Биотестирование окружающей среды

Зоны сапробности выделяют по различной степени разложения органического вещества. От чистого водоема к загрязненному увеличивается индекс сапробности водоема: ксеносапробные – 0–0,05→олигосапробные – 0,51 –1,50→бета-мезосапробные – 1,51 – 2,50→альфа-мезосапробные – 2,51 – 3,50→полисапроб- ные – 3,51 – 4,0. Индексы обозначаются греческими буквами κ → ο → β →  α → ρ.

Перечень видов-индикаторов с указанием принадлежности их к зонам сапробности имеется в методическом руководстве «Унифицированные методы исследования качества воды». Некоторые из них приводятся в таблице 3.

 

Таблица 3 – Организмы-индикаторы сапробности

 

Организмы	Зона сапробности (S)	Организмы	Зона сапробности (S)
Нитчатые бактерии		Инфузории
Beggiatoa sp.	ρ	Colpidium campylum	ρ
Thoithrix sp.	ρ	Colpidium colpoda	ρ
Грибы		Euplotes charon Opercularia coaretata	β α
Leptomitus lacteus	α	Paramecium caudatum	α
Mucor racemosus	α	Spirostomus ambiguum	α
Fusarium aquaeductum	ρ	Stentor coeruleus	α
Водоросли: синезеленые		Vorticella convallaria Vorticella microstoma	α ρ
Anabaena flos aquae	β	Podophrya fixa	α
Aphanizomenon flos aquae	β	Коловратки
Oscillatoria tenuis	α	Keratella cochlearis	β
Диатомовые		Keratella quadrata	β
Cymbella cesati	о	Rotaria rotatoria (syn. Rotifer vulgaris)	α
Melosira granulata	β	Олигохеты
Navicula apiculata	α	Tubifex tubifex	ρ
Евгленовые		Stylaria lacustris	β
Euglena viridis	ρ	Ракообразные
Euglena deses	α	Daphnia magna	α
Зеленые и протококковые		Leptodora Kindtii	o
Volvox globator	o-β	Astacus fluviatilts	o
Ulothrix zonata	o	Насекомые
Животные: амебы		Caenis macrura	o
Pelomyxa palustris	ρ	Heptgenia coerulana	β
		Chironomus Plumosus	ρ

 

Для количественного учета просматривают 50 полей зрения не менее чем на трех препаратах – стеклах обрастания. Число организмов оценивают по шкале частот после пересчета на 100 полей зрения соответственно категории крупности (таблица 4):

 

Таблица 4 – Шкала для пересчета организмов-сапробионтов в 100 полях зрения микроскопа на частоту встречаемости

 

Частота встречаемости в баллах	Сапробионты
1-я категория крупности
1	Не более 1 в каждом 2-м поле зрения
2	Не более 2 в поле зрения
3	Не более 10 в поле зрения
5	Не более 30 в поле зрения
7	Не более 60 в поле зрения
9	Более 60 в поле зрения
2-я категория крупности
1	Не более 1 в каждом 20-м поле зрения
2	Не более 1 в каждом 5-м поле зрения
3	Не более 1 в поле зрения
5	Не более 3 поле зрения
7	Не более 6 поле зрения
9	Более 6 в поле зрения
3-я категория крупности
1	1 в 100 полях зрения
2	1 в 50 полях зрения
3	Не более 1 в 10 полях зрения
5	Не более 1 в 4 полях зрения
7	Не более 1 в 2 полях зрения
9	Приблизительно 1 в поле зрения

 

1-я категория – организмы размером до 50 мкм;

2-я категория – 50–200 мкм;

3-я категория – 200– 1000 мкм.

Частоту встречаемости учитывают по общепринятой в биоиндикационных исследованиях девятибалльной шестиступенчатой шкале со следующими обозначениями: 1 – очень редко, 2 – редко, 3 – нередко, 5 – часто, 7 – очень часто, 9 – масса.

Для единообразия количественного учета и выражения данных в шкале сапробности можно результаты по просчету планктона и микробентоса выразить в значениях частоты встречаемости (таблица 5).

 

Таблица 5 – Шкала оценки качества воды по системе сапробности

 

Класс качества водоема	Характеристика воды	Индекс сапробности по Пантле и Буку
1	Очень чистая	<1,00
2	Чистая	1,00-1,50
3	Умеренно (слабо) загрязненная	1,51-2,50
4	Загрязненная	2,51-3,50
5	Грязная	3,51-4,00
6	Очень грязная	>4,00

 

Наиболее распространен способ определения сапробности водоема по методу Пантле и Бука. Данный метод позволяет сравнить состояние водоема в разных пунктах, например по продольному профилю реки, и представить результаты в цифровом и графическом виде.

Для оценки степени загрязнения водоема необходимо пользоваться средними данными, собранными в период наиболее критического состояния водоема. Например, наименьшая концентрация растворенного кислорода наблюдается летом или в период ледостава, температура наиболее высокая летом. По многим показателям наиболее неблагоприятные условия создаются зимой. Показатели в этот период и принимаются за основу при оценке степени загрязненности водоема [17].

 

3.2 Биологический анализ активного  ила

 

Биологический анализ активного ила имеет большое значение для оперативного контроля состояния процесса биологической очистки сточных вод. Простейшие индикаторные организмы хорошо реагируют на изменения условий существования: нагрузку на ил, обеспеченность кислородом, наличие токсичности, степень регенерации активного ила и т.п. Общее количество простейших и разнообразие видов меняются, кроме того, по сезонам года. В зимний период (температура воды 12 – 13 °С) наблюдается наибольшее количество простейших при сравнительно небольшом их разнообразии (9 – 11 видов). Летом (температура воды 23 – 25 °С) разнообразие видов наибольшее (свыше 15) при незначительном общем количестве простейших.

В связи со своеобразной экологической обстановкой в аэротенке все организмы активного ила можно рассматривать как показатели условий среды обитания, т. е. состава сточных вод и технологического режима их очистки. Следует отметить, что сигнал о «неблагополучии» на очистных сооружениях индикаторные организмы подают значительно раньше, чем изменяются данные гидрохимических анализов. Так, вспышка Gromia neglecta предупреждает о токсичности поступающих сточных вод за 10 – 15 дней до ухудшения состава очищенных вод.

Причины многочисленных отклонений от оптимального режима биологической очистки можно разделить на две большие группы. Первая группа – поступающие сточные воды неблагоприятны для биологической очистки: могут быть токсичными, несбалансированными по элементам питания (перегрузки или недогрузки, как по взвешенным веществам, так и по расходу сточных вод), неравномерно попадают на аэрационные сооружения. Вторая группа – нарушения эксплуатации очистных сооружений. К ним относятся: несвоевременная выгрузка осевшего ила в аэротенк, недостаточная аэрация активного ила в аэрационных сооружениях. Отклонения в режиме эксплуатации городских очистных сооружений или в составе поступающих сточных вод отражаются на численности биологических индикаторов активного ила. При ухудшении циркуляции ила сумма всех свободноживущих реснитчатых инфузорий превалирует над суммой прикрепленных ресничных инфузорий, найденных в активном иле. На напряженность в процессах циркуляции ила указывает равенство между суммой прикрепленных и свободноплавающих инфузорий. Увеличение численности мелких жгутиконосцев и мелких голых амеб свидетельствует об ухудшении режима аэрации. Сумма всех видов коловраток – показатель интенсивности процесса нитрификации; при отсутствии нитрификации коловратки в активном иле не обнаруживаются [12].

 

 

 

Таблица 6 – Использование индикаторных организмов активного ила для технологического контроля городских очистных сооружений

 

Изменение в технологическом режиме	Индикаторные организмы и признаки
Токсичные стоки	Actinophrye Gromia neglecta (численность превышает 2 млн на 1г сухого ила) Zooglea ramigera Цисты простейших Нитчатые водоросли, грибы
Нарушение циркуляции ила в системе	Положительный признак: (+) наличие прикрепленных инфузории Отрицательный признак: ( - ) наличие свободноплавающих  инфузорий
Нарушение аэрации	Мелкие жгутиконосцы Мелкие амебы
Изменение мелких нагрузок на ил	Изменение суммы бентоносных раковинных амеб
Продуктивность процессов нитрификации	Изменение суммы коловраток

 

Принцип предложенного в лабораторной работе метода – учет количества и состояния организмов-индикаторов по результатам микроскопирования активного ила. На основании этих характеристик делают заключение о состоянии активного ила и его способности к переработке загрязнений. Биологический анализ дополняет технологический контроль качества очистки и работы комплекса сооружений биологической очистки.

Пробы для анализа берут отдельно из каждого сооружения: аэротенка, регенератора, вторичного отстойника, биофильтра. Жидкую пробу, отобранную ковшом, переливают в широкогорлую банку, заполняют ее на половину объема и закрывают пробкой. Немедленно переносят в лабораторию и приступают к анализу не позднее чем через 20 – 30 мин с момента взятия пробы (в течение 1 – 2 ч пробу, не закрытую пробкой, можно хранить в холодильнике). Для отбора проб со дна сооружения из вторичного отстойника или из резервуара может быть применен батометр. Если его нет, используют склянку с пробкой, открывая ее на заданной глубине при помощи тросика, прикрепленного к пробке. Пробы с биофильтров отбирают скребком на разных глубинах загрузки. В лаборатории берут соскобы пленки с твердого субстрата и рассматривают под микроскопом. Тотчас после доставки проб из аэрационных сооружений в лабораторию отливают из каждой пробы 100 мл в цилиндр для определения объема ила через 30 мин отстаивания и дозы ила.

Обычно для фиксации препаратов применяют 40 % формалин. Можно использовать более сложные фиксаторы, например осмиевую кислоту, 1 % водный раствор. Пары осмиевой кислоты очень ядовиты, поэтому для приготовления раствора вскрытую ампулу сразу бросают в склянку и доливают отмеренное количество дистиллированной воды. Хранят в темной склянке с хорошо притертой пробкой и притертым колпачком.

По возможности для фиксации применяют жидкость Утермеле: в 20 мл дистиллированной воды с 5 г дважды сублимированного йода растворяют 10 г KI, добавляют 50 мл дистиллированной воды и 5 г уксусно-кислого натрия. Раствор хранят не более 1 месяца в склянке из темного стекла с притертой крышкой.

Для микроскопирования жгутиковых пригоден йод, 0,3 % водный раствор; для наркоза коловраток – сульфат никеля, 1 % водный раствор. Нейтральрот, водный раствор (1:800), применяют для микроскопирования простейших; глицерин – для микроскопирования червей и изготовления временных препаратов. Спирт этиловый 96 % является универсальным средством для фиксации организмов.

Основным методом анализа организмов активного ила (простейших, коловраток и др.) является микроскопирование в живом состоянии. В очищенной воде для сгущения пробы применяют центрифугирование, отстаивание или фильтрование через мембранный фильтр № 6 (размер пор 2–5 мкм). Каплю свежего ила наносят на стекло, покрывают покровным стеклом и просматривают под микроскопом. Рекомендуется просматривать до 10 – 15 капель. Кроме определения видов организмов отмечают физиологическое состояние организмов, структуру ила, наличие зооглеей, включение минеральных или органических частиц, мусора и т.д. При определении видов организмов надо детально рассмотреть их внутреннее строение, поэтому их делают неподвижными, применяя фиксацию или наркоз. Обычные фиксаторы (этиловый спирт, формалин) сильно деформируют простейших, поэтому применяют быстродействующий фиксатор – пары осмиевой кислоты. Чтобы зафиксировать препарат, на предметное стекло наносят маленькую каплю жидкости с простейшими, стекло быстро переворачивают каплей внутрь склянки с раствором осмиевой кислоты и выдерживают в течение нескольких секунд плотно прижатыми к горлышку склянки. Затем рассматривают препарат под покровным стеклом при большом увеличении. Жгутики флагеллят хорошо видны в жидкости Утермеле или в растворе йода. К покровному стеклу на границе с предметным прикладывают полоску фильтровальной бумаги, смоченной реактивом. Чтобы остановить или замедлить движение коловраток, употребляют растворы наркотических веществ, например сульфата никеля. Наиболее простым способом остановить движение коловраток является следующий. К капле воды с живыми коловратками на предметном стекле добавляют каплю глицерина, осторожно тщательно перемешивают концом препаровальной иглы и покрывают покровным стеклом. Остановить движение крупных инфузорий можно также подсушивая каплю, покрытую покровным стеклом, при температуре 40 – 45 °С.