Введение к работе
Актуальность работы. Большое количество современных исследований, связанных с высокой токсичностью металлов в водной среде, направлено на изучение влияния ионов металлов на устойчивость организмов, в том числе микроорганизмов. Результаты подобных исследований являются основой для разработки методов биологического мониторинга объектов природных и техногенных сред, дополняющих другие методы экологического мониторинга. При этом следует отметить, что комбинирование физико-химических и биологических (биохимических) подходов позволяют получить более полную картину о состоянии окружающей среды.
Применительно к экологическим биотехнологиям водоотведения результаты биотестирования состава и загрязненности сточных вод, а также биоиндикации процессов их очистки являются важнейшими условиями для обеспечения высокой эффективности и надежной эксплуатации биологических очистных сооружений. Приоритетным направлением исследований в области биомониторинга процесса очистки сточных вод, содержащих ионы металлов, является выявление закономерностей реакции биотест-систем и индикаторных организмов на присутствие металлов в различных концентрациях индивидуально, а также в смесях друг с другом.
Кроме того, определение величин параметров процесса биоочистки сточных вод, таких как ингибирование металлами гидробионтов в водной среде, лимитирование другими компонентами сточных вод как субстратов для микроорганизмов микробных сообществ позволит обеспечить полноценную промышленную реализацию биотехнологии очистки сточных вод.
Таким образом, исследования, направленные на применение различных биотест-систем, а также анализ микробных сообществ очистных сооружений в целях биоиндикации процесса очистки химически загрязненных сточных вод, являются актуальными.
Работа выполнена по грантам Программы поддержки научных исследований и образования «Алгарыш» Правительства Республики Татарстан (2010 год) и Программы развития Казанского национального исследовательского технологического университета по плану стажировки в университете г. Карлсруэ и в лаборатории очистных сооружений завода грузовых автомобилей Daimler AG г. Вёрт-на-Рейне, Германия в 2011 году.
Цель работы состояла в получении новых экспериментальных данных по биотестированию водных сред и оценке процессов биоиндикации сточных вод, содержащих ионы никеля (II) и хрома (VI), с характеристикой микробного сообщества активного ила и биопленки в системах биологической очистки металлсодержащих сточных вод промышленных предприятий.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
оценить токсическое воздействие ионов Ni2+ и Cr6+ на биотест-объекты Paramecium caudatum, Daphnia magna и Сeriodaphnia affinis;
исследовать влияние различных концентраций ионов никеля (II) и хрома (VI) индивидуально, а также в условиях их совместного присутствия в среде на окислительно-восстановительные процессы микробиоценоза активного ила;
по результатам микроскопического контроля оценить биоразнообразие микрофлоры биопленки методом биоиндикации в процессе очистки сточных вод;
охарактеризовать распределение микроорганизмов биопленки, участвующих в процессах биотрансформации соединений азота в процессе биофильтрации, с их идентификацией методом флуоресцентной in situ гибридизации (FISH);
на основании данных биологического контроля процесса очистки сточных вод выработать рекомендации по проведению процесса биообезвреживания металлсодержащих стоков промышленных предприятий;
провести эколого-экономическую оценку вклада биологических очистных сооружений в снижение загрязнения окружающей среды химически загрязненными сточными водами.
Научная новизна работы. Экспериментально получен ряд чувствительности биотест-объектов Paramecium caudatum, Daphnia magna и Сeriodaphnia affinis к содержанию ионов Ni2+ в концентрации 0,1 мг/дм3 (Paramecium caudatum < Daphnia magna < Сeriodaphnia affinis)
Выявлены закономерности сочетанного действия ионов Ni (II) и Cr (VI) в водной среде в различных соотношениях на активность дегидрогеназ микроорганизмов активного ила. При этом показано, что присутствие исследованных ионов металлов в среде в концентрациях до 1 мг/дм3 может приводить к стимулированию ферментативной активности микробных клеток.
Проведен мониторинг состояния микробного сообщества биопленок промышленных биофильтров. В процессе качественного и количественного анализа индикаторных организмов биопленки количественно оценено лимитирование по органическим веществам процесса биологической очистки сточных вод.
В условиях биофильтрации никельсодержащих промышленных стоков методом флуоресцентной in situ гибридизации охарактеризовано пространственное распределение микроорганизмов, участвующих в процессах биотрансформации соединений углерода и азота в каскаде двух промышленных биофильтров.
Практическая значимость. Полученные результаты используются для мониторинга процесса очистки сточных вод на заводе грузовых автомобилей Daimler AG в г. Вёрт-на-Рейне, Германия, а также на ОАО «Казанский оптико-механический завод» с целью оперативного обнаружения и предотвращения нарушений технологического регламента при эксплуатации биологических очистных сооружений.
По результатам биоиндикации во избежание ингибирования процессов биотрансформации загрязняющих веществ процесса очистки сточных вод даны рекомендации по нормам содержания исследованных металлов и органических веществ в сточной воде завода грузовых автомобилей Daimler AG.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были доложены на XI - XIII Международных конференциях молодых ученых «Пищевых технологии и биотехнологии» (г. Казань, 2010- 2012), конкурсе студенческих научно-исследовательских работ «Жить в XXI веке» (г. Казань, 2011), на тематическом семинаре Института инженерной биологии и биотехнологий сточных вод Технологического института г. Карлсруэ (г. Карлсруэ, 2011), ежегодных научных сессиях Казанского национального исследовательского технологического университета (2011-2013 гг.), VI конкурсе проектов молодых ученых (г. Москва, 2012 г.).
Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 7 статьях в научно-технических журналах и сборниках, в том числе 4 – в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, а также в 9 тезисах докладов на конференциях различного уровня.
На защиту выносятся:
1. Оценка токсичности ионов Ni2+ и Cr6+ в модельных растворах веществ, используемых в промышленных производствах, для биотест-объектов – Paramecium caudatum, Daphnia magna и Ceriodaphnia affinis.
2. Анализ токсичности ионов Ni2+ и Cr6+ в составе модельных растворов сточных вод по отношению к агрегированной форме микроорганизмов – активному илу в процессах их культивирования с целью очистки сточных вод сточных вод.
3. Определение качественных и количественных соотношений индикаторных организмов микрофауны биопленки в процессе биофильтрации никельсодержащих сточных вод в зависимости от нагрузки по органическим веществам и содержанию никеля. Выявление лимитирующих факторов развития биопленки в исследованном процессе биофильтрации сточных вод.
4. Биоиндикация процесса очистки никельсодержащих сточных вод с анализом развития азоттрансформирующих микроорганизмов в промышленных биофильтрах.
5. Выработка рекомендаций по проведению промышленных процессов биофильтрации химически загрязненных сточных вод действующего предприятия.
Личный вклад автора состоит в постановке цели и задач исследований, выборе объектов и методов исследований, непосредственном участии в проведении основных экспериментов, систематизации и интерпретации полученных результатов, формулировании научных положений и выводов, написании статей и тезисов докладов.
Структура и объем диссертации. Работа изложена на 117 страницах машинописного текста, содержит 21 таблицу и 27 рисунков, состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованной литературы и приложения. Список литературы включает 130 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.
