Scientific journal

Modern problems of science and education

ISSN 2070-7428

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,006

Актуальность применения эффективных методов защиты окружающей среды от техногенных загрязнителей (тяжелыми металлами, нефтью и нефтепродуктами и др.) определяется в решении экологических проблем по очистке сточных вод различного техногенного происхождения.

Шунгитовые породы Коксуского месторождения - это природный наноструктурированный композит, основными компонентами которого являются высоко упорядоченное углеродистое вещество (до 96–99% углерода) и кремнезём [3]. Благодаря своим экологическим свойствам, как обесцвечивающие [2] и увеличивающие концентрацию кислорода в воде [4], шунгитовые породы Коксуского месторождения имеют практическую ценность при очистке сточных вод биотехнологическими методами.

Цель исследования – изучение экологических свойств тауриткарбонатного шунгита при очистке сточных вод различного техногенного происхождения.

Объект и методика исследований. Эксперимент по очистке сточных вод с применением тауриткарбонатного шунгита представлен на рисунке 1.

Рис. 1. Эксперимент по очистке сточных вод с применением тауриткарбонатного шунгита

Объектом исследования, как показано на рисунке 1, послужили отобранные пробы сточной воды различной техногенной природы:

- нефтезагрязненные сточные воды, полученные из месторождения Кумколь Кызылординской области,

- шахтная вода из «Тишинского Рудника РГОК» Восточно-Казахстанской области;

- промливневая сточная вода, отобранная из АО «Усть-Каменогорский титаномагниевый комбинат» (АО «УК ТМК»).

На 200 мл испытуемой воды использовали 10 г стерильного тауриткарбонатного композита на основе углерода (содержимое одной колбы). Каждый вариант как опытной, так и контрольной групп имел 3 повторности. Эксперимент длился 14 дней.

Микробиологическая активность изучалась на основе применения метода предельного разведения с использованием твердых питательных сред, предназначенных для определения ОМЧ, актиномицетов и микромицетов [5].

Статистическая обработка осуществлялась по методике [1].

Результаты и обсуждение. Изучение изменений микробиоценоза в сточной воде различной техногенной природы при их очистке с использованием тауриткарбонатного шунгита было основано на применении визуальных, химических и микробиологических методов исследования.

Визуальная оценка показала, что поведение шунгита в воде в зависимости от техногенной природы сточных вод различна. Так, если в опыте с очисткой нефтезагрязненных стоков по всей поверхности воды была распластана шунгитовая пыль в комплексе с включениями маслянистой природы, то в опыте с промливневой сточной и шахтной водой на поверхности воды шунгитовая пыль распространялась незначительно. В толще воды мутность была зафиксирована только для пробы 1, тогда как у проб 2 и 3 вода была относительно прозрачной. В основе такого различия лежит, с одной стороны, ионообменная активность составляющих шунгита и его наноструктурные особенности, с другой - дополнительное присутствие в испытуемом стоке пробы 1 примесей техногенной природы, в частности нефтезагрязнений. Согласно раннее выполненной работе [2] можно предположить, что для осветления нефтезагрязненной воды тауриткарбонатному шунгиту в комплексе с микроорганизмами требуется больше времени.

В таблице 1 показаны результаты химического анализа для исследуемых сточных вод различной техногенной природы до и после поставленного эксперимента.

Таблица 1

Результаты химического анализа по тяжелым металлам для исследуемых сточных вод различной техногенной природы до и после поставленного эксперимента

Как видно из таблицы 1, согласно показаниям TDS-метра, общая минерализация претерпела по группам следующие изменения:

- пробы 1 (нефтезагрязненный сток) и 2 (шахтная вода): снижаются соответственно на 4 и 12,6%, хотя дополнительно из состава композита вносятся сульфат-ионы;

- проба 3 (промливневая сточная вода): повышение на 7%, что связано с присутствием в составе исследуемого шунгита сульфидов и сульфатов железа.

При использовании тауриткарбонатного композита на основе углерода также видим, что содержание тяжелых металлов меняется по-разному в зависимости от природы происхождения сточных вод.

Проба 1 (нефтезагрязненный сток): содержание меди уменьшилось на 89,4%, цинка – на 50%, свинца – на 87,5%. Следовательно, тауриткарбонатный шунгит обладает хорошим эффектом очистки нефтезагрязненных стоков от тяжелых металлов.

Проба 2 (шахтная вода): содержание меди уменьшилось на 38,5%, цинка – на 96,6%, свинца – на 99,3%, тогда как сульфатов увеличилось на 20%.

Проба 3 (промливневая сточная вода): содержание магния и титана уменьшилось на 89,5 и 97,8% соответственно, тогда как содержание хлора и сульфатов, наоборот, повысилось на 10,8 и 40% соответственно.

Следовательно, использование тауриткарбонатного композита на основе углерода благоприятно влияет на процесс очищения сточной воды АО «УК ТМК» по таким тяжелым металлам, как магний и титан (почти 90 и 98% соответственно), а для шахтной воды «Тишинского Рудника РГОК» по таким тяжелым металлам, как медь, цинк и свинец (почти 39, 97 и 99% соответственно), тогда как для хлора (проба 3: увеличение на почти 11%) и сульфатов (пробы 2 и 3) данный тип композита оказывает аккумулирующее действие (увеличение на почти 20 и 40% соответственно).

Особый интерес представляет изучение изменения скорости роста микроорганизмов, как показателя микробиологической активности, до и после поставленного эксперимента в зависимости от техногенного происхождения сточной воды.

В таблице 2 показан количественный учет микроорганизмов в пробах сточной воды различной техногенной природы.

Как видно из таблицы 2, исследования по микробиологической обсеменённости при использовании в очистке от тяжелых металлов тауриткарбонатного шунгита показало различные результаты в зависимости от техногенной природы сточных вод.

Так, в нефтезагрязненных стоках рост колоний для исследуемых таксонов на твердом агаре был обнаружен через 48 часов культивирования: по ОМЧ на пятом, актиномицетам – на третьем и микромицетам – на четвертом уровне разведения.

Таблица 2

Количественный учет микроорганизмов в пробах сточной воды различной техногенной природы

Если рассматривать обсемененность на твердых питательных средах до и после постановки эксперимента (рис. 2а), то:

- по ОМЧ рост колоний был обнаружен на уровне четвертого разведения уже через 24 часа культивирования, тогда как после поставленных экспериментов через 24 часа культивирования роста колоний обнаружено не было;

- по актиномицетам и микромицетам наблюдается увеличение активности: третий и четвертый уровень разведения (после эксперимента) против первого и второго уровня разведения (до эксперимента) соответственно.

Также следует отметить, что изменчивость по количественному учету микроорганизмов согласно коэффициенту корреляции (%) для ОМЧ выше после поставленного эксперимента (57%) по сравнению с Сv, полученному до опыта (28%), следовательно, полученные после опыта по повторностям результаты были менее однородны. Коэффициент изменчивости по актиномицетам и микромицетам, наоборот, после опыта был ниже по сравнению с результатами, полученными до эксперимента (25% против 94% и 9% против 100% соответственно), что свидетельствует о получении в повторностях после опыта более однородных показателей.

Следовательно, использование тауриткарбонатного композита на основе углерода для нефтезагрязненной воды способствует по ОМЧ замедлению скорости роста, тогда как для актиномицетов и микромицетов скорость роста на твердом селективном агаре возрастает.

 а)

 б)

 в)

Рис. 2. Количественный учет микроорганизмов до и после постановки эксперимента, уровень разведения: а) нефтезагрязненные сточные воды месторождения Кумколь Кызылординской области; б) шахтная вода «Тишинского Рудника РГОК» Восточно-Казахстанской области; в) промливневая сточная вода АО «Усть-Каменогорский титаномагниевый комбинат»

Дополнительно следует отметить, что если до постановки опыта в пробах нефтезагрязненной сточной воды было отмечено присутствие колиморфных бактерий, то после опыта – роста их колоний не было. Полученные результаты свидетельствуют о том, что тауриткарбонатный шунгит способствует санитарному «оздоровлению» сточных вод.

Результаты эксперимента по общей обсемененности исследуемой пробы шахтной воды, отобранные в «Тишинском Руднике РГОК» Восточно-Казахстанской области и подвергшиеся опыту, свидетельствуют об относительно умеренном росте микроорганизмов: 4-й уровень разведения по ОМЧ, 5-й по актиномицетам и 4-й по микромицетам.

При сравнении с данными, полученными по общей обсемененности перед экспериментом (рис. 2б), с данными, полученными после постановки опыта, мы видим, с одной стороны, незначительное снижение (один уровень) обсемененности по ОМЧ, с другой – существенное снижение изменчивости с 94% до 25%, что свидетельствует о получении после опыта по повторностям более однородных данных по сравнению с результатами, полученными до опыта. Обсемененность по актиномицетам и микромицетам показала кардинально противоположные результаты как по обсемененности (повышение на одно разведение), так и по изменчивости (повышение коэффициента корреляции: 34% против 8% и 122% против 14% соответственно).

Таким образом, полученные после опыта по шахтной воде результаты свидетельствуют, что использование данного типа шунгита благоприятно влияет на рост актиномицетов и микромицетов.

В промливневых стоках рост колоний для исследуемых таксонов на твердом агаре был обнаружен через 48 часов культивирования: по ОМЧ и актиномицетам на четвертом, по микромицетам – на третьем уровне разведения. При сравнении с результатами до поставленного опыта можно отметить, что по росту колоний по ОМЧ наблюдалось снижение обсемененности (один уровень), а у актиномицетов и микромицетов изменений не было, тогда как по коэффициенту корреляции можно утверждать, что изменчивость существенно сократилась после опыта (9% против 100%, 0% против 49% и 18% против 35% соответственно). Следовательно, после опыта рост колоний в повторностях был более однородным.

При этом необходимо отметить, что данные по микробиологической обсемененности, полученные в процессе эксперимента, достоверно (р=0,05) отражают во всех вариантах состояние исследуемых сточных вод.

Заключение и выводы. Изучение закономерностей изменения микробиоценоза в сточной воде в сочетании с тауриткарбонатным шунгитом позволит, благодаря направленности процесса биоочистки сточных вод от различных ксенобиотиков, получить безопасный субстрат, который при оптимальных условиях может быть использован в очистных сооружениях.

Выводы

1. Благодаря своим экологическим свойствам, как обесцвечивающие и увеличивающие концентрацию кислорода в воде, шунгитовые породы Коксуского месторождения имеют практическую ценность при очистке сточных вод биотехнологическими методами.

2. Использование тауриткарбонатного композита на основе углерода благоприятно влияет:

а) на обесцвечивание сточных вод: по истечении опыта в толще воды мутность была зафиксирована только для нефтезагрязненной сточной воды, тогда как в других стоках вода была относительно прозрачной;

б) на процесс очищения сточной воды, т.к.:

- для нефтезагрязненной сточной воды содержание меди уменьшилось на 89,4%, цинка – на 50%, свинца – на 87,5%,

- для шахтной воды содержание меди уменьшилось на 38,5%, цинка – на 96,6%, свинца – на 99,3%,

- для промливневой сточной воды содержание магния и титана уменьшилось на 89,5% и 97,8% соответственно;

в) на санитарное «оздоровление» сточной воды;

г) на активность аборигенной микрофлоры, которая проявляется в увеличении скорости роста колоний на плотном питательном агаре:

- по нефтезагрязненной сточной воде для актиномицетов с первого (перед опытом) до третьего уровня разведения (после опыта), микромицетов с первого до четвертого уровня разведения соответственно,

- по шахтной воде для актиномицетов с четвертого (перед опытом) до пятого уровня разведения (после опыта) и микромицетов с третьего до четвертого уровня разведения соответственно,

- по промливневой сточной воде активность рассматриваемых таксонов осталась без изменения (четвертый и третий уровень разведения соответственно).

Рецензенты:

Казова Р.А., д.х.н., профессор, профессор кафедры прикладной экологии НАО «КазНИТУ имени К.И. Сатпаева», г. Алматы;

Курбанова Г.В., д.б.н., профессор кафедры прикладной экологии НАО «КазНИТУ имени К.И. Сатпаева», г. Алматы.