ЭФФЕКТИВНОСТЬ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ДЛЯ ВОДОПОЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ЖИВОТНЫХ, ВО ВЗАИМОСВЯЗИ С БИОИНДИКАЦИОННЫМИ РЕАКЦИЯМИ БИОТЫ ВОДОЁМОВ Текст научной статьи по специальности «Экологические биотехнологии»

Выводы

Установлена существенная динамика грунтовых режимов, агрофизических и агрохимических свойств и параметров основных типов осушаемых минеральных почв Ивано-Франковской области в зависимости от интенсивности их хозяйственного использования и культуры мелиоративного земледелия, подтверждающая изменение типа почвообразования в сторону гидроморфизма, что сопровождается снижением их плодородия.

Предложен новый интегральный метод контроля эколого-мелиоративного состояния и течения почвенных процессов на осушаемых землях, основанный на закономерностях динамики минерализации и соотношения макрокомпонентов химического состава грунтовых и дренажных вод.

Предложенный метод относится к методам функционального диагностирования геосистем и может быть применен на различных уровнях их организации - от отдельной мелиоративной карты МС до бассейна реки-водоприемника при интегральной характеристике нескольких мелиоративных систем, а также других видов антропогенного воздействия.

Библиографический список

1 . Ромащенко М., Коломиец С., Мозоль Н., Овчинникова Н. Оценка влияния осушительных мелиораций в бассейнах рек на качество их водных ресурсов. // Водное хозяйство Украины - К., 2012 - № 5 . - С. 20-24.

УДК 574.58628

С.А. Нефедова, д-р биол. наук, доцент, А.А.Коровушкин, д-р биол. наук, профессор, Л.Б. Зутова, аспирант, И.А. Ипатов, аспирант

Рязанский государственный агротехнологический университет им. П. А. Костычева

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ДЛЯ ВОДОПОЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ЖИВОТНЫХ, ВО ВЗАИМОСВЯЗИ С БИОИНДИКАЦИОННЫМИ РЕАКЦИЯМИ БИОТЫ ВОДОЁМОВ

Введение

Масштабы антропогенной деятельности достигли такого уровня, когда существующая система экологического мониторинга должна дополняться экотоксикологическими исследованиями с использованием биоиндикаторов и биотестов, что позволит выделить основные факторы устойчивости экосистем в критических состояниях [5]. В нашей стране около 30 % всех почв являются экологически неблагополучными. В результате роста воздействия хозяйственной деятельности человека на окружающую среду происходят существенные изменения в химическом составе почвенного покрова и воды на обширных территориях. В Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего

профессионального образования «Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А. Костычева» (ФГБОУ ВПО РГАТУ) сотрудниками совершенствуются все этапы уборки и транспортировки по прямоточной технологии, что подтверждается новыми техническими решениями [1]. При этом особое внимание уделяется и экологическому состоянию почв и воды после работы сельскохозяйственной техники, проводится экологическая оценка возможности использования осадка сточных вод очистных сооружений в качестве удобрений [2]. Для прогнозирования адаптивности к условиям возрастающей антропогенной нагрузки в первую очередь необходимо проводить комплексное изучение состояния среды обитания во взаимосвязи с селекционными и

© Нефедова С. А., Коровушкин А. А., Зутова Л. Б., Ипатов И. А., 2014

физиологическими аспектами. Актуальным являются исследования влияния абиотических факторов в природных и производственных условиях с целью установления пределов толерантности и оценки устойчивости организмов к внешним воздействиям. Одной из наиболее важных экологических проблем современности является проблема утилизации отходов производства и потребления [5]. Основной причиной угнетения процессов прорастания семян является образование на их поверхности и корнях проростков гидрофобной пленки. Зарегистрированный в экспериментах эффект стимуляции ростовых процессов при добавлении нефтепродуктов в малых количествах (до 6 г/кг) в почву и воду можно объяснить тем, что нефтепродукты могут выступать в качестве ложного источника минеральных элементов [6].

Проблема очистки промышленных стоков и подготовки воды для технических и хозяйственно-питьевых целей с каждым годом приобретает все большее значение. Под загрязнением водных ресурсов понимают любые изменения физических, химических и биологических свойств воды в водоемах в связи со сбрасыванием в них жидких, твердых и газообразных веществ, которые причиняют или могут создать неудобства, делая воду данных водоемов опасной для использования, нанося ущерб здоровью, в том числе, сельскохозяйственных животных. В современных условиях интенсивного ведения животноводства идет активный поиск новых путей повышения продуктивности сельскохозяйственных животных при сохранении их здоровья и обеспечении экологической безопасности получаемой продукции.

Главными экотоксикантами поверхностных вод являются нефтепродукты, фенолы, легкоокисляе-мые органические вещества, соединения меди и цинка, аммонийный и нитратный азот. Из-за высокой загрязненности снижается возможность использования водных ресурсов на нужды населения, и уже сейчас многие страны мира испытывают острую нехватку пресной воды. В настоящее время метод очистки сточных вод с применением активного ила в качестве биоиндикационной системы является наиболее универсальным, однако недостаточно используемым в практике при обработке как канализационных бытовых стоков, так и стоков различных производств. А между тем, вода из аэротенков поступает в реки и используется на водопоях сельскохозяйственных животных. Такая ситуация складывается во многих регионах и требует увеличения эффективности профилактических мероприятий.

В последнее время при разработке инновационных мероприятий в области экологии широкое распространение получили биоиндикационные исследования. Существует огромное количество биоиндикационных методик, которые позволяют с минимальными затратами времени и средств осуществить оценку качества вод. В основном

это методики, основанные на учёте организмов-индикаторов в среде - водорослей, дафний. Данные методики в большинстве своём имеют существенный недостаток - они отражают хроническое, но не разовое действие поллютантов на водоём. Для полноценной оценки загрязнённости водоёма требуется длительный мониторинг. Водоросли и дафнии хорошо проявляют себя в качестве биоиндикаторов для очистных сооружений, но не для поверхностных вод водоёма. Уровень загрязнения водоёма может кардинально меняться за небольшие промежутки времени, что может не фиксироваться обычным биоиндикационным мониторингом. В настоящее время недостаточно внимания уделено биоиндикационным методикам с использованием моллюсков, которые позволяют с минимальными затратами времени и средств осуществить оценку качества вод, поступающих с очистных сооружений в водоёмы. Моллюски, в отличие от дафний, имеют длительный отногенез, что позволяет проследить динамику загрязнения поверхностных вод в течение времени. Таким образом, цель работы заключается в необходимости оценить эффективность биоиндикационных исследований и выявить наиболее показательные объекты для биотестирования в цепочке вода в аэротенках очистных сооружений - поверхностные воды водоёмов, используемых для водопоя сельскохозяйственных животных.

Объекты и методы

Работа проводилась на кафедре зоотехнии и биологии факультета ветеринарной медицины и биотехнологии РГАТУ в 2011-2013 годах. Объекты биотестирования - цериодафнии (Ceriodaphniaaffinis, Cladocera, Crustacea), различные водоросли (сине-зеленые Cyanophyta, крипто-фитовые Cryptophyta, динофитовые Dinophyta, золотистые Chrysophyta, диатомовые Bacillariophyta, эвгленовые Euglenophyta, зеленые Chlorophyta), моллюски рода Unio. Биотестирование проводили согласно методикам: «Методика определения токсичности воды по смертности и изменению плодовитости цериодафний [3] и «Методика определения токсичности проб поверхностных пресных, грунтовых, питьевых, сточных вод, водных вытяжек из почвы, осадков сточных вод и отходов по изменению оптической плотности культуры водоросли хлорелла (ChlorellavulgarisBeijer)» [4].

Определение количественного состава биоты активного ила проводили согласно ГОСТ 12.1.00776. В каждом створе было отобрано по 15 проб. Количество повторностей тестирования - 5. Продолжительность наблюдения 12 суток. Определение БПК - согласно ПНД Ф 14.1:2:3:4.123-97 (2004). Количество аммонийных ионов, нитрит-ионов, нитрат-ионов - фотометрическим методом согласно ПНД Ф 14.1:2.1-95 (2004), концентрацию фосфатов - по методике № 2.1.40.2. Определение металлов (цинка, меди) проводили в соответ-

ствии с ПНД Ф 14.1:2:4.69-96 (2005) инверсионно-вольтамперометрическим методом. Согласно ПНД Ф 14.1:2.62-96 (2004) колоночной хроматоргафией с весовым окончанием определяли количество нефтепродуктов.

Среднемесячный расход воды Q реки Листвянка в зоне водопоев - 10 м3/сек. Средняя скорость воды V - 0,5 м/сек. Средняя глубина Н - 1,5 м. Коэффициент извилистости водоёма - 3. Расстояние до расчетного створа - 1500 м. Содержание взвешенных веществ в водоёме до спуска сточных вод - 15 мг/л. Допустимое увеличение содержания взвешенных веществ Р - 0,75 мг/л. БПК речной воды до места выпуска сточных вод - 5,5 мг/л. БПК речной и сточной воды в расчетных створах -6 мг/л. Содержание растворенного кислорода до места спуска сточных вод -7,7 мг/л. Минимально допустимое количество кислорода в воде водоема

- 4 мг/л. Вид нормативов качества воды в водоеме

- водоем культурно-бытового водопользования.

Исследование содержания ТБК-активных продуктов в органах моллюсков проводили согласно методике Uchiyama. Принцип методики основывается на образовании окрашенного комплекса, эстрагируемого бутанолом, при взаимодействии продуктов перекисного окисления липидов и тио-барбитуровой кислоты (ТБК). В каждом эксперименте по определению содержания ТБК-активных продуктов в организме моллюсков использовалась группа из 15 особей. Биометрическая обработка проводилась по общепринятым методикам с использованием стандартных программных пакетов Excel [7].

Результаты

Для выявления биоиндикационно-активных объектов - органов-мишеней моллюсков, биоты активного ила и водорослей, мы провели мониторинг загрязнения воды в аэротенках очистных сооружений, а также на водопоях животных, располагающихся на берегу р. Листвянка, вблизи Южной промышленной зоны г. Рязани. Известно, что Рязанский нефтеперерабатывающий завод (РНПЗ) обладает современными эффективными очистными сооружениями и производит слив чистой воды в р. Листвянка. В 2012 году 8 июня в связи с климатической аномалией, когда за три часа выпало 54% месячной нормы осадков, на РНПЗ возникла аварийная ситуация с переливом сточной воды из обводного канала, повлекшая за собой попадание неочищенных вод в реку. Кроме того, в окрестностях посёлка Строитель находится полигон высокотоксичных отходов, законность существования которого уже несколько лет вызывает вопросы у горожан и городской администрации. Естественно, что и часть предприятий Южного промышленного узла оказывают антропогенное давление. Таким образом, актуальность проведения исследований воды в реке Листвянка и на очистных сооружениях РНПЗ по выявлению биоиндикационных реакций

биоты водоёмов на экологические условия не вызывает сомнений.

Содержание токсикантов при различной эффективности очистки в аэротенках РНПЗ, а также в поверхностных вода водопоев на р. Листвянка, отражено в таблице 1. При высокой эффективности работы аэротенков концентрация нефтепродуктов в них снижается на 53,8 %, концентрация ионов аммония на 62,0 %, концентрация сульфидов на 29,1 %, концентрация цинка снизилась на 27,0 %, концентрация нитрита азота на 68,0 %, концентрация нитрата азота на 75,0 %, концентрация фосфатов на 83,9 %.

Высокая эффективность работы аэротенков следующим образом отражается на качестве воды в р. Листвянка: понижает концентрацию нефтепродуктов на 27,9 % по сравнению с концентрацией при низкой эффективности очистки воды, концентрация азот нитрата снижается на 11,8 %, сульфидов - на 42,9 %, ионов меди - на 7,3 %, ионов аммония - на 9,0 %, азот нитритов - на 6,9 %, фосфатов - на 2,7 %. При этом содержание ионов цинка увеличивается на 2,3 %, что указывает на его поступление с иных источников, чем РНПЗ.

На сооружениях биологической очистки, а также в поверхностных водах водоёма, используемого для водопоя животных, обнаруживаются микроводоросли, относящиеся к 4-м отделам: диатомовые, зеленые, синезеленые, эвгленовые. Биоценоз активного ила аэротенков почти полностью гетеротрофен. Однако условия обитания во вторичных отстойниках (отсутствие перемешивания и присутствие света) дают возможность развиваться автотрофным водорослям, где они принимают активное участие в очистке сточных вод, поскольку достигают массового развития в обрастаниях стенок отстойников. Вследствие того, что часть активного ила непрерывно перекачивается из вторичных отстойников в аэротенки, водоросли с потоком циркулирующего ила привносятся в аэротенки, где не находят удовлетворительных условий для своего существования и, следовательно, не принимают активного участия в очистке сточных вод непосредственно в этом звене очистки. С экологической точки зрения, водоросли на очистных сооружениях следует рассматривать как облигатные виды для вторичных отстойников и факультативные для аэротенков, что делает их эффективными организмами при биоиндикации и биотестировании.

Возможность использования водорослей при биоиндикационном анализе эффективности работы очистных сооружений и самоочищения поверхностных вод оценили по количественному составу водорослей активного ила в аэротенкахи на водопоях (таблица 2).

Исходя из наших исследований, биоиндикационная активность водорослей различна. Так, хорошо себя проявляют в качестве объектов биотестирования в аэротенках сине-зеленые водо-

росли, при высокой степени очистки их количество уменьшается на 8,0 %, динофитовые - на 8,0 %. Содержание золотистых в чистой воде, наоборот, увеличивается на 7,0 %. Необходимо отметить, что в поверхностных водах реки эффективными биоиндикаторами являются диатомовые водоросли, содержание которых в зависимости от чистоты

воды возрастает на 5,0 %, и сине-зелёные, количество которых снижается на 11,0 %.

Так же мы оценили эффективность очистки воды, применяя цериодафнии в качестве биоиндикационного объекта (таблица 3). Результаты исследований вод из аэротенка показали более сильное действие проб низкой и средней эффек-

Таблица 1 - Состав токсикантов в аэротенках и на водопоях при различной эффективности очистки воды

Показатели Ед. изм. ПДК культ-быт Эффективность очистки воды

в аэротенках очистных сооружений в водоёме на водопое

высокая средняя низкая высокая средняя низкая

количественный состав токсикантов,

Нефтепродукты мг/дм3 0,3 78,6 119,4 170,0 0,31 0,39 0,43

Ион аммония мг/дм3 1,93 25,0 35,7 65,8 2,1 2,26 2,31

Сульфиды мг/дм3 0,05 17,5 19,6 24,7 0,04 0,05 0,07

Цинк мг/дм3 1 0,21 0,19 0,29 0,44 0,42 0,43

Азот нитрита мг/дм3 3,3 0,15 0,2 0,2 2,7 2,7 2,9

Азот нитрата мг/дм3 45 22,9 24,2 33,7 33,6 35,8 38,1

Фосфаты мг/дм3 3,5 2,6 2,9 3,1 3,6 3,7 3,7

Медь мг/дм3 1 1,01 1,05 1,09

Фенол мг/дм33 0,001 0,002 0,002 0,002

бпк5 5 мгО2/л 4 3,1 3,4 3,9

Водоросли Эффективность очистки воды

в аэротенках очистных сооружений в водоёме на водопое

высокая средняя низкая высокая средняя низкая

количественный состав различных водорослей, %

Сине-зеленые Cyanophyta 6 9 14 5 9 16

Криптофитовые Cryptophyta 2 3 2 2 3 3

Динофитовые Dinophyta 22 26 30 20 22 23

Золотистые Chrysophyta 23 25 16 15 13 10

Диатомовые Bacillariophyta 7 7 7 16 13 11

Эвгленовые Euglenophyta 15 15 11 13 12 11

Зеленые Chlorophyta 20 16 20 29 28 26

Таблица 2 - Соотношение водорослей активного ила в аэротенках и на водопоях в зависимости от

эффективности очистки воды, %

тивности очистки: выживаемость дафний снизилась на 41 % и 54 %, плодовитость - на 33 % и 47 % соотвественно. Воды после сильной очистки не показали столь негативного воздействия на тест-объекты: выживаемость снизилась на 6 % при норме 15 %, плодовитость - на 18 % при норме 20 %.

Отклонения от норм показали пробы воды водоёма после попадания стока средней (снижение плодовитости на 21 %, снижение выживаемости на 19 %) и низкой эффективности очистки (снижение выживаемости на 24 %, плодовитости на 26 %).

Использование цериодафний, как тест-объектов, позволяет эффективно определять отклонения от норм ПДК, однако достоверно отразить степень загрязнения данные организмы не могут. Исходя из короткого онтогенеза дафний, биоиндикационная методика отлично подходит для определения постоянного действия поллю-тантов. Однако достоверно оценить непостоянное загрязнение воды, причем различными поллютан-тами, с помощью дафний проблематично, ведь живут эти ракообразные не больше 20 дней.

При исследовании загрязнения поверхностных вод водоема оказалось, что наиболее показательно использование в качестве биоиндика-

ционного объекта моллюсков, а не водорослей или дафний. При высокой эффективности очистки воды было выявлено незначительное накопление ТБК-продуктов в органах моллюска ипюрю^тт(таблица 4).

Следует отметить, что за контрольные показатели токсикации органов и тканей моллюсков приняты их значения при высокой эффективности очистки воды. Разница в содержании ТБК-активных продуктов в организме моллюсков между водой, прошедшей эффективную очистку и сильно загрязненной водой, составляет 110,9% в жабрах, 126,5% в гепатопанкреасе, 109,9% в гонадах, и 54,2% в мышечной ткани ноги. Необходимо отметить, что при средней степени очистки разница в содержании ТБК-активных продуктов составляет 23,9% в жабрах, 21,5% в гепатопанкреасе, 38,7% в гонадах и 7% в мышечной ткани. Согласно нашим исследованиям, минимальной токсикации подвергается мышечная ткань и гонады двустворчатых моллюсков, тогда как жабры и гепатопанкреас накапливают ТБК-активные продукты в больших количествах. Таким образом, органами-мишенями для биоиндикационных исследований у моллюсков являются жабры и гепатопанкреас, именно они чётко отражают действие поллютантов, содержащихся в исследуемой воде. Исходя из онто-

Таблица 3 - Оценка действия исследуемых проб воды на дафний в аэротенках и на водопоях в зависимости от эффективности очистки воды, %

Биоиндикационные показатели дафний Эффективность очистки воды

в аэротенках очистных сооружений в водоёмах на водопое

высокая средняя низкая Высокая средняя низкая

количественный состав различных водорослей, %

выживаемость (%) от контроля 94 59 46 97 81 76

плодовитость (%) от контроля 82 67 53 102 79 74

Объекты исследований у моллюсков Эффективность очистки воды

высокая средняя низкая

ТБК-активные продукты, мкмоль/г

Жабры 24,3 30,1 51,2

Гепатопанкреас 12,1 14,7 27,4

Гонады 14,2 19,7 29,8

Нога 16,6 19,5 25,6

Таблица 4 - Содержание ТБК-активных продуктов в органах моллюсков после токсического воздействия (мкмоль/г)

генеза молюсков (5-7 лет) данная методика может применяться при необходимости исследований длительного хронического действия поллютантов на поверхностные воды.

Выводы

Биоиндикационная активность водорослей высока лишь при исследовании эффективности очистки сточных вод в аэротенках, где индикаторную способность проявили сине-зеленые и динофитовые водоросли - при высокой степени очистки их количество уменьшается на 8 %, и золотистые, количество которых увеличивается на 7 %.

При аналогичных исследованиях воды из водоёма на водопое сельскохозяйственных животных наибольшей индикаторной способностью обладают диатомовые водоросли, содержание которых увеличивается на 5 % при высокоэффективной очистке воды, и сине-зелёные водоросли, количество которых при этом снижается на 11%.

По нашим исследованиям, целесообразно использование цериодафний, как тест-объектов при анализе вод как из аэротенков, так и с водопойных водоёмов. При максимальной эффективности очистки воды выживаемость цериодафний увеличивается с 46 % до 94 % в пробах из аэротенков, и с 76% до 97 % в пробах из водоёма. Показатели плодовитости поднялись с 53 % до 82 % в пробах из аэротенков, и с 74% до 102% в пробах из водопойного водоёма. Данные показывают высокую степень достоверности реакции биотестирования с применением дафний.

Однако для определения долговременного влияния источников загрязнения более перспективной является методика, основанная на выявлении содержания ТБК-активных продуктов в тканях и органах моллюсков рода ипю. Исследования проб воды показали достоверную реакцию, выраженную в увеличении содержания ТБК-активных продуктов на 110,9 % в жабрах и 126,5 % в гепато-панкреасе, на 109,9 % в гонадах и на 54,2 % в мышечной ткани ноги моллюсков, содержавшихся в воде при высокой степени очистки, по сравнению со слабоочищеной водой.

Механизм влияния условий среды на организм моллюсков таков, что по комплексу их интерьер-ных и экстерьерных показателей можно не только точно определить тип воздействия - хроническое или разовое, время воздействия - даже если экологический ущерб водоёму нанесён некоторое время назад, но и строить прогноз о сукцессион-ных изменениях этого водоёма, о развитии в нём популяции моллюсков в эволюционно-длительном времени. Изучив механизм накопления и аккумулирования в организме моллюска поллютантов, выявив закономерности их воздействия на репродуктивные, цитоморфологические, цитогенетиче-

ские, биохимические показатели исследуемого объекта, определив корреляционные связи между различными показателями, можно заменить сложный, многоступенчатый биоиндикационный мониторинг водных объектов достаточно доступной и не требующей больших финансовых и временных затрат методикой, которая даст при разовом исследовании достоверный результат.

Необходимо использовать полученные нами данные в биоиндикационных исследованиях воды из аэротенков очистных сооружений, а так же в створах водопойных водоёмов, в которые производится сброс воды.

Библиографический список

1. Бышов,Н.В. Совершенствование сепарации клубнесодержащего вороха на различных этапах технологии уборки / Н.В. Бышов, Ю.В. Якунин, Н.Н. Якутин /// Вестник Рязанского государственного агротехнологического университета имени П. А. Костычева, № 1 (17).- Рязань, 2013.- С.49 - 51.

2. Иванов, Е. С. Экологическая оценка возможности использования осадка сточных вод очистных сооружений г.Рязани в качестве удобрений /Е. С. Иванов, А. С. Чердакова // Вестник Рязанского государственного агротехнологического университета имени П. А. Костычева, 2012.- № 4 (16). - С. 31 - 35.

3. Методика определения токсичности воды по смертности и изменению плодовитости церио-дафний.ФР.1.39.2007.03221 -Москва: Акварос. -2007.

4. Методика определениятоксичности проб поверхностных пресных, грунтовых, питье-вых, сточных вод, водных вытяжек из почвы , осадков сточных вод и отходов по изменению оптической плотности культуры водоросли хлорелла (СЫоге^Шда^Веуег) Т 14.1:2:3:4..10-04 Т 16.1:2.3:3.7 ФР.1.39.2012.12370 / Ю.С. Григорьев

- Москва. - 2012.

5. Нефедова, С.А. Эколого-физиологические механизмы адаптации животных к антропогенным воздействиям (на примере Рязанской области): автореф.дис....д-ра биол. наук: 03.02.08 - экология, 03.03.01 - физиология / С. А. Нефедова. - Пе-трозаводск,2011.- 52 с.

6. Нефедова, С. А. Фиторемедиационная реакция растений при загрязнении почвы нефтепродуктами и отходами кожевенного производства / С.А. Нефедова, А.А. Коровушкин, Ю.В. Доронкин, И.Ю. Корнеева, Н.С. Ионочкина // Вестник Рязанского государственного агротехнологического университета имени П. А. Костычева. - 2 (18), 2013.

- С.39-41.

7. Плохинский, Н.А. Математические методы в биологии / Н.А. Плохинский// М.: Изд-во Моск.ун-та. - 1978. - 266 с.