CC BY
10
НАРОДНЫЙ КОМИССАРИАТ ЗДРАВООХРАНЕНИЯ СССР
ГИГИЕНА и САНИТАРИЯ
Отв. редактор А. Я. КУЗНЕЦОВ, зам. отв. редактора А. Н. СЫСИН Члены редколлегии: И. А. БАРАН, <1> Е. БУДАГЯН. Н. П. КОМИССАРОВА, А. В. МОЛЬКОВ, Н. А. СЕМАШКО, 3. Б. СМЕЛЯНСКИЙ, Т. Я. ТКАЧЕВ Отв. секретари: Р. М. БРЕЙНИНА, Ц. Д. ПИК
¡944 ГОД ИЗДАНИЯ № Ю-11
Проф. М. М. КАЛАБИНА, К. А. МУДРЕЦОВА-ВИСС, А. С. РАЗУМОВ и
Ц. И РОГ^ВСКАЯ
Влияние токсических веществ сточных вод цветной металлургии на микроорганизмы и биохимические процессы, характеризующие самоочищение водоемов
Из Института ВОДГЕО, Москва
Сточные воды цветной металлургии содержат ядовитые соли тяжелых металлов, соединения циана1 и различные органические флото-реагенты. Количество этих веществ в сточных водах и водоемах, принимающих стоки, может быть весьма значительно. Так, например, в «хвостах» Рнддеровского комбината содержалось: 3,8 мг/л СЫ, 7—8 мг/л Си, 5,5 мг/л РЬ и 56 мг/л 2п\ в стоке свинцового завода этого же комбината1 — 3 мг/л Си, 10,3 мг/л РЬ и 75 мг/л 1п (Н. П. Ага-фошин, ВОДГЕО).
По действующим в настоящее время нормам НКЗдрава СССР, в водоеме после выпуска в него сточных вод не должно содержаться ядовитых веществ. Такое категорическое требование вызвано тем,' что вопросы о степени вредности того или иного вещества для биохимических процессов, протекающих при самоочищении водоемов, ядовитости для рыбного населения и пищевых ресурсов водоема и, наконец, для человека и животных, использующих • воду водоема для питья, почти совершенно не изучены. Большинство имеющихся работ посвящено . выяснению влияния ядовитых веществ лишь на отдельные водные организмы. Однако эти указания имеют разрозненный и часто противоречивый характер и в большинстве не могут служить материалом для установления предельных концентраций ядовитых веществ в стоках для выпуска их как в водоемы, так и на сооружения биологической очистки.
Считая, что вопрос о выпуске сточных вод, содержащих ядовитые вещества, должен быть разрешен комплексно по трем указанным выше направлениям, в настоящей работе мы поставили целью . освещение первого вопроса — о влиянии ядовитых компонентов сточных вод на микроорганизмы и биохимические процессы самоочищения воды, пола-ггя, что последними двумя проблемами должны заниматься соответствующие специалисты.
Поставленная задача решалась путем проведения опытов по развитию микроорганизмов. Этот метод, впервые введенный в практику
"___Госуакрстмнш ) -
Нфнм* Мадмцммск- | I 1
биологических исследований проф. Я. Я. Никитинским в 1912 г., » настоящее время дополнен и расширен авторами этой статьи в направлении изучения влияния ядовитых веществ на биохимические процессы самоочищейия воды.
Метод в основном состоит в следующем. Сточная производственная, вода, или испытуемое вещество, смешивается с фекально-бытовой или речной водой в определенных соотношениях. Растворы в количестве не менее 1 л разливаются в широкогорлые склянки и выдерживаются при температуре 18—20° в темноте и. параллельно на свету несколько-дней, в зависимости от хода процесса. Тотчас по приготовлении растворов и далее, через определенные промежутки времени, производится учет количества бактерий, вырастающих на мясо-пептон-агаре (при 22*" в течение 48 часов), и микроскопический просмотр организмов, развивающихся в растворах. Наряду с биологическими анализами периодически производятся определения некоторых химических ингредиентов (рН, окисляемость, ВПК, аммиак, нитриты, нитраты и испытуемое вещество). Контролем к опытам служит вода, применявшаяся для разведения. !
Метод дает возможность установить влияние изучаемых сточных вод и отдельных их компонентов на комплекс микроорганизмов, участвующих в процессе самоочищения воды, и непосредственно на ход самих процессов. Этим он отличается от обычно применяемого большинством исследователей метода, который выясняет токсичность веществ для отдельных водных организмов.
В настоящих опытах растворы готовились на отстоенной фекально-хозяйственной воде, разбавленной водопроводной водой до окисляемэ-сти в 12—15 мг/л О».
Методика химических анализов была следующей: окисляемость определялась по методу Кубеля, солевой аммиак, нитриты, нитраты и рН — колориметрически с применением цветных стеклянных эталонов (1), медь — карбонатным методом, свинец — дитизоновым (2). Одновременно изучалось токсическое действие компонентов сточных вод на процесс биохимического потребления кислорода фекально-хозяйственной сточной жидкостью.
Таблица 1. Количество бактерий в 1 сма воды (в тысячах)
Концентрация в мг/л Начало опыта Сроки наблюдения
час Ы с у т к и
1 4 7 и 30 2 4 а
Опыт С ы ель ю
Контроль ......... 575 570 465 705 38 250 39 800 1 900 80 93
0,1 Си........... 6Н0 383 443 990 10 250 14 000 1 580 70 34
0.5 Си........... 4012 — — _ 3 900 — 9 200 1 148 1 516
1,0 Си........ . . 425 96 42 39 2 230 11 375 18 8П0 3 130 2 033
5,0 Си........... 482 — — — 38 — 23 885 30 075 19 200
10,0 Си........... 211 13 1.6 0,3 2 1 1,1 310 3'400
50,0 Си........... 119 25 2,5 0,3 0,2 0,1 0,03 0,01 0,01
Опыт с о евин Ц 0 м
294 480 1 400 6 900 7 650 15 5С0 3 285 —
0,1 РЬ........... 187 473 740 1 830 8-00 13710 8 400 2 900 —
0,5 РЬ........... 186 — — — 9715 — 17 520 7 275 —
1,0 РЬ........... 215 239 345 701 9 006 9 750 14 000 5 835 —
5,0 РЬ........... 290 — — — 4 473 — 17 170 1 709 —
10,0 РЬ........... 258 212 227 312 3 255 10 395 12 700 3 163 —
50,0 РЬ .......... 231 — — '- 332 — 18 750 3 960
I. Медь. Для опытов была взята сернокислая медь (СиБ04. 5НЮ); опытные растворы содержали от 0,01 до 100 мг/Л Си. При прибавлении больших количеств меди сейчас же выпадает осадок голубовато-синего цвета. Опыт продолжался 14 дней. Результаты бактериологических анализов представлены в табл. 1.
В растворах, содержащих медь в количествах от 0,5 мг/л и выше, тотчас же после прибавления меди происходит заметное снижение числа бактерий.
Через час после постановки опыта токсическое действие меди проявляется и в более слабых концентрациях: в растворе с 0,1 мг/л меди количество бактерий уменьшается вдвое. Через 4 часа от начала опыта1 только в растворе с 0,1 мг/л ликвидируется тормозящее действие меди. Особенно резко и устойчиво ядовитое влияние меди проявляется в концентрациях выше 1 мг/л Си.
Вычисленные по формуле Коэна К — ^ 'г
где К — коэфициент отмирания бактерий, А — начальное количество бактерий, В — число бактерий, остающееся через ( минут, / — время, в течение которого происходит отмирание бактерий (в минутах), коэфи-циенты скорости отмирания бактерий в этот период еще более наглядно иллюстрируют вышеизложенное.
С увеличением концентрации меди в растворах коэфициенты эти повышаются. Из табл. 2 видно, однако, что для срока 1—4 часа после введения соли меди закономерность убывания числа бактерий не выражается вышеприведенной формулой логарифмического закона. Коэфициенты скорости отмирания бактерий за это время при одном и том же содержании меди значительно отличаются друг от друга.
Таблица 2. Коэфициенты сюрости отмирания бактерий при добавлении
меди
Срок наблюдения в ми утах Концентрация мели в мг/л
0,1 0,5 1.0 | ю,о 50,0
10 60 240 420 Не отмирали 0,0026 Не отмирали Рост 0,009 0,009' 0,010 0,0038 0,003 0,038 0.026 0,010 0,008 0,062 0,022 0,010 0.008
Во всех испытанных концентрациях меди наблюдается фаза приспособления бактерий («лагфаза»), когда' нет их размножения. Продолжительность этой фазы увеличивается с увеличением концентрации меди. Так, в растворах с содержанием меди 0,1, 1 и 10 мг/л этот период имел, соответственно, продолжительность около 4, 13 и 72 часов. Интенсивность размножения бактерий после «лагфазы» во всех концентрациях была ниже, чем в контроле, и уменьшалась с увеличением концентрации. «Время генерации» (б), т. е. интервалы между двумя последующими делениями бактерий во время фазы размножения, вычисленное по формуле Мюллера й = ^^¡^ , , где й — время генерации, А — .начальное число бактерий, В — число бактерий через t минут, для концентрации 1 мг/л Си, колеблется от 230 до 400 минут (для начала и конца фазы), для 5 мг/л — от 290 до 530 минут, в то время как в контроле— от 190 до 240 минут. В концентрациях 50 и 100 мг/л роста бактерий за время опыта не наблюдалось.
Отмирание бактерий после их массового развития шло быстрее в более слабых концентрациях меди, т. е. там, где они и размножались наиболее быстро. Коэфициенты скорости отмирания для концентраций от
0,01 до 1 мг/л Cu в среднем составляли 0,0008—0,0006, для концентраций от 5 до 10 мг/л —0,0002—0,0001.
Развитие жгутиковых и ресничных инфузорий .(Glaucoma pyriformis, Glaucoma colpidium, Cyclidium glaucoma, Lionotus lamella) в растворах с 0,01 и ОД мг/л Си шло так же, как в контроле. В концентрациях от 0,5 до 5 мг/л развитие жгутиковых отстает от контроля тем больше, чем крепче раствор меди; инфузории в этих растворах за время опыта совсем не появлялись.
В опытных сосудах, выставленных на свет, наблюдалось развитие протококковых и диатомовых водорослей (Chlorella, Scenedesmus, Navícula) при содержании меди в 0,5 мг/л и меньше.
Количество меди в растворе в концентрациях 50 и 100 мг/л Си в течение опыта колеблется — часть выпавшей в осадок меди вновь переходит в раствор и обратно. В остальных растворах наблюдается постепенное увеличение количества выпавшей меди, причем процессом захватываются и низкие концентрации — до 0,5 мг/л Си включительно. За 10 дней опыта содержание меди в растворах с 0,5—1 мг/л снизилось ,на 10—15%, в более крепких — на 20—30?/о.
Изменение окисляемости растворов (табл. 3) по ходу опыта' с достаточной убедительностью говорит о тех процессах, которые происходят в испытуемых жидкостях. В то время как в слабых растворах и в контроле происходит постепенное уменьшение окисляемости вследствие ■минерализации органических веществ, в крепких концентрациях меди окисляемость снижается резко в момент добавления меди и за время опыта держится более или менее на одном уровне. Снижение окисляемости вызвано здесь, очевидно, процессом коагуляции, так как развития бактерий в этих растворах не было. Наблюдавшееся в конце опыта увеличение окисляемости и количества бактерий в слабых растворах меди объясняется вторичным загрязнением воды за счет отмирания микроорганизмов1. На увеличении окисляемости могло сказаться также наличие большого количества нитритов в этих растворах.
Таблица 3. Изменение окисляемости (растворы Си)
Концентрация меди в мг/л Продолжительность опыта в cyiKax
начало опыта 1 5 10
мг-'л о, °/о снижения' мг/л О, °L снижения' мг/л о, °/о снижения1 мг/л о, °/о снижения1
Контроль ........ 12,4 • 11 ,8 5 7,3 41 6,8 45
0.01......... 12,2 2 8,9 28 5,6 55 7,8 41
0,1........... 12,26 2 8.6 31 5,6 55 7,7 38
4,0........... 12,08 3 9,4 24 — — 6,5 48
10,0.......... 8,0 35 — — 7,7 ?8 6,8 45
50,0........... 7,6 39 7,6 39 7,4 41 —
100,0 ........... 8,4 32 7,36 41 7,3 41 6,8 45
При содержании, меди до 0,5 мг/л процесс аммонизации идет так же, как в контроле; в более высоких концентрациях он замедляется.
Наблюдения за ходом» процесса нитрификации в опытных сосудах показали, что содержание меди До 0,1 мг/л не оказывает влияния на образование нитритов и нитратов. Концентрации в 0,5 и особенно 1 мг/л Си замедляют обе фазы процесса, в более высоких концентрациях меди процесс нитрификации не идет почти совсем 2 (табл. 4).
1 Процент снижения окисляемости для всех растворов вычислен по отношению к окисляемости контроля в начале опыта.
1 Для концентрации 0,01 мг/л максимум образования нитрите® был, очевидно,
нами не уловлен.
Концентрация меди в мг/л Продолжительность опыта в сутках
изменение содержания нитритов в мг/л № изменеысе содержания ннтратов в мг/л N
начало опыта Б суток 12 суток 20 суток 27 суток начало опыта 20 суток 27 суток
Контроль .......... 0,04 0,15 12,5 2,5 0,15 0 8,0 16,0
0,01............ 0,04 0,15 7,0 6,0 0,9 0 8,0 16,0
0,1............. 0,04 0,25 35,0 0,9 0,15 0 18,0 18,0
0,5............. 0,04 0,25 8.0 7,0 0,1 0 8,0 14,0
1,0............. 0,04 0,1 0,15 3,0 0,05 0 3,0 8,0
5.0............. 0.04 0,1 0,15 0,25 0,3 0 0,7 3,5
10.0............ 0,04 0,1 0,15 0,25 0,3 0 0,7 3,0
50,0............. 0,04 0,05 0,07 0,15 0,2 0 0,2 1,5
г 3 4 5 6 7 6 9 М ¡мипильнзсгль опыта (сутки)
Рис. 1. Потребление кисло-
К тому же выводу приводят и результаты определения активной реакции растворов.
В опыте по выяснению влияния меди на процесс биохимического потребления кислорода нами испытывались три концентрации: 0,1, 1 и 10 мг/лСи. При содержании 10 мг/л Си потребления кислорода за 10 дней почти не наблюдалось; 1 мг/л Си также оказывает ясно выраженное угнетающее воздействие на окислительную работу бактерий; 0,1 мг/л в течение первых суток не тормозит процесса, а в дальнейшем несколько замедляет его (рис. 1).
II. Свинец. Опыты по выяснению токсичности свинца проводились с уксуснокислым свинцом. Испытывались концентрации свинца от 0,01 до 50 мг/л РЬ. Ввиду того что прибавление свинца в виде уксуснокислой соли повышает содержание органической части во все растворы, включая и кон- род"а фекальйой жидкостью трольныи, был добавлен уксуснокислый нат- при различном содержании рий из расчета максимального содержания ук- меди
сусной кислоты при концентрации в 50мг/л РЬ.
Сейчас же после добавления уксуснокислого свинца в растворе с 50 мг/л РЬ образуется значительный осадок вследствие выпадения нерастворимых соединений свинца. /
Этот переход свинца в осадок при стоянии жидкостей продолжается; за 12 суток опыта количество свинца в растворах с 0,5—1 мг/л РЬ уменьшилось на 50—60%, а в более крепких концентрациях — на 86—98%.
Благодаря этому процессу токсическое влияние добавленных доз свинца довольно быстро снижается, что отражается на развитии организмов и на биохимических процессах распада органических веществ а жищсостях. Ядовитое действие свинца на бактерий наблюдалось через 1 час после его добавления только в концентрациях, начиная с 1 мг/л РЬ. Коэфициент скорости отмирания бактерий, вычисленный по вышеприведенной формуле, для концентрации в 1 мг/л РЬ был равен 0,0005, а для 10 мг/л РЬ —0,0013.
Ясно выраженная «лагфаза» имела' меото лишь при содержании 1 мг/л РЬ и выше.
Размножение бактерий несколько задерживается при концентрации в 1 мг/л РЬ. При 5 мг/л и больше наблюдается явное торможение раз-
&
множения бактерий, особенно заметное в растворе с 50 мг/л (табл. I).
Интенсивность размножения бактерий, вычисленная по формуле Мюллера, для концентрации в 1 мг/л РЬ ниже была такой же, как н в контроле: G = 300—500 минут? при 10 мг/л «время генерации» составляло 360—650 минут.
Отмирание бактерий после их массового развития во всех исследованных концентрациях шло примерно с одинаковой скоростью. Коэфи-циент скорости отмирания бактерий в среднем составлял 0,0002 (при колебаниях от 0,0001 до 0,0003).
Жгутиковые и инфузории (Cyclidium glaucoma, L'ionotus lamella, 'Colpidium glaucoma, Glaucoma pyriformis, Vorticella microstoma) встречались во всех растворах, но время их появления и максимального развития находится в зависимости от содержания свинца. Незначительное тйрмозящее действие на Protozoa оказывает уже 0,5 мг/л РЬ. Как уже указывалось, переход свинца в нерастворимое состояние снижает концентрацию свинца в растворе и тем самым уменьшает его токсическое действие.
В растворах, поставленных на свету, диатомовые водоросли (Nitzschia и Diatoma) развивались при содержании свинца до 0,5 мг/л, а протококковые (Ankistrodesmus, Chlorella, Scenedesmus) — до 1 мг/л.
Изменение окисляемое™ растворов за время опыта представляется следующим! образом: свинец оказывает тормозящее действие на процессы минерализации органического вещества уже в концентрации 0,1 мг/л. С увеличением содержания свинца в растворе тормозящее действие его увеличивается.
В растворах с содержанием свинца от 1 до 50 мг/л имеет место и процесс минерализации, и осаждение органических веществ вследствие происходящей здесь коагуляции. При этом в более слабых концентрациях преобладает первый процесс, а в крепких — второй, особенно первое время. Свинец в испытанных количествах почти не оказывает влияния на процесс аммонификации. Содержание свинца в 0,5—1 мг/л несколько тормозит процессы нитрификации; при 5 мг/л и выше величина; депрессии уже значительна (табл. 5).
Таблица 5. Влияние свинца на процессы нитрификации
Изменение содержания Изменение содержания
Концентрация сзннца в мг/л нптрнюв в мг/л N НИТраТОП В МГЛ N
начало 8-е 12-е 16-е начало 8-е 12-е 18-е
опыта сутки сутки сутки опыта су гки сутки сутки
1 Контроль .......... 0 0,015 1,0 6,5 0 0 0,5 10,0
0.05 . . . . • ....... 0 0,01 0,7 7,0 0 0 0,3 10,0
0,1 . . ........... 0 0,015 1,5 6.5 0 0 0,3 8,0
0,5............ 0 0,002 0,35 7,0 0 0 0,2 6,0
1.0............. 0 0,002 0,4 7,0 0 0 0,15 7,0
5,0............. 0 0,002 0,15 3,0 0 0 0,15 3,0
10,0............. 0 0,002 0,07 3,5 0 0 0,15 1,5
В опыте по изучению действия свинца на процесс биохимического потребления кислорода применялся не уксуснокислый, а хлористый свинец для того, чтобы исключить влияние уксусной кислоты. Наблюдение за ходом процесса велось в течение двух суток с интервалами между отдельными определениями потребленного кислорода в несколько часов.
Присутствие в растворах даже очень незначительных количеств свинца (0,1 мг/л) тормозит окислительную работу бактерий (рис. 2).
По Несмеянову (3) на биохимическое потребление кислорода влияет 0,5 мг/л РЬ в растворе и выше. Надо отметить, что автор производил определение потребленного кислорода только через сутки, когда угнетающее действие свинца почти ликвидируется.
Рис. 2. Потребление кислорода фекальной жидкостью при различном содержании
свинца
Выводы
1. Ионы меди - и свинца в определенных концентрациях токсичны для микроорганизмов, участвующих в биохимических процессах самоочищения водоемов.
2. Медь в количестве 0,1 мг/л тормозит размножение бактерий (частично убивая их) в течение нескольких часов и задерживает процесс потребления кислорода. На процессы аммонификации и нитрификации концентрация меди в 0,1 мг/л влияния не оказывает. Для жгутиковых и инфузорий медь в количестве 0,1 мг/л не ядовита. Концентрация мзди в 0,5 мг/л является безусловно токсичной.
3. Свинец в количестве 1 мг/л несколько задерживает размножение бактерий. Для процесса нитрификации порог токсичности лежит в пределах 0,5—1 мг/л; на биохимическое окисление органических веществ оказывает тормозящее действие 0,1 мг/л свинца. На развитии жгутиковых и инфузорий действие свинца начинает сказываться с концентрации в 0,5 мг/л.
4. На основании проведенных опытов можно установить предельные количества меди и свинца для сброса их в водоем без1 заметного нарушения протекающих в нем биохимических процессов. Эти количества носле разбавления в целом потоке или в части его (в зависимости от струйности) не должны превышать 0,1 мг/л меди и 0,1 мг/л свинца.
ЛИТЕРАТУРА
1. Евланова и Ш т у к о в с к а я, ' Технический и санитарный анализ воды в условиях экспедиции, 1934.— 2. Евланова, Прикладная химия, № 9, 1936.—■ 3. Несмеянов С. А., Баштан Ф. А. и Чистяков Г, К., Допустимые концентрации ядовитых веществ в. водоемах, Стройиздат, 1941.
