Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Состояние загрязнения внутренних пресных вод органическими и неорганическими веществами и современные представления об их биологическом самоочищении 22
1.1. Нефть, нефтепродукты и высокоминерализованные пластовые сточные воды 22
1.2. Удобрения, биогенные вещества и пестициды 32
1.3. Современные представления о биологическом самоочищении вод и роль в нем организмов водных экосистем 55
Глава II. Объекты и методы исследований 77
Глава III. Макрофиты и их роль в бактериальном самоочищении поверхностных вод от нефти и нефтепродуктов 105
3.1. Проективное покрытие и видовой состав макрофитов в обследованных водоемах 105
3.2. Влияние высших водных растений на распределение загрязняющих веществ в воде рек 113
3.3. Участие микроорганизмов и высших водных растений в самоочищении природных вод от нефтяных загрязнений 120
3.4. Качественная характеристика микрофлоры, участвующей в самоочищении природных вод 130
Глава IV. Исследование биодеградации нефти и нефтепродуктов в присутствии высших водных растений 138
4.1. Особенности развития разных экологических групп высшей водной растительности в модельных экосистемах, содержащих нефть и нефтепродукты 139
4.2. Разложение нефтяной пленки в процессе очищения воды от нефти и нефтепродуктов в присутствии макрофитов и без них 146
4.3. Роль микроорганизмов в процессе разложения нефти и нефтепродуктов 153
4.4. Видовой состав микроорганизмов, окисляющих нефть и нефтепродукты в присутствии высших водных растений 169
Глава V. Стимуляция бактериального разложения нефти выделениями макрофитов (феномен «эффекта» активного субстрата) . 175
5.1. Экзометаболиты некоторых видов высших водных растений и их влияние на процессы окисления нефти 184
5.2. Влияние отдельных веществ или комплекса соединений из метаболитов макрофитов на ускорение биодеградации нефти 194
5.3. Влияние абиотических факторов на жизнедеятельность нефтеокисляющих микроорганизмов 207
5.3.1. Отношение нефтеокисляющих бактерий к условиям внешней среды 209
5.3.2. Роль легкоокисляемых органических соединений и биогенных элементов в стимуляции бактериальной деструкции нефти 215
5.4. Биокатализирующие вещества и их влияние на интенсификацию биодеградации нефти 218
5.5. Математическое моделирование глубокой очистки углеводородсодержащих стоков нефтеокисляющими микроорганизмами 222
5.5.1. Математическое описание структуры потоков как основа построения моделей процессов 223
5.5.2. Теоретические основы математического описания кинетики микробиологических процессов 226
5.5.3. Моделирование микробиологических процессов деструкции углеводородов нефти 231
5.5.4. Устройство и принцип работы струйно-отстойного аппарата и математическое описание структуры потоков в нем 234
5.5.5. Полное математическое описание процесса деструкции углеводородов нефти нефтеокисляющими микроорганизмами в струйно-отстойном аппарате 239
5.5.6. Программная реализация математической модели струйно-отстойного аппарата (СОА) 242
5.6. Фиторемедиация - управляемая микробиологическая очистка сточных вод от углеводородов нефти и других сопутствующих загрязнений 247
Глава VI. Макрофиты и их роль в элиминировании и детоксикации природных и сточных вод от солей, ядохимикатов и тяжелых металлов 255
6.1. Элиминирование макрофитами разнообразных солей в природных и производственных технологических стоках 255
6.2. Извлечение макрофитами биогенных элементов 271
6.3. Водные растения и их участие в поглощении и детоксикации пестициов 280
6.4. Изучение детоксикации ионов тяжелых металлов под влиянием макрофитов 290
Глава VII. Биотехнологические схемы очистки, обессоливания и детоксикации поверхностных и производственных сточных вод от загрязнений (практическое приложение исследований) 303
7.1. Нефть, нефтепродукты и сопутствующие им загрязнения 303
7.2. Соли, биогенные элементы, биоциды и тяжелые металлы и их элиминирование макрофитами 324
7.3. Биоинженерное сооружение для обессоливания химзагрязненных вод с применением насаждений высших водных растений (на римере Менделеевского и Краснодарского химических заводов) 332
7.4. Биотехнологическая схема подготовки (очистки и обеззараживания) сточных вод животнововческих коплексов 339
7.5. Биоинженерные схемы защиты береговых зон водохранилищ от переработки и загрязнения (на примере отдельных участков Куйбышевского и Сурского водохранилищ) 351
7.6. Использование высшей водной растительности в народном хозяйстве (с целью исключения вторичного загрязнения очищаемых ими вод) 361
Заключение 371
Выводы 384
Список литературы 390
Приложения 431
- Современные представления о биологическом самоочищении вод и роль в нем организмов водных экосистем
- Участие микроорганизмов и высших водных растений в самоочищении природных вод от нефтяных загрязнений
- Разложение нефтяной пленки в процессе очищения воды от нефти и нефтепродуктов в присутствии макрофитов и без них
- Влияние отдельных веществ или комплекса соединений из метаболитов макрофитов на ускорение биодеградации нефти
Введение к работе
Всё возрастающее антропогенное эвтрофирование водоемов в последние годы определяет одну из опаснейших форм нарушений качества поверхностных пресных вод. Обусловлена она непрерывным увеличением количества отводимых в водные объекты плохо или совсем неочищенных стоков. В 1996 г. объем их превысил 22,4 км3, в 1999 г. приблизился к 58,0 км3, а в 2000 г. составил более 40,0 км3 (Яковлев СВ., 1999; Состояние окружающей среды и природных ресурсов РФ, 2000).
В силу этих и других причин загрязненность поверхностных вод России превышает ПДК в среднем по нефтепродуктам на 47-63%, фенолам на 45-68%, легкоокисляющимся органическим веществам на 20-23%, аммиачному азоту на 23-24% (Россия: водно-ресурсный потенциал, 1998).
Среди разнообразия загрязняющих веществ особую опасность на биоту водных экосистем и качество поверхностных вод оказывают такие соединения, как нефть, нефтепродукты, особенно легкие углеводороды, масла, асфаль-тены, биоциды, соли и др. (Мосевич Н.А. и др., 1959; Константинов А.С., 1972; Миронов О.Г., 1970, 1975; Квасников Е.Н., Клюшникова В.М., 1981; Гусев М.В., Коронелли Т.В. и др., 1981; Коронелли Т.В., Ильинский В.В. и др., 1989; Зобов ВВ. и др., 1997; Ильинский В.В., 2000).
Повышенное их содержание характерно для водоемов Волжско-Камского каскада (Поволжский и Волго-Вятский экономические районы), которые принимают ежегодно от 4,0 тыс. т до 18 тыс. т нефтепродуктов, 10 тыс. т тяжелых металлов и многие другие вещества (Морозов Н.В., Азимов Ю.И., 2001; Возрождение Волги - шаг к спасению России, 1997). Сказанное обусловлено сосредоточением в этом регионе ведущих отраслей промышленности: химической, нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей, топливной, электроэнергетической, машиностроительной, металлообрабатывающей и мн. др. При большой плотности экологически опасных производств здесь исключительно высок удельный вес заводов и фабрик с устаревшим оборудованием. До 90%
6 предприятий региона частично или полностью не имеют очистных сооружений.
В целом по речному бассейну р. Волга ресурс экологически чистой воды составляет не более 3% общего объема поверхностных вод (цит. по: Михеев Н.Н., 1997). В ряде районов региона доля ее вообще сведена к нулю. Это наглядно иллюстрирует содержание нефтепродуктов в реках нефтедобывающих районов. Только на территории Республики Татарстан средняя ее величина находится на уровне 0,45 - 82,0 мг/л (Газеев Н.Х., 1996), общая минерализация воды в межень превышает 1200-1500, а в некоторых случаях доходит до 2000-2500 мг/л.
Таким образом, возрастающая антропогенная нагрузка на водные ресурсы Среднего Поволжья и прилегающих к нему территорий сделала сегодня чрезвычайно актуальной проблему защиты, регулирования качества поверхностных пресных вод и управления им.
Решение данной задачи современными индустриальными методами очистки и обезвреживания не достигает цели. Даже традиционные очистные сооружения, включающие в свой состав биологическое окисление, снимают из сточных вод не более 80-85% нефтяных и других сопутствующих загрязнений. Остаточные их количества в очищенной воде укладываются до норм СНиП, но превышают ПДК водоемов по санитарным нормам в десятки и сотни, а по ры-бохозяйственным в несколько сотен раз. Положение усугубляется еще и тем, что повсеместно имеется неорганизованный диффузный сток, который увеличивает загрязнение водных объектов органическими и неорганическими веществами.
Проблема защиты водных ресурсов (природных и сточных вод) от загрязнения в настоящее время успешно может быть решена путем создания и широкого использования экологически безопасных, высокоэффективных, хорошо управляемых естественно- биологических методов восстановления качества воды. Одним из главных резервов последнего является способность вод к самоочищению. В этой связи уместно напомнить, что еще в 1939 г., подводя итоги трех Всесоюзных конференций по вопросам загрязнения и самоочищения водоемов, профессор А.И. Сысин писал: "Управлять процессами самоочищения, содействовать им, использовать их и вместе с тем сохранить и развить эти естественные свойства водоемов - вот те конечные задачи, которые стоят перед нами"(1939).
В современном представлении самоочищение воды обеспечивается главным образом совокупной деятельностью населяющих водные источники организмов: микроводорослей, бактерий, высших водных растений и др. (Скадов-ский С.Н., Телитченко М.М., 1965; Роговская Ц.И., 1967; Францев А.В., 1969, 1972; Винберг Г.Г., 1972, 1975; Телитченко М.М., 1974, 1980; Федоров В.Д., 1980; Морозов Н.В., 1974, 1983, 1984, 1997, 2001). Последние формируют полноценность воды как биологически равноценного продукта. В связи с этим одной из важных задач в установлении биологического равновесия поверхностных вод с присущим им качеством является всестороннее и глубокое познание законов превращения и круговорота веществ и энергии в водных экосистемах, выяснение участия всех организмов биотопа в процессах минерализации и восстановления естественных свойств воды.
На основе многолетних исследований, проведенных за последние годы, доказано, что в микробиальном самоочищении природных и сточных вод особую роль играют высшие водные растения (макрофиты). Благодаря своим морфологическим и экологическим особенностям они участвуют в механической, физико-химической и особенно биологической миграции загрязнений (Кокин В. А., 1982; Врочинской К.К., Телитченко М.М., Мережко А.И., 1980; Эйнор Л.О., 1992; Морозов Н.В., 1997).
Суть последней сводится к созданию благоприятной среды, т.е. постоянной аэробной фазы (Кабанов Н.М., 1961, 1962; Gaselitz КН., 1966; Винберг Г.Г. 1972; Морозов Н.В., 1974; Распопов И.М., 1986), связанной с ней высокой биохимической активностью окислительных процессов (Морозов Н.В., 1974,1976, 1997), сбалансированию рН (Морозов Н.В., Николаев В.Н., 1984), солевого состава вод, образованию активной адсорбирующей и перерабатывающей по- верхности для микрофлоры, участвующей в самоочищении поверхностных вод от органических и неорганических веществ и, наконец, биостимуляции и интенсификации деструкции нефти и других сопутствующих соединений метаболитами макрофитов (Морозов Н.В., Телитченко М.М., 1984; Морозов Н.В., Ратушняк А.А., 1986; Морозов Н.В., 2000). Как сопутствующий фактор, это активное изъятие (Драчев СМ., 1940; Александрова Л.А., 1959; Францев А.В., Лебедева А.Л., Телитченко М.М., 1961; Куликов Н.В. и др., 1971; Подымов А.И., Суслов Ю.Д., 1975; Любимова С.А. и др., 1977; Пашкевич В.Ю., Юдин Б.С., 1978; Распопов И.М., 1986; Лукина Л.Ф., Смирнова Н.Н., 1988), поглощение органических и неорганических веществ с дальнейшим превращением их до безвредных продуктов (Францев А.В., 1961, 1963; Кокин В.А., 1962, 1963; Кроткевич П.Г., 1970, 1976; Морозов Н.В., 1974, 1979, 1982, 1986, 1997, 2001; Мережко А.И., 1978; Стоун Д.И. и др., 1978).
Известно, что при объяснении закономерностей гидробиологического формирования качества водных ресурсов ограничиваются рассмотрением отдельно роли простейших, водорослей, микроорганизмов, высшей водной растительности и др. При подобном подходе к оценке состояния водных объектов или биологического самоочищения природных вод не учитываются многие процессы, протекающие при совокупном влиянии гидробионтов.
В этой связи значительный интерес представляют исследования колоссальной роли деятельности организмов водных экосистем, позволяющих достичь высокой степени глубокой деградации, детоксикации и деминерализации таких веществ, как нефть, нефтепродукты, биогенные элементы, разнообразные соли и др. В естественном восстановлении качества природных и сточных вод доминирующими факторами являются взаимосвязанные в единый комплекс процессы минерализации, поглощения и метаболизма веществ под действием микроорганизмов и высших водных растений.
Раскрытие этих связей и объяснение механизмов протекающих процессов позволит подойти к решению важнейших задач народного хозяйства в вопросах регулирования и управления качеством воды водоемов с применением эколого-биотехнологических систем защиты водных ресурсов не только Среднего Поволжья, но и в целом всего Волжского каскада и других речных бассейнов России.
Исследования автора впервые позволили установить, что между гетеротрофными микроорганизмами, способными окислять нефть и нефтепродукты, и высшими водными растениями в водоеме существует симбиотическая связь, которая определяет степень, активность усвоения углеводородов нефти в качестве единственного источника углерода и энергии, и, главное, интенсивность бактериальной деградации нефтяных загрязнений до конечных продуктов, т.е. до С02 и Н20. Работами также выяснено, что некоторые микроорганизмы и макрофиты находятся и в антагонистических взаимоотношениях. Антагонизм со стороны высших водных растений проявляется по отношению к инфекционным бактериям. Это в свою очередь, позволяет широко использовать деятельность макрофитов не только в очистке стоков от органических и неорганических загрязнений, но и в обеззараживании природных и сточных вод от разнообразных инфекционных микроорганизмов. Кроме того, была раскрыта роль макрофитов отдельно или вместе с микроорганизмами в детоксикации и обес-соливании природных и сточных вод от биоцидных веществ, тяжелых металлов, высокоминерализованных стоков, удобрений и т.д.
Исходя из вышеизложенного целью работы явилось научное обоснование, создание новых высокоэффективных биологических способов очистки, детоксикации, обессоливания и обеззараживания природных и сточных вод от разнообразных загрязнений на основе изучения и раскрытия механизмов самоочищения водоемов, разработка эколого - биотехнологических путей управления качеством поверхностных вод с использованием деятельности организмов водных экосистем.
В соответствии с целью исследований были поставлены следующие задачи:
Исследовать роль высшей водной растительности в распределении нефтяных загрязнений по длине рек и водохранилищ, а также в самоочищении водоемов от нефти, нефтепродуктов и других сопутствующих веществ на примере поверхностных вод Среднего Поволжья.
Изучить количественный и качественный состав гетеротрофных мик-роорганизов, в том числе общее число, сапрофитных и нефтеокис-ляющих бактерий, участвующих в очищении воды от нефти и нефтепродуктов в природных водах.
Выяснить роль макрофитов в процессах микробиальной очистки воды от нефти и нефтепродуктов в модельных экосистемах (в вегетационных опытах, лабораторных экспериментах, полупроизводственных испытаниях и др.), в формировании определенного бактериального ценоза, условий развития гетеротрофных микроорганизмов для активизации процесса окисления загрязнений.
Исследовать прижизненные выделения водных растений с целью выяснения их влияния на ускорение биодеструкции нефти и продуктов ее переработки.
Изучить влияние условий среды (рН, температуры, биогенных элементов, биостимуляторов и индуцирующих веществ) на разложение нефти, нефтепродуктов и биоцидов нефтеокисляющими микроорганизмами.
Разработать математическую модель микробиологической деградации углеводородов нефти с описанием кинетики бактериального окисления в блочном струйно-отстойном аппарате (СОА), программу реализации численного решения математической модели и создать гибкие автоматизированные технологические схемы (модули) глубокой очистки и доочистки производственных сточных вод, содержащих нефте-
11 продукты и другие сопутствующие соединения на основе использования индуцирующих соединений.
Выявить роль макрофитов в извлечении, элиминировании и детокси-кации разнообразных солей, биогенных элементов, биоцидов и тяжелых металлов.
Разработать биологические способы очистки и доочистки природных и сточных вод от нефти, нефтепродуктов, солей, биоцидов и тяжелых металлов, а также диффузного поверхностного стока с разнообразными загрязнениями на основе управляемого применения деятельности биоценоза водных экосистем - микроорганизмов, высших водных растений и др.
Эти задачи решены при выполнении многолетних и детальных НИР по государственным заданиям Госкомитета Совета Министров СССР по науке и технике 1966-1992 гг.: "Комплексное использование и охрана водных ресурсов", "Разработка методов прогноза, расчета степени загрязнения и интенсивности самоочищения поверхностных вод", " Изучить режим и разработать методику оценки выноса пестицидов, биогенных веществ и продуктов эрозии почв неорганизованным поверхностным стоком с сельскохозяйственных угодий богарного земледелия", "Разработать методы перехвата, отведения, аккумуляции и обеззараживания загрязненного стока с сельскохозяйственных угодий с помощью гидротехнических, агротехнических, лесотехнических, проти-воэрозионных приемов и устройств", "Разработать комплекс мероприятий по улучшению качества воды в водохранилищах многоцелевого использования Свердловского и Куйбышевского промышленных районов", " Провести комплексные исследования, разработать рекомендации по рациональному использованию и охране водных ресурсов малых рек в основных экономических регионах страны". Кроме того, для этих целей использованы результаты работ по темам: "Исследование самоочищения водоемов от нефти под влиянием водной растительности в Среднем Поволжье", "Разработка методов управления процессом очистки природных и сточных вод от нефти и нефтепродуктов", "Раз- работка и внедрение биоинженерных способов очистки высокоминерализованных стоков от солей и сопутствующих органических соединений", "Исследование и разработка нового биологического метода очистки и доочистки сточных вод, загрязненных нефтью, нефтепродуктами и легкими углеводородами на основе применения индуцирующих соединений до норм оборотного водоснабжения и отвода в водные объекты" и др., выполненные автором в 1993-2002 гг. при непосредственном участии и под его руководством.
Основные положения, выносимые на защиту.
Особенности распределения и изменения концентрации нефтяных загрязнений (нефтяной пленки, взвешенной и растворенной в толще воды) и сопутствующих веществ по длине малых рек и водохранилищ в непрерывном потоке в зависимости от условий произрастания, плотности заселения, биомассы и площади покрытия водоемов высшими водными растениями.
Оценка степени участия каждой группы микробиоценоза (общего числа бактерий, в т.ч. сапрофитных и нефтеокисляющих) в процессах естественного самоочищения водоемов от нефти, нефтепродуктов и сопутствующих соединений и влияние на ход бактериального самоочищения высшей водной растительности.
Изучение экскретов высших водных растений и их влияние на биодеградацию нефти и других органических веществ с целью объяснения и раскрытия механизмов интенсификации процессов биологического окисления загрязнений.
Раскрытие механизмов биодеградации, деминерализации и детоксикации органических (нефть, нефтепродукты, биоциды) и неорганических (соли, тяжелые металлы) веществ в природных и производственных сточных водах и доказательство факта интенсификации самоочищения водоемов под влиянием макрофитов, обоснование и разработка эколого-биотехнологического направления защиты качества пресных водных ресурсов от загрязнения, засоления и истощения и управление им.
Биоинженерные системы защиты, биотехнологические схемы и установки глубокой очистки и доочистки природных и сточных вод от разнообразных загрязнений, являясь современными и успешно развивающимися природоохранными технологиями, основанными на использовании механизмов процессов самоочищения, позволяют достичь естественного управляемого восстановления их качеств до состояния полноценности воды как продукта. Они экономически целесообразны и выгодны в различных отраслях народного хозяйства при любой производительности и могут быть использованы для обезвреживания широкого спектра загрязняющих веществ, включая диффузный поверхностный сток.
Научная новизна. В диссертации разработано эколого - биотехнологическое направление восстановления качества природных и сточных вод, загрязненных органическими и неорганическими веществами, с использованием совместной деятельности организмов водных экосистем - микроорганизмов и высших водных растений. Объяснены основные процессы, лежащие в ходе самоочищения водоемов под влиянием гидробионтов. Получены новые факты об участии и роли микроорганизмов и высшей водной растительности в интенсификации естественного восстановления воды от нефти и других сопутствующих загрязнений. Разработаны научные концепции и практические пути, способы, методы и, наконец, биотехнологические схемы и системы управления качеством водных ресурсов.
Основные результаты выполненных исследований: впервые раскрыта роль макрофитов в биологической миграции органических веществ, биогенных элементов и солей в природных водных объектах Среднего Поволжья; установлено, что количество гетеротрофных микроорганизмов, в том числе сапрофитных и нефтеразрушающих, в водоеме получает максимальное развитие в местах скопления нефти и зарослей макрофитов. Это подтверждено существующей связью между величиной БПК5, зарастаемостью водоемов, количеством микроорганизмов и концентрацией загрязнений (коэффициенты корреляции положительные от +0,73 до +0,94); впервые выявлено, что зона сильного загрязнения водоемов Среднего Поволжья нефтью и нефтепродуктами, несмотря на высокую численность микроорганизмов, характеризуется ограниченностью видового состава нефте-окисляющих бактерий; впервые показано, что нефть и нефтепродукты в концентрации до 1 г/л стимулируют развитие воздушно-водных, погруженно-укореняющихся и укореняющихся растений с плавающими листьями. Особенно это проявляется в начале вегетации у воздушно-водных растений - Scirpus lacustris L., Typha an-gustifolia L.,Typha latifolia L., Phragmites communis Trin и др.; установлено, что скорость разложения нефти, нефтепродуктов и биоцидов находится в прямой зависимости не только от численности в среде нефте-окисляющих бактерий, но и плотности заселения и площади, занимаемой высшими водными растениями; впервые подтверждено явление интенсификации биодеградации нефти, нефтепродуктов и других соединений прижизненными экзометаболитами макрофитов. Механизм ускорения связан с использованием нефтеокисляющими микроорганизмами таких активных, биологически ценных питательных веществ, как аминокислоты, углеводы, органические кислоты, водорастворимые витамины и др., которые содержатся в выделениях макрофитов; впервые установлен состав веществ и определена концентрация соединений, при которой достигается высокий биологический эффект индуцирования, а в конечном итоге ускорение биодеградации нефти и нефтепродуктов до конечных продуктов окисления - С02 и воды; установлены границы рН среды, оптимальные и минимальные температуры, количество и виды биогенных элементов, солей, легкоокисляемых органических и биокатализирующих веществ, обеспечивающих жизнедеятельность бактерий и их высокую деструктивную активность в очистке воды от нефти в модельной экосистеме, в струйно-отстойном аппарате и построенной на его базе технологической схеме глубокой доочистки производственных нефтесо-держащих стоков с математической моделью управления и программой ее реализации; впервые в производственных масштабах (на малой реке, опытной площадке, на биотехнологической установке) созданы, испытаны и выбраны высокоэффективные биоинженерные схемы очистки вод от удобрительных веществ, высокоминерализованных попутных пластовых стоков, смешанных солей химических производств и животноводческих комплексов с определением расчетных нагрузок, режимов, сроков и необходимых ступеней и сооружений обезвреживания. Показано, что в этих сооружениях минеральные соли и многие растворенные компоненты извлекаются из стоков до норм оборотного водоснабжения или отвода в открытые водные источники. Этим достигается очистка, обезвреживание и обессоливание природных и сточных вод; получены новые данные о роли высших водных растений в биодеградации и детоксикации вод, загрязненных хлор-, фосфорорганическими ядохимикатами, а также некоторыми высокотоксичными тяжелыми металлами. Определены их оптимальные концентрации, обеспечивающие нормальную вегетацию, развитие макрофитов, степень элиминирования их различными органами растений, грунтом и биоокисления углеводородокисляющими микроорганизмами; разработаны рекомендации для очистки и доочистки сельскохозяйственных и производственных сточных вод от разнообразных солей, биогенных элементов, биоцидов, тяжелых металлов и исключения засоления природных вод с применением широко распространенных в водоемах Среднего Поволжья водных растений. В их числе Scirpus lacustris L., Typha angustifolia L., Typha. latifolia L., Phragmites communis Trin., Butomus umbellatus L., Gliceria aquatica (L.) Wahlb., Ceratophillum demersum L., Elodea canadensis Rich, и др. В сочетании с влаголюбивыми кустарниково-древесными растениями (Salix purpurea
16 L., S. pentandre L., S. rossica Nas. и др.) воздушно-водные растения (S. lacustris L., Т. angustifolia L., T. latifolia, P. communis Trin.) предложены к широкому применению для армирования, укрепления сыпучей береговой зоны рек и водоемов от переработки волнами. Создание в мелководном плесе армированных поясов из зарослей водных растений снижает скорость течения водных масс, уменьшает транзит наносов в продольных береговых потоках, превращает абразионные формы берега в аккумулятивные и, наконец, изымает и превращает разнообразные загрязнения, поступающие с поверхностным стоком, до норм, исключающих эвтрофирование водоемов.
Практическая значимость и внедрение результатов работы. Эколого-биотехнологическое направление глубокой очистки и доочистки природных и сточных вод от органических и неорганических веществ (нефти, нефтепродуктов, биоцидов, разнообразных солей, включая биогены) с использованием биоценоза водных экосистем позволяет предложить новые подходы к решению проблемы защиты водных ресурсов как от рассеянных, так и локальных источников загрязнений. Заросли высшей водной растительности с сопутствующими микроорганизмами и другими организмами биоты, ассоциации различных групп бактерий или комплекс совокупных гидробионтов (воссозданных, выбранных и отселектированных), применяемые сегодня в управляемых биоинженерных схемах или отдельных очистных сооружениях (построенных по разработкам автора), высокоэффективно обезвреживают сточные воды с широким спектром загрязняющих веществ. Достигаемая эффективность превосходит степень обезвреживания стоков современными индустриальными методами в несколько раз. Это касается таких загрязнений, как нефть, масла, фенолы, высокоминерализованные попутные пластовые стоки, сточные воды химических заводов, животноводческих комплексов, в составе которых имеются растворенные вещества, тяжелые металлы, биогенные элементы и др.
Впервые удалось воспроизвести природную систему восстановления качества воды в управляемой искусственной блочной схеме очистки. Это касается глубокой очистки и доочистки нефте- и углеводородсодержащих сточных вод путем целенаправленного применения автохтонных нефтеразлагающих микроорганизмов и индуцирующих соединений. Разработана математическая модель микробиологической деградации углеводородов нефти с описанием кинетики бактериального окисления в блочном струйно- отстойном аппарате, а также программа реализации численного решения математической модели. При создании технологической схемы очистки и доочистки нефте- и углеводородсодержащих стоков использован модульный принцип, позволяющий формировать из типового оборудования химических производств гибкие автоматизированные технологические модули (схемы) переменной структуры любой производительности для различных отраслей народного хозяйства.
На основании многолетних комплексных исследований автором разработаны и внедрены в различные отрасли народного хозяйства следующие мероприятия, которые зафиксированы или подтверждены документами: актами Государственных приемочных комиссий, официальными рекомендациями, изобретениями и рабочими проектами:
Биологический метод очистки нефтесодержащих сточных вод (авторское свидетельство N 918277 от 7 декабря 1981 г.) в ОАО "Татнефть" Республики Татарстан на 59 объектах по 13-ти нефтегазодобывающим управлениям (НГДУ).
Рекомендации по улучшению качества воды Сурского водохранилища, утвержденные Министерством мелиорации и водного хозяйства РФ в 1985 г. на водоохранных объектах Сурского водохранилища.
Рекомендации по защите малых рек от загрязнения сточными водами животноводческих комплексов и новый способ очистки и обеззараживания животноводческих стоков (авторское свидетельство N1182007 от 1 июня 1985 г., Морозов, 1997). Использованы в рабочих проектах очистных сооружений совхоза "Икшурминский", совхоза "Пугачевский" Сабинского и Бугульминского районов РТ. Выданы также задания на проектирование очистных сооружений по очистке и утилизации сточных вод свинокомплексов совхозов "Лениногор-ский", "Аксубаевский", "Акташский" в Республике Татарстан.
Водоохранные мероприятия - организационные, лесотехнические, проти-воэрозионные, гидротехнические и специальные естественно-биологические на осушительных и осушительно-увлажнительных системах, а также на малых реках от широкого класса загрязняющих веществ на территории Российской Федерации (Малые реки России - использование, регулирование, охрана, методы водохозяйственных расчетов. Свердловск, 1988. - С.232-249).
Способ и биотехнологическая схема очистки сточных вод животноводческих комплексов до норм оборотного водоснабжения, орошения любых сельхозкультур и выращивания рыбной продукции на ГСХП "Рощинский" Стерли-тамакского района Республики Башкортостан, приняты в эксплуатацию актом Государственной приемочной комиссии от 27 ноября 1997 г.
6. Способ очистки и обессоливания химзагрязненных сточных вод Менделеевского завода им. Карпова, производства аммиака Краснодарского химического завода и санатория-профилактория "Кубанский" Краснодарского химзавода (Акт производственных испытаний биотехнологической схемы обессоливания химзагрязненных производственных сточных вод Менделеевского химзавода им. Карпова от 15 августа 1991 г. (г.Менделеевск РТ). Рабочий проект очистных сооружений для очистки химзагрязненных стоков по разработанной автором технологической схеме производства аммиака Краснодарского химического завода выполнил ГПИ "Ростовводоканалпроект". Рабочий проект очистных сооружений по обессоливанию высокоминерализованных стоков санатория-профилактория "Кубанский" выполнила проектная группа Краснодарского химического завода).
7. Рекомендации по защите агропромышленной зоны г. Казани в Куйбышевском водохранилище по теме ГКНТ СССР "Разработать и представить мероприятия по регулированию качества воды зарегулированных водохранилищ Куйбышевского промышленного района в 1980-1985 гг."
8. На ВДНХ СССР экспонировались по итогам выполненных исследований "Биологический метод очистки поверхностных вод от нефтяных загрязнений и высокоминерализованных стоков" (1979), "Защита малых рек от загрязнений стоками животноводческих комплексов" (1986), "Биоинженерный метод подготовки (очистка и обеззараживание) стоков животноводческих комплексов для орошения сельскохозяйственных угодий" (1987), удостоившиеся двух бронзовых и одной серебряной медалей. Система защиты Сурского водохранилища от загрязнения в пределах тематики ВДНХ СССР (1988 г.) прошла на международный конкурс по охране окружающей среды в Китае (г. Пекин, 1990-1991 гг.).
В Казанском химико-технологическом институте (ныне КГТУ) в 1974-1992 гг. и Казанском государственном педагогическом университете (КГПУ) в 1987-2002 гг. читались и читаются лекции по основам эколого-биотехнологических методов и способов очистки, обезвреживания, детоксикации и деминерализации загрязняющих соединений с использованием организмов водных экосистем в курсах "Химия и технология очистки сточных вод", "Микробиология", "Биотехнология", "Рациональное использование и охрана природных ресурсов".
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на I, II, III, IV Всесоюзных совещаниях санитарных гидробиологов (Москва, 1969, 1973, 1977, 1981 гг.), Первой Всесоюзной конференции по высшим водным и прибрежным растениям (Борок 1977), XXVII, XXVIII Всесоюзных гидрохимических совещаниях (Новочеркасск, 1979, 1984), Всесоюзном симпозиуме "Научные основы оптимизации, прогноз и охрана природной среды" (Москва, 1980), Всесоюзном совещании-семинаре по охране окружающей среды в нефтяной промышленности (Уфа, 1980), Всесоюзной конференции "Проблемы рационального использования водных ресурсов малых рек (Казань, 1981), Конференции "Защита растений и охрана окружающей среды в Татарии" (1982, 1986), II Всесоюзной конференции "Динамика и термика рек, водохранилищ и эстуариев" (Москва, 1984), VII Съезде микробиологического общества (Алма-Ата, 1985), на Всесоюзном совещании "Совершенствование системы управления и контроля использования охранных вод в СССР на базе объединенных региональных БХС" (Свердловск, 1987), Международной конференции по биологии (Будапешт, 1987), Региональной конференции "Экологические проблемы Волги" (Саратов, 1989), Всесоюзной конференции "Экологические проблемы охраны живой природы" (Москва, 1990), конференции "Организационно-педагогические условия эколого-нравственного воспитания" (Казань, 1995), Международной открытой сессии "Modus Academicus" (Ульяновск, 1998), Всесоюзной научно-технической конференции "Экологические исследования и проблемы экологического образования в европейских регионах России" (Арзамас, 2000), на научно-технических конференциях по экологическим проблемам и качеству жизни в трансформирующемся обществе (Екатеринбург, 2000, Набережные Челны, 2001), III Международном национальном симпозиуме по энергетике РСНЭ (г. Казань, 2001), на ежегодных итоговых научных конференциях КГПУ (Казань, 1989-2002 гг.) и мн. др.
Публикации. Автором опубликовано 86 научных работ, из них 78 непосредственно по теме диссертации.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 470 страницах машинописного текста и состоит из введения, семи глав, заключения, выводов, списка использованной литературы, включающего 473 наименований, в т.ч. 394 отечественных и 79 зарубежных литературных источников. Работа иллюстрирована 57 таблицами, 46 рисунками и 9 приложениями.
Автор выражает глубокую признательность и искреннюю благодарность за ценнейшие советы, замечания и поддержку доктору биологических наук, профессору, заведующему кафедрой гидробиологии МГУ Федорову Вадиму Дмитриевичу.
Сердечную благодарность выражаю сотрудникам кафедры гидробиологии МГУ доктору биологических наук Остроумову Сергею Андреевичу, доктору биологических наук Плеханову Сергею Елисеевичу, кандидату биологических наук Карташевой Наталье Васильевне и др.
Приношу благодарность сотрудникам кафедры ботаники Казанского государственного педагогического университета, оказавшим мне помощь и поддержку при выполнении данных исследований.
Современные представления о биологическом самоочищении вод и роль в нем организмов водных экосистем
Уменьшение загрязнения природных вод стоками в результате их разбавления, осаждения, сорбции и биодеградации органических и неорганических веществ составляет суть понятия "самоочищение водоемов". Само определениє свидетельствует о неразрывной связи механических, физико-химических и биологических процессов при формировании биологически полноценной воды, т.е. воды, являющейся в широком смысле полноценным продуктом питания и здоровой средой обитания (Телитченко М.М., 1972 а, 1982, 1986; Федоров В.Д., 1980).
Как известно, быстрое развитие промышленности, химизация и индустриализация сельского хозяйства резко сократили запасы чистой природной воды. Это усугубляется неравномерностью ее распределения по земной поверхности и ростом народонаселения (Вендров С.Л., 1970; Вендров С.Л. и др., 1981; Россия: водно-ресурсный потенциал, 1998). Поэтому уповать на то, что любое загрязнение можно разбавить чистой водой, практически невозможно. Например, чтобы сделать безвредными стоки нефтехимического завода, требуется 30000-, а коксохимического - 3000000- кратное разбавление. Однако даже 8-10-кратное разбавление, как это предусматривается санитарными нормами для большинства промышленных сточных вод, в настоящее время практически невозможно.
Разбавление загрязняющих веществ является лишь одним из составных процессов самоочищения воды и не тождественно ему (Львович А.И., 1977; Телитченко М.М., 1972 а). Как было отмечено на II, III и IY Всесоюзных совещаниях по санитарной гидробиологии (Москва, 1977-1981 гг.), представление о том, что разбавление - основа самоочищения, следует считать устаревшим (Телитченко М.М., 1973, 1978). Осаждение и сорбция разнообразных соединений играют важную роль в очищении загрязненных вод, но они лишь удерживают загрязнения, не изменяя их структуру. Вымываясь из осадков, они опять являются источником загрязнения вод.
В этом отношении биосорбция и аккумуляция различных соединений гидробионтами несравненно предпочтительнее. Например, многие фильтрато-ры и седиментаторы в процессе своей жизнедеятельности извлекают из воды огромное количество растворенных веществ и взвесей (Константинов А.С., 1972; Скадовский С.Н. и др., 1962; Телитченко М.М., 1970; Телитченко М.М., Телитченко Л.А., 1974; Трунова О.Н., 1972 и др.). Но часть из них прочно удерживается в тканях и органах с замедленным обменом (раковинах, скелетных и покровных образованиях, корневищах, луковицах и т.п.) или оседает в виде капролитов, часть же загрязняющих веществ в процессе метаболизма перерабатывается до безвредных веществ.
В Волгоградском водохранилище, например, только двухстворчатыми моллюсками (при средней численности 648 экз/м ) за вегетационный период профильтровывается около 840 млрд.м воды. При этом они извлекают взвешенных веществ 96 млн.т и 29 млн.т осаждают (Кондратьева Г.П., 1970). Ежегодно реки приносят в Мировой океан 5,5 109 т кальция. Примерно 1,4 109 т его осаждается организмами. Таким образом, баланс кальция в Мировом океане полностью определяется их жизнедеятельностью (Константинов А.С., 1972; Телитченко М.М., 1973). Количество этих примеров можно значительно увеличить. Как известно, профессор Муравейский С.Д. с учениками разработал на этой основе целое научное направление - биогидрологию (Муравейский С.Д., 1960; Воскресенский К.А., 1973).
Самоочищение вод чрезвычайно сложное явление, объединяющее в неразрывное целое физические, физико-химические, химические и биохимические процессы (Винберг Г.Г., 1959, 1972, 1975; Винберг Г.Г., Остапеня П.В., 1961; Миронов ОТ., 1969, 1970).
Основоположник учения о биосфере академик В.И. Вернадский считал, что живые организмы являются наиболее могущественной по своим конечным последствиям силой на Земле, формирующей качества таких биокосных тел, как вода, почва и воздух (Словянов Н.Н., 1948). Исходя из этих представлений, I Всесоюзное совещание санитарных гидробиологов (Москва, 1969) отметило, что качество воды, как продукта, формируется в результате биологического самоочищения вод (Винберг Г.Г., 1959; Скадовский С.Н. и др., 1962; Скадовский С.Н., Телитченко М.М., 1965; Телитченко М.М., 1973; Францев А.В., 1972).
Микроорганизмы в деградации нефтяных и других сопутствующих загрязняющих веществ
Работы исследователей последних десятилетий показали, что подбором и вселением организмов можно существенно влиять на формирование качества воды, т.е. интенсифицировать биологическое самоочищение водоемов в десятки раз. В природных условиях ускорения самоочищения водоемов можно достичь целенаправленным использованием деструктирующей способности многих групп гетеротрофных микроорганизмов, создавая, регулируя для них оптимальные условия среды или же вселяя отдельные ассоциации (консорциум) специально подобранных для этой цели бактериальных ценозов, иммобилизованных или чистых селективных видов бактерий. Речь идет об интродукции аборигенной, в то же время отселектированной биомассы бактерий или бактериальных ценозов в места скопления загрязняющих соединений.
В условиях открытых водных объектов биостимуляция природных микроорганизмов возможна за счет активного влияния метаболитов высших водных растений или самих водных растений (о чем подробно излагается в следующих главах настоящей диссертационной работы) или же путем внесения в водную среду легкоокисляемых органических и минеральных соединений.
Участие микроорганизмов и высших водных растений в самоочищении природных вод от нефтяных загрязнений
Наблюдения на Заинском и Карабашском водохранилищах показали, что микроорганизмы в повышенных количествах встречаются всегда в зонах с наиболее высоким содержанием нефти и нефтепродуктов. В естественных условиях наиболее загрязненными участками, как было отмечено выше, являются верховья водохранилищ, устья рек и речушек с обильными зарослями высших водных растений, куда поступают и где скапливаются разнообразные нефтепродукты, приносимые с водосборной площади. Так, например, в верховьях Заинского водохранилища (зона слабого зарастания, створы 1 и 2) растворенной и взвешенной нефти в воде было в разные годы от 37,8 до 51,6 мг/л, а общее количество микрофлоры в июле составляло в среднем 800-10-1000-10 кл/мл соответственно. В зоне сильного зарастания (рис. 1 створ 3) при уменьшении количества нефтепродуктов в воде в три и более раз общее число микроорганизмов снизилось в 1,5-3, а ниже зарослей более чем в 30 раз и выше (нефти здесь было в пределах 1,2-2,8 мг/л, рис. 5). Аналогично изменялась и численность сапрофитных бактерий. Максимальное количество сапрофитов, как и общего числа бактерий, в пределах 1-2 створов составляло 6,8-10 -9,4-10 кл/мл. Ниже зарослей (у 4-го створа) их было 0,3-103-0,7-103 кл/мл. Подобный спад количества сапрофитных бактерий от верховьев водоема к плотине отмечался и в илах. После прохождения загрязненных вод через заросли растений число бактерий в илах также уменьшалось с 67,5-103-118,0-103 до 17,0-103-46,0-103 кл/мл.
Изучение закономерностей распределения бактерий по акватории водохранилища выявило, что в пойме численность бактерий значительно меньше, чем в русле. Особенно ярко это выражено в верховьях. Это обусловлено прежде всего выносом нефтяных загрязнений по руслу из-за сохранения еще высоких скоростей течения.
По мере минерализации нефтепродуктов численность бактерий постепенно уменьшалась, а с завершением очищения воды падала до минимальных значений.
Повторные наблюдения на водохранилище в 1970 и в последующие годы показали, что не все формы сапрофитных бактерий в толще воды обладают способностью усваивать нефтепродукты в качестве единственного источника углерода и энергии. Учет количества нефтеокисляющих бактерий и изменения их численности вдоль акватории водохранилища должны были показать интенсивность самоочищения воды от нефтяных загрязнений. Наличие нефтеокисляющих бактерий в воде в том или ином количестве свидетельствует о большей или меньшей степени загрязнения водоема нефтепродуктами, а главное об интенсивности самоочищения воды (Дианова Е.В., Ворошилова А.А., 1952). Установлено, что повышенное количество нефтеокисляющих бактерий в водохранилище, как и других форм, отмечалось в зонах с наиболее высоким содержанием нефтяных загрязнений. Например, в районе поступления и скопления нефтепродуктов (зона слабого зарастания) общее количество бактерий достигало: в мае - 381-10 кл/мл, в июне - 236-10 кл/мл, а с июля по октябрь составило более 500-10 кл/мл. Численность нефтеокисляющих бактерий составляла соответственно 7,4-10"; 20,0-10 ; 97,5-10 и 85,0-10 кл/мл при концентрации нефтепродуктов 1,0-10,0 мг/л (прил. 1). После прохождения заросших растениями зон (створы 3, 4 и 5) численность микроорганизмов в воде уменьшилась до минимума. Наиболее четко это снижение констатируется в мае, июне, июле, августе в период физиологической активности макрофитов, и менее - в сентябре и октябре. В мае - июне нефтяное загрязнение в пределах участка (от створа 1 до 5) сокращалось в 10-14 раз, а численность бактерий в 2,6-7 раз. Аналогичная закономерность отмечалась в июле и августе.
Итак, из результатов наблюдений следует, что в летние месяцы года в зарослях водной растительности происходит максимальное снятие нефтяного загрязнения микроорганизмами. Безусловно, это происходит за счет биологического окисления нефти и ее продуктов. На это указывает корреляционная зависимость многих показателей оценки качества воды. Так, изменение содержания нефтепродуктов и численности бактерий в потоке коррелирует с биохимическим потреблением кислорода (БПК5), деструкцией органического вещества и др. (рис. 8).
Коэффициенты корреляции - +0,80 и +0,86. В целом эти величины выше в пределах первого и второго створов водохранилища, т.е. на участках с максимальным зарастанием, наибольшим количеством скопившейся нефти и бактериальной массы. Например, в июле в зоне поступления нефтепродуктов и скопления их (зона слабого зарастания) значение БПК5 в толще воды составляло 6,9 мг/л, а деструкции - 3,3 мгОг/л. К участкам сильного и среднего зарастания (створы 3 и 4) они уменьшились до 1,3 мг/л и 0,65 мг Ог/л соответственно. В августе и сентябре содержание БПК5 и деструкция органического вещества изменялись, как в июле. Максимум их приходился на верховья водохранилища (3,7-3,9 мг/л БПК5 и 9,8 мг02/л), а минимум - на среднюю зону водоема и ниже, после зарослей растений (створы 4 и 5). Со снижением концентрации загрязнений БПК5 уменьшалось до 1,1-2,2 мгОг/л, а значение минерализации до 0,7 мг Ог/л.
В районе дополнительного поступления стоков в сбросной канал № 2 ГРЭС (рис. 7) увеличение нефтяного загрязнения привело к некоторому возрастанию как БПК5, так и деструкции органического вещества. Эта зона характеризовалась также повышенной численностью бактерий. Общее число микроорганизмов здесь в зависимости от времени года наблюдения колебалось в пределах 0,9-106-2,1-10б кл/мл, а количество сапрофитных бактерий - 1,7-10 -6,640 кл/мл. Ниже канала (створы 6-7) численность микроорганизмов в результате сокращения нефтяных загрязнений, вызванного большим разбавлением их водой водохранилища, вновь снижалась, но по величине она была гораздо ниже, чем на верхней половине водоема (створ 4). Идентичные закономерности отмечены в динамике БПК5 и минерализации (деструкции) органического вещества.
Разложение нефтяной пленки в процессе очищения воды от нефти и нефтепродуктов в присутствии макрофитов и без них
В отечественной и зарубежной литературе уделялось мало внимания описанию влияния нефти и нефтепродуктов на жизнедеятельность высших водных растений, хотя их практическое использование в очистке сточных вод, особенно от фенола и других ароматических углеводородов, было известно (Seidel К., 1965 а, б, 1966 а, 1967 б, г). По сути, в России и в странах СНГ наши исследования это первые работы по изучению влияния нефти и продуктов ее переработки на основные группы макрофитов, встречаемых повсеместно. В разные годы к исследованиям были привлечены 9 видов воздушно-водных, 10 погруженно-укореняющихся и два вида плавающих водных растений. Предварительные опыты были выполнены с шестью видами высших водных растений: камышом озерным (Scirpus lacustris L.), рогозом узколистным (Typha angustifolia L.), рогозом широколистным (T.latifolia L.), тростником обыкновенным (Phragmites communis Trin.), рдестом туполистным (Potamogeton obtusifolius M. et К.) и элодеей канадской (Elodea canadensis Rich.), и имели целью изучить механизмы очистки вод от загрязнений, в первую очередь, от нефти в присутствии вышеназванных растений и во взаимоотношении последних с нефтеокисляющими микроорганизмами.
Результаты первых экспериментов выявили стимулирующее влияние нефти в концентрации 1 г/л на рост и развитие водных растений, особенно в начале вегетации (в 1-й фазе). Больше всего нефть стимулировала развитие камыша озерного и рогоза широколистного. Они имели более зеленую окраску, хороший тургор, обильное побегообразование и большой линейный прирост в сравнении с контролем. В фазе образования бутонов и в начале цветения (июль, 2-я фаза развития) все растения в сосудах с нефтью имели зеленую окраску. Наибольший рост в высоту наблюдался у камыша. Он был больше, чем в контроле, на 12,6 см. Рогоз узколистный и рогоз широколистный в опыте и в контроле росли одинаково. Средний прирост тростника в контроле за сутки составил 1,7 см, в опыте - 0 см.
Погруженные водные растения вегетировали неодинаково. Например, прирост элодеи канадской в сутки составлял в среднем 5-7 см, а листья рдеста туполистного к концу опыта теряли зеленую окраску и обесцвечивались. Верхушечные листья последнего становились мелкими и слабопигментированными.
В третьей фазе (конец цветения - начало плодоношения) в состоянии подопытных и контрольных растений резких отличий не наблюдалось. Как и во 2-й фазе, отмечено пожелтение крайних и засыхание верхушечных листьев. Прирост в высоту на этой стадии у испытуемых растений составил в среднем у камыша озерного 5 см, у рогоза узколистного - 19, у рогоза широколистного -35, а у тростника обыкновенного 22 см. В контрольных сосудах прирост был соответственно 7, 9 и 8 см. Это в 2,5-4 раза меньше, чем у опытных растений. Элодея канадская вегетировала хорошо. У рдеста старые листья отмирали, а молодые продолжали рост. К концу опыта они становились бурыми, светло-зеленая окраска была характерна только для верхушечных листьев (2-3 шт.). У рогоза наблюдалась потеря тургора и засыхание листьев.
При концентрации нефти 10 г/л испытанные растения развивались идентично с вариантом содержания нефти в сточной воде 1 г/л. Подобие констатировано во всех фазах развития водных растений, включая и фазу отмирания. Действие нефти 100 г/л приводило к гибели воздушно-водных растений на 2-4 день опыта, погруженно-укореняющиеся растения оставались угнетенными, но в то же время не погибали в течение всего эксперимента.
Для получения более достоверных данных о влиянии нефти и нефтепродуктов на рост и развитие макрофитов в последующих экспериментах испытанию подвергли 17 видов растений: а) воздушно-водные - камыш озерный, рогоз узколистный, рогоз широколистный, тростник обыкновенный, ежеголовник ветвистый (Sparganium erectum L.), манник водяной (Clyceria maxima (Hartm.) H.), осоку водяную (Carex aquatilis Wahlb), сусак зонтичный (Butomus umbellatus L.), частуху подорожниковую (Alismo plantago aquatica L.); б) погруженно-укореняющиеся - уруть мутовчатую (Myriophillium verticillatum L.), роголистник темнозеленый (Ceratophillum demersum L.), рдест блестящий (Potamogeton lucens L.), рдест курчавый (P.crispus L.), рдест пронзеннолистный (P.perfoliatus L.), элодею канадскую; в) плавающие с прикрепленными листьями - горец (гречиха) земноводный (Poligonum amphibium L.), кубышку желтую (Nuphar lutea L.).
Наиболее интересные данные по влиянию нефти и нефтепродуктов на рост и развитие макрофитов, как и в предыдущем предварительном опыте, получены с камышом озерным, рогозом узколистным, осокой водяной и сусаком зонтичным. Материалы наблюдений приведены в прил. 3. Как видно из прил. 3, в опытах с товарной нефтью (1 г/л), проводившихся на 1-й фазе вегетации, наблюдалась значительная разница в состоянии опытных и контрольных растений. В контрольных вариантах растения имели светло-зеленую окраску, меньшее количество молодых побегов и большое количество отмерших особей. В вариантах с нефтью у растений наблюдалось обильное побегообразование, значительный рост в высоту, более яркая окраска листьев и т.д. Например, в контроле с камышом озерным без нефти к концу первого опыта (май -начальная фаза вегетации) погибло 10 и не появилось ни одного молодого растения. В то же время с товарной нефтью (эмульгированной) погибло по 4 и появилось по 5 молодых растений. При повторении опыта с теми же растениями (июнь, в начале фазы образования бутонов) в сосудах с нефтью появилось молодых растений 31, а в контроле 26 молодых растений и 6 погибло. По сравнению с камышом рогоз узколистный хуже прорастал в высоту. У него было меньше молодых побегов, а к концу эксперимента наблюдалось засыхание верхушечных листьев.
В серии экспериментов с турбинным маслом, автолом и нигролом в концентрации 1 г/л гибели растений не отмечалось. Наблюдался прирост в высоту рогоза узколистного до 3-5 см, а в сосудах с нигролом он отсутствовал. Положительное влияние нефтепродуктов сказалось на образовании молодых побегов. В фазах вегетации и в начале цветения под влиянием автола (концентрация 1 г/л) в сосуде с рогозом узколистным число молодых растений стало 12, с турбинным маслом - 6 и с нигролом - 3. Наиболее благоприятное влияние нефти и нефтепродуктов на развитие камыша озерного и рогоза узколистного наблюдалось в конце фазы цветения. Продолжался видимый ускоренный их рост и побегообразование. Кроме того, растения имели более сочную яркую окраску и насыщенный упругий тургор по сравнению с контрольным вариантом.
В 3-й фазе (плодоношение) при сохранении тех же условий констатировано пожелтение листьев, прогрессировавшее к концу эксперимента, а у некоторых растений листья засохли. В опытах с нефтепродуктами в данной фазе наблюдалось быстрое пожелтение листьев у рогоза узколистного. Так, в сосудах с нигролом на 12 сутки пожелтело 60%, с автолом - 50, а с турбинным маслом - 20% растений.
Влияние отдельных веществ или комплекса соединений из метаболитов макрофитов на ускорение биодеградации нефти
Интенсивное возрастание численности микроорганизмов в начальный период очищения воды от нефти, вероятно, вызвано доступностью для бактерий легких фракций нефти, так как она на 45% состояла из легких углеводородов. Этому могло способствовать также наличие в воде легкоокисляемой растворенной органики (ЛРОВ), постоянно сопутствующей поверхностным речным водам и образуемый в процессе биодеградации нефти и нефтепродуктов от 25 до 70 мг/л ХПК. В зависимости от района, где протекает водоток, ручей или река, содержание ЛРОВ, выраженное через ХПК, колеблется в широких пределах, а в некоторых загрязненных участках превышает 200 мг и более.
В целом следует, что начальное загрязнение воды рек нефтью и нефтепродуктами определяет биологическую активность в самоочищении водоемов от нефтяных загрязнений. Причина - наличие в этих водах адаптированных к высокотоксичным соединениям нефтеразрушающих и других планктонных организмов. Это мы видим в наших опытах, проведенных с водой pp. Степной Зай и Ик, длительно загрязняемых нефтесодержащими стоками. По сравнению с водопроводной водой скорость окисления нефти в вариантах с водой рек было выше более чем в 2-3 раза. Интенсификация бактериального очищения воды, от нефти и продуктов ее переработки как следует из результатов экспериментов, зависела от физического состояния нефти.
Действительно, как было изложено выше, эмульгированная нефть биодеградации подвергается быстрее и значительнее, а неэмульгированная отстает в скорости распада более чем на 2-4 суток. Соответственно в присутствии последней поверхность воды от пленки нефти освобождается медленнее, что отражается и на сроках полного очищения воды от нефтяного загрязнения.
Что касается влияния водных растений, то явно становится заметным непосредственное их участие в процессах биодеградации как нефти, так и нефтепродуктов. Видимо, главным здесь является создание специфических условий за счет выделения ими ассимилятов в окружающую среду, благоприятствующую развитию определенных групп бактерий, в том числе нефтеокисляющих. Положительны другие побочные факторы, такие как активная биологическая поверхность растений, снабжение воды растворенным кислородом, поглощение многих сопутствующих в процессе окисления нефти промежуточных продуктов и т.д. Следствием этого является более ускоренное очищение воды от нефти и нефтепродуктов микроорганизмами. Для проверки указанного вывода дополнительно проводили опыты с сухими прутьями ивняка, кустарников и с высохшими стеблями рогоза широколистного (имеет большую физическую поверхность). В этих экспериментах взятые предметы символизировали субстрат, служащий фазой, повышающей активную поверхность и способствующей увеличению площади соприкосновения нефтяного загрязнения с окисляющей микрофлорой.
Проведенные анализы показали, что в опытах с прутьями и сухими стеблями не происходит стимуляции жизнедеятельности микроорганизмов, участвующих в очищении воды от нефти. Поверхность почти остается мертвой и пассивной. Об этом говорит отсутствие возрастания численности бактерий, участвующих в биологическом разрушении нефти. Наблюдается падение числа бактерий с первого дня опыта. Содержание растворенного кислорода сохраняется почти на одном уровне или остается выше на 1,5-2,0 мг/л и более, чем в вариантах с нормально вегетирующей водной растительностью. Это, очевидно, связано с замедлением окислительных процессов. Визуальные наблюдения за окислением пленочной нефти (1 г/л) показали, что в сосудах с засохшими прутьями ивняка пленка оставалась неизменной к 14-17-му дню. В вариантах же с сухими стеблями рогоза в сравнении с живыми растениями неокисленной нефти было больше на 35-50%. Результаты этих экспериментов подтвердили состоятельность выводов о стимулировании активно вегетирующими водными растениями нефтеокисляющих бактерий и ускорении бактериального самоочищения воды.
В целом, как следует из опытов, количество микроорганизмов по мере окисления нефти и ее продуктов изменялось согласно основному закону развития бактерий. В благоприятных для развития микроорганизмов условиях численность их росла и падала по мере сокращения концентрации органических загрязнений. Конфигурация кривой роста, как указывают Е.В.Дианова и А.А.Ворошилова (1952), меняется в зависимости от темпов развития бактерий. Она становится круче при благоприятных условиях (это наблюдалось в экспериментах с воздушно-водными растениями) и более пологой и растянутой в периоды ухудшения для бактерий условий окружающей среды или сокращения количества доступного субстрата, используемого микроорганизмами в качестве единственного источника углерода и энергии.
Аналогичные закономерности были отмечены и в опытах с погруженными растениями (последние, как мы указали выше, не перенесли пересадки).
Установлено, что во всех подобных опытах наиболее полному микробиальному очищению от нефти подвергается сточная вода с растениями. Например, от исходной нефти в концентрации 1 г/л к концу эксперимента в опытных вариантах осталось неразложившейся: с камышом озерным 5,2%, с рогозом узколистным - 9,7%, а в контроле - 30,6% (табл. 17).
Изучение динамики нефтяного загрязнения в процессе очищения воды выявило, что количество растворенной нефти в воде всегда незначительно (табл. 18). Самая высокая концентрация ее -1,8-6,9 мг/л наблюдалась в первые дни опыта. Затем содержание нефти колебалось в широких пределах. Это, очевидно, связано с ее распадом и постепенным переходом в промежуточные продукты окисления, в основном углеводородного происхождения.
С завершением окисления пленочной нефти в опытных вариантах снижалось количество взвешенных и растворенных нефтепродуктов. Например, в сосудах с камышом озерным, независимо от исходного состояния нефти (эмульгированная и неэмульгированная) содержание ее падало до 0,1 мг/л и ниже, в то время как в контроле содержание растворенной нефти оставалось практически без изменения. В опытах с минеральными средами В.О. Таусона (Кузнецов СИ. и Романенко В.И. (1963)), А.А. Ворошиловой и Е.В. Диановой (1952) и с нефтью (1 г/л) динамика численности бактерий была аналогична таковой в сосудах с растениями. Однако количественные соотношения были иными. Уже на второй день количество бактерий возросло с 450-10 до 6300-10 кл/мл. Максимальное число их (62700-10 кл/мл) отмечалось на девятый день. Затем по мере разложения нефти количество микроорганизмов снизилось.
Похожие диссертации на Эколого-биотехнологические пути формирования и управления качеством поверхностных вод : Региональные аспекты
