CC BY
15
DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2017.58.110 Герман Н.В.1, Севрюкова Г.А.2, Картушина Ю.Н.3, Гречишникова Ю.В.4
1 Кандидат биологических наук, Волгоградский государственный университет, 2ORCID: 0000-0002-7933-3523, доктор биологических наук,
3
кандидат геолого-минералогических наук, 4соискатель, 2,3,4Волгоградский государственный технический университет ОБОСНОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ВЛИЯНИЯ ПРИРОДНЫХ МИНЕРАЛЬНЫХ КОМПОНЕНТОВ
НА БИОПРЕПАРАТ
Аннотация
Данные материалы поясняют необходимость использования минеральных добавок на основе бишофита, солевой рапы озера Эльтон и солей Мертвого моря с целью ускорения роста бактериального штамма B. subtilis ВГТУ5 и перспективы его внедрения в технологический процесс биологической очистки сточных вод. Математическое моделирование экспериментальных данных проводилось на основе регрессионного анализа с использованием метода наименьших квадратов. Данные регрессионного анализа свидетельствуют об адекватности математической модели; наличии прямой высокой зависимости и достоверности, повторяемости результатов эксперимента.
Ключевые слова: B. subtilis ВГТУ5, минеральные добавки, биологическая очистка, бишофит, солевая рапа озера Эльтон, соли Мертвого моря.
German N.V.1, Sevrjukova G.A.2, Kartushina Ju.N.3, Grechishnikova Ju.V.4
1PhD in Biology, Volgograd State University, 2ORCID: 0000-0002-7933-3523, PhD in Biology, 3PhD in Geology and Mineralogy, 4postgraduate,
2,3,4Volgograd State Technical University SUBSTANTIATION OF THE RESULTS OF NATURAL MINERAL COMPONENTS INFLUENCE
ON BIOPREPARATION
Abstract
The materials of the paper explain the necessity to use mineral additives based on bischofite, salt bittern of Lake Elton and salts of the Dead Sea in order to accelerate the growth of bacterial strain B. subtilis VGTU5 and outline the prospects of their introduction into the technological process of biological wastewater treatment. Mathematical modeling of the experimental data was carried out on the basis of regression analysis with the help of the least squares method. The data of the regression analysis testify to the adequacy of the mathematical model as well as the presence of direct high dependence and reliability, and repeatability of the experimental results.
Keywords: B. subtilis VGTU5, mineral additives, biological cleansing, bischofite, salt bittern of Lake Elton, salts of the Dead Sea.
Введение. В настоящее время активно используются методы биологической очистки с целью решения экологических задач очистки загрязненных сред и восстановления нарушенных экосистем. Биологическая очистка сточных вод применяется на большинстве очистных сооружений и по объему перерабатываемых стоков является самой крупнотоннажной технологией [2, С. 49].
Главным звеном биологической очистки являются микроорганизмы, которые используют в качестве питательных веществ и источника энергии, растворенные органические и минеральные соединения, содержащиеся в сточных водах [4, С. 4]. Из остатков разрушенных молекул органических загрязнений микробы поглощают вещества, необходимые для их размножения и увеличения биомассы, активного ила и биопленки. Микробы разлагают органические вещества до углекислого газа и воды и создают в процессе минерализации соли азотистой, азотной кислот и другие соединения. Органические примеси сточных вод при их аэробной биологической очистке окисляются активным илом и биопленкой. Активный ил разрушает органические соединения в специальных сооружениях - аэротенках в условиях аэрации сточной жидкости и ила, находящегося под влиянием барботажа во взвешенном состоянии. Биопленка, прикрепленная к наполнителю биофильтров, постоянно соприкасается с воздухом и сточными водами [3, С. 29].
Целью исследования является математическое моделирование роста биопрепарата Bacillus subtilis ВГТУ5 с повышенными ростовыми характеристиками в изучаемых экспериментальных условиях (минерализация среды).
Материалы и методы исследования. Необходимость элементов для роста бактерий определяли на синтетических средах, исключая один из источников питания из состава питательной среды. В качестве контрольной (полноценной) среды использовали жидкую питательную среду следующего состава (г/л): глюкоза - 80; нитрат аммония - 2,4; фосфат калия однозамещенный - 1,6; сульфат магния (II) - 0,4; сульфат железа (II) - 0,08.
В экспериментальных образцах питательных сред отсутствовали источники наиболее важных минеральных элементов - фосфора (P), калия (K) или магния (Mg).
Динамику роста штамма B. subtilis ВГТУ5 определяли путем лабораторного моделирования биологической очистки в условиях глубинного аппаратного культивирования в биореакторе BIOTEC 1607 POLYFERM (фирма LKB, Швеция) с использованием минеральных добавок: бишофита, солевой рапы озера Эльтон, солей Мертвого моря. Интенсивность роста и накопление биомассы бактериальных штаммов оценивали оптическим методом с помощью прибора КФК-2-УХЛ-4.2 в кюветах с длиной оптического пути 5,065 мм, при длине волны 670 нм.
PH питательных сред и культуральных жидкостей определяли с использованием рН-метра Hi2215 (HANNA Hinstruments Германия).
Математическое моделирование экспериментальных данных проводилось на основе регрессионного анализа с использованием метода наименьших квадратов [1, С. 36].
Результаты и обсуждение.
По данным нашего исследования наиболее значимым для культуры B.subtilis ВГТУ5 минеральным элементом является магний. Его отсутствие уменьшает продуктивность культуры на 58 %. Полученные результаты позволили предположить возможность интенсификации роста штамма B.subtilis ВГТУ5 путем добавления в питательную среду богатых солями магния минеральных компонентов, находящихся в природных средах. В качестве минеральных добавок использовали раствор бишофита Приволжской моноклинали, солевую рапу озера Эльтон и соль Мертвого моря.
Основное вещество бишофита - хлорид магния - выпадает из насыщенного раствора в виде кристаллогидрата . Поскольку экспериментальным путем было установлено, что магний необходим для роста выделенного нами бактериального штамма, бишофит может выступать в качестве «интенсификатора» роста культуры.
Рапа - это насыщенный соляной раствор, вода лиманов и соленых озер. Рапой считается вода с соленостью более 50 промилле, что примерно в 1,5 раза выше, чем соленость воды мирового океана. Минерализация и солевой состав рапы озера Эльтон претерпевают существенные сезонные и многолетние циклические изменения. В обычные по водности годы минерализация меняется от 250-270 г/дм до 400-450 г/дм3 (осенью). В многоводные годы минерализация рапы весной может снижаться до 180-200 г/дм3, а в засушливые годы осенью достигать необычайно высокой величины - 525 г/дм3, при этом в менее концентрированных рассолах обычно преобладает галит, а в высококонцентрированных рассолах - бишофит. Реакция среды в исследуемой рапе нейтральная (рН 7,1).
Преобладающим ингредиентом соли Мертвого моря являются хлориды магния. При этом многие микроэлементы, входящие в состав морской воды, имеют короткое время пребывания, поэтому их концентрация может значительно меняться. В воде Мертвого моря содержатся соли калия, натрия, магния, кальция, хлора и брома в таких концентрациях, которые не допускают жизни, о чем свидетельствует название этого водного объекта. Кроме того, воды Мертвого моря имеют высокое значение рН, равное 9 [3, С. 66-69].
Для исследования влияния природных минеральных соединений на штамм B.subtilis ВГТУ5 были приготовлены полусинтетические питательные среды, в которые добавляли в качестве источника углерода - глюкозу (4%), источника азота - нитрат аммония (1%). В приготовленную среду вводили один из минеральных компонентов: бишофит, солевую рапу озера Эльтон и соли Мертвого моря.
С целью подбора оптимальной концентрации минеральных компонентов в пробирках с 3 мл питательной среды, содержащей источники углерода и азота, двукратно разводили растворы этих добавок, засевали в них микроорганизмы и выращивали в течение 22 ч при 37°С. Оценку уровня накопления биомассы проводили, регистрируя оптическую плотность суспензий на фотоэлектроколориметре.
В качестве контроля использовали штамм, засеянный в питательную среду без природных минеральных компонентов. С каждой из минеральных добавок было проведено 3 параллельных опыта по 5 измерений.
Найденные экспериментальные зависимости оптической плотности суспензии бактерий (D) от концентраций (С) бишофита и солей Мертвого моря имели схожие описательные уравнения следующего вида:
Д0иш = -0,003 + 2,463 х С - 140,8 х С2 + 185 6 X С3 (1)
Дмморе = 0, о 0 9 + 0, 0 1 9 X С - 0, 0 1 2 X С2 + 0, 0 0 1 X С3 (2)
Регрессионная зависимость оптической плотности клеточной суспензии B. subtilis ВГТУ5 от концентрации солевой рапы озера Эльтон отличалась от рассмотренных выше уравнений и имела следующий вид:
Драпа = 0,001 + 0,02 6 X С - 0,005 X С2 (3)
По проведенному регрессионному анализу экспериментальной зависимости оптической плотности суспензии B. subtilis ВГТУ5 от концентраций минеральных добавок (бишофита, солевой рапы озера Эльтон, солей Мертвого моря) были сделаны следующие выводы:
- коэффициенты корреляции свидетельствуют о прямой высокой зависимости, т.е. у=у(х): гбиш = + 0,874; гмморе = 0,987; ^ = 0,9 60;
- нелинеаризованная относительная ошибка по МНК: максимальная - до 10%, средняя - до 5%;
- критерий Кохрена, рассчитанный в линеаризованном виде, свидетельствует об однородности дисперсии и достоверности, повторяемости результатов:
1) для бишофита: Сграсч = 0 , 5 7 < Сгтаб = 0, 6 8 3
2) для солей Мертвого моря: Сграсч = 0 , 6 5 < Grmo0 = 0, 6 8 3
3) для солевой рапы озера Эльтон: Grрасч = 0, 5 3 < Gt™6 = 0 , 6 8 3
- критерий Фишера, рассчитанный по МНК, свидетельствует об адекватности модели:
1) для бишофита: Fp^4 = 2 , 6 8 < Fp таб = 3 , 7 1
2) для солей Мертвого моря: Fpрасч = 2 , 6 8 < Fp таб = 3 , 7 1
3) для солевой рапы озера Эльтон: Fp^^ = 2 , 1 < Fp™6 = 3 , 7 1
Заключение. На основании полученных данных для ускорения роста бактериального штамма B. subtilis ВГТУ5 и перспективы его внедрения в технологический процесс биологической очистки сточных вод рекомендуется использовать минеральные добавки на основе бишофита, солевой рапы озера Эльтон, солей Мертвого моря.
Список литературы / References
1. Голованчиков А.Б. Применение ЭВМ в химической технологии и экологии: учеб. пособие (Ч.1) /А.Б. Голованчиков, Б.В. Симонов. - Волгоград: ВолгГТУ, 1994. - 114 с.
2. Герман Н.В. Глубинное культивирование микроорганизмов - деструкторов загрязнений сточных вод кожевенного производства /Н.В. Герман, И.В. Владимцева, И.В. Соколова и др. //Фундаментальные исследования. -2015. - № 2-1. - С. 49-52.
3. Герман Н.В. Получение и применение бактериального биопрепарата для очистки сточных вод кожевенного производства: дис. ...канд. биол. наук: 03.01.06: защищена 08.04.16: утв. 25.11.16 /Герман Надежда Валерьевна. - М., 2016. - 131 с.
4. Яковлев, С. В. Биологическая очистка производственных сточных вод /С. В. Яковлев и др.; под ред. С. В. Яковлева. - М.: Стройиздат, 1985. - 208 с.
Список литературы на английском языке / References in English
1. Golovanchikov A.B. Primeneniye EVM v khimicheskoy tekhnologii i ekologii: ucheb. posobiye (ch.1) [Computers Application in Chemical Technology and Ecology: Textbook. Allowance (P.1)] / A.B. Golovanchikov, B.V. Simonov. -Volgograd: VolgGTU, 1994. - 114 p. [in Russian]
2. Herman N.V. Glubinnoye kultivirovaniye mikroorganizmov - destruktorov zagriazneniy stochnykh vod kogevennogo porizvodstva [Deep Cultivation of Microorganisms - Destructors of Wastewater Contamination in Leathermaking Industry] / N.V. Herman, I.V. Vladimtseva, I.V. Sokolov et al. / Fundamental'nye issledovanija [Fundamental research]. - 2015. - No. 21. - P. 49-52. [in Russian]
3. Herman N.V. Polucheniye i primeneniye bakterialnogo biopreparata dlia ochistki stochnykh vod kozhevennogo proizvodstva [Obtaining and Application of Bacterial Biopreparation for Wastewater Treatment in Leathermaking Industry]: Thesis of Cand. of Biol. Sciences: 03.01.06: protected 08.04.16: certified 25.11.16 / Herman Nadezhda Valeryevna. - M., 2016. - 131 p. [in Russian]
4. Yakovlev, S.V. Biologicheskaya ochistka proizvodstvennykh stochnykh vod [Biological Treatment of Industrial Wastewater] / S.V.Yakovlev and others; ed. by S.V. Yakovleva. - Moscow: Stroiizdat, 1985. - 208 p. [in Russian]
DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2017.58.093 Загидуллина А.Ш.1, Михина О.Н.2, Канакова А.А.3, Филиппова А.В.4
1 Аспирант, Оренбургский государственный аграрный университет,
2кандидат биологических наук, Оренбургский государственный аграрный университет,
3кандидат биологических наук, доцент, Оренбургский государственный аграрный университет,
4доктор биологических наук, профессор, Оренбургский государственный аграрный университет АГРОЭКОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЧВ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СПОСОБАХ ОСНОВНОЙ ОБРАБОТКИ НА ЧЕРНОЗЕМЕ ЮЖНОМ В СУХОСТЕПНЫХ УСЛОВИЯХ
Аннотация
Данная статья посвящена проблемам применения разных видов основной обработки почв в условиях рискованного земледелия. В статье рассматривается влияние основной обработки почвы на общую полевую влагу. Даны климатические показатели за период исследования, которые влияют на численность почвенных организмов. Рассчитана корреляционная зависимость между численностью почвенных организмов и почвенной влагой. В результате исследования отмечено положительное влияние безотвальной и глубокой отвальной обработок на сохранение влаги, безотвальная обработка благоприятно повлияла на урожайность озимой пшеницы. Нами отмечено, что при применении безотвальной обработки сформировалось наибольшее количество эрозионно-опасных агрегатов.
Ключевые слова: основная обработка, общая полевая влажность, почвенная биота, агроэкосистема, чернозем южный.
Zagidullina A.Sh.1, Mikhina O.N.2, Kanakova A.A.3, Filippova A.V.4
Postgraduate student, Orenburg State Agrarian University, 2PhD in Biology, Orenburg State Agrarian University, 3PhD in Biology, Associate professor, Orenburg State Agrarian University, 4PhD in Biology, Professor Orenburg State Agrarian University AGROECOLOGICAL PROPERTIES OF SOILS AT DIFFERENT METHODS OF BASIC TILLAGE
ON BLACK SOIL IN DRY CONDITIONS
Abstract
This paper is devoted to the problems of application of different types of basic tillage under conditions of risky farming. The influence of basic tillage on the total moisture in a field is considered in this work. The climatic parameters for the studied period affecting the number of soil organisms are given. The correlation dependence between the number of soil organisms and soil moisture is calculated. As a result of the study, the positive effect of the unrestricted and deep dump tillage on the retention of moisture is noted, and the unprocessed tillage favorably affected the productivity of winter wheat. We noted that the most amount of erosion-hazardous aggregates has been formed with the use of nonmoldboard cultivation.
Keywords: main tillage, total field moisture, soil biota, agroecosystem, southern chernozem.
Экологической проблемой современного сельского хозяйства является снижение качества почв и нарушение р езервных возможностей агроэкосистем, что неизбежно ведет к снижению продуктивности сельскохозяйственных культур. Так, по данным пресс-службы правительства Оренбургской области средняя урожайность зерновых и зернобобовых зерновых в регионе варьируют от 2,6 ц/га, до 13,4 ц/га [5]. В зонах рискованного земледелия, к которым относится Оренбургская область, проблемы стабильности получения урожая при сохранении качества почв связана с недостатком влаги в вегетационном периоде. Суховеи, сопровождающие практически весь теплый период, иссушают почвы на глубину корнеобитаемого слоя. [1, С. 20]. В условиях дефицита влаги агроэкосистемы становятся особенно уязвимыми, наблюдается «стерильность» пахотных почв по биотической
