Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Биологический мониторинг процессов очистки никель- и хромсодержащих сточных вод

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Биологический мониторинг процессов очистки никель- и хромсодержащих сточных вод"

ХАЛИЛОВА АЛЬБИНА АЙРАТОВНА

БИОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ ПРОЦЕССОВ очистки НИКЕЛЬ- И ХРОМСОДЕРЖАЩИХ СТОЧНЫХ ВОД

03.02.08 - Экология (в химии и нефтехимии) 03.01.06 - Биотехнология (в том числе бионанотехнологии)

АВТОРЕФЕРАТ

6 ИОН 2013

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань - 2013

005060990

005060990

Работа выполнена на кафедре промышленной биотехнологии федерального

государственного бюджетного профессионального образования технологический университет»

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

образовательного учреждения высшего «Казанский . национальный исследовательский

доктор технических наук, профессор Сироткин Александр Семенович Васильев Андрей Витальевич, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Тольяттинский государственный университет», профессор кафедры «Инженерная защита окружающей среды»

Шулаев Максим Вячеславович, доктор технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет» профессор кафедры химической кибернетики

ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет»

Защита диссертации состоится « 29 » мая 2013 года в 16:00 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.080.02 при ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет» по адресу: 420015, г. Казань, ул. К. Маркса, 68, зал заседаний Ученого Совета (А-ЗЗО).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского национального исследовательского технологического университета.

Ведущая организация:

Автореферат разослан «27» апреля 2013 года

Ученый секретарь С~УЪ<гт^У Степанова

диссертациоииого совета - Светлана Владимировна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Большое количество современных исследований, связанных с высокой токсичностью металлов в водной среде, направлено на изучение влияния ионов металлов на устойчивость организмов, в том числе микроорганизмов. Результаты подобных исследований являются основой для разработки методов биологического мониторинга объектов природных и техногенных сред, дополняющих другие методы экологического мониторинга. При этом следует отметить, что комбинирование физико-химических и биологических (биохимических) подходов позволяют получить более полную картину о состоянии окружающей среды.

Применительно к экологическим биотехнологиям водоотведения результаты биотестирования состава и загрязненности сточных вод. а также биоиндикации процессов их очистки являются важнейшими условиями для обеспечения высокой эффективности и надежной эксплуатации биологических очистных сооружений. Приоритетным направлением исследований в области биомониторинга процесса очистки сточных вод. содержащих ионы металлов, является выявление закономерностей реакции биотест-систем и индикаторных организмов на присутствие металлов в различных концентрациях индивиду ально, а также в смесях друг с другом.

Кроме того, определение величин параметров процесса биоочистки сточных вод. таких как ингибирование металлами гидробионтов в водной среде, лимитирование другими компонентами сточных вод как субстратов для микроорганизмов микробных сообществ позволит обеспечить полноценную промышленную реализацию биотехнологии очистки сточных вод.

Таким образом, исследования, направленные на применение различных биотест-систем, а также анализ микробных сообществ очистных сооружений в целях биоиндикации процесса очистки химически загрязненных сточных вод. являются актуальными.

Работа выполнена по грантам Программы поддержки научных исследований и образования «Алгарыш» Правительства Респу блики Татарстан (2010 год) и Программы развития Казанского национального исследовательского технологического университета по плану стажировки в университете г. Карлсруэ и в лаборатории очистных сооружений

завода гру зовых автомобилей Daimler AG г. Вёрт-на-Рейне. Германия в 2011 году.

Цель работы состояла в получении новых экспериментальных данных по биотестированию водных сред и оценке процессов биоиндикации сточных вод. содержащих ионы никеля (II) и хрома (VI). с характеристикой микробного сообщества

активного ила и биопленки в системах биологической очистки металлсодержащих сточных вол промышленных предприятий.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следутощие задачи:

• оцепить токсическое воздействие ионов Ni:~ и Сг6" на биотест-объекты Paramecium caudatum. Daphnia magna и Ceriodaphnia affmis:

• исследовать влияние различных концентраций ионов никеля (И) и хрома (VI) индивидуально, а также в у словиях их совместного присутствия в среде на окислительно-восстановительные процессы микробиоценоза активного ила;

• по результатам микроскопического контроля оценить биоразнообразие микрофлоры биопленки методом биоиндикации в процессе очистки сточных вод;

• охарактеризовать распределение микроорганизмов биопленки, участвующих в процессах биотрансформации соединений азота в процессе биофильтрации, с их идентификацией методом флуоресцентной in situ гибридизации (FISH):

• на основании данных биологического контроля процесса очистки сточных вод выработать рекомендации по проведению процесса биообезвреживания металлсодержащих стоков промышленных предприятий;

• провести околого-зкономическую оценку вклада биологических очистных сооружений в снижение загрязнения окружающей среды химически загрязненными сточными водами.

Научная новизна работы. Экспериментально получен ряд чувствительности биотест-объектов Paramecium caudatum. Daphnia magna и Ceriodaphnia affmis к содержанию ионов Ni2* в концентрации 0.1 мг/дм3 (Paramecium caudatum < Daphnia magna < Ceriodaphnia affmis)

Выявлены закономерности сочетанного действия ионов Ni (II) и Cr (VI) в водной среде в различных соотношениях на активность дегидрогеназ микроорганизмов активного ила. При этом показано, что присутствие исследованных ионов металлов в среде в концентрациях до 1 мг.'дм' может приводить к стимулированию ферментативной активности микробных клеток.

Проведен мониторинг состояния микробного сообщества биопленок промышленных биофильтров. В процессе качественного и количественного анализа индикаторных организмов биопленки количественно оценено .лимитирование по органическим веществам процесса биологической очистки сточных вод.

В условиях биофильтрации никельсодержаших промышленных стоков методом флуоресцентной in situ гибридизации охарактеризовано пространственное распределение микроорганизмов, участвующих в процессах биотрансформации соединений углерода и азота в каскаде двух промышленных биофильтров.

Практическая значимость. Полученные результаты используются лля мониторинга процесса очистки сточных вол на заводе грузовых автомобилей Daimler AG в г. Вёрт-на-Рейне, Германия, а также на ОАО «Казанский оптико-механический завод» с целью оперативного обнаружения и предотвращения нарушений технологического регламента при эксплуатации биологических очистных сооружений.

По результатам биоиндикации во избежание ингибирования процессов биотрансформации загрязняющих веществ процесса очистки сточных вод даны рекомендации по нормам содержания исследованных металлов и органических веществ в сточной воде завода гр>зовых автомобилей Daimler AG.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были доложены на XI - XIII Международных конференциях молодых ученых «Пищевых технологии и биотехнологии» (г. Казань. 2010- 2012). конкурсе студенческих научно-исследовательских работ «Жить в XXI веке» (г. Казань, 2011). на тематическом семинаре Института инженерной биологии и биотехнологий сточных вол Технологического института г. Карлсруэ (г. Карлсруэ. 2011). ежегодных научных сессиях Казанского национального исследовательского технологического университета (2011-2013 гг.). VI конкурсе проектов молодых ученых (г. Москва. 2012 г.).

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 7 статьях в научно-технических журналах и сборниках, в том числе 4 - в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, а также в 9 тезисах докладов на конференциях различного уровня.

На защиту выносятся:

1. Оценка токсичности ионов Ni"~ и С г6" в модельных растворах веществ, используемых в промышленных производствах, для биотест-объектов - Paramecium caudatum, Daphnia magna и Ceriodaphnia ajjlnis.

2. Анализ токсичности ионов Ni"~ и Сг6' в составе модельных растворов сточных вод по отношению к агрегированной форме микроорганизмов - активному илу в процессах их культивирования с целью очистки сточных вод сточных вод.

3. Определение качественных и количественных соотношений индикаторных организмов микрофауны биопленки в процессе биофильтрации никельсодержащих сточных вод в зависимости от нагрузки по органическим веществам и содержанию никеля. Выявление лимитирующих факторов развития биопленки в исследованном процессе биофильтрации сточных вод.

4. Биоиндикация процесса очистки никельсодержащих сточных вод с анализом развития азоттрансформирующих микроорганизмов в промышленных биофильтрах.

5. Выработка рекомендаций по проведению промышленных процессов биофильтрации химически загрязненных сточных вод действующего предприятия.

Личный вклад автора состоит в постановке цели и задач исследований, выборе объектов и методов исследований, непосредственном участии в проведении основных экспериментов, систематизации и интерпретации полученных результатов, формулировании научных положений и выводов, написании статей и тезисов докладов.

Структура и объем диссертации. Работа изложена на 117 страницах машинописного текста, содержит 21 таблицу, и 27 рисунков, состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованной литературы и приложения. Список литературы включает 130 наименований работ отечественных и зару бежных авторов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы.

В первой главе рассмотрены биогенные и токсичные свойства тяжелых металлов, в частности ионов никеля (II) и хрома (VI). дана обшая характеристика методов биологического мониторинга, а также описаны биоценоз, участвующий в биологической очистке сточных вод. и ингибирование деятельности микроорганизмов очистных сооружений.

Во второй главе описаны экспериментальные этапы, исследованные объекты и использованные аналитические методы.

В качестве объектов исследований в диссертации были рассмотрены:

• Сточная вода и ее модельный раствор, содержащие токсиканты - ионы металлов Ni:~ и Сг6~. полученные из NiS04 и СЮ3. соответственно.

• Биотест-объекты - Paramecium caudatum. Ceriodaphnia affinis и Daphnia magna.

• Активный ил в процессах отъемно-лоливного культивирования на модельном растворе сточных вод.

• Микробное сообщество биопленки в процессах биофильтрации сточных вод.

Биотестирование модельных растворов токсикантов проводилось согласно методике

определения токсичности отходов, почв, осадков сточных, поверхностных и грунтовых вод методом биотестирования с использованием равноресничных инфузорий Paramecium caudatum Elvenberg. Daphnia magna и Ceriodaphnia affinis (ФР. 1.39.2006.02506. 2006: Руководство по определению методом биотестирования токсичности, 2002).

Экспериментальные исследования токсичности ионов Nr~ и Сг6" для биоценоза активного ила по изменению дегидрогеназной активности (ДАИ) проводились в условиях аэробного отъемно-лоливного культивирования. Для культивирования использовались модельный раствор сточной воды, а также

адаптированные микроорганизмы активного ила очистных сооружений ОЛО «Казанский оптико-механический завод».

Дегидрогеназная активность определялась согласно методике предложенной ВНИИ ВОДГЕО (Роговская, Ц.И. Рекомендации по методам производства анализов на сооружениях биохимической очистки промышленных сточных вод. 1970).

В процессе биоицдикации промышленных биофильтров очистных сооружений завода грузовых автомобилей Daimler AG, г. Верт-на-Рейне, Германия исследовалась микрофлора биопленок. Изучение индикаторных микроорганизмов, характерных для биоценоза, проводшюсь при помощи светопольной микроскопии и системы подсчета гидробионтов по пятибалльной шкале (Кутикова, JI.A. Фауна аэротенков (атлас), 1984).

Характеристика сточных вод приведена в табл. 1.

Определение концентраций органических веществ в сточной воде, ионов Ni2+, ионов аммония, нитрит- и нитрат-ионов проводилось с помощью экспресс-тестов Dr. Lange.

Таблица 1 - Показатели поступающей на биологическую очистку и очищенной сточной воды

Показатель Поступающая вода на биофильтр 1 Очищенная вода после биофильтра 1 Поступающая вода на биофильтр 2 Очищенная вода после биофильтра 2

ХПК, мг/дм3 Диапазон значений 36-122 17-69 8-51 11-73

Среднее значение 75 35 32 30

бгпс5, мг/дм3 Диапазон значений 5-41 1 -4 1 -6 1-4

Среднее значение 25 2,4 3,4 2,5

№'\ мг/дм3 Диапазон значений 0,2-0,9 0,2-0,6 0,17-1,2 0,15-0,6

Среднее значение 0,37 0,29 0,3 0,2

ЫНД мг/дм3 Диапазон значений 0,92-4,5 <0,015 <0,015 <0,015

Среднее значение 1,85

NO,', мг/дм3 Диапазон значении 1,65-5,64 1,9-8,44 2,12-8,52 2,44-5,77

Среднее значение 3,09 4,04 3,98 4,20

Идентификация микроорганизмов в составе биоплепок производилась методом флуоресцентной in situ гибридизации (FISH) (Pernthaier, 2002, Нетрусов, 2005) с использованием селективных генных зондов для гетеротрофных, нитрифицирующих и денитрифицирующих бактерий (Nielsen, 2009). Для контроля всей совокупности микробных клеток в образцах биопленки использовалось окрашивание раствором 4',6' -диамидино-2-фенилиндолдигидрохлорида.

Микроскопирование образцов биопленок с отдельными гибридизированными и окрашенными культурами осуществлялось с помощью микроскопа Axioskop Carl Zeiss, Jena (Germany) с применением прикладного программного обеспечения AxioVision 3.1 (Carl Zeiss Vision GmbH, Bildanalyse Systeme) для обработки полученных изображений.

Результаты экспериментальных исследований были обработаны с помощью пакета программ STATISTICA 5.5 и Microsoft Excel для Windows ХР 2007.

В третьей главе описано биотестирование сточных вод, содержащих ионы Ni2+ и Сг , с применением биотест-объектов Paramecium caudatum Ehrenberg, Ceriodaphnia afflnis и Daphnia magna.

Биотестирование хром- и никельсодержащих сточных вод на инфузориях Paramecium caudatum

Для определения токсичности компонентов сточных вод использовались модельные растворы, содержащие Сг6+ и Ni2^. Модельные растворы готовились из Сг03 и NiS04x7H20 в дистиллированной воде в диапазоне концентраций 0,01-10,0 мг/'дм3 и 0,03—3,0 мг/дм3, соответственно.

Летальной концентрацией

Ж50 ионов хрома, которая

соответствует гибели 50% особей

Paramecium caudatum, является

концентрация, равная 0,3 мг/дм3

(рис.1). При дальнейшем увеличении

концентрации до 3 мг/дм гибель

особей достигала 66,7%.

Это значение токсичности ионов

хрома оставалось неизменным для

_ , _ _ условий экспериментальных

Рисунок 1 - Графическая зависимость гибели

особей Paramecium caudatum от концентрации исследований при увеличении ионов тяжёлых металлов концентрации раствора до 6 мг/дм3.

Ионы Ni + оказывают острое токсическое действие в диапазоне концентраций от 0,18мг/дм^ и выше. Следовательно, показано, что J1K50 находится в диапазоне концентраций от 0,15 до 0,2 мг/дм3.

Таким образом, при сравнении значений величин ЛК50, полученных в ходе исследования для ионов Cr(VI) и Ni(II) в исследованных модельных растворах, отмечено, что хромсодержащая модельная вода оказывает менее токсическое действие на культуру Paramecium caudatum.

Биотестирование хром- и никельсодержащих сточных вод на ветвиусых рачках Ceriodaphnia afflnis и Daphnia magna

На основании ранее полученных результатов было проведено биотестирование модельных растворов, содержащих ионы Ni2+ и Сг6+, используя ветвиусые рачки Ceriodaphnia affinis.

1 DO 'S 80 is 1 60 я 1 40 s SS 20 а?""" у = 2б,0951п(х)+85,974 // R! = 0,8642 ■— никел ь

у ^ .

Г7"*" у = 1 1,4971п(х) + 51,048 W R2 = 0.883

-Логар ифмич еская (хроьф

0 2 A 6 8 10 12 концентрщиятоксиканта, мг/дь# Логар ифмич еская (никел ь1

100 I

90

80 70 60 50 I 40 ; 50 ■ 20 10

i

I BO,I MrtwJ

Рисунок 2 - Динамика токсического действия Сг6+ на Ceriodaphnia afflnis

Рисунок 3 - Динамика токсического действия Ni2+ на Ceriodaphnia affinis

Анализируя данные, полученные в результате проведенных экспериментов о токсическом действии ионов Сг6+ на Ceriodaphma affinis (рис.2), замечено, что в первые сутки экспозиции острое токсическое действие ионы хрома (VI) оказывают в концентрации 0,6 мг/дм3 и выше; гибель особей в контрольной пробе при этом не отмечалась. Увеличение концентрации ионов Сг6+до 1.9 мг/дм3 приводит к 100 %-ной гибели, а при концентрации 0,3 мг/дм3 гибель составляла 10% от исходного количества.

На вторые сутки гибель во всех пробах превышает 10 %, а при концентрации ионов Сгб* 1.9 мг/дм3 достигает 100%. Значения ЛК50 лежат в диапазоне концентраций Сг6+ 0,3 - 0,6 мг/дм3, что коррелирует с данными, полученными при воздействии хромат-ионов на инфузории Paramecium caudatum.

На рис. 3 показано, что ионы Ni2+ оказывают острое токсическое действие на особи Ceriodaphnia affinis в первые сутки, начиная с концентрации 0,1 мг/дм3 и выше.

На вторые сутки ионы Ni2+ во всём диапазоне исследуемых концентраций от 0,1 до 1 мг/дм3 вызывали гибель 50% и более особей Ceriodaphnia affinis. Концентрация ионов никеля, соответствующая гибели 50% особей (ЛК50) на вторые сутки составила 0,1 мг/дм".

С целью более наглядного представления о чувствительности исследованных тест-объектов к присутствию ионов Ni2+ были проведены экспериментальные исследования с ис-пользованием Daphnia magna (рис.4).

8 : S

I 10

....................R-.-L ............. / :

/ /

/

ШЩгЛ1 ТРШГСПНТЯ. мгдаг

Рисунок

Динамика

токсического действий Ni Daphnia magna

Экспериментально было показано, что ионы Ni2+ в растворах с концентрацией от 0,1 до 0,3 мг/дм3 не вызывали гибели 50% особей и более. Исходя из уравнения аппроксимации, величина ЛК50 достигается при концентрации ионов никеля 0,47 мг/дм3.

По результатам сравнительного анализа чувствительности используемых в эксперименте тест-объектов к присутствию Nii+ в растворе с концентрацией 0,1 мг/дм3. являющейся одновременно ПДК для никеля, можно предложить собственный ряд чувствительности исследованных тест-объектов в порядке её возрастания: Paramecium caudatum < Daphnia magna < Ceriodaphnia affinis.

Дальнейшие исследования были направлены на получение информации о токсичности представленных металлов на биоценозы, участвующие в процессе биологической очистки сточных вод.

В четвертой главе проведена процедура биоиндикации процесса очистки металлсодержащих сточных вод с выявлением влияния ионов тяжелых металлов на микрооргаиизмы активного ила в условиях их отъемно-доливного культивирования.

В процессе культивирования активного ила на металлсодержащих сточных водах основным параметром биоиндикации являлась дегидрогеназная активность микробного сообщества активного ила (ДАИ), отобранного из аэротенков производственных очистных сооружений ОАО «Казанский оптико-механический завод».

В качестве токсикантов выступали ионы Ni (II) и Cr (VI), а также использовались растворы, состоящие из смеси ионов исследуемых металлов в соотношениях 1:2, 2:1, 1:3 и 3:1, соответственно.

Контролем являлась биосистема без добавления ионов металлов.

Замена 1/3 объема культуральной жидкости модельным раствором сточной воды производилась с периодичностью 1 раз в 2 суток.

Измерения проводились на 1-е, 3-е и 5-е сутки, что соответствует концентрации токсикантов в поступающей сточной воде 1, 6, 8 мг/дм3.

Изменения ДАИ и количества биомассы в контрольной пробе в зависимости от времени культивирования представлено на рис. 5. Погрешность измерения ДАИ составила ±0,14 мкг формазана/мг АСБ

При оценке ДАИ определялось изменение биомассы микроорганизмов по сухому весу.

Исходя из полученных данных, было отмечено, что с течением времени количество

"даи

Рисунок 5

- Изменение дегидрогеназной активности и биомассы в контрольной пробе

биомассы в культиваторе уменьшалось. Из рис. 5 отчетливо видно, что в начальный момент времени в активном иле протекает адаптация микроорганизмов к условиям лабораторной системы культивирования, поскольку, несмотря на высокую концентрацию активного ила, ферментативная активность клеток относительно невелика. Далее наблюдается приспособление микрофлоры ила и повышение активности клеток, что иллюстрируется тем, что снижение биомассы не приводит к уменьшению ферментативной активности. Дальнейшее снижение дегидрогеназной активности связано как с убылью биомассы, так и с увеличением возраста активного ила.

Значения дегидрогеназной активности образцов активного ила, представленные на рис. 6, являются относительными величинами и получены из разницы измеренных значений для проб активного ила из опытных и контрольной систем биоиндикации, согласно формуле (1):

ДДАИ = ДАИ (опь,т.)- ДАИ (контр} (1)

КонципрацШ! [Оксиканга, мг/дм!

Рисунок 6 - Кинетика ДАИ в процессе Рисунок 7 - Влияние токсикантов на отъемно-доливного культивирования ДАИ микроорганизмов активного ила

Ионы металлов индивидуально в концентрациях до 1 мг/дм3 не оказывают ингибирующего действия на дегидрогеназы микроорганизмов активного ила (рис. 6, 7). Меньшая токсичность никеля, по сравнению с хромом, по-видимому, может быть обусловлена стабильностью комплексов, образующихся при его взаимодействии с экзополимерными веществами клетки в микробных агрегатах, таких как активный ил. Данный факт подтверждается известными рядами устойчивости комплексов металлов с этилендиаминотетрауксусной кислотой (ЭДТУ) (1) и аминокислотами (2)

1. Ре>Си>№>РЬ>2п>Сс1>Со>Мп>Са

2. Нв>Си>№>РЬ>гп>Со> Сё >Мп>Са

При этом обнаружена корреляция между стабильностью комплексов с ЭДТУ и стабильностью комплексов металлов с различными лигандами в биосредах (Гарипова Р.Ф. Известия ОГАУ. - 2009. - №3. - с. 192-195).

При комбинированном действии металлов отмечено большее снижение ферментативной активности в системах с доминирующем присутствием хрома в смеси

(1:2, 1:3 = никельгхром). Совместное присутствие металлов в большей степени ингибирует активность дегидрогеназ, чем индивидуально каждый металл. Таким образом, комбинация этих двух металлов обусловливает аддитивное токсическое действие.

Представление о снижении токсического воздействия металлов в концентрации 8 мг/дм3 связано с тем, что значения ДАИ (рис. 6) являются относительными и получены из разности между ДАИ в контрольной и опытной пробах. Как было отмечено ранее (рис.5), пятисуточное культивирование активного ила в контрольной пробе сопровождалось уменьшением ферментативной активности.

Для биологической очистки сточной воды применяются как суспендированные микроорганизмы активного ила, так и иммобилизованные микроорганизмы, образующие биолленки. Дальнейшие исследования были направлены на изучение биоценоза биопленок биофильтрационных систем для биоипдикации процессов очистки сточных вод.

В пятой главе рассмотрена биоиндикация процесса очистки металлсодержащих

сточных вод в условиях непрерывного культивирования биопленки.

Исследования биопленок включали изучение биофильтров, используемых при очистке про-

изводственных сточных вод завода грузовых автомобилей Daimler AG - Woerth, Германия. Данные исследования проводились в период с сентября по декабрь 2011 года.

На очистных сооружениях завода Daimler AG - Woerth применяется схема очистки сточных вод, представленная на рис. 8.

В процессе экспериментального наблюдения промышленного процесса очистки сточных вод была выявлена зависимость числа индикаторных организмов в образцах биопленки из первого биофильтра от изменения концентрации органических веществ в поступающей сточной воде (табл. 2).

Полученные зависимое™ по содержанию ХПК и количеству индикаторных орг анизмов выделены форматированием: высокая эффективность очистки - большое

Уалленпеуптеродяи процесс Н]пр1!ф![мщп1

Рисунок 8 - Схема очистки промышленных сточных вод на очистных сооружениях завода грузовых автомобилей Daimler AG

число гидробионтов: низкая эффективность очистки - малое число индикаторных организмов: средние значения эффективности - среднее число гидробионтов.

Нижеследующим таблицам свойственны аналогичные зависимости.

Таблица 2 - Количественный и качественный состав индикаторных организмов биопленки в

биофильтре 1 в зависимости от ХПК поступающей и очищенной сточной воды

хпк пост, мг/дм3 ХПК ОЧИЩ , мг/дм3 БПК, пост., мг/дм" Индикаторные организмы, баллы

Дата очищ., мг/дм3 Свободно плавающие Прикре пленные Коло вратки Чер в и Водные клещи Никло пы Условная сумма баллов

26.9 94 42 5 2 1 5 1 _» 14

27.9 85 48 5 5 3 - - 13

28.9 93 50 3 3 _ 4 - - 10

29.9 95 38 41 4 4 5 4 4 - - 17

30.9 85 32 3 2 5 4 3 - 17

4.10 91 50 . 5 5 4 5 - - 19

5.10 95 52 2 5 4 3 - - 14

6.10 97 45 37 3 3 4 5 5 - - 17

7.10 68 40 5 5 5 3 2 - 20

10.10 88 69 5 3 1 3 - 12

14.10 107 36 4 4 5 4 4 - 23

17.10 65 31 5 3 2 3 1 - 14

18. Ю 45 32 3 2 3 4 I 13

19.10 55 25 4 4 4 5 1 - 18

20 10 44 20 9 2 3 5 3 4 I - 16

21.10 50 26 4 3 3 5 1 - 15

24.10 36 18 3 2 4 4 1 14

25.10 58 25 3 3 2 4 1 13

26.10 77 26 4 1 5 5 3 1 19

27.10 77 24 26 2 5 5 2 5 1 - 18

28.10 55 23 4 2 2 4 1 1 14

3.11 75 30 44 3 3 5 5 5 2 - 20

7.11 109 34 5 4 4 3 - - 16

11.11 61 28 21 10 5 5 3 4 3 1 21

14.11 56 26 5 4 2 5 4 1 21

18.11 38 17 15 - 3 2 1 4 10

22.11 95 35 2 4 1 2 3 12

29.11 107 48 5 5 4 5 3 / 23

2.12 122 38 5 5 2 5 3 - 20

5.12 82 38 3 3 1 5 3 1 16

8.12 82 34 3 2 3 3 - - 11

* - данный микроорганизм не обнаружен

Исходя из полученных данных, следует отметить, что число индикаторных организмов имеет зависимость от концентрации органических веществ в поступающей сточной воде. Увеличение ХПК и БПК приводит к росту общего числа биоиндикаторов в биопленке.

Вследствие протекания процесса сукцессии в системе биофильтров не представлялось возможным явно выделить какую-либо одну группу микроорганизмов,

являющейся приоритетной для биоиндикации. Тем не менее, основным биоиндикатором биопленки являлись черви как постоянные представители биоценоза.

Данные, представленные на рис. 9 иллюстрируют нагрузку по органическому субстрату со сточными водами, поступающими на очистку в биофильтр 1 и биофильтр 2. Значения ХПК сточной воды, поступающей в биофильтр 2 после очистки в биофильтре 1, не превышали 50 мг02/дм3. Также следует отметить, что эффективность очистки сточных вод по ХПК в биофильтре 2 составляла не более 40%. Таким образом, биоценоз второго биофильтра в каскаде находится в условиях лимитирования по субстрату.

130 120 но 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

Л ;

«52

26.9 1.10 6.10 11 10 16.10 21.10' 26.10 31.10 5.11 10.11 15.11 20.1 1 25.11 30 11 5.12 10.12

Дата

I • — Биофильтр 1 вход

- Биофильтр 1 вых од

- Б ио фильтр 2 вх од

- Биофильтр 2 вьк од

Рисунок 9 - Изменение количества органических веществ в процессе биофильтрации сточной воды

Получены зависимости по эффективности снижения ХПК и количеству индикаторных организмов во втором биофильтре (табл. 3).

Таблица 3 - Количественный и качественный состав индикаторных организмов биопленки в

Дата Относительная эффективность очистки по ХПК, % Индикаторные организмы, баллы

Коловрат ки Черви Свободноплавающие Прикрепленные Условная сумма баллов

1 2 3 4 5 6 7

26.9 0 -* - _

27.9 7 - - - _

28.9 2 - - - _

29.9 7 1 1 _ 2

30.9 0 - - -

4.10 2 1 - - 1

5,10 9 1 - - _ 1

6,10 26 1 1 - 2

7.10 17 - - - _

10.10 I - 1 - 1

14.10 17 - 3 1 _ 4

17.10 0 - 3 - _ 3

18.10 0 1 3 1 5

19.10 0 1 2 1 _ 4

20.10 24 1 2 • 1 3

Продолжение табл. 3

2110

30

24.10

25 10

26.10

27.10

28 10

3.11

11.11

14.11

18.11

22.11

29,11

2 12

8 12

25

39

1

* - данный микроорганизм не обнаружен

Следует отметить, что биофильтр 2 характеризуется значительно меньшим представительством групп индикаторных организмов в биопленке из-за недостатка питательных веществ в сточной воде, очищенной в биофильтре 1.

Оценивая количество и разнообразие индикаторных организмов и эффективность очистки сточных вод по ХПК (ВПК) в биофильтре 2. отмечено, что процесс биологической очистки в нем развит слабо. Таким образом, биофильтр 2 является резервным в действующей схеме очистки промышленных сточных вод и играет роль дополнительной ступени очистки в случае возрастания нагрузки по органическим веществам с поступающей сточной водой.

Идентификация микроорганизмов в составе биопленки осуществлялась с использованием метода флуоресцентной in situ гибридизации (FISH).

Применение различных генных зондов позволило идентифицировать микроорганизмы, участвующие в процессах аэробного превращения соединений азота -нитрификации ф-

proteobacterial ammonia-oxidizing bacteria, p. Xitrospira, p. Sitrobacter). a также анаэробной азот-трансформации - де-нигрификаши (Azoarcus Thauera cluster). Кроме того. иден-

К IP

ЦТаИ

МШн

а)

б) в)

Рисунок 10 - Микроорганизмы, идентифицированные флуоресцентной in situ гибридизацией: а) группа /З-proteobacteria: б) Zoogloea ramigera; в) кластер Azoarcus Thauera

тификации подвергались микроорганизмы-гетеротрофы Zoogloea ramigera (рис. 10 - 11;

Как и ожидалось, микроорганизмы группы /З-ргсчеоЬааепа составляли основное количество бактерий в образцах биопленки (рис. 10а). В их составе идентифицировалось значительное количество аэробных гетеротрофных микроорганизмов, в частности, структурообразующих бактерий ¿оо^оеа гат[§ега (рис. 106). В виде отдельных агрегатов обнаруживались другие гетеротрофные бактерии, принимающие участие в анаэробном метаболизме азота - денитрификаторы (рис. 10в).

Аммонийокисдяющие бактерии, идентифицированные в составе биопленки, встречаются в виде небольших скоплений в составе микробных агрегатов (рис. 11а). Их развитие было лимитировано невысоким содержанием аммонийного азота в

В составе микробного консорциума биопленки было отмечено активное развитие нит-ритокисляющих микроорганизмов р. .\itrobacter (рис. 116), что. наряду с результатами физико-химического анализа сточных вод (табл.1) позволяет сделать вывод о глубоком протекании процесса нитрификации с высокой эффективностью биоокисления азота.

В образцах биопленки из биофильтра 2 обнаруживалось незначительное количество клеток (рис. Ив), что позволяет расценивать этот биофильтр в каскаде выполняющим функции механического фильтра без активного развития биологических процессов очистки и доочистки воды.

Для определения состояния микробиоценоза биопленки при повышении концентрации органических веществ, а также влияния ионов Кг", характерных в составе исследованных сточных вод, проводились модельные эксперименты с использованием лабораторного биофильтра.

На первом этапе изучалось влияние концентрации органических веществ на состояние индикаторных организмов. Результаты представлены в табл. 4.

поступающей сточной воде.

а) б) в)

Рисунок 11 - Микроорганизмы, идентифицированные флуоресцентной т sin/ гибридизацией:

а) аммонийокисляюшие бета-протеобактерии .■

б) р. Nitrobacler: в) DAPl-окрашенный образец биопленки биофильтра 2

Таблица 4 - Количественный и качественный состав индикаторных организмов

Дата ХПК. мг/дм-' Индикаторные организмы, б&гты

Свободно плаваюшне Прикрепленные Коловратки Черви Водные клещи Условная сумма баллов

14.11 163 4 5 3 4 3 19

15.12 633 5 5 2 5 17

16.12 337 4 5 1 5 2 17

17.12 308 5 3 1 4 3 16

18.12 824 5 2 1 4 1 13

21.12 709 3 3 1 4 - 11

22.12 2025 2 1 1 3 1 8

Анализ полученных данных позволяет сделать вывод, что наибольшее разноообразие микрофлоры биопленки было отмечено при ХПК поступающей сточной воды, не превышающем 350 мгО;/дм3.

На втором этапе лабораторных исследований изучалось состояние биоценоза биопленки при увеличении концентрации ионов Ni"~ в сточной воде, поступающей на очистку. Полученные результаты приведены в табл. 5. Процесс проходил при оптимальных условиях, концентрация ХПК не превышала 150 мгОудм^. Таблица 5 - Количественный и качественный состав индикаторных организмов

Индикаторные организмы, баллы

Дата МГ/ДМ'' Свободно плавающие Прикреплен ные Коловратки Черви Водные клещи Условная сумма баллов

1.11 0.347 5 5 3 5 4 22

2.12 1.13 5 5 1 5 2 18

5.12 5.2 3 1 1 4 1 10

7.12 8.7 3 1 1 4 2 11

8.12 10.6 3 1 1 4 2 11

9.12 12.3 2 2 3 2 9

Увеличение концентрации ионов металла до 1 мгдмл не вызывало у микробиоценоза значительного отрицательного ответа. Дальнейшее повышение концентрации токсиканта до 5.2 мг/дм" приводило к уменьшению числа и разнообразия индикаторных микроорганизмов практически в 2 раза. Дальнейшее увеличение концентрации никеля в поступающей сточной воде до 12,3 мг/дм"' не приводило к существенным изменениям в составе простейших и свидетельствует об их высокой адаптации к присутствию никеля в сточных водах.

Экономическая эффективность действующих биологических очистных сооружений, состоящих из дв^ последовательных биофильтров, была оценена по результатам расчета эколого-экономического ущерба от загрязнения поверхностного

водного объекта органическими веществами (по ХПК) и ионами никеля (II) при условии нахождения данного производства на территории Республики Татарстан и составила 935 756. 64. руб/год. Это соответствует снижению платежей за сброс загрязняющих веществ в среднем на 47 %.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Выявлено, что в системах биотестирования модельных растворов металлов ионы никеля (II) проявляли большую токсичность для исследованных биотест-объектов, чем ионы хрома (VI).

2. По результатам оценки дегидрогеназной активности микроорганизмов активного ила очистных сооружений сточных вод выявлено, что хром оказывал более выраженное токсическое действие, чем никель при концентрации токсиканта в среде до 1 мг,;дм°.

3. Экспериментально показано, что совместное присутствие в среде ионов Ni (II) и Сг (VI) обусловило более значительное ингибирование микробных окислительно-восстановительных ферментов (дегидрогеназ). чем присутствие ионов Ni (II) и Cr (VI) в индивидуальных растворах в диапазоне исследованных концентраций от 1 до 8 мг/дм'.

4. По результатам качественного и количественного аназиза индикаторных организмов биопленки двух промышленных биофильтров в каскаде оценено лимитирование по органическим веществам процесса биологической очистки сточных вод. Отмечено, что второй биофильтр в каскаде обнаружил низкую эффективность очистки сточных вод и выполнял роль дополнительной ступени очистки в случае возрастания нагрузки по органическим веществам с поступающей сточной водой.

5. С использованием метода флуоресцентной in situ гибридизации в составе образцов биопленки из промышленных биофильтров идентифицированы группы микроорганизмов, принимающие у частие в процессах трансформации органических веществ, а также соединений азота в аэробных и анаэробных условиях. Отмечено доминирование нитрифицирующих, нитритокисляющих автотрофных бактерий, а также гетеротрофов-денитрификаторов.

6. Рекомендовано проведение промышленного процесса биофильтрации с оптиматьной концентрацией органических веществ в сточной воде по ХПК от 150 до 350 мг02/дмл. Выявлено, что в указанном диапазоне ХПК ионы Ni*' в концентрации до 1 мг/дм3 не оказывают негативного воздействия на микрофлору и микрофауну биопленки, что связано с отсутствием лимитирования микроорганизмов биопленки по органическому субстрату, их удовлетворительным развитием и успешной адаптацией к присутствию токсикантов.

Основные публикации по теме диссертации

■ в рецензируемых научных журналах, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией Министерства образования и науки Российской Федерации:

1. Халилова A.A., Яковлева A.B., Сироткии A.C. Сравнительная оценка токсичности сточных вод, содержащих ионы хрома и никеля с применением различных биотест-объектов // Вестник Казанского технологического университета. -2010.-№10.-С. 392-401.

2. Никифорова Л.О., Халилова A.A. Влияние соединений никеля и кобальта на планктон открытых водоемов // Химическая технология. - 2012. - №1. - С. 54 - 58.

3. Халилова A.A., Яковлева A.B., Сироткин A.C. Биоиндикация процесса чистки металлсодержащих сточных вод в условиях непрерывного культивирования биопленки // Вестник Казанского технологического университета.-2012.-Т. 15, №16. - С. 191-195.

4. Халилова A.A., Сироткин A.C. Биоиндикация процесса очистки металлсодержащих сточных вод с анализом развития микробных сообществ биофильтра // Вода: химия и экология. - 2012. - №12. - С.42-49.

" в других изданиях:

5. Биотестирование и биоиндикация металлсодержащих сточных вод / A.A. Халилова, A.B. Яковлева, A.T.JI. Чан, A.C. Сироткин // XI Международная конференция молодых ученых «Пищевые технологии и биотехнологии». 4.2. -Казань, 2010.-С. 65-66.

6. Яковлева A.B., Халилова A.A., Сироткин A.C. Сравнительная оценка токсичности металлосодержащих сточных вод с применением различных биотест-объектов // X Республиканская школа студентов и аспирантов «Жить в 21 веке»: материалы конкурса. - Казань, 2011. - С. 96 - 98.

7. Халилова A.A., Никифорова Л.О., Сироткин A.C. Биотестирование металлсодержащих водных сред с использованием микробных сообществ // Научная сессия: аннотация сообщений. - Казань, 2011. - С. 89.

8. Халилова A.A., Яковлева A.B., Сироткин A.C. Биотестирование модельной сточной воды, содержащей ионы металлов Ni (II) и Cr (Vi) // Журнал Экологии и Промышленной Безопасности.- Казань, 2011. - №1. - С. 86 - 89.

9. Халилова A.A., Яковлева A.B., Сироткин A.C. Биотестирование и биоиндикация модельных растворов, содержащих ионы металлов Ni (II) и Cr (VI) /'/ Сборник трудов III Международного экологического конгресса (V Международной научно-технической конференции) «Экология и безопасность жизнедеятельности промышленно- транспортных комплексов». - Т.4 Научный симпозиум

«Экологический мониторинг промышленно- транспортных комплексов». - Тольятти, 2011.-С. 330-335.

10. Яковлева A.B., Халилова A.A., Сироткин A.C. Биотестирование и биоиндикация модельных растворов, содержащих ионы металлов Ni (II) и Cr (VI) // Научная сессия: аннотация сообщений. - Казань, 2012. - С. 84.

11. Халилова A.A., Сироткин A.C. Биоиндикация процесса очистки промышленных сточных вод с анализом развития микробных сообществ биофильтра // Научная сессия: аннотация сообщений. - Казань, 2012. - С. 84.

12. Халилова A.A., Сироткин A.C. Биоиндикация процесса очистки промышленных сточных вод с анализом развития микробных сообществ биофильтра // Сборник трудов конференции «Биотехнология. Взгляд в будущее». - 2012. - С. 282

13. Халилова A.A., Яковлева A.B., Сироткин A.C. Биотестирование и биоиндикация металлсодержащих сточных вод // Экологические проблемы горнопромышленных регионов: материалы докладов и выступлений участников Международной молодежной конференции (11-12 сентября 2012 года). - Казань: КНИГУ, 2012.-С. 203-204.

14. Анализ микробных сообществ в биопленок в технических системах водоотведения / A.C. Сироткин, Т.В. Кирилина, E.H. Семенова, A.A. Халилова // Материалы международной научной конференции «Достижения и перспективы развития биотехнологии» (3-5 октября 2012) / Мордовский гос. ун-т. - Саранск, 2012. -С. 152.

15. Халилова, A.A., Сироткин A.C. Биоиндикация процесса очистки промышленных сточных вод с анализом развития микробных сообществ биофильтра // VI Конкурс проектов молодых ученых (25 октября 2012): тезисы докл, - М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2012. - С. 48.

16. Халилова A.A. Сироткин A.C. Биоиндикация процесса очистки промышленных сточных вод с анализом развития микробных сообществ биофильтра// IV Международная конференция Российского химического общества им. Д.И. Менделеева «Химическая технология и биотехнология новых материалов и продуктов» (24 - 25 октября 2012) в 2 т. Т. 2.: тезисы докл. - М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева: ИФХЭ им. А.Н. Фрумкина РАН, 2012. - С. 248.

Заказ Я-0 Тираж 100 экз.

Офсетная лаборатория КНИТУ 420015 г. Казань, ул. К. Маркса, 68

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата технических наук, Халилова, Альбина Айратовна, Казань

ФГБОУ ВПО «КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

04201357589

ХАЛИЛОВА АЛЬБИНА АЙРАТОВНА

БИОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ ПРОЦЕССОВ ОЧИСТКИ НИКЕЛЬ- И ХРОМСОДЕРЖАЩИХ СТОЧНЫХ ВОД

03.02.08 - Экология (в химии и нефтехимии) 03.01.06 - Биотехнология (в том числе бионанотехнологии)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., профессор Сироткин А.С.

Казань-2013

Содержание

Введение 5

Глава 1 Аналитический обзор литературы 8

1.1 Металлы в окружающей среде 8

1.1.1 Металлы как микроэлементы и токсиканты 9

1.1.2 Биологическая роль и токсичность никеля и хрома 13

1.2 Общая характеристика методов биологического мониторинга металлов в окружающей среде

1.2.1 Тесты, используемые для определения токсичности сточных вод

1.2.2 Особенности использования микроорганизмов в качестве биоиндикаторов

1.2.3 Механизм адаптации микроорганизмов к тяжелым металлам

1.3 Биологическая очистка сточных вод и ингибирование деятельности микроорганизмов очистных сооружений

1.3.1 Изменения в биоценозе активного ила под действием

токсикантов

15

18

20

21

23

26

31

35

1.3.2 Влияние тяжелых металлов на развитие микроорганизмов активного ила и биопленки

1.3.3 Общая характеристика процессов микробиологического удаления соединений азота

1.3.3.1 Аммонификация 35

1.3.3.2 Нитрификация. Чувствительность нитрификаторов к неблагоприятным условиям среды

1.3.3.3 Денитрификация 38

1.3.4 Биологические превращения хрома в процессе очистки

39

хромсодержащих сточных вод

1.4 Постановка цели и задач диссертационных исследований 41

Глава 2 Описание экспериментальных этапов, исследованных объектов и использованных аналитических 43 методов

2.1 Биотестирование сточных вод, содержащих ионы Ni2+ и Сг6+, с использованием инфузорий Paramecium caudatum, а также 43 представителей зоопланктона Ceriodaphnia affinis и Daphnia magna

2.1.1 Биотестирование на инфузориях Paramecium caudatum 43

2.1.2 Биотестирование на ракообразных Daphnia magna и Ceriodaphnia affinis

Глава 3 Биотестирование сточных вод, содержащих ионы

44

• 2+ 6*ь

2.2 Определение токсичности ионов Ni и Cr для биоценоза активного ила по изменению дегидрогеназной 46 активности (ДАИ)

2.3 Анализ процесса очистки металлсодержащих сточных

49

вод машиностроительного предприятия

2.3.1 Биоиндикация промышленных биофильтров 49

2.3.2 Биомониторинг процесса биофильтрации сточных вод в условиях повышенного содержания органических веществ и ионов 52 никеля (II)

2.3.3 Методика проведения флуоресцентной in situ гибридизации (FISH) проб биопленки

54

Ni2+ и Сг6+

5.1.2 Идентификация бактериальных групп в микробном сообществе биопленки

62

3.1 Биотестирование хром- и никельсодержащих сточных вод на инфузориях Paramecium caudatum

3.2 Биотестирование хром- и никельсодержащих сточных вод на ветвиусых рачках Ceriodaphnia affinis и Daphnia magna

Глава 4 Биоиндикация влияния тяжелых металлов на процесс очистки металлсодержащих сточных вод в условиях отъемно- 68 доливного культивирования активного ила

Глава 5 Биоиндикация процесса очистки металлсодержащих сточных вод в условиях непрерывного культивирования биопленки

5.1 Результаты биомониторинга промышленных биофильтров

5.1.1 Биоиндикация процесса очистки с анализом состава индикаторных организмов биопленки

73

75

75

87

5.2 Результаты биомониторинга процесса биофильтрации сточных вод с высоким содержанием органических веществ и 91 ионов никеля

94

5.3 Расчет эколого-экономического ущерба от загрязнения поверхностного водного объекта

Заключение 99

Список использованных сокращений 101

Список использованных источников 102

Приложения

Введение

Загрязнение биосферы непрерывно возрастает с развитием промышленности. Технологии, реализованные во многих ее отраслях, сопряжены с образованием сточных вод, содержащих цинк, свинец, кадмий, никель, хром и другие металлы. Со сточными водами цветной металлургии, особенно гальванических цехов, в водоемы поступает значительное количество этих металлов. Мощным источником загрязнения окружающей среды также является автотранспорт.

Металлами загрязняются водные бассейны, почва и воздух. Содержание этих токсических элементов в ряде регионов Земного шара значительно превышает предельно допустимые концентрации (ПДК) [1]. В настоящее время тяжелые металлы считаются одной из наиболее опасных групп токсикантов, попадающих с бытовыми и промышленными отходами в окружающую среду [2].

В отличие от органических соединений тяжелые металлы не поддаются биологической деструкции и, таким образом, имеют практически «бесконечную» токсичность для животных и растений. Обладая высокой способностью к биоаккумуляции, тяжелые металлы быстро включаются в пищевые цепи и накапливаются в организмах видов, находящихся на высоких трофических уровнях, включая человека. По этой причине даже невысокое, по сравнению с другими поллютантами, содержание тяжелых металлов делает загрязненные водоемы непригодными для использования в различных хозяйственных и бытовых целях. На экосистемном уровне загрязнение тяжелыми металлами проявляется в деградации сообществ, изменении и сокращении числа видов и особей [3].

На организм человека и животных физиологическое действие металлов различно и зависит от природы металла, типа соединения, в котором он существует в природной среде, а также его концентрации. В ряду тяжелых металлов одни крайне необходимы для жизнеобеспечения человека и других

живых организмов и относятся к так называемым биогенным элементам. Другие вызывают противоположный эффект и, попадая в живой организм, приводят к его отравлению или гибели. Эти металлы относят к классу ксенобиотиков. Специалистами по охране окружающей среды среди металлов-токсикантов выделена приоритетная группа. В нее входят кадмий, медь, никель, ртуть, свинец, цинк и хром как наиболее опасные для здоровья человека и животных. Из них ртуть, свинец и кадмий наиболее токсичны [4].

В связи с вышеизложенным очевидна необходимость проведения постоянного мониторинга содержания тяжелых металлов в водоемах различного назначения. Возможности аналитической химии, даже при условии значительного усовершенствования существующих и создания комплекса новых методик, в проведении эффективного контроля загрязнения вод вредными веществами отнюдь не безграничны. Даже если бы было возможно определить содержание всех ксенобиотиков в объекте исследования, такая информация была бы недостаточна для каких-либо прогнозов, так как токсикометрические параметры установлены лишь для незначительной части этих веществ. Кроме того, результат комбинированного действия двух и более токсичных веществ, имеющихся в исследуемом образце в небольших количествах, предсказать достаточно сложно. Соединения, нетоксичные при изолированном действии, могут вызывать значительный патологический эффект при комбинированном влиянии. Поэтому наряду с физико-химическими методами необходимо использование методов биологического контроля и диагностики - биотестирование и биоиндикацию. Комплексный подход в проведении биологического мониторинга при систематическом наблюдении позволяет судить о перспективах изменения структуры сообществ, продуктивности популяций и устойчивости экосистем по отношению к антропогенным факторам [5]. Определение ряда биотических показателей, наряду с традиционными абиотическими, уже предусмотрено нормативными природоохранными документами [6, 7, 8].

Автор выражает благодарность профессору Сироткину Александру Семеновичу за научное руководство и поддержку в проведении исследований, профессору Йозефу Винтеру, профессору Клаудии Галлерт, а также аспиранту Монике Фельхнер-Цвирелло за научные консультации и создание комфортных условий работы в ходе 3-х-месячной научной стажировки в Институте технологий г. Карлсруэ, доктору Бирте Бауэрндистель и инженеру Ольге Эмих за содействие при выполнении экспериментальной работы на очистных сооружениях завода грузовых автомобилей Daimler AG-Woerth, а также коллективу кафедры промышленной биотехнологии Казанского национального исследовательского технологического университета за участие и оказание помощи на всех этапах выполнения диссертационной работы.

1 Аналитический обзор литературы

1.1 Металлы в окружающей среде

Термин «тяжелые металлы», характеризующий широкую группу загрязняющих веществ, получил в последнее время значительное распространение. В различных научных и прикладных работах авторы по-разному трактуют значение этого понятия [2, 9]. В качестве критериев принадлежности используются многочисленные характеристики: атомная масса, плотность, токсичность, распространенность в природной среде, степень вовлеченности в природные и техногенные циклы. В работах, посвященных проблемам загрязнения окружающей природной среды и экологического мониторинга, на сегодняшний день к тяжелым металлам относят более 40 металлов периодической системы Д.И. Менделеева с атомной массой свыше 50 атомных единиц: V, Сг, Мп, Бе, Со, N1, Си, Ъх\, Мо, Сё, Бп, Нё, РЬ, В\ и др [10].

Металлы широко встречаются окружающей среде, и в результате магнитной и гидротермальной активности, а также вулканичных извержений происходит постоянное обогащение биосферы ими. Антропогенная нагрузка вносит значительный вклад в распространение тяжелых металлов в окружающей среде [11]. К возможным источникам загрязнения биосферы тяжелыми металлами относят предприятия черной и цветной металлургии (аэрозольные выбросы, загрязняющие атмосферу, промышленные стоки, загрязняющие поверхностные воды), машиностроения (гальванические ванны меднения, никелирования, хромирования, кадмирования), заводы по переработке аккумуляторных батарей, автомобильный транспорт. Тяжелые металлы входят в состав удобрений и пестицидов и могут попадать в водоемы вместе со стоком с сельскохозяйственных угодий [2].

Тяжелые металлы в окружающей среде могут находиться в различных формах. В атмосферном воздухе они присутствуют в форме органических и неорганических соединений в виде пыли и аэрозолей, а также в газообразной

элементной форме (ртуть). В водных средах металлы присутствуют в трех формах: взвешенные частицы, коллоидные частицы и растворенные соединения. Последние представлены свободными ионами и растворимыми комплексными соединениями с органическими (гуминовые и фульвокислоты) и неорганическими (галогениды, сульфаты, фосфаты, карбонаты) лигандами [12]. Сорбция тяжелых металлов донными отложениями зависит от особенностей состава последних и содержания органических веществ. В конечном итоге тяжелые металлы в водных экосистемах концентрируются в донных отложениях и биоте [13]. В почвах тяжелые металлы содержатся в водорастворимой, ионообменной и непрочно адсорбированной формах [14]. Водорастворимые формы, как правило, представлены хлоридами, нитратами, сульфатами и органическим комплексными соединениями. Кроме того, ионы тяжелых металлов могут быть связаны с минералами как часть кристаллической решетки [15].

1.1.1 Металлы как микроэлементы и токсиканты

В ряду тяжелых металлов одни крайне необходимы для жизнеобеспечения человека и других живых организмов и относятся к так называемым биогенным элементам. Другие вызывают противоположный эффект и, попадая в живой организм, приводят к его отравлению или гибели. Эти металлы относят к классу ксенобиотиков, то есть чуждых живому. Специалистами по охране окружающей среды среди металлов-токсикантов выделена приоритетная группа [4].

Тяжелые металлы в живых организмах выполняют функцию микроэлементов. Функции металлов и их соединений многообразны: образование различных структур (костных и мягких тканей, клеточных стенок и т. д.), участие в биохимических процессах (окислительном фосфорилировании, гидролизе), регуляция деятельности мышц, передача нервных импульсов и многое другое. Выполняя каталитическую, структурную и регуляторную функции, они взаимодействуют с ферментами,

предшественниками гормонов, биологическими мембранами, участвуют во всех видах обмена веществ.

В таблице 1.1 показана взаимосвязь ионов металлов с металлоэнзимами. Кроме того, металлы служат связующим элементом между субстратом и ферментом, способствуя контакту субстрата с активным центром фермента. Ионы металлов, повышающие активность ферментов, называют активаторами.

Таблица 1.1 - Ферменты, активируемые металлами [16]

Металлоэнзим Металл

1 2

Ангокэльдегидраза гп

Карбоангидраза Ъъ

Дегидропептидаза

Неорганическая пирофосфотаза мё

Пироксидаза Бе

Фумариковая гидрогеназа Бе

Карбооксипептидаза Бе

Цитохром Бе

Полифенолоксидаза Си

Лактаза Си

Аскорбинооксидаза Си

Бутирил-СоА-дегидрогеназа Мп

Ксантиноксидаза Мо

Продолжение табл. 1.1

1 2

Трипсин Сг

Щелочная фосфотаза Ъп, Мо, Сг

Пирофосфотаза Mg, гп, Мп, Бе

Аденозидтрифосфотаза Мп, Са, Со

Аргиназа Со, Мп, Бе

Альдолаза Со, Си, Ре

Кариозиназа Мп, Ъа

Фосфоглюкомутаза Мп, Со

Металл, входящий в ферментную систему, может увеличить ее активность в тысячи раз. Например, известно, что ионы железа способны разлагать перекись водорода на воду и кислород [17]. Микроэлементы могут не только активизировать ферментный процесс, но и влиять на его направленность. Так, у карбооксипептидазы пептидазная активность под влиянием кобальта увеличивается.

Ионы-антагонисты иногда выступают в качестве активаторов одного и того же фермента. Например, кальций и магний, считающиеся антагонистами, активируют один и тот же фермент - пируватдекарбоксилазу [18].

Атомы металлов способны непосредственно соединяться с углеродом органических соединений, образуя при этом множество новых продуктов. При поступлении в организм они, кроме участия в ферментативных процессах, могут образовывать пока неизвестные продукты, играющие важную роль в жизнедеятельности организма.

Любой металл в достаточно высоких концентрациях может стать токсичным для микроорганизмов. Проявления этой токсичности могут быть различными: изменение морфологии клеток и клеточного метаболизма, бактериостаз или гибель клеток [1]. Например, в присутствии ионов меди подавляются многие биохимические процессы, особенно биологическое потребление кислорода [19]. Другие элементы, например проникают внутрь клетки, где связываются с определенными функциональными группами, в частности с 8Н - группами, инактивируя, таким образом, жизненно необходимые молекулы, такие, как молекулы ферментов, или откладываются в металлической форме. Катионы могут реагировать с ферментами с образованием устойчивых неактивных комплексных соединений. Внедрение иона тяжелого металла меняет геометрию металлосодержащего фермента, что уменьшает его активность. Таким образом, тормозятся или совсем останавливаются важные биохимические реакции [20, 21]. Существуют также дополнительные механизмы токсического действия тяжелых металлов, обусловленные тем, что последние могут:

1) играть роль антиметаболитов;

2) образовывать стабильные осадки или хелаты с важными метаболитами или катализировать распад таких метаболитов, в результате чего они становятся недоступными для клетки;

3) замещать структурно или электрохимически важные элементы, что приводит к нарушению ферментативной или клеточной функции;

4) вытеснять необходимые металлы из их активных центров связывания токсичным металлом;

5) связывать часть макромолекул, необходимых для нормальной жизнедеятельности организма;

6) образовывать биологические агрегаты, токсичные для организма;

7) обусловливать деполимеризацию биологических полимеров;

8) способствовать неправильному спариванию оснований нуклеотидов и являться причиной ошибок в белковом синтезе [22].

1.1.2 Биологическая роль и токсичность никеля и хрома

Никель - чрезвычайно распространённый элемент в земной коре и содержится в среднем количестве 75 частей на миллион, т.е. 0,0075% никеля. Сплавы из никельсодержащей нержавеющей стали получили повсеместное распространение [23].

Никель является существенным компонентом нескольких ферментов, участвующих в метаболизме энергии и азота, в процессах детоксикации и в патогенезе. К этим ферментам относятся уреаза, [№Ре]-гидрогеназа и супероксиддисмутаза [24, 25].

О специфическом молекулярном механизме токсического действия никеля известно пока немного. Как и все тяжелые металлы, этот металл чрезвычайно реакционноспособен и быстро реагирует с важными биологическими молекулами, включая белки и ДНК. Ионы никеля не связываются с металлотионинами, а легко образуют комплексы с аминокислотами. Никель способен образовывать комплексы с триэтелентетрамином и пеницилламином. Никель воздействует на многие органы, но аккумулируется преимущественно в почках. Респираторная система тоже может стать мишенью для токсического действия