Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние изученности вопроса и цель работы 7
1.1. Влияние абиотических факторов на распространение и развитие химическому предприятию ОАО «Люминофор» 24
1.2. Цель и задачи работы 41
2. Условия и методы исследований 44
2.1. Условия в годы проведения исследований 44
2.1.1. Характеристика лесных и степных формаций, прилегающих к фитопланктона сточных вод химического предприятия ОАО «Люминофор» 49
2.2. Материалы и методы исследований 49
3. Результаты исследований и их обсуждение 57
3.1 .Разработка установки для выращивания водорослей 57
3.2. Влияние физических факторов среды на развитие водорослей 59
3.3. Влияние химических факторов среды на развитие водорослей 69
3.4. Влияние факторов среды на продуктивность водорослей 90
3.5. Биотестирование полученной продукции 93
3.6. Предложения по использованию результатов исследований 98
Выводы 105
Предложения
- Влияние абиотических факторов на распространение и развитие химическому предприятию ОАО «Люминофор»
- Материалы и методы исследований
- Влияние химических факторов среды на развитие водорослей
- Предложения по использованию результатов исследований
Введение к работе
Актуальность проблемы Среди загрязнителей особую опасность представляют тяжетые металлы, в связи с их множественными путями поступления в биосферу (Пиментсл, 2004) Обладая ботьшой активностью, они мигрируют и накапливаются в разных составляющих экосистем (Воробьев, 1980, Бурдин, 1998) Изучение влияния некоторых факторов среды на фитопланктон является необходимым условием определения уровней безвредных концентраций тяжелых металлов в объектах окружающей среды включая и сточные воды
Тяжелые металлы в качестве микроэлементов оказывают стимулирующее воздействие например на развитие растений и животных (Ноздргохина, 1977, Воробьев, 1979) и, с этой точки зрения, могу г представлять ценную продукцию Тем более, это важно для сельского хозяйства горных и предгорных регионов чаще всего дефицитных ро микроэлементам (Некрасова, 1987, Ильин, 199!) По этим причинам представляется важным разработка альтернативных техночогий на основе биологических методов очистки стоков химических предприятий, содержащих тяжелые метатлы В этой связи актуальными являются исследования в области факториальной экологии — изучение влияния некоторых факторов среды на биологическую продуктивность и толерантность водорослей рода Chlamydornonas, способных выживать в условиях повышенного загрязнения тяжелыми металлами и аккумулировать их
Целью работы является изучение влияния некоторых факторов среды на биопродуктивность водорослей рода Chlamydornonas в сточных водрх химического производства
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи
— разработана установка (искусственная экосистема) по разведению водорослей рода Chlamydornonas в условиях повышенной концентрации тяжелых металлов,
—изучено влияние факторов среды (физических химических) на развитие водорослей,
—выявлено влияние некоторых факторов на фактическую продуктивность водорослей,
—исследована возможность использования концентрата водоростей в качестве компонента основного удобрения живых организмов,
—рассмотрены предложения по использованию результатов исследований
Научная новизна Впервые изучен видовой состав фитопланктона и обрастаний в сточных водах химического предприятия ОАО «Люминофор», загрязненных тяжелыми металлами Выявлено доминирование в этой среде одноклеточного организма, совмещающего животные и растительные свойства, — жгутиконосца растительной природы рода Chlamydornonas В экспериментальных условиях проведена оптимизация некоторых факторов среды (содержание кислорода, потребность в углекислом газе, температуре, питательных веществах и освещении, рациональной скорости движения суспензии водорослей и т д ), обеспечивающих биопродуктивность водорослей данної о рода в сточных водах химического производства Одним из аспектов научной новизны является создание впервые искусственной экосистемы на основе выращивания, в сточной воде с повышенным содержанием тяжелых металлов, водоросли рода Chlamvdomonas, которая использована как аккумулятор тяжелых металлов
Практическая значимость работы Предложенный метод служит алыернативой утилизации загрязненных тяжелыми металлами сточных вод в пубиннь'е подземные горизонты, а поэтому решает одну из важнейших задач - оздоровление экологической обстановки Способность изучаемых водорослей рода Chlamydornonas аккумулировать
тяжелые металлы сточных вод ОАО «Люминофор» указывает на возможность их использования для мониторинга и прогноза уровня загрязнения водных объекгов
Полученные материалы используются в учебном процессе вуза биологической экологической, технической, сельскохозяйственной, медицинской и других специализаций
Основные положения, выносимые на защиту
-
Главными и необходимыми факторами среды для максимального удовлетворения потребностей изучаемых водорослей рода Chlamydomonas являются установление оптимального соотношения питательных химических макроэлементов (солей СО(КНі)г -1,5 г/л, КСІ - 2 г/л, К3РО4 - 3,5 г/л), добавление углекислого газа (около 1,6 см'/ч), оптимизация температуры (t — 21 - 26 С) и дополнительное освещение (фитолампа, 13 W), рациональная скорость движения суспензии водорослей (в пределах 0,4 - 1 м/с), разбавление стоков до необходимого уровня (10 %)
-
Концентрат водорослей рода Chlamydomonas с накопленными в нем тяжелыми металлами (Си, Zn, Cd, Fe, Pb) в определенном разведении может быть использован в сельскохозяйственных целях, в качестве компонента основного удобрения
Апробация работы Основные положения диссертации были изложены на ежегодных научных конференциях Северо-кавказского государственного технического университета VIII, X региональных научно-технических конференциях «Вузовская наука — Северо-Кавказскому региону» (Ставрополь, 2004, 2006), XXXIV, XXXV, XXXVI научно-технических конференциях по результатам работы профессорско-преподавательского состава, аспирантов и студентов СевКавГТУ (Ставрополь, 2004, 2005, 2007) и других научных форумах на Международной научно-практической конференции «Проблемы экотогической безопасности и сохранения природно-ресурсного потенциала» (Ставрополь, 2004), на Международной научно—практической конференции «Проблемы экологической безопасности и сохранения природно-ресурсного потенциала» (Ставрополь, 2005), на Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и мочодых ученых «Перспектива-2006» (Нальчик, 2006), в сборнике научных трудов — журнал «Вестник СевКавГТУ» (Ставрополь, 2006), в межотраслевом научно-практическом журнале по отечественным и зарубежным материалам — «Экология промышленного производства» (Москва, 2007)
Публикации По теме диссертации опубликовано 14 работ
Объем и структура диссертации Диссертация изложена на 126 страницах компьютерного текста Работа состоит из введения, 3 глав, выводов, рекомендации производству и списка литературы, содержащего 182 источника (в том числе 149 отечественных и 33 зарубежных авторов) Работа иллюстрирована 18 таблицами и 19 рисунками
Влияние абиотических факторов на распространение и развитие химическому предприятию ОАО «Люминофор»
Водоросли - фотоавтотрофные организмы. Ведущими абиотическими факторами, влияющими на их развитие, являются свет, температура, наличие источников углерода, минеральных и органических веществ. Водоросли, как и другие растения, заселяют почти все возможные места обитания в гидросфере, атмосфере и литосфере Земли. Их можно встретить в воде, в почве и на ее поверхности, на коре деревьев, стенах деревянных и каменных построек и в таких негостеприимных местообитаниях, как пустыни и фирновые поля (Константинов, 1986).
Факторы, влияющие на развитие водорослей, подразделяют на абиотические, не связанные с деятельностью живых организмов, и биотические, обусловленные такой деятельностью. Многие факторы, особенно абиотические, являются лимитирующими, т. е. способны ограничивать развитие водорослей. Жизнь организмов, в том числе и водорослей, зависит от содержания в среде обитания необходимых веществ, значения физических факторов, а также от диапазона толерантности (устойчивости) самих организмов к изменениям этих и других условий среды. Уровень, при котором конкретный фактор может выступать как лимитирующий, различен для разных таксономических групп и конкретных таксонов водорослей. В водных экосистемах к лимитирующим факторам относятся: температура, прозрачность, наличие течения, концентрация кислорода, углекислого газа, солей, а также биогенных веществ. А также среди основных лимитирующих факторов следует выделить и климатические — температуру, влажность, свет и т. д. Эти две группы факторов вместе с популяционными взаимодействиями определяют характер водных сообществ и экосистем.
Абиотическими факторами называют всю совокупность факторов неорганической среды, влияющих на жизнь и распространение животных и растений. Среди них различают физические, химические и эдафические.
Физические факторы - это те, источником которых служит физическое состояние или явление (механическое, волновое и др.). Например, температура, если она высокая, вызовет ожог, если очень низкая - обморожение. На действие температуры могут повлиять и другие факторы: в воде - течение, на суше -ветер и влажность, и т. п.
Химические факторы - это те, которые происходят от химического состава среды. Например, соленость воды. Если она высокая, жизнь в водоеме может вовсе отсутствовать (Мертвое море), но в то же время в пресной воде не могут жить большинство морских организмов. От достаточности содержания кислорода зависит жизнь животных на суше и в воде, и т. п.
Эдафические факторы, т. е. почвенные, - это совокупность химических, физических и механических свойств почв и горных пород, оказывающих " воздействие как на организмы, живущие в них, т. е. те, для которых они являются средой обитания, так и на корневую систему растений. Хорошо известно влияние химических компонентов (биогенных элементов), температуры, влажности, структуры почв, содержания гумуса и т. п. на рост и развитие растений.
Однако не только абиотические факторы влияют на организмы. Организмы образуют сообщества, где им приходится бороться за пищевые ресурсы, за обладание определенными пастбищами или территорией охоты, т. е. вступать в конкурентную борьбу между собой. При этом проявляются хищничество, паразитизм и другие сложные взаимоотношения как на внутривидовом, так и особенно на межвидовом уровнях. Это уже факторы живой природы, или биотические факторы.
Химические факторы воздушной среды. По современным данным, концентрации двуокиси углерода (С02) и кислорода (02) в значительной степени лимитирующие факторы даже в наземных условиях: содержание С02 находится где-то в минимуме, а кислорода - в максимуме толерантности растений по этим факторам (Ю. Одум, 1986).
Для поддержания энергетического обмена и общей жизнедеятельности водорослей необходим кислород. Потребность в кислороде гидробионтов зависит от их видовой специфики, стадии развития, размеров особей, их активности и, конечно, от факторов среды, в которых они обитают. По требовательности к кислороду гидробионтов делят на две группы:
1 .Оксифильные (стенооксибионтные) виды, чрезвычайно требовательные к содержанию кислорода в водной среде, выживающие при его парциальном давлении не менее 50 - 80 мм рт. ст., что соответствует его содержанию в воде - 2,3 мл /л, или 30 - 40 % насыщения пресной воды при температуре 20С.
2 .Эвриоксифильные (эвриоксибионтные) виды, относительно легко переносящие колебания парциального давления кислорода и главное -способные существовать при минимальных его количествах - около 1 мг/л при парциальном его давлении около 20 мм рт. ст. (при насыщении пресной воды кислородом 20 % при температуре 20С). Обычно к эвриоксибионтным гидробионтам относятся водоросли стоячих вод, например, род Chlamydomonas. Конечно, это деление в высшей степени условно, т.к. чувствительность гидробионтов к внешним условиям жизни зависит и от причин внутреннего (наследственного) и внешнего порядка. В воде кислорода в 20 раз меньше, чем в атмосфере, и здесь он является лимитирующим фактором. Источники его -диффузия из атмосферного воздуха и фотосинтез водных растений (водорослей), а растворению способствуют понижение температуры, ветер и волнения воды.
Лимитирующее действие С02 в воде выражено не явно, но известно, что высокое его содержание ведет к гибели рыб и других животных. При растворении С02 в воде образуется слабая угольная кислота Н2СО3, легко образующая карбонаты и бикарбонаты. Карбонаты - источник питательных веществ для построения раковин и костной ткани и хороший буфер для поддержания водородного показателя (рН) водной среды на нейтральном уровне. Важность последнего обстоятельства состоит в том, что для гидробионтов интервал толерантности по рН столь узок, что даже незначительные отклонения от оптимума приводят организм к гибели. Это связано с нарушением очень тонкой системы ферментной регуляции в организме. Поскольку величина рН пропорциональна количеству С02 в воде, то ее измерение позволяет судить о скорости общего метаболизма водной экосистемы (гидроэкосистемы).
Соленость и минеральный состав воды. Это важнейшие лимитирующие факторы, влияющие на распределение водорослей.
Согласно международной классификации существуют две основные классификации системы минерализации водоемов: 1) международная система классификации природных вод по общей солености, принятая в 1959 г. на Симпозиуме по классификации солоноватых вод в Венеции, и 2) классификация природных вод по ионному составу солей, разработанная О. А. Алехиным (1946) и широко применяемая в России (Жукинский и др., 1976).
Основную массу природных водоемов составляют морские — эогалинные, со средней соленостью 35 %о- Среди континентальных водоемов преобладают пресноводные — агалинные, минерализация которых не превышает обычно 0,5 %0 (среди них встречаются и более минерализованные). Континентальные водоемы, объединяемые под названием минерализованные, очень разнообразны по степени минерализации: это и солоноватые, или миксогалинные, среди которых выделяют олигогалинные (с соленостью 0,5 — 5 %0) мезогалинные (5—18 7оо и полигалинные (18—30 %0)» а также эвгалинные (30—40 7оо), и ультрагалинные (не менее 40 %о)- Среди ультрагалинных нередко выделяют крайне засоленные — гипергалинные водоемы, концентрация солей в которых близка к предельной. Различны водоемы и по характеру минерализации. По классификации Алекина среди них выделяют гидрокарбонатные, сульфатные и хлоридные водоемы, которые в зависимости от степени и характера минерализации подразделяют на группы и типы.
В соответствии с упомянутыми классификациями водоемов и в зависимости от солеустойчивости водорослей, среди них выделяют олигогалинные, мезогалинные, эвгалинные, ультрагалинные, пресноводные и другие виды. Видовое богатство (численность видов) тесно связано с соленостью воды (табл. 1).
Материалы и методы исследований
Работа проводилась в период с 2004 по 2006 год на базе Северо-Кавказского государственного технического университета и химического предприятия ОАО «Люминофор» в соответствии с направлением Федеральной целевой программы «Экология и природные ресурсы России (2002—2010 годы)», утвержденной постановлением Правительства РФ № 860 от 7 декабря 2001 года.
Объектом исследований в основном была культура одноклеточных зеленых водорослей рода Chlamydomonas. В качестве контроля использовались чистые культуры этого рода, предоставленные музеем биологии Ставропольского государственного университета.
Местные виды водорослей отбирали в их естественных местообитаниях — сточной воде (табл.2) химического предприятия ОАО «Люминофор». На территории завода распложены основные технологические цеха: по производству неорганических реактивов; по выпуску люминофоров различного вида; по производству неорганических реактивов (пероксоборат натрия, борная кислота и т. д.); производство органических реактивов: стеаратов кальция, цинка, свинца, трехосновного сульфата свинца. Отходами всех предприятий на промышленной площадке завода являются жидкие отходы - сточные воды, сброс которых в закрытые водоемы не производят.
Видовую принадлежность зеленых водорослей определяли по М. М. Голлербаху (1977) и А. А. Гуревичу (1966). Альгологически чистую культуру водорослей рода Chlamydomonas выращивали на питательной среде Ягужинского (Владимирова, 1962; Ревкова, 1985). Для проведения опытов отбирались подвижные клетки зеленого цвета.
Питательную среду составила суспензия - сточная вода химического предприятия, химический состав которой представлен в таблице 2. Растворы всех солей готовили на отстоянной в течение двух суток и пропущенной через фильтр водопроводной воде, не подвергая стерилизации. Во избежание образования осадка навеску каждого вещества сначала растворяли в небольшом количестве воды, а затем ее доливали в растворы до соответствующей концентрации. Приготовление питательной среды и рабочих растворов проводилось по методике А. В. Топачевского (1975).
В результате исследований нами использовался следующий метод сбора водорослей:
а) взятия (зачерпывания) пробы воды, содержащей водоросли и доставки ее на поверхность,
б) отделения (отцеживания) водорослей от воды. Оба эти процесса могут осуществляться одновременно или отдельно в зависимости от конструкции используемой аппаратуры.
Оптимальным методом сбора водорослей явился сетной метод, при котором вода, содержащая водоросли, фильтруется через особую сетку Джеди из шелкового газа (№№ 64—11), пропускающего воду и задерживающего клетки водорослей. Планктонную сеть погружали в воду (на глубину 0,3 - 0,5 м на 30 секунд) так, чтобы верхнее отверстие сети находилось на 5-Ю см над поверхностью воды. Емкостью черпали воду из поверхностного слоя (до 15-20 см глубины) и выливали ее в сеть, отфильтровывая таким образом 50-100 л воды. Сетяной конус представлен на рисунке 4. Образец воды собирали в чистый (стерильный) стеклянный флакон (2 л). Далее заполняли его водой не больше, чем на 2/3 объема, закрывали пробкой (ватой, марлей). Для успешного выделения водорослей из отобранного образца сразу приступали к работе, не допуская длительного хранения (Киселев, 1956; Алешина, 1961; Владимирова, 1962). Фиксация образцов проводилась 4 % раствором формалина.
Объем культуры водорослей вносился в экспериментальные емкости пипеткой. Подсчет числа клеток проводился ежедневно три раза в сутки (6, 14 и 22 часа) при помощи камеры Горяева и микроскопа МБИ - 3. Как только число клеток достигало максимального значения по отношению к контрольной пробе и оставалось либо стабильным, либо уменьшалось, опыт завершался.
Обогащение исследуемой суспензии углекислым газом осуществляли посредством аппарата Киппа, кислородом — аквариумным компрессором.
Экспериментальные исследования культуры водоросли рода Chlamydomonas сначала проводили в емкостях («пенициллиновом» флаконе) объемом на 15 мл с количеством посадки не менее 180 клеток в каждом варианте опытов. Все опыты проводили в трехкратной повторности. Емкости содержались на специально оборудованном лабораторном столе.
Отбор проб на анализ, осмотр колоний клеток, контрольные подсчеты проводились ежедневно. Подбор оптимальных параметров экологических факторов (рис.5) проводили на экспериментальной установке. Для определения содержания тяжелых металлов (ТМ) до и после проведения опытов:
- в исследуемой сточной воде применяли метод (ПНД Ф 14.1:2.22-95, «KBAHT-Z.3TA») пламенной атомно-абсорбционной спектрометрии (проводилось лабораторией «СЛАИ»);
- в водорослях использовали способ кислотной экстракции (неполной минерализации), основанной на экстракции тяжелых металлов из пробы водорослей кипячением с разбавленными серной или азотной кислотами (проводилось ФГУ «Федеральной государственной территориальной станцией защиты растений в Ставропольском крае»),
Содержание ТМ (Х\), мг/дм водорослей, определяют по формуле:
X=(M V)/(Vi V2),
где М — масса навески водорослей, взятая для минерализации, г;
V — общий объем раствора минерализата, см ;
Vj —объем раствора минерализата, взятый для определения, см ;
V2 — объем продукта, взятый для минерализации, см .
Флористические исследования были проведены на участках природной лесной и степной растительности территории завода и вблизи цехов, сформировавшихся после завершения их строительства.
Все наблюдения в лесу проведены на площадках 10-20 м (12 площадок) и в степи — 10-10 м (11 площадок). При этом устанавливали видовой состав деревьев и кустарников, выделяли прирост, характеризовали возраст (диаметр стволов на уровне груди), выявляли состав трав, обилие вида (по Друде) (Василевич, 1969; Полевая геоботаника.., 1972;Бурдин, 1980;3ырина, 1981).
Влияние химических факторов среды на развитие водорослей
Влияние состава воздушной среды. Потребность в кислороде водорослей зависит от их видовой специфики, стадии развития, размеров клеток и колоний, их активности и от (факторов) среды, в которой они обитают.
В данной работе определение влияния состава воздушной среды на биопродуктивность водорослей рода Chlamydomonas являлось одной из целей, которую мы определили для изучения. Полученные результаты, проведенных нами опытов показывают (табл.7), что зеленые водоросли этого рода относительно легко переносят изменения парциального давления 02 Максимальный прирост клеток исследуемой водоросли (1,2 -1,3 млн.кл./л) нами наблюдался при внесении минимального количества кислорода - 1 - 5 мЗ/ч. Как видно из изменения численности клеток водорослей (табл.7), род Chlamydomonas способен существовать при минимальных количествах кислорода — около 1 мл/л. При обогащении суспензии кислородом, численность клеток водоросли существенно уменьшалась, а продуктивность в целом была очень низкой -не более 1,5 млн. кл./л (рис. 10).
Результаты наших исследований подтверждаются результатами других авторов (Карпевич, 1975). О.И.Русина (1961) при культивировании водорослей попыталась обеспечить культуру кислородом при помощи компрессора (120 м3/ч на 1000 мл), при этом водоросли росли очень медленно, и продуктивность была очень низкой (Васигов, 1979).
Многократные исследования и их результаты в период проведения нами эксперимента показали, что кислород является лимитирующим и неблагоприятным фактором для водоросли рода Chlamydomonas при условии их существования в замкнутом объеме. По этой причине обогащение кислородом культуры водорослей было отвергнуто. С целью более глубокой оценки взаимодействия химического фактора (кислорода) и биологического (продуктивности водорослей в форме нарастания их клеток) нами использовалась форма графического представления (рис.10) материала и статистическая обработка с использованием величины достоверности - коэффициента аппроксимации R.2. По результатам статистического анализа полученных нами результатов установлено, что R.2 = 0,93, а уравнение у = 1,4833е -0,019х показывают взаимосвязь между химическим состоянием водной среды и скоростью нарастания биомассы водорослей. Результат анализов показательной функции указывает на то, что кислород не является необходимым фактором для роста и развития водорослей рода Chlamydomonas.
В контролируемых объемах подачи углекислого газа в водную среду биопродуктивность исследуемых водорослей зависит от еще одного из химических факторов, необходимого для улучшения их роста, поскольку углекислота играет существенную роль в формировании фотосинтетического аппарата растений. И при дефиците С02 снижается активность ферментных систем, которые участвуют в первичных процессах фотосинтеза (Hegetsu и др., 1977; Бульон, 1979; Булгаков, 1997). У исследователей нет единого мнения по вопросу насыщающих концентраций С02 для роста микроводорослей. Это связано с тем, что оптимальные концентрации С02 в значительной степени определяются освещенностью и температурой, влияющими на интенсивность фотосинтеза клеток. Значения концентраций С02, при которых наблюдается ингибирование роста микроводорослей, возрастает с увеличением освещенности клеток. Поэтому оптимальные условия углеродного обеспечения клеток целесообразно подбирать экспериментальным путем для конкретной конструкции установки. Проведенные нами опыты и полученные результаты показывают, что максимальный прирост клеток исследуемой водоросли получен нами (табл.8) при объеме подачи углекислого газа около 1,6 смЗ/ч на 1 л суспензии.
При этом стабильный максимум численности водорослей достигается на уровне около 8 млн. кл./л. При значительном увеличении концентрации углекислоты (до 2,0 смЗ/ч) отмечалось появление на стенках труб темно-бурого осадка с неприятным запахом, прирост клеток снижался с 8,3 млн. кл./л. до 4,0 млн. кл./л.
Результаты наших исследований согласуются с результатами других авторов (Рабинович, 1953; Задорин и др., 1984), которые доказали, что углекислотное насыщение фотосинтеза водорослей наступает при концентрации С02 в растворе в пределах 0,01— 0,27% (Warburg, 1919; Nilsen, 1955), т.е. углекислота, содержащаяся в воздухе (0,03%), теоретически могла бы обеспечить рост водорослей при условии постоянного контакта воздуха с клетками суспензии. Но из—за плохой диффузии С02 в водную среду она не может обеспечить полного насыщения фотосинтеза даже на умеренном свету, по крайней мере, без чрезвычайно интенсивного перемешивания. E. S. Nilsen (1955) показал, что при очень разбавленных культурах водорослей можно использовать воздух, содержащий С02, если его интенсивно продувать через суспензию. Рост водорослей до определенной плотности не зависит от концентрации СС 2 в пределах 0,01 - 0,03%. Но в плотных культурах и на очень сильном свету весь растворившийся углекислый газ поглощается водорослями очень быстро, и точка насыщения перемещается к более высоким концентрациям С02, т.е. при интенсивном фотосинтезе в плотных культурах происходит быстрое истощение двуокиси углерода.
Для более детальной оценки взаимодействия химического фактора (углекислого газа) и биологического (продуктивности водорослей в форме нарастания их клеток) нами использовалась форма графического представления (рис.11) материала и статистическая обработка (р 0,05) с использованием регрессивных форм (величину достоверности - коэффициента аппроксимации R2).
По результатам статистического анализа полученных нами результатов установлено, что R2 = 0,87 показывает тесную взаимосвязь между химическим состоянием водной среды и скоростью нарастания биомассы. Результат анализов показательной функции указывает на то, что объем подачи углекислого газа около 1,6 см /ч является оптимальным для водорослей рода Chlamydomonas.
При выращивании водорослей большая часть затрат приходится на снабжение культуры углекислым газом. В настоящее время для удешевления получаемой биомассы водорослей большое внимание уделяется изысканию наиболее дешевых источников С02..
В этом отношении важное значение имеет возможность использования природных источников углекислого газа (Hryzik, 1966) и отходов, выделяемых при сгорании газа в котельных (Музафаров, Таубаев, 1974).
Предложения по использованию результатов исследований
Были определены количественные показатели некоторых факторов среды, при которых биопродуктивность водорослей рода Chlamydomonas максимальна: скорость движения воды, степень разбавления суспензии, углекислый газ, концентрация питательных элементов (N, К, Р), температура, освещенность.
Эти показатели были проверены в различных сочетаниях, близких к оптимальным величинам на экспериментальной установке (рис. 6).
В результате проведенных нами опытов было определено, что рекомендуемое число клеток, вносимое изначально в установку, должно составлять величину около 40 млн. кл./л. После прохождения одного цикла в установки (8 часов) оно возрастает в 4 раза и достигает численности 160 млн. кл./л, что составляет 0,2 г/л воздушно-сухого вещества водорослей после сепарации суспензии. При этом содержание тяжелых металлов в ранее загрязненной воде снижается: свинца - в 20 раз; цинка - в 10 раз; меди в 3 раза; железа - в 2,4 раза; кадмия - в 2,1 раза.
Оптимальные параметры роста водоросли Chlamydomonas на сточной воде: концентрация сточных вод - 10-процентое разбавление; постоянное освещение фитолампой (13W); скорость движения суспензии (сточная вода и водоросли) в пределах 0,4 - 1,0 м/с; температура - 21 - 26С; скорость подачи газа около 1,6 см /ч. на 1000 мл; концентрация питательных элементов: калия -2 г/л, натрия - 7 г/л, азота - 1,5 г/л, фосфора - 3,5 г/л.
Все разработанные природоохранные и восстановительные мероприятия должны учитывать произошедшие на загрязненной территории изменения и предусматривать обезвреживание и утилизацию загрязняющих веществ и оздоровление окружающей природной среды. При выборе варианта восстановления принимаются во внимание следующие факторы: характер и объем загрязнений, планируемое использование территории, состояние существующей флоры и фауны, практическая осуществимость восстановительных работ, их сроки и стоимость.
На территории северо-западной промышленной зоны г. Ставрополя ОАО «Люминофор» является одним из крупных источников загрязнения окружающей среды, который с 1991 года осуществляет закачку сточных вод химических предприятий в палеоценовый водоносный горизонт на глубину 1650 м. В этой связи возникает проблема загрязнения сточными водами подземных и грунтовых вод, слоев почвы, куда могут просачиваться тяжелые металлы и другие загрязняющие вещества, содержащиеся в стоках. Проблема утилизации образующихся сточных вод возникает не только на химическом предприятии ОАО «Люминофор», но и на предприятиях других городов. Объем сброса загрязненных сточных вод в Ставропольском крае без очистки составил 102,7 млн. м3 за 2002 г.,234,1 млн. м3 за 2004 г, 200 млн. м3 за 2006 г. при этом достаточных средств не выделяется (Отчет об оценке ..., 2005,2006гг).
Предлагаемая технология основана на использовании местных видов зеленых водорослей рода Chlamydomonas, способных аккумулировать тяжелые металлы из сточных вод химического предприятия ОАО «Люминофор». Процесс аккумуляции тяжелых металлов водорослями протекает в период от нескольких часов до нескольких суток в зависимости от объема суспензии, степени ее загрязнения, химического состава, климатических и физико-химических параметров среды. Однако максимум интенсивности аккумуляции тяжелых металлов водорослями (рис.18) приходится на период от 8 часов (50%) до 2 суток (99%). Аккумулятивная специфичность водорослей рода Chlamydomonas к некоторым тяжелым металлам сточных вод химического производства проявляется следующим образом: наибольшая к свинцу - в 20 раз (до очистки - 0,004%, после - 0,08%); цинку - в Юраз (до - 3,7%, после - 37%); меди - в 2,8 раза (до 0,07%, после - 0,2%); железу - 2 раза (до - 4,5%, после -8%) и наименьшая к кадмию - в 1,8 раза (до очистки - 13,5%, после - 25%).
Процесс освобождения загрязненной среды от тяжелых металлов подтверждается рисунком 19.
Для выявления экономической эффективности целесообразно сопоставить затраты на проведение восстановительных мероприятий с полученными нами результатами. Для этого определим разницу между предлагаемой технологией очистки и уже имеющейся технологией утилизации сточных вод на заводе.
Для технико-экономической оценки эффективности подземного захоронения промстоков определялись капитальные и эксплуатационные затраты. Исходными данными для расчета капитальных затрат по захоронению промстоков послужили:
— стоимость 3 глубоких скважин 1,2 и 3 Люминофор, затраты на переоборудование скважины № 2 Ставропольской — 1945,8 тыс. руб.;
— стоимость двух 300—метровых наблюдательных скважин — 1112,3 тыс. руб.;
— стоимость шламонакопителей -5265,2 тыс. руб.
— стоимость оборудования для закачки: двух фильтр—патронов- 152 тыс. руб.; двух центробежных насосов - 170 тыс. руб. чугунные трубы - 350 тыс. руб.
— Всего - 6995,3тыс. руб.
Эксплуатационные затраты по рассматриваемому варианту определялись на основе статей затрат, таких как амортизационные отчисления, заработная плата основная и дополнительная, сырье и вспомогательные материалы, топливо (газ) и электроэнергия, услуги цехов объединения, и прочие затраты. Все затраты обсчитаны по ценам, действующим на 1 января 2006 года. Для расчета амортизационных затрат брались стоимости всех элементов обустройства и соответствующие им нормативы отчислений.
Величина предотвращенного экономического ущерба от закачки сточных вод оценивается в 173 тыс. руб. в год.
Основные технические показатели экспериментальной установки для создания промышленного образца представлены в таблице 17.
