Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОДОЕМОВ 8
1.1. Поверхностные водоемы и состав их вод 8
1.1.1 . Микробиологические показатели 10
1.1.2. Физико-химические показатели 15
1.2. Антропогенное воздействие на поверхностные водоемы 31
1.2.1. Самоочищение поверхностных водоемов 35
1.2.2. Основные методы очистки сточных вод 38
1.2.3. Исследования загрязненности речных бассейнов 42
1.3. Водопользование г. Барнаула 46
ГЛАВА 2. ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЙ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 52
2.1. Объект исследований 52
2.2. Методы исследований 59
ГЛАВА 3. ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ВОДЫ р. ОБИ ВЫШЕ г. БАРНАУЛА В РАЙОНЕ ВТОРОГО РЕЧНОГО ВОДОЗАБОРА 61
3.1. Микробиологические показатели 61
3.1.1. Сапрофитные бактерии 61
3.1.2. Общие колиформные бактерии 71
3.1.3. Колифаги 78
3.2. Гидрохимические показатели 80
ГЛАВА 4. ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ВОДЫ Р. ОБИ НИЖЕ Г. БАРНАУЛА В РАЙОНЕ КОММУНАЛЬНЫХ ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ №2 93
4.1. Микробиологические показатели 93
4.1.1. Общие сапрофитные бактерии 93
4.1.2. Общие колиформные бактерии 102
4.1.3. Колифаги 111
4.2. Гидрохимические показатели 113
ВЫВОДЫ 148
ЛИТЕРАТУРА 149
Введение к работе
Актуальность проблемы. В России 30% всей подаваемой водопроводами воды не соответствует гигиеническим стандартам (Амплеева, 1997, Чумакова, 2005). Одна из причин такого положения - низкое качество вод поверхностных водоемов. Учитывая опасность микробиологического загрязнения поверхностных источников воды как питьевого, так и культурно-бытового назначения особую актуальность приобретает усиление контроля за качеством вод поверхностных водоемов. Ярким примером недостаточного внимания местных властей и санитарных служб к проблеме качества источников водоснабжения городов и отсутствия систем контроля за сбросами сточных вод от поселков коттеджного типа, находящихся в охранных зонах водозаборов, явилась вспышка гепатита А в городах Ржеве в июне 2005 года и Нижнем Новгороде в сентябре 2005 года (Кожевников, 2005; Онищенко, 2005).
воды в зоне влияния крупного промышленного центра, а также факторов воздействующих на микроорганизмы в экологической системе р.Оби.
Цель диссертационной работы: оценить качество воды р. Оби в зоне влияния г. Барнаула по микробиологическим показателям.
В ходе работы были поставлены следующие задачи:
Определить численность общих сапрофитных бактерий, общих колиформных бактерий и колифагов в воде р. Оби выше и ниже г. Барнаула.
Выявить зависимость численности общих сапрофитных бактерий, общих колиформных бактерий и колифагов от химического состава воды, гидрологических и погодных условий.
Провести сравнительный анализ качества воды р. Оби выше и ниже г. Барнаула с 2000 г. по 2003 г.
Научная новизна. Впервые рассмотрено в комплексе численность сапрофитных бактерий, общих колиформных бактерий, колифагов и гидрохимических показатели качества воды р. Оби в зоне влияния г. Барнаула.
Определен характер взаимосвязи микробиологических показателей качества воды р. Оби в районе г.Барнаула с гидрологическим характеристиками и погодными условиями.
Выявлены и описаны сезонные особенности микробиологического загрязнения воды р. Оби в районе г. Барнаула.
Теоретическое значение работы. Теоретическая значимость работы заключается в углублении представлений о качестве воды поверхностных водоемов выше и ниже крупных промышленных центров. Установлены взаимосвязи микробиологических, химических, гидрологических показателей состава речной воды, а также влияние погодных условий на микробиологический состав речной воды в районе крупного промышленного центра.
Практическое значение работы. Полученные результаты могут быть положены в основу информационной базы для принятия решений по реализации природоохранных мероприятий, направленных на снижение уровня загрязнения водных объектов и предотвращение деградации речных бассейнов;
6 разработки системы инструментального контроля в случае аварийного ухудшения качества воды. Исследования, приведенные в работе, могут быть положены в основу методики формирования тарифов на водопотребление и водоотведение сточных вод с целью корректировки количества химических реагентов на очистку питьевой и сточных вод промышленных предприятий, а так же расчетов платы хозяйствующих субъектов за несанкционированные сбросы сточных вод с превышением ПДК. Полученные данные могут быть положены в основу разработки инвестиционной программы, по внедрению природоохранных мероприятий.
Основные положения, выносимые на защиту:
Результаты проведенных исследований качества воды р. Оби по микробиологическим показателям в районе второго речного водозабора г. Барнаула за 2000 - 2003 гг. выявили: воспроизводимое из года в год увеличение численности сапрофитных бактерий в безледный период в 3,5 раза, по сравнению с подледным периодом; воспроизводимое увеличение численности колифагов в подледный период, характеризуемое превышением предельно допустимых концентраций; отсутствие сезонной цикличности численности общих колиформных бактерий.
В период с 2000 по 2002 гг. установлено устойчивое увеличение численности общих колиформных бактерий ниже города Барнаула, что связано с недостаточной очисткой сточных вод коммунальными очистными сооружениями. В 2003 г. после проведения реконструкции на очистных сооружениях отмечается снижение численности общих колиформных бактерий ниже города в десять раз.
Апробация работы. Основные результаты исследований и положения диссертации докладывались на 11 Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» (Барнаул, 2005), VIII Международной научно-практической конференции "Экология и жизнь" (Пенза, 2005), VIII Международном симпозиуме «Чистая вода России - 2005» (Екатекринбург, 2005).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания методик экспериментов, результатов и их обсуждения. Основной материал, изложенный на 166 страницах, включает 19 рисунков, 23 таблицы и список литературы из 182 наименований, из них 28 иностранных.
Микробиологические показатели
Одним из распространенных микробиологических показателей является общий уровень микробного загрязнения воды. В практике наиболее распространен учет группы микроорганизмов, образующих колонии на питательном агаре при определенной температуре и времени инкубации в аэробных условиях. По перечисленным свойствам определяются самые разнообразные в таксономическом отношении микроорганизмы. Существуют самые разнооб разные названия - общее количество бактерий в 1 мл, количество мезофиль-ных микробов, но самый распространенный термин - количество сапрофитных микроорганизмов.
Сапрофитные микроорганизмы - питаются органическими веществами отмерших организмов или выделениями животных. Усвоение питательных веществ происходит путем внеклеточного или контактного переваривания. Выполняют функцию самоочищения воды и почвы, минерализуя органические вещества. В количественном отношении сапрофиты составляют небольшую часть от общего количества микроорганизмов.
Методические приемы не позволяют дифференцировать микрофлору, поступающую в водоемы из источников загрязнений и присущую изучаемому объекту. В связи с этим определяемая численность сапрофитов колеблется не только при внесении загрязнений, но и зависит от сезонных факторов. Этот показатель незаменим при оценке самоочищения водоема и процессов биологической очистки сточных вод. Сапрофитная микрофлора является наиболее активным участником как процесса уничтожения патогенной флоры (за счет антагонизма), так и собственно процесса разложения органических веществ, которые служат для этой группы источником питания. Установлена роль отдельных представителей сапрофитной микрофлоры в деструкции и трансформации токсических веществ в объектах окружающей среды (Kelly, 1990, Васильев, Комар, Циркунов, 1994; Красильников, Романовская, 1999; Curcic, Comic, 2002).
Под влиянием различных внешних воздействий наблюдается изменение процессов жизнедеятельности микроорганизмов, способность усваивать питательные вещества, сбраживать углеводы, ослабляется или усиливается их вирулентность. В водоемах бактерии приспосабливаются к различному солевому составу воды, их большая часть не чувствительна к изменениям концентрации соли в пределах 0,5-3%. Концентрация и комбинация катионов и анионов среды обитания предопределяет характер жизнедеятельности микроорганизмов. Хлориды щелочноземельных металлов (Са, Ва, Sr) практически безвредны для бактерий, хлориды тяжелых металлов (Hg, Pb, Си, Fe, Zn) токсичны для большинства бактерий, однако в малых дозах они оказывают стимулирующее действие. При наличии одного и того же катиона натрия различные анионы обладают различной токсичностью для бактерий. По возрастанию бактерицидности они могут быть расположены в следующем порядке: сульфаты, хлориды, нитраты, ацетаты, цитраты, оксалаты, йодиды, бензонаты, теллураты. Олигодинамическое действие состоит в бактерицидном действии очень малых концентраций положительных ионов (серебра, меди) на жизнедеятельность микроорганизмов, которое зависит от количества ионов металла и времени воздействия. Гибель бактерий наступает в результате адсорбции положительно заряженных катионов отрицательно заряженными клетками бактерий, либо ион металла приводит к дегидрированию (Hermann, 1987; Brugger, Reitner, Kolar, 2001).
Саморегуляция - является основой поддержания стабильности в микробных сообществах, поскольку микробные ассоциации представляют собой завершающее звено по пути превращения потока энергии, поступающего в биосферу. Структура, состояние и активность микробных сообществ зависит от путей их формирования и фактора времени. Заметную роль играют размеры популяции, при которых они способны функционировать и поддерживать себя. То есть микробный гомеостаз, характеризуемой определенной структурой, не разрушается за счет колебания природных экологических факторов (рН, содержание питательных веществ, температура), если они не достигают экстремальных выражений в течение длительного времени.
По сравнению с оценкой общего уровня микробного загрязнения более достоверные сведения об опасного загрязнения окружающей среды для здоровья человека дает количественный учет индикаторных микроорганизмов. Индикаторный микроорганизм должен иметь общее место естественного обитания в организме человека с соответствующим патогенным микроорганизмом, один источник поступления в постоянных, мало меняющихся количествах и аналогичный способ распространения в окружающей среде, должен превосходить патогенные микроорганизмы по выживаемости, способности к вегетированию в окружающей среде, по устойчивости к воздействию физических, химических и биологических факторов. Индикатором возбудителей кишечных инфекций в объектах окружающей среды является микрофлора кишечника человека и теплокровных животных. Количественный учет этой микрофлоры свидетельствует об уровне загрязнения среды экскрементами человека и животных и, следовательно, о вероятности наличия возбудителей кишечных инфекций (Truman, 1997; Кашнер, 1998; Kelly, 1990).
Сапрофитные бактерии
Общие сапрофитные бактерии - один из лабораторных санитарно-гигиенических показателей, указывающих на «общее число микробов» в 1 мл речной воды, 1 г почвы или 1 м3 воздуха, выросших на рыбо-пептонном агаре за 24 часа, при температуре 37С. При исследовании качества вод поверхностных водоемов численность сапрофитных бактерий не нормируется, а для питьевой воды нормируется - 50 КОЕ/1 мл (СанПиН 2.1.4.559-96). Состав сапрофитных бактерий, обладающих данными характеристиками чрезвычайно многочислен и разнообразен, но определение таксономических групп не проводится, так как целью данного анализа является определение «общего числа микробов». Сапрофитные бактерии чрезвычайно широко представлены в поверхностном слое почвы и воды водоемов, богатых органическими веществами. Так же огромна микробная заселенность сточных вод, которая обуславливает постоянное разложение компонентов этих вод. Следовательно, при поступлении в реку сточных вод происходит рост числа сапрофитных бактерий в речной воде за счет увеличения численности сапрофитных бактерий уже находившихся в воде и за счет сапрофитных бактерий поступивших со стоками (Красильников, 1999; Долибо-Добровольский, 2001).
Распределение численности сапрофитных бактерий в годовом разрезе можно характеризовать, как динамичное. Значительное варьирование численности сапрофитных бактерий относительно среднего значения за месяц (табл. 3, жирный шрифт) свидетельствует о непрогнозируемых изменениях, связанных с процессами русловых деформаций или с антропогенным воздействием.
Мониторинг проведенных наблюдений и исследований, выполненный по единой методике, с учетом анализа сопоставимых периодов времен года (в разрезе каждого месяца), климатических факторов, несанкционированных сбросов и др. условий, позволили определить динамику и сделать выводы по каждому году наблюдений.
Результаты исследований в разрезе каждого года (помесячно) показали следующее.
В 2000 году концентрация сапрофитных бактерий в подледный период (с ноября по март) составила в среднем 37 КОЕ/1 мл, пределы колебания содержания сапрофитов так же не велики, что объясняется отсутствием поступлений в воду почв и загрязнений, так как зеркало реки закрыто льдом (табл. 3).
В марте наблюдалось увеличение концентрации сапрофитных бактерий в два раза, по сравнению с периодом с ноября по февраль, что свидетельствует о поступлении загрязнителей в образовавшиеся небольшие закраины в третьей декаде месяца.
В апреле количество и размер закраин увеличивается, начинается ледоход и с талыми водами идет активное поступление почв и загрязнителей в реку, о чем свидетельствует увеличение концентрации сапрофитов в четыре раза, по сравнению с подледным периодом.
В мае концентрация сапрофитов в воде возрастает вдвое, по сравнению с апрелем и пределы колебаний содержания сапрофитных бактерий изменяются от 142 до 356 КОЕ/1 мл. Это объясняется поступлением большого количества почв и загрязнителей с паводковыми водами, так как самые большие расхода воды - 5930 куб. м/с и самый высокий уровень воды - 587 см наблюдался именно в мае.
В июне с уменьшением уровня воды в реке с 587 см до 316 см, уменьшается поверхность водосбора, с которой поступают почва и загрязнители, соответственно, и количество сапрофитов так же уменьшается в 2 раза по сравнению с маем.
В период летней стагнации (июль - август) содержание сапрофитных бактерий возрастало в августе в почти в два раза, по сравнению с июлем. Распределение концентрации сапрофитов варьировалось в очень широких границах: от 25 до 355 КОЕ/1 мл. Так как расходы воды в августе не велики - 1800 куб. м/с и средний уровень воды - 193 см, то основной причиной резких колебаний численности сапрофитных бактерий в воде на тот период являлось поступление почв с оползнями, возникающими в процессе русловых деформаций, выше водозабора.
Общие сапрофитные бактерии
В условиях активной техногенной деятельности загрязнение вод реки Оби сточными водами промышленных предприятий города Барнаула стало особенно актуальным. Достаточно сказать, что начиная с 2000 года произошел рост объемов производства на 11,5%, который привел к увеличению объемов сточных вод и ухудшению их очистки (табл. 1).
Как было отмечено выше, основными загрязнителями реки ниже города по микробиологическим показателям являются сточные воды коммунальных очистных сооружений. Так как в районе коммунальных очистных сооружений № 2 процессы русловых деформации идут менее активно, чем в районе водозабора, то основными поставщиками сапрофитных бактерий ниже города будут сточные воды (Кротов, 1996).
Распределение численности сапрофитных бактерий ниже коммунальных очистных сооружений № 2 в годовом разрезе можно характеризовать, как динамичное. Годовая динамика сапрофитных микроорганизмов в 2000 - 2003 годах в районе коммунальных очистных сооружения № 2 города Барнаула представлена в таблице 7.
В 2000 г. концентрация сапрофитных бактерий в подледный период невелика и равна (в среднем) 51 КОЕ/1 мл, что объясняется отсутствием поступлений в воду почв и загрязнений, так как зеркало реки закрыто льдом (табл. 7). Однако в марте наблюдается увеличение концентрации в два раза -107 КОЕ/1 мл, по сравнению с периодом с ноября по февраль, что свидетельствует о поступлении загрязнителей в образовавшиеся ближе к концу месяца не большие закраины. В апреле количество и размер закраин увеличивается, начинается ледоход и с талыми водами идет активное поступление почв и загрязнителей в реку, о чем свидетельствует дальнейшее увеличение концентрации сапрофитных бактерий по сравнению с подледным периодом. В мае концентрация сапрофитных бактерий возрастает практически вдвое. Это объясняется поступлением большого числа почв и загрязнителей с паводковыми водами, так как самые большие расхода воды - 5930 куб. м/с и самый высокий уровень воды - 587 см наблюдался именно в мае. С уменьшением уровня воды с 587 см до 316 см (практически в два раза) в июне уменьшается поверхность водосбора, с которой поступают почва и загрязнители. Количество сапрофитных бактерий так же уменьшается, но не в 2 раза (по сравнению с маем), как ожидалось, а лишь на 20 % - с 220 КОЕ/1 мл до 175 КОЕ/1 мл, так как ниже города происходит поступление сточных вод, разбавление которых с уменьшением расходов воды стало меньше.
В период летней стагнации (конец июль - август) содержание сапрофитных бактерий уменьшается по сравнению с июлем в 1,25 раза. В августе расходы воды не велики - 1800 куб. м/с и средний уровень воды - 193 см, то основной причиной увеличения численности сапрофитных бактерий является уменьшения разбавления сточных вод промышленных предприятий.
В период осеннего охлаждения (сентябрь-октябрь) концентрация сапрофитных бактерий в поверхностном слое снижается, в среднем до 100 КОЕ/1 мл. Поскольку, количество осадков было невелико в 2000 году, и средний уровень воды увеличился в октябре лишь на 2 см по сравнению с сентябрем, то поступление загрязнителей с дождевым паводком практически отсутствовало. Следовательно, основными поставщиками сапрофитных бактерий были сточные воды предприятий города.
Таким образом, в 2000 г., численность сапрофитных бактерий увеличивалась в мае и июне.
В 2001 г. концентрация сапрофитных бактерий в подледный период низкая и равна (в среднем) 48 КОЕ/1 мл, что объясняется отсутствием поступлений в воду почв и загрязнений (табл. 7). В марте наблюдается увеличение уровня воды с - 13 см в середине марта до 58 см в конце месяца. Концентрация сапрофитных бактерий увеличивается в два раз, по сравнению с периодом с ноября по февраль, что связано с поступлением загрязнителей.
