Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор литературы
1.1 Экологическая характеристика состояния поверхностных водных ресурсов Саратовской области .11
1.2 Методы современной водоочистки и водоподготовки .17
1.3 Современные бактерицидные средства, применяемые для целей водоподготовки 22
1.4 Экотоксикологический скрининг новых соединений с
антибактериальными свойствами 27
ГЛАВА 2. Объекты и методы исследования
2.1 Объекты исследования .37
2.2 Методы исследований .41
2.2.1 Методы микробиологических исследований .43
2.2.2 Методы токсикологических исследований 45
2.2.3 Методы физико-химических исследований 51
2.2.4 Методы химико-аналитических исследований природных вод .. 55
2.2.5 Методы статистической обработки экспериментальных данных 59
ГЛАВА 3. Экотоксикологическая характеристика полиазолидинаммония ионогидрата
3.1 Изучение антимикробной активности полиазолидинаммония ионогидрата в отношении референс-штаммов бактерий .60
3.2 Исследование зависимости антимикробного действия полиазолидин- аммония ионгидрата от длительности контакта с бактериями 62
3.3 Оценка токсичности полиазолидинаммония ионгидрата с использованием комплекса тест-объектов .63
ГЛАВА 4. Анализ физико-химических и сорбционных свойств гранулированных сорбентов на основе природного бентонита
4.1 Влияние температуры обжига на физико-химические свойства и элементный состав образцов гранулированных сорбентов из бентонита 66
4.2 Изучение пористой структуры бентонитовой глины и сорбентов на ее основе 71
4.3 Испытания химической и механической стойкости гранул сорбентов на основе бентонита 72
4.4 Исследование сорбционной емкости образцов гранул сорбентов на основе бентонита 74 CLASS ГЛАВА 5. Исследование эффективности многослойных фильтров на основе бентонитовых сорбентов и полимера CLASS
5.1 Исследование антимикробной активности полиазолидинаммоний ионгидрата в комплексе с различными сорбентами 79
5.2 Влияние скорости фильтрации на антибактериальные свойства полиазолидинаммоний ионогидрата, нанесенного на гранулы сорбентов 81
5.3 Лабораторные испытания эффективности разных комбинаций фильтрующих загрузок 84
5.4 Лабораторные испытания разработанных фильтрующих загрузок для очистки поверхностных вод водных объектов Саратовской области .86
5.5 Промышленные испытания комбинированной фильтрующей загрузки на станциях локальной очистки воды «ЛИССКОН-101» .91
Заключение .93
Выводы .98
Список сокращений .100
Список литературы
- Методы современной водоочистки и водоподготовки
- Методы химико-аналитических исследований природных вод
- Исследование зависимости антимикробного действия полиазолидин- аммония ионгидрата от длительности контакта с бактериями
- Испытания химической и механической стойкости гранул сорбентов на основе бентонита
Методы современной водоочистки и водоподготовки
Главным источником питьевой воды г. Саратова является Волгоградское водохранилище, которое имеет также важное рекреационное и рыбо-хозяйственное значение. Волгоградское водохранилище является последним и самым крупным в каскаде Волжских искусственных водоемов и выступает в качестве приемника загрязняющих веществ, приносимых транзитным потоком сверху по течению. На качество воды оказывает значительное влияние и сам город: поступление химических веществ от точечных источников загрязнения или с поверхностным стоком. Водохранилище активно аккумулирует поступающие вещества. Косвенным показателем этого процесса служит степень заиленности, т.к. илистые частицы сорбируют химические вещества и увлекают их в донные отложения (Букатин, 2006; Сергеева, 2014).
Контроль за санитарным состоянием водоемов Саратовской области в местах хозяйственно-бытового водоснабжения остается одной из центральных задач в связи с тем, что основными источниками хозяйственно-бытового и питьевого водоснабжения населения области являются именно открытые водоемы. Надзор осуществляется Управлением Роспотребнадзора по Саратовской области, Саратовским отделением Государственного НИИ озерного и речного рыбного хозяйства, отделом водных ресурсов Нижне-Волжского бассейнового водного управления в Саратовской области, Саратовской ЦГМС, Управлением Росприроднадзора по Саратовской области, Комитетом охраны окружающей среды и природопользования Саратовской области.
Согласно данным докладов, ежегодно публикуемых Комитетом охраны окружающей среды и природопользования Саратовской области «О состоянии окружающей среды Саратовской области», в 2013 году на территории области по химическим показателям процент нестандартных водных проб составил 25,2%. Средний по Саратовской области показатель доли проб воды водных объектов I категории, не соответствующей гигиеническим нормативам по содержанию ТКБ (Термотолерантных Колиформных Бактерий), в 2013 году составлял 6,7%, по содержанию ОКБ (Общих Колиформных Бактерий) – 6,3%. Часто в исследуемых пробах поверхностных вод обнаруживаются разные биовары кишечной палочки; иногда имеет место и обнаружение возбудителей паразитарных заболеваний.
Согласно исследованиям ряда авторов (Ларионов, 2009; Гусев, 2011; 2014; Синельщикова, 2014) из 33000 проб воды, отобранных в Правобережье Саратовской области, выделено 108 штаммов патогенных и условно – патогенных микроорганизмов. Возбудители острых кишечных инфекций были представлены родами Shigella, Salmonella, Escherichia. Доля условно – патогенных микроорганизмов составила 83% и они были представлены родами Proteus, Pseudomonas, Citrobacter. В Левобережье спектр выделенных микробов оказался значительно выше по встречаемости и разнообразию. Из 31000 исследованных проб выделено более 370 патогенных и условно – патогенных бактерий, то есть в 3 раза больше, чем в Правобережье. Условно-патогенные микроорганизмы были представлены родами Shigella, Salmonella, Escherichia, Klebsiella. Среди условно–патогенных бактерий преобладали роды Enterobacter, Serratia, Proteus, Pseudomonas (Логашова и др., 2008).
На протяжении длительного времени наиболее высокие уровни загрязнения воды регистрируются в Красноармейском, Ершовском, Балашовском, Новобурасском, Екатериновском, Перелюбском, Ивантеевском, Татищев-ском районах (Логашова, 2008; Галстян и др., 2012; Доклад «О состоянии окружающей среды», 2014).
Согласно данным Федеральной службы государственной статистики в 2013 году централизованным водоснабжением было обеспечено 95,0% населения Саратовской области, нецентрализованным водоснабжением – 5,0%.
В большинстве районах Заволжья из-за отсутствия пресной подземной воды для питьевых и хозяйственно-бытовых целей используются малые реки, пруды, водохранилища. При исследовании малых рек отмечается их стойкое антропогенное загрязнение и низкая самоочищающая способность (Орлов, 2006; Сергеева, 2010, 2012; Угланов и др., 2013; Гусев, 2011; 2014, Синельщикова, 2014).
В 2012 году доля проб воды из водопроводной сети, не соответствующей гигиеническим нормативам, составляла по санитарно-химическим показателям – 13,7% (по РФ – 16,4%), по микробиологическим -5,1% (по РФ – 4,2%), в 2013 году 25,2% и 5,0% соответственно (Доклад о состоянии окружающей среды).
Среди водопроводов в 2013 году 41,4% не соответствовали требованиям из-за отсутствия зон санитарной охраны, 40,1% – из-за необходимого комплекса очистных сооружений, 38,7% – из-за обеззараживающих установок. Высокий процент неудовлетворительных проб по микробиологическим показателям из централизованных водоисточников отмечается в тех районах Саратовской области, где в качестве источников централизованного водоснабжения используются неочищенные поверхностные водоемы. Без очистки подается вода жителям Перелюбского, Питерского, Новоузенского районов (кроме г. Новоузенска, с. Питерка). В Краснокутском, Федоровском, Ершов-ском, Пугачевском и Дергачевского районах процент обеспеченности очисткой составляет от 4,8 до 12,5%.
В 18 районах области (Аткарском, Екатериновском, Духовницком, Ба-лашовском, Романовском, Советском и т.д.) население получает воду с высоким содержанием железа (от 1,0 мг/дм3 до 5 мг/дм3). Этот показатель влияет в первую очередь на органолептические свойства воды, а также при достаточно высоких значениях (3-5 мг/дм3) может вызвать патологию желудочно-кишечного тракта. Высокое содержание железа способствует коррозионным процессам в водопроводных разводящих сетях, что влечет за собой дополнительное ухудшение качества воды для потребителей.
Наиболее благополучным является водоснабжение городов Саратов, Энгельс, Балаково, а также ряда муниципальных районов Правобережья, имеющих благоприятную в гигиеническом отношении подземную воду: Турковского, Балтайского, Базарно-Карабулакского, Новобурасского и Самойловского районов.
В целом по Саратовской области не соответствует санитарно-эпидемиологическим требованиям и нормативам более 39% поверхностных источников питьевого водоснабжения (в 2011-2012 годах – 39,1%) и 17,2% подземных (в 2011 году – 16,5%, в 2012 году – 16,3%) (Доклад, 2014).
Методы химико-аналитических исследований природных вод
Острую токсичность полимера устанавливали методами биотестирования двойных последовательных разведений ПААГ-М от 1000 до 2 мкг/мл с использованием стандартных тест-объектов: Chlorella vulgaris Beijer (ПНД Ф Т 14.1:2:3:4.10-04), Daphnia magna Straus (ПНД Ф Т 14.1:2:4.12-06 / 16.1:2.3.3.9-06) и рекомбинантном штамме Escherichia coli K12 TG1 (биосенсор «Эколюм») (МР 01.018-07). Величину средней смертельной дозы LD50 устанавливали при однократном внутрибрюшинном или пероральном введении разведений ПААГ-М белым лабораторным мышам в соответствии с МУ 1.2.1105-02.
Определение токсичности ПААГ-М с помощью биотеста «Эколюм» Определение токсичности проводили согласно аттестованной методике, основанной на сравнении интенсивности люминесценции биосенсора на приборе «Биотокс-10», происходящей под влиянием ПААГ-М, присутствующего в анализируемой пробе (МР 01.018-07 «Определение токсичности химических веществ, полимеров, материалов и изделий с помощью биотеста «Эколюм»). Экспозиция с тест-культурой – промышленным препаратом лио-филизированном люминесцентном рекомбинантном штамме Escherichia coli K12 TG1 составляла 30 минут. Результатом отклика тест-реакции являлся расчетный индекс токсичности, равный отношению интенсивности биолюминесценции контроля и опыта. Методика предусматривает три пороговых уровня индекса токсичности: при индексе меньше 20 – допустимая степень токсичности; от 20 до 50 – образец считается токсичным, высокая токсичность при значение индекса выше 50.
В исследовании использовали ряд последовательных разведений ПААГ-М от 1000 до 2 мкг/мл. Каждая концентрация была проанализирована в 5-ти повторностях. Рабочую концентрацию биосенсора готовили 100-кратным разбавлением исходной суспензии E.coli. Для определения индекса токсичности к 0,1 мл рабочей суспензии биосенсора и добавляли 0,9 мл раствора ПААГ-М исследуемой концентрации. В качестве контроля использовали дистиллированную воду в том же объеме. После 30 минутной экспозиции измеряли интенсивность биолюминесценции контрольной и опытных проб.
Определение токсичности с использованием тест-объекта Daphnia magna Straus
Определение острой токсичности ПААГ-М с использованием низших ракообразных D. magna Straus проводили в соответствии с Методикой определения токсичности проб по смертности дафний. Для эксперимента использовали одновозрастную культуру дафний, выращенную при условиях, полностью соответствующих рекомендациям по кормлению, размещению, условиям освещения и т.д. (Кокова, 1982).
Острое токсическое действие различных концентраций ПААГ-М на дафний определяли по их смертности за 72 ч экспозиции. Критерием острой токсичности служила гибель в исследуемой пробе как минимум 50 % рачков за 48 часов при условии полной жизнеспособности всех особей в контрольном образце. Биотестирование проводили с соблюдением требований к температуре, продолжительности фотопериода и качеству культивационной воды (Кокова, 1982; Бубнов, 2007). В экспериментах по определению острого токсического действия устанавливали: 1. Летальную концентрацию ПААГ-М, вызывающую гибель 100 % тест-организмов (ЛК100-48). 2. Среднюю летальную концентрацию – гибель более 50 % тест-организмов (ЛК50-48). 3. Безвредную концентрацию, вызывающую гибель менее 10 % тест-объектов за 48-часов экспозиции (БК10-48). 4. Минимальную безвредную концентрацию соединений, при которой гибель организмов не наблюдалась (БК0-48). Для культивирования дафний, приготовления рабочих растворов, разведения и для контроля использовали отстоянную водопроводную воду средней жесткости с нейтральной реакцией среды (рН=7), приготовление разбавлений выполнялось при комнатной температуре.
Готовили двойные последовательные разведения ПААГ-М объемом от 1000 до 2 мкг/мл в воде. В пробирки с 50 мл исследуемых концентрации помещали по десять одновозрастных и одинаковых по размеру ювенальных особей дафний.
Посадку рачков начинали с контрольной серии. Дафний кормили только перед началом эксперимента, до отсадки рачков в пробирки с ПААГ-М. Во время опыта дафний не кормили. Пробирки с дафниями помещали во вращающуюся кассету устройства для экспонирования рачков УЭР-02, культивирование производили в климатостате при рекомендованных условиях (Методическое руководство по биотестированию воды, 2002). Все опыты проводили в трех повторностях.
Учет смертности дафний в опыте и контроле проводили каждые 24 часа. Опыт прекращали, если в течение 24 часов во всех опытных пробирках наблюдалась гибель более 50% рачков. Неподвижные особи считали погибшими, если они не начинали двигаться в течение 15 секунд после легкого покачивания пробирки. Помимо этого учитывали поведение дафний (активность и характер передвижения), степень наполнения кишечника пищей, количество сброшенных эфиппиумов
Исследование зависимости антимикробного действия полиазолидин- аммония ионгидрата от длительности контакта с бактериями
Термическая обработка исходного порошка бентонита при постоянной t=550С в течении 1 часа (образец № 2) приводит к уменьшению удельной поверхности до 37 м2/г и увеличению процентного содержания пор радиусом 10.0-52.0 нм до 55%. Для образцов №№ 3 – 6 также отмечено, что с увеличением температуры отжига существенно уменьшается удельная поверхность образцов: № 3 до 37 м2/г; № 4 до 31 м2/г; № 5 до 26 м2/г; № 6 до 12 м2/г. Все образцы также характеризовались высоким процентным содержанием пор наибольшего радиуса (10.0-52.0 нм) - 56–58%.
Испытания химической и механической стойкости гранул сорбентов на основе бентонита
Механические свойства бентонитовых гранул определяли по результатам испытания на встряхивающем устройстве АВУ-6с. Колбы с испытуе-72 мым сорбентом размером не менее 0.5 мм, залитых водой, встряхивались в непрерывном режиме 24 часа. После высушивания сорбент рассеивался на ситах 0.5 мм и 0.25 мм. Прошедшие сито 0.5 мм и оставшееся на сите 0.25 мм характеризуют измельчаемость, а прошедшие сито 0.25 – истираемость. Полученные данные приведены в таблице 11.
Установлено положительное влияние увеличения температуры обработки на химическую и механическую прочность гранул, что связано с уходом всей кристаллизационной воды и структурной воды вследствие частичного оплавления гранул. Однако под воздействием более высокой температуры (свыше 700 С) в гранулах наблюдалось значительное падение удельной поверхности и сорбционной ёмкости, что делает менее целесообразным практическое применение получаемых гранул. Проводить отжиг при температуре менее 550 градусов так же не имеет смысла, т.к. образцы не обладают достаточной прочностью из-за неполного выхода кристаллизационной воды. В целом, все исследованные образцы соответствовали предъявляемым требованиям. Однако экспериментально установленная оптимальная температура обжига составила 600-650 С. 4.4 Исследование сорбционной емкости образцов гранул сорбентов на основе бентонита Исследование сорбционной емкости в отношении цветных и мутных растворов
Как известно, природная вода обладает цветностью, т.е. окраской в тот или иной цвет. Обуславливающие цветность воды неорганические соединения Fe2+ и гумусовые вещества находятся в природных водах во взвешенном состоянии (нерастворимые вещества почвы) и истинно растворенном состоянии. При нейтральном значении pH воды гуминовые кислоты присутствуют в воде в виде коллоидов, особенно часто они встречаются в виде солей металлов щелочеземельных или щелочных, а фульвовые кислоты – в растворенном виде. Их содержание в морских водах достигает 0,1–3 мг/л, а в речных — 20 мг/л, для некоторых регионов РФ этот показатель может достигать 200 град. (по Co-Pt шкале) (Орлов, 2007).
Универсальных методов понижения цветности воды не существует. Все распространенные методы обесцвечивания воды можно условно разделить на две основные группы: сепарационные и деструкционные. Традиционно используют способы удаления из воды примесей цветности одновременно с другими видами загрязнений на различных стадиях водоочистки. Как правило, осветлительные фильтры имеют ограниченную грязеемкость и при очистке воды с высокой цветностью и большой мутностью их защитное время сокращается, что приводит к частым промывкам загрузки и нарушает нормальные условия эксплуатации (Рябчиков, 2004). Поэтому по мнению специалистов, более перспективными являются способы, разрушающие примеси без вторичного загрязнения.
При исследовании сорбционной емкости исследованных образцов гранул по отношению к гумусовым веществам установлена их высокая активность, степень извлечения веществ из раствора составила 68,3-97,7% (рисунок 12).
Испытания химической и механической стойкости гранул сорбентов на основе бентонита
В сфере обеспечения экологической безопасности населения Среднего Поволжья особо остро стоит проблема качества поверхностных источников питьевого водоснабжения. По данным Федеральной службы государственной статистики («Итоги комплексного наблюдения условий жизни населения, 2012») 30,5 млн. человек (22 % населения РФ) не обеспечены услугами централизованного водоснабжения, доступа к чистой питьевой воде не имеет 8% домохозяйств, подавляющая часть этого населения (почти 80%) проживает в сельской местности. Эта проблема связана также с присутствием в воде поверхностных источников широкого спектра контаминантов химического и биологического происхождения. В этой связи необходимо совершенствование систем очистки воды с использованием новых, высокоэффективных и биологически безопасных сорбционных материалов.
На настоящий момент развивается направление по созданию комбинированных (универсальных) фильтрующих загрузок из разных сорбентов, позволяющих в один этап и в одном аппарате осуществить несколько стадий водоочистки: умягчение воды, удаление из нее железа, марганца, алюминия, гуминовых веществ, аммония, тяжелых металлов и т.д. Однако они не дают гарантированного эффекта обеззараживания воды. Поэтому актуальным и востребованным является применение инновационных технологий очистки воды с использованием современных бактерицидных средств, обеспечивающих комплексную дезинфекцию воды. Для внедрения таких биологически активных средств необходимо проведение экотоксикологических исследований для доказательства их безвредности для разных филогенетических групп животных и человека.
В нашей работе в качестве перспективного дезинфектанта был изучен полиазолидинаммоний ионогидрат в модифицированной форме (ПААГ-М) – полимер, хорошо растворимый в воде. В ходе проведенных исследований ан-93 тимикробных свойств ПААГ-М установлена высокая бактерицидная активность полимера в отношении широкого спектра микроорганизмов (на примере референс-штаммов санитарно-показательных и условно-патогенных бактерий) в малых концентрациях (до 2 мкг/мл). Более чувствительными к действию ПААГ-М оказались грамположительные бактерии Bacillus cereus 8035, Staphylococcus aureus 209 P, Enterococcus faecalis. Полный бактерицидный эффект достигался через 1 час взаимодействия ПААГ-М с бактериями. Было установлено, что антибактериальные свойства зависят также и от концентрации ПААГ-М: максимальный бактерицидный эффект отмечен при действии минимальных концентраций. Это, по нашему мнению, связано с особенностями строения молекулы полимера, которая в концентрированном состоянии представляет собой плотную глобулу, а при растворении в воде и нанесении на поверхность какого-либо материала, глобулы полимера разворачиваются, освобождая больше активных центров.
Для возможности применения ПААГ-М в целях водоочистки необходимо было установить его экологическую безопасность в отношении живых организмов. Острую токсичность полимера определяли общепринятыми методами биотестирования. В качестве тест-объектов были выбраны организмы разных таксономических групп: люминесцирующие бактерии Escherichia coli K12 TG1, низшие водоросли Chlorella vulgaris Beijer, низшие ракообразные Daphnia magna Straus, лабораторные мыши.
Результат 100% выживаемости Daphnia magna Straus, равные значения оптической плотности Chlorella vulgaris Beijer в контрольных и опытных образцах, незначительные изменения интенсивности биолюминесценции Escherichia coli K12 TG1 при исследуемых концентрациях, а также не установленное значение LD50 для белых мышей свидетельствовали об отсутствии острой токсичности ПААГ-М и возможности применения для водоочистки.
Поскольку предполагалось использовать полимер в комплексе с сорбентами для фильтрующих загрузок, были охарактеризованы также сорбенты, полученные путем отжига природного бентонита Даш-Салахлинского месторождения. Исследовали физико-химические свойства сорбентов и влияние на них температуры отжига при получении гранулированных форм. Экспериментальным путем определен оптимальный температурный интервал: 600-650 С, так как при более высокой температуре термообработки наблюдалось значительное сокращение площади удельной поверхности и сорбци-онной ёмкости сорбента, что делало менее целесообразным практическое применение получаемых гранул. Обжиг при температуре менее 550 градусов приводил к снижению прочности образцов.
При исследовании сорбционной емкости образцов гранул по отношению к гумусовым веществам установлена их высокая активность, степень извлечения веществ из раствора составила 68,3-97,7%. Выявлено, что с ростом концентрации веществ в растворе увеличивалась и сорбционная активность. Установлено, что температурные модификации гранул сорбентов существенно не влияли на уровень адсорбции гумусовых веществ. Эффективность фильтрации в отношении мутных растворов составляла в среднем 97%, несмотря на значительное превышение мутности модельного раствора относительно средних показателей. Лучшими адсорбционными свойствами по отношению к взвешенным веществам обладали образцы бентонитовых гранул, отожженные при 600С.
Была также показана на модельных растворах высокая сорбционная способность бентонитовых гранулированных сорбентов в отношении арсенат-анионов, ионов железа и свинца.
При исследовании дезинфицирующих свойств комплекса «ПААГ-М – сорбент» установлено, что бактерицидная активность полимера зависела от структуры обработанного сорбента. Полный антибактериальный эффект отмечен только при нанесении ПААГ-М на анионообменную смолу АВ 17-8, которая отличалась от других сорбентов особенностями строения и наличием четвертичных аммониевых оснований.
