Биоиндикация процесса очистки металлсодержащих сточных вод в условиях непрерывного культивирования биопленки

А. А. Халилова, А. В. Яковлева, А. С. Сироткин

БИОИНДИКАЦИЯ ПРОЦЕССА ОЧИСТКИ МЕТАЛЛСОДЕРЖАЩИХ СТОЧНЫХ ВОД В УСЛОВИЯХ НЕПРЕРЫВНОГО КУЛЬТИВИРОВАНИЯ БИОПЛЕНКИ

Ключевые слова: дегидрогеназная активность, биопленка, ионы никеля (II), ионы хрома (VI).

В настоящее время для определения токсичности сточных вод, загрязненных, в том числе тяжелыми металлами, применяются как физико-химические методы, так и методы биологического контроля среды. В данной работе рассмотрено влияние тяжелых металлов Cr6+, Ni2+ на микрофлору биопленки, полученной на основе микроорганизмов адаптированного активного ила в слое загрузки лабораторного биофильтра.

Keywords: dehydrogenase activity, biofilm, ions of Nickel (II), ions of Chrome (VI).

Recently the physical-chemical methods and the methods of biological control are combined applied for definition of toxicity of waste waters, containing heavy metals. The influence of heavy metals Cr6 +, Ni2 + on microbial population of biofilm, received from adapted actived sludge, is considered in the given work.

Введение

Металлами загрязняются водные бассейны, почва и воздух. Содержание этих токсических элементов в ряде регионов Земного шара значительно превышает предельно допустимые концентрации (ПДК) [1]. В настоящее время

тяжелые металлы считаются одной из наиболее опасных групп токсикантов, попадающих с бытовыми и промышленными отходами в окружающую среду [2].

В связи с вышеизложенным очевидна необходимость проведения постоянного

мониторинга содержания тяжелых металлов в водоемах различного назначения. Возможности аналитической химии, даже при условии значительного усовершенствования существующих и создания комплекса новых методик, в проведении эффективного контроля загрязнения вод вредными веществами отнюдь не безграничны. Поэтому наряду с физико-химическими методами необходимо использование методов биологического контроля и диагностики - биотестирование и биоиндикацию. Для определения токсичности сточных вод, содержащих в своем составе тяжелые металлы, применяются представители зоопланктона дафнии (Daphnia magna Straus.) и цериодафнии (Ceriodaphnia affinis Lilljeborg), инфузории (Paramecium caudatum Erenberg.) [3] и многие другие. Но в то же время необходимо уделять внимание микроорганизмам - деструкторам загрязнений, входящих в систему биологической очистки сточных вод.

Комплексный подход в проведении биологического мониторинга при систематическом наблюдении позволяет судить о перспективах изменения структуры сообществ, продуктивности популяций и устойчивости экосистем по отношению к антропогенным факторам [4].

Экспериментальная часть

Целью исследований являлось изучение влияния ионов тяжелых металлов на примере Ni(II) и Cr(VI) на протекание окислительно-

восстановительных процессов с участием микробного сообщества биопленки.

Исследование проводилось в системе трех параллельных биофильтров со следующими исходными параметрами:

1. Загрузочный материал биофильтра -керамзит.

2. Расход воды = 2,5*10"4 м3/ч (0,25 л/ч).

3. Время пребывания сточной воды в биофильтрах - в среднем 16 часов.

4. Аэробные условия с принудительной подачей воздуха.

С целью биологической очистки на биофильтрацию непрерывно поступал модельный раствор сточных вод. Характеристика модельного раствора сточных вод приведена в таблице 1.

Таблица 1 - Состав и характеристика модельного раствора сточной воды

Компонент Количество, мг/дм3

Na2CO3 40

(NH4)2SO4 60

NH4CI 30

KH2PO4 15

CH3COONa 50

Сахароза 125

Глицерин 50

Крахмал 50

Модельный раствор готовился с учетом присутствия в его составе важнейших макро- и микроэлементов (табл. 1) [5] и в соответствии с показателями, характерными для смешанных сточных вод ОАО «Казанский оптико-механический завод» (ХПК в диапазоне концентраций 185 - 360 мгО2/дм3). Отсутствие органических источников азота и фосфора исключало дополнительное образование аммонийного азота в ходе аммонификации и фосфатов в процессе ферментативного разложения и обусловливало достоверность составления материального баланса форм азота и фосфора без определения общего азота и фосфора в системе [6]. Содержание азота нитратов

в модельном растворе (концентрация не более 2,7 мг/дм3) связано с применением водопроводной воды для приготовления раствора.

Для инокуляции биофильтров был использован активный ил в объеме 0,8 дм3 с концентрацией биомассы в суспензии 1,8 г/дм3. Пусковой период биофильтрации для образования и наращивания биопленки до момента подачи токсикантов занимал 2 суток.

Опытные системы биофильтрации предполагали поступление на очистку модельного раствора сточных вод, содержащего ионы №2+ и Ог6+. Диапазон исследуемых концентраций металлов составлял от 1 до 6 мг/дм3 . При этом токсиканты подавались точечно на период времени пребывания сточной воды в системе (16 часов). Затем биопленка культивировалась в течение 24 часов без добавления металлов до подачи новой порции.

Сточная вода, поступающая в контрольную систему биофильтрации, не содержала токсикантов.

Для комплексного анализа токсичности исследуемых компонентов сточных вод определялась биохимическая активность ила, которая

характеризуется активностью комплекса ферментов его микрофлоры.

Конститутивный характер дегидрогеназ, центральное положение, которое занимает дегидрирование при биологическом окислении органических веществ, а также относительная простота методов определения активности дегидрогеназ (особенно с применением солей тетразолия), обусловили широкое применения дегидрогеназной активности (ДГА) как для оценки состояния экосистемы промышленных илов, так и токсичности сточных вод [7].

Дегидрогеназная активность биопленки была исследована по методике ВНИИ ВОДГЕО [8]. Результаты представлены на рис. 1.

Представленные результаты являются относительными величинами и получены по формуле: Щ^ДГА^-ДГО

ТОЁТ

токсикантов

Отокс=1

мг/л

Отокс=2

мг/л

Стокс=3 мг/л

Стокс=4 Отокс=5 Стокс=6

мг/л мг/л мг/л

Рис. 1 - Изменение дегидрогеназной активности в зависимости от концентрации токсиканта

Различие в значениях дегидрогеназной активности в начальный момент времени может быть связано с тем, что количество инокулята в биофильтрах могло несколько различаться, а также с погрешностью измерения дегидрогеназной активности.

Из полученных экспериментальных данных в отношении дегидрогеназной активности видно, при

небольших концентрациях токсикантов (1 и 2 мг/дм3) отмечена устойчивая адаптация микроорганизмов биопленки к тяжелым металлам. Как было отмечено ранее [9], ионы никеля и хрома в концентрации 3 мг/дм3 не проявляли токсичности для

микроорганизмов активного ила. Более того, для низких концентраций металлов был отмечен стимулирующий эффект повышения ферментативной активности. Поэтому следует предположить, что для концентрации металлов 3 мг/дм3 в эксперименте с биопленкой увеличение дегидрогеназной активности (примерно в 10 раз для среды с ионами никеля и в два раза - с ионами хрома) связано с полной адаптацией микрофлоры к присутствию в среде тяжелых металлов.

Дальнейшее повышение концентрации металлов вызывает снижение ферментативной активности для обоих металлов, особенно значимое для ионов никеля (в 10 раз). Однако в биофильтре с добавлением хрома дегидрогеназная активность в целом намного ниже, что свидетельствует о высокой токсичности соединений шестивалентного хрома для микрофлоры.

Отмечено также, что со временем биофильтрации ферментативная активность образцов биопленки снижается в контрольной пробе, что может быть связано с отмиранием культуры в связи со старением биопленки, полученной на основе микроорганизмов активного ила металлообрабатывающего предприятия.

Одним из важнейших факторов исследования состояния активного ила и биопленок является гидробиологический анализ, поскольку он определяет состав, количественное распределение и своеобразие организмов активного ила и биопленок [8].

Присутствие микроорганизмов -индикаторов в биопленке определялось как качественно, так и количественно. Для количественного учета индикаторных организмов в образцах биопленки применялась пятибалльная система. Принцип ее заключается в оценке относительной численности микроорганизмов по условной пятибалльной шкале:

1 - Единичное нахождение

2 - Мало

3 - Порядочно

4 - Много

5 - В массе

Преимуществом данного метода является быстрота и простота проведения исследования. Недостаток присущий методу заключается в субъективности получаемых результатов.

Пятибальная система учета микроорганизмов применяется, как правило, для ежедневного обследования состояния активного ила и/или биопленки [10].

В образцах сформировавшихся биопленок наблюдались и подсчитывались разнообразные

представители индикаторных организмов:

свободноплавающих и прикрепленных простейших, а также коловратки и черви (рис. 2 - 4).

Контроль

5

0 4

-і

4 3

Е2Е ІІГ

:4: :5:

4 4

7 10

свободноп лавающие

Б прикрепле нные

коловратки

черви

14

Рис. 2 - Количественная характеристика

индикаторных организмов биопленки

биофильтра без добавления токсикантов

N1

4 4

ЇЗ цщ

:5: 5:

4 4

свободноп лавающие

а прикреплен ные

коловратки

ч ерви

12 3 5

концентрация токсикантов, мг/дм3

Рис. 3 - Количественная характеристика

микрофлоры биопленки, выращиваемой в присутствие ионов N1(1!) в сточной воде

0 1 2 3 5 6

концентрация токсикантов, мг/дм3

Рис. 4 - Количественная характеристика

микрофлоры биопленки, выращиваемой в присутствие ионов Сг^!) в сточной воде

В образцах биопленки не отмечено активного развития вторичных и третичных консументов. Это связано с тем, что активный ил, взятый для инокулята, выращивается в условиях низкой нагрузки по органическим веществам. Следовательно, в условиях лимитирования по субстрату рост и развитие происходят незначительно.

В сравнении с данными полученными для контрольного биофильтра заметно ингибирующее воздействие ионов никеля на индикаторное сообщество. Также следует отметить, что происходит некоторое увеличение числа индикаторных микроорганизмов при концентрации N1(11), равной 5 мг/дм3. Это связано с ростом гетеротрофных микроорганизмов, выраженным в изменении дегидрогеназной активности в большую сторону, которые являются субстратом для вторичных и третичных консументов.

Модельная сточная вода, содержащая ионы Ог(У!), не оказывает существенного ингибирующего

действия на индикаторные микроорганизмы при низких концентрация (до 1 мг/дм3). Дальнейшее увеличение концентрации токсиканта приводит к снижению количества микроорганизов в биопленке.

Исследования процесса трансформации неорганического азота, рассчитанные согласно стехиометрическим уравнениям, представлены в таблице 2

55ЫН+ + ЪС02 + 76(?2

400 + 5СО „ + «Я+

С5Н702Ы + 54М?2 + 52Н20 + 109Н+

-1950„

'2 ' "—2 '""4 1 ‘"“2 2^2°"'“5"7“2'' 1 " 3 1 "

В отсутствии токсикантов распределение азота в целом одинаково во всех трех биофильтрах. Некоторые отличия могут быть связаны с тем, что количество инокулята в биофильтрах слегка различалось, а также с техническим

несовершенством проведения модельной биологической очистки.

Таблица 2 - Биологическое потребление

аммонийного азота в процессе биофильтрации в присутствии никеля (II) и хрома (VI) в поступающей сточной воде

•СЪН7°2Ы-

400

3 Концентрация мг/дм Никель Хром Контроль

о4 « 9 и « е « £ Д с с О Д о & непотребленный азот,% % ,% ,а с ас а о « б % ,% « я § « е « & К н с с е Д о рп непотребленный азот, % % ,% ,а с ас а о « б % ,% « я § « е « & К н с с е Д о рп % % ,т о з а й д н ле б е тр о п е н % ,% ,а с ас а о « б

отс. 3 17 80 2,5 21,5 76 2,5 12,5 75

1 0,25 7,5 92,3 0,1 30 70 3 13,3 83,7

2 0,4 40 59,5 0,11 18 81,9 4 7 89

3 0,1 5 94,9 0,1 11,3 88,6 3,5 3,3 93,2

4 2,5 21,5 76 0,5 37,5 62 4 8,5 87,5

5 1,6 30 68,4 0,3 38 61,7 3,7 10 86,3

6 1 25 74 0,6 50 49,4 3,3 1,5 95,2

В ходе экспериментов была отмечена крайне низкая активность нитрификаторов в исследовательских системах. В контрольной пробе доля аммонийного азота подвергшегося нитрификации отмечена в диапазоне лишь от 2,5 до 4%.

В присутствии ионов N1(1!) и Ог(У!) в концентрациях 1, 2 и 3 мг/дм3 процесс

нитрификации не отличается от контроля: количество аммония, пошедшего на нитрификацию от его общего количества, не превышало 0,25%.

При этом следует отметить адаптацию микрофлоры к присутствию токсикантов в условиях непрерывного культивирования. В дальнейшем при большей концентрации ионов никеля (II) - 4 мг/дм3 процесс нитрификации в биофильтре нормализуется: количество аммония на

нитрификацию от его общего количества возрастает до 2,5%, т.е. в 10 раз.

5

0

2

время, сут

+

20

15

0

При этом в биофильтре в присутствии ионов хрома степень нитрификации увеличивается лишь до 0,5%.

Незначительное увеличение количества аммонийного азота, пошедшего на процесс нитрификации в биофильтре в присутствии ионов хрома в концентрации 6 мг/дм3, может быть связано с более длительной и менее полной адаптацией микрофлоры биопленки к ионам хрома.

Следует отметить, что для микроорганизмов биопленки в настоящих исследованиях критические концентрации токсикантов, ингибирующих биологические процессы, составили 3-5 мг/дм3, в отличие от активного ила, когда ингибирующий эффект отмечался при концентрации токсикантов свыше 6 мг/дм3, а в определенных случаях микроорганизмы выдерживали концентрации до 18 мг/дм3 [9].

В биофильтр с биопленкой металлсодержащий раствор подавался непрерывно в течение 16 часов. При равных концентрациях металлов биопленка подвергалась более длительному воздействию токсикантов по их количеству.

Заключение

1. Исходя из результатов оценки дегидрогеназной активности микроорганизмов биопленки выявлено, что добавление ионов №2+ в количествах до 3 мг/дм3 в систему биофильтрации сточных вод приводит к развитию гетеротрофной микрофлоры; однако, процесс нитрификации в этом случае развит слабо.

2. Количественно оценено токсическое влияние хрома и никеля на микроорганизмы биопленки. Показано, что микроорганизмы-нитрификаторы наиболее чувствительны к воздействию тяжелых металлов, и на их адаптацию требуется большее время.

3. Выявлено, что ионы Ог6+ оказывают подавляющее действие на процесс нитрификации в биопленке.

Литература

1. Квасников, Е.И. Биологическая очистка хромсодержащих промышленных сточных вод / Е.И. Квасников, Н.С. Серпокрылов, Т.М. Клюшникова и др.;

под ред. К.И. Квасникова, Н.С. Серпокрылова - Киев: Наук. думка, 1990. - 112 с.

2. Мур, Дж.В. Тяжелые металлы в природных водах / Дж.В. Мур, C. Рамамурти. - М.: Мир, 1987. - 286 с.

3. Халилова А.А., Яковлева А.В., Сироткин А.С. Сравнительная оценка токсичности сточных вод, содержащих ионы хрома и никеля с применением различных биотест-объектов / А.А. Халилова, А.В. Яковлева, А.С. Сироткин // Вестник Казанского государственного технологического университета. -

2010. - №10. - с. 392-401.

4. Мелехова, О.П. Биологический контроль окружающей среды: биоиндикация и биотестирование: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / О.П. Мелехова, Е.И. Егорова, Т.И. Евсеева и др.; под ред. О.П. Мелеховой и Е.И. Егоровой. - М.: Издательский центр «Академия», 2007. - 288 с.

5. Huber, S.G. EinfluB der ProzeBfuhrung auf Menge und Zusammensetzung von Protein und Polysacchariden im Ablauf von Sequencing-Batch Reactoren // Berichte aus Wassergute und Abfallwirtschaft Techn. Univer. Munchen. 1999. - No. 159. - 129p.

6. Жмур, Н.С. Технологические и биохимические процессы очистки сточных вод на сооружениях с аэротенками / Н.С. Жмур. - М.: Акварос, 2003. - 512 с.

7. Закиров, Р.К. Ферментативная диагностика промышленных илов в процессах продленной аэрации сточных вод / Р. К. Закиров, Ф. Ю. Ахмадуллина, И. В. Вербенко, А. С. Сироткин // Вестник Казанского государственного технологического университета. -2009. - №2. - с. 33 - 40.

8. Роговская, Ц.И. Рекомендации по методам производства анализов на сооружениях биохимической очистки промышленных сточных вод / Ц.И. Роговская, Л.М. Костина. - М.: Стройиздат, 1970. - 102 с.

9. Халилова А.А., Яковлева А.В., Сироткин, А.С.

Биотестирование и биоиндикация модельных растворов, содержащих ионы металлов Ni (II) и Cr (VI) / А.А. Халилова, А.В. Яковлева, А.С. Сироткин // Сборник трудов III Международного экологического конгресса (V Международной научно-технической конференции) «Экология и безопасность жизнедеятельности промышленно- транспортных комплексов». - Т.4

Научный симпозиум «Экологический мониторинг промышленно- транспортных комплексов». - Тольятти,

2011. -- с. 330- 335

10. Кутикова, Л.А. Фауна аэротенков (Атлас) / под ред. Л.А. Кутиковой. - Л.: Наука, 1984. - 264 с.

©А. А. Халилова - инж. каф. промышленной биотехнологии КНИТУ, albina_khalilova@rambler.ru; А. В. Яковлева - магистр КНИТУ; А. С. Сироткин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. промышленной биотехнологии КНИТУ, asirotkin@mail333.com.