Автор неизвестен - Гидробиологическая мелиорация - страница 1

Страницы:
1  2  3 

ГЛАВА

Гидробиологическая мелиорация

4.1. Методы управления качеством водной среды

Наиболее значимое для хозяйственного использова­ния человеком свойство искусственных рифов при­влекать рыб, обеспечивая более эффективный промысел, послужило основой их широкого применения. Однако последующие исследования существенным образом рас­ширили спектр «полезных» (для человека) свойств искус­ственных рифов: 1) привлекать и концентрировать по­мимо промысловых рыб беспозвоночных; 2) быть искус­ственным субстратом для отложения икры, прикрепле­ния личинок и другой молоди; 3) создавать убежища для молоди рыб и других животных (особенно в районах их искусственного выращивания); 4) формировать оптималь­ные условия для образования устойчивого высокопро­дуктивного биоценоза, своеобразного «рефугиума» для сохранения видов, существованию которых угрожают из­менившиеся условия среды обитания, например заиле­ние дна, гипоксия и т. п.; 5) служить биофильтром для очистки воды от загрязняющих веществ.

Искусственные рифы это антропогенные суб­страты в виде положительных форм (возвышений) рель­ефа дна или плавучестей в водной толще, сформиро­ванные в водоеме для создания определенной сово­купности абиотических и биотических характеристик, отличных от фона среды обитания гидробионтов. При этом гидротехнические конструкции, к которым отно­сятся и искусственные рифы, по характеру своего воз­действия на водную экосистему могут быть биологиче­ски негативными, нейтральными и позитивными (Зай­цев, Яценко, 1983).

Проблема очистки воды, с которой напрямую связа­на гидробиологическая мелиорация, имеет давнюю исто­рию, поскольку неразрывно связана с жизнеобеспечени­ем человека. Рост количества населения и интенсифика­ция производства привели к необходимости специальной переработки сточных вод и очистки питьевой воды.

Вода как универсальный растворитель является ос­новным посредником круговорота вещества и энергиив планетарном масштабе. Все живые существа на Земле в той или иной степени связаны с водой. Яркое подтверждение тому — человек, основные места поселения которого, с момента его появления как вида, были и ос­таются связанными с водными источниками. Например, 23 % населения Европы, которое составляет 693 млн чел., обитает в бассейне р. Дунай, площадью всего около 8 % ее территории (Альфа и омега, 1988).

Несбалансированное с естественными природными процессами развитие человеческого общества привело к загрязнению внутренних водоемов, а также прибрежной зоны морей и океанов. Годовой объем продукции органического вещества, производимого всей биосферой, составляет 83 млрд т. Из этого ко­личества 8,7 млрд т производит человек, непосредственно используется лишь 14,1 % (Дювиньо, Танг, 1973). По другим оценкам, «коэффициент полезного действия» современного природопользования еще ниже и составляет всего 2 % (Топчиев, 1996). Низкая эффективность использования производимой продукции, связанная с несовершенством технологии ее производства и пере­работки, — главная причина загрязнения окружающей среды. В результате хозяйственно-бытового и питьевого использования воды человеком ежегодно образуется около 65 км3 сточных вод. Ввиду сложности и высокой стоимости искусственной очистки воды не менее половины объема стоков подвергается доочистке в результате самоочищения с использованием чистой речной воды в объемах от 200 до 500 км3 год-1. Следовательно, общий расход воды на обезвреживание сточных вод составляет 650—700 км3 год-1 или около 2 % полного речного стока Земли (Сытник и др., 1987).

Статистический анализ мирового опыта показывает, что из общего объ­ема сточных вод механической очистке подвергается 68 %, биологиче­ской — 29, физико-химической — 3 %. Для повышения качества перера­ботки стоков долю биологической очистки в перспективе предполагается повысить до 80 % (Топчиев, 1996).

Многообразие технических средств по биологической очистке загряз­ненных вод позволяет разделить их на экстенсивные, близкие к естествен­ным, и интенсивные способы. При этом в их основе лежит один прин­цип — максимальная концентрация организмов-деструкторов на пути по­тока органического вещества. Это достигается путем использования: 1) мел­ких гетеротрофных организмов с высокой интенсивностью метаболизма и продукции; 2) максимальной удельной поверхности твердого субстрата как жизненного пространства организмов-деструкторов.

Ввиду того что процессы самоочищения интенсивными методами осу­ществляются без привлечения автотрофных организмов (водорослей и высших растений), важным ресурсопотребляемым фактором служит искус­ственное обогащение воды кислородом, необходимым для обеспечения жизненных условий микрогетеротрофов, а также для химического окисле­ния части органического вещества. Ниже приведены особенности наиболее распространенных способов очистки вод '.

1 Диапазон изменения величины БПК5, от исходной характеристики перерабатывае­мых стоков до максимальной степени их очистки, приведен по данным следующих ис­точников: Кравец, 1975; Юзвенко, 1975; Проскуряков, Шмидт, 1977; Рябов, Сиренко, 1982; Гвоздяк и др., 1985; Якушин, 1987; Могилевич и др., 1989.

Экстенсивные способы. Среди них выделяют почвенные и водные.

Почвенные способы поля орошения и поля фильтрации (БПК5 > > 1000 -т- 10 мг дм-3), земледельческие поля орошения.

Поля орошения и фильтрации (ПО) предназначены для очистки сточных вод путем их фильтрации через почвенный слой. Устраиваются ПО с це­лью очистки вод и возделывания сельскохозяйственных культур. Очистка загрязненных вод с помощью земледельческих полей основана на воздей­ствии почвенных микроорганизмов, кислорода воздуха, солнца и жизне­деятельности растений. ПО способны снизить содержание кишечной па­лочки на 95—99 % и полностью уничтожить патогенную микрофлору (Павлов и др., 1992). На полях фильтрации очистка сточных вод произво­дится без участия растений. ПО — основной тип водоочистных сооруже­ний для очистки стоков сахарных заводов Украины. Отсутствие активного слоя почвы и растений снижает эффективность и интенсивность очистки, поэтому метод имеет ограниченное применение и практически малопер­спективен (Проскуряков, Шмидт, 1977). Вследствие плохой фильтрующей способности почвы поля фильтрации на многих сахарных заводах превра­тились в поля-накопители сточных вод. Глубина налива в них часто изме­ряется метрами, а площади — многими гектарами.

Земледельческие поля орошения (ЗПО) мелиоративные системы, кото­рые следует рассматривать как сооружения естественной биологической доочистки сточных вод и их остатков, навоза и навозных стоков для ув­лажнения и удобрения земледельческих угодий. Сточные воды в данном случае используются как удобрения под овощные и кормовые культуры. Нормы нагрузки ЗПО невелики — 5—15 м3/га. В Украине до 2000 г. общая площадь ЗПО достигала 386,7 тыс., в России — около 5 млн га. Примене­ние предварительно очищенных сточных вод для орошения 1 млн га сель­скохозяйственных угодий позволяет за год сэкономить 2,5—3 млрд м3 чис­той воды (Павлов и др., 1992).

Водные способы биологические пруды и биоплато (БПК5 20— 2 мг дм-3).

Биологические пруды это искусственные водоемы малой глубины (0,5—1,0 м). Нормальная очистка сточных вод в них возможна лишь в теп­лое время года при температуре выше 6 °С. Поэтому в СССР (в централь­ных районах) рекомендовалось ограничить период работы прудов 4—5, а в южных — 7—9 мес (Проскуряков, Шмидт, 1977). В самоочищении биопру­дов основную роль играют бактерии, использующие около 50 % потреб­ленного кислорода, и высшая водная растительность — 26 % (Шпет, Фельд­ман, 1961). Фитопланктон также способствует снижению количества в воде биогенных элементов, интенсифицирует процессы окисления и нитрифи­кации. В случае использования хлореллы одноклеточные водоросли могут быть одним из главных компонентов очистки сточных вод в искусственных прудах (Когановский и др., 1974).

Биоплато — инженерные водоохранные сооружения, в которых биоце­нозы высших водных растений выполняют функцию биофильтров. Наибо­лее распространенные растения с ключевыми компонентами биоплато — тростник обыкновенный {Phragmites australis), камыш озерный (Scirpus la­

custris), рогоз узколистный (Typha angustifolia), осоки (Carex sp.). В присут­ствии макрофитов взвешенное органическое вещество достаточно быстро осаждается, и его деструкция осуществляется в основном в результате дея­тельности сообщества микрообрастания бактериально-водорослевой пленки на поверхности стеблей и листьев высшей водной растительности. Оценка эффективности мелиоративного эффекта биоплато на лаборатор­ных моделях показала снижение величины БПК5 до 2,5 раза и содержания нитратов до 2,7 раза (Оксиюк и др., 1979).

Интенсивные способы. Биологические фильтры (БПК5 5000—2 мг дм 3) широко применяются для разложения органического вещества сточных вод, а также в процессе водоподготовки для средств аквакультуры. Под биологической фильтрацией понимается бактериальное превращение азо­тистых органических соединений в нитраты. Воду, проходящую через био­фильтр, очищают микроорганизмы биопленки, находящейся на поверхно­сти наполнителя. Одна из современных модификаций биофильтров, разра­ботанных специалистами Института коллоидной химии и химии воды НАН Украины, — фильтр с использованием волокнистых насадок из по­лимерных материалов (биофильтр типа «Вия»). Формируемая при этом вы­сокая удельная поверхность твердого искусственного субстрата стимулиру­ет развитие сообщества микрогетеротрофных организмов, способных сни­зить органическое загрязнение по показателю БПК5 с 3000—5000 до 6 мг дм-3 (Гвоздяк и др., 1985; Могилевич и др., 1989).

Лэротенки (ВПК полное) специализированные сооружения, предна­значенные для биологической очистки сточных вод в аэробных условиях на основе перемещающегося слоя воды. В их конструкции используются те же принципы, что и в биофильтрах: в резервуаре медленно протекает смесь активного ила и сточной жидкости при постоянной подаче сжатого возду­ха. Промышленная проверка аэротенка с рассредоточенной подачей воды показала, что БПКП очищенной сточной воды составлял 10—15 мг дм-3 при БПКП исходной воды 200—250 мг дм-3 (Проскуряков, Шмидт, 1977). Подача в дренажное пространство аэротенков и биофильтров сжатого воз­духа повышает их окислительную мощность в 3—4 раза.

Для интенсивных способов используют также циркуляционные каналы и аэрофильтры (БПК5 6000—2 мг дм-3).

РИС. IV.4.1. Зависимость интенсивности самоочищения (Rv скорость деструкции органического вещества в объеме жиз­ненного пространства гилробионтов) от удельной поверхности (S/ V) жизненного пространства водных организмов искус­ственных и естественных систем: / — аэротенки (Проскуряков, Шмидт, 1977); 2 биофильтры; 3 биопруды; 4 — плавни поймы реки (Оксигок и др., 1979); обрастание: 5 — пресноводное (Протасов, 1994), б — морское (Александров, 2000); бентос мягких грунтов: 7— пресноводный; S— морской (Александров, 2000)

РАЗДЕЛ   IV.    Биохимические    исследования   и биотехнологии

Сопоставление интенсивности очистки воды различными биологиче­скими методами позволило установить следующее. При диапазоне удель­ной поверхности жизненного пространства гидробионтов (S/V), состав­ляющего 8 порядков величин, удельная интенсивность их дыхания изменя­ется в меньшей степени и находится в пределах 10-2— 103 мг О см~3 ч~'. При этом выявляется общая закономерность, имеющая большое практиче­ское значение: с увеличением указанной величины интенсивность само­очищения водных экосистем возрастает. Несмотря на то что максимальная эффективность очистки воды связана с деятельностью микроорганизмов, скорость трансформации органического вещества климаксными сообщест­вами обрастания естественных экосистем также высокая. В экосистеме Черного моря величина Rv достигает 44 • 10~3мг О см 3 ч~', что сопоста­вимо с интенсивностью трансформации органического вещества в биоло­гических прудах и даже галечном биофильтре. Пресноводное обрастание характеризуется на порядок более низким потенциалом самоочищения (рис. IV.4.1).

4.2. Роль мидий в санитарно-бактериологической мелиорации морских вод

В настоящее время наиболее сильное антропогенное воздействие на экосистемы Черного моря проявляется в бактериальном загрязнении его прибрежных акваторий. В этой связи особенно актуальной становится проблема использования для санитарно-бактериологической мелиорации морской среды высокого биологического потенциала массовых видов дву­створчатых моллюсков-фильтраторов, способных в значительной мере вли­ять на процесс самоочищения прибрежных морских вод от разнообразной микрофлоры аллохтонного происхождения.

В последние десятилетия идея направленного использования двуствор­чатых моллюсков для гидробиологической мелиорации морской среды по­лучила широкое признание (Larsson,1985; Нижегородова, Нидзвецкая, 1987; Саенко, 1989; Gomoiu, 1989; Chojnacki, Ceronik, 1997; Александров, 2000). В литературе, посвященной проблемам санитарно-бактериологической ме­лиорации морской среды в СЗЧМ, широко раскрыта роль мидий Mytilus galloprovincialis как наиболее массовых и экологически пластичных дву­створчатых моллюсков Черноморского бассейна (Нижегородова, Нидзвец-кая, 1987; Губанов, Говорин, 1990; Dimitrescu, Telembici, 1994; Александ­ров, 2000).

Эффективность удержания и накопления бактерий мидиями в процессе фильтрации. Черноморские мидии способны в условиях эксперимента от­фильтровывать из нативной морской воды, искусственно загрязненной до­бавлением коммунально-бытовых стоков, значительные количества алло-хтонной микрофлоры. При оптимальных для фильтрационной активности моллюсков температуре (18 ± 1 °С) и солености (15—16 %о), а также при интенсивном водообмене скорость отфильтровывания бактериальной взве­си моллюсками может достигать 6,4 • 104—2,0 107 кл экз~' ч~' у мидий длиной 17—18 мм и 7,6 • 105—1,6 108 кл экз~' ч-1 у мидий длиной 55— 60 мм (Говорин, 1991). Наблюдаемая при этом элиминация бактериальных клеток моллюском составляет 54,5—71,0 % для гетеротрофных (сапрофитных) бактерий и 68,0—76,0 % для БГКП, а также лактозоположительных колибак-терий (ЛКБ) общепринятых индикаторов антропогенного загрязнения мор­ской среды и гидробионтов. Средние значения элиминации бактерий мол­люском за одноразовое прохождение бактериальной взвеси через фильтра­ционный аппарат моллюска составляли 38,1—59,6 % для мидий размерной группы 17—18 мм и 49,9—63,6 % — для мидий длиной 55—60 мм.

Эксперименты по искусственному загрязнению мидий показывают, что наиболее интенсивное поглощение бактериальных клеток происходит в первые 2—6 ч фильтрации. Так, для мидий М. galloprovincialis из Средизем­номорского бассейна интенсивность отфильтровывайия клеток Escherichia coli в начальный 4-часовой период фильтрации составляла 96,6 % (Charles et al., 1992). В опытах по изучению динамики накопления черноморскими мидиями бактерий из нативной морской воды в проточных условиях (об­щая микробная обсемененность (ОМЧ) поступающей к моллюскам воды составляла 1,1 • 106—3,7 107кл дм-3, а численность в ней БГКП варьиро­вала от 6,0 • 102 до 1,4 • 104кл дм-3) уже за первые 4—6 ч эксперимента ОМЧ сапрофитных бактерий в моллюсках возрастало в среднем с 3,9 • 105 до 1,6 • 106кл г', а обсемененность БГКП с 1,8 • 102 до 3,9 • 103кл г1.

После интенсивной адсорбции бактериальных клеток моллюском на начальной стадии этот процесс замедляется, выходя на стадию «плато», когда, очевидно, уравновешивается процессом переваривания захваченных бактерий или же их выведения в интактном, неповрежденном виде вместе с фекалиями и псевдофекалиями (Bernard, 1989).

Локализация захваченных моллюском бактериальных клеток и их после­дующая трансформация. У мидий из СЗЧМ в экспериментах по изучению динамики накопления аллохтонных бактерий из морской среды, искусст­венно загрязненной хозяйственно-бытовыми стоками, бактериальная об-семененность распределялась по отдельным органам животного следующим образом: до 70 % захваченных моллюском сапрофитных бактерий и до 54 % ЛКБ обнаружено в печени (гепатопанкреасе), в жабрах эти величины состав­ляли соответственно 17 и 26 %, в мантии концентрировалось до 10 % бакте­риальных клеток обеих групп микроорганизмов (табл. ГУ.4.1). На осталь-

ТАБЛИЦА IV.4.1. Соотношение   микробной   обсемененности   отдельных органов мидий М. galloprovincialis в экспериментах по изучению элиминации моллюсками аллохтонных бактерий из морской среды, кл. г"1

Группа

Мантия

Жабры

Печень

Гомогенат всех органов

Гетеротрофные бактерии, ОМЧ п10* Лактозоположительные колибакте-рии, НВЧ л I0J

0,062 0,023

0,100 0,062

0,420 0,130

0,212 0,095

РАЗДЕЛ   IV.    Биохимические   исследования   и биотехнологии

ные мягкие ткани и органы, а также межстворчатую жидкость приходилось не более 3—10 % общей бактериальной контаминации моллюска.

Наблюдаемую концентрацию захваченных из окружающей среды бак­терий в гепатопанкреасе мидии можно рассматривать как косвенное под­тверждение того, что основная часть бактерий попадает в итоге в пищева­рительную систему моллюска.

Агглютинация жизнеспособных бактериальных клеток в фекалиях и псев­дофекалиях моллюсков. Параллельно с накоплением микроорганизмов в теле животного и их деструкцией в пищеварительной системе моллюска часть бактериальных клеток, не подвергшихся лизису и сохранивших жиз­неспособность, вновь попадает в окружающую среду. Подобный процесс может проходить как в желудочно-кишечном тракте моллюска и заканчи­ваться выведением захваченных бактерий вместе с фекальными массами, так и в жаберном аппарате, где отфильтрованные, но не попавшие в органы пищеварения взвешенные частицы агглютинируются слизью и вы­водятся затем с псевдофекалиями. Данные об уровне концентрации жизне­способных бактериальных клеток в агрегированных выделениях варьируют для каждого вида моллюска, однако большинство авторов сходятся во мнении, что эти величины незначительны по сравнению с интенсивностью деструкции микроорганизмов в теле животного (Harles et al., 1992). Так, не­смотря на относительно высокое содержание бактерий в фекальных выде­лениях черноморских мидий в условиях эксперимента (численность ге­теротрофных бактерий до 108, колибактерий до 106 кл. г1 общей сырой массы выделений), совокупная концентрация микроорганизмов в фекалиях и псевдофекалиях не превышала 2—3 % их количества в объеме воды, фильтруемой моллюском за 1 ч. При этом контаминированность агрегированных выделений прямо пропорционально зависела от количест­ва бактерий в окружающей моллюсков морской среде (Говорин,1993).

Как показал статистический анализ результатов экспериментов по изу­чению процесса выведения мидиями не подвергшихся деструкции алло-хтонных бактерий вместе с фекалиями и псевдофекалиями, между интенсив­ностью выведения моллюском агрегированных выделений (4 г экз-1. ч~) и размером особи (Lm, мм), а также его общей сырой массой (Wm, г) выявле­ны статистически достоверные зависимости с коэффициентом корреляции 0,930 и 0,932 соответственно < 0,01):

log(/r) = -11,311 + 1,686 logdj,

log(/r) = 5,305 + 0,638 logTO.

Регрессионный анализ показал статистически достоверную зависимость также между микробной обсемененностью агрегированных выделений моллюска (С,) и численностью бактерий в морской воде (CJ, фильтруемой животным. Коэффициент корреляции для сапрофитных бактерий (ОМЧ) составлял 0,971, для санитарно-показательных бактерий кишечной группы (БГКП и ЛКБ) соответственно 0,965 и 0,954. На основании полученных данных были построены следующие модели линейной зависимости длякаждой из контролируемых групп микроорганизмов с 99%-ми доверитель­ными интервалами < 0,01):

ОМЧ - log (Сг) = 4,989 + 0,689 log J, (SE= 0,323), БГКП - log (Q) = 3,887 + 0,745 log (CJ, (SE= 0,601), ЛКБ - log (Q = 4,876 + 0,549 log (Q,       (5£ = 0,442).

Основная часть бактерий концентрируется на поверхности агрегиро­ванных выделений, будучи адсорбированными слизистыми веществами их оболочки. При этом речь, видимо, может идти лишь о начальной, обрати­мой, стадии адсорбции микроорганизмов на поверхности фекальных час­тиц, так как при активных механических воздействиях, способных разру­шить их оболочки, до 61—77 % содержащихся в них бактериальных клеток могут вновь перейти во взвешенное состояние уже за 24 ч опыта (Го-ворин,1993). Этот процесс также в значительной мере ослабляет позитив­ное значение седиментации аллохтонных бактерий из морской среды вме­сте с агрегированными выделениями моллюсков, микрофлора которых мо­жет в дальнейшем утилизироваться обитающими на дне детритофагами.

Роль мидий в формировании санитарно-бактериологических характеристик морской среды Одесского побережья в условиях сильных антропогенных на­грузок. Оценка в 1989—1992 гг. санитарно-микробиологических характери­стик морской среды в районе м. Большой Фонтан показала относительно высокий потенциал биомелиорации морских вод культивируемыми моллю­сками (Говорин и др., 1994). Несмотря на то что район наблюдений был подвержен сильному и практически постоянному воздействию подводного выпуска коммунально-бытовых сточных вод (Говорин, Адобовский,1992), прохождение водных масс через ряд модульных мидийньгх установок «Риф» в 76 % случаев сопровождалось статистически достоверным (р < 0,05) умень­шением их бактериальной загрязненности. При относительно высокой кон­таминации морской воды в акватории гетеротрофными микроорганизмами (105—107 кл.-дм-3) и бактериями группы кишечных палочек (102—104кл. дм-3) максимальный положительный эффект биомелиорации достигал 87—92 %, а средние значения уменьшения бактериальной обсемененности водных масс после их прохождения через ряд мидийных установок составляли, за многолетний период наблюдений, 43—52 %. Эффективность элиминации бактерий в среднем горизонте (глубина 5 м) была стабильно более высо­кой, чем в придонном (10 м), среднее уменьшение численности гетеро­трофных бактерий в воде здесь составляло соответственно 52,3 и 33,7 %, колибактерий — 65,1 и 44,0 % (табл. IV.4.2). Подобные различия были свя­заны прежде всего с изменением численности и биомассы мидий на носи­теле в зависимости от глубины, поскольку до 47 % всей биомассы моллю­сков было сосредоточено в верхней части носителя и только 18,5 % — в придонном горизонте (Адобовский и др., 1989).

Страницы:
1  2  3 


Похожие статьи

Автор неизвестен - 13 самых важных уроков библии

Автор неизвестен - Беседы на книгу бытие

Автор неизвестен - Беседы на шестоднев

Автор неизвестен - Богословие

Автор неизвестен - Божественность христа