CC BY
12Научная статья УДК 57.042, 602.4
doi:10.37614/2949-1215.2022.13.1.049
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ СТИМУЛИРОВАНИЯ МИКРОВОДОРОСЛИ CHLORELLA С ЦЕЛЬЮ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД
Глеб Андреевич Щеглов1, Владимир Алексеевич Маслобоев2
12Институт проблем промышленной экологии Севера Кольского научного центра Российской академии наук, Апатиты, Россия 1 Gleb_ap@mail.ru 2v.masloboev@ksc.ru
Аннотация
Образование сточных вод, загрязненных соединениями азота, является одной из проблем горнодобывающей промышленности. Многочисленные исследования доказали способность микроорганизмов очищать воду от азота, показали способность микроводоросли Chlorella очищать воду от соединений азота до 100 %. Представлены результаты, показывающие стимуляцию роста хлореллы под воздействием излучения 40 ГГц, что позволяет использовать электромагнитное излучение для ускорения очистки воды от соединений азота микроорганизмами. Ключевые слова:
ремедиация, биотехнологии горного производства, электромагнитные поля (ЭМП), биологические эффекты, облучение, хлорелла
Original article
PROSPECTS FOR WASTEWATER TREATMENT OF CHLORELLA MICROALGAE STIMULATED BY ELECTROMAGNETIC RADIATION
Gleb A. Shcheglov1, Vladimir A. Masloboev2
12Institute of North Ecological Problems of the Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences, Apatity, Russia 1 Gleb_ap@mail.ru 2v.masloboev@ksc.ru
Abstract
The formation of wastewater contaminated with nitrogen compounds is one of the problems of the mining industry. Numerous studies have proven the ability of microorganisms to purify water from nitrogen and have shown the ability of Chlorella to purify water from nitrogen compounds up to 100 %. The article presents the results showing the stimulation of Chlorella growth under the influence of 40 GHz radiation. This result makes it possible to use electromagnetic radiation to speed up the purification of water from nitrogen compounds by microorganisms. Keywords:
remediation, mining biotechnologies, electromagnetic fields (EMF), biological effects, irradiation, Chlorella
Горнодобывающая промышленность занимает лидирующую позицию по объему производства в Мурманской области. Важной проблемой при добыче ископаемых открытым способом является образование сточных вод, загрязненных соединениями неорганического азота. Причиной попадания азота в сточные воды является применение взрывчатых веществ, в состав которых входит нитрат аммония: NH4NO3 (азотокислый аммоний, аммиачная селитра). Так, в Мурманской области ежегодно образуется 225,78 млн м3 азотсодержащих сточных вод [1].
Термическое разложение происходит при температуре, превышающей 350 °С, по формуле:
2NH4NO3 ^ 2N2 + O2 + 4H2O.
Нитрат аммония хорошо растворяется в воде, причем растворение увеличивается при повышении температуры. В воде оказывается 3-4 % от массы азота во взрывчатом веществе [2, 3]. Соединения азота попадают в сточные воды при обводнении скважин и вместе со сточными водами, проходящими через взорванную горную породу [4]. В воде азот может находиться в виде нитратов, нитритов, солей аммония, свободного аммиака.
На данный момент применяются различные методы очистки сточных вод [5]: физико-химические (электролиз, ионный обмен, абсорбция, обратный осмос); химические (озонирование, обработка гипохлоритом). Однако они имеют недостатки: большие затраты на строительство необходимых сооружений и эксплуатацию, сложность обслуживания. Поэтому часто применяют биологические методы, основанные на использовании растений или микроорганизмов, способных поглощать соединения азота [6].
Существует несколько методов биологической отчистки сточных вод от нитрата аммония: 1) "constructed wetland" — создание искусственных болот для естественной очистки воды болотными растениями и микробным сообществом [7]; 2) очистка активным илом — применение специальных сообществ микроорганизмов для очистки хозяйственно-бытовых сточных вод [1, 8-11]; 3) очистка микроводорослью Chlorella [1, 8].
Все биологические методы основаны на применении определённых организмов или микроорганизмов, способных поглощать загрязняющие вещества. Они позволяют достичь высокой степени очистки вод. Для внедрения подобных технологий требуется создание аэротанков, биофильтров, прудов или болот. Достоинствами данных методов являются дешевизна, экологичность, простота, отсутствие необходимости в постоянном контроле. Недостатки метода — образование большого количества ила, требующего утилизации; малый диапазон очищаемых веществ.
Рядом исследований [1, 8, 12] показана способность зеленой прокариотовой микроводоросли Chlorella бороться с цветением, а также очищать воды от азота, фосфора и органических соединений. Степень очистки азота хлореллой или хлореллой совместно с активным илом достигает 100 %, по данным исследований [8]. Подобные результаты получены и для суровых северных условий [1].
Так, согласно исследованию Кирилиной [8], было экспериментально установлено, что хлорелла лучше размножается в присутствии микроорганизмов активного дна. Кроме того, было установлено, что совместное применение микроводорослей и бактерий увеличивает степень очистки сточных вод от азота.
В работе Солнышковой [1] была исследована способность криофильного штамма Chlorella kessleri ВКПМ А1-11 ARW очищать сточные воды от соединений азота при температуре воды 3 °С. На примере сточных вод одного горнодобывающего производства Мурманской области было установлено, что Chlorella kessleri, выращенная в условиях азотного голодания, способна к доочистке карьерных сточных вод с эффективностью 85-90 %.
Солнышкова делает выводы [1] о том, что применение микроводорослей может помочь добиться: снижения концентрации азота, фосфора, металлов, нефтепродуктов, фенола; улучшения органолептических свойств воды; снижения цветения воды путем подавления синезелёных водорослей; увеличения содержания кислорода в воде, увеличения кормовых организмов водоема.
Помочь в разработке и совершенствовании технологий биологической очистки сточных вод могут результаты работ по исследованию совместного действия электромагнитного излучения (ЭМИ) крайне высоких частот (КВЧ) и поллютантов на микроорганизмы [13-15].
Так, в работах Зотовой [14] было зафиксировано снижение воздействия биологически активных веществ при воздействии ЭМИ в диапазоне 53-75 ГГц, а совместное действие фенола 5 мг / л и ЭМИ приводило к появлению клеток, более стойких к фенолу.
Результаты Гапочки [16] показывают снижение токсичности от растворов фенола, кадмия и кобальта при их предварительном облучении ЭМИ 42,22 ГГц. В экспериментах растворы облучали, затем вносили в культуру Scenedesmus quadricauda Breb., после чего оценивали численность микроорганизмов за 50 дней.
Позднее Гапочка [13] на большем количестве объектов показал снижение токсичности фенола при облучении ЭМИ 37,5-53,57 ГГц. Было установлено, что численность микроорганизмов в экспериментах была выше на 30 % при облучении фенола по сравнению с необлучённым фенолом.
Подобные работы показывают перспективность ЭМИ КВЧ для снижения токсичности полютантов. При этом мало работ по изучению воздействия ЭМИ на микроводоросль хлореллу. Например, Мальцевой с соавторами [17] было зафиксировано стимулирующее действие ЭМИ на хлореллу. А Суховскому [18] удалось разработать биореактор, ускоряющий рост хлореллы электростатическим излучением в два раза. Однако работ по изучению комбинированного действия ЭМИ и поллютантов на хлореллу найдено не было.
© Щеглов Г. А., Маслобоев В. А., 2022 284
Поэтому нами было проведено предварительное исследование с целью выявления возможности стимулирования роста микроводоросли хлореллы электромагнитным полем, чтобы в дальнейшем изучить действие на нее ЭМИ и нитрата аммония. Результаты данных исследований находятся в стадии публикации в журнале «Радиационная биология. Радиоэкология» (ISSN 0869-8031).
Материалы и методы
Объектом исследования служила прокариотовая зеленая микроводоросль Chlorella vulgaris, выращенная на среде Тамия. В рамках экспериментов хлореллу облучали ЭМИ 38-53 ГГц, ППЭ 0,5 • 10-2 Вт / м2в течение 8 ч. Длительность экспериментов составляла 24 ч. Все эксперименты имели по три повтора. Источником излучения служил генератор Г4-141. Количество биомассы водоросли измерялось по методике ГОСТ 17.1.4.02-90 [19].
Результаты
На рисунке представлено изменение концентрации биомассы микроводоросли относительно контроля <АБ> при воздействии ЭМИ 38-53 ГГц. Красной линией обозначена контрольная концентрация биомассы хлореллы в образцах. Синей линией обозначено, во сколько раз изменилась концентрация биомассы в экспериментах при воздействии ЭМИ КВЧ 38-53 ГГц относительно контроля.
Изменение концентрации биомассы Chlorella vulgaris под воздействием ЭМИ 38-53 ГГц относительно контроля (пояснения в тексте)
Показано увеличение концентрации биомассы хлореллы при воздействии ЭМИ КВЧ 40 ГГц в 2,37 раза относительно контроля без облучения. Таким образом, ЭМИ КВЧ можно использовать для стимулирования роста хлореллы, что согласуется с данными других авторов [13, 14, 16, 17, 20, 21].
Полученные результаты говорят о перспективности разработки методик отчистки сточных вод и стимулирования роста Chlorella с помощью электромагнитного поля. Необходимы дальнейшие исследования по изучению комбинированного действия ЭМИ КВЧ и поллютантов на рост и способность хлореллы очищать воду.
Список источников
1. Солнышкова М. А. Снижение загрязнения поверхностных вод неорганическими соединениями азота в зоне воздействия горнодобывающих предприятий Мурманской области. СПб., 2020. 33 c.
2. Хохряков А. В., Студенок А. Г., Студенок Г. А. Исследование процессов формирования химического загрязнения дренажных вод соединениями азота на примере карьера крупного горного предприятия // Известия Уральского государственного горного университета. 2016. № 4 (44). С. 35-37.
3. Potential technologies for the removal and recovery of nitrogen compounds from mine and quarry waters in subarctic conditions / J. Jermakka, L. Wendling, E. Sohlberg, H. Heinonen, M. Vikman // Critical Reviews in Environmental Science and Technology. 2014. № 45 (7). P. 703-748.
4. Солнышкова М. А., Пашкевич М. А. Исследование эффективности биологической очистки воды от нитратов с помощью биоплато // Естественные и технические науки. 2018. № 5 (119). С. 169-173.
5. Гогина Е. С. Удаление биогенных элементов из сточных вод: монография / ГОУ ВПО Моск. гос. строит. ун-т. М.: МГСУ, 2010. 120 с.
6. Нитрификация и денитрификация сточных вод / В. Н. Швецов, К. М. Морозова, И. А. Нечаев, Л. А. Петрова // ВСТ. 1995. № 11. С. 16-18.
7. Пора очищать Арктику. Создание фитоочистной системы для доочистки сточных вод горнорудных предприятий от соединений азота / Л. А. Иванова и др. Апатиты: Издательство Кольского научного центра, 2021. С. 1.
8. Кирилина Т. В., До Тхи Тху Ханг, Сироткин А. С. Оценка эффективности доочистки сточных вод с использованием одноклеточных и многоклеточных гидробионтов // Вестник Казанского технологического университета. 2013. № 8 (16). С. 200-203.
9. Мешенгиссер Ю. М., Щетинин А. И., Есин М. А. Удаление азота и фосфора активным илом // Коммунальное хозяйство городов. 2006. № 74. С. 36-45.
10. Биотехнология очистки сточных вод с иммобилизацией активного ила и удалением азота / М. Г. Зубов и др. // Водоснабжение и санитарная техника. 2013. № 8. С. 72-75.
11. Дубовик О. С., Маркевич Р. М. Совершенствование биотехнологий удаления азота и фосфора из городских сточных вод // Труды БГТУ. Серия 2: Химические технологии, биотехнология, геоэкология. 2016. № 4 (186). С. 232-238.
12. Пат. № 2350569 Рос. Федерация, МПК C 02 F 3 /32. Способ борьбы с «цветением» воды синезелеными водорослями в водоемах / Мелихов В. В, Кузнецов П. И., Московец М. В., Каменев В. М., Каренгина Т. В., Мелихова М. В., Смирнов С. В.; патентообладатель Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт орошаемого земледелия РАСХН. № 2007145006/15 ; заявл. 03.12.2007 ; опубл. 27.03.2009.
13. Гапочка М. Г. Экологические аспекты взаимодействия электромагнитных полей миллиметрового диапазона с биологическими объектами. М., 2013. 49 с.
14. Зотова Е. А. Влияние комбинированного воздействия электромагнитного излучения и химических реагентов на биологические системы. Саратов: СГУ, 2007. С. 10-45.
15. Люминесцентные бактерии — эффективный объект оценки действия нейромедиаторов в условиях «электромагнитного загрязнения» среды / А. П. Зарубина и др. // Радиационная биология. Радиоэкология. 2018. № 3. С. 272-276.
16. Гапочка М. Г. Влияние электромагнитного излучения низкой интенсивности на токсичность водной среды // ВМУ. Физика, астрономия. 2009. № 1. С. 67-69.
17. Мальцев Н. И., Шеин А. Г., Яременко Ю. Г. Хлорелла в высокочастотных полях // Биомедицинская радиоэлектроника. 2012. № 5. С. 35-40.
18. Суховский Н. А. Стимулирование прироста микроводоросли Хлореллы электростатическим полем: автореф. дис. ... канд. тех. наук. М., 2015. 20 с.
19. ГОСТ 17.1.4.02-90. Методика спектрофотометрического определения хлорофилла a. 1999.
20. Голант М. Б., Брюхова А. К., Ребров Т. Б. Некоторые закономерности действия электромагнитных излучений миллиметрового диапазона на микроорганизмы // Сборник докладов «Применение миллиметрового излучения низкой интенсивности в биологии и медицине». М.: ИРЭ АН СССР, 1985. С. 157-161.
21. Девятков Н. Д., Голант М. Б., Бецкий О. В. Миллиметровые волны и их роль в процессах жизнедеятельности. М.: Радио и связь, 1991. 186 с.
References
1. Solnyshkova M. A. Snizhenie zagryazneniyapoverhnostnyh vod neorganicheskimi soedineniyami azota v zone vozdejstviya gornodobyvayushchih predpriyatij Murmanskoj oblasti [Reducing surface water pollution by inorganic nitrogen compounds in the impact zone of mining enterprises in the Murmansk]. Saint Petersburg, 2020, 33 p. (In Russ.).
2. Khohryakov A. V., Studenok A. G., Studenok G. A. Issledovanie processov formirovaniya himicheskogo zagryazneniya drenazhnyh vod soedineniyami azota na primere kar'era krupnogo gornogo predpriyatiya [Study of processes of formation of chemical pollution of drainage water with nitrogen compounds on the example of the pit of a large mining enterprise]. Izvestiya Ural'skogo gosudarstvennogo gornogo universiteta [Proceedings of the Ural State Mining University], 2016, no. 4 (44), pp. 35-37. (In Russ.).
3. Jermakka J., Wendling L., Sohlberg E., Heinonen H., Vikman M. Potential technologies for the removal and recovery of nitrogen compounds from mine and quarry waters in subarctic conditions. Critical Reviews in Environmental Science and Technology, 2014, no. 45 (7), pp. 703-748.
4. Solnyshkova M. A., Pashkevich M. A. Issledovanie effektivnosti biologicheskoj ochistki vody ot nitratov s pomoshch'yu bioplato [A study of the effectiveness of biological water purification from nitrates with the help of bioplato]. Estestvennye i tekhnicheskie nauki [Natural and Technical Sciences], 2018, no. 5 (119), pp. 169-173. (In Russ.).
5. Gogina E. S. Udalenie biogennyh elementov iz stochnyh vod [Removal of nutrients from wastewater]. Moscow, MGSU, 2010, 120 p. (In Russ.).
6. Shvecov V. N., Morozova K. M., Nechaev I. A., Petrova L. A. Nitrifikaciya i denitrifikaciya stochnyh vod [Nitrification and denitrification of wastewater]. Vodosnabzhenie i sanitarnaya tekhnika [Water Supply and Sanitary Engineering], 1995, no. 11, pp. 16-18. (In Russ.).
7. Ivanova L. A., Myazin V. A., Kornejkova M. V., Fokina N. V., Evdokimova G. A., Red'kina V. V. Pora ochishchat' Arktiku. Sozdanie fitoochistnoj sistemy dlya doochistki stochnyh vod gornorudnyh predpriyatij ot soedinenij azota [It's time to clean up the Arctic. Creation of a phyto-treatment system for post-treatment of mining wastewater from nitrogen compounds]. Apatity, Izdatel'stvo Kol'skogo nauchnogo centra, 2021, 88 p. (In Russ.).
8. Kirilina T. V., Do Thi Thu Hang, Sirotkin A. S. Ocenka effektivnosti doochistki stochnyh vod s ispol'zovaniem odnokletochnyh i mnogokletochnyh gidrobiontov [Assessment of efficacy of wastewater pretreatment using unicellular and multicellular hydrobionts]. Vestnik Kazanskogo tekhnologicheskogo universiteta [Bulletin of Kazan Technological University], 2013, no. 8 (16), pp. 200-203. (In Russ.).
9. Meshengisser Yu. M., Shchetinin A. I., Esin M. A. Udalenie azota i fosfora aktivnym ilom [Removal of nitrogen and phosphorus by activated sludge]. Kommunal'noe hozyajstvo gorodov [Urban Utilities], 2006, no. 74, pp. 36-45. (In Russ.).
10. Zubov M. G., Boyarenev S. F., Zubov G. M., Kulikov N. I., Shramov Yu. M., Litti Yu. V., Nekrasova V. K., Nozhevnikova A. N. Biotekhnologiya ochistki stochnyh vod s immobilizaciej aktivnogo ila i udaleniem azota [Biotechnology of wastewater treatment with immobilization of activated sludge and nitrogen removal]. Vodosnabzhenie i sanitarnaya tekhnika [Water Supply and Sanitary Engineering], 2013, no. 8, pp. 72-75. (In Russ.).
11. Dubovik O. S., Markevich R. M. Sovershenstvovanie biotekhnologij udaleniya azota i fosfora iz gorodskih stochnyh vod [Improvement of biotechnologies of nitrogen and phosphorus removal from municipal wastewater]. Trudy BGTU. Seriya 2: Khimicheskie tekhnologii, biotekhnologiya, geoekologiya [Proceedings of BSTU. Series 2: Chemical Technology, Biotechnology, Geoecology], 2016, no. 4 (186), pp. 232-238. (In Russ.).
12. Melihov V. V, Kuznecov P. I., Moskovec M. V., Kamenev V. M., Karengina T. V., Melihova M. V., Smimov S. V. Sposob bor'by s "tsveteniem" vody sinezelenymi vodoroslyami v vodoemah [A way to combat "blooming" of water by blue-green algae in reservoirs]. Patent RF, no. 2350569, 2009.
13. Gapochka M. G. Ekologicheskie aspekty vzaimodejstviya elektromagnitnyh polej millimetrovogo diapazona s biologicheskimi ob 'ektami [Ecological aspects of interaction of millimeter range electromagnetic fields with biological objects]. Moscow, 2013, 49 p.
14. Zotova E. A. Vliyanie kombinirovannogo vozdejstviya elektromagnitnogo izlucheniya i himicheskih reagentov na biologicheskie sistemy [Effect of combined exposure to electromagnetic radiation and chemical reagents on biological systems]. Saratov, SGU, 2007, pp. 10-45. (In Russ.).
15. Zarubina A. P., Sorokina E. V., Parhomenko I. M., Gapochka M. G. Lyuminescentnye bakterii — effektivnyj ob'ekt ocenki dejstviya nejromediatorov v usloviyah "elektromagnitnogo zagryazneniya" sredy [Luminescent bacteria is an effective object for evaluation of neurotransmitter action under conditions of "electromagnetic pollution" of the environment]. Radiacionnaya biologiya. Radioekologiya [Radiation Biology. Radioecology], 2018, no. 3, pp. 272-276. (In Russ.).
16. Gapochka M. G. Vliyanie elektromagnitnogo izlucheniya nizkoj intensivnosti na toksichnost' vodnoj sredy [Influence of low intensity electromagnetic radiation on the toxicity of the aquatic environment]. Vestnik Moskovskogo universiteta. Fizika, astronomiya [Bulletin of the Moscow University. Physics and Astronomy], 2009, no. 1, pp. 67-69. (In Russ.).
17. Mal'cev N. I., Shein A. G., Yaremenko Yu. G. Hlorella v vysokochastotnyh polyakh [Chlorella in high-frequency fields]. Biomedicinskaya radioelektronika [Biomedical Radioelectronics], 2012, no. 5, pp. 35-40. (In Russ.).
18. Suhovskij N. A. Stimulirovanie prirosta mikrovodorosli khlorelly elektrostaticheskim polem [Stimulation of microalgae Chlorella growth by an electrostatic field. PhD (Technical Sciences) abstract of dis.]. Moscow, 2015, 20 p.
19. GOST 17.1.4.02-90. Metodika spektrofotometricheskogo opredeleniya khlorofilla a [GOST 17.1.4.02-90. Methods of spectrophotometric determination of Chlorophyll a], 1999.
20. Golant M. B., Bryuhova A. K., Rebrov T. B. Nekotorye zakonomernosti dejstviya elektromagnitnyh izluchenij millimetrovogo diapazona na mikroorganizmy [Some regularities of action of millimeter range electromagnetic radiation on microorganisms]. Sbornik dokladov "Primenenie millimetrovogo izlucheniya nizkoj intensivnosti v biologii i medicine" [Collection of reports "Low Intensity Millimeter Radiation Application in Biology and Medicine"]. Moscow, IRE AN SSSR, 1985, pp. 157-161. (In Russ.).
21. Devyatkov N. D., Golant M. B., Beckij O. V. Millimetrovye volny i ih rol' v processah zhiznedeyatel'nosti [Millimeter waves and their role in life processes]. Moscow, Radio i svyaz', 1991, 186 p. (In Russ.).
Информация об авторах
Г. А. Щеглов — аспирант;
В. А. Маслобоев — доктор технических наук.
Information about the authors
G. A. Shcheglov — PhD Student;
V. A. Masloboev — Dr. Sc. (Engineering).
Статья поступила в редакцию 01.03.2022; одобрена после рецензирования 04.04.2022; принята к публикации 08.04.2022.
The article was submitted 01.02.2022; approved after reviewing 04.04.2022; accepted for publication 08.04.2022.
© Щеглов Г. А., Маслобоев В. А., 2022 288
