Научная статья на тему 'ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ О СОРБЦИОННЫХ ВОЗМОЖНОСТЯХ ВОДОНАСЫЩЕННЫХ ГРУНТОВ И ВЫЖИВАЕМОСТИ Е. COLI ПРИ УСЛОВИИ БАКТЕРИАЛЬНОГО ЗАРАЖЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД '

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ О СОРБЦИОННЫХ ВОЗМОЖНОСТЯХ ВОДОНАСЫЩЕННЫХ ГРУНТОВ И ВЫЖИВАЕМОСТИ Е. COLI ПРИ УСЛОВИИ БАКТЕРИАЛЬНОГО ЗАРАЖЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

CC BY
12
4
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Журнал
Гигиена и санитария
Scopus
ВАК
CAS
RSCI
PubMed
Область наук
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по биологическим наукам , автор научной работы — Б.М. Кудрявцева

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

EXPERIMENTAL DATA ON THE SORPTION CAPACITIES OF WATER BEARING STRATA AND SURVIVAL OF E. COLI IN CASE OF BACTERIAL CONTAMINATION OF THE GROUND WATER

Experimental investigations carried out on a filtration installation showed the adsorption process to be an important factor in the bacterial self purication of ground water and to promote a longer survival of bacteria. In fine-grain sand E. coli survived up to 200 days and could be a potential hazard for the ground water contamination.

Текст научной работы на тему «ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ О СОРБЦИОННЫХ ВОЗМОЖНОСТЯХ ВОДОНАСЫЩЕННЫХ ГРУНТОВ И ВЫЖИВАЕМОСТИ Е. COLI ПРИ УСЛОВИИ БАКТЕРИАЛЬНОГО ЗАРАЖЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД »

УДК 628.16.081.34

ЭКСПЕРИМЕНТАЛ ЬНЫЕ ДАНН Ы Е О СОРБЦИОНН ЫX ВОЗМОЖНОСТЯX

ВОДОНАСЫЩЕННЫХ ГРУНТОВ И ВЫЖИВАЕМОСТИ Е COLI ПРИ УСЛОВИИ БАКТЕРИАЛЬНОГО ЗАРАЖЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Б. М. Кудрявцева

Институт общей и коммунальной гигиены им. А. Н. Сысина АМН СССР, Москва

Одним из существенных факторов бактериального самоочищения подземных вод является процесс адсорбции бактерий частицами водовмеща-ющих пород.

Литературные данные (Е. И. Гончарук; А. А. Кирпичников) свидетельствуют о том, что в естественных условиях фильтрации подземных вод рыхлые породы проявляют большую адсорбционную способность. Указанное положение было подтверждено на моделях, искусственно воспроизводящих горизонтальную фильтрацию бактериально зараженной воды через мелкозернистые пески (В. И. Иодказис и Е. К. Рауцките). Известно, что адсорбирующая площадь фильтрующего материала тем больше, чем мельче отдельные его частицы, так как при этом общая адсорбционная поверхность увеличивается (Д. М. Новогрудский). В то же время один и тот же адсорбент по отношению к разным видам бактерий при прочих равных условиях (pH среды, температура и т. д.) обладает различной поглотительной способностью (Л. Л. Великанов1; J. Gunnison и Marchall; Krishamurti и Soman).

Кроме того, в экспериментальных условиях установлено, что для каждого адсорбента в отношении определенной разновидности бактерий существует предел сорбции (М. С. Дикусар). В практических же условиях при движении зараженной воды через фильтрующие водонасыщенные грунты происходит относительное насыщение адсорбента бактериями.

В связи с изложенным возникает вопрос о дальнейшей судьбе адсорбированных бактерий и степени возможной их десорбции в естественных условиях подземных вод. Остается неясным, приведет ли к десорбции последующая фильтрация чистой воды, а также увеличение скорости движения подземных вод. Последенее часто происходит при изменениях режима эксплуатации водоносного горизонта, связанных с увеличением расхода воды, а следовательно, и скорости подземного потока.

Целью наших исследований, проведенных в экспериментальных условиях, явилось изучение степени адсорбции Е. coli как показателя санитарного состояния воды при фильтрации ее через водонасыщенные грунты различного гранулометрического состава, возможностей десорбции указанных микроорганизмов и времени отмирания Е. coli, адсорбированных фильтрующим материалом.

Бактериологические исследования воды проводили методом мембранных фильтров с выборочной идентификацией выросших колоний бактерий группы кишечной палочки по морфологическим и биохимическим признакам (окраска по Граму, ферментация глюкозы, лактозы, маннита и сахарозы, образование индола и сероводорода, температурный и цитратный тесты). Исследования фильтрующего материала на наличие адсорбированной микрофлоры проводили с помощью аппарата РТ-2 (Д. Г. Звягинцев) для максимальной десорбции бактерий и бактериологических анализов водных вытяжек указанным выше методом.

Фильтрацию воды осуществляли на установке, состоящей из стеклянной бутыли емкостью 9 л разводящей системы из резиновых трубок с «гребенкой» и 10 стеклянных вертикально установленных цилиндров. Высота цилиндров 400 мм, диаметр сечения 35 мм. Бутыль наполяняли водой

1 Автореферат кандидатской диссертации. М., 1970.

с определенной концентрацией бактерий, которая по трубкам подавалась в цилиндры, заполненные песком. В нижней части цилиндры заканчивались отводными трубочками с зажимами для регулирования скорости фильтрации (рис. 1). Моделируя подземный водоносный горизонт, мы производили

фильтрацию воды через водо-насыщенные пески. Для этого перед началом опыта цилиндры с песком были заполнены водопроводной дехлорированной водой, причем вода подавалась через нижние выводные трубочки с тем, чтобы был вытеснен весь воздух из пор фильтрующего материала.

После стерилизации всей установки в автоклаве цилиндры были заполнены 5 фракциями отсортированного песка (простерилизованного дробно текучим паром) с диаметром частиц от 0,25 до 5,0 мм (см. таблицу). Эксперимент продолжался 40 дней с постоянной скоростью фильтрации 0,2 м/час по 5 часов в день при ежедневном исследовании проб исходной воды (до фильтрации) и фильтрата (профиль-трированной). В дальнейшем, не допуская попадания водопроводную дехлорирован-

Рис. 1. Фильтрационная установка.

воздуха, в бутыль добавляли

зараженной воды концентрация бактерий

Результаты Фильтрации воды с концентрацией Е. coli п-10® в 1 мл через различные пески (в исходной воде каждой группы цилиндров содержалось по 24 100 млн. микробных клеток)

в систему ную воду.

В 1-й день фильтрации в фильтрате каждой группы цилиндров была наименьшей и находилась в прямой зависимости от размера частиц фильтрующего материала (рис.2). В последующие дни содержание бактерий в профильтрованной воде увеличивалось, сохраняя в основном ту же закономерность. При этом концентрация Е. coli в 1 мл фильтрата мелких песков возросла на 11-й день по сравнению с 1-м днем в 25 раз и достигла 2,5-105, в то время как в фильтрате крупных песков она увеличилась только в 6 раз и составляла 8-105.

Полученные данные свидетельствуют о том, что длительное и довольно интенсивное «насыщение» бактериями фильтрующего материала значительно снижает адсорбционные возможности последнего.

А О О. 5 ■ а а Размер фракций (в мм) Суммарное количество Е. coli, задержанное фильтрующим материалом (адсорбированное) Из них вынесено чистой водой (дс-сорбировано) k 55 <v i в о» >» 8 с

с Б о. U в млн. в % от внесенного в млн. В %

I II III IV V 0,25—0,5 0,5—1,0 1,0—2,0 2,0—3,0 3,0—5,0 21 306 18 703 17557.5 16771.6 16476,2 89.4 77.5 73,0 70,0 69,0 232,3 1 74,3 43,2 36,2 23,4 1 0,4 0,24 0,21 0,14

90 895 75,4 409,5 0,45

После прекращения внесения бактериальной взвеси в исходную воду содержание Е. coli в фильтрате резко снизилось. При этом снижение концентрации бактерий в фильтрате мелких песков происходило медленнее и было продолжительнее, чем в фильтрате крупных фракций (см. рис. 2). Так, на 4-й день фильтрации чистой воды концентрация Е. coli в фильтрате мелких песков была на уровне п-103, в то время как фильтрат крупных фракций содержал единицы бактерий в 1 мл. С 35-го дня коли-титр фильтрата как мелких, так и крупных фракций был не менее 30.

Рис. 2. Изменение концентрации Е. coli в воде при ее фильтрации через различные пески.

Исходная вода (до фильтрации) — сплошная линия; профильтрованная через пески вода с диаметром частиц: I — от 0,25 до 1.00 мм: 2 — от 1.0 до 2,00 мм; 3 — от 2,00 до 5,00 мм.

При пересчете на абсолютное количество бактерий, задержанных фильтрующим материалом, всего адсорбировано от 69 (в крупных песках) до 89,4 % (в мелких песках) общего количества бактерий, внесенных соответственно в исходную воду (см. таблицу). При фильтрации чистой воды десор-бировалось небольшое количество бактерий, которое определило следующие уровни десорбции (отношение десорбируемых бактерий к адсорбируемым): в мелких песках 1%, в крупных —0,1% (см. таблицу). Указанная закономерность десорбции бактерий при данной скорости фильтрации статистически достоверна: установлена обратная зависимость между концентрацией Е. coli в фильтрате и размером песка с коэффициентом корреляции 0,4

{Р = 0,01).

В практике использования подземных вод часто бывают случаи кратковременного бактериального заражения эксплуатируемых водоносных горизонтов, залегающих в рыхлых песчаных породах. Исходя из этого, мы на этой же фильтрационной установке поставили эксперимент с однократным внесением бактериальной взвеси в исходную воду и последующей фильтрацией чистой воды с возрастающей скоростью.

Было вязто 4 фракции песка с диаметром частиц от 0,25 до 2,00 мм. В 1-й день, т. е. в период фильтрации зараженной воды со скоростью 0,2м/час и концентрацией Е. coli на уровне 107 в 1 мл, содержание бактерий в фильтрате всех групп цилиндров было максимальным и находилось в прямой зависимости от размера частиц песка. За этот период было задержано от 97,4 бактерий (в песках с диаметром частиц 1,0—2,0 мм) до 99,4 % (в песках с диаметром частиц <0,25 мм) от общего их количества, соответственно поступившего с исходной водой.

Последующая фильтрация чистой воды с той же скоростью привела к десорбции бактерий, содержание которых в фильтрате находилось в обратной зависимости от диаметра частиц фильтрующего материала (как и в первом эксперименте). С увеличением же скорости фильтрации количество десорбируемых бактерий стало больше из крупных песков, чем из мелких. При этом в фильтрате последних увеличение скорости движения воды в 2, а затем в 4 раза по сравнению с первоначальной вызывало кратковременные подъемы концентрации Е. coli в фильтрате мелких песков, в то

Процесс десорбции

t I

4

•gJ

§

I OY

Е;

5 -/ _ Фильтрации

S зараженной воды _'

5 /О

iö~

/1ми исследований

время как содержание бактерий в фильтрате крупных песков не имело существенных колебаний и было выше. При оценке степени корреляции между концентрациями десорбируемых бактерий и размером частиц взятого нами песка была установлена прямая зависимость (Р = 0,01). Вместе с тем исследования показали, что общее количество десорбируемых бактерий, как и в эксперименте с длительным периодом фильтрации зараженной воды, было незначительным по сравнению с адсорбированными: уровни десорбции находились в пределах 0,005—0,05%.

Для изучения времени отмирания Е. coli в условиях водонасыщенных грунтов проводили исследования воды и фильтрующего материала, находящихся в статических условиях. Эксперимент заключался в следующем. В 10-литровые стеклянные сосуды, наполненные водой (2/3 объема) с бактериальной взвесью Е. coli в концентрации я-10в в 1 мл был внесен фильтрующий материал—водонасыщенный песок (V3 объема). Производили

исследования воды, находящейся над песком, и песка на наличие адсорбированных Е. coli. Пробы песка отбирали микробуром. Опыты проводили с 4 разновидностями песка размером частиц от менее 0,25 до 2,00 мм в 8 сосудах (по 2 параллельных). Результаты исследований приведены на рис. 3.

Начальная концентрация Е. coli в 1 мл надосадочной воды соответствовала п-106, на 30-й день она снизилась до единиц, а с 75-го по 120-й день из 50 мл воды можно было выделить лишь 1—5 микробных тел Е. coli (коли-титр от 10 до 50). Наряду с этим в первые 5 дней эксперимента количество Е. coli в 1 г песка было на уровне п-103. Далее содержание адсорбированных бактерий постепенно увеличивалось, и к 20-му дню указанное количество составляло га-105 для мелкого песка и л-104 — для крупного, после чего довольно резко снижалось. С 40-го и по 70-й день концентрация Е. coli была на уровне единиц и л -10 в 1 г соответственно крупных и мелких песков. При дальнейших исследованиях констатировано меньшее содержание бактерий в крупных песках по сравнению с мелкими и более длительное обнаружение Е. coli в последних.

Если период выделения жизнеспособных бактерий из надосадочной воды продолжался до 120 дней, то время полного отмирания бактерий, адсорбированных мелкодисперсным песком (с диаметром частиц от менее 0,25 до 0,5 мм) наступило значительно позже; на 205-й день эксперимента в 10 г песка не было найдено ни одной бактерии группы кишечной палочки.

Динамика обнаружения жизнеспособных бактерий, адсорбированных песком, находилась в некоторой зависимости от размера частиц фильтрующего материала: чем мельче песок, тем более продолжительное время бактерии обнаруживались. Указанная закономерность статистически достоверна: коэффициент корреляции равен 0,5 (Р = 0,01).

Фильтрующий материал исследован на наличие адсорбированной микрофлоры также и после окончания эксперимента на фильтрационной установке, причем исследования проводили не сразу после окончания фильтрационного цикла, а спустя 70 дней, в течение которых установку не демонтировали и пески в цилиндрах оставляли водонасыщенными. Было отобрано 30 проб песка — по 3 из каждого цилиндра (из верхней, средней и нижней части). Е. coli найдены в содержании от 2 до 10 микробных клеток на 1 г

Рис. 3. Динамика отмирания Е. сой в условиях

водонасыщенных песков. I — надосадочная вода: 2 — песок с диаметром частиц: 2 — от 0,25 до 0,5 мм\ 3 — от 0,5 до 2.0 .«.«.

фильтрующего материала в 3 пробах мелких песков с диаметром частиц от менее 0,25 до 0,5 мм. Общий счет колоний при посеве на мясо-пептонный агар показал наличие сапрофитной микрофлоры во всех исследуемых пробах в количестве от 125 до 230 бактерий на 1 г песка.

Штамм Е. coli, используемый для заражения исходной воды в 1-, 2- и 3-м экспериментах, обладал типичными свойствами. Выборочная идентификация выросших колоний по 9 названным признакам, проводимая в течение всего периода исследований, свидетельствовала о сохранении морфологических и биохимических свойств вносимых бактерий.

Выводы 4

1. Проведенные исследования показали, что одним из факторов бактериального самоочищения подземных вод, залегающих в мелкозернистых песках, является процесс адсорбции. Количество адсорбируемых бактерий находится в прямой зависимости от диаметра частиц фильтрующего материала. При этом чем мельче фракции песка, тем отчетливее сказывается указанная закономерность.

2. Последующая фильтрация воды с теми же физико-химическими свойствами (температура, реакция pH и т. д.), но с резко сниженным содержанием (или полным отсутствием) Е. coli вызывает десорбцию указанных бактерий, уровень которой находится в прямой зависимости от интенсивности предшествовавшего заражения и по сравнению с высокой степенью их адсорбции менее значителен. При увеличении скорости фильтрации чистой воды уровень десорбции возрастает.

3. Динамика отмирания и длительность выживания адсорбированных Е. coli в условиях водонасыщенных песков находится в обратной зависимости от размера частиц фильтрующего материала. В наиболее мелкозернистых песках указанные жизнеспособные бактерии обнаруживались в сроки до 200 дней. Следовательно, длительная выживаемость бактерий, адсорбированных песчаными породами, создает потенциальную опасность заражения подземных вод, особенно в тех случаях, когда не исключена возможность изменений режима эксплуатации водоносного горизонта.

ЛИТЕРАТУРА. Гончарук Е. И. Гиг. и сан., 1963, № 5, с. 104. — Д и -к у с а р М. М. Микробиология, 1940, т. 9, в. 9—10, с. 895. — Звягинцев Д. Г. Научные докл. Высшей школы. Биол. науки, 1969, № 3, с. 131. — Новогруд-с к и й Д. М. Микробиология, 1947, т. 16, в. 2. с. 147. — Gunnison J. В., Marchall М. S., J. Bact., 1937, v. 33, p. 401.

Поступила 30/XI 1971 r.

EXPERIMENTAL DATA ON THE SORPTION CAPACITIES OF WATER BEARING STRATA AND SURVIVAL OF E. COLI IN CASE OF BACTERIAL CONTAMINATION

OF THE GROUND WATER

В. M. Kudryavtseva

Experimental investigations carried out on a filtration installation showed the adsorption process to be an important factor in the bacterial selfpurication of ground water and to promote a longer survival of bacteria. In fine-grain sand E. coli survived up to 200 days and could be a potential hazard for the ground water contamination.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.