CC BY
49
УДК 579.222.2
DOI: 10.24412/1728-323X-2020-5-21-24
ЭКОЛОГО-ТОКСИКОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ФИЛЬТРАТА ПОЛИГОНОВ ТВЕРДЫХ КОММУНАЛЬНЫХ ОТХОДОВ РАЗНЫХ ВОЗРАСТОВ
И. Н. Лыков, д. б. н, профессор, научный руководитель Института естествознания Калужского государственного университета им. К. Э. Циолковского, linprof47@yandex.ru, О. П. Павлова, бактериолог испытательной лаборатории по качеству пищевых продуктов, продовольственного сырья и экологии, ilkppe@kaluga.ru,
Г. А. Тихонова, химик испытательной лаборатории по качеству пищевых продуктов, продовольственного сырья и экологии, ilkppe@kaluga.ru, Калуга, Россия
В этой статье рассматривается применение биотестов для оценки токсичности фильтрата полигонов различных возрастов, сбрасываемого в водную среду. Фильтраты полигонов представляют собой сложную смесь различных веществ, в том числе токсичных. Поэтому трудно оценить риск, связанный с загрязнением окружающей среды, при использовании стандартных методов химической идентификации, таких как газовая хроматография и масс-спектроскопия. В качестве объектов исследования нами выбраны полигоны твердых коммунальных отходов различных возрастов (5, 15 и 30 лет), расположенные в муниципальных образованиях Калужской области. Установлено, что рН, тяжелые металлы и органические вещества фильтрата являются причиной неблагоприятных реакций тестовых организмов. В статье показано, что определение степени токсичности с использованием инфузорий Paramecium caudatum является одним из оптимальных способов прогнозирования риска, связанного с негативным влиянием фильтрата полигона на окружающую среду. Для оценки токсичности свалочных фильтратов использовали автоматизированную биотехническую систему «Биолат-2». Показано, что состав фильтрата, его токсичность и экологический риск меняются в зависимости от срока службы полигона твердых коммунальных отходов. Для проб фильтратов, взятых из полигонов различных возрастов, был рассчитан взвешенный аддитивный индекс загрязнения фильтрата (LPI), который снижается по мере старения полигона. Установлено, что процент выживших инфузорий обратно пропорционален величине LPI.
This article discusses the use of bioassays to assess the toxicity of landfill leachate of various ages discharged into the aquatic environment. The landfill filtrates are a complex mixture of various substances, including toxic ones. Therefore, it is difficult to assess the risk associated with environmental pollution using standard chemical identification methods such as gas chromatography and mass spectroscopy. The objects of study were landfills of solid municipal waste of various ages (5, 15 and 30 years) located in the municipalities of the Kaluga Region. It was found that pH, heavy metals and organic substances are the cause of adverse reactions of test organisms. The article shows that determining the degree of toxicity using ciliates Paramecium caudatum is one of the optimal ways to predict the risk associated with the negative impact of the landfill leachate on the environment. To assess the toxicity of landfill leachate, an automated biotechnical system "Biolat-2" was used. It is shown that the composition of the leachate, its toxicity and environmental risk vary depending on the service life of the solid municipal waste landfill. For leachate samples taken from landfills of different ages, a weighted additive contamination index of the leachate (LPI) was calculated, which decreases with the aging of the landfill. It was found that the percentage of surviving ciliates is inversely proportional to the LPI value.
Ключевые слова: полигон твердых коммунальных отходов, фильтрат, оценка токсичности, инфузории.
Keywords: solid municipal waste landfill, filtrate, toxicity assessment, ciliates.
Введение. Захоронение твердых коммунальных отходов (ТКО) — наиболее распространенная в мире стратегия управления отходами. Одной из основных проблем загрязнения окружающей, вызываемых полигоном ТКО, является фильтрат, возникающий в результате различных химических, физических и биологических процессов, происходящих на полигоне [1, 2]. После закрытия полигон ТКО еще в течение 30—50 лет будет источником загрязненного фильтрата.
Полигонный фильтрат содержит большое количество опасных веществ органического и неорганического характера, тяжелые металлы и ксе-нобиотические соединения, которые представляют большую угрозу для окружающей среды. Состав фильтрата может меняться в зависимости от сезонов года, а также в течение срока службы полигона. В зависимости от продолжительности эксплуатации полигоны можно разделить на три группы: молодые (до 5 лет), промежуточные (от 5 до 15 лет) и старые (более 15 лет эксплуатации).
Генерация фильтрата на полигонах варьирует в зависимости от стадии биоразложения ТКО. Первая стадия, обычно короткая, характеризуется аэробным разложением органических веществ. Когда кислород истощается, разложение продолжается анаэробно. Процесс анаэробного разложения состоит из двух основных фаз ферментации: ацидогенной фазы, генерирующей «молодой», биоразлагаемый фильтрат, и метаногенной фазы, генерирующей «старый», стабилизированный фильтрат [3]. Во время ферментации органические молекулы распадаются на более простые вещества. Некоторые физико-химические характеристики типичны для каждой фазы, тогда как другие параметры не зависят конкретно от фазы. «Молодой» фильтрат из ранней ацидогенной фазы содержит большое количество л егко биоразла-гаемых органических веществ. Сложные органические соединения ферментируются анаэробно,
давая в основном растворимые органические кислоты, такие как свободные летучие жирные кислоты, аминокислоты, другие низкомолекулярные соединения и газы, такие как водород, углекислый газ и метан [4].
Выбор стратегии управления фильтратами требует определения их количества и состава, а также проведения исследований токсичности [5]. Для успешной оценки потенциального воздействия полигонного фильтрата на экосистему необходимо выявить загрязнители, ответственные за его токсичность. Однако идентификация этих загрязнителей очень часто затруднена из-за разнообразия присутствующих органических и неорганических веществ, сложности их идентификации. Кроме того, одного химического анализа недостаточно для получения адекватных данных для оценки рисков в отношении живых организмов. Одним из комплексных методов оценки токсичности полигонного фильтрата является биотестирование. Поскольку действие токсикантов начинается на клеточном уровне, в качестве тест-объектов целесообразно использовать одноклеточные организмы. Использование простейших позволяет не только сократить время на исследование, но и сократить расходы на его проведение.
Целью настоящего исследования было определение токсичности полигонных фильтратов методом биотестирования.
Методы исследования. В качестве объектов исследования выбраны полигоны ТКО различных возрастов (5, 15 и 30 лет), расположенные в муниципальных образованиях Калужской области. В качестве тест-объекта использовали инфузории Paramecium caudatum, которые культивировали в сдвоенной колбе на минерально-дрожжевой среде по прописи Лозина-Лозинского.
В отобранных пробах полигонных фильтратов, используя метод атомно-абсорбционной спектрометрии по аттестованным методикам с использованием стандартных образцов [ПНД Ф16.3.24— 2000], определяли содержание тяжелых металлов.
Рассчитан взвешенный показатель загрязнения фильтрата (LPI), с учетом концентрации имеющихся загрязнителей. LPI рассчитывали с использованием следующего уравнения:
LPI = I WP,
i = 1
где LPI — взвешенный аддитивный индекс загрязнения фильтрата; W — значение i-й переменной загрязнителя; р — оценка субиндекса i-й переменной загрязнителя; n — количество переменных загрязнителя фильтрата, используемых при расчете LPI.
Для оценки токсичности полигонных фильтратов использовали автоматизированную биотехническую систему «Биолат-2», состоящую из компьютера с системой видеоввода и программой AutoCiliata, электромеханического узла перемещения планшетки, планшетки на 20 лунок, видеокамеры. Система позволяет в автоматическом режиме производить многократный подсчет подвижных тест-организмов и по окончании исследования оценку безопасности исследуемых объектов. Выживаемость инфузорий (R) оценивали следующим образом: от 80 до 100 % — образец нетоксичен; от 50 до 79 % — умеренная токсичность; менее 50 % — образец токсичен.
Статистическую обработку результатов исследования проводили с использованием классических методов математической статистики и табличного процессора Microsoft Excel.
Результаты и обсуждение. В пробах фильтратов проанализированы различные физико-химические параметры для оценки потенциального загрязнения. Образцы фильтратов были отобраны с основания отвалов полигонов ТКО, откуда фильтрат удалялся самотеком. Было обнаружено, что фильтрат содержит высокие концентрации органических и неорганических компонентов, превышающие допустимые пределы. С течением времени значения различных параметров изме-
Таблица 1
Характеристика основных показателей фильтрата при разном возрасте полигонов
Показатели Возраст полигонов ТКО (лет)
5 15 30
pH 6,5 ± 0,3 7,3 ± 0,5 8,1 ± 0,4
ХПК, мг О2/дм3 20 946 ± 1200,7 2370 ± 110,3 1903 ± 114
БПК5, мг О2/дм3 14 180,4 ± 1221,1 1156,6 ± 197,0 350 ± 70,3
бпк5/хпк 0,68 0,49 0,18
Летучие жирные кислоты (ЛЖК) 80 ± 7,9 % 30 ± 5,4 % 10 ± 2,5 %
Токсичность (R%) 42 ± 3,5 49 ± 2,8 67 ± 4
Таблица 2
Изменение концентрации солей тяжелых металлов в фильтратах полигонов ТКО
различных возрастов
Возраст Содержание солей тяжелых металлов (мг/дм3)
лет Си гп N1 Сг Мп Со ы Мв
5 0,019 0,04 0,028 0,038 0,150 0,004 0,07 26,8
15 0,01 0,03 0,022 0,024 0,130 0,003 0,03 23,2
30 0,007 0,007 0,002 0,007 0,020 0,002 0,03 18,2
нялись, так как со временем твердые отходы разлагались, а их компоненты просачивались вниз вместе с дождевой водой (табл. 1).
Снижение значений отношения БПК5/ХПК указывает на уменьшение количества биоразлага-емых органических веществ с увеличением возраста полигона ТКО. Фильтрат полигонов 15- и 30-летнего возраста характеризуется более низкой концентрацией ЛЖК. Это связано с их преобразованием в метан и углекислый газ. По мере того, как содержание ЛЖК и других легко био-разлагаемых органических соединений уменьшается, в органическом веществе фильтрата начинают преобладать гуминовые соединения и вещества, подобные фульвокислотам [6].
Уменьшение количества ЛЖК приводит к увеличению рН и уменьшению концентрации
80 70
в 60 о 50
40 30 20 10
1 1 1 _«_ТПТ _ш_1Л>/_ 1
05 лет
15 лет
Рис. 1. Выживаемость инфузорий (%) в зависимости от величины ЬР1
30 лет
ионов металлов из-за снижения их растворимости (табл. 2). Поэтому токсичность фильтрата снижается с увеличением возраста полигона ТКО в результате биологического разложения органических соединений и осаждения тяжелых металлов.
Для проб фильтратов, взятых из полигонов различных возрастов, был рассчитан взвешенный аддитивный индекс загрязнения фильтрата (ЬР1). Установлено, что величина ЬР1 снижается с возрастом полигона ТКО. При этом процент выживших инфузорий обратно пропорционален величине ЬР1, что свидетельствует об уменьшении токсичности фильтрата (рис. 1). Выявленная зависимость характеризуется достаточно высоким значением коэффициента корреляции Пирсона (г = -0,86).
Выводы.
1. Токсичность фильтрата снижается с увеличением возраста полигона ТКО в результате пролонгированных процессов биологического разложения органических соединений и осаждения тяжелых металлов.
2. Аддитивный индекс загрязнения фильтрата (ЬР1) снижается с возрастом полигона ТКО, что свидетельствует об уменьшении токсичности фильтрата.
3. Установлена высокая степень корреляции обобщенных показателей токсичности фильтрата полигонов ТКО различных возрастов (г = -0,86).
4. Результаты исследования показывают возможность использования инфузорий в качестве биотеста для мониторинговой оценки токсичности полигонных фильтратов.
Библиографический список
1. Щеткина Т. Н., Лыков И. Н., Черемных Е. Г. Интегральная оценка безопасности вод в районе полигона ТБО // Экология и промышленность России. — 2008. — № 2. — С. 52—53.
2. Лыков И. Н., Логинов А. А., Дадаянц А. К. Особенности использования минерального биофильтра на полигоне твердых коммунальных отходов // Экология урбанизированных территорий. — 2019. — № 4. — С. 80—84.
3. Лыков И. Н., Логинов А. А., Дадаянц А. К. Оценка рисков геохимически неблагоприятных вариантов развития ситуации под воздействием полигона // Вестник Калужского университета. — 2019. — № 4. — С. 83—88.
4. Муравьев А. И., Баскунов Б. П., Лауринавичус К. С., Лыков И. Н. Использование изотопной масс-спектрометрии для оценки масштабов эмиссии биогенного метана в атмосферу на свалке твердых бытовых отходов (г. Калуга) // Масс-спектрометрия. — 2009. — Т. 6. — № 1. — С. 21—30.
5. Koshy L., Paris E., Ling S., Jones T., BeruBe K. Bioreactivity of leachate from municipal solid waste landfills — assessment of toxicity // J. Science of the Total Environment. 2007. V. 384. Р. 171—181.
6. Carabali-Rivera Y. S., Barba-Ho L. E., Torres-Lozada P. Determination of leachate toxicity through acute toxicity using Daphnia pulex and anaerobic toxicity assays // Ing. Investig. 2017. V. 37 (1). Р. 16. — http://dx.doi.org/10.15446/ing.inves-tig.v37n1.54220
ECOLOGICAL AND TOXICOLOGICAL CHARACTERISTICS OF THE LEACHATE OF SOLID MUNICIPAL WASTE LANDFILLS OF DIFFERENT AGES
I. N. Lykov, Ph. D. in Biology, Dr. Habil, Professor, Scientific Director of the Institute of Natural Sciences at Tsiolkovsky Kaluga State University, Kaluga, Russia linprof47@yandex.ru,
O. P. Pavlova, Bacteriologist of the Testing Laboratory for food quality, food raw materials and ecology, ilkppe@kaluga.ru, G. A. Tikhonova, Chemist of the Testing Laboratory for food quality, food raw materials and ecology
References
1. Shetkina T. N., Lykov I. N., Cheremnykh E. G. Integralnaya ocenka bezopasnosti vod v rajone poligona TBO [Integrated assessment of water safety in the area of the solid waste landfill. Ecology and industry of Russia. 2008. No. 2. P. 52—53] [in Russian].
2. Lykov I. N., Loginov A. A., Dadayanc A. K. Osobennosti ispolzovaniya mineralnogo biofiltra na poligone tverdyh kommu-nalnyh othodov [Features of the use of a mineral biofilter at the landfill of solid municipal waste. Ecology of urbanized areas. 2019. No. 4. P. 80—84] [in Russian].
3. Lykov I. N., Loginov A. A., Dadayants A. K. Ocenka riskov geohimicheski neblagopriyatnyh variantov razvitiya situacii pod vozdejstviem poligona [Assessment of the risks of geochemically unfavorable scenarios for the development of the situation under the influence of the landfill. Bulletin of Kaluga University. 2019. No. 4. P. 83—88] [in Russian].
4. Muravyev A. I., Baskunov B. P., Laurinavichus K. S., Lykov I. N. Ispolzovanie izotopnoj mass-spektrometrii dlya ocenki masshtabov emissii biogennogo metana v atmosferu na svalke tverdyh bytovyh othodov (g. Kaluga) [The use of isotope mass spectrometry to assess the scale of biogenic methane emissions into the atmosphere at the solid waste dump (Kaluga). Mass spectrometry. 2009. Vol. 6. No. 1. P. 21—30] [in Russian].
5. Koshy L., Paris E., Ling S., Jones T., BeruBe K. Bioreactivity of leachate from municipal solid waste landfills — assessment of toxicity. J. Science of the Total Environment. 2007. Vol. 384. Р. 171—181.
6. Carabali-Rivera Y. S., Barba-Ho L. E., Torres-Lozada P. Determination of leachate toxicity through acute toxicity using Daphnia pulex and anaerobic toxicity assays. Ing. Investig. 2017. Vol. 37 (1). Р. 16 http://dx.doi.org/10.15446/ing.inves-tig.v37n1.54220
