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
Техногенная природа проб сточной воды |
Единица измерения |
Массовая доля определяемых элементов |
||||||
Cu |
Zn |
Pb |
Mg |
Ti |
Cl |
SO4 |
||
Нефтезагрязненный сток |
мг/л |
0,047 |
0,006 |
0,008 |
- |
- |
- |
- |
0005 |
0,003 |
<0,001 |
- |
- |
- |
- |
||
Шахтная вода |
мг/л |
0,013 |
0,353 |
0,150 |
- |
- |
- |
420,0 |
0,008 |
0,011 |
<0,001 |
- |
- |
- |
503,8 |
||
Промливневая сточная вода |
мг/л |
- |
- |
- |
307,53 |
0,49 |
674,00 |
100,00 |
- |
- |
- |
32,36 |
0,011 |
720,0 |
140,0 |
||
ПДКрыб-хоз |
мг/л |
0,001 |
0,01 |
0,006 |
40 |
0,06 |
300 |
100 |
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
Обсемененность, КОЕ/мл |
Техногенная природа проб сточной воды |
|||||
Нефтезагрязненный сток |
Шахтная вода |
Промливневая сточная вода |
||||
|
Сv, % |
|
Сv, % |
|
Сv, % |
|
ОМЧ гетеротрофных микроорганизмов |
2,7 ± 1,1 х 105 |
57 |
7,0 ± 1,2 х 104 |
25 |
6,7 ± 0,4 х 104 |
9 |
Актиномицеты |
5,0 ± 1,24 х 103 |
35 |
2,9 ± 0,7 х 105 |
34 |
1,0 х 104 |
0 |
Микромицеты |
1,8 ± 1,5 х104 |
49 |
1,0 ± 0,9 х 104 |
122 |
6,5 ± 0,8 х 103 |
18 |
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.
Библиографическая ссылка
Мусина У.Ш. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТАУРИТ КАРБОНАТНОГО ШУНГИТА ПРИ ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД РАЗЛИЧНОГО ТЕХНОГЕННОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 5. ;URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=21475 (дата обращения: 13.02.2025).