ПРЯМОТОЧНІ БІОТЕХНОЛОГІЇ ОЧИЩЕННЯ ВОДИ — “БІОКОНВЕЄРИ”

cwater

Глоба Л.І., Заїка С.А., Гвоздяк П.І., Кілочицький П.Я.,

Інститут колоїдної хімії та хімії води ім. А.В.Думанського НАН України,

Київський національний університет імені Тараса Шевченка

В очищенні води, забрудненої органічними речовинами, надзвичайно велика роль належить живим організмам, особливо, бактеріям (1-3). Проте, суттєвих успіхів в очистці води можна досягти за умови використання не лише бактерій, а максимально широкого кола гідробіонтів-очисників, починаючи з бактерій та водоростей, та закінчуючи хребетними (4), як це має місце в природних гідроценозах. Розглянемо деякі аспекти проблеми.

 

БІОЛОГІЧНІ АСПЕКТИ ЦІЛЕСПРЯМОВАНОГО ВИКОРИСТАННЯ ПРОЦЕСІВ САМООЧИЩЕННЯ ВОДИ

 

В зв’язку зі зростаючим тиском антропогенних забруднень на поверхневі водойми і, як наслідок, тенденцією до погіршення якості води цих джерел централізованого водопостачання, необхідність наукового обґрунтування управлінням процесами біологічної трансформації органічних речовин при очистці води стає все більш актуальною. Існуючі технології очистки води на сьогодні не задовольняють суспільних потреб ні в якісному, ні в кількісному аспектах. Назріла нагальна потреба у визначенні ключових проблем, рішення яких могло б привести до кардинального удосконалення цих технологій та підвищенню якості і кількості питної води за умови водопостачанні із забруднених джерел.

Крім дроб’янок в процесах самоочищення води приймає участь практично все живе населення гідроценозів – представники рослинного і тваринного царств. Суттєве значення у відновленні якості води мають представники тваринного царства, зокрема, певні групи безхребетних – вільноживучі водні одноклітинні (Protozoa) та дрібні багатоклітинні (Metazoa) – коловертки, нематоди, ракоподібні тощо.

Безхребетні викликають особливий інтерес через їх активну участь в трансформації речовин і енергії в гідроценозах, сприяючи біологічному очищенню води та відновленню її якості. Особлива їх роль в індустріальному очищенні води. Нами проведені попередні дослідження місця і ролі безхребетних як суб’єктів водоочисних бар’єрів. В першу чергу спостереження за гідробіоценозами показали надзвичайно велику різноманітність їх як в пластівцях активного мулу, так і в перифітоні, локалізованому на волокнистому носієві типу “ВІЯ” (5, 6].

Можна стверджувати, що в біореакторах очищення води за біомасою домінують бактерії. Суттєво меншою в цих специфічних гідроценозах є частка найпростіших та інших безхребетних, які формують трофічні ланцюги. Роль безхребетних в очищенні забрудненої води вивчена недостатньо. Зокрема, невідомо, які групи і види безхребетних найдоцільніше використовувати в індустріальних процесах відновлення якості води та які умови є оптимальними для досягнення при цьому високого рівня якості індустріального очищення води.

При отриманні питної води із поверхневих джерел технологи- практики стикаються з великими труднощами при звільненні її від органічних забруднювачів. Природні та антропогенні органічні забруднювачі сучасними фізико- хімічними методами вилучаються неефективно. Навіть обробка води мембранними способами, при яких ефективно вилучаються домішки, що зумовлюють забарвлення, та більша частина органічного вуглецю, не гарантують достатнього рівня очищення води від органіки, яка може бути асимільована живими істотами.

 

ХАРАКТЕРИСТИКА ЗООЛОГІЧНИХ ОБ’ЄКТІВ, ЗАДІЯНИХ В ПРОЦЕСАХ ОЧИСТКИ ВОДИ

 

Живі істоти, що входять до складу гідробіоценозів, є структурно-функціональною одиницею будь-якої водної екосистеми. Ця біологічна система обов’язково включає популяції дроб’янок, рослин і тварин, що заселяють певні біотопи. В ній співіснують деструктори (редуценти), продуценти і консументи. З усього загалу видового різноманіття компонентів гідробіоценозу не всі відіграють однакову роль в процесах очистки води через неоднакову щільність популяцій. За цим показником серед них виділяють домінантів, субдомінантів, адомінантів та випадково занесених у гідробіоценоз – випадкових (7).

Домінантність оцінюють за різними показниками: чисельністю, щільністю, біомасою, часткою енергії в трофічних ланцюгах тощо. Взаємовідносини гідробіонтів теж мають різний характер. В штучних екосистемах найчастіше спостерігається жорстка внутрівидова та міжвидова конкуренція за життєво необхідні ресурси. При формуванні трофічних ланцюгів має місце напружена конкуренція за джерела живлення (7).

Трофічні ланцюги в природних гідроценозах як правило дуже короткі і включають всього кілька ланок: мікрогорганізми (дроб’янки, водорості, гриби, найпростіші) – гіллястовусі раки – риби); мікроорганізми – коловертки – молодь гіллястовусих – веслоногі раки – риби-планктонофаги (7). В спорудах по очищенню води вони ще коротші.

 

ПРОБЛЕМИ СИСТЕМАТИКИ ТВАРИН, ЩО ПРИЙМАЮТЬ УЧАСТЬ В ОЧИЩЕННІ ВОДИ

 

Цілеспрямоване вивчення безхребетних – очисників води – як в природних водоймах, так і в очисних спорудах на території України проводилося фрагментарно. Розрізнені повідомлення в основному містять окремі дані про водних безхребетних, які вивчалися в плані фауністичних досліджень. Разам з тим актуальність вивчення тварин, які не лише мешкають у воді, а й можуть успішно використовуватися в біотехнології її індустріального очищення, не викликає сумнів. Системи очищення води за участі різноманітних гідробіонтів давно використовуються людством. Зокрема, вже в XIX столітті почали очищати воду промисловими способами, експлуатуючи поля фільтрації, а пізніше – поля зрошення та біологічні ставки. Вони і до цього часу використовуються, незважаючи на певні недоліки цих очисних споруд.

Процес штучного біологічного очищення води принципово не відрізняється від процесу її самоочищення в забруднених поверхневих водоймах. В обох випадках необхідно контролювати хід очищення і якість очищеної води. Враховуючи екологічні особливості різних груп безхребетних та їх внутрівидову мінливість, важливо, перш за все, дати вичерпну відповідь на питання: які саме види приймають безпосередню участь в очищенні води?

Оскільки для багатьох груп безхребетних на сьогодні на жаль не існує єдиної системи, при вивченні окремих таксонів доводиться користуватися роботами з систематики провідних вітчизняних та іноземних колег (5, 8, 10, 11).

Наведене вище стосується і систематики найпростіших – очисників води. З використанням сучасних молекулярно-генетичні даних, за минулі роки розроблено кілька систем найпростіших зокрема і протистів взагалі, а останній таксон набув рангу окремого царства. На жаль, це не призвело до формування чіткої і загальноприйнятої системи найпростіших. Нові дані продовжують надходити, кількість таксонів, їх ранги та перебудови таксономії в цій групі йдуть постійно. В даній роботі ми зупинилися на системі, запропонованій С.А.Карповим (10). Згідно неї ми виділяємо наступні таксони, представники яких приймають найбільшу участь в очищенні води – це типи: Euglenozoa, Rhizopoda, Ciliophora та Heliozoa.

В типі Euglenozoa на увагу заслуговують представники класів: Euglenoidea, Diplonemea та Kinetoplastidea. Представники першого класу були досить чисельними серед відібраних нами в очисних спорудах проб (6), але їх роль в очистці води є досить специфічною – масове розмноження цих міксотрофів спричинює “цвітіння” води, що супроводжується створенням анаеробних умов і відмиранням біомаси.

Слід зауважити, що на сьогодні відсутні технології, які б дозволяли ефективно вилучати з води токсини, які попадають туди після відмирання рослинних джгутиконосців в періоди масових “цвітінь”. Ця проблема особливо гостро стоїть в Україні, де через будівництво дамб з’явились величезні водосховища, що активно забруднюються в результаті людської діяльності і регулярно “цвітуть” через надходження у воду надмірної кількості органічних речовин і фосфатів. Регулярні літні цвітіння води негативно впливають на рибне господарство та централізоване питне водопостачання із поверхневих джерел.

До класу Kinetoplastidea входить велика група гетеротрофних джгутиконосців, зокрема, нами реєструвалися представники роду Bodo, які живляться мікробною фауною очисних споруд, очищуючи воду від забруднення.

Rhizopodа – це переважно бентосні та епіперифітонні організми. Вони очищають воду від забруднень, що осідають на дно, стінки очисних споруд та на волокнистих носіях типу “ВІЯ”. У воді, що була відібрана на Обухівській станції очищення стічних вод, представники цього типу переважали за чисельністю всіх інших найпростіших, разом узятих.

З нашої точки зору, суттєвий вплив на процеси біологічного очищення індустріальних вод здійснюють представники типу Сіlіорhora, живлячись бактеріями та водоростями, масове розмноження яких небажане в очисних спорудах (6).

Тип Heliozoa відокремили від типу Саркомастігофор недавно. В наших пробах ці найпростіші не реєструвалися, хоча є дані літератури про їх участь в очистці стічних вод.

Що стосується безхребетних з типів Nemathelmintes і Rotatoria, то практично в усіх прісноводних гідроценозах їх представники зустрічаються постійно. Їм належить надзвичайно важлива роль у відновленні якості води після того, як у водоймах зростає маса бактерій та найпростіших. Біомасу, представлену бактеріями, одноклітинними та колоніальними водоростями, а також рослинним та тваринним детритом, коловертки і круглі черви залучають до трофічних ланцюгів біологічних очисних споруд (5).

 

СУЧАСНІ ПРОБЛЕМИ ГІДРОЕКОЛОГІЇ ТА БіОКОНВЕЄРНІ ТЕХНОЛОГІЇ ВІДНОВЛЕННЯ ЯКОСТІ ВОДИ

 

Понад 100 років людство шукає шляхи та можливості для очищення забруднених стічних вод. Розроблені фізико-хімічні та біологічні способи очищення стоків. Але останні десятиліття ці способи не задовольняють людство, бо вони нездатні забезпечити ефективне та економічно раціональне очищення стічної води.

Найголовнішою причиною цього є те, що задіяні способи очистки розраховані переважно на побутові стоки. На сьогодні в побутові стоки скидаються індустріальні, які містять ксенобіотики, зокрема, іони важких металів, феноли, поверхнево активні речовини тощо. Ці токсичні речовини викликають спухання активного мулу біологічних очисних споруд, пінення стоків і винесення з потоком стічної води активного мулу, що очищає ці стоки. Все це спостерігається на більшості каналізаційних очисних споруд (9).

Ми переконані, що в ситуації, яка склалася, досягти успіху можна лише при використанні біоконвеєрних технологій (рис. 1), розроблених в Інституті колоїдної хімії та хімії води Національної академії наук України (4).

Рис 1. Біоконвеєр

Запропоновані нами нові прямоточні біотехнології очищення води – біоконвеєри базуються на послідовному використанні селекціонованих анаеробних і аеробних асоціацій бактерій; формуванні близьких до природних гідроценозів, які включають широкий спектр гідробіонтів – від найпростіших до слимаків, риб та вищих водних рослин.

В Інституті створено неперевершений за технологічними якостями волокнистий носій “ВІЯ” для іммобілізації мікроорганізмів і трофічного утримування інших гідробіонтів в очисних спорудах, що забезпечує бажану ступінь очищення будь-яких стічних чи природних вод.

Теоретичні основи біоконвеєра:

  • просторова сукцесія мікроорганізмів в очищенні води від розчинених в ній органічних речовин;
  • трофічний ланцюг гідробіонтів в очищенні води від завислих органічних речовин;
  • закон погіршення кожним організмом оточуючого його се­редовища.

Основні принципи біоконвеєра:

  • прямоточність води, яка очищується;
  • максимальна різноманітність гідробіонтів в очисних спорудах.

Переваги біоконвеєра:

  • здатність очищувати будь-які, навіть надзвичайно токсичні, води від різнорідних розчинених у воді органічних речовин та іонів важких металів;
  • можливість відновлення якості використаної води;
  • практична відсутність надлишкового мулу (біомаси), а тому немає проблем з біологічними осадами;
  • екологічна бездоганність;
  • економічна раціональність.

При очищенні побутових стічних вод біоконвеєри дають можливість:

  • збільшити продуктивність традиційних очисних споруд в 1,5-1,8 разів;
  • покращити якість очищеної води в 5-10 разів;
  • зменшити експлуатаційні енерговитрати в 3-4 рази;
  • відновити якість вживаної води до показників:
    • ХПК – 15. ..20 мг/дм3;
    • БПК – 2.3 мг/дм3;
    • Завислі речовини – до 2 мг/дм3.

При очищенні промислових стічних вод:

  • очищати будь-які, в тому числі гранично отруйні, стічні води від ксенобіотиків та інших органічних речовин, іонів важких металів до заданого ступеня чистоти.

При очищенні природних водойм, зокрема потоків, від нафтопродуктів:

  • збирати і розкладати (мінералізувати) нафтопродукти спеціально селекціонованими азотфіксуючими бактеріями, іммобілізованими на волокнистих носіях “ВІЯ”, прикріплених до плаваючих пристроїв, що швидко, легко і надійно монтуються і працюють в потібному місці водойми.

При боротьбі з біообростанням технологічного обладнання, що омивається водою:

  • замінити хімічну реагентну (біоцидну) обробку оборотних вод гранично дешевим, безреагентним, екологічно бездоганним біологічним методом запобігання біообростанню (наприклад, теплообмінників).

 

Біоконвеєрні технології Інституту захищені понад 90 авторськими свідоцтвами і патентами України та інших розвинутих країн, впроваджені на більш ніж 50 підприємствах хімічної, нафтопереробної, харчової, мікробіологічної промисловості та комунального господарства. В найближчі роки тільки за допомогою біоконвеєрної технології можна вирішити проблему захисту довкілля, зокрема, попередження забруднення поверхневих водойм стічними водами та забезпечення населення інфекційно менш небезпечною, хімічно менше шкідливою, біологічно більш повноцінною питною водою.

ЛІТЕРАТУРА:

  1. Ротмистров М.Н., Гвоздяк П.И., Ставская С.С. Микробная деструкция синтетических органических веществ. – Киев: Наук. думка, 1975. – 224 с.
  2. Ротмистров М.Н., Гвоздяк П.И., Ставская С.С. Микробиология очистки воды. – Киев: Наук. думка, 1978. – 268 с.
  3. Ставская С.С., Удод В.М., Таранова Л.А., Кривец И.А. Микробиологическая очистка воды от поверхностно-активных веществ. – Киев: Наук. думка, 1988. – 184 с.
  4. Гвоздяк П.І. За принципом біоконвеєра. Біотехнологія охорони довкілля // Вісник НАН України. – 2003. – № 3. – С. 29-36.
  5. Фауна аэротенков (Атлас). – Л.: Наука, 1984. – 264 с.
  6. Глоба Л.И., Килочицкий П.Я., Лукашов Д.В., Подобайло А.В., Сухой В.В., Хрокало Л.А. Видовое разнообразие и численность беспозвоночных при биологической очистке сточных вод // Химия и технология. – 2005. – Т. 27, № 5. – С. 505-513.
  7. Романенко В.Д. Основи гідроекології: підручник. – Київ: Обереги, 2001. – 728 с.
  8. Щербак Г.Й., Царичкова Д.Б., Вервес Ю.Г Зоологія безхребетних. У трьох книгах. – Кн.. 1. – Київ: Либідь, 1995. – 320 с.
  9. Гвоздяк П.І. Спухання активного мулу: хто винен і що робити? // Вода і водоочисні технології. – 2006. – № 3. – С. 38-44.
  10. Карпов С.А. Система простейших: история и современность. Учебное пособие для студентов биологов. – С.Пб.: “Тесса”, 2005. – 72 с.