Оценка воздействия сточных вод на сообщества организмов р. Белой методом биотестирования с использованием Lepidium sativum L. в районе сброса сточных вод МУП "Уфаводоканал"

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Классификация сточных вод

1.2 Воздействие сточных вод на водоемы

1.2.1 Промышленные сточные воды

1.2.2 Бытовые сточные воды

1.2.3 Атмосферные сточные воды

1.3 Методы очистки сточных вод

1.4 Биотестирование сточных вод

Глава 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1 Качественный и количественный учет водорослей и цианобактерий

2.2 Методика определения токсичности воды по показателям кресс-салата (Lepidium sativum L.)

Глава 3. ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ

3.1 Использование водных ресурсов

3.2 МУП «Уфаводоканал

3.3 Качество воды в р. Белой

Глава 4. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

4.1 Биотетстирование неочищенных и очищенных сточных вод МУП «Уфаводоканал»

4.2 Биотестирование бутилированных питьевых и минеральных вод

ВЫВОДЫ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ

биоиндикация сточный организм вода

ВВЕДЕНИЕ

Человечество потребляет на свои нужды огромное количество пресной воды. Основными ее потребителями являются промышленность и сельское хозяйство.

Охрана чистоты поверхностных вод - важнейшая задача современности, поскольку и жизнь, и производство невозможны без чистой воды (Зайцев, 2009). Крайне неравномерное распределение водных ресурсов и их плохое качество не позволяют полностью удовлетворять потребности населения в воде, так как:

- во-первых, нарастает число токсикантов в водоемах, и действие их смесей трудно предсказуемо;

- во-вторых, при разработке технологии производства обычно ориентируются на возможность разбавления стоков после очистки, но такие возможности сейчас исчерпываются;

- в-третьих, почти повсеместное зарегулирование стока привело к значительному эвтрофированию водоемов и снижению их способности к самоочищению (Абакумов, 1983).

В настоящее время оценка загрязнения окружающей среды (воды, почвы, воздуха) производится главным образом на основе результатов химического анализа (Орлов и др., 2002). Однако из-за огромного числа видов самих загрязняющих веществ, источников и выбросов, а также сложности и высокой стоимости химических анализов организовать эффективный экологический мониторинг средствами аналитической химии практически нельзя. Это невозможно еще и потому, что химико-аналитический контроль не учитывает комбинированный характер действия загрязнителей, когда влияние каждого из них может дополнять, усиливать и подавлять друг друга.

Между тем, многие из перечисленных трудностей удается преодолеть, если в традиционную схему экологического контроля ввести методы биологического анализа (Кузнецов, Градова, 2006). Эти методы основаны на регистрации суммарного действия на объект компонентов загрязнения, оценке экологических условий с помощью биологических индикаторов. Индикаторами является группа особей одного вида или сообщество, по наличию или состоянию, поведению которых судят о естественных или антропогенных изменениях в среде, в том числе о присутствии и концентрации загрязнителей. Таким образом, биоиндикаторы позволяют быстро и с минимальными затратами оценить, является ли анализируемая проба загрязненной или нет (Аксенов, 1990). Практически все современные технологии очистки воды, как правило, предназначены для удаления из воды как можно большего количества примесей. Одна из наиболее трудных проблем при проектировании системы очистки возникает при столкновении с микробиологическими загрязнениями, присутствующими либо в исходной воде, либо вносимых в очищенную воду в процессах ее дальнейшей обработки. Можно привести тысячи примеров, когда недооценка микробиологической опасности приводила к выходу из строя оборудования очистки воды (Эльпинер, 2009).

Для оценки экологического состояния водных объектов широко используются методы биотестирования. Под биотестированием обычно понимают процедуру установления токсичности среды с помощью тест - объектов, сигнализирующих об опасности независимо от того, какие вещества и в каком сочетании вызывают изменения жизненно важных функций у тест - объектов (Григорьев, Рудь, 2004; Ляшенко, 2012).

Биотестирование природных вод стали широко применять в научных и прикладных исследованиях с начала 80-х гг. XX в., что было связано с попытками хотя бы частично заменить химический анализ вод. С конца ХХ в. в России биотестирование стало обязательным элементом контроля качества поверхностных вод. Показатели биотестирования природных вод были включены в перечень характеристик для выявления зон чрезвычайной экологической ситуации и зон экологического бедствия (Симов, 2004).

Во многих работах отечественных и зарубежных авторов показана эффективность применения семян кресс-салата (Lepidium sativum). Побеги и корни этого растения под действием загрязнителей подвергаются заметным морфологическим изменениям. Как биоиндикатор удобен ещё и тем, что действие стрессоров можно изучать одновременно на большом числе растений при небольшой площади рабочего стола. Привлекательны также весьма короткие сроки эксперимента. Семена кресс-салата прорастают уже на 3-4 день, и на большинство вопросов эксперимента можно получить ответ в течение 7 - 10 суток (Зейферт, 2010).

Целью работы явилось освоение методики биоиндикации и биотестирования; оценка воздействия сточных вод на сообщества организмов р. Белой методом биотестирования с использованием Lepidium sativum L. в районе сброса сточных вод МУП «Уфаводоканал».

Для достижения цели были поставлены задачи:

1.Освоить методы биоиндикации по водорослям и биотестирования по Lepidium sativum L

2.Выявить видовой состав водорослей и цианобактерий в сточных водах МУП «Уфаводоканал».

3.Сравнить количественное развитие водорослей и цианобактерий в загрязненной и очищенной воде.

4. Изучить воздействие сточных вод на развитие Lepidium sativum L.

5. Провести оценку качества питьевых и минеральных вод для определения эффективности метода биотестирования с использованием Lepidium sativum L.

Глава 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Классификация сточных вод

Сточные воды - это пресные воды, изменившие после использования в бытовой и производственной деятельности человека свои физико-химические свойства и требующие отведения. Кроме этого к сточным водам относятся те воды, которые образовались в результате выпадения осадков и поливки улиц (Артемов, 2003).

По происхождению сточные воды могут быть классифицированы на следующие: бытовые, производственные и атмосферные.

К бытовым водам относятся сточные хозяйственные воды, которые поступают от жилых сооружений, а также промышленных предприятий: бань, кухонь, ванных, туалетов, прачечных, больниц и топу подобное. Они могут быть хозяйственными, фекальными и загрязнены физиологическими отходами.

К производственным стокам относят разные технологические отходы, которые не отвечают всем требованиям качества, поэтому подлежат удалению с данной территории, кроме этого и все отходы, которые попадают на поверхность в результате добычи руды, нефти, угля и других ископаемых.

К атмосферным стокам относятся стоки, полученные от талых вод, дождевой воды. Помимо этого, сюда относятся и воды от полива улиц, дренажных систем, фонтанов, так как по характеристике и содержанию загрязняющих веществ они более близки к дождевым водам (Алексеев, 2004; Хван, 2003; Яковлев и др., 1985).

Концентрация минеральных и органических примесей и их состав в разнообразных видах сточных вод полностью отличаются друг от друга. К примеру, бытовые воды просто потенциально опасны, тем что в них дополнительно содержатся биологические примеси, в которых находиться могут различные болезнетворные бактерии. Процесс загрязнения производственных вод происходит в основном из-за проникновения отходов производства. Причем в некоторых из них находятся радиоактивные и ядовитые вещества, а также соли тяжелых металлов. Поэтому для того, чтобы уменьшить уровень их загрязнения, в настоящее время стали применятся различные меры, направленные на улучшение промышленных технологий, а также способа утилизации (Самсанов, 2007).

Дождевые воды согласно санитарным нормам представляют меньшую опасность, вследствие этого их разрешается сбрасывать в ближайшие водоемы без проведения предварительной очистки. Но, не смотря на это, они содержат мусор, атмосферную пыль и растворенные газы (Остроумов, 2005).

Во время обустройства канализации в населенных пунктах и промышленности и на практике используется совместный отвод дождевых, бытовых и производственных сточных вод.

1.2 Воздействие сточных вод на водоемы

1.2.1 Промышленные сточные воды

Загрязняющие вещества, поступая в природные воды, вызывают изменение физических свойств среды (нарушение первоначальной прозрачности и окраски, появление неприятных запахов и привкусов и т.п.); изменение химического состава, в частности появления в ней вредных веществ; появление плавающих веществ на поверхности воды и отложений на дне; сокращение в воде количества растворенного кислорода вследствие расхода его на окисление поступающих в водоем органических веществ загрязнения; появление новых бактерий, в том числе и болезнетворных (Львович, 1986).

Все это отражается на состоянии отдельных популяций, на их взаимоотношениях. Растет биомасса микроорганизмов, фитопланктона, зоопланктона. Это характерные признаки эвтрофикации водоемов.

Промышленные сточные воды, содержат растворимые, нерастворимые и коллоидные вещества. Характер и концентрация загрязнений могут оказывать на состояние воды в водоемах самое разнообразное влияние. Взвешенные вещества после сброса в реку могут частично раствориться, а их нерастворимая часть увеличит содержание суспензии в воде. Некоторые вещества, будучи сброшенными в водоем в растворимом состоянии, вследствие изменения pH среды или других химических реакций могут вызвать образование вторичных взвешенных веществ. Примером такого рода изменений является окисление железистых солей в реке, в аэробных условиях, с образованием нерастворимой гидроокиси железа (Лоренц, 1972).

Попадание в водоем сточных вод, содержащих суспензии, весьма неблагоприятно отражается на его состоянии (Данилов-Данильян, 2009). Осаждаясь, суспензии заиливают дно и задерживают развитие или полностью прекращают жизнедеятельность донных микроорганизмов, участвующих в процессе самоочищения вод. При гниении донных осадков могут образоваться вредные соединения, и даже отравляющие вещества, такие, как сероводород, которые приводят к загрязнению всей воды в реке. Наличие суспензий затрудняет также проникновение света вглубь воды и задерживает процессы фотосинтеза в водяных растениях, особенно в водорослях, которые под действием солнечного света образуют кислород, необходимый для окисления органических загрязнений (Лозановская, 1998).

Загрязнения, попадающие в сточные воды в растворимом состоянии, содержат большое количество минеральных и органических соединений. Многие из этих соединений оказывают вредное или отравляющее действие на растительные и животные организмы, живущие в воде, и приводят к тому, что вода становится непригодной для употребления в коммунальном хозяйстве и промышленности (Сороколетов, 2009).

К минеральным токсическим соединениям можно отнести соли свинца, мышьяка, фтора, хрома меди. Токсическим действием отличаются также кислоты и основания, поскольку они вызывают изменения pH среды, доводя его до величины ниже 6,5 или выше 8,0. при таких изменениях наступает гибель или приостанавливается жизнедеятельность организмов, принимающих активное участие в процессе самоочищения водоемов (Строганов, 1971).

При сбросе в водоем токсических веществ, содержащихся в промышленных сточных водах, происходит угнетение и обеднение фитопланктона.

1.2.2 Бытовые сточные воды

Рост населения, расширение старых и возникновение новых городов значительно увеличили поступление бытовых стоков во внутренние водоемы. Эти стоки стали источником загрязнения рек и озер болезнетворными бактериями и гельминтами. В еще большей степени загрязняют водоемы моющие синтетические средства, широко используемые в быту. Они находят широкое применение также в промышленности и сельском хозяйстве. Содержащиеся в них химические вещества, поступая со сточными водами в реки и озера, оказывают значительное влияние на биологический и физический режим водоемов. В результате снижается способность вод к насыщению кислородом, парализуется деятельность бактерий, минерализующих органические вещества (Жмур, 2003).

Для загрязненных водоемов характерны белые хлопьевидные образования. При избытке в воде органических веществ и повышения общей минерализации обрастания приобретают сине-зеленый цвет, так как состоят в основном из сине-зеленых водорослей. При плохой очистке фекально-бытовых сточных вод обрастания бывают белыми или сероватыми. Как правило, они состоят из прикрепленных инфузорий (сувойки, кархезиум и др.) Стоки с избытками сернистых соединений могут сопровождаться хлопьевидными налетами нитчатых серобактерий-теотриксов (Карелин, Репин, 1974).

При обогащении водоемов биогенными веществами, содержащимися в бытовых стоках, значительно повышается продуктивность фитопланктона. При перегрузке водоемов биогенами возникает бурное развитие планктонных водорослей, окрашивающих воду в зеленый, сине-зеленый, золотистый, бурый или красный цвета («цветение» воды). «Цветение» воды наступает при наличии благоприятных внешних условий для развития одного, редко двух-трех видов. При разложении избыточной биомассы, выделяется сероводород или другие токсичные вещества. Это может приводить к гибели зооценозов водоема и делает воду непригодной для питья (Константинов, 1986; Хван, 2003).

Многие планктонные водоросли в процессе жизнедеятельности нередко выделяют токсичные вещества. Увеличение в водоемах содержания биогенных веществ в результате хозяйственной деятельности человека, сопровождаемые чрезмерным развитием фитопланктона, называют антропогенным эвтрофированием водоемов (Gleick, 2001).

После впадения в реку тех или иных загрязненных стоков последние сносятся течением вниз по реке и откладываются в более глубоких местах реки с замедленным течением (Константинов, 1986).

1.2.3 Атмосферные сточные воды

Атмосферные осадки, извлекая содержащиеся в атмосфере примеси, способствуют очищению атмосферы и служат тем самым одним из источников загрязнения поверхностного стока многими неорганическими составлять 15-60 процентов от их суммарного количества в поверхностном стоке. Однако основное количество загрязняющих веществ поступает в атмосферные осадки при их стекании с поверхности городской территории (Машина, 2003). Загрязняющие вещества смываются в ливневые сточные воды с поверхности дорог и крыш и являются продуктами коррозии кровельных материалов, выхлопов автомобилей с различными типами двигателей, результатом нерационального использования бытовых химикатов, пестицидов, удобрений и т.п., а также элементами песчано-солевой смеси, используемой в зимний период для предотвращения оледенения дорог. Характерными загрязняющими веществами в составе поверхностного стока являются взвешенные и растворимые органические и неорганические вещества, такие как нефтепродукты, азот аммонийный, фосфаты, железо общее, синтетические поверхностно-активные вещества, тяжелые (цинк, свинец, медь, кадмий, хром, никель) (Невзорова, 2011).

Многообразие факторов, влияющих на содержание загрязняющих веществ в поверхностном стоке, их непосредственные количественные соотношения на каждом водосборе усложняют установление химического состава этой категории сточных вод и разработку материалов по их обезвреживанию. По данным зарубежных исследований накопление загрязнений на поверхности дорог в среднем для городов составляет 395 кг на 1 км дороги, причем в промышленных районах, накопление вдвое превышает средний показатель для города (Gnecco, 2005).

Степень загрязнения поверхностного стока зависит как от загрязненности территории, так и от слоя и интенсивности дождевых осадков, процесса снеготаяния, нормы расхода воды при мойке покрытий. При оценке качества дождевых вод необходимо иметь сведения о содержании в них примесей в течение всей продолжительности поступления дождевого стока. Качество поверхностного стока обусловлено множеством одновременно действующих факторов, основными из которых являются загрязнение атмосферы, загрязненность территории, режим и объем осадков, продолжительность периода без осадков. Существенной особенностью атмосферного стока является неравномерность распределения концентраций загрязняющих веществ в стоке по ходу дождя (Ghaufouri, 2004).

Еще одним фактором, влияющим на характер ливневого стока является качество покрытий, используемых на территории формирования стока. Исследования ливневого стока показывают прямую зависимость между процентом непроницаемых поверхностей на территории водосбора и уровнем негативного воздействия ливневого стока на качество воды, экосистему и ее обитателей. Таким образом, контроль атмосферных стоков очень важен, т. к. ливневые стоки непосредственно воздействуют на функции водосбора и качество воды (Мажейкене, 2011).

Воздействие загрязнителей, содержащихся в сточных водах, на экосистему водоемов является сложным динамическим процессом. По мере поступления органических и биогенных веществ происходит постепенное изменение химического состава воды, видового состава гидробионтов, происходит перестройка структуры и функции экосистемы в целом. В начале процесса загрязнения изменения в экосистеме незначительны и обратимы. В дальнейшем экосистема может увеличивать свою способность к переработке поступающих веществ, но до определенного предела. Превышение этого предела приводит к деградации и полному разрушению экосистемы (Волчек, Бульская, 2012).

1.3 Методы очистки сточных вод

Для очистки бытовых и производственных сточных вод используют следующие методы:

- механические;

- химические;

- физико-химические;

- биологические.

Метод очистки и состав очистных сооружений выбирают в зависимости от требуемой степени очистки, состава загрязнений, пропускной способности очистной станции, грунтовых условий и мощности водного объекта с соответствующим технико-экономическим обоснованием (Кривошеин и др., 2003).

В настоящее время требования к степени очистки сточных вод повышаются. В связи с этим их подвергают дополнительной более глубокой очистке (доочистке). В процессе очистки предусматривают также обработку осадков сточных вод и обеззараживание сточных вод перед сбросом в водоем (Родионов и др., 2005; Яковлев и др., 1985).

Механическая очистка сточных вод применяется, как правило, в качестве предварительной, то есть предшествует другим методам очистки. Назначение механической очистки заключается в подготовке производственных сточных вод при необходимости к биологическому, физико-химическому или другому методу более глубокой очистки. Она способствует удалению из сточных вод нерастворенных и частично коллоидных минеральных и органических примесей. Механическая очистка обеспечивает выделение из сточных вод до 90 - 95% взвешенных веществ и снижение органических загрязнений (по БПК_полн) на 20 - 25% (Хенце, 2006). В ряде случаев механическая очистка является единственным и достаточным способом для извлечения из производственных сточных вод механических загрязнений и подготовки их к повторному использованию в системах оборотного водоснабжения.

Механическую очистку осуществляют способами процеживания, пескоулавливания, отстаивания, центрифугирования, фильтрования. Химическую и физико-химическую очистку обычно применяют для производственных сточных вод на локальных канализационных очистных сооружениях предприятий. Химическая очистка производственных сточных вод может применяться как самостоятельный метод перед их подачей в систему оборотного водоснабжения, а также перед спуском их в водоем или в городскую водоотводящую сеть (Яковлев и др., 1985). Кроме того, химические методы применяются для предварительной очистки сточных вод перед биологической или физико-химической очисткой. Химическая обработка также применяется в качестве метода глубокой очистки сточных вод с целью их дезинфекции, обесцвечивания или извлечения из них различных компонентов. При локальной очистке производственных сточных вод в большинстве случаев предпочтение отдается химическим методам.

Химическую очистку применяют в случаях, когда выделение примесей возможно только в результате химической реакции между примесью и реагентом. К основным химическим способам очистки относятся нейтрализация, окисление, восстановление, реагентные методы выделения загрязняющих веществ в виде малорастворимых и нерастворимых соединений. К окислительным методам относится также электрохимическая обработка (Репин, 1995).

После механической обработки в воде остается часть взвешенных веществ, растворенные органические вещества и большое количество микроорганизмов. Биологический метод основан на использовании жизнедеятельности аэробных микроорганизмов, для которых органические вещества сточных вод (в растворенном и коллоидном состоянии) являются источником питания (Кузнецов, Градова, 2006). При наличии свободного кислорода в сточных водах микроорганизмы окисляют (минерализуют) органические вещества.

Основной целью биологической очистки городских сточных вод являются разложение и минерализация органических веществ, находящихся в коллоидном и растворенном состоянии. Эти вещества нельзя удалить из стоков механическим путем. Распад и минерализация органических веществ при биологической очистке сточных вод происходит так же, как и в естественных условиях (Яковлев и др., 1985). Освобождение сточных вод от органических веществ происходит в две фазы. Первая - фаза сорбции. В основе ее лежат физико-химические процессы адсорбции органических веществ и коллоидов поверхностью микробной клетки. Вторая фаза - последовательное окисление растворенных и адсорбированных органических веществ, в основе которого лежит усвоение микроорганизмами органических веществ.

Очистка сточных вод биологическим методом производится в естественных условиях и в искусственно созданных сооружениях.

Очистка сточных вод в естественных условиях

Способ очистки сточных вод в естественных условиях известен с древних времен. Он используется в основном для очистки бытовых и городских сточных вод, а не чисто производственных (для очистки сточных вод применяют поля орошения, поля фильтрации и биологические пруды).

А) Поля орошения - это специально подготовленные (спланированные) участки земли для приема предварительно очищенных (прошедших механическую очистку) сточных вод с целью их доочистки. При фильтрации сточных вод через почву в ее верхнем слое задерживаются взвешенные и коллоидные вещества, образующие на поверхности густонаселенную микроорганизмами пленку. Пленка адсорбирует на своей поверхности растворенные вещества, находящиеся в сточных водах. Микроорганизмы минерализуют органические вещества с использованием растворенного кислорода. Затем эти участки используют для сельскохозяйственных целей, На них выращивают сельскохозяйственные культуры, то есть сточные воды используются как удобрение. При использовании метода достигается высокий (до 99%) эффект бактериальной очистки. Однако для полей орошения основной задачей является очистка сточных вод.

Б) Поля фильтрации - это земельные участки, предназначенные только для очистки сточных вод. Их устраивают на песках, супесях, суглинках. На них производится распределение и фильтрация через почву сточных вод.

В) Биопруды - это искусственно созданные неглубокие водоемы глубиной 0,5 - 1 м. Их применяют в случаях, когда при наличии достаточных площадей отсутствуют хорошо фильтрующие почвы. Иногда устраивают биопруды с искусственной аэрацией глубиной до 3 м.

К недостаткам метода очистки сточных вод в естественных условиях относятся:

- низкая окислительная способность;

- сезонность работы;

- потребность в больших территориях (Воронов, Яковлев, 2006).

1.4 Биотестирование сточных вод

В настоящее время большая часть биотестов рекомендуется для применения только в практике контроля уровня токсического загрязнения сточных вод, что в значительной мере обусловлено невысокой и ограниченной чувствительностью известных биологических методов оценки суммарной токсичности воды (Александрова, 2009). В нормативных документах, регламентирующих водоотведение, указано, что сточная вода на выпуске в водный объект не должна оказывать острого токсического воздействия на тест-объекты, а вода водного объекта в контрольном створе не должна оказывать хронического токсического действия на тест-объекты (Мелехова и др., 2007). Для этого рекомендуется определить кратность разбавления сточной воды на выпуске в водный объект, при которой она не оказывает токсического действия на самый чувствительный из используемых тест-организмов (рыбы, дафнии, водоросли). В качестве разбавляющей используют воду водного объекта, отобранную вне зоны влияния тестируемой сточной воды.

Кроме того, для решения задач по ограничению токсического загрязнения водных объектов рекомендованы к применению специальные устройства биотестирования, пригодные для эксплуатации в производственных условиях непосредственно на выпусках сточных вод в водные объекты, а для токсикологической паспортизации водных экосистем - портативные переносные устройства, обеспечивающие проведение массовых экспрессных токсикологических анализов (Воронов, Яковлев, 2006). Биосигнализаторы токсичности могут работать автономно, контролируя в непрерывном режиме токсичность сточных вод на выпуске в водные объекты, или в составе автоматизированных систем контроля и управления сбросом сточных вод. Такой вид биологического контроля позволяет выявить случаи нарушения технологического процесса, аварийные ситуации, своевременно принять водоохранные решения для предотвращения загрязнения водных объектов локальными источниками токсичности, к которым относятся промышленные сточные воды (Морозов, 2001).

Опасность для водных объектов представляют также рассеянные источники загрязнения, к которым, прежде всего, относятся сбросные и коллекторно-дренажные воды. Для биотестирования вод, загрязненных пестицидами, разработаны инструментальный метод и устройство, позволяющие в полевых условиях производить оценку токсичности воды. Показателем токсичности в этом методе является изменение интенсивности фотосинтеза культуры водорослей под воздействием токсикантов по сравнению с контролем (Шевелева, 2008; Marwood, 2001).

В качестве наиболее демонстративных, экспрессных и удобных для регистрации технических средств в биотестировании признаны поведенческие реакции гидробионтов, прежде всего, рыб, моллюсков и рачков дафний. Ряд биотестов, основанных на регистрации изменений поведенченских реакций этих гидробионтов, рекомендован в настоящее время в качестве биосигнализаторов токсичности в системе контроля сточных и природных вод (Ковалев, 2007).

Анализ и систематизация данных, полученных в процессе испытаний различных методов и устройств биотестирования в лабораторных, производственных и натурных условиях, результатов апробации биотестов и обобщение опыта их применения в практике свидетельствует о том, что для предотвращения токсического загрязнения водных объектов недостаточно ограничиться контролем выпусков сточных вод. Область применения биотестов включает эколого-токсикологическую оценку состояния водного объекта в зоне влияния на него сточных вод предприятия, токсичности воды и донных отложений в створе смешения сточной воды с водой водного объекта (Ляшенко, 2012).

Глава 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1 Качественный и количественный анализ водорослей и цианобактерий

В настоящее время в гидробиологической практике используются несколько способов концентрирования проб фитопланктона; осаждение водорослей в сосудах, фильтрация через сита или мембранные фильтра и центрифугирование собранного материала.

Широко используются наиболее простой способ (метод отстаивания проб в сосудах), предложенный в 1915 г. Р.Г. Гринбергом и модифицированный П.И.Усачевым. Он не требует сложного оборудования.

Фиксированные пробы отстаивают в сосудах в неподвижном состоянии в темном месте. При объеме пробы 2 литра время отстаивания 12-15 суток, при 1 л- 8-10 сут., 0,5 л - 4 сут. (Садчиков, 2003). За это время водоросли успевают осесть на дно сосуда. Однако необходимо иметь в виду, что пробы с детергентом быстро разрушаются, поэтому они должны быть обработаны сразу же после их концентрирования.

После осаждения водорослей пробу концентрируют путем сливания среднего слоя воды, при скорости падения уровня в пробе менее 3 см/ч, до объёма 30-80 мл необходимо быть крайне осторожным. Чтобы не нарушить осадка и не допустить засасывания водорослей из поверхностного слоя. Для этого используют тонкий стеклянный сифон с загнутым на 2 см. вверх концом. Сгущенную таким образом пробу взбалтывают и замерив его объём, переносят в сосуд меньшего объёма. При необходимости пробу концентрируют до объема 5-10 мл центрифугированием (1000-2000 об. /мин в течение 5-10 мин). Полученный таким способом материал пригоден для исследований в счетной камере.

Консервация и хранение проб фитопланктона. Для консервирования и предохранения фитопланктона от разрушения при длительном хранении используются разнообразные химические соединения и их смеси.

Консервацию осуществляют сразу же после отбора проб добавлением к ним фиксирующего реагента. Поскольку ни один из применяемых фиксаторов не может быть предпочтен всем прочим, важно учитывать достоинства и недостатки каждого при использовании их в повседневной работе. Хорошую сохранность водорослей обеспечивает раствор формальдегида и хромовых квасцов (1 мл 4%-ного формальдегида и 10 г K₂S0₄ Cr(S0₄)₃ 24Н₂0 в 100 мл пробы). Такие пробы могут сохраняться достаточно долго без заметного разрушения клеток фитопланктона. Исключение составляют жгутиковые водоросли, нежные клетки которых довольно быстро разрушаются после фиксации формалином.

Методы качественного изучения материала. Собранный материал предварительно просматривают под микроскопом в живом состоянии в день сбора, чтобы отметить качественное состояние водорослей до наступления изменений, вызванных хранением живого материала или фиксацией проб (образование репродуктивных клеток, переход в пальмеллевидное состояние, разрушение клеток, колоний, потеря жгутиков и подвижности и т.д.). В дальнейшем собранный материал продолжают изучать параллельно в живом и фиксированном состоянии. Работа с живым материалом является необходимым условием успешного изучения водорослей, изменяющих при фиксации форму тела, форму и окраску хлоропластов, теряющих жгутики, подвижность или даже полностью разрушающихся в результате воздействия фиксаторов. Чтобы сохранить материал живым, следует всячески оберегать его от перегрева, загрязнения фиксаторами, а к изучению приступать как можно скорее.

Водоросли в живом состоянии изучают с помощью световых микроскопов различных марок с использованием разных систем окуляров и объективов, в проходящем свете с соблюдением обычных правил микроскопирования.

Для микроскопического изучения водорослей готовят препараты: на предметное стекло наносят каплю исследуемой жидкости и накрывают ее покровным стеклом. При длительном изучении препарата жидкость под покровным стеклом постепенно подсыхает, и ее следует добавлять. Для различных отделов и экологических группировок, так и разнообразием целей и подходов к их изучению.

В связи с тем, что большинство водорослей имеет микроскопические размеры, обнаружить их невооруженным глазом в естественных местообитаниях, как правило, возможно лишь при условии массового развития, вызывающего изменение окраски среды обитания: воды, почвы или другого субстрата (Вассер и др.,1989). Подсчет численности водорослей осуществляется в специальной счетной камере определенного объема: Нажотта (0,01 смі). Площадь дна камеры составляет 1 смІ и высотой 100 мкм. Дно камеры разделено продольными линиями на 40 полос по ширине каждой 250 мкм и длине 10 мм.

Перед счетом проба тщательно перемешивается продуванием воздухом через чистую трубку с входным отверстием не менее 2 мм, и затем одна капля пробы этой же трубочкой вносится в счетную камеру.

Камера закрывается покровным стеклом, и после оседания водорослей (10-15 мин) проводится осмотр пробы и определение видового состава всех встречных водорослей. Подавляющее большинство водорослей хорошо определяется в фиксированном состоянии.

При исследовании количественных проб фитопланктона пересчет численности организмов на 1 л воды производили по формуле:

N - Количество организмов в литре воды исследуемого водоема;

K - Коэффициент, показывающий во сколько раз объем счетной камеры меньше 1 см³;

n - Количество организмов, обнаруженных на просмотренных дорожках (квадратах);

A - Количество дорожек (квадратов) в счетной камере;

a - количество дорожек, на которых производился подсчет водорослей;

v- Первоначальный объем отобранной пробы (см³);

V - Объем концентрата пробы (см³).

При определении видовой принадлежности использовались руководства по соответствующим группам (Асаул, 1975; Голлербах и др., 1953; Дедусенко - Щеголева, Голлербах, 1959, 1962; Забелина и др., 1951; Кондратьева и др., 1984; Матвиенко, Догадина, 1978; Попова, 1955; Топачевский, Оксиюк, 1960; Царенко, 1990; Кузяхметов, Шкундина и др., 1995; Минибаев, Шкундина и др., 2003; Шкундина и др., 2012).

2.2 Методика определения токсичности воды по показателям кресс-салата (Lepidium sativum L.)

В последнее время предлагается метод прорастания тест-растений в исследуемых водных средах. Широко используются семена кресс-салата. Сроки прорастания, интенсивность роста корешков и проростков легко определить визуально, что делает этот биотест удобным (Зейферт, 2010).

В условиях антропогенного воздействия в водные объекты могут попадать сотни тысяч индивидуальных загрязняющих веществ различной токсичности и устойчивости. Поэтому, полный анализ вод по индивидуальным соединениям, а тем более по формам их существования является нереальной задачей (Заваров, 2007).

Отбор проб осуществлялся согласно ГОСТ 17.5.05-85 «Охрана природы. Гидросфера. Общие требования к отбору проб поверхностных и морских вод, льда и атмосферных осадков» и ГОСТ Р 5159-2000 «Вода .Общие требования к отбору проб».

Оборудование и реактивы: семена кресс-салата (одинаковые по размеру, одного урожая), чашки Петри, пробы воды, линейка, бумага фильтровальная. Биотестирование проводят в чашках Петри по три повторности на каждую пробу. На дно вырезаются диски из фильтровальной бумаги, которые будут являться своеобразным субстратом. В каждую чашку на поверхность субстрата укладывают по 30 семян кресс- салата. Расстояние между соседними семенами должно быть по возможности одинаковым.

Семена покрывают такими же дисками из фильтровальной бумаги, какие были на дне чашки. Фильтровальную бумагу во всех чашках увлажняют исследуемой неразбавленной водой или талым снегом до появления признаков насыщения. Одна из проб с дистиллированной водой, не содержащая токсических соединений, является контрольной, по морфометрическим показателям кресс-салата, пророщенного в данной пробе, проводят сравнительный анализ с показателями фитотеста других исследуемых проб.

Чашки Петри этикетируют, закрывают и проращивают семена в термостатическом шкафу. В течение 7-10 дней следят за прорастанием семян, периодически увлажняя дистиллированной водой. Избыток воды удаляются ватой. Проращивание ведут в помещении при температуре 20-25?С. Нормой считается прорастание 90-95 % семян в течение 3-4 суток. Процент проросших семян от числа посеянных называется всхожестью.

По истечению опыта измеряют показатели фитотеста: длину главного корня, длину побега, средний сухой вес, всхожесть, энергию прорастания, дружность прорастания (ПНД Ф Т 14.1:2:4.19-2013).

Глава 3. ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ

3.1 Использование водных ресурсов

В 2012 году наблюдалось увеличение объемов водопотребления по республике по сравнению с предыдущим годом. По данным Отдела водных ресурсов по Республике Башкортостан Камского бассейнового водного управления в 2012 году из природных источников забрано 845,46 млн м³ воды (на 12,55 млн м³ больше, чем в 2011 г.), из них использовано 794,77 млн м³, в том числе:

407,72 млн м³ (51,3%) - на производственные нужды;

214,24 млн м³ (26,95%) - на хозяйственно-питьевые нужды;

9,43 млн м³ (1,19%) - на водоснабжение сельского хозяйства;

5,43 млн м³ (0,89%) - на орошение;

157,92 млн м³ (19,86%) - на другие нужды.

Забор воды по бассейнам рек составил:

р. Кама - 816,67 млн м³ (96,6%);

р. Урал - 26,42 млн м³ (3,12%);

р. Обь - 2,37 млн м³ (0,28%).

Объем забранной из природных источников свежей воды по сравнению с предыдущим годом увеличился на 12,55 млн м³ (1,5%). Из поверхностных источников забрано воды 444,96 млн м³, что выше уровня 2011 года на 11,66 млн м³ (2,7%). Из подземных источников было забрано 400,50 млн м³. Общий объём забора подземной воды увеличился на 0,89 млн м³ (0,2%).

Из общего объема свежей воды, забранной из природных водных объектов, доля поверхностной воды составляет 52,6%; подземной - 47,1%.

Объем использованной воды по сравнению с прошлым годом увеличился на 14,09 млн м³ (1,8%). Использование воды на производственные нужды увеличилось на 17,06 млн м³ (4,4%).

Объем использования воды питьевого качества на производственные нужды в 2011 году составил 26,43 млн м³, а в 2012 году - 28,01 млн м³, что на 1,57 млн м³ (5,9%) больше, чем в 2011 году.

Потребление воды на хозяйственно-питьевые нужды снизилось на 5,65 млн м³ (2,6%).

Снизилось потребление воды на сельскохозяйственное водоснабжение на 0,93 млн м³ (9%). Снизилось также потребление пресной воды на орошение: на 0,45 млн м³ (7,7%). Объем оборотного водоснабжения снизился по сравнению с предыдущим годом на 12,19 млн м³.

Потери при транспортировке забранной для использования воды уменьшились с 43,61 млн м³ в 2011 году до 43,04 млн м³ в 2012 году, т.е. на 0,57 млн м³ (1,31%). Уменьшение объясняется проведением предприятиями жилищно-коммунального хозяйства комплекса работ по поиску и устранению скрытых утечек воды, снижению избыточных напоров воды в отдельных зонах водоснабжения, а также с организацией точного приборного учета воды.

Объем оборотного и повторно-последовательного водоснабжения уменьшился с 5348,69 млн м³ в 2011 г. до 5336,50 млн м³ в 2012 г., т.е. на 12,19 млн м³ (0,22%), в том числе:

- объем оборотного водоснабжения уменьшился с 5151,31 млн м³ в 2011 г. до 5139,20 млн м³ в 2012 г., т.е. на 12,11 млн м³ (0,24%);

- объем повторного водоснабжения уменьшился с 178,42 млн м³ в 2011 г. до 177,06 млн м³ в 2012 г., т.е. на 1,36 млн м³ (0,76%).

- объем последовательного водоснабжения увеличился с 18,96 млн м³ в 2011 г. до 20,24 млн м³ в 2012 г., т.е. на 1,28 млн м³ (6,76%) (Госдоклад, 2013; отчет о состоянии водных объектов Республики Башкортостан 2011).

3.2 МУП «Уфаводоканал»

История МУП "Уфаводоканал" началась в июне 1901 г. с открытием первого водопровода. До этого горожане пользовались колодцами и родниками, а качество воды проверяли на вкус и запах. Сегодня это огромная структура, включающая 7 водозаборов с суммарной мощностью более 600 тыс. куб. м воды в сутки, из которых 6 - подземных и 1 - открытый, речной (Северный Ковшовый водопровод), две станции полной биологической очистки сточных вод, 39 водопроводных и канализационных насосных станций, более 2300 км сетей водопровода и канализации.

Эксплуатацию сетей водоканала осуществляют 3 управления водопроводных сетей, 2 управления канализационных сетей, а также участок по ремонту и замене магистральной арматуры. Практически все сетевые управления имеют хорошие производственные базы, оснащены специализированной и землеройной техникой, откачивающими средствами, сварочным и ремонтным оборудованием. Подразделения обеспечены надежной стационарной и мобильной связью. Внедрены и широко используются в производстве прогрессивные технологии: приспособления для врезок под давлением, пневматические заглушающие устройства, гидроинструмент высокого давления и др.

Для проведения оперативных и поисковых работ на сетях используется лаборатория исследования сети (ЛИС). Применение инженерных методов и специализированных приборов позволяет сократить время отыскания места утечки, объем производства раскопок, уточнять состояние сети, выявлять неисправности запорной арматуры, осуществлять работы по регулированию сети и др. Работу основных цехов водопровода и канализации обеспечивают вспомогательные службы (http://www.ufavodokanal.ru).

3.3 Качество воды р. Белой в районе г. Уфа

Качество воды р. Белой в районе г. Уфа наблюдалось в 4-х створах, на которые оказывали влияние сбросы сточных вод предприятий г. Уфа. В фоновом створе города качество воды ухудшилось за счет возрастания Кк с 26% до 36% и УКИЗВ с 3,30 до 4,03. Класс качества сменился с 3-го («очень загрязненная») на 4-й («грязная»). Стабилизировалась средняя концентрация на уровне 9 ПДК при максимальной до 21 ПДК соединений марганца, сохраняясь в числе критических загрязнителей воды. Возрос средний уровень содержания нефтепродуктов с 3 до 7 ПДК, за счет увеличения максимальной концентрации до 15 ПДК. Незначительно возросли среднегодовые значения соединений меди (до 2 ПДК), за счет увеличения повторяемости превышения

нормативов с 23% до 54%. Снизился с 3 до 2 ПДК средний уровень загрязненности органическими веществами (по ХПК), максимальный - с 5 ПДК до 4. Сохранились на прежнем уровне (в норме) среднегодовые значения сульфатов, нарушения нормативов фиксировали в 86% проанализированных проб. Ниже нормы наблюдались средние значения хлоридов, легкоокисляемых органических веществ (по БПК5), фенолов, соединений азота, желез, никеля и цинка.

В черте города Уфа в районе речного порта в отчетном году сменился класс качества с 3-го («очень загрязненная») на 4-й («грязная») вследствие увеличения значения Кк до 34% и УКИЗВ с 3,27 до 4,10. Возрос с 15 ПДК до 27 ПДК, сохраняясь в числе КПЗ, максимальный уровень содержания соединений марганца, средний - незначительно возрос до 10 ПДК.

Содержание нефтепродуктов возросло по среднегодовым концентрациям до 7 ПДК, по максимальным - с 4 до 15 ПДК. Незначительно возросли средние значения по фенолам и соединениям меди. Органические вещества по ХПК стабилизировались по средней концентрации до 2 ПДК. Незначительно снизилась средняя концентрация сульфатов до нормы за счет снижения максимальной до 2 ПДК, фиксировали нарушения нормативов в 71% проб. Ниже нормы сохранялись средние значения легкоокисляемых органических веществ (по БПК5), хлоридов, соединений азота, железа, никеля и цинка.

В створе р. Белой в черте г. Уфа в районе технического водозабора вода по качеству перешла из 3-го класса разряда «б» в 4-й класс разряд «а», за счет увеличения значения УКИЗВ до 4,26 и коэффициента комплексности загрязненности до 34%. Повысилось среднее содержание соединений марганца и нефтепродуктов до 9 и 8 ПДК. Незначительно возросли средние значения по соединениям железа и меди - до нормы и 2 ПДК, максимальные - до 2 и 5 ПДК. Стабилизировался в пределах нормы средний уровень содержания в воде сульфатов и азота нитритного, при этом максимальные разовые концентрации не превышали 4 ПДК. Снизились до 2 ПДК средние концентрации органических веществ по ХПК, до 4 ПДК - максимальные, до

77% - повторяемость превышения ПДК. Ниже нормы наблюдались средние значения хлоридов, фенолов, органических веществ (по БПК5), азота нитратного и аммонийного, соединений никеля и цинка (Госдоклад, 2013).

Глава 4. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

4.1 Биотестирование неочищенных и очищенных сточных вод МУП «Уфаводоканал»

Материалом исследования послужили пробы воды, в частности пробы сточных вод, поступающих на очистные сооружения МУП «Уфаводоканал» и пробы очищенной сбрасываемой в реку Белую воды. Сбор материала проводился на БОС 2-й очереди МУП «Уфаводоканал» в июне-июле 2013 г. Для освоения методов биоиндикации в пробах воды изучались качественные и количественные характеристики фитопланктона в живом и фиксированном состоянии.

Работа по изучению метода биотестирования токсичности природных вод по проросткам растений-индикаторов выполнялась в течение июня-июля 2013 года в лаборатории кафедры ботаники БашГУ в дневное время, при сочетании искусственного и естественного освещения в стандартных, оптимальных для тест-растений условиях.

В составе водорослей и цианопрокариот в изученных пробах зарегистрировано 22 таксона водорослей из 4 отделов: Chlorophyta (6), Cyanobacteria (Cyanophyta) (9), Bacillariophyta (5), Euglenophyta (2) (приложение 1).

Проанализирована систематическая структура водорослей и цианобактерий. У представителей Chlorophyta выявлено 3 класса, 3 порядка, 6 семейств, 6 родов. У Cyanophyta 2 класса, 2 порядка, 6 семейств, 8 родов. У Bacillariophyta 1 класс, 2 порядка, 2 семейства, 4 рода. У Euglenophyta 1 класс, 1 порядок, 1 семейство 2 рода.

Наибольшее видовое разнообразие отмечено у цианобактерий, что объясняется тем, что максимум их развития наблюдается в наиболее теплые летние месяцы (рис. 1).

Рис. 1. Роль отделов водорослей и цианобактерий в формировании видового состава фитопланктона

Нами была подсчитана численность клеток водорослей и цианобактерий и освоена методика работы в счетной камере Нажотта (табл. 1).

Таблица 1.

Изменение количественных закономерностей развития водорослей и цианопрокариот в воде на разных стадиях очистки (численность в тыс. кл/л)

Вид водоросли	Количество в загрязненной воде	Количество в очищенной воде
Chlamydomonas sp	534	72
Chlorella vulgaris	456	222
Chlorococcum sp	672	90
Coelastrum Nag	612	126
Dactylococcopsis acicularis Lemm	462	30
Diatoma vulgare	276	66
Euglena viridis Muller	390	138
Fragilaria ulna Nitzsch	198	42
Fragilaria crotonensis Kitton	174	24
Gomphosphaeria lacustris Chod	132	18
Merismopedia tenuissima Lemm	84	6
Microcystis sp.	186	72
Navicula sp.	78	30
Oscillatoria lacustris Kleb	150	-
Pediastrum Meyen	84	-
Phormidium molle Kutz	324	90
Scenedesmus Meyen	498	66
Spirulina flavovirens Wisl	462	126
Spirulina tenuissima Kutz	414	96
Synechocystis salina Wisl	258	12
Synedra ulna Nitzsche	84	-
Trachelomonas volvochina	72	-

При анализе качественного и количественного состава водорослей загрязненной и очищенной сточных вод, мы выявили тенденцию к уменьшению, видового разнообразия в загрязненной воде, а также уменьшения численности водорослей после очистки сточных вод (табл. 2).

Таблица 2.

Изменения численности отделов в загрязненной и очищенной воде ( тыс. кл/л)

Название отдела	Загрязненная вода	Очищенная вода
Chlorophyta	2856	576
Cyanobacteria	2472	450
Bacillariophyta	810	162
Euglenophyta	462	138
Всего	6600	1326

Для оценки воздействия очищенных и неочищенных сточных вод был применен метод биотестирования с использованием Lepidium sativum L. Были получены результаты, которые представлены в табл. 3.

Таблица 3.

Измеряемые параметры Lepidium sativum L., сформировавшиеся под воздействием неочищенных и очищенных сточных вод МУП «Уфаводоканал»

Наименова-ние воды	Параметры фитотеста
	Длина главного корня, мм	Длина побега, мм	Вес, г	Коли-чество листьев	Всхо-жесть, на 5 день,%	Энергия прораста-ния,%	Друж-ность прораста-ния,%
Поступающая вода	2,80 ± 0,14	1,67 ± 082	0,4 ± 0,02	1,7 ± 0,08	24 ± 1,21	46 ± 2,30	46 ± 2,30
Очищенный сток	1,53 ± 0,08	0,70 ± 0,031	0,2 ± 0,01	0,8 ± 0,04	16 ± 0,77	23 ± 1,14	23 ± 1,14
Дистиллиро-ванная вода (контроль)	0,73 ± 0,04	0,30 ± 0,02	0,09± 0,004	0,13 ± 0,01	10 ± 0,48	18 ± 0,89	18 ± 0,89

По завершению опыта измерили показатели всхожести семян кресс- салата: длину главного корня (также вычислили среднее значение), длину побега, средний сухой вес (также вычислили среднее значение). Аналогично произвели подсчет количества листьев на побеге.

Рис. 2. Параметры длины главного корня Lepidium sativum L., сформировавшиеся под воздействием неочищенных и очищенных сточных вод МУП «Уфаводоканал»

Рис. 3. Параметры длины побега Lepidium sativum L., сформировавшиеся под воздействием неойищенных и очищенных сточных вод МУП «Уфаводоканал»

Рис. 4. Параметры веса Lepidium sativum L., сформировавшиеся под воздействием неочищенных и очищенных сточных вод МУП «Уфаводоканал»

Рис. 5. Количество листьев Lepidium sativum L., сформировавшееся под воздействием неочищенных и очищенных сточных вод МУП «Уфаводоканал»

Рис. 6. Параметры всхожести, энергии и дружности прорастания, Lepidium sativum L., сформировавшиеся под воздействием неочищенных и очищенных сточных вод МУП «Уфаводоканал»

Сточная вода оказывала стимулирующее воздействие на развитие Lepidium sativum L. (табл. 3, рис. 2, 3, 4, 5, 6). Это объясняется повышенным содержанием биогенных элементов в сточной воде.

4.2 Биотестирование бутилированных питьевых и минеральных вод

Мы сравнивали параметры развития Lepidium sativum L., при поливе бутилированными питьевыми водами «Красный ключ», «Чистая вода Кристальная» и дистиллированной водой (контроль).

Бутилированная питьевая вода - пищевой продукт, представляющий собой воду, разлитую в стеклянные или пластиковые бутылки для розничного распространения. Главным отличием от минеральных вод является пониженное содержание солей (сухого остатка), а так же наличие действующих стандартов на общий состав и свойства (СанПин 2.1.4.1074-01 - для централизованных систем водоснабжения и СанПин 2.1.4.1116-02 - для вод расфасованных в емкости).