Сезонная динамика концентрации тяжелых металлов в сточных водах очистных сооружений г. Хабаровска (по данным МУП «Водоканал»)

Показатели	Концентрация, мг/л
Зима	Весна	Лето	Осень	ПДС
Свинец	0,003	0,011	0,0015	0,0017	0,006
Железо	1,08	2,92	1,88	1,49	0,1
Цинк	0,18	0,13	0,09	0,1	0,01
Никель	0,0036	< 0,08	0,0029	0,0036	0,0551

 

Нами было зарегистрировано угнетение численности видов цилиат в весенний период. Это связанно с повышением токсичности сточных вод, обусловленное таянием снежного покрова. Талые воды содержат ионы тяжелых металлов, накапливающиеся за зиму в снежном покрове от автомобильного транспорта, ТЭЦ, организаций и заводов. По сравнению с летним периодом, весной содержание свинца увеличивается в 7,3 раза, цинка – в 1,5 раза, а никеля – в 27,6 раза. Концентрации железа во все сезоны года значительно превышают ПДС, но с таянием снега данный показатель возрастает почти в 30 раз.

Анализ сезонной динамики цилиофауны аэротенков очистных сооружений г. Хабаровска выявил, что с 2010 по 2011 гг. наибольшее количество видов инфузорий наблюдалось в летне-осенний период, характеризующийся максимальными температурами в аэротенках (рис. 3). Наименьшее число видов цилиат совпадает с минимальными температурами, которые типичны для зимне-весеннего периода.

 

Рис. 3. Сезонная динамика численности видов инфузорий в период 2009–2011 гг.

 

Исключение составил 2009 г. Летом 2009 г. было зарегистрировано всего 17 видов инфузорий, по сравнению с другими годами в этот же период, что связано с большим количеством ливневых стоков в тот год. В летний период местами выпадало осадков до 260% от нормы. В результате обильных дождей на Амуре наблюдалось до трех паводков с уровнями воды выше нормы от 1 м до 3 метров (Государственный доклад…, 2010). Следствием обильных муссонных дождей в летний период 2009 г. и явилось снижение численности видов инфузорий, что было нами зарегистрировано.

Таким образом, из биоценозов разных этапов очистки сточных вод на предприятии МУП «Водоканал» г. Хабаровска было выявлено 54 вида инфузорий. Ведущее значение в очистке сточных вод принадлежит комплексу прикрепленных инфузорий классаOligohymenophorea, в котором доминируют представители отряда Sessilida,составляющие 37% от общего числа видов и классу Phyllopharyngea, представленного сосущими инфузориями – 17%. Установлено, что цилиофауна аэротенков подвержена сезонным изменениям, пик численности видов приходится на летне-осенний период.

Второе защищаемое положение. Эколого-биологические особенности инфузорий, выявленных из биоценозов аэротенков, первичных и вторичных отстойников очистных сооружений г. Хабаровска, являются индикаторами степени очистки сточных вод.

Своевременное выявление эколого-биологических изменений, видового состава и численности инфузорий активного ила позволяют регулировать режим очистки, делая его максимально эффективным. К основным параметрам аэротенков, регулирующих работу очистных сооружений, относятся: объем сточных вод поступающих в аэротенки, время пребывания стоков в аэротенках, концентрация активного ила, удаление осадка из отстойников, режим аэрации сточных вод и т. д.

Представители прикрепленных инфузорий присутствуют в биоценозе активного ила аэротенков в течение всего года, что является одним из преимуществ в пользу цилиат подклассаPeritrichia при выборе тест-объектов для биотестирования работы очистных сооружений.

В связи с прикрепленным образом жизни перитрихи не могут покинуть зону негативного воздействия, в отличие от планктонных представителей цилиофауны. В результате эволюционных процессов инфузории выработали ряд эколого-биологических адаптаций, отражающих и работу очистных сооружений.

При повышении токсичности сточных вод, для уменьшения воздействия загрязняющих веществ на клетки перитрих, с целью предотвращения проникновения загрязнителей внутрь зооида происходит втягивание перистома в цитоплазму клетки и его закрытие. При усилении негативного воздействия зооиды отрываются от стебелька, т. е. образуются «бродяжки» – подвижные клетки, способные покинуть зону отрицательного воздействия. При массовом переходе к планктонным формам в активном иле наблюдаются одни стебельки колоний с редкими зооидами на них (рис. 4).

 

а)	б)	в)
Рис. 4. Защитные реакции прикрепленных инфузории Epistylis plicatilis: а) колония при благоприятных условиях; б) вид колонии при увеличении нагрузки в аэротенках (втягивание перистома); в) отрыв зооидов от стебельков.

 

Недостаточная аэрация сточных вод способствует также закрытию перистома, образованию газового пузыря, цист покоя. Защитная оболочка цист помогает пережить неблагоприятные условия обитания (токсичность сточных вод, изменение рН среды, нарушение режима аэрации, недостаток питательных веществ и др.).

На рисунке 5 представлены виды инфузорий, которые встречаются в аэротенке при нарушении процесса очистки сточных вод. Появление даже единичных особей данной группы цилиат свидетельствует о возможном залеживании ила в аэротенках или вторичных отстойниках.

 

а)	б)	в)	г)	д)
Рис. 5. Виды цилиат, свидетельствующие о нарушении режима работы очистных сооружений: а) Paramecium caudatum; б) Metopus sp.; в) Vorticella infusionum; г) Caenomorpha medusula; д) Podophrya sandi

 

Способность инфузорий из техногенных биоценозов адаптироваться к повышенному содержанию загрязняющих веществ – очень важное качество цилиат, обитающих в постоянно меняющемся составе иловой смеси и концентрации загрязнителей сточных вод.

Анализ химического состава очищенных сточных вод свидетельствует о наличие нитратов в осенний и зимний сезоны года. Концентрации этих загрязняющих веществ превышают ПДК в 1,5 и 1,2 раза, соответственно, поэтому для лабораторных исследований была выбрана соль азотной кислоты NaNO₃. В качестве тест-объектов использовали культуру инфузорий Spirostomum teres, выделенную из активного ила аэротенков очистных сооружений г. Хабаровска. Применяли следующие концентрации NaNO₃:
35 мг/л, 45 мг/л и 55 мг/л. Продолжительность эксперимента составила 33 дня.
К концу опыта в растворах с нитратами происходит снижение количества клеток, а в контрольном растворе – численность продолжает расти (рис. 6).

 

Рис. 6. Динамика численности клеток Spirostomum teres, культивируемых в растворах нитратов разной концентрации.

В ходе эксперимента было установлено, что под влиянием нитратов происходит изменение эколого-морфологических показателей инфузорий, в отличие от контроля. В контроле на 33 день также отмечалось изменение показателей, которые были незначительны (табл. 2).

Таблица 2

Эколого-морфологические изменения клеток Spirostomum teres

В растворах нитратов

Время эксперимента, день	Проба	Тело	Вакуоль	Длина перистома, мкм
длина, мкм	ширина, мкм	длина, мкм	ширина, мкм
	контроль	314.9±15,7	30.7±1,8	41.9±2,0	21.4±1,3	138.2±9,7
	контроль	297,3±17,2	33,0±1,3	40,4±2,0	24,0±1,0	114,7±7,8
35 мг/л	206.6±14,5	23.6±1.2	29.6±1,4	18.7±0,9	98.5±5,8
45 мг/л	221.5±17,8	24.2±1,4	36.9±1,7	20.4±1,4	97.6±4,9
55 мг/л	206.2±14,4	22.2±1,3	33.9±1,9	17.5±1,0	105.1±7,3

 

Тяжелые металлы являются наиболее распространенной группой токсичных, инертных к биохимическому окислению загрязняющих веществ, присутствующих в сточных водах, угнетающие окислительную способность активного ила. Для наиболее устойчивых организмов активного ила медь более токсична, чем цинк. Медь является критическим элементом на городских сооружениях биологической очистки не только потому, что она – высокотоксичный элемент, но и потому, что постоянно присутствует в сточных водах и накапливается в активном иле в значительных концентрациях (Жмур, 2003).

ПДК меди в воде согласно СанПиН 2.1.4.1175-02 «Гигиенические требования к качеству воды нецентрализованного водоснабжения. Санитарная охрана источников» составляет 1 мг/л, а по данным Н. С. Жмур (2003) порог токсичности меди для инфузорий 0,0001 мг/л.

Эксперимент, по влиянию меди с концентрациями: 1 ПДК; 2,5 ПДК и
5 ПДК, проводился на культурах Blepharisma lateritium и Paramecium caudatum, выделенных нами из состава биоценозов активного ила аэротенков и первичных отстойников, соответственно. Опыт осуществлялся на предметных стеклах под микроскопом. В культуру, содержащую 25–30 клеток инфузорий, добавляли растворы Cu²⁺ различных концентраций. Скорость реакций инфузорий фиксировались секундомером.

Добавление ионов меди разных концентраций в каплю с инфузориями вызывали у обоих видов совершенно противоположные реакции. Инфузории Paramecium caudatum реагировали с первых секунд резкими, крутящимися, беспорядочными движениями. В то же время, клетки Blepharisma lateritium замедляли движения до полной остановки. Изменения параметров клеток также различаются. У Paramecium caudatum отмечался переход формы тела к широкоовальной, бесструктурной (рис. 7б), а местами происходило выпячивание цитоплазмы (рис. 7в) с последующим разрывом пелликулы и гибелью инфузорий (рис. 7г).

 

а)	б)	в)	г)
Рис. 7. Токсическое влияние Cu2+ на Paramecium caudatum: а) контроль; б) концентрация Cu2+ 1 ПДК; в-г) концентрация Cu2+ 2,5 ПДК и 5 ПДК

Под действием ионов меди у Blepharisma lateritium наблюдаются морфологические изменения клеток. В концентрациях 1 ПДК происходит разбухание особей (рис. 8 б, в), причем, инфузории сохраняли двигательную активность. В концентрациях 2,5 и 5 ПДК форма клеток сохранялась, но в клетках прекращалось движение цитоплазмы, останавливалась работа сократительных вакуолей и, в конечном итоге, терялась двигательная активность (рис. 8 г).

 

а)	б)	в)	г)
Рис. 8. Токсическое влияние Cu2+ на Blepharisma lateritium: а) контроль; б-в) концентрация Cu2+ 1 ПДК; г) концентрация Cu2+ 2,5 ПДК и 5 ПДК

 

Под действием ионов меди как у Paramecium caudatum, так и у Blepharisma lateritium наблюдалось увеличение размеров сократительных вакуолей. Гибель инфузорий Blepharisma lateritium происходила в 2–3 раза быстрее, чем клеток Paramecium caudatum. Следовательно, менее устойчивыми к воздействию Cu²⁺ оказались инфузории Blepharisma lateritium, по сравнению с популяцией Paramecium caudatum. С учетом проведенного эксперимента, инфузорий Blepharisma lateritium можно рекомендовать в качестве тест-объектов на содержание тяжелых металлов в воде.

Таким образом, колебания нагрузки на активный ил по органическим загрязняющим веществам, токсичность сточных вод, режим работы очистных сооружений приводят к эколого-биологическим изменениям инфузорий, участвующих в биологической очистке сточных вод. Цилиофауна является надежным показателем работы очистных сооружений на разных этапах очистки сточных вод.

Третье защищаемое положение. Цилиофауна активного ила аэротенков очистных сооружений г. Хабаровска является специфичной, что обусловлено воздействием комплексов абиотических и биотических факторов.

При сравнительном анализе сезонной динамики цилиофауны активного ила аэротенков разных очистных сооружений (г. Житомир, г. Петродворец) с нашими данными выявилась следующая динамика (рис. 9). В аэротенках очистных сооружений г. Житомира наибольшее количество видов инфузорий было зарегистрировано в зимний и летний периоды. В активном иле аэротенков Петродворца данный показатель характерен для весенне-зимнего периода. Пик численности видов цилиофауны активного ила аэротенков очистных сооружений г. Хабаровска приходится на летне-осенний период. Минимальное количество видов инфузорий в аэротенках очистных сооружений г. Хабаровска было зарегистрировано в весенний период, в то время как в очистных сооружениях г. Житомир и г. Петродворец – в осенний период.

Различия между видовыми составами и сезонной динамикой цилиофаун активного ила из очистных сооружений, расположенных в разных климатических и географических зонах, связаны с микроклиматом, создаваемым действием биотических и абиотических факторов. Абиотические факторы среды, от которых зависит состав и динамика цилиофауны – бактериальное население (автохтонное или аллохтонное), взаимодействие «хищник-жертва», скорость репродукции и другие. Абиотические факторы – тип сооружения, определяющий размер биотопа; режим аэрации иловой смеси; химический состав сточных вод; температурный режим; нагрузка на активный ил и ряд других показателей (Жмур, 2003; Жуков, 2011).

 

Рис. 9. Количество видов инфузорий в аэротенках очистных сооружений разных регионов.

 

Анализ цилиофауны биоценозов аэротенков разных очистных сооружений выявил схожесть видового состава в пределах 26–63% (табл. 3). В большинстве случаев значение коэффициента Серенсена не превышает 50%.

Таблица 3