Изучение деградации фенольных соединений под воздействием пресноводного симбиотического биоценоза

Известия Тульского государственного университета Серия Естественные науки 2008. Выпуск 1. С. 239-245

----- ЭКОЛОГИЯ -----

УДК 504.75

Т.В. Дмитриева, А.П. Коржавый, М.В. Чернова, И.И. Лапа

Калужский филиал МГТУ им. Н.Э. Баумана, Калуга

ИЗУЧЕНИЕ ДЕГРАДАЦИИ ФЕНОЛЬНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ПРЕСНОВОДНОГО СИМБИОТИЧЕСКОГО

БИОЦЕНОЗА

Аннотация. Целью исследования является анализ экологического состояния (включая все формы фенольных соединений) реки Терепец, протекающей по жизненно важным для жителей города Калуги и пригородной зоны территориям. Оценена возможность и эффективность очистки природной воды с применением биоинженерных сооружений.

Водоснабжение во многих городах и поселениях России осуществляется из поверхностных источников, качество воды в которых с каждым годом ухудшается, в связи с этим значение питьевой воды как природного компонента для сохранения здоровья человека постоянно возрастает. К тому же накопление в водных объектах загрязняющих веществ в концентрациях, превышающих ПДК, ухудшает их санитарно-эпидемиологическое состояние, снижает водохозяйственный потенциал, сокращает возможности использования их в хозяйственных и рекреационных целях, изменяет природную среду, приводит к деградации водных экосистем, изменению среды обитания.

Особое внимание уделяется рекам, протекающим по населенным территориям. Так, в черте города природные воды могут подвергаться не только загрязнениям сточными водами крупных предприятий, но и выпусками ливнестоков улиц и мелких предприятий. С одной стороны это создает угрозу их отравления, а с другой - возникает опасность заражения сферы обитания населенных зон такими водами. Кроме прямых, учитываемых сбросов, на состояние вод природных рек влияют техногенные объекты -различные свалки. Загрязнение рек от таких объектов осуществляется как

© Дмитриева Т.В., Коржавый А.П., Чернова М.В., Лапа Н.Н., 2008

от ручьев, протекающих в районе расположения свалки, так и через подземные воды [1].

Так, например, в городе Калуге значительное влияние на состояние вод реки Терепец оказывает полигон промотходов (так называемая «Ястребов-ская свалка»), расположенный по левому берегу реки Терепец в районе деревни Ястребовка. В частности особое опасение вызывает котлован, содержащий жидкие промотходы от предприятия органического синтеза, который обустроен в соответствии с санитарными правилами, но высокое содержание в нем фенолов делает его основным предполагаемым источником загрязнения реки фенольными соединениями посредством ручьев, протекающих по территории или вблизи полигона.

Как известно, фенол является высокотоксичным соединением, оказывающим крайне неблагоприятное действие на живые организмы. Помимо непосредственного действия фенолы интенсивно поглощают при своем окислении растворенный в воде кислород, что отрицательно сказывается на жизнедеятельности организмов и растений водоемов.

Фенолы разделяют на две группы: летучие с паром и нелетучие. Летучие с паром фенолы более токсичны, обладают более интенсивным запахом, чем нелетучие, и потому их допустимые концентрации в водах водоемов чрезвычайно малы. В связи с этим ограничиваются определением только одних летучих фенолов, что допускается СанПиНом 2.1.5.980-00 *. но чего явно недостаточно для полной оценки экологического состояния реки.

Целью данного исследования являлся анализ экологического состояния реки Терепец, особенно относительно загрязнения фенолами, т.к. ранее систематические исследования по определению фенолов не проводились, а также оценка возможности и эффективности очистки с применением био-инженерных сооружений.

Установлено, что основными загрязнителями природных вод центрального региона, например, в городе Калуге, являются тяжелые металлы (железо, медь, никель). Очистка природных вод от тяжелых металлов с применением биоинженерных сооружений в Калужском регионе уже успешно опробована

СанПиН 2.1.5.980-00 «Водоотведение населенных мест, санитарная охрана водных объектов»:

... ПДК фенола - 0,001 мг/л - указана для суммы летучих фенолов, придающих воде хлорфенольный запах при хлорировании (метод пробного хлорирования). Эта ПДК относится к водным объектам хозяйственно-питьевого водопользования при условии применения хлора для обеззараживания воды в процессе ее очистки на водопроводных сооружениях или при определении условий сброса сточных вод, подвергающихся обеззараживанию хлором. В иных случаях допускается содержание суммы летучих фенолов в воде водных объектов в концентрациях 0,1 мг/л.

[2], чего нельзя сказать о комплексной очистке рек от вышеупомянутых загрязнителей, в том числе и от фенолов, с помощью естественно-природных методов.

В качестве объекта исследования в данной работе выбрана река Терепец, берущая начало в 4 км от города Калуги и протекающая по густо населенному микрорайону города.

Сеть мониторинга (рисунок) реки Терепец2 имеет протяженность около 14 км. Участок реки от д. Косарево (точка №1) до д. Волково (точка №2) находится за пределами городской черты и подвержен техногенному воздействию только Ястребовской свалки и ОАО «Тепличный». От точки №2 до точки наблюдения №3 река протекает по территории города и получает загрязнения в виде сбросов сточных вод, ливнестоков, утечек из коллекторов и несанкционированных сточных ручьев. После точки наблюдения №3 (до впадения в реку Ячейка) река Терепец протекает вне пределов городской черты и не подвергается воздействию промсбросов.

Яченское водохранилище

Водохранилище'-^

О

р. Ока

Схема мониторинга поверхностных водных объектов в г. Калуге

о

Мониторинг реки Терепец последние 5 лет выполняется силами ООО «Экоаналитика» по заказу Городской Управы г. Калуги.

Наблюдение за уровнем фенольного загрязнения силами лаборатории Калужского предприятия ОАО «Аромасинтез» осуществляется по известной методике определения летучих соединений3, рекомендованной нормативными документами для рыбохозяйственных водоёмов. В этой методике не оценивается общее количество фенольных соединений (включая нелетучие), которые также являются токсичными и активно влияют на содержание кислорода в речной воде.

Исходя из вышеизложенного, в данной работе в процессе исследований оценен уровень загрязнения реки Терепец всеми группами фенольных соединений (летучими и нелетучими)4 в аккредитованной Испытательной лаборатории контроля пищевых продуктов и экологии (ООО «ИЛКППЭ»), концентрации ХПК, общего железа в лаборатории Калужского филиала Московского государственного технического университета (КФ МГТУ) им.

Н.Э. Баумана (табл. 1).

Результаты исследований показывают, что концентрации общего железа и особенно фенолов в несколько десятков раз превышают предельнодопустимую концентрацию во всех точках отбора.

Можно утверждать, что наиболее перспективной и экономически выгодной является технология очистки природных загрязненных вод с применением БИС, в которых происходят процессы самоочищения с участием различных элементов биоценоза, таких как высшие водные растения (ВВР), бактерии, грибы, микроорганизмы [3, 4]. Отметим, что река Терепец загрязнена тяжелыми металлами в умеренной степени, проведенные ранее исследования подтверждают [2], что это не скажется отрицательно на жизнедеятельности ВВР и функционировании БИС. Поэтому перед созданием БИС необходимо было определить пределы выживаемости ВВР в модельных растворах, содержащих фенол (в качестве модельного растения и биоиндикатора была выбрана Ряска малая - Lemna minor).

Для повышения оперативности исследований в данной работе использовали модельные растворы. Модельный раствор представлял собой смесь 20% жидкости из котлована, содержащего жидкие промотходы от предприятия органического синтеза, т.к. он является источником фенольных соединений, загрязняющих реку; 80% воды из Яченского водохранилища, т.к. вода в Яченском водохранилище содержит типичную природную речную

о

«Методика выполнения измерений суммарных содержаний летучих фенолов в пробах природных и очищенных сточных вод экстракционно-фотометрическим методом после отгонки с паром»

4«Методика выполнения измерений массовой концентрации фенолов в пробах питьевых, природных и сточных вод флуориметрическим методом на анализаторе жидкости «ФЛКЮРАТ-02» (ПНД Ф 14Л:2:4Л82-02).

Таблица 1

Результаты исследования реки Терепец

№ п/п Опреде- ляемые показа- тели Ед.изм. Норма- тив, ПДК рхв р. Терепец, дер. Коса-рево, т-ка №1 р. Терепец, дер. Вол-ково, т-ка №2 р. Терепец, т-а №3 р. Терепец (после впадения РУ- чьев) Ястребов ская свалка5

1 ХПКе мг/л 12,1 20,7 43,7 36,1 1260

2 Фенол мг/л 0,001 0,060 0,069 0,073 0,16 3,64

крат- ность превы- шения пдк 60 69 73 160 3640

3 Раств. 027 мг/л Не норм. 8,39 6,89 2,92 8,9 Не об-нар.

4 8 ^еобщ мг/л 0,1 0,816 1,22 0,335 1,3 1,6

(крат- ность превы- шения ПДК) 8,16 12,2 3,35 13 16

биоту. В качестве твердой фазы (грунта) использовались песок и Зикеев-ская глина в соотношении 100 г/л модельного раствора. Из приведенных данных в табл. 2 видно, что самая эффективная очистка модельной смеси от фенольных загрязнений наблюдается в случае применения в качестве твердой фазы (грунта) песка или навески Зикеевской глины и природной речной биоты с ряской: 58% и 64% соответственно. 5 6 7 8

5Котлован органических промотходов

(!Методика выполнения измерений химического потребления кислорода в пробах природных и очищенных вод титриметрическим методом (ПНД Ф 14.1:2:100-97).

7"Методика выполнений содержаний растворенного кислорода в пробах природных и очищенных вод иодометрическим методом (ПНД Ф 14.1:2:101-97).

8" Методика выполнения измерений массовых концентраций железа в питьевых, природных и сточных водах методом атомно-абсорбционной спектрометрии (ПНД Ф 14.1:2:4.139-98).

Таблица 2

Эффективность поглощения фенола высшими водными растениями на

примере ряски малой

Экспозиция, час Состав модельной смеси Изменение концентрации фенольных соединений, С/Со

0 6 24 30 48

Модельный р-р (фенол -3,04 мг/л) 1 0,86 0,80 0,83 0,82

Модельный р-р + песок (фенол - 3,04 мг/л) 1 0,81 0,84 0,96 0,80

Модельный р-р + глина (фенол - 3,04 мг/л) 1 0,81 0,82 0,85 0,75

Модельный р-р + ряска (фенол - 3,44 мг/л) 1 0,92 0,83 0,81 0,51

Модельный р-р + ряска + песок (фенол - 3,44 мг/л) 1 0,71 0,57 0,53 0,42

Модельный р-р + ряска + глина (фенол - 3,44 мг/л) 1 0,74 0,56 0,44 0,36

Следует отметить значительную разницу в эффективности очистки от фенольных соединений в присутствии ряски и без нее (49% и 18% без компонентов грунта, 64% и 25% с добавлением глины), что связано, вероятно, с активным фотосинтезом и запасением энергии симбиозом ВВР - микробиота [5].

Во всех случаях выживаемость Ряски малой в модельных смесях превышала 70%, что показывает возможность и эффективность создания БИС с участием ВВР.

Выводы

1. Выживаемость высших водных растений на примере Ряски малой при высоких концентрациях фенольных соединений в модельных растворах доказывает возможность применения БИС для загрязненных природных вод.

Примененные песок и Зикеевская глина в качестве составляющих грунта способствовали уменьшению загрязнения в присутствии с ВВР и в конечном счете повышению эффективности очистки: через б часов на 18-21%, через 24 часа - 26-27%, через 30 часов - 28-37%, через 48 часов - 9-15%.

Самая высокая эффективность отмечена для модельных растворов с природной микробнотой и с ВВР как в присутствии компонентов грунта, так и без них, что можно объяснить более эффективными энергетическими процессами в симбиозе ВВР - микробиота.

Библиографический список

1. Сметанин В.И. Восстановление и очистка водных объектов / В.И. Сметанин. -М.: КолосС, 2003. - 157 с.

2. Дмитриева Т.В. Изучение устойчивости ВВР на примере ряски малой по отношению к тяжелым металлам в сточных водах полигона ТБО / Т.В. Дмитриева [и др.]. // Прогрессивные технологии, конструкции и системы в приборо- и машиностроении: Труды Всеросс. Научно-техн. конф. Москва, 2001 - С. 326.

3. Пестриков С. В. Обоснование эффективности эколого-геохимического барьера с высшими водными растениями для доочистки сточных вод от ионов тяжелых металлов / С.В. Пестриков [и др.]. // Инженерная экология. -2007. -№ 2. -С. 21-28.

4. Остроумов С.А. О полифункциональной роли биоты в самоочищении водных экосистем / С.А. Остроумов. // Экология. - 2005. -№ б. -С. 452-459.

5. Клейтон Р. Фотосинтез. Физические механизмы и химические модели / Р. Клейтон. -М.: Мир, 1984.

Поступило 08.02.2008