Экологическая роль железобактериальных биообрастаний в повышении эффективности песчаных фильтров очистных сооружений водоподъёмной станции

Букреева, Виктория Юрьевна

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Экологическая роль железобактериальных биообрастаний в повышении эффективности песчаных фильтров очистных сооружений водоподъёмной станции
ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Экологическая роль железобактериальных биообрастаний в повышении эффективности песчаных фильтров очистных сооружений водоподъёмной станции"

Букреева Виктория Юрьевна

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ ЖЕЛЕЗОБАКТЕРИАЛЬНЫХ БИООБРАСТАНИЙ В ПОВЫШЕНИИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПЕСЧАНЫХ ФИЛЬТРОВ ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ ВОДОПОДЪЁМНОЙ СТАНЦИИ (НА ПРИМЕРЕ Г. ВОРОНЕЖА)

03.02.08 - экология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Воронеж - 2011

005009176

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Воронежский государственный университет» (ФГБОУ ВПО «ВГУ»)

Научный руководитель:

доктор биологических наук, профессор Епринцев Александр Трофимович

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, профессор Девятова Татьяна Анатольевна доктор биологических наук, профессор Комов Виктор Трофимович

Ведущая организация:

Воронежский государственный университет инженерных технологий

Защита состоится «28» декабря 2011 года в i'f часов на заседании диссертационного совета Д 212.038.05 при ФГБОУ ВПО ВГУ по адресу: 394006, г. Воронеж, ул. Университетская пл., д. 1.

Автореферат диссертации размещен на официальном сайте Минобрнауки Российской Федерации и на сайте Воронежского государственного университете www.vsu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «ВГУ» по адресу: 394006, г. Воронежа, ул. Университетская пл., д. 1.

Автореферат разослан Л ноября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета| .......

кандидат биологических наук, доцент v\J | й iL..,. Барабаш Г.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Микробные сообщества железобактерий, играют важнейшую роль в природных циклах железа и марганца, что в полной мере относится к формированию состава грунтовых вод.

В последние десятилетия проблема загрязнения железом и марганцем грунтовых вод в г. Воронеже приобрела острый характер, что в значительной степени было обусловлено созданием Воронежского водохранилища, вызвавшего поднятие уровня грунтовых вод, и, как следствие изменение гидрологических и гидрогеохимических условий формирования подземных вод. Это, а также интенсификация эксплуатации водоносного горизонта, привели к усилению вымывания железа из пород неоген-четвертичного периода [Бочаров и др., 1999], что, в свою очередь, ухудшило качество питьевых вод за счет увеличения концентрации тяжёлых металлов. Вместе с тем известно, что железо- и марганецокисляющие микроорганизмы, способные к активному окислению и аккумулированию растворенных форм этих элементов в виде нерастворимых оксидов, можно использовать для удаления железа и марганца из иитьевой воды [ОиЫшпа, 1981, Дубинина, 1989, Остроумов, 2005].

Биологический круговорот как железа, так и марганца в природных водах, идущий с высокой скоростью, осуществляется при участии одних и тех же групп железо- и марганецвосстанавливающих и окисляющих микроорганизмов [Дубинина, 1977, Дривер, 1985, Самсонова, 2006, Остроумов, 2009].

Песчаные биофильтры при правильном режиме эксплуатации способны интенсивно удалять растворимые соединения железа, марганца и других тяжёлых металлов из воды за счет микробиологических окислительных и сорбционных процессов. Однако слабо изучен бактериальный состав обрастаний. В частности практически не известно количественное и качественное изменение железобактерий. Высокая эффективность функционирования песчаных загрузок очистных сооружений водоподъёмных станций от железа, марганца и других тяжелых металлов может быть достигнута наличием различных морфотипов железобактерий и созданием

благоприятных факторов для их жизнедеятельности: кислородный режим, концентрация ряда химических элементов, а также скорости водотока и водообмена [Дубинина, 1999].

Известно, что при застойных явлениях в песчаной загрузке фильтра развивается анаэробная зона, в которой происходят процессы перехода нерастворимых в воде соединений трехвалентного железа в растворимые. Подобный эффект делает отфильтрованную воду непригодной к употреблению, а работу фильтра - малоэффективной.

Цель и задачи исследования. Целью данной работы было исследование роли ассоциаций микроорганизмов биогеохимических циклов железа и марганца в функционировании песчаной загрузки очистных сооружений и влияния на них факторов биотической и абиотической природы, связанных с микроокружением ВПС-8.

Для выполнения цели были поставлены следующие задачи:

1. Исследовать формирование микробиологического состава и биообрастаний песчаной загрузки очистных сооружений водоподъёмной станции ВПС-8 г. Воронежа. Выявить количество железо-, марганецокисляющих и - восстанавливающих ассоциаций в функционирующих песчаных фильтрах и идентифицировать их морфотипы.

2. Изучить значение железо-, марганецвосстанавливающих микроорганизмов в определенные периоды фильтрации связанные с застойными явлениями (возникновением анаэробных зон) и выяснить биологический механизм вторичного загрязнения питьевой воды некоторыми тяжёлыми металлами.

3. С помощью электрофизических методов провести комплексное исследование элементного состава биообрастаний песчаной загрузки очистных сооружений.

4. Создать модельную установку песчаного фильтра водоподъёмной станции ВПС-8 г. Воронежа для проведения исследований биологической активности ассоций железобактерий при лабораторном моделировании песчаных фильтров в зависимости от режима фильтрации.

5. Выяснить роль биологического окисления и сорбционных процессов для удаления растворимых соединений тяжёлых металлов при функционировании песчаной загрузки модельной установки.

6. Исследовать значение скорости протока фильтруемой жидкости и концентрации железа и марганца на эффективность функционирования микробиологического компонента песчаных фильтров очистных сооружений.

Научная новизна. Принципиальная новизна полученных результатов состоит в исследовании роли естественных биоценозов в качестве важных факторов очистки воды при её фильтрации через песчаный фильтр. Создание лабораторной модельной установки - биореактора с использованием природных биоценозов микроорганизмов и их применение, позволило выяснить основные физико-химические факторы, определяющие интенсивность микробиологических процессов удаления металлов из воды. Изучены структура и функциональная активность природных сообществ микроорганизмов в трансформации соединений железа и марганца (Ре, Мп -окисляющих и - редуцирующих) в грунтовой воде и на объектах системы водоочистки (песчаные фильтры). Исследование микробиологического состава биообрастаний песчаной загрузки очистных сооружений водоподъёмной станции № 8 г. Воронежа показало, что доминирующим компонентом биообрастаний являются аэробные морфотипы железоокисляющих прокариот СаШопеПа, ЬерШкгЫ, «Б1с1егосар.ча», обеспечивающих трансформацию растворимых форм железа и марганца в нерастворимое состояние. Выяснена роль железо-, марганецредуцирующих микроорганизмов во вторичном загрязнении питьевой воды тяжёлыми металлами.

Установлена зависимость между процессами окисления и восстановления железа и марганца на песчаной загрузке фильтра от скорости потока очищаемой воды. Показано важное значение скорости фильтрации для эффективности трансформации растворимых форм железа и марганца, содержащихся в грунтовой воде.

Выяснен и обоснован механизм влияния аэрации на возникновение застойных зон в песчаной загрузке, в которых происходит анаэробный рост микроорганизмов, обусловленный бескислородными условиями. Повышение концентрации кислорода в фильтруемой воде уменьшает вероятность возникновения в фильтре анаэробных зон.

Практическая и теоретическая значимость. Результаты исследования позволяют раскрыть пути формирования микробиологического состава песчаных фильтров водоподъёмных станций. Установлено, что доминирующим компонентом ассоциаций биообрастаний являются аэробные железо- и марганецокисляющие прокариоты родов морфотипов «Б1с1егосарза» (АпИгоЬас1ег), СаШопеПа, 1ерШ)тх. Полученные данные о роли железоредуцирующих микроорганизмов во вторичном загрязнении тяжёлыми металлами питьевой воды открывают возможность модифицировать режим эксплуатации очистных сооружений и повысить эффективность их функционирования. Соблюдение параметров оптимальной скорости фильтрации и аэрации песчаной загрузки будет способствовать ликвидации застойных явлений, ведущих к снижению эффективности очистки воды. Материалы работы используются в учебном процессе на биолого-почвенном факультете и могут быть использованы в лекционных курсах по общей экологии, микробиологии и в спецкурсе по микробиологической экологии.

Апробация результатов исследований. Материалы работы были представлены, доложены и обсуждены на межрегиональной научной конференции «Организация и регуляция физиолого-биохимических процессов» (Воронеж, 2008-2011г.), на 13, 14 и 15-й международной пущинской школе - конференция молодых ученых «Биология - наука XXI век» (Пущино, 2009-2011г.), на 14-й международной научно-практической конференции «Проблемы экологии и экологической безопасности Центрального Черноземья РФ» (Липецк, 2010г.), на научной сессии Воронежского госуниверситета (Воронеж, 2011г.), в материалах IV Всероссийского с международным участием конгресса студентов и аспирантов биологов «Симбиоз, Россия (Воронеж, 2011г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 3 статьи в журналах, рецензируемых ВАК Минобрнауки РФ. На защиту выносятся следующие положения:

1. Формирование микробиологического состава биообрастаний песчаных фильтров водоподъёмных станций способствует повышению эффективности биологического окисления и сорбции тяжёлых металлов.

2. Железо- и марганецокисляющие микроорганизмы являются важным компонентом биообрастаний песчаных фильтров и участвуют в трансформации растворимых форм тяжёлых металлов (железа, марганца и других) в нерастворимые.

3. Электрофизические методы, позволяют выявить различные химические элементы биообрастанияй песчаной загрузки очистных сооружений. Доминирующее количество атомов тяжёлых металлов: Мп, Бе обусловлено биологическим окислением и сорбцией их на элементах песчаной загрузки и стёклах обрастаний, что связано с деятельностью железо-, марганецокисляющих микроорганизмов и подкрепляется моделированием соответствующего процесса.

4. Моделирование и оптимизация процессов удаления растворимых соединений тяжёлых металлов из питьевой воды микробиологическим способом на базе экспериментальной установки песчаного фильтра. Объём и структура работы. Диссертация изложена на 139 страницах машинописного текста и состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части и обсуждения результатов, заключения, выводов, списка литературы (148 источников). Иллюстрационный материал включает 23 рисунка, 7 таблиц.

Место проведения работы и благодарности. Работа проводилась в течение 2008-2011 гг. в ФГБОУ ВПО «ВГУ» на базе кафедры биохимии и физиологии клетки, в микробиологической лаборатории и в лаборатории электрофизических методов исследований физического факультета ВГУ, а также совместно с Институтом микробиологии им. С.Н. Виноградского РАН г. Москвы.

Автор выражает особую благодарность научному руководителю д.б.н. Епринцеву А.Т. за руководство и поддержку на всех этапах диссертационной работы.

Работа была выполнена при финансовой поддержке грантов РФФИ № 08 - 04-99026 р-офи.

Автор выражает глубокую признательность д.б.н. Грабович М.Ю., д.б.н. Дубининой Г.А., аспиранту Трубицину И.В. за помощь на отдельных этапах исследования.

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Обсуждаются публикации о роли бактерий в круговороте железа и марганца, а также их участие в трансформация некоторых тяжёлых металлов в поверхностных и грунтовых водах. Процессы формирования бактериальных биотопов в песчаных фильтрах и теоретические основы способов очистки грунтовой воды применяемых на водоподъёмных станциях очистных сооружений г. Воронежа отражено в работах некоторых исследователей [Дубинина, 1999, Дрожжин, 2000]. Дано описание применяемых в настоящее время способов очистки питьевой воды от различных загрязнителей.

Глава 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ Объекты исследования. Объектами исследования служили биообрастания песчаной загрузки фильтров водоподъёмной станции очистных сооружений (ВПС-8) г. Воронежа. Для изучения роли ассоциации микроорганизмов в природной трансформации соединений железа и марганца отбирали пробы грунтовой воды на водоподъёмной станции, а также пробы песка из песчаных фильтров очистных сооружений и модельной установки, соответственно. Влияние физико-химических и микробиологических факторов на эффективность биочистки исследовали на экспериментальной модельной установке песчаного фильтра водоподъёмной станции № 8 г. Воронежа.

Описание модельной установки. Модельная установка (рис. 1) представляет собой модифицированную модель, аналогом которой являлась

гель-фильтрационная система разработанная Дрожжиным [Дрожжин, 2001] и состоит из ёмкости в форме параллелепипеда; 0,6 м (длина), 0,25 м (ширина) и 0,35 м (высота). Основной объём занимает песок: верхний слой толщиной 15 см (диаметр песчинок 2-3 мм) и нижний - 6 см (диаметр песчинок 4-5 мм). В песчаной загрузке происходят процессы химического окисления катионов двухвалентного железа и марганца с последующим осаждением получившихся нерастворимых соединений. Кроме того, на частицах песка локализованы колонии аэробных железоокисляющих прокариот, которые повышают скорость и общую эффективность процесса фильтрации. Под песчаной загрузкой располагается дренажная система (рис. 2).

Данная установка может считаться достоверной моделью песчаного фильтра водоподъёмной станции (ВПС-8) на основе следующих параметров:

1. Если обозначить длину фильтров как А (длина модельной установки) и А; (длина секции фильтра ВПС), В и В] ширина, Н и Н, высота, то выполняется равенство: А»В/Н = А|* В;/ Н!

2. Скорость протока воды в модельной установке в процессе фильтрации сопоставима со скоростью протока на фильтре водоподъёмной станции

3. Сообщество микроорганизмов, принимающих участие в процессах окисления/восстановления ионов тяжёлых металлов в модельной установке, было взято из песчаной загрузки фильтра ВПС-8.

Рис. 1. Общая схема устройства модельной установки.

Рис. 2. Общая схема устройства и функционирования дренажной системы.

Скорость протока была выражена, как объём воды (литр), прошедший через песчаную загрузку фильтра за сутки. Использовали три основные скорости протока: 90 л/сутки ± 10 л/сутки (низкая скорость); 220 л/сутки ± 10 л/сутки (средняя скорость); 300 л/сутки ± 10 л/сутки (высокая скорость).

Для выяснения зависимости между содержанием соединений железа в воде после фильтрации от количества железа в неотфильтрованной воде проводили опыты с растворами железа низкой концентрации ([Fe] = 0,4 мг/л ± 0,04 мг/л), средней (fFe] = 2-3 мг/л) и высокой концентрации ([Fe] = 10 мг/л ± 1 мг/л).

Для определения процессов окисления/восстановления (как химического, так и биологического) железа и марганца в условиях недостатка или полного отсутствия кислорода в воде и был проведён ряд опытов с застоем воды различной продолжительности: кратковременный застой - продолжительность до 12 часов; застой средней продолжительности -от 12 до 24 часов; остановка протока на срок от 24 до 72 часов.

Контроль качества исследуемой воды проводили путем изучения её органолептических, химических и микробиологических показателей до и после выхода из установки и осуществляли его согласно СанПиН 2.1.4.107401.

Микробиологические методы исследования. Количественный учет общей численности одноклеточных железо- и марганецокисляющих органотрофных бактерий производили методом посева на агаровую среду Тилера [Tyler, 1967] в чашки Петри с последующим подсчетом колоний, накапливающих

оксиды железа или марганца. Среда для выделения и количественного учета одноклеточных марганецокисляющих бактерий [Krumbein, 1971], для получения культуры накопления Gallionella [Kucera, Wolfe, 1957], для количественного учета анаэробных железо- и марганецредуцирующих бактерий, обладающих респираторным типом метаболизма и использующих Fe(OH)3 или МпСЬ в качестве акцепторов электронов применяли среду Миерса и Нильсена [Myers, 1988], для бродилыциков среду Бромфильда [Bromfield,1954], После инкубации при 25°С осуществляли подсчёт выросших колоний [Кузнецов и др., 1989]. Для качественного определения железо- и марганецокисляющих бактерий использовали метод окрашивания по Разумову [Разумов, 1948]. Идентификацию исследуемых осадков проводили путем микроскопического анализа в светооптическом фазовоконтрастном микроскопе фирмы «Olympus СХ-41». Химические методы исследования. Общее железо в пробах воды определяли с использованием роданида калия (KCNS), общее содержание марганца - колориметрически на основе качественной реакции с формальдоксимом на СФ-56. Для определения концентрации Мп4+ использовали качественную реакцию с орто-толидином. Содержание Мп2+ рассчитывали по разности концентраций: [Мп общ.] - [Мп4+] [Резников и др.,1970]. Концентрацию кислорода в воде измеряли модифицированным микрометодом Винклера с йодом.

Электрофизические методы исследования. Электронную микроскопию и определение металлов в твердой фазе проводили методом рентгеноспектрального анализа с микрозондовым анализатором в трансмиссионном микроскопе фирмы «JEOL» JEM 100 С. Измерение элементного состава производили на сканирующем микроскопе JEOL JSM-6380 LV с энергодисперсионной приставкой INCA Energy-250. Математическая обработка результатов. Опыты проводили в четырех-, пятикратной повторностях. Для определения достоверности результатов исследований применяли метод вариационной диагностики, используя критерий Стьюдента. Результаты считали достоверными, если различие

между расчетным значением «показателя существенной разницы» и табличным значением критерия Стьюдента не превышало 0,05 [Лакин, 1990]. Глава 3. МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИЙ СОСТАВ ПЕСЧАНОЙ ЗАГРУЗКИ ФИЛЬТРОВ ПРИМЕНЯЕМЫХ ДЛЯ ОЧИСТКИ ГРУНТОВОЙ ВОДЫ

В главе приведены результаты исследований микробиологического состава биообрастаний функционирующих фильтров очистных сооружений. Микроскопический анализ микрофлоры обрастаний песчаного фильтра показал, что доминирующими в природной ассоциации являются следующие железобактерии: из одноклеточных - различные морфотипы «81с1егосар.ча» (АпкгоЪас1ег) и СаШопеИа; из нитчатых форм - ЬерШИпх. Основную массу бактериальных обрастаний составляют представители рода морфотипов «Ло'егасорб'я», ЬерШИпх присутствующие в незначительном количестве и ещё меньше - СаШопеИа (рис. 3). Помимо железобактерий, покрытых оксидами металлов, встречаются и другие бактериальные клетки, водоросли, простейшие.

Рис. 3. Микроскопический анализ микрофлоры обрастаний песчаного фильтра: А - «81(1егосарза»; Б - СаШопеИа-, В - ЬерШИгтх (ожелезненные чехлы). Масштаб 10 мкм.

Наряду с качественным составом железобактерий в обрастаниях песчаного фильтра был выявлен количественный учёт микроорганизмов при застойных явлениях. В условиях кратковременного застоя воды численность одноклеточных железобактерий составила (29,13±0,87)х106 кл/мл в воде на выходе и (2,30±0,06)хЮ6 кл/г сырого песка из фильтра. При долговременном застое проводили количественный учёт микроорганизмов, участвующих в

процессах редукции растворимых форм железа и марганца. Численность микроорганизмов составила (19,52±0,58)х106 кл/мл в воде на выходе. На данном этапе в нижних слоях песчаной загрузки не наблюдалось отложений оксидов на стёклах обрастаний. Вследствие замедления протока воды в фильтре создавались анаэробные условия, при этом наблюдали обильнейшие бактериальные обрастания, представленные неожелезнёнными клетками нитчатых и крупных одноклеточных бактерий.

Анализ микробиологического состава песчаных фильтров водоподъёмной станции № 8 г. Воронежа в период технической остановки фильтрации воды (технологическая остановка связана с ремонтными работами или с промывом фильтров обратным током воды), показал, что общая численность одноклеточных железо- и марганецокисляющих органотрофных бактерий в грунтовой воде из скважин ВПС-8 составила (250,00±8,00)хЮ кл/мл, анаэробных железо- и марганецредуцирующих бактерий (8,05±0,27)х10б кл/мл. Учёт количества микроорганизмов на песчаной загрузке в период трехдневной технической остановки одного из фильтров показал, что количество анаэробных железо- и марганецредуцирующих бактерий в 1 г сырого песка достигало более (2000,12±74,20)хЮ6 кл. Общее число железо- и марганецокисляющих микроорганизмов: органотрофных бактерий (13,30±0,53)х106 кл/г сырого песка; одноклеточных бактерий (125,33±4,26)хЮ6 кл/г сырого песка.

Полученные данные указывают на наличие застойных явлений в фильтре ВПС-8 и модельной установке. Поэтому, после начала фильтрации находящаяся в состоянии застоя вода песчаной загрузки имеет в своем составе растворимое двухвалентное железо, которое начинает окисляться в трубах системы городского водоснабжения, а не на фильтрах водоподъёмной станции очистных сооружений.

железобактерии). Была установлена важная роль железоредукторов во вторичном загрязнении питьевой воды растворимыми формами железа.

Глава 4. ЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ БИООБРАСТАНИЙ ПЕСЧАНОЙ ЗАГРУЗКИ ОЧИСТНЫХ ФИЛЬТРОВ

В данной главе представлены результаты полученные с использованием современной методологии, в частности сканирующего микроскопа JEOL JSM-6380 LV с энергодисперсионной приставкой INCA Energy-250 и методом рентгеноспектрального анализа с микрозондовым анализатором в трансмиссионном микроскопе фирмы «JEOL» JEM 100 С.

Комплексное изучение элементного состава биообрастаний песчаной загрузки очистных сооружений выявило наличие различных химических элементов: С, О, Na, Mg, Al, Si, S, CI, K, Ca, Mn, Fe, Cu, Zn, P, Mo (табл.1). Доминирующее количество атомов тяжёлых металлов (Mn, Fe) связано с их биологической сорбцией на элементах песчаной загрузки и стеклах обрастаний в результате деятельности железо- и марганецокисляющих микроорганизмов (рис. 4 А, Б). Из данных (табл.1) видно, что такие элементы как С, О, Si, Fe присутствуют у всех исследуемых образцов, причём с повышением ожелезненности наблюдается пропорциональное увеличение атомного процента С, Fe, Са. Атомный процент кислорода изменяется незначительно, а атомный процент Si снижается, что, скорее всего, связано с увеличением интенсивности сорбции ионов металлов на поверхности фрагмента песчаной загрузки и за счёт деятельности микроорганизмов, способных окислять двухвалентные формы железа и марганца с отложением окислов этих металлов на поверхности клеток. Наличие Мп на фрагментах песчаной загрузки также подтверждает наличие окислительных процессов в фильтруемой воде, связанных с переводом соединений данного металла в нерастворимую форму. Атомные проценты для Na, Mg, Al оставались на одном уровне. Такие элементы как Р, С1, Мо были выявлены лишь единожды на различных образцах, и по ним сложно судить о каких либо динамических процессах.

Исследуемые образцы с углеродным напылением (рис. 4, А и 4, Б) и их элементный состав представлены в таблицах 2 и 3, соответственно.

Элементный состав фрагментов песчаной загрузки биореактора

Таблица 1

Фрагмс нт ПЗ Элементы

С О N3 Мя А1 31 Р С1 Са Мп Ре Мо

В А В А В А В А В А В А В А В А В А В А В А В А

Низкой ст. ож. 4.39 6.72 62.40 71.69 * * • * 0.44 0.30 32.29 21.13 • * * • * * * * 0.49 0.16 * *

Средней ст. ож. 12.01 17.74 57.13 63.39 0.30 0.23 0.44 0.32 * ♦ 27.57 17.43 * * 0.21 0.11 0.96 0.43 * * 0.74 0.24 0.64 0.12

Высокой ст. ож. 9.19 18.28 38.34 57.25 * + • * * * 0.82 0.70 2.64 2.04 * * 3.99 2.38 12.76 5.55 32.26 13.80 * *

Стекло 21.02 30.30 49.02 53.06 3.49 2.63 1.06 0.76 0.53 0.34 12.55 7.74 * * • 11.15 4.82 0.43 0.13 0.76 0.23 * *

ПЗ - песчаная загрузка, ст.ож. — степень ожелезненности, В. - весовой процент, А. - атомный процент, стекло трех дневной экспозиции, *- данные элементы отсутствовали.

Рис. 4. Элементный анализ обрастаний предметного стекла с углеродным напылением (А), обрастаний снятых с предметного стекла (Б). Спектр 1, 2 — анализируемые участки, Имп, сек. - импульс в секундах, интенсивность -содержание элементов в образце (относительные единицы), Е - энергия импульса, кэВ.

Таблица 2

Элементный состав обрастаний предметного стекла с углеродным напылением

Элемент С О Ыа Мё А1 51 5 С1 К Са Мп Ре Си

Весовой % 18.01 51.88 0.21 0.24 0.63 2.04 0.17 0.11 0.11 23.22 0.81 2.16 0.41

Атомный % 27.23 58.87 0.16 0.18 0.42 1.32 0.10 0.06 0.05 10.52 0.27 0.70 0.12

Итого: 100%

Таблица 3

Элементный состав обрастания снятого с предметного стекла с углеродным напылением

мент

Ыа А1

С1

Са

Мп Ре Си Ъл

ОВОЙ %

18.97

47.90

0.48

0.29

1.15

2.73

0.15

0.38

0.17

0.07

17.57

0.89

7.53

0.89

0.85

мнын% 29.33 55.60 0.38 0.22 0.79 1.80 0.09 0.22 0.09 0.03 8.14 0.30 2.50 0.26 0.24

Итого: 100%

По данным приведенным в таблицах 2, 3 и рис. 4 можно заключить, что томный процент элементов: Ре, Си, 2п возрастает на снятых с поверхности текла обрастаниях. Следовательно, происходит их концентрирование на канируемой поверхности, что в очередной раз подтверждает наличие кислительных и сорбционных процессов в песчаной загрузке. Высокий томный процент элемента С в образцах обусловлен углеродным напылением.

Следует отметить, что наличие углерода и его увеличение в зависимости т степени ожелезненности наблюдали на образцах без напыления, ледовательно, имеет место наличие микроорганизмов обеспечивающих роцессы отложения окислов металлов на поверхности клеток, аким образом, наличие элементов Ре, Мп и других тяжёлых металлов на брастаниях предметных стёкол и фотографии их поверхности позволили аключить, что железо- и марганецокисляющие микроорганизмы активно частвуют в функционировании песчаного фильтра модельной установки.

Для оценки роли железо- и марганецокисляющих микроорганизмов в далении, помимо Ре, Мп и других тяжелых металлов в резервуар, из которого оступала вода на песчаный фильтр, наряду с железом и марганцем вносили астворы следующих солей тяжелых металлов: СгСц- 6Н20, СмН^Мк^Бг • 0Н2С>, С(1(СН3СОО) • 2Н20, СоС12 • 6Н20, РЬ(Ш3)2, А12(504)3 ■ 18Н20 и гп504 • Н20. При исходной концентрации различных металлов от 1 до 10 мг/л в вступающей на фильтр воде на выходе. Через несколько суток работы иореактора их содержание снижалось ниже норм ПДК. Накопление этих лементов происходит, по-видимому, за счет сорбционных процессов на оверхности и вокруг бактериальных клеток железобактерий в чехлах, апсулах и в свежеосажденных оксидах железа и марганца. Осаждение яжелых металлов количественно уменьшалось в следующей

последовательности: А1 > Сг > 2п > N1 > Со > Си > Сё > РЪ. Сопоставление спектров металлов (полученных методом микрозондового рентгеноспектрального анализа) снятых с различных клеток и бактериальных микроколоний, на которых происходило осаждение металлов, свидетельствует, что качественный и количественный состав накопленных металлов может значительно варьировать.

Глава 5. ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ПЕСЧАНЫХ ФИЛЬТРОВ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ В главе представлены результаты по оптимизации режимов функционирования песчаных фильтров для улучшения качества питьевой воды. Полученные данные позволили установить ряд закономерностей в процессе работы модельной установки с параметрами соответствующими песчаным фильтрам очистных сооружений водоподъёмной станции № 8 г. Воронежа и устроенного по принципу упрощённой аэрации с последующей фильтрацией. Была выявлена роль аэробных и анаэробных прокариот в процессах обезжелезивания и вторичного загрязнения воды ионами тяжёлых металлов на созданной нами модельной установке и фильтрах ВПС.

Результат микробиологических исследований показал, что аэробные железобактерии локализованы преимущественно в верхней части песчаной загрузки, в которых достаточно кислорода и где осуществляются процессы химического и биологического окисления катионов Ре2+ и Мп2+. При анализе микропрепаратов стёкол обрастания выявлено, что большая часть нерастворимых соединений железа адсорбируется на поверхности бактериальных клеток. Причиной этого может быть как непосредственно процесс окисления Ре2+ микроорганизмами, так и химическая автокаталитическая реакция, происходящая в непосредственной близости от ожелезнённых чехлов бактерий, что доказывает важную роль железоредукторов в процессе работы изучаемого песчаного фильтра.

При изучении более глубоких слоёв песчаной загрузки, где концентрация растворенного кислорода резко снижена, были обнаружены колонии анаэробных железовосстанавливающих прокариот. Следовательно, процессы анаэробного восстановления соединений железа протекают преимущественно

нижней части фильтра. На основании этого можно сделать вывод о том, что убыточный размер песчаной загрузки (по высоте столба фильтра) негативно казывается на процессе сорбции тяжёлых металлов в связи с возникновением ней анаэробных зон, где активно развиваются железо- и арганецредуцирующие микроорганизмы.

Была изучена зависимость интенсивности процесса биологической ильтрации от скорости протока воды. Рассчитана минимальная скорость ротока - 2,9 - 4,3 литра/сутки на 1000 см3 песчаной загрузки фильтра, при оторой очищаемая вода будет соответствовать значению ПДК по железу (при ильтрации воды с концентрацией железа от 1 до 10 мг/л). При этом, ффективность фильтрации значительно возрастает при скорости протока ыше 5,7 л/сутки. Установлено, что лимитирующим фактором здесь является одержание кислорода в воде, обуславливающее развитие анаэробных зон. ри снижении концентрации кислорода до нуля в песчаной загрузке ачинаются процессы вторичного загрязнения воды двухвалентными ионами елеза и марганца. Аналогичное явление происходит и при остановке протока оды длительностью более 3 часов (данная величина может зависеть от азмеров и устройства песчаной загрузки и отличаться на других фильтрах). 1ри застое воды продолжительностью от 3 до 12 часов происходит езначительное возрастание концентрации двухвалентного железа и падение оличества трехвалентного железа. Содержание в воде общего железа еняется незначительно. При продолжительной остановке фильтрации (до 24 гасов) наблюдается заметное возрастание концентрации железа |Те2+] до 1 мг/л 1 выше. Количество трехвалентного железа наоборот снижается до 0,5 мг/л (и иже) (рис. 5).

[Те], мг/л

а -¡—<-----—

2,5 3

Время, час

Рис. 5. Изменение содержания железа в пробах воды при возобновлении фильтрации после остановки средней продолжительности (20 часов).

Так же было показано, что изменения концентрации исследуемого тяжелого металла носят кратковременный, обратимый характер - работа фильтра полностью стабилизируется за 1,5 часа после возобновления протока воды. В случае остановки протока более чем на сутки в пробе воды после фильтрации полностью отсутствовало трехвалентное железо, всё железо находилось в двухвалентном состоянии (рис. 6). [Ре], мг/л

14,000 12,ООО 10,000 ! 8,ООО 6,000 ; 4.ООО ! 2,ООО !

о.ооо ! о

Время, час

Рис. 6. Изменение концентрации железа в пробах воды при возобновлении фильтрации после продолжительной остановки (70 часов).

При этом концентрация железа [Ре2+] превышала 10 мг/л. Работа фильтра нормализовалась не ранее чем через 4 часа после возобновления протока, что

о.ооо • - - — ¡-1» ■ — в-- •—а-----в——

О 0.5 1 1.5 г

— —Копцяирлция Ре||| ~и~к0иц«н|ыцин ро||

—Концентрации РеШ

- Кони...и р.шнн Г.'М

вязано с изменением соотношения разных групп железобактерий в иообрастаниях (начинают доминировать железо-, марганецокисляющие актерии).

При изучении влияния аэрации установлено, что при концентрации астворённого в воде кислорода выше 7 мг/л дополнительная аэрация алоэффективна. В случае, если концентрация кислорода меньше 7 мг/л, ледует производить аэрацию слоя воды над песчаной загрузкой.

Так же нами рассчитана максимальная концентрация железа в воде (14,2 г/л) при которой возможна эффективная фильтрации на изучаемом фильтре, ыявленные закономерности достоверны независимо от размеров ильтрующей установи.

Таким образом, некоторые из полученных данных и выявленных акономерностей могут быть использованы в виде практических рекомендаций о повышению эффективности эксплуатации песчаных фильтров.

ВЫВОДЫ

. Исследование микробиологического состава биообрастаний песчаной загрузки очистных сооружений водоподъёмной станции № В г. Воронежа показало, что доминирующим компонентом ассоциаций биообрастаний являются аэробные железоокисляющие прокариоты родов Gallionella, Leptothrix, «Siderocapsa», обеспечивающие трансформацию растворимых форм железа и марганца в нерастворимое состояние. . Количественная характеристика железо- и марганецокисляющих микроорганизмов свидетельствует о том, что в песчаной загрузке модельной установки и фильтрах очистных сооружений водоподъемной станции №8 г. Воронежа обитают типичные представители железобактерий, развивающиеся при нейтральной реакции среды. Количественный учет микроорганизмов показал их высокое содержание в биообрастаниях исследуемой загрузки. . Исследование элементного состава биообрастаний песчаной загрузки очистных сооружений электрофизическим методом на сканирующем микроскопе JEOL JSM-6380 LV с энергодисперсионной приставкой INCA Energy-250 выявило наличие различных химических элементов (С, О, Na, Mg, Al, Si, S, Cl, K, Ca, Mn, Fe, Cu, Zn, P, Mo). Доминирующее количество

атомов тяжёлых металлов: Мп, Ее - обусловлено биологической сорбцией их на элементах песчаной загрузки и стеклах обрастаний и связано с деятельностью железо- и марганецокисляющих микроорганизмов.

4. Создание модельной установки песчаного фильтра водоподъёмной станции позволило провести комплексное исследование влияния биогенных и абиогенных факторов на эффективность очистки питьевой воды от тяжёлых металлов (железа и марганца).

5. Исследование влияния различных концентраций железа и марганца на эффективность функционирования песчаной загрузки фильтров очистных сооружений показало, что созданный фильтр модельной установки способен эффективно осуществлять процесс фильтрации воды при содержании в ней железа в от 0 до 14 мг/л. При этом концентрация железа в воде после фильтрации не будет превышать 1 мг/л.

6. Выявлено, что при остановке протока воды через биореактор более чем на 3 часа происходит её вторичное загрязнение ионами двухвалентного железа. Концентрация растворимого железа при этом прямо пропорциональна продолжительности застоя воды в фильтре. Установлено, что скорость протока фильтруемой воды не должна быть ниже 2,9 литра/сутки на 1000 см3 песчаной загрузки фильтра. В случае если условие не выполняется, в нижних слоях песчаной загрузки развиваются анаэробные зоны.

7. Показана роль анаэробных железо- и марганецвосстанавливающих микроорганизмов во вторичном загрязнении питьевой воды некоторыми тяжёлыми металлами. Локализованы данные бактерии преимущественно в нижних слоях песчаной загрузки.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Грабович М.Ю., Дубинина Г.А., Букреева В.Ю. и др. Формирование микробиологического состава песчаных фильтров водоподъемных станций / Организация и регуляция физиолого-биохимических процессов / под ред. Епринцева А.Т. Воронеж : Центрально-Черноземное книжное издательство. -2008. - Вып. 10. - С. 298-303.

2. Букреева В.Ю. Сорбция коллоидных соединений оксидов железа и марганца с помощью железобактерий на песчаных загрузках очистных сооружений водоподъемных станций / В.Ю. Букреева, М.Ю. Грабович, А.Т.

принцев, Г.А. Дубинина // Сорбционные и хроматографические процессы. -009.-Т. 9. -Вып. 4.-С. 506-514.

3. Букреева В.Ю. Микробиологический состав песчаных фильтров одоподъемной станции - 8 г. Воронежа / В.Ю. Букреева, М.Ю. Грабович, А.Т. принцев // 13-ая международная пущинская школа - конференция молодых ченых «Биология - наука XXI век». - Пущино. - 2009. - С. 193.

4. Букреева В.Ю. Микробиологический состав песчаного фильтра модельной становки / В.Ю. Букреева, И.В. Трубицын // 14-ая международная пущинская кола - конференция молодых ученых «Биология - наука XXI век». - Пущино. 2010.-Т. 2.-С. 217-218.

5. Трубицын И.В. Анализ работы песчаного фильтра водоподъемной станции ПС-8 г. Воронежа с целью оптимизации процесса фильтрации и улучшения ачества питьевой воды / И.В. Трубицын, В.Ю. Букреева, М.Ю. Грабович, А.Т. принцев // 14-ая международная пущинская школа - конференция молодых ченых «Биология - наука XXI век». - Пущино. - 2010. - Т. 2. - С. 88.

6. Букреева В.Ю. Морфотипы железобактерий доминирующих в природных ссоциациях обрастаний песчаного фильтра / В.Ю. Букреева, И.В. Трубицын, .Т. Епринцев, М.Ю. Грабович, А.Г. Дубинина / Организация и регуляция изиолого-биохимических процессов / под ред. Епринцева А.Т. Воронеж : ентрально-Черноземное книжное издательство. - 2010. - Вып. 11. - С. 65-69.

7. Букреева В.Ю. Роль вторичного загрязнения питьевой воды Ре2+ и Мп2+ ри работе очистных сооружений водоподъемных станций г. Воронежа / В.Ю. укреева, И.В. Трубицын, М.Ю. Грабович, А.Т. Епринцев // Экология ентрально-Черноземной области Российской Федерации. - Липецк. - 2010. -»2.-С. 21-22.

8. Букреева В.Ю. Роль микроорганизмов биохимических циклов железа и арганца в очистки питьевой воды от растворимых форм тяжелых металлов // 5-ая международная пущинская школа - конференция молодых ученых Биология - наука XXI век». - Пущино. - 2011. - С. 344-345.

9. Букреева В.Ю. Биологическая активность ассоциатов железобактерий при абораторном моделировании песчаных фильтров в зависимости от условий нешней среды / В.Ю. Букреева, И.В. Трубицын, Г.А. Дубинина, М.Ю. рабович, А.Т. Епринцев // Вестник ВГУ. - 2011. - № 1. - С. 75-79.

10. Букреева В.Ю. Элементный состав биообрастаний песчаной загрузки очистных фильтров водоподъемных станций г. Воронежа / В.Ю. Букреева, А.Т. Епринцев, М.Ю. Грабович, Соколов Ю.В. / Организация и регуляция физиолого-биохимических процессов / под ред. Епринцева А.Т. Воронеж : Центрально-Черноземное книжное издательство. - 2011. - Вып. 13. - С. 37-42.

11. Букреева В.Ю. Участие железобактерий в очистке питьевой воды от растворимых форм Ре2+ и Мп2+ при работе очистных сооружений водоподъемных станций г. Воронежа / Материалы IV Всероссийского с международным участием конгресса студентов и аспирантов биологов «Симбиоз, Россия», - Воронеж (23-27 мая). - 2011. - Т. 1. - С. 63-65.

12. Дубинина Г.А. Моделирование и оптимизация процессов удаления растворимых соединений тяжелых металлов из питьевой воды микробиологическим способом / Г.А. Дубинина, А.Ю. Сорокина, А.Е. Мысякин, М.Ю. Грабович, А.Т. Епринцев, В.Ю. Букреева // Водные ресурсы. -2012. № 1. С. 23-29.

Статьи № 2, 9, 12 опубликованы в печатных изданиях, состоящих в списке журналов, рекомендованных ВАК РФ.

Подписано в печать 22.11.11. Формат 60x84 '/ц. Усл. печ. л. 1.4. Тираж 100 экз. Заказ 1440.

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии Издательско-полиграфического центра Воронежскою государственного университета. 394000, Воронеж, ул. Пушкинская, 3

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Букреева, Виктория Юрьевна

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Роль микроорганизмов в трансформации соединений тяжёлых металлов

1.1.1. Роль бактерий в круговороте железа и марганца

1.1.1.1. Трансформация тяжёлых металлов (железа и марганца) в поверхностных и грунтовых водах

1.1.1.2. Биогенная миграция в природе, источники и пути поступления железа и марганца в грунтовые и поверхностные воды \

1.1.1.3. Биологическая очистка сточных вод, содержащих железо, марганец, мышьяк и ртуть

1.1.1.4. Причины накопления микроорганизмами оксидов железа и марганца

1.1.1.5. Механизм адаптации микроорганизмов к тяжёлым металлам

1.1.2. Формирование бактериальных биотопов в песчаных фильтрах очистных сооружений водоподъёмных станций

1.2. Теоретические основы способов очистки грунтовой воды применяемых.на водоподъёмных станциях очистных сооружений г. Воронежа

1.2.1. Механизм биологической очистки воды от железа и марганца

1.2.2. Аккумуляция металлов микроорганизмами

1.3. Очистка воды

1.3.1. Очистка питьевой воды и её параметры

1.3.2. Способы очистки питьевой воды

1.3.2.1. Обеззараживание питьевой воды ультрафиолетом

1.3.2.2. Серебрение воды

1.3.2.3. Хлорирование

1.3.2.4. Радионуклиды в питьевой воде

1.3.2.5. Вредное действие нитратов и тяжёлых металлов 54 1.3.3. Железо в воде и методы его устранения

Экспериментальная часть

Глава 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1. Объекты исследования

2.2. Методы исследования

2.2.1. Микробиологические методы исследования

2.2.2. Химические методы исследования

2.2.2.1. Определение катиона Fe и

2.2.2.2. Определение иона

2.2.2.3. Определение иона Мп4+

2.2.2.4. Определение некоторых тяжёлых металлов

2.2.3. Физические методы исследования

2.2.3.1. Описание сканирующего электронного микроскопа JEOL JSM-6380 LV

2.2.3.2. Описание приставки для элементного анализа

INCA Energy

2.2.4. Математическая обработка результатов

Глава 3. МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИЙ СОСТАВ ПЕСЧАНОЙ ЗАГРУЗКИ ФИЛЬТРОВ ПРИМЕНЯЕМЫХ ДЛЯ ОЧИСТКИ

ГРУНТОВОЙ воды

Глава 4. ЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ БИООБРАСТАНИЙ

ПЕСЧАНОЙ ЗАГРУЗКИ ОЧИСТНЫХ ФИЛЬТРОВ

Глава 5. ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ПЕСЧАНЫХ ФИЛЬТРОВ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ КАЧЕСТВА

ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ

5.1. Описание модельной установки

5.2. Зависимость эффективности процесса фильтрации воды от скорости протока

5.2.1. Фильтрация воды при средних скоростях протока

5.2.2. Фильтрация воды при низких скоростях протока

5.2.3. Фильтрация воды при высоких скоростях протока

5.2.4. Влияние скорости протока воды на процесс фильтрации

5.3. Влияние концентрации железа в фильтруемой воде 103 на процесс фильтрации

5.3.1. Процесс фильтрации с раствором низкой концентрации железа

5.3.2. Процесс фильтрации со средней концентрацией железа

5.3.3. Процесс фильтрации с раствором высокой 104 концентрации железа

5.4. Застойные явления и их роль в процессе фильтрации воды 106 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 110 ВЫВОДЫ 120 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение Диссертация по биологии, на тему "Экологическая роль железобактериальных биообрастаний в повышении эффективности песчаных фильтров очистных сооружений водоподъёмной станции"

Актуальность проблемы

Важным объектом экологии микроорганизмов являются микробные сообщества железобактерий, играющих главнейшую роль в природных циклах железа и марганца.

В последние десятилетия проблема загрязнения железом и марганцем грунтовых вод в г. Воронеже приобрела острый характер, что в значительной степени было обусловлено созданием Воронежского водохранилища. В результате его образования произошло поднятие уровня грунтовых вод, что вызвало изменение гидрологических и гидрогеохимических условий формирования подземных вод. Это, а также интенсификация эксплуатации водоносного горизонта привели к усилению вымывания железа из пород неоген-четвертичного периода [Бочаров и др., 1999], что, в свою очередь, приводит к ухудшению качества питьевых вод за счёт увеличения концентрации тяжёлых металлов.

Формирование качества воды в системе водоснабжения определяется активностью микроорганизмов в поверхностных и подземных водах водозаборных зон. Железо- и марганецокисляющие микроорганизмы, способные к активному окислению и аккумулированию растворенных форм этих элементов в виде нерастворимых оксидов, можно использовать для удаления железа и марганца из питьевой воды [Dubinina,1981, Дубинина, 1989, Остроумов, 2005].

В условиях интенсивного техногенного и антропогенного загрязнений окружающей среды используемые способы очистки питьевой воды, основанные на применении сильных окислителей, коагулянтов и фильтров, не всегда справляются с нагрузкой из-за высокого содержания в воде загрязняющих веществ, в том числе, железа и других тяжёлых металлов. Современная наука разрабатывает новые направления в этой отрасли. Одним из таких путей с множеством перспектив и преимуществ является применение биотехнологических способов очистки питьевых и сточных вод с использованием микроорганизмов. Данное направление связано с тем, что биологический круговорот как железа, так и марганца в природных водах, который идет с высокой скоростью, осуществляется при участии одних и тех же групп железо- и марганецвосстанавливающих и окисляющих микроорганизмов [Дубинина, 1977, Дривер, 1985, Самсонова, 2006, Остроумов, 2009].

В связи с этим исследование процесса удаления железа и марганца из питьевой воды с использованием микроорганизмов и оптимизация этого процесса является актуальным.

Впервые разработаны условия лабораторного моделирования микробиологического окисления и сорбции растворимых соединений железа, марганца и других тяжёлых металлов из питьевой воды. Установлены параметры абиотических и биотических факторов, обеспечивающих высокую эффективность функционирования биореактора.

Показано, что песчаные биофильтры при правильном режиме эксплуатации способны интенсивно удалять растворимые соединения железа, марганца и других тяжёлых металлов из воды за счёт микробиологических окислительных и сорбционных процессов. Высокая эффективность функционирования песчаных загрузок очистных сооружений водоподъёмных станций от железа, марганца и других тяжёлых металлов может быть достигнута наличием ассоциации железобактерий {<<§1<1егосар8а», Ьер1о(кп'х, СаШопеНа, Нур о т /с г о Ъ /' и т) и созданием благоприятных факторов для их жизнедеятельности: кислородный режим, концентрация ряда химических элементов, а также скорости водотока и водообмена.

Установлено, что накопление осажденных металлов (А1, Сг, Ъп, Со, Си, РЬ, Сс1) происходило преимущественно на клетках микроорганизмов путем их сорбции. Определены количественные значения кислородного режима песчаной загрузки, обеспечивающей максимальную скорость трансформации растворимых форм железа и марганца в нерастворимые, что указывает на негативные последствия кратковременного "застоя" воды. При продолжительности застоя более трёх часов в песчаной загрузке фильтра развивается анаэробная зона и происходят обратные процессы, обеспечивающие переход нерастворимых в воде соединений трёхвалентного железа в растворимые. Подобный эффект делает отфильтрованную воду непригодной к употреблению, а работу фильтра - неэффективной. Выявлено, что застойные явления могут развиваться и при непрекращающемся протоке воды, что наблюдалось нами для крупных фильтров с некоторым износом песчаной загрузки.

Цель и задачи исследования:

Целыо данной работы было исследование роли ассоциаций микроорганизмов биогеохимических циклов железа и марганца в функционировании песчаной загрузки очистных сооружений и влияния на них факторов биотической и абиотической природы, связанных с микроокружением ВПС-8.

Для выполнения цели были поставлены следующие задачи:

4. Создать модельную установку песчаного фильтра водоподъёмной станции ВПС-8 г. Воронежа для проведения исследований биологической активности ассоциаций железобактерий при лабораторном моделировании песчаных фильтров в зависимости от режима фильтрации.

Научная новизна

Принципиальная новизна полученных результатов состоит в исследовании роли естественных биоценозов в качестве важных факторов очистки воды при её фильтрации через песчаный фильтр. Создание лабораторной модельной установки - биореактора с использованием природных биоценозов микроорганизмов и их применение, позволило выяснить основные физико-химические факторы, определяющие интенсивность микробиологических процессов удаления металлов из воды.

Изучены структура и функциональная активность природных сообществ микроорганизмов в трансформации соединений железа и марганца (Ре, Мп - окисляющих и - редуцирующих) в грунтовой воде и на объектах системы водоочистки (песчаные фильтры). Исследование микробиологического состава биообрастаний песчаной загрузки очистных сооружений водоподъёмной станции № 8 г. Воронежа показало, что доминирующим компонентом биообрастаний являются аэробные морфотипы железоокисляющих прокариот ОаШопеПа, Ьер1о[кг1х, «81с1егосар8а», обеспечивающих трансформацию растворимых форм железа и марганца в нерастворимое состояние. Выяснена роль железо-, марганецредуцирующих микроорганизмов во вторичном загрязнении питьевой воды тяжёлыми металлами.

Практическая значимость

Результаты исследования позволяют раскрыть пути формирования микробиологического состава песчаных фильтров водоподъёмных станций. Установлено, что доминирующим компонентом ассоциаций биообрастаний являются аэробные железо- и марганецокисляющие прокариоты родов морфотипов «о/аегосарБа» (АпИгоЬаМег), ОаШопеНа, ЬерШкпх.

Полученные данные о роли железоредуцирующих микроорганизмов во вторичном загрязнении тяжёлыми металлами питьевой воды открывают возможность модифицировать режим эксплуатации очистных сооружений и повысить эффективность их функционирования. Соблюдение параметров оптимальной скорости фильтрации и аэрации песчаной загрузки будет способствовать ликвидации застойных явлений, ведущих к снижению эффективности очистки воды.

Материалы работы используются в учебном процессе на биолого-почвенном факультете и могут быть использованы в лекционных курсах по общей экологии, микробиологии и в спецкурсе по микробиологической экологии.

Апробация работы

Материалы работы были представлены, доложены и обсуждены на межрегиональной научной конференции «Организация и регуляция физиолого-биохимических процессов», Воронеж, 2008-2011 г.; на 13, 14 и 15-й международной пущинской школе - конференция молодых ученых «Биология - наука XXI век», Пущино, 2009-2011 г.; на 14-й международной научно-практической конференции «Проблемы экологии и экологической безопасности Центрального Черноземья РФ», Липецк, 2010 г.; на научной сессии Воронежского госуниверситета, Воронеж, 2011 г.; в материалах IV Всероссийского с международным участием конгресса студентов и аспирантов биологов «Симбиоз России», Воронеж, 2011 г.

Структура и объем работы

Диссертация изложена на 139 страницах машинописного текста и состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части и обсуждения результатов, заключения, выводов, списка литературы (148 источников). Иллюстрационный материал включает 23 рисунка, 7 таблиц.

Заключение Диссертация по теме "Экология (по отраслям)", Букреева, Виктория Юрьевна

ВЫВОДЫ

1. Исследование микробиологического состава биообрастаний песчаной загрузки очистных сооружений водоподъёмной станции № 8 г. Воронежа показало, что доминирующим компонентом ассоциаций биообрастаний являются аэробные железоокисляющие прокариоты родов Gallionella, Leptothrix, «Siderocapsa», обеспечивающие трансформацию растворимых форм железа и марганца в нерастворимое состояние.

2. Количественная характеристика железо- и марганецокисляющих микроорганизмов свидетельствует о том, что в песчаной загрузке модельной установки и фильтрах очистных сооружений водоподъёмной станции №8 г. Воронежа обитают типичные представители железобактерий, развивающиеся при нейтральной реакции среды. Количественный учёт микроорганизмов показал их высокое содержание в биообрастаниях исследуемой загрузки.

3. Исследование элементного состава биообрастаний песчаной загрузки очистных сооружений электрофизическим методом на сканирующем микроскопе JEOL JSM-6380 LV с энергодисперсионной приставкой INCA Energy-250 выявило наличие различных химических элементов (С, О, Na, Mg, Al, Si, S, Cl, K, Ca, Mn, Fe, Cu, Zn, P, Mo). Доминирующее количество атомов тяжёлых металлов: Mn, Fe - обусловлено биологической сорбцией их на элементах песчаной загрузки и стёклах обрастаний и связано с деятельностью железо-, марганецокисляющих микроорганизмов.

6. Выявлено, что при остановке протока воды через биореактор более чем на 3 часа происходит её вторичное загрязнение ионами двухвалентного железа. Концентрация растворимого железа при этом прямо пропорциональна продолжительности застоя воды в фильтре. Установлено, что скорость протока фильтруемой воды не должна быть ниже 2,9 литра/сутки на 1000 см3 песчаной загрузки фильтра. В случае, если условие не выполняется, в нижних слоях песчаной загрузки развиваются анаэробные зоны.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Загрязнение грунтовых вод, добываемых для питьевого водоснабжения г. Воронежа стало серьёзной проблемой в последние годы. Изменение химико-биологического состава грунтовых вод, залегающих на глубине 40-45 м (неоген-четвертичный период) во многом связана с изменением их гидрогеологического режима, обусловленного созданием Воронежского водохранилища и интенсификацией эксплуатации водоносного горизонта [Бочаров и др., 1999, Смирнова, 1996].

В г. Воронеже для очистки питьевой воды применяется фильтрация грунтовой воды через песчаные фильтры очистных сооружений водоподъёмных станций. Однако условия их эксплуатации и действие различных биотических и абиотических факторов уменьшают эффективность удаления загрязняющих компонентов, что снижает качество воды.

В настоящее время имеется ряд исследований по проблеме качества питьевой воды на различных этапах водоснабжения, в том числе в водоразводящих системах при централизованном водоснабжении [Мысякин и др., 2010]. Задача получения непосредственно потребителем питьевой воды, полностью отвечающей всем санитарно-гигиеническим требованиям по химическим, микробиологическим и органолептическим показателям, остается не до конца разрешенной [Онищенко и др., 2002, 2008, 2009]. В

2008 году в среднем по Российской Федерации 16,9 % проб воды из водопроводной сети не соответствовали требованиям по санитарно-химическим и 5,3 % - по микробиологическим показателям [Доклад о санитарно-эпидемиологической обстановке в Российской Федерации в 2008,

2009 гг.].

Снижение качества питьевой воды наблюдается при неблагополучном состоянии поверхностных водоисточников, низкой эффективности водоподготовки, а также неудовлетворительном состоянии внутренней поверхности труб водоразводящих систем [Онищенко, 2009].

Ухудшение качества питьевой воды после выхода с очистных сооружений может быть тесно связано с жизнедеятельностью микроорганизмов в водопроводных трубах водоразводящих систем [Самсонова и др., 2006, Семочкина и др., 2006, Тулакин и др., 2008]. В этих процессах важную роль может играть сообщество железобактерий. В настоящее время установлено, что ряд окислов железа и марганца образуется в культурах этих микроорганизмов, а не вследствие электрохимических процессов коррозии стали [Розанова и др., 1999, Пиневич, 2005]. Железобактерии окисляют соединения тяжёлых металлов и осаждают их на внутренней поверхности водопроводных труб. Поэтому, при остановке протока воды, снижается концентрация растворенного кислорода, что может привести к активации восстановительных процессов и вторичному загрязнению питьевой воды. Это может негативно отразиться на органолептических, химических и микробиологических свойствах питьевой воды [Мысякин, 2009, 2010].

Потребление недоброкачественной питьевой воды приводит к росту заболеваний как инфекционной, так и неинфекционпой природы, связанной с химическим составом воды [Беляев, 2002, Подунова и др., 1996, Рахманин и др., 2001, Тулакин и др., 2005, 2007]. Известно, что повышение концентрации тяжёлых металлов железа и марганца оказывают негативное воздействие на организм человека. Изменения концентрации марганца в организме человека негативно влияют на репродуктивную функцию, нормальное состояние центральной нервной системы, эндокринных желез, вызывают поражение центральной нервной системы, также являются мутагенами и аллергенами, при отравлениях сильно влияет на базальные ядра головного мозга. Имеются данные о том, что соли марганца, введенные в дозах 0,05 и 0,1 г/кг в желудок, оказывали неблагоприятное влияние на сперматогенез и эмбриогенез белых крыс, доза 0,15 г/кг вызывала стерильность [Манжгиладзе, 1966]. Мутагенное действие выявлено в 1966 году Манжгиладзе (1966) при поступлении Мп в течение семи месяцев с питьевой водой по 0,5 и 0,05 мг/кг, что проявлялось в изменении частоты доминантных и рецессивных летальных мутаций.

Растворимое в воде двухвалентное железо проявляет общетоксичное действие, трехвалентное - менее ядовито, тем не менее высокие концентрации железа в воде приводят к различным заболеваниям желудочно-кишечного тракта, ишемической болезни сердца. Максимальная концентрация, которая при постоянном воздействии в течение длительного времени не вызывает нарушений биохимических процессов для Ре(ОН)2 - 2,6 мг/л, РеС13 - 5 мг/л.

В присутствии ионов двухвалентного железа перекись водорода разлагается с образованием гидроксильного радикала (НО):

Н202 + Ре2+ Ре3+ + НО" + НО Эта реакция (известная как реакция Фентона) приводит к печальным последствиям для окружающих клеток. Радикал гидроксила чрезвычайно активен химически и разрушает почти любую встретившуюся ему молекулу. Действуя на 8Н-группы, гистидиновые и другие аминокислотные остатки белков, радикал гидроксила вызывает денатурацию последних и инактивирует ферменты. В нуклеиновых кислотах радикал гидроксила разрушает углеводные мостики между нуклеотидами и, таким образом, разрывает цепи ДНК и РНК, в результате чего происходят мутации и гибель клеток. Внедряясь в липидный слой клеточных мембран, радикал гидроксила запускает (инициирует) реакции цепного окисления липидов, что приводит к повреждению мембран, нарушению их функций и гибели клеток. Таким образом, радикал гидроксила - это радикал-разрушитель, радикал-убийца.

А.Н.Осипов показал, что радикалы гидроксила образуются также при взаимодействии ионов двухвалентного железа (Ре" ) с гипохлоритом [Осипов и др., 1993]. При этом радикал гидроксила выделяется даже с более высоким выходом, чем в реакции Фентона:

СЮ" + Ре2+ + Н+ Ре3+ + СГ + НО"

Возвращаясь к реакциям утилизации перекиси водорода, можно сказать, что две последние, безусловно, вредны для окружающих клеток и тканей [Владимиров, 2000]. При интоксикации человека хлоридом и сульфатом трёхвалентного железа наступают расстройства на уровне микроциркуляции, нарушения работы сердца. Они прижигающе действуют на пищеварительный канал [Трахтенберг и др., 1994].

Хотя эти элементы достаточно легко выводятся из организма, постоянное использование населением воды, загрязненной железом и марганцем, как указывалось выше, может стать причиной ряда тяжёлых заболеваний.

Источником ионов марганца в подземных водах являются донные отложения и вода водохранилища г. Воронежа [Дрожжин и др., 2001]. В работах проводимых на нашей кафедре и других авторов было показано, что подвижный марганец фильтруется вместе с водой водохранилища в водозаборные скважины [Бочаров и др., 1998 и др., Дубинина и др., 1999, Дрожжина, 2001]. Этому способствует то, что донные отложения водохранилища характеризуются восстановительным режимом и высоким содержанием Бе-, Мп- (105-107 кл/г) и сульфатредукторов (104-106 кл/г), способствующих переводу оксидов металлов в двухвалентные подвижные формы. Как было показано раннее, в Воронежском водохранилище содержание марганца в илах составляет в среднем 0,05-0,1 %, хотя встречаются пробы, содержащие до 17 % [Дубинина и др., 1999, Куролап и др., 2010].

Приоритетными загрязнителями подземных источников централизованных систем водоснабжения для г. Воронежа являются железо и марганец, отнесенные к веществам 3 класса опасности [Бережнова, 2010]. Поэтому, при очистке воды от подобных загрязнителей наибольшее внимание следует уделить оптимизации кислородного режима работы биофильтров и строгому контролю за его соблюдением. Только, при правильном режиме эксплуатации песчаные фильтры способны интенсивно удалять из воды растворимые соединения железа, марганца и других тяжёлых металлов за счет микробиологических окислительных и сорбционных процессов [Костюченко, 2010, Королик, 2006, Косов, 1995, Сафонов и др., 2000].

В нашей работе проведено исследование микробиологического состава ассоциатов функционирующих фильтров очистных сооружений. Микроскопический анализ микрофлоры обрастаний песчаного фильтра показал, что доминирующими в природной ассоциации являются следующие железобактерии: из одноклеточных - различные морфотипы ^¡¿еюсаряа» (АнкгоЪаМег) и СаШопеИа; из нитчатых форм - ЬерШкпх. Основную массу бактериальных обрастаний составляют представители рода «31с1егосар$а», ЬерШкг1х присутствует в незначительном количестве и ещё меньше -ОаШопеНа. Помимо железобактерий, покрытых оксидами металлов, встречаются и другие бактериальные клетки, водоросли, простейшие. Ранее было показано их присутствие на различных этапах водопроводной системы.

Наряду с качественным составом железобактерий в обрастаниях песчаного фильтра, был проведен количественный учёт микроорганизмов при застойных явлениях. В условиях кратковременного застоя воды численность одноклеточных железобактерий составила (29,13±0,87) х 106 кл/мл в воде на выходе и (2,30±0,06) х 10° кл/г сырого песка из фильтра. При долговременном застое проводили количественный учёт микроорганизмов, участвующих в процессах редукции растворимых форм железа и марганца -численность микроорганизмов составила (19,52±0,58) х 106 кл/мл в воде на выходе.

На данном этапе при застое в нижних слоях песчаной загрузки не происходило на стёклах обрастаний отложений оксидов. Вследствие замедления протока воды в фильтре создавались (поддерживались) анаэробные условия, при этом наблюдали обильнейшие бактериальные обрастания, представленные неожелезнёнными клетками нитчатых и крупных одноклеточных бактерий. Общее количество бактериальных клеток, как живых, так и мертвых, было выше зарегистрированного.

Общая численность микроорганизмов в грунтовой воде из скважин ВПС-8 - (250,00±8,00) х 10б кл/мл - одноклеточных железо- и марганецокисляющих органотрофных бактерий; (8,05±0,27) х 106 кл/мл -анаэробных железо- и марганецредуцирующих бактерий. Учет численности микроорганизмов на песчаной загрузке в период трёхдневной технической остановки одного из фильтров показал, что количество анаэробных железо- и марганецредуцирующих бактерий в 1 г сырого песка достигло более (2000,12±74,20) х ю6 кл/г. Общее число железо- и марганецокисляющих микроорганизмов: органотрофных бактерий (13,30±0,53) х 106 кл/г сырого песка; одноклеточных бактерий (125,33±4,26) х 106 кл/г сырого песка, 50 % от которых марганецокисляющих бактерий.

Полученные данные указывают на наличие застойных явлений в фильтре ВПС-8 и модельной установке. Поэтому, после начала фильтрации находящаяся в состоянии застоя вода песчаной загрузки имеет в своём составе растворимое двухвалентное железо, которое начинает окисляться в трубах системы городского водоснабжения, а не на фильтрах водоподъёмной станции очистных сооружений.

Поэтому, после начала фильтрации находящаяся в состоянии застоя вода песчаной загрузки имеет в своём составе растворимое железо (II). Такая вода, попадая в систему городского водоснабжения, окисляется в трубах, а не на фильтрах водоподъёмной станции очистных сооружений.

Таким образом, в результате проведенных исследований было показано, что в песчаной загрузке модельной установки обитают типичные представители железобактерий, развивающихся при нейтральной реакции среды. Количественный учёт микроорганизмов показал их высокое содержание в биобрастаниях песчаного фильтра. Значительную долю от общего числа бактерий составляют железобактерии (50 %). Также была показана важная роль железоредукторов во вторичном загрязнении питьевой воды растворимыми формами железа.

Использование современной методологии, в частности сканирующего микроскопа JEOL JSM-6380 LV с энер го дисперсионной приставкой INCA Energy-250 позволило исследовать элементный состав биообрастаний. В результате комплексного изучения элементного состава биообрастаний песчаной загрузки очистных сооружений выявлено наличие различных химических элементов: С, О, Na, Mg, Al, Si, S, Cl, K, Ca, Mn, Fe, Cu, Zn, P, Mo. Доминирующее количество атомов тяжёлых металлов (Mn, Fe) связано с их биологической сорбцией на элементах песчаной загрузки и стёклах обрастаний в результате деятельности железо-, марганецокисляющих микроорганизмов.

Методом микрозондового рентгеноспектрального анализа было показано, что наряду с железом и марганцем на песчаном фильтре происходит осаждение из воды растворимых соединений других тяжёлых металлов. При исходной концентрации различных металлов от 1 до 10 мг/л в поступающей на фильтр воде на выходе из биореактора через несколько суток работы биореактора их содержание снижалось ниже норм ПДК. Накопление этих элементов происходит, по-видимому, за счёт сорбционных процессов на поверхности и вокруг бактериальных клеток железобактерий в чехлах, капсулах и в свежеосажденных оксидах железа и марганца.

Осаждение тяжёлых металлов количественно уменьшалось в следующей последовательности: А1 > Сг > Ъп > № > Со > Си > Сё > РЬ. При сопоставлении спектров (полученных ' методом микрозондового рентгеноспектрального анализа), снятых с различных клеток и бактериальных микроколоний, на которых происходило осаждение металлов, показано, что качественный и количественный состав накопленных металлов может значительно варьировать.

Полученные результаты позволили установить ряд закономерностей в процессе работы модельной установки с параметрами соответствующими песчаным фильтрам очистных сооружений водоподъёмной станции № 8 г. Воронежа и устроенного по принципу упрощённой аэрации с последующей фильтрацией. Была показана роль аэробных и анаэробных прокариот в процессах обезжелезивания и вторичного загрязнения воды ионами тяжёлых металлов, а все имеющиеся теоретические материалы проверены на созданной нами модельной установке песчаного фильтра.

Благодаря микробиологическим исследованиям установлено, что аэробные железобактерии локализованы преимущественно в верхней часш песчаной загрузки, где осуществляются процессы химического и биологического окисления катионов Бе2+ и Мп2+. При анализе микропрепаратов стёкол обрастания показано, что большая часть нерастворимых соединений железа адсорбируется на поверхности бактериальных клеток. Причиной этого может быть как непосредственно процесс окисления Бе2+ микроорганизмами, так и химическая автокаталитическая реакция, происходящая в непосредственной близости от ожелезнённых чехлов бактерий, что доказывает важную роль железоредукторов в процессе работы изучаемого песчаного фильтра.

При изучении более глубоких слоёв песчаной загрузки были обнаружены колонии анаэробных железовосстанавливающих прокариот. Следовательно, процессы анаэробного восстановления соединений железа протекают преимущественно в нижней части фильтра. На основании этого можно сделать вывод о том, что избыточный размер песчаной загрузки негативно сказывается на процесс фильтрации в связи с возникновением в ней анаэробных зон в фильтре.

Была изучена зависимость процесса фильтрации от скорости протока воды. Рассчитана минимальная скорость протока, при которой вода на выходе из биореактора будет соответствовать значению ПДК по железу. Она составляет 2,9 - 4,3 литра/сутки на 1000 см песчаной загрузки фильтра (при фильтрации воды с концентрацией железа от 1 до 10 мг/л). При этом, эффективность фильтрации значительно возрастает при скорости выше 5,7 л/сутки. Установлено, что лимитирующим фактором здесь является содержание кислорода в воде. Если концентрация кислорода снижается до нуля, в песчаной загрузке начинаются процессы вторичного загрязнения воды двухвалентными ионами железа и марганца. Это происходит за счёт деятельности анаэробных железовосстанавливающих бактерий, использующих Ре3+ и Мп4+ в качестве терминальных акцепторов электронов в электронтранспортной цепи [Буракаева и др., 1999]. Аналогичное явление происходит и при остановке протока воды длительностью более 3 часов (данная величина может зависеть от размеров и устройства песчаной загрузки и отличаться на других фильтрах).

При изучении влияния аэрации установлено, что при концентрации растворённого в воде кислорода выше 7 мг/л дополнительная аэрация малоэффективна. В случае, если концентрация кислорода меньше 7 мг/л, следует производить аэрацию слоя воды над песчаной загрузкой.

Так же нами рассчитана максимальная концентрация железа в воде (14,2 мг/л), при которой возможна эффективная фильтрации на изучаемом фильтре.

Выявленные закономерности достоверны независимо от размеров фильтрующей установи.

Таким образом, некоторые из полученных данных и выявленных закономерностей могут быть использованы в виде практических рекомендаций по повышению эффективности эксплуатации песчаных фильтров.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата биологических наук, Букреева, Виктория Юрьевна, Воронеж

1. Авакян А.Б. Исследование водохранилищ и их воздействия на окружающую среду / А.Б. Авакян // Водные ресурсы. — 1999. — Т. 26, № 5.1. С. 554-562.

2. Алферова A.A. Замкнутые системы водного хозяйства промышленных предприятий, комплексов и районов / A.A. Алферова, А.П. Нечаев. — М. : Стройиздат, 1987.

3. Банников А.Г. Охрана природы / А.Г. Банников, А.К. Рустамов, A.A. Вакулин. —М. : Агропромиздат, 1987.

4. Беляев E.H. Актуальные проблемы противоэпидемической практики / E.H. Беляев, Б.Л. Черкасский // Эпидемиология и инфекционные болезни. — 2002. — № 4. — С. 4-8.

5. Берне Ф. Вод очистка. Очистка сточных вод нефтепереработки. Подготовка водных систем охлаждения / Ф. Берне, Ж. Кордонье. — М. : Химия, 1997.

6. Беспамятное Г. П. Предельно допустимые концентрации химических веществ в окружающей среде / Г.П. Беспамятное, Ю.А. Кротов. — JI. : Химия, 1987.

7. Бочаров В.Л. Экологическая геохимия марганца / B.JI. Бочаров, М.Н. Бугреева, А.Я. Смирнова. — Воронеж : Изд-во Воронежского госун-та. — 1998. — 164 с.

8. Будников Г.К. Тяжёлые металлы в экологическом мониторинге водных систем // Соросовский образовательный журнал. — 1998. — № 5. — С. 2329.

9. Буракаева А.Д. Роль микроорганизмов в очистке сточных вод от тяжёлых металлов : мет. пос. / А.Д. Буракаева, A.M. Русанов, В.П. Лантух. — Оренбург : Оренбургский гос. ун-т, 1999. — 53 с.

10. Вернадский В. И. История природных вод / В.И.Вернадский; сост. Ф. Т. Яншина ; отв. ред. С. Л. Шварцев, Ф. Т. Яншина. — М. : Наука, 2003. — 750 с.

11. Вернадский В. И. Труды по минералогии/ В.И.Вернадский ; сост. М. И. Новгородова. — М. : Наука, 2002. — 606 с.

12. Владимиров Ю.А. Свободные радикалы в биологических системах / Ю.А. Владимиров // Соросовский образовательный журнал. — 2000. — Т.6, № 12.1. С. 13-19.

13. Глоба Л.И. Очистка природной воды гидробионтами, закрепленными на волокнистых насадках / Л.И. Глоба и др. // Химия и технология воды. — 1992. — Т. 14, № 1. — С. 63-67.

14. Горленко В.М. Экология водных микроорганизмов / В.М. Горленко, Г.А. Дубнина, С.И. Кузнецов. — М. : Наука, 1977. — 289 с.

15. Готтшалк Г. Метаболизм бактерий / Г. Готтшалк. — М. : Мир. — 1982.310с.

16. Гуринович АД. Новые подходы к обезжелезиванию подземных вод / А.Д. Гуринович, А.И. Ратько // Вода. — 1998. — № 9. — С. 12.

17. Гусев М.В. Микробиология: уч-к для студ. биол. специальностей вузов / М.В. Гусев, Л. А. Минеева. — 6 изд. стер. — М. : изд. центр «Академия», — 2006, —464 с.

18. Директива 98/83/ЕС. — Режим доступа : http://www.fsvps.ru/fsvps-ёос5/ш/изеМт£<Т11е8/е898-83.рс1£ — Дата доступа : 25.10.2011. Директива 98/83/ЕС Совета от 3 ноября 1998 года, о качестве воды, предназначенной для употребления людьми.

19. Догановский А. М. Гидросфера Земли : учеб. пособие для студентов вузов / А. М. Догановский, В. Н. Малинин ; под ред. Л. Н. Карлина. — СПб. : Гидрометеоиздат, 2004. — 630 с.

20. Доклад о санитарно-эпидемиологической обстановке в Воронежской области в 2007 году / под ред. М.И. Чубирко и Ю.И. Стёпкина. — Воронеж :

21. Управление Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека по Воронеж, обл., 2008. — 140 с.

22. Дривер Д. Геохимия природных вод / Дж. Дривер : пер. с английского / JI. Н. Баранов ; пер. с англ. под ред. : Г. А. Соломин, С. И. Смирнов. — М. : Мир, 1985. —440 с.

23. Дрожжин О.С. Окислительная активность железобактерий в грунтовой воде и на песчаных фильтрах / О.С. Дрожжин, М.Ю. Грабович, А.Т. Епринцев // Вестн. Воронеж, ун-та. Сер. химия, биология. — 2000. — № 6. — С. 111-113.

24. Дрожжин О.С. Очистка грунтовой воды от Fe и Мп с помощью железобактерий Arthrobacter siderocapsulatus ВКМ В-1122 / О.С. Дрожжин, М.Ю. Грабович, А.Т. Епринцев. — 2001. — Вып. 3. — С. 32-35.

25. Дрожжин О.С. Роль железобактерий в трансформации железа и марганца в грунтовых водах и использование их для очистки питьевой воды : дис. к.б.н. / О.С. Дрожжин. — ВГУ, 2001. — 164 с.

26. Дубинина Г.А. Биология железобактерий и их геохимическая деятельность : Автореф. дис. д. б. н. —М. : ИНМИ, 1977.

27. Дубинина Г.А. Исследование микробиологической трансформации Мп и Fe в поверхностных и грунтовых водах водозаборных зон / Г.А. Дубинина, М.Ю. Грабович, В.В. Чурикова и др. // Водные ресурсы. — 1999. — Т. 26, № 4, —С. 484-491.

28. Дубинина Г.А. Микроорганизмы, окисляющие железо и марганец / Г.А. Дубинина // Хемосинтез. — М. : Наука, 1989. — 256 с.

29. Дуганов Г.В. Охрана окружающей природной среды / Г.В. Дуганов. — Киев. : высш. шк., 1990.

30. Жданова H.H. Использование некоторых почвенных микромицетов для очистки промышленных сточных вод / Н.И. Жданова, В.П. Олиферчук // Микробиологический журнал. — 1993. — Т. 55, № 3. — С. 67-73.

31. Журба М. Г. Биохимическое обезжелезивание и деманганация подземных вод / М. Г. Журба, Ж. М. Говорова, А. Н. Квартенко // Водоснабжение и санитарная техника. — 2006. — №9. — С. 17-23.

32. Заварзин Г.А. Бактерии и состав атмосферы / Г.А. Заварзин ; отв. ред. A.A. Имшенецкий. — М. : Наука, 1984. — 189 с.

33. Заварзин Г.А. Симбиотическая культура нового окисляющего марганец организма / Г.А. Заварзин // Микробиология. — 1961. — Т. 30, № 4. —С. 393-395.

34. Зверев В.П. Гидрогеохимия осадочного процесса / В.П. Зверев. — М. : Наука, 1993.

35. Звягинцев Д.Г. Взаимодействие микроорганизмов с твёрдыми поверхностями / Д.Г. Звягинцев. — М. : Наука, — 1973. — С. 175.

36. Зосин А.П. О сорбционных свойствах шлакосиликата: в книге химия силикатных материалов / А.П. Зосин, Б.Н. Гуревич, И.Б. Милованова. — Л. : Наука, 1971. — 100 с.

37. Зосин А.П. Химия и технология неорганических сорбентов : минвуз. сб. науч. тр. / А.П. Зосин, Т.Н. Примак. — Пермь : Пермск. политехи, ин-т, 1980. —92 с.

38. Илялетдинов А.Н. Микробиология и биотехнология очистки промышленных сточных вод / А.Н. Илялетдинов, P.M. Алиева. — А-Ата : Гылым, 1990. — 250 с.

39. Исаев Р. В. УФ технологии обеспечения санитарной чистоты на производстве / Р. В. Исаев // Индустрия напитков. — 2010. — № 1.

40. Карасевич Ю.Н. Экспериментальная адаптация микроорганизмов / Ю.Н. Карасевич. — М. : Наука, — 1975. — 180 с.

41. Качество воды — Режим доступа : http://www.vodokanal.vrn.ru/kach.html. — Дата доступа: 12.09.2011. — Водоканал Воронеж.

42. Комментарии к разделу «Справка. Параметры качества воды» — Режим доступа: http://www.water.ru/bz/param/comment.shtml. — Дата доступа: 13.09.2011. — Центр водных технологий, передовые технологии очистки воды.

43. Кореневская A.A. Сорбция молибдена биомассой микроорганизмов / A.A. Кореневская, Г.И. Каравайко // Микробиология. — 1993, — Т. 62, Вып. 4, — С. 709-716.

44. Королик В.В. Проблемы обеспечения качественного состава питьевой воды в водоразводящих системах / В.В. Королик, А.Е. Мысякин // Вестник Российского гос. ун-та, 2006. — № 1 (60). — С. 62-65.

45. Косое В.И. Охрана и рациональное использование водных ресурсов / В.И. Косов, В.Н. Иванов. — Тверь: Охрана поверхностных вод: уч. пособие-Твер. гос. техн. ун-т, 1995. Ч. 1.

46. Костюченко С. В. Актуальные тенденции обеззараживания воды в системах питьевого водоснабжения / С. В. Костюченко, Комаров А.Г. // Чистая вода : проблема и решения. — 2010. — № 2-3. — С. 77-79.

47. Костюченко С. В. УФ-технология в практике обеззараживания питьевых и сточных вод / С. В. Костюченко // Водоснабжение и санитарная техника. — 2006, —№4.— С. 33-35.

48. Криеицкий C.B. Гидроботанические площадки: экобиоинженерные подходы к восстановлению, реабилитации и ремедиации водных объектов // Ecological Studies, Hazards, Solutions, 2007. — Vol. 12. — P. 58-62.

49. Кривицкий C.B. Экобиоинженерия: создание (восстановление) и поддержание водных экосистем с заданными параметрами / C.B. Кривицкий, С.А. Остроумов // Ecological Studies, Hazards, Solutions, 2006. — Vol. 11. — P. 51-55.

50. Кривицкий C.B. Экобиоинженерия: экологическая реабилитация водоемов / C.B. Кривицкий, С.А. Остроумов // Ecological Studies, Hazards, Solutions, 2006. —Vol. 11,— P. 55-60.

51. Кузнецов С.И. Методы изучения водных микроорганизмов / С.И.Кузнецов, Г.А. Дубинина. — М. : Наука, — 1989. — 285 с.

52. Куролап С.А. Воронеж : среда обитания и зоны экологического риска / С.А. Куролап, С.А. Епринцев, О.В. Клепиков и др. — Воронеж : Изд-во «Истоки», 2010. — 5 с.

53. Лакин Г.Ф. Биометрия / Г.Ф. Лакин. — М. : Высшая школа. — 1990. — 351 с.

54. Ласкорин E.H. Проблемы развития безотходных производств / Б.Н. Ласкорин Б.В. Громов, А.П. Цыганков и др. — М. : Стройиздат, — 1985.

55. Манджгиладзе Р.Н. Вопросы гигиены труда и профессиональной патологии / Р.Н. Манджгиладзе. — Тбилиси : Мецниереба. — 1966. — Т. 10. — С.191-226.

56. Майстренко В.Н. Экологический мониторинг суперэкотоксикантов / В.Н. Майстренко, Р.З. Хамитов, Г.К. Будников. — М. : Химия, 1996. — 320 с.

57. Менча М.Н. Биологические помехи в работе систем питьевого водоснабжения / М.Н. Менча // Водные проблемы. — 2004. — № 1. — С. 3336.

58. Менча М.Н. Биообрастание: формирование, состав, свойства и роль в эксплуатации систем питьевого водоснабжения / М.Н. Менча // Вода и экология : проблемы и решения. — 2006. — № 2. — С. 43-54.

59. Менча М.Н. Влияние химического состава питьевой воды и материала трубопроводов на качественный состав и интенсивность биообрастаний / М.Н. Менча // Весшк Гродз. дзярж. ун-та. Сер. 2. Прыродазнаучыя навую. — 2006,—№2, —С. 63-69.

60. Менча М.Н. Железобактерии в системах питьевого водоснабжения из подземных источников / М.Н. Менча // Водоснабжение и санитарная техника. — 2006. — № 7. — С. 25-32.

61. Менча М.Н. Железобактерии подземных вод в процессах обезжелезивания / М.Н. Менча // Вестн. бр. гос. техн. ун-та. сер. Водохозяйственное стр-во и теплоэнергетика. — 2006. — № 2(38). С. 49-53.

62. Менча М.Н. Микробный состав обрастаний оборудования коммунальной системы питьевого водоснабжения / М.Н. Менча // Вестник Брестского гос. техн. ун-та. Сер. Водохозяйственное стр-во и теплоэнергетика, 2006. — №2(38). — С. 46-49.

63. Менча М.Н. Роль железобактерий в процессах обезжелезивания подземных вод фильтрованием с упрощенной аэрацией / М.Н. Менча // Вода. — 2003,—№5. —С. 18.

64. Методы анализа природных и сточных вод / Академия наук СССР, Институт геохимии и аналитической химии. — М. : Наука, 1977, — Т. 5. — 1977, —264 с.

65. Мысякин А.Е. Гигиеническая оценка качественного состава питьевой воды при централизованном водоснабжении в зависимости от типов водопроводных труб и режимов водопользования : дис. к.м.н. / А.Е. Мысякин. — ГОУ ВПО РГМУ Росздрава, 2010. — 121 с.

66. Никаноров А. М. Гидрохимия : учебник для студентов вузов, обучающихся по спец. "Гидрология" / А. М. Никаноров. — 2-е изд., перераб. и доп. — СПб. : Гидрометеоиздат, 2001. — 444 с.

67. Николадзе Г.И. Водоснабжение / Г.И. Николадзе. 3-е изд. перераб. и доп. — М. : Стройиздат, — 1989. — 496 с.

68. Онищенко Г. Г. О мерах по обеспечению биологической безопасности на территории Российской Федерации / Г.Г. Онищенко // Ж. микробиол. — 2008, —№ 5, —С. 54—57.

69. Онищенко Г.Г. Основы оценки риска для здоровья населения при воздействии химических веществ, загрязняющих окружающую среду / Г.Г. Онищенко, С.М. Новиков, Ю.А. Рахманин и др. ; под ред. Рахманина Ю.А., Онищенко Г.Г. — М. : НИИ ЭЧ и ГОС, 2002. — 408 с.

70. Орлов К.Ю. Биотестирование как интегральная оценка токсичности природных и сточных вод загрязненных тяжёлыми металлами : дис. к.б.н. / К.Ю. Орлов. — ПетрГУ, 2002. — 156 с.

71. Осипов А.Н. Образование гидроксильных радикалов при взаимодействии гипохлорита с ионами железа / А.Н. Осипов, Э.Ш. Якутова, Ю.А. Владимиров // Биофизика. — 1993. — Т. 38, № 3. — С. 390-396.

72. Остроумов С.А. О биотическом самоочищении водных экосистем. Элементы теории / С.А. Остроумов // ДАН. — 2004. — Т. 396, № 1. — С. 136-141.

73. Остроумов С.А. О некоторых вопросах поддержания качества воды и ее самоочищения / С.А. Остроумов // Водные ресурсы. — 2005. Т. 32, № 3. —С. 337-347.

74. Остроумов С.А. Присутствие макрофитов в водной системе ускоряет снижение концентраций меди, свинца и других тяжёлых металлов в воде / С.А. Остроумов, Т.В. Шестакова, C.B. Котелевцев и др. // Водное хозяйство России. — 2009. — №. 2. — С. 58-67.

75. Пахомова Н.В. Экономика природопользования и охраны окружающей среды : уч-е пос. / Н.В. Пахомова, К.К. Рихтер. — СПб : С.-Петербург, ун-т, 2001, —256 с.

76. Пименова М.Н. Руководство к практическим занятиям по микробиологии / М.Н.Пименова, H.H. Гречушкина, Л.Г. Азова. — М. : Изд-во МГУ. — 1971. — 221 с.

77. Пиневич А. В. Микробиология железа и марганца // Изд-во С.-Петербург, ун-та, 2005,-373 с.

78. Проблемы микробиологического загрязнений систем водоснабжения : Сантехника и водоснабжение : С.О.К., 2005. — № 8. — Режим доступа : http://c-o-k.ru/showtext/?id=l096. Дата доступа : 25.10.11. — C.O.K.

79. Разумов A.C. Взаимоотношения между сапрофитными бактериями и планктоном в водоемах // Вопросы санитарной бактериологии. — М. : Изд-во АМН СССР. — 1948. — С. 30-43.

80. Раилкин А.И. Процессы колонизации и защита от биообрастания / А.И. Раилкин. — СПб. : Изд-во С.-Петербург, ун-та, 1998. — 272 с.

81. Рахманин Ю.А. Методологические проблемы диагностики и профилактики заболеваний, связанных с воздействием факторовокружающей среды / Ю. А. Рахманин, Г. И. Румянцева, С. М. Новиков // Гигиена и санитария. — 2001. — № 5. — С. 3-7.

82. Рахманин Ю.А. Модели "копия-пара" для вычленения влияния водного фактора на состояние здоровья населения в эпидемиологическом исследовании / Ю. А. Рахманин, Р. И. Михайлова, JI. Ф. Кирьянова и др. // Гигиена и санитария. — 2001. — № 5. — С. 36-39.

83. Резников A.A. Методы анализа природных вод. / A.A. Резников, Е.П. Муликовская, В.Ю. Соколов. — М. : Госгеолтехиздат, 1970. — 488 с.

84. Рекомендации по учету железобактерий в отложениях трубопроводов. — М. : ВОДГЕО. — 1974. — С. 10.

85. Розанова Е.П. Микроорганизмы в тепловых сетях и внутренняя коррозия стальных трубопроводов / Е.П. Розанова, Г.А. Дубинина, Е.В. Лебедева и др. // Микробиология. — 2003. Т. 72, № 2. С. 212-220.

86. Самсонова A.C. Количественный и качественный состав биологически активной загрузки станций обезжелезивания / A.C. Самсонова, Н.Ф. Семочкина,

87. B.В. Рылюк и др. // Вода : экология и технология : материалы 7-го междунар. конгр., Москва, 30 мая — 2 июня 2006 г. «Экватек—2006» ; под общ. ред. проф. Л.И. Эльпинера. — Москва, 2006. — С. 507-508.

88. Сафонов Н. А. Самопромывающиеся водоочистные установки / H.A. Сафонов, А.Н. Квартенко, А.Н. Сафонов : Монография. — Ровно : РГТУ, 2000.

89. Седлуха С.П. Биологический метод очистки подземных вод от железа /

90. C.П. Седлуха, О.С. Софинская // Вода и экология : проблемы и решения. — 2001. —№ 1. —С. 13-21.

91. Селдуха С.П. Новополоцк: основа для устойчивого водоснабжения / С.П. Селдуха // Вода. —1999. — № 7. — С. 2-3.

92. Скурлатов Ю.И. Введение в экологическую химию / Ю.И. Скурлатов, Г.Г. Дука, А. Мизити. —М. : Высшая школа, 1994.

93. Смирнова А.Я. К вопросу исследования экологии гидросферы в зоне Воронежского водохранилища / А.Я. Смирнова, М.Н. Бугреева // Экология и охрана природы г. Воронежа. — Воронеж, 1990. — С. 24-26.

94. Смирнова А.Я. Особенности изменения экологического состояния подземных вод водозаборов г. Воронежа / А.Я. Смирнова., М.Н. Бугреева // «Экология, нравственность, здоровье» : материалы науч.-практ. конф. Воронеж, 1996. — С. 60-61.

95. Соколов В.Н. Охрана производственных сточных вод и утилизация осадков / В.Н. Соколов. — М. : Стройиздат, 1992.

96. Соколов Ю.В. Изучение углеродных нанотрубок методом сканирующей электронной микроскопии : учеб.-мет. пособие для вузов / Ю.В. Соколов, Л.А. Битюцкая, E.H. Бормонтов. — Воронеж : ИПЦ ВГУ, 2010,— 23 с.

97. Трахтенберг И.М. Тяжёлые металлы во внешней среде / И.М. Трахтенберг, B.C. Колесников, В.П. Луковенко. — Минск. : Навука i Тэхника. — 1994. — 288 с.

98. Тулакин A.B. Региональные проблемы обеспечения гигиенической надёжности питьевого водопользования / А. В. Тулакин, М. М. Сайфутдинов, Е. Ф. Горшкова и др. // Гигиена и санитария : научно-практический журнал.2007. — № 3. — С. 27-30.

99. Шустов С.Б. Химические основы экологии / С.Б. Шустов, Л.В. Шустова — М. : Просвещение, 1995. — 240 с.

100. Федорович Д.В. Аккумуляция и окислительно-восстановительные превращения железа в клетках Pichia guilliermondii и флавиновых мутантов этих дрожжей / Д.В Федорович, И.В. Кятых, В.Н Джала // Микробиология.1996. — Т. 66, № 1. — С. 60-64.

101. Форстер К.Ф. Экологическая биотехнология / К.Ф. Форстер, Д.А. Вейз. — Л. : Химия, 1990. — 384 с.

102. Холодный Н.Г. Железобактерии / Н.Г. Холодный. — М. : Идз-во АН СССР, 1953.

103. Хотъко Н.И. Водный фактор в передачи инфекции / Н.И. Хотько, А.П. Дмитриев. — Пенза : ПГУ, 2002. — С. 232.

104. ЭрлихХ. Жизнь микробов в экстремальных условиях / X. Эрлих. — М. : Мир, — 1981. —469 с.

105. Bromfield S.M. Reduction of ferric compounds by soil bacteria / S.M. Bromfield /'/' J.Gen.Microbiol. — 1954. — Vol. 11. — P. 1-6.

106. Dainer E. Deneutrophilic Fe-Oxidizing Bacteria Are Abundant at the Loihi Seamount Hydrothermal Vents and Play a Major Role in Fe Oxide Deposition / E. Dainer // Applied and environmental microbiology. — 2002. — Vol. 72, № 1. — P. 93.

107. Dubinina G.A. The role of microorganisms in the formation of the recent ironmanganeses lakustraine ores / G.A. Dubinina // Geology and geochemistry of manganess. — Budapest. : Acad. Kiddo, — 1981. — Vol. 3. — P. 305-326.

108. Emerson D. Investigation of an iron-oxidizing microbial mat community located near Aarhus, Denmark : Field Studies / D. Emerson, N.P. Reusbech //Appl. and Environ. Microbiol. — 1994. — Vol. 60, № 11. — P. 4023-4031.

109. Goto H.B. Colorimetric method of determination of manganese with formaldoxyme // J. Anal. Chem. Acta. — 1962. — Vol. 27, № 4. — P. 331-334.

110. Kimberly A. Cole. Iron-Oxidizing Bacteria Are Associated with Ferric Hydroxide. Precipitates (Fe-Plaque) on the Roots of Wetland Plants / Kimberly A. Cole. // Applied and environmental microbiology. — 1999. — Vol. 65, № 6.

111. Krumbein W.F. Manganese oxidizing fungi and bacteria in recent shelf sediments of the bay of Biscay and the North Sea // Naturwissenschaften. — 1971. — Bd. 58.— P. 56-57.

112. Kucera S. Aselective enrichment method for Gallionella ferruginea / S. Kucera, R.S. Wolfe // J. Bacterid. — 1957. — Vol. 74. — P. 344-349.

113. Myers C.R. Bacterial Mn reduction and growth with Mn02 as the sole electron acceptor / C.R. Myers, K.N. Nialson // Science. — 1988. — Vol. 240, № 4857,— P. 1319-1325.

114. Ostroumov S.A. Role of biogilters in self-purification of aquatic ecosystems. S.A. Ostroumov, N. Walz // Problems of biogeochemistry and geochemical ecology. — 2007. — № i (3). p. 98-117.

115. Pavlov A.A. First multi-barrier treatment plant in Russia delivers clean water / A.A. Pavlov, C. A. Dziminskas, S.V. Kostyuchenko et al. // World Water and Environmental Engineering : — May/June 2010. — P. 31.

116. Ran Y. An improved cell recovery method for iron oxidizing bacterial (IOB) enrichments / Y. Ran, J. Graf, F. Barth // Journal of Microbiological Methods. — 2008. — Vol. 68, № 4. — P. 122-125,

117. Shuttleworth K.L. Sorption of heavy metals to the filamentous bacterium Thiothrix strain AI / K.L. Shuttleworth, R.F. Unz // Appl. Env. Microbiol. — 1993. — Vol. 59, № 3. — P. 1274-1282.

118. Tazi-Pain A. Defferrisation des edux souterraines par micro-ultrafiltration tangentielle / A. Tazi-Pain et al. // Minesetcarrieres Suppl., Techn. — 1991. — Vol. 73, №3. —P. 115-120.

119. Thier O. Ozon zur prozepbehandlung und Trinkwasser auffereitung / O. Thier // Maschinenwelt und Electrotechnik. — 1981. —Vol. 36, № 5. — P. 129130.

120. Tyler P.A. Pleomorphy in stalked, budding bacteria / P.A. Tyler, K.C. Marshall//J. Bacteriol. — 1967. — Vol. 93, —P. 1132-1136.1. Uyy (^J

121. Tynecka Z. Energy-dependent efflux of cadmium coded by a plasmid resistance determinet in Staphylococcus aureus / Z. Tynecka, Z. Gos, J. Zajac // J. Bacteriol. — 1981. — Vol. 147. — P. 313-319.

122. Vaisanen O.M. Structure and composition of biological slimes on paper and board machines / O.M. Vaisanen et al. // Appl. and Environ. Microbiol. — 1994. — Vol. 60, № 2. — P. 641-653.

123. Weber K.A. Anaerobic Nitrate-Dependent Iron(II) Bio-Oxidation by a Novel Lithoautotrophic Betaproteobacterium / K.A. Weber et al. // Applied and environmental microbiology. — 2002. — Vol. 72, № 1. P. 78-79.

Информация о работе

Букреева, Виктория Юрьевна
кандидата биологических наук
Воронеж, 2011
ВАК 03.02.08

Диссертация

Экологическая роль железобактериальных биообрастаний в повышении эффективности песчаных фильтров очистных сооружений водоподъёмной станции - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы