Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,778

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ КАЧЕСТВА СТОЧНЫХ ВОД В ТЕСТАХ НА РАСТЕНИЯХ

Акатьева Т.Г. 1
1 ФГБОУ «Государственный аграрный университет Северного Зауралья»
Загрязнение пресных вод стало столь значительным, что вызывает тревогу во многих странах. В современных условиях природная вода участвует не только в естественном, но и в антропогенном круговороте. В антропогенном цикле вода из природного водоема используется в энергетике, промышленности, сельском хозяйстве, для питьевого водоснабжения, коммунально-бытовых нужд. Значительная часть воды после ее использования возвращается в водоем в виде городских и промышленных сточных вод. В результате интенсивного развития промышленного производства и роста населения значительно возрос объем промышленных и бытовых стоков. В результате в природных водах уменьшается количество растворённого кислорода, ухудшаются условия разложения органических веществ, которые интенсивно накапливаются, увеличиваются концентрации азота, фосфора, различных металлов, хлорорганических и других вредных соединений. Для изучения качества сточных вод были выбраны два предприятия: имеющее очистные сооружения и сбрасывающее стоки в городской коллектор без очистки. Компонентный состав стоков определяли химическим методом, влияние на злаковые растения – методом биотестирования. Для этого были использованы три зерновые культуры: ячмень Hordeum vulgare, овес Avena sativa L., пшеница Tríticum aestivum. В течение всего срока наблюдений растительные образцы периодически поливали сточными водами, регистрировали всхожесть семян и изменение морфологических показателей. Результаты химического анализа свидетельствуют о том, что качество сточных вод предприятия, имеющего очистные сооружения, соответствовало установленным требованиям, а стоки, не прошедшие предварительную очистку перед сбросом, содержали повышенные количества различных веществ. Данные проведенного биотестирования показали, что сточные воды не оказывали токсического действия на всхожесть злаковых культур, но изменяли ростовые характеристики злаков. Более значимыми эти изменения отмечались у растений, обрабатываемых неочищенными стоками.
очистные сооружения
сточные воды
загрязняющие вещества
тест-объекты
злаковые культуры
1. Бикбулатов Э.С. Биоэлементы и их трансформация в водных экосистемах. Рыбинск: Рыбинский дом печати, 2009. 289 с.
2. Акатьева Т.Г. Изучение качества сточных вод предприятия «Жилищно-коммунальное хозяйство п. Боровский» с помощью Daphnia magna Straus // Современная экология: образование, наука, практика. 2017. С. 278–282.
3. Влияние сточных вод на водоем и санитарные правила их спуска [Электронный ресурс]. URL: http://www.activestudy.info/vliyanie-stochnyx-vod-na-vodoem-i-sanitarnye-рravila-ix-spuska (дата обращения: 02.10.2018).
4. ГОСТ 31861-2012 Вода. Общие требования к отбору проб. М.: Стандартинформ, 2013. 32 с.
5. Государственный контроль качества воды. М.: Издательство стандартов, 2001. 209 с.
6. Водопользование (водопотребление и водоотведение): сборник нормативных документов. Екатеринбург: ИД «Урал Юр Издат», 2007. 304 с.
7. ПНД Ф 16.2.2:2.3.71-2011 Количественных химический анализ почв. Методика измерений массовых долей металлов в осадках сточных вод, донных отложениях, образцах растительного происхождения спектральными методами [Электронный ресурс]. URL: http://files.stroyinf.ru/Data2/1/4293793/4293793107.htm (дата обращения: 02.10.2018).
8. ПНД Ф 14.1:2:4.248-07 Количественный химический анализ вод. Методика измерений массовых концентраций ортофосфатов, полифосфатов и фосфора общего в пробах питьевых, природных и сточных вод, фотометрическим методом [Электронный ресурс]. URL: http://libnorm.ru/Files2/1/4293773/4293773265.htm (дата обращения: 02.10.2018).
9. Биологический контроль окружающей среды: биоиндикация и биотестирование / Ред. О.П. Мелехова, Е.И. Сарапульцева. М.: Издательский центр «Академия», 2010. 288 с.
Biological control of the environment: bioindication and biotesting / Ed. O.P. Melekhova, E.I. Sarapultseva. M.: Рublishing center «Academy», 2010. 288 p. (in Russian).
10. Зверев А.А., Зефиров Т.Л. Статистические методы в биологии: учебно-методическое пособие. Казань: КФУ, 2013. 42 с.
Zverev A.A., Zefirov T L. Statistical methods in biology: teaching manual. Kazan: KFU, 2013. 42 р. (in Russian).
11. Петухова Г.А., Акатьева Т.Г., Петухова Е.С., Артеменко С.В. Оценка токсического влияния поверхностных вод, загрязненных нефтью, в тестах на растениях и животных // Вестник Тюменского государственного университета. Экология и природопользование. 2010. № 7. С. 57–66.

В числе глобальных экологических проблем – сохранение чистоты природных водоемов занимает особое место. Неравномерность географического распределения источников пресной воды и подверженность их загрязнениям определяют существование критически острых ситуаций дефицита доброкачественной воды во многих регионах земного шара [1]. В настоящее время основным источником загрязнения водоемов, приводящим к ухудшению качества воды и нарушению нормальных условий жизнедеятельности гидробионтов, являются сбросы стоков промышленных и сельскохозяйственных предприятий, а также коммунально-бытовых служб. Источниками загрязнения признаются объекты, с которых осуществляется сброс или иное поступление в водоемы вредных веществ, ухудшающих качество поверхностных вод, ограничивающих их использование, а также негативное влияние на состояние дна и береговых водных объектов [2].

В реки и озера ежегодно поступают свыше 450 км3 стоков. Спуск неочищенных и необезвреженных сточных вод загрязняет и заражает естественные водоемы, лишает их значения как источников водоснабжения. 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 [3].

Цель исследования заключалась в изучении качества сточных вод некоторых предприятий г. Тюмени, осуществляющих очистку сточных вод и сбрасывающих образующиеся стоки без очистки.

Для этого были поставлены следующие задачи:

– проанализировать состав сточных вод предприятий;

– изучить токсичность стоков для злаковых культур;

– выявить чувствительную и устойчивую культуры;

– определить чувствительную тест-функцию растений.

Материалы и методы исследования

Для изучения компонентного состава сточных вод пробы отбирались с двух предприятий г. Тюмени: имеющего очистные сооружения и сбрасывающего производственные стоки без очистки, согласно ГОСТа [4], с последнего распределительного колодца. Отсюда сбрасываемые воды через городской коллектор попадают на канализационные очистные сооружения города для дополнительной очистки, и после этого производится сброс их в р. Туру. Качество сточных вод оценивали по результатам химического анализа и биотестирования.

При определении компонентного состава стоков использовались методики и методические указания, предназначенные для лабораторий и предприятий, осуществляющих производственный контроль, а также обеспечивающие государственный и ведомственный надзор за качеством сточных вод [5, 6]. При этом анализировали наличие приоритетных загрязняющих веществ. Например, содержание массовых концентраций железа, меди, никеля, и цинка в пробах сточных вод производили методом атомно-адсорбционной спектрометрии, который основан на измерении резонансного поглощения света свободными атомами определяемого элемента при прохождении света через атомный пар исследуемого образца образующийся в пламени [7]. Содержание металла в пробе рассчитывали по формуле

X = A•V1/V, (1)

где A – содержание металла в анализизируемой пробе воды, мг/дм3;

V1 – объем колбы, см3;

V – объем пробы анализируемой воды, см3.

Метод измерений массовой концентрации фосфатов основан на образовании в кислой среде молибдофосфорной кислоты, восстановлением её аскорбиновой кислотой в присутствии хлорида сурьмы и последующем измерении оптической плотности полученных растворов, окрашенных в синий цвет (молибденовой сини), при длине волны (880–890) нм [8]. Содержание фосфатов рассчитывали по формуле

akat01.wmf (2)

где С – концентрация фосфат-ионов, мг/дм3;

V – объем, взятый для анализа, см3.

Степень токсичности стоков оценивали методом биотестирования. Под биотестированием 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. Благодаря простоте, оперативности и доступности биотестирование получило широкое признание во всем мире и его чаще используют наряду с методами аналитической химии [9]. Преимуществом такого метода перед физико-химическими методами является интегральный характер ответных реакций организмов. В качестве тест-объектов были использованы три зерновые культуры: ячмень Hordeum vulgare, овес Avena sativa L., пшеница Triticum aestivum, которые, наряду с другими культурными растениями (кресс-салат, редис) широко используются в биологических исследованиях.

Для этого на дно чашек Петри помещали бумажные фильтры, увлажняли их исследуемой водой и равномерно распределяли зерна каждой культуры, по 20 штук в каждой из из трех повторностей В течение всего срока наблюдений (14 суток) образцы периодически поливали сточными и чистой (контроль) водами. В качестве контроля использовали водопроводную воду, предварительно отстоянную. На протяжении опыта отмечали всхожесть семян, по окончанию – измеряли длину корней и надземной части растений. Результаты эксперимента были обработаны методом вариационной статистики [10].

Результаты исследования и их обсуждение

Как показал анализ данных химического анализа, сточные воды, не прошедшие предварительную очистку, содержали повышенные количества тяжелых металлов (железо, медь, цинк) и фосфатов (средние значения за трехлетний период наблюдений) в сравнении с установленным нормативом (табл. 1). Наибольшие отличия от НДС отмечались по содержанию фосфатов, что, вероятно, связано с попаданием в сточные воды различных поверхностно-активных веществ, используемых в технологическом цикле предприятия.

Данные химического анализа стоков, прошедших этап очистки, характеризуются тем, что содержание определяемых компонентов не превышало установленных значений норматива (табл. 1). Это свидетельствует об эффективной работе очистных сооружений.

Сравнивая полученные результаты, можно заметить, что в очищенных стоках количество определяемых веществ существенно ниже, чем содержание их в сточных водах, не прошедших очистку. Так, например, более существенной разница была по количеству фосфатов и никеля: меньше в 3,1 и 3,4 раза соответственно. Аналогичная закономерность сохранялась и по содержанию других веществ.

Таким образом, установленные очистные сооружения на производственных предприятиях, уменьшают количество загрязняющих веществ в сточных водах, тем самым улучшая их качество. Вследствие этого природные водоемы не испытывают столь сильного негативного влияния.

Степень токсичности стоков оценивали методом биотестирования по всхожести и изменению морфологических показателей злаков.

Результаты исследований показали, что разница с контролем по всхожести овса, обрабатываемого очищенной сточной водой, составила 12 %, тогда как в опытах с использованием неочищенной сточной воды всхожесть растений была на уровне контроля. По длине корня различий с контрольными образцами практически не наблюдалось, а по длине надземной части – тенденция к стимуляции в обоих вариантах опыта (разница с контролем составляла 19 %) (табл. 2).

Таблица 1

Сравнение содержания химических веществ в сточных водах

Показатели

НДС, мг/дм3

Неочищенные сточные воды

Очищенные сточные воды

pH

6,0–8,0

7,6

7,58

Взвешенные вещества

120,0

73,0

60,0

Нефтепродукты

1,09

1,01

0,56

Железо общее

2,052

3,07

1,61

Медь

0,0718

0,084

0,042

Цинк

0,143

0,238

0,07

Никель

0,118

0,02

0,032

Свинец

0,108

0,05

0,045

Фосфаты

5,44

13,1

4,24

 

Таблица 2

Морфологические показатели (Х ± mх) овса Avena sativa

Показатели

Контроль

Сточная вода

очищенная

без очистки

Всхожесть, шт.

17,3 ± 1,5

15,3 ± 0,6

17,0 ± 1,0

Длина корня, мм

123,5 ± 11,7

122,7 ± 11,8

119,5 ± 4,6

Длина надземной части, мм

98,0 ± 14,3

116,7 ± 22,4

116,6 ± 23,8

 

Таблица 3

Морфологические показатели (Х ± mх) ячменя Hordeum sativum

Показатели

Контроль

Сточная вода

очищенная

без очистки

Всхожесть, шт.

17,3 ± 0,7

16,6 ± 0,7

13,0 ± 3,0

Длина корня, мм

94,8 ± 5,8

89,1 ± 13,1

85,7 ± 15

Длина надземной части, мм

97,9 ± 16,2

114,5 ± 12,1

97,5 ± 11,5

 

Таблица 4

Морфологические показатели (Х ± mх) пшеницы Тriticum aestivum

Показатели

Контроль

Сточная вода

очищенная

без очистки

Всхожесть, шт.

16,0 ± 0,0

17,6 ± 0,4

17,3 ± 0,7

Длина корня, мм

92,4 ± 20,6

108,2 ± 15,5

107,0 ± 5,4

Длина надземной части, мм

117,5 ± 11,8

119,5 ± 11

120,4 ± 16,3

 

akat1.wmf

Показатели растений, обработанных водой без очистки ( % к значениям растений, обработанных очищенной сточной водой)

Изучение действия сточных вод на ячмень показало, что всхожесть злаков в варианте опыта с очищенной сточной водой практически не отличалась от контрольных значений, тогда как при влиянии неочищенных стоков эта разница составляла 24,9 %. По длине корня растений существенных отклонений от контроля не наблюдалось. В то же время по длине надземной части всходов в варианте с очищенной сточной водой отмечалась явная стимуляция: разница с контролем составила 17 %. В опыте с водой без очистки этот показатель был на уровне контрольных значений (табл. 3).

В опытах со сточной водой обоих заводов биотестирование определило стимуляцию по всхожести и длине корня пшеницы: различия со значениями в контроле составили 12–15 и 17 % соответственно. По длине побега различий с контрольными растениями практически не наблюдалось (табл. 4).

Наблюдаемый эффект, вероятно, связан с действием присутствующих в стоках тяжелых металлов (меди, цинка, железа, никеля), которые на первоначальном этапе стимулируют рост и развитие злаков, а по мере накопления отмечается угнетающее действие на растения [11].

Таким образом, в результате проведенных исследований сравнение действия сточных вод на растения показало их неоднозначное влияние: одни культуры испытывали угнетающее действие неочищенных стоков, у других учитываемые показатели были на уровне таковых с растениями, обрабатываемыми очищенной сточной водой.

Так, например, у овса всхожесть семян в варианте опыта с водой без очистки превышала таковой показатель растений из опыта с очищенной водой на 11 %. Другие тест-функции практически не отличались. Сравнение результатов экспериментов с другими культурами (ячмень, пшеница) свидетельствовали о более значимых отличиях учитываемых показателей злаков. Наиболее существенно они отмечались по длине побега и всхожести ячменя: разница в вариантах опыта составила 14,8–21,7 % соответственно. У пшеницы отличий по вариантам опытов не выявлено (рисунок).

Как видим, результаты биотестирования свидетельствуют о том, что в течение эксперимента действие сточных вод на злаки вызывало как некоторый стимулирующий, так и угнетающий эффект.

Данные результатов биотестирования позволили выявить устойчивую и чувствительную культуры. Так, наиболее чувствительным оказался ячмень обыкновенный: по длине надземной части разница с контрольным уровнем составляла 14,8 %, тогда как у других культур по данному показателю отличий не наблюдалось.

Наиболее устойчивым злаком определен овес посевной: всхожесть растений даже превышала контрольный уровень, а морфологические показатели не отличались от таковых в контроле. Более чувствительной тест-функцией можно назвать всхожесть семян: у ячменя она была ниже (вариант с неочищенными стоками), чем у контрольных растений, на 25 %.

Выводы

1. Результаты химического анализа свидетельствуют о том, что за весь период наблюдений в сточных водах без очистки отмечалось превышение нормативов по содержанию железа, меди, цинка, сульфатов в 1,17–2,4 раза. Качество сточных вод, прошедших очистку, за исследованный период оставалось удовлетворительным: содержание веществ не превышало установленных нормативов, что указывает на эффективную работу очистных сооружений.

2. Результаты биотестирования показали, что сточные воды обоих предприятий оказывали острое токсическое действие на злаковые культуры, проявляющееся в снижении всхожести семян в опытных вариантах на 15–25 % относительно контроля. При более длительном воздействии отмечались изменения морфологических показателей – длины корня и длины надземной части.

3. По данным биотестирования определены чувствительная (ячмень обыкновенный) и устойчивая (овес посевной) культуры. Более чувствительной тест-функцией оказалась всхожесть семян: у ячменя она была ниже (вариант с неочищенными стоками), чем у контрольных растений, на 25 %.


Библиографическая ссылка

Акатьева Т.Г. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ КАЧЕСТВА СТОЧНЫХ ВОД В ТЕСТАХ НА РАСТЕНИЯХ // Успехи современного естествознания. – 2018. – № 11-1. – С. 7-11;
URL: http://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=36897 (дата обращения: 28.05.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074