CC BY-ND
64
сентябрь №Ч (294) ЗНиСО
35
УДК 614.7
ПРОБЛЕМА «ЦВЕТЕНИЯ» ВОДОИСТОЧНИКОВ. ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ПРОЦЕССОВ ВОДОПОДГОТОВКИ НА СОДЕРЖАНИЕ ЦИАНОБАКТЕРИЙ В ПИТЬЕВОЙ ВОДЕ ХОЗЯЙСТВЕННО-ПИТЬЕВОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ
ГОРОДА МОСКВЫ
Н.В. Кузь, З.И. Жолдакова
ФБУЗ «Центр гиены и эпидемиологии в городе Москве», Москва, Россия
Определена актуальность проблемы массового развития цианобактерий. Изучена проблема «цветения» водоисточников города Москвы. Проведен анализ многолетней и сезонной динамики основных биогенных элементов (фосфора и азота) в исходной воде водоисточника. Выполнена оценка эффективности очистки воды от клеток цианобактерий по этапам очистки технологических линий станции водоподготовки. Сделан вывод о необходимости дальнейшего проведение исследований на содержание продуктов жизнедеятельности цианобактерий в исходной и питьевой воде водоисточника.
Ключевые слова: питьевое водоснабжение, биогенные элементы, цианобактерии, сине-зеленые водоросли, эффективность очистки.
N.V. Kuz', Z.I. Zholdakova □ THE PROBLEM OF THE «FLOWERING» OF THE WATER SOURCES. EVALUATION OF THE INFLUENCE OF WATER PROCESSING ON THE CONTENT OF CYANOBACTERIUM IN DRINKING WATER OF ECONOMIC-DRINKING WATER SUPPLY OF MOSCOW □ Center of Hygiene and Epidemiology in Moscow, Moscow, Russia.
The urgency of the problem of mass growth of cyanobacteria is determined. The problem of the «flowering» of water sources of Moscow has been studied. The analysis of long-term and seasonal dynamics of the main biogenic elements (phosphorus and nitrogen) in the initial water of the water source. The efficiency of water purification from cyanobacteria cells was evaluated in the purification stages of technological lines of water processing stations. The conclusion is made that it is necessary to carry out further studies on the content of the products of vital activity of cyanobacteria in the initial and drinking water of the water source.
Key words: drinking water supply, biogenic elements, cyanobacteria, blue-green algae, purification efficiency.
Влияние воды на здоровье населения известно еще с древних времен. В возникновении кишечных инфекций и интоксикаций, связанных с водным путем передачи, имеют значение все виды водопользования населения, но ведущая роль, безусловно, отводится питьевому водоснабжению [10].
Согласно основополагающим критериям действующих в Российской Федерации гигиенических требований и нормативов питьевая вода должна быть безопасна в эпидемическом и радиационном отношении, безвредна по химическому составу и иметь благоприятные органо-лептические свойства.
На данном этапе безвредность и безопасность питьевых вод оценивается по научно обоснованной группе показателей. Следует отметить, что наряду с определенными показателями известен достаточно большой перечень хорошо изученных веществ, представляющих угрозу здоровью человеку, но до сих пор не включенных в список показателей для контроля качества питьевой воды. По мнению ученых различных стран мира, к их числу относятся цианобактерии (сине-зеленые водоросли) и продукты их жизнедеятельности. Агентство по охране окружающей среды (EPA) в 1998 г. официально включило цианобактерии в список важнейших загрязнителей питьевой воды.
Цианобактерии - одни из древнейших микроорганизмов и встречаются во всем мире. Наиболее благоприятной средой обитания для них являются поверхностные, хорошо прогреваемые воды, богатые биогенными элементами.
Массовое развитие цианобактерий («цветение») приводит к ухудшению органолептичес-ких показателей, появлению в воде посторон-
них запахов, основными источниками которых являются одоранты - особые органические вещества биогенного происхождения. Считают, что одоранты в поверхностных водоемах в качестве вторичных метаболитов вырабатывают цианобактерии [11, 17]. Хорошо изученными и часто встречаемыми одорантами являются гео-смин и 2-метилизобарнеол.
Особого внимания заслуживает способность цианобактерий в процессе жизнедеятельности выделять токсические вещества, обладающие широким спектром действия на биологические объекты. Токсины цианобактерий обладают канцерогенностью, мутагенностью, эм-бриотоксичностью, нейротоксичностью, имму-нотоксичностью, гепатотоксичностью, дерма-тотоксичностью [19].
В организм человека токсины попадают с питьевой водой, при купании, употреблении БАДов, содержащих водоросли [14, 21], моллюсков и рыбы [21]. Размер клеток ЦБ позволяет им легко проникать через обычные фильтры водопроводных сооружений и попадать в разводящую сеть [5, 12].
Цель исследования - изучение проблемы «цветения» водоисточников города Москвы, оценка эффективности очистки исходной воды на станциях водоподготовки от цианобактерий и продуктов их жизнедеятельности.
Материалы и методы. Объекты исследования: результаты лабораторно-инструменталь-ных данных ЗАО «Роса» природной воды в местах водозаборов Рублевской, Западной, Восточной и Северной станций водоподготовки за период 2009-2015 гг.; исходная вода на водозаборе Рублевской станции водоподготовки; вода в
36
ЗНиСО
сентябрь М (294)
процессе водоподготовки на 4 технологических линиях Рублевской станции водоподготовки на этапах: после отстойников, после песчаных фильтров, после контактного бассейна озонирования, после угольных фильтров; питьевая вода на выходе со станции водоподготовки; питьевая вода в разводящей сети Рублевской станции.
Предмет исследования: содержание общего количества фитопланктона, соотношение цианобактерий в составе фитопланктона, видовой состав цианобактерий; содержание биогенных элементов: фосфора и азота; содержание продуктов жизнедеятельности цианобактерий на примере: геосмина и 2-метилизобарнеола.
Методы исследования. Статистическая обработка данных проводилась с использованием стандартных компьютерных программ Microsoft Excel.
Отбор проб проводился 1 раз в неделю, в соответствии с ГОСТ 31861-2012 «Вода. Общие требования к отбору проб» [1]. Пробы отбир^-ли в полиэтиленовые бутыли емкостью 1 дм3. Анализ проводился сразу после отбора проб.
Определение фитопланктона проводили по Методическим указаниям по учету фитопланктона в лабораториях МГУП «Мосводоканал», утвержденным зам. генерального директора МГУП «Мосводоканал» А.П. Сигиным 14.02.2005 [13].
Концентрирование проб проводили на мембранных фильтрах Владипор типа МФАС-П-4 (ЗАО НТЦ «Владипор», паспорт № 792, партия № 25, дата выпуска: март 2016 г.).
Микроскопирование проб фитопланктона. Для подсчета фитопланктона использовалась камера Nageotte объемом 1,25 мм и микроскоп Axiostar plus (Carl Zeiss).
Видовой состав определялся с помощью определителя пресноводных водорослей СССР (Голлербах М.М., 1958 г.).
Точки отбора воды были выбраны в месте водозабора Рублевской станции водоподготов-ки - река Москва и Ковш, по ходу движения воды: после отстойников, песчаных фильтров, контактных бассейнов озонирования, угольных фильтров и на выходе с технологических линий, в разводящей сети в период с начала июня до конца октября 2016 года.
Отбор проб проводился 1 раз в неделю, в соответствии с ГОСТ 31861-2012 «Вода. Общие требования к отбору проб».
Результаты исследования. Согласно официальным данным ОАО «Мосводоканал» [2], централизованное водоснабжение города Москвы осуществляется на 99,5 % из поверхностных водоисточников. Источники водоснабже-
ния представлены Москворецкой и Волжской системами, расположенными на водосборной территории площадью 55 тыс. км . Подготовка воды питьевого качества производится на пяти станциях: Западной, Юго-Западной и Рублевской, использующих воду источника Москворецкой системы; Северной и Восточной, использующих воду источника Волжской системы.
По данным социально-гигиенического мониторинга, в 2016 году доля проб воды из поверхностных водоисточников централизованного водоснабжения, не соответствующая гигиеническим нормативам по санитарно-хими-ческим показателям, составила 68,7 %, по микробиологическим - 26,6 %. Высокий удельный вес неудовлетворительных проб из поверхностных водоисточников связан с продолжающимся нерациональным использованием водных ресурсов, сбросом промышленных и ливневых сточных вод, недостаточно очищенных сточных вод, неорганизованного поверхностного стока с селитебных территорий.
Наибольшей антропогенной нагрузке подвергается Москворецкий водоисточник, где при строительстве коттеджей, дачных поселков вырубаются леса в водоохранных зонах, массово осваиваются прибрежные участки водохранилищ и рек Истры и Москвы. Ежедневно на очистные сооружения города Москвы поступает около 4 млн м сточных вод, содержащих до 0,5 тыс. т биогенных элементов (азот, фосфор), и только 20 % сточных вод проходят глубокую очистку с удалением биогенных элементов (азота и фосфора). Биогенные элементы, попадая в воду, вызывают усиленное развитие фитопланктона, приводящее к «цветению».
Анализ многолетней динамики содержания цианобактерий в природной воде позволил установить, что количество цианобактерий в воде на водозаборах станций водоподготовки, использующих источник Москворецкой системы, выше по сравнению с водозаборами станций во-доподготовки, использующих источник Волжской системы (рис. 1) [6, 8, 9].
Максимальное содержание цианобактерий наблюдалось в водозаборе РСВ в 2010 на уровне 124 600 кл/мл.
Важными факторами для развития цианобак-терий являются: прогрев воды водоема и наличие питательных веществ - биогенных элементов, таких как фосфор и азот. Анализ многолетней динамики содержания биогенных элементов в природной воде позволил установить, что концентрации фосфора и азота выше в воде Москворецкого водоисточника по сравнению с Волжским (рис. 2,3).
-1—-1-1-^^
—*-Цианобактерии
водозабор PCB
• • Цианобактерии водозабор ЗСВ
—^ Цианобактерии водозабор ВСВ
—#> Цианобактерии водозабор ССВ
Рис. 1. Динамика среднегодовой численности цианобактерий в воде водозаборов Волжского водоисточника: Северная станция водоподготовки (ССВ), Восточная станция водоподготовки (ВСВ) и Москворецкого водоисточника: Западная станция водоподготовки (ЗСВ) и Рублевская станция водоподготовки (РСВ)
сентябрь M (294)
37
1,2
Lb,
| Фосфор, мг/л, водозабор РСВ
I Фосфор, мг/л ,водозабор ЗСВ
I Фосфор, мг/л ,водозабор ВСВ
Фосфор, мг/л ,водозабор ССВ
2009 2010 2011 2012 2013 2014
Рис. 2. Динамика содержания фосфора в природной воде на водозаборах станций водоподготовки, использующих источники Москворецкой и Волжской системы
Максимальное среднегодовое содержание минерального фосфора (0,99 мгР/л) наблюдалось в 2014 году на водозаборе Рублевской станции водоподготовки. Максимальное среднегодовое содержание минерального азота (1,88 мгЫ/л) наблюдалось в 2013 году также на водозаборе Рублевской станции водоподготовки.
Таким образом, анализ многолетних данных по динамике цианобактерий на реке Москве в районе водозабора Рублевской станции водо-подготовки показал, что наблюдается тенденция повышения общей численности цианобак-терий наряду с увеличением содержания основных биогенных элементов.
В состав Москворецкого источника входят Можайское, Рузское, Озернинское, Истринское водохранилища и реки Москва, Руза, Озерна, Истра. Водохранилища Москворецкой системы водоснабжения относятся к водоемам эвтроф-ного типа, причем наибольшее содержание биогенных веществ наблюдается в Истринском и Озернинском водохранилищах [13, 19]. Биогенные элементы (азот и фосфор) поступают с бытовыми и сельскохозяйственными стоками, а также из донных отложений. Кроме того, вышеуказанные водохранилища активно используются в рекреационных целях. Благоприятными условиями для развития цианобактерий обладают мелководные водоемы с медленным течением или стоячей водой. Доля мелководий на Озернинском и Истринском водохранилищах достигает 30 % от общей площади [17]. Из-за
30000
25000
2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 О
Рис.
■
à
i L =1 ■ — ( J
■ п 1 1 ■ ■ 1 ■ ■ 1
| Азот, мг/л, водозабор PCB I Азот, мг/л,водозабор ЗСВ I Азот, мг/л,водозабор ВСВ Азот, мг/л, водозабор ССВ
2009 2010 2011 2012 2013
3. Динамика содержания азота в природной воде
на водозаборах станций водоподготовки, использующих источники Москворецкой и Волжской системы
многочисленных плесов скорость течения обычно составляет < 10 см/с. Изменение численности цианобактерий носит сезонный характер. Анализ сезонной динамики численности цианобактерий показал, что интенсивное развитие цианобактерий наблюдается в конце лета и начале осени, что характерно для многих поверхностных водоемов (рис. 4).
Согласно литературным данным, в период вегетационного развития клетка цианобактерии способна дать тысячи потомков [16, 18]. Пики численности отмечены летом (август) и осенью (сентябрь). По мнению ученых разных стран, распространению токсического цветения также способствуют климатические изменения. Согласно официальным статистическим данным метеорологических наблюдений, на территории города Москвы и Московского региона с 1879 года среднегодовая температура воздуха выросла более чем на 4 °С, причем наибольший рост отмечается в зимне-весенние месяцы. За указанный период продолжительность зимнего периода сократилась почти на месяц [7, 16].
На фоне климатических изменений в сообществе фитопланктона реки Москвы в месте водозабора Рублевской станции водоподготов-ки произошло перераспределение видового состава водорослей (рис. 5). Численность цианобактерий выросла с 2-6 % в начале 70 гг. до 28-35 % в настоящее время [3, 20]. Таким образом, цианобактерии заняли одно из основных мест в составе фитопланктона.
Цианобактерии исходная вода
2 £ g" Ч— V— CÛ
Рис. 4. Динамика сезонной численности цианобактерий в исходной воде водозабора РСВ
30
ЗНиСО сентябрь Hog (294)
Численность сине-зеленых водорослей
Численность зеленых водорослей
Численность диатомовых водорослей
2010 2011 2012 2013 2014 2015
Рис. 5. Среднегодовая численность основных отделов водорослей в воде реки Москвы у водозабора Рублевской станции водоподготовки
Исходя из вышеизложенного, а также учитывая, что централизованное водоснабжение г. Москвы осуществляется из поверхностных водоисточников, целью данного исследования является изучение содержания цианобактерий в воде водоисточника и питьевой воде, оценка влияние процессов водоподготовки питьевой воды на содержание цианобактерий.
Процесс очистки воды на Рублевской станции происходит на 4 технологических линиях и предусматривает традиционную двухступенчатую систему, включающую отстаивание и фильтрацию через песчаные фильтры с предварительной обработкой воды реагентами: гипохлоритом натрия, аммиачной водой, коагулянтом (сульфатом алюминия и (или) оксихлоридом алюминия), флокулянтом и порошкообразным активированным углем (при необходимости); перед подачей потребителю вода с целью обеззараживания обрабатывается гипохлоритом натрия и аммиачной водой. Наряду с традиционной двухступенчатой
очисткои на двух из четырех технологических линиях предусмотрена очистка воды с использованием озона с последующей фильтрацией через фильтры с активированным гранулированным углем и песчаные фильтры с кварцевым песком.
Максимальное содержание цианобактерий наблюдалось на водозаборе в реке Москве (пик цветения начался с 25 сентября) 13 октября и составило: 4 773 кл/мл (биомасса - 0,3 мг/л); максимальные концентрации цианобактерий в ковше - 3 103 кл/мл.
В видовом составе цианобактерий преобладали: Aphanizomenon flos-aquae - 97,3 %; Ana-baena - 1,56 %; менее 1 % -Microcystins [4, 15].
Максимальные концентрации цианобакте-рий в питьевой воде на выходе со станций во-доподготовки - 150 кл/мл пришлись также на пик цветения и наблюдались 13 октября. Максимальные концентрации цианобактерий в питьевой воде разводящей сети - 48 кл/мл были отмечены 1 сентября.
Таблица 1. Содержание цианобактерий в воде водоисточника (река Москва, Ковш) и питьевой воде (на выходе с Рублевской станции водоподготовки (РВС) и разводящей сети)
№ п.п. Дата отбора проб Численность цианобактерий, кл/мл
Река Москва Ковш На выходе с РСВ Разводящая сеть
1 16.06.2016 г. 0 36 3 1
2 23.06.2016 г. 0 72 3 1
3 30.06.2016 г. 36 0 0 0
4 07.07.2016 г. 781 184 8 2
5 14.07.2016 г. 0 196 2 0
6 21.07.2016 г. 238 543 2 0
7 29.07.2016 г. 925 646 25 0
8 04.08.2016 г. 234 1 102 12 0
9 11.08.2016 г. 131 460 5 0
10 18.08.2016 г. 333 871 1 1
11 25.08.2016 г. 486 110 2 0
12 01.09.2016 г. 288 72 4 48
13 08.09.2016 г. 1 287 72 2 0
14 15.09.2016 г. 1 260 153 8 1
15 22.09.2016 г. 1 350 1 242 17 9
16 29.09.2016 г. 1 562 720 27 8
17 06.10.2016 г. 4 230 558 29 11
18 13.10.2016 г. 4 773 3 103 175 30
19 20.10.2016 г. 3 744 2 340 36 33
20 20.10.2016 г. 1 440 1 296 33 34
сентябрь №Ч (294) ЗНиСО
39
Таблица 2. Эффективность очистки исходной воды от клеток цианобактерий по этапам очистки технологических линий Рублевской станции водоподготовки
Технологические линии. Эффективность очистки, %
Участок технологической линии БОС № 3 БОС № 1 БОС № 4 2-я линия
Отстойник 47,6 50,69 49,1 76
Песчаный фильтр 50,3 44,9 44,1 20,1
КБО 0,9 6,72
Угольный фильтр 0,11
Эффективность очистки 98 96,6 99,84 96,1
Эффективность очистки исходной воды от клеток цианобактерий составила от 96,1 до 99,84 %. Максимальное количество клеток цианобактерий удаляется с основной массой взвеси в отстойниках и на песчаных фильтрах. Контактные бассейны озонирования и угольные фильтры незначительно влияют на количество клеток цианобактерий.
Выводы:
1. На водоисточнике Москворецкой системы имеются благоприятные условия для активного роста и развития цианобактерий.
2. В динамике развития цианобактерий выражена сезонность. Максимальный рост цианобактерий наблюдается в летнее-осенний период.
3. Доминируют в сообществе цианобактерий в районе водозабора Рублевской станции водоподготовки представители рода Aphanizo-menon flos-aquae.
4. Системы водоподготовки Рублевской станции достаточно эффективно очищают исходную воду от клеток цианобактерий. Наиболее эффективны в отношении клеток цианобактерий песчаные фильтры и отстойники.
5. Учитывая рост биогенного загрязнения, а также благоприятные условия для активного роста и развития цианобактерий, необходимо проведение исследований на содержание продуктов их жизнедеятельности в исходной и питьевой воде Москворецкого водоисточника.
ЛИТЕРАТУРА
1. Вода. Общие требования к отбору проб: ГОСТ 318612012. Введ. 15.11.2012. М.: Стандартинформ, 2013. 35 с.
2. Годовой отчет ОАО «Мосводоканал» за 2012 год. 141 с.
3. Гончаров А.В. и др. «Фитопланктон водохранилищ -источников водоснабжения г. Москвы» / А.В. Гончаров, К.М. Абдуллаева // Тезисы докладов II Международной конференции «Актуальные проблемы планкто-нологии», 2015. С. 40-41.
4. Жолдакова З.И. и др. Влияние токсинов цианобактерий рода Microcystis Шершневского водохранилища на ДНК, клеточный цикл и апоптоз клеток костного мозга у мышей линии СВА / З.И. Жолдакова, Л.В. Дерябина, О.О. Синицына и др. // Гигиена и санитария. 2008. № 4. С. 69-72.
5. Журба М.Г. и др. Водоснабжение. Проектирование систем и сооружений. В 3 томах. Т. 2. Очистка и кондиционирование природных вод / М.Г. Журба, Л.И. Соколов, Ж. И. Говорова. М.: Изд. Ассоциации строительных вузов. 2010. 496 с.
6. Кузь Н.В. К вопросу о совершенствовании системы оценки качества питьевой воды (на примере цианобактерий) // Здоровье населения и среда обитания». 2014. № 10 (259). С. 11-13.
7. О состоянии окружающей среды в городе Москве в 2015 году: Доклад. Департамент природопользования и охраны окружающей среды города Москвы, 2016. С 17-21.
8. Потапов А.И. и др. Гигиенические проблемы здоровья населения / А.И. Потапов, И.Л. Винокур, Р.С. Гильден-скиольд // Материалы III Всеросс. форума «Здоровье нации - основа процветания России» (раздел «Здоровье нации и здравоохранение»). М., 2007. С. 12-13.
9. Рахманин Ю.А. и др. Методологические проблемы оценки угроз здоровью человека факторов окружающей среды / Ю.А. Рахманин, С.М. Новиков, Г.И. Румянцев // Гигиена и санитария. 2003. № 6. С. 5-10.
10. Руководство ВОЗ по обеспечению качества питьевой воды. Т. 1. Женева, 2004 (3-е изд.). 255 с.
11. Румянцев В.А. и др. Цианобактериальное «цветение» воды - источник проблем природопользования и стимул инноваций в России / В.А. Румянцев, Л.Н. Крюков, Ш.Р. Поздняков, А.В. Жуковский // Общество. Среда. Развитие (Terra Humana). 2011. № 2. С. 222-228.
12. Рябченко В.А. и др. Биологические процессы в резервуарах чистой воды систем коммунального водоснабжения / В. А. Рябченко, Г. С. Горяинова // Гигиена и санитария. 1988. № 8. С. 71-73.
13. Храменков С.В. и др. От истока до Москвы / С.В. Храмен-ков, В.З. Волков, О.М. Горбань [и др.] М., 1999. С. 85.
14. Chorus I. et al. Toxic Cyanobacteria in Water: a Guide to Public Health Significance, Monitoring and Management / I. Chorus, J. Bartram // World Health Organization. London: Fur WHO durch E@ FN Spon / Chapman@ Hall, 1999. 416 p.
15. Cyanobacterial toxins: Microcystin-LR in drinking-water. Background document for preparation of WHO Guidelines for drinking-water quality. Geneva, World Health Organization, 2003. Р. 1-10.
16. Fawell J.K. et al. Blue-green algae and their toxins -analysis, toxicity, treatment and environmental control // Water supply. 1993.. Vol. 11. P. 109-121.
17. Jüttner F. et al. Minireview: Biochemical and Ecological Control of Geosmin and 2-Methylisoborneol in Source Waters / F. Jüttner, S.B. Watson // Appl. Environ. Microbiol. 2007. V. 73. P. 4395-4406.
18. Keller A.Z. et al. Eutrophication, blooms and toxins of cyanobacteria (blue-green algae), and health / A.Z. Keller, H.C. Wilson et al. // The changing face of Europe: Disasters, pollution and the environment. Vol. 14. Aquatic problems. Proceedings of the Fourth Disaster Prevention and Limitation Conference. Bradford, University of Bradford, 1992. P. 33-62.
19. Sivonen K et al. Cianobacterial toxins / K. Sivonen, G. Jones // Toxuc Cyanobacteria in Water -a guide to their public health conseguences, monitoring and management. London: [email protected]. P. 41-111.
20. Toxic Cyanobacteria in Water: A guide to their public health consequences, monitoring and management. London, World Health Organization (WHO), 1999. P. 57.
21. Xie L. et al. Organ distribution and bioaccumulation of microcystins in freshwater fish at different trophic levels from the eutrophic lake Chaohu. China / L. Xie, P. Xie, L. Guo et al. // Env. Toxicology. 2005. V. 20. P. 293-300.
Контактная информация:
Кузь Надежда Валентиновна, тел.: +7 (968) 388-29-21, e-mail: [email protected]
Contact information: Kuz Nadezhda, р^эм: +7 (968) 388-29-21, e-mail: [email protected]
