бактерий, выросших на МПА, КОЕ/г 22,4 -107 - 35,2 • 107 2,9 • 1076,3 • 107 8,35 -107 -10,4 • 107 5,5 -107 -5,75 • 107 1,05 1032,49-103 0,38 1031,49103 Отличаются не значительно > в 104 > в 104

Кол-во микро-

скопических

грибов, выросших на 2,0 -1048,0 -104 2,0 -1043,65 -104 1,1 -105 -2,3 -105 0,8 -1051,9 -105 0,007^ 1020,038-102 0,012102 -0,045^102 < в 105 > в 102-103 > в 102

среде Чапека, КОЕ/г

Кол-во

актиномицетов, выросших на КАА, 3,7105 16,7105 1,5105 -41,5105 Отс. Отс. 3,2Ы04 -17,3104 0,43^102 -0,48102 > в 105 > в 10 > в 103

КОЕ/г

Бактерии р. А2о1оЬа&ег, общее кол-во обросших 100,0 100,0 94-98 94 45,0 -55,0 89,8-98,8 > на 2-6 > на 45-55 > на 1,2-10,2

комочков, %

Количество микроскопических грибов, выросших на среде Чапека, в пробах свалочных новообразований рекультивированной свалки ТБО, по сравнению с отходами эксплуатируемой свалки меньше в 105 раз, а по сравнению с дерново-подзолистой почвой и урбаназемом больше в 102-103 раз и в 10 раз соответственно.

Количество актиномицетов, выросших на КАА, в пробах свалочных новообразований рекультивированной свалки ТБО, по сравнению с отходами эксплуатируемой свалки больше в 105 раз, а по сравнению с дерново-подзолистой почвой и урбаназемом больше в 10 раз и в 103 раз соответственно.

Количество бактерий р. Аю(оЬас1ег, общее количество обросших комочков, в пробах свалочных новообразований рекультивированной свалки ТБО, по сравнению с отходами эксплуатируемой свалки и урбаноземами отличаются не значительно, а по сравнению дерново-подзолистой почвой больше на 45-55 %.

Полученные данные свидетельствуют о том, что в пробах свалочных новообразований рекультивированной свалки, общее количество микроорганизмов, численность сапрофитов, микроскопических грибов, актиномицетов и бактерий р. Аю(оЬас(ег, по сравнению с дерново-подзолистой почвой и урбано-земом, выше, что может быть связано с наличием в теле полигона, в достаточном количестве элементов

питания для развития и функционирования данных физиологических групп микроорганизмов.

На основании анализа результатов исследований и оценки структуры сообщества микроорганизмов свалочных новообразований рекультивированной свалки ТБО и эксплуатируемого полигона ТБО, можно сделать следующие выводы:

- на рекультивированной свалке ТБО общее количество микроорганизмов в сотни раз превышает количество микроорганизмов в отходах эксплуатируемого полигона, что свидетельствует о благоприятных условиях для развития микроорганизмов и наличии доступных питательных веществ, а следовательно, о незавершенности процесса биодеструкции отходов;

- количественного изменения сапрофитных микроорганизмов не наблюдается, что возможно свидетельствует о незначительном влиянии этапа жизненного цикла полигона ТБО на развитие данной группы микроорганизмов;

- численность микроскопических грибов снижается с увеличением возраста отходов, что свидетельствует об уменьшении количества необходимых для данной физиологической группы питательных веществ (лигнин, хитин, дубильные вещества, клетчатка);

- в отходах полигона, находящегося на ранних этапах жизненного цикла, актиномицеты не выделены, тогда как в свалочных новообразованиях поли-

гона, находящегося на этапе рекультивации, акти-номицеты развивались повсеместно, что говорит о медленной деструкции фракции отходов на начальном этапе функционирования полигона;

- увеличение численности бактерий р. Лю(оЪас(вг говорит о том, что на поздних этапах разложения отходов образуются органические соединения (моно- и дисахариды, полисахариды (декстрин, крахмал), спирты, кислоты), способствующие росту и развитию азотфиксирующих бактерий.

На рис.1 представлены показатели, характеризующие микробные популяции исследуемых свалочных новообразований рекультивированной и эксплуатируемой свалки, дерново-подзолистых почв и урбаноземов. Разные значения коэффициента К и степени минерализации в образцах, отобранных их двух скважин рекультивированной свалки, свидетельствуют о присутствии на полигоне отходов, отличающихся степенью биодеструкции отходов.

г ...

100

Скв («1

СКВ №2

СКВ №

СКВ №4

I р. I т '['!: I |рпЛтлшщл<и)

иСХуЛЬ'ЛИЯфиВЦНЖШСИНМКН 'К' 11 Л »1ИруиниЙСШ111КИ

ТГ.О ТЕ О

Д^н ютн> . 1'Д..1.П..'

суглинки

Коэффдоганмифобной сукцессии. К

1КЛЛ1011

Рис. 1 - Характеристика микробных популяций исследуемых отходов, дерново-подзолистых почв и урбаноземов

Значение коэффициента микробной сукцессии К и степени минерализации свалочных новообразований скважины 1, по своим значениям приближается к значениям дерново-подзолистых почв. Значение коэффициента микробной сукцессии К и степени минерализации свалочных новообразований скважины 2, по своим значениям приближается к значениям урбаноземов. Индикация стадий микробной сукцессии в скважинах №1 и №2 определенная по коэффициенту «К» показала, что полученные высокие значения коэффициента характеризуют поздние стадии микробной сукцессии, для которой характерно присутствие организмов, использующих органические вещества на конечных этапах их превращений. Свалочные новообразования скважин 1 и 2 по коэффициенту сукцессии приближаются к значениям, характерным для урбаноземов и дерново-подзолистых почв, в то же время процесс биодеградации органогенов не может считаться полностью завершенным, так как структура микробного сообщества на рекультивированной свалке по количественным показателям и видовому разнообразию в значительной степени отличается от природных почв и урбанизированных грунтов.

Соотношение КАА/МПА во всех вариантах отбора проб отходов было меньше единицы, что свидетельствует о незавершенности процессов разложении органического вещества. Значение коэффициента минерализации органических веществ почвы (КАА/МПА) в скважине 1 в среднем 27 раз ниже, чем в скважине 2 (рис.1).

На основании проведенных микробиологических исследований свалочных новообразований рекультивированной свалки можно сделать следующие выводы:

1. На поздних этапах биодеструкции отходов (рекультивированная свалка ТБО) присутствуют органические соединения, способствующие росту и развитию актиномицетов, азотфиксирующих бактерий; снижение количества стойких соединений (лигнин, хитин, дубильные вещества, клетчатка) приводит к снижению численности микроскопических грибов.

2. В пробах свалочных новообразований рекультивированной свалки ТБО, общее количество микроорганизмов, численность сапрофитов, микроскопических грибов, актиномицетов и бактерий р. Лю^Ъа^вг выше, по сравнению с дерново-подзолистой почвой и урбаноземом, что может быть связано с наличием в теле полигона в достаточном количестве элементов питания, необходимых для развития и функционирования данных физиологических групп микроорганизмов.

3. Микробная сукцессия отходов, подвергшихся разложению на полигоне в течение 30 и более лет, находится на стадии перехода из «зрелой» экосистемы отходов в «молодую экосистему» почв. Несмотря на высокие значения коэффициента «К» установленных для проб твердых бытовых отходов, процесс биодеградации органогенов не может считаться полностью завершенным из-за несоответствия структуры микробного сообщества природным почвам и урбаноземам.

4. Свалочные новообразования из скважины № 1 рекультивированной свалки ТБО по степени минерализации представляют собой молодую сукцессию почв, приближающуюся по своим характеристикам к дерново - подзолистым почвам. Свалочные новообразования из скважины № 2 рекультивированной свалки ТБО, находящиеся на поздней стадии разложения, по степени минерализации приближаются по своим характеристикам к урбаноземам.

5. Для обоснования возможности и направлений хозяйственного использования рекультивированных свалок и полигонов ТБО микробиологическая диагностика отходов позволит оценить завершенность процессов биодеструкции и формировании свалочных новообразований, которые соответствуют по микробиологическим показателям дерново-подзолистым почвам или урбаноземам.

Литература

1. Ежегодный государственный доклад «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2010 году», 2010.

2. Зайцева Т.А., Глушанкова И.С., Рудакова Л.В., Экология и промышленность России, № 5, 35-39 (2011).

3. Г. С. Сагдеева, Г. Р. Патракова, Вестник Казанского технологического университета, 6, 194-198 (2014).

4. Л. Ш. Валиева, Т. З. Мухутдинова, А. А. Мухутдинов, Вестник Казанского технологического университета, 6, 183-185 (2014).

5. Практикум по микробиологии: Учеб.пособие для студ. высш. учеб. заведений / А.И. Нетрусов [и др.] - М.: Издательский центр «Академия», 2005. - 608 с.

6. Загорская Ю.М., Слюсарь Н.Н., Паршакова С.В., Зави-зион Ю.В., Вестник ПНИПУ. Урбанистика, № 4 (12), 144-154 (2013).

7. Зайцева Т.А., Максимова С.В., Рудакова Л.В. Геоэкология, инженерная геология, гидрогеология, геокриология, № 4, 338-343 (2005).

© Л. В. Рудакова - д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Охрана окружающей среды» Пермского национального исследовательского политехнического университета, larisa@eco.pstu.ac.ru, Е.С. Белик - ст.преподаватель кафедры ООС того же вуза, Н. Н. Слюсарь - к.т.н., доцент, зам. зав. кафедрой «Охрана окружающей среды» того же вуза.

© L. V. Rudakova - d.tech.soc, director of Department of Environmental Protection of Perm National Research Polytechnic University, larisa@eco.pstu.ac.ru, E. S. Belik - senior lecturer of Department of Environmental Protection of the same university, N. N. Sliusar - Ph. D. in Technical Sciences, Associate Professor of Department of Environmental protection of the same university.