Исследование микробиологических и физико-химических показателей сточных вод шахты "Южнодонбасская № 3" и их влияние на сельскохозяйственные культуры растений Текст научной статьи по специальности «Экологические биотехнологии»

Геоэкология

УДК 622.5:614.7:581.14

ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИХ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СТОЧНЫХ ВОД ШАХТЫ

«ЮЖНОДОНБАССКАЯ № 3» И ИХ ВЛИЯНИЕ НА СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ КУЛЬТУРЫ РАСТЕНИЙ

Слепых А. А.

Донецкий национальный университет, Донецк, alehandro-night@mail.ru

В связи с тем, что восточный регион Украины испытывает дефицит водных ресурсов как для питьевых, так и для технических нужд, был исследован потенциальный альтернативный источник водоснабжения - шахтные воды. Объектом исследований служила шахта «Южнодонбасская № 3». В статье приведен комплексный анализ микробиологических и физико-химических показателей шахтных сточных вод. С целью возможного использования в агропромышленном комплексе шахтная вода была протестирована на сельскохозяйственных культурах растений. Доказано ингибирующее воздействие данной воды на растительные культуры.

Ключевые слова: водные ресурсы, дефицит, альтернативные источники, шахтные сточные воды, шахта «Южнодонбасская №№ 3», микробиологический и физико-химический анализ, ингибирующее воздействие.

ВВЕДЕНИЕ

Одной из центральных экологических проблем в мировом масштабе является количественное истощение и качественное изменение пресных природных вод, что порождает их дефицит и способствует повышению заболеваемости населения. Согласно прогнозу ООН, в ближайшее десятилетие на Земле не останется неиспользованных доступных запасов пресных вод.

В Украине проблема хозяйственно-питьевого водоснабжения и охраны поверхностных и подземных вод от загрязнения сточными водами давно стала проблемой государственной важности. Ее актуальность подчеркивается принятием Верховной Радой Закона Украины «О питьевой воде и питьевом водоснабжении».

В последнее время очень остро стоит проблема загрязнения вод в промышленном регионе - Донбассе, так как горные предприятия систематически загрязняют подземные воды шахтными стоками. Имея разные показатели химического состава и агрессивные свойства, шахтные воды, поступая в поверхностные водотоки и водоемы, вызывают в них изменения солевого режима, обуславливая нежелательные экологические нарушения в гидросфере, ухудшают среду обитания животных и растений. Поэтому проблема оценки влияния предприятий угольной отрасли на обеспечение водными ресурсами крупных промышленных городов является очень актуальной.

Опасный уровень загрязнения водных источников региона связан с большими объемами сточных вод. Ежегодно объемы сточных вод в Донецкой области

2013 Ekosistemy, ikh Optimizatziya i Okhrana (Optimization and Protection of Ecosystems), 9: 221-230.

ISSN 2078-967X Published by V. I. Vernadskiy Taurida National University, Simferopol, Ukraine.

составляют около 2 млрд. куб. м, причем на угольную промышленность приходится более 50% всех стоков. Шахтные воды отличаются высоким содержанием взвешенных веществ (до 0,1 г/л), повышенной минерализацией (содержание солей до 3 г/л приходится на 70% всех шахт, от 3 до 7 г/л на 26% всех шахт), из-за чего в водоемы и реки ежегодно сбрасывается более 3 млн. т минеральных солей и веществ. Это привело к повышению в ряде случаев минерализации поверхностных водных источников в Донецкой области до 2-2,9 г/л, увеличению содержания в водоемах тяжелых металлов и заиливанию водных объектов.

Особенно острой проблема загрязнения водных источников угольными предприятиями становится в связи с закрытием нерентабельных шахт. При закрытии шахт их водопротоки перераспределяются чаще всего на работающие шахты.

Основными критериями пригодности шахтных вод для хозяйственно-питьевого водоснабжения являются нормируемые нормативными документами [1-3] показатели: минерализация (сухой остаток), жесткость (общая), содержание сульфатов, хлоридов, загрязняющих веществ (химических, органических), рН, санитарно-эпидемиологическое состояние. Важным условием также являются возможность организации зон санитарной охраны водных объектов шахт, использование технологии очищения, обеззараживания, водоподготовки шахтных вод и аппаратного обеспечения в соответствии со СНиП 2.04.02.

Оценка перспективности использования шахтных вод для водоснабжения, и в первую очередь для хозяйственно-питьевых целей, осуществляется на основе технико-экономического обоснования различных вариантов очищения и кондиционирования шахтных вод, а также в сравнении с другими предполагаемыми источниками водоснабжения. Сбросные шахтные воды в ряде случаев одновременно могут представлять практический интерес возможного орошения, особенно это касается вод невысокой минерализации [4]. В этой связи должен решаться вопрос экономической целесообразности использования этих вод в тех или иных целях.

Учитывая недостаточную и неравноценную изученность шахтных вод по территории Донбасса, первоочередной задачей является целенаправленное доизучение откачиваемых шахтных вод в целом по бассейну с выделением угольных шахт, наиболее перспективных в качестве альтернативных источников водоснабжения и возможного орошения, с последующим проведением на них детальных исследований. При этом при изыскании резерва источников водоснабжения и орошения следует учитывать и шахтные воды, в больших объемах сосредоточенные в прудах-накопителях.

Цель работы - проведение микробиологического, физико-химического анализа и оценка возможного использования сточной воды шахты для полива сельскохозяйственных растений.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

Объектом исследований служила шахтная сточная вода, пробы которой отбирались ежемесячно из шахтного пруда-отстойника, куда регулярно стекались сточные отработанные воды шахты «Южнодонбасская № 3». Пробы воды отбирали с сентября 2011 по сентябрь 2012 г. Посев проводили методом разведения в чашках

Петри на двух средах: для выявления общего микробного числа (ОМЧ) использовали фабричную среду «Общая для выделения бактерий» (рН 7,0), для выявления лактозоположительных палочек (ЛКП) - использовали среду Эндо. Культивирование микроорганизмов осуществляли в термостатах при температурах 27оС и 37оС соответственно.

Выросшие колонии микроорганизмов идентифицировали на четвертые сутки. Для идентификации выделяли чистые культуры бактерий и применяли сложный метод окрашивания по Граму.

Опыты проводили в пятикратной повторности. Полученные цифровые данные обрабатывали статистически. Использовали метод попарного сравнения средних по критерию Стьюдента.

Для определения физико-химических показателей шахтной воды использовались титриметрический, гравиметрический и йодометрический методы определения веществ.

Для исследования влияния сточной воды на сельскохозяйственные культуры осуществляли полив четырех видов растений (кукуруза, подсолнечник, горох, фасоль) такими разведениями: 100% отстойная шахтная вода, 50% отстойная шахтная вода и контроль (дистиллированная вода).

В каждом варианте опыта использовалось по десять проростков. Полив каждого вида растений осуществляли в течение трех недель, один раз в три дня. Предварительно семена замачивались в том разведении воды, которой осуществлялся полив. После проведения опытов снимались такие показатели: высота надземной и подземной частей растений, наличие зольных (методом сухого озоления) и органических веществ, высчитывался процент прорастания (всхожести) семян.

Опыты проводились на кафедре физиологии растений биологического факультета ДонНУ в период с 2010 по 2013 г.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Микробиологический анализ шахтной воды показал, что данный объект исследований отличается разнообразием качественного состава микрофлоры. Бактерии различались по морфологическим и культуральным признакам. Количество встречающихся колоний бактерий - 11. Стоит отметить, что наибольшее количество микроорганизмов (11 видов) встречалось в июле и августе, а наименьшее - в январе (2 вида). Выросшие колонии идентифицировали [5, 6] до рода (табл. 1). Среди них имеются условно патогенные роды (Pseudomonas, Streptococcus, Providencia) и роды, чье присутствие говорит о высоком содержании солей в сточной воде (Halococcus, Haloferax, Halobacterium).

Особое внимание уделялось сезонной динамике Общего микробного числа (ОМЧ) и лактозоположительным кишечным палочкам (ЛКП).

Общее микробное число отражает общий уровень содержания бактерий в воде, а не только тех из них, которые образуют колонии, видимые невооруженным глазом на питательных средах при определенных условиях культивирования. ОМЧ полезно при оценке эффективности процессов водоочистки, особенно коагуляции,

фильтрации и обеззараживания, при этом основная задача заключается в поддержании их количества в воде на возможно более низком уровне. ОМЧ может быть использовано также для оценки незагрязненности и целостности распределительной сети и пригодности воды для производства пищевых продуктов и напитков, где число микроорганизмов должно быть низким для сведения до минимума риска порчи. Возможные отклонения (особенно резкие) ОМЧ пагубно влияют и на использование воды для технических целей.

Таблица 1

Морфология колоний микроорганизмов

№ Культуральные признаки Морфологические признаки Род

Цвет Форма Поверхность

1 Бело-мочный Округлая Матовая Г- кокки, 1,3-15x1,6-1,9 мкм Pseudomonas

2 Бело-молочный Точечная Матовая Г- длинные неправильной формы бесспоровые палочки, 1,0-3,0x2,0-3,0 мкм Pseudomonas

3 Желтоватый Круглая Глянцевая Г+ бесспоровые палочки, слегка изогнутые Bacillus

4 Бело-молочный Точечная, выпуклая Глянцевая Г+ кокки, 0,5-2,0 мкм, образующие скопления неправильной формы Micrococcus

5 Розоватый Амебоидная Матовая Г- кокки, 0,8-1 мкм, в виде скоплений неправельной формы Halococcus

6 Светло-коричневый Округлая Глянцевая Г- длинные бесспоровые палочки, 1,0-3,0x2,0-3,0 мкм Haloferax

7 Молочный, по краям коричневый Круглая с валиком по краям Глянцевая Г+ бесспоровые палочки, 1,0-1,2x1,0-3,0 мкм Halobacterium

8 Светло-серый Круглая, выпуклая Матовая Г споровые палочки, 1,3-2,1x1,5-3,0 мкм Bacillus

9 Желтый Неправильная, зернистая Глянцевая Г+ кокки, 1,2-1,6 мкм, объединенные в недлинные цепочки Streptococcus

10 Серый Точечная, плоская Матовые Г- длинные неправильной формы бесспоровые палочки, 1,0-3,0x2,0-3,0 мкм Pseudomonas

11 Бело- молочный, сероватый Круглая, выпуклая Глянцевая Г+ кокки, 0,7-1,5 мкм, одиночные или в парах Providencia

Так, была изучена сезонная динамика ОМЧ (рис. 1). Исследования сезонной динамики ОМЧ происходило в течении годового периода с сентября 2010 г. по сентябрь 2011 г. Для удобства подсчета колоний микроорганизмов шахтная вода методом разведения была разбавлена в 1000 раз.

Показатель ОМЧ воды варьировал от 5^1000 в январе до 640^1000 КОЕ/л в августе.

Как видим (рис. 1), наибольшее количество микроорганизмов наблюдается в исследуемом объекте в августе. Это объясняется появлением наибольшего количества фитопланктона, продукты жизнедеятельности которого могут использоваться микроорганизмами в качестве питательных веществ. В зимние же месяцы этот показатель значительно падает, так как в среде находится намного меньше органических веществ, расщепление которых до простых соединений и есть основным призванием микроорганизмов.

Также следует учесть, что на численность микроорганизмов влияет и температурный фактор, как правило, где температурные условия выше - там более благоприятные условия для развития микроорганизмов.

Глядя на график, важно отметить, что по сравнению с январем, с приходом весны, в марте, показатель ОМЧ возрос почти в 20 раз. С приходом лета, когда показатель ОМЧ выходит на свой пик, он возрос более чем на 6 раз, по сравнению с мартом. В сентябре результаты стремительно упали (в 6,5 раз) в связи с ухудшением условий для микроорганизмов.

Все показатели ОМЧ не превысили значение ГОСТа КНД 211.1.2.009-94 «Правила контроля состава и свойств сточных и технологических вод» [7].

Рис. 1. Сезонная динамика общего микробного числа (ОМЧ)

Показатель ЛКП адекватно отражает санитарную характеристику шахтных вод и коррелирует с показателями фекального загрязнения сточных вод. В современных условиях на новом методическом уровне кишечные палочки сохраняют значение в качестве основного нормируемого показателя степени фекального загрязнения и косвенного индикатора эпидемической опасности водоемов различного водопользования.

Исследования сезонной динамики ЛКП также происходило в течении годового периода с сентября 2010 г. по сентябрь 2011 г. (рис. 2). Для удобства подсчета колоний микроорганизмов шахтная вода методом разведения была разбавлена в 10 раз.

Показатель ЛКП воды варьировал от 3x10 в январе до 240x10 КОЕ/л в июле и августе.

Как видим, аналогичная тенденция наблюдается и в сезонной динамике ЛКП. В июле и августе показатель кишечной палочки был наивысшим. Скорее это связано с тем, что шахтный отстойник активно эксплуатируется местным населением в хозяйственных, промышленных, рекреационных целях. Являясь представителем нормальной микрофлоры толстого кишечника человека, домашних животных, птиц, диких млекопитающих, рептилий, рыб и многих беспозвоночных, эти бактерии попадают в окружающую среду с испражнениями и служат индикатором недавнего фекального загрязнения.

Полученные данные также не превышают значения ГОСТа КНД 211.1.2.009-94 «Правила контроля состава и свойств сточных и технологических вод».

Рис.2. Сезонная динамика лактозоположительных кишнчных палочек (ЛКП)

Был проведен физико-химический анализ проб исследуемой шахтной воды, который показал, что наличие взвешенных веществ в 1,8 раз, нефтепродуктов в 87 раз, сульфатов в 1,7 раз, хлоридов - в 6,2 раза превышают ПДК [8] (табл. 2).

Таблица 2

Результаты физико-химического анализа сточной воды шахты «Южнодонбасская № 3»

Показатель Содержание в сточной воде ПДК Во сколько раз превышает ПДК

рН 6,62 6,5-8,5 -

Взвешенные вещества, мг/л 110 60 1,8

Сухой остаток, мг/л 100,5 - -

Органические вещества (общее содержание), мг/л 575 - -

Нефтепродукты мг/л 4,35 0,05 87

Азот аммонийный мг/л 1,64 - -

Азот нитратный мг/л 5,2 - -

Азот общий мг/л 6,68 1 -

Сульфаты 8042-, мг/л 170 100 1,7

Хлориды С1-, мг/л 462 75 6,2

Все эти превышенные показатели могут влиять на биологические объекты в сточной воде и косвенно воздействовать на всю экосистему, а также изменять биологическую активность водного биоценоза.

Для проведения анализа на влияние шахтной воды на рост и развитие сельскохозяйственных растений осуществлялся полив четырех видов культур (кукуруза, подсолнечник, горох, фасоль), такими разведениями: 100% и 50% отстойная шахтная вода, и контроль (водопроводная вода). Опыт проводился в десятикратной повторности. Полив каждого вида растений осуществлялся в течение трех недель, один раз в три дня. Предварительно семена замачивались в том разведении воды, которой осуществлялся полив.

После проведения опытов снимались морфометрические показатели: высота надземной и подземной частей растений, диаметр стебля, масса высушенного растения. Определялась масса зольных веществ путем сжигания в муфельной печи. Также просчитывался процент прорастания семян после замачивания перед непосредственным посевом.

Исследования показали, что во всех опытах 100% шахтная сточная вода ингибировала рост и развитие растений. 50% сточная вода также замедляла рост и развитие, но в гораздо меньшей степени. На рисунках 3 и 4 представлена общая картина влияния сточной воды на сельскохозяйственные растения, где показывается, во сколько раз 100% и 50% шахтная сточная вода ингибирует контрольную выборку.

□ Кукуруза □ Подсолнечник ■ Горох ■ Фасоль

Всхожесть семян

Зольные вещества

Биомасса

Длина надземной части

Органические вещества

3

4

Рис. 3-4. Влияние 50%-ной (3) и 100%-ной (4) шахтной сточной воды на исследуемые проростки

Полученные данные свидетельствуют о значительном снижении пластического обмена растений. Возможно, это является следствием нарушения активности ферментов синтеза, недостатком элементов минерального питания, связанным с изменением проницаемости клеточных мембран. Оно может быть обусловлено наличием взвешенных веществ, хлоридов, сульфатов и нефтепродуктов, превышающих значения ПДК.

Таким образом, показано ингибирующее влияние шахтной сточной воды на рост и развитие исследованных растений. Не следует ее использовать для полива сельскохозяйственных растений.

ВЫВОДЫ

1. Шахтная вода отличается разнообразием качественного состава микрофлоры. Бактерии различались по морфологическим и культуральным признакам.

2. Показатель ОМЧ воды варьировал от 5^1000 в январе до 640x1000 КОЕ/л в августе.

3. Показатель ЛКП менялся от 3x10 в январе до 240x10 КОЕ/л в июле и августе.

4. Показатели ОМЧ и ЛКП исследованных шахтных вод соответствуют требованиям ГОСТа КНД 211.1.2.009-94 «Правила контроля состава и свойств сточных и технологических вод».

5. Физико-химический анализ проб шахтной воды показал, что наличие взвешенных веществ в 1,8 раз в сточной воде, сульфатов в 1,7 раза, нефтепродуктов -в 87 раз, хлоридов - в 6,2 раза превышает ПДК.

6. Шахтная вода как в 100% составе, так и в 50% разбавлении проточной водой ингибирует все признаки роста и развития сельскохозяйственных растений.

7. Данные исследований подтверждают, что шахтная сточная вода ингибирует рост и развитие растений. Использовать ее для полива сельскохозяйственных растений не следует.

Список литературы

1. ГОСТ 2761-84. Источники централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения. Гигиенические требования и правила выбора. - М.: Госкомитет по стандартам, 1984.

2. Державш саштарш правила i норми «Вода питна». Гтешчш вимоги до якосп питно! води централiзованого господарсько-питного водопостачання (ДСаНПШ). - К.: Мшохорони здоров'я Укра!ни, 1996.

3. САНПиН № 4630-88. Санитарные правила и нормы охраны поверхностных вод от загрязнения. -М.: Минздрав СССР, 1988. - 70 с.

4. Требования к качеству шахтних и карьерных вод, используемых для орошения сельскохозяйственных угодий Украинской ССР. РНТД 33.34.004.86. - Пермь, 1986.

5. Хоулт Дж. Определитель бактерий Берджи / Дж. Хоулт, Н. Криг. - В 2-х т. - М.: Мир, 1997. -Т. 1. - 576 с.

6. Хоулт Дж. Определитель бактерий Берджи / Дж. Хоулт, Н. Криг. - В 2-х т. - М.: Мир, 1997. -Т. 2. - 527с.

7. ГОСТ КНД 211.1.2.009-94. Правила контроля состава и свойств сточных и технологическ их вод. -М.: Госкомитет по стандартам, 1994.

8. ГН 2.1.5.2280-07. Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования. - М.: Минэкологии, 2007.

Слепих О. О. Дослвдження м^обшлопчних та фiзико-хiмiчних показниюв стгчних вод шахти «Швденнодонбаська № 3» та 1х вплив на сшьськогосподарсью культури рослин //

Екосистеми, !х оптимiзацiя та охорона. Омферополь: ТНУ, 2013. Вип. 9. С. 221-230.

У зв'язку з тим, що схщний регюн Украши вiдчуваe дефщит водних ресурав як для питних, так i для техшчних потреб, було дослвджено потенцшне альтернативне джерело водопостачання - шахтт води. Об'екгом дослщжень служила шахта «Швденнодонбаська № 3». У статп наведено комплексний аналiз мжробюлопчних та фiзико-хiмiчних показникв шахтних слчних вод. З метою можливого використання в агропромисловому комплексi, шахтна вода була протестовала на сшьськогосподарських культурах рослин. Доведено шпбуючий вплив дано! води на рослинних культурах.

Ключовi слова: дефщит водних ресурс1в, альтернативне джерело водних ресурав, шахтт спчт води, шахта «Швденнодонбаська № 3», мжробюлопчний та фiзико-хiмiчний аналiз, iнгiбуючий вплив.

Slepykh O. O. Study of microbiological and physico-chemical indexes of wastewaters of the mine «Pivdennodonbaska number 3» and their impact on crop plants // Optimization and Protection of Ecosystems. Simferopol: TNU, 2013. Iss. 9. P. 221-230.

Due to the fact that the eastern region of Ukraine is experiencing water shortages for both drinking and for technical purposes, it was investigated potentially alternative source of water supply - mine waters. The object of investigations was the mine «Pivdennodonbaska number 3». The article presents a comprehensive analysis of microbiological and physico-chemical parameters of mine wastewater. With a view to a possible use in agriculture, mine water has been tested on crop plants. It was proved the inhibitory effect of this water on vegetable crops.

Key words: water scarcity, alternative source of water, mine waste waters, mine «Pivdennodonbaska number 3», microbiological and physico-chemical analysis, the inhibitory effect.

Поступила в редакцию 15.07.2013 г.