Биоэлектронная система контроля токсикологической безопасности биологически очищенных сточных вод

Аннотация

Предложен комплексный подход к мониторингу качества сбрасываемых в Невскую губу биологически очищенных сточных вод Юго-Западных очистных сооружений филиала «Водоотведение Санкт-Петербурга» ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга». На примере Юго-Западных очистных сооружений продемонстрирована возможность создания биоэлектронных систем, позволяющих в режиме реального времени осуществлять максимально объективный мониторинг качества биологически очищенной сточной воды как среды обитания гидробионтов.

Ключевые слова

биологически очищенные сточные воды , биоиндикаторный метод , тесторганизм , биота , раки , частота сердечных сокращений , волоконнооптический фотоплетизмограф

{closed}

Скачать статью в журнальной верстке (PDF)

Самоочищение поверхностных вод происходит преимущественно в результате биологического круговорота органических веществ, включающего их создание, трансформацию и разрушение. Эти процессы осуществляются через трофические цепи водных экосистем. От эффективности самоочищающей способности природных экосистем зависит качество воды, поступающей на водозаборы водопроводных станций из источника централизованного питьевого водоснабжения. Городские Водоканалы являются крупнейшими региональными водопользователями, общий объем биологически очищенных сточных вод которых зачастую составляет значительную часть речного стока источника. В связи с этим одним из важнейших требований к качеству сбрасываемых биологически очищенных сточных вод является их пригодность в качестве среды обитания гидробионтов.

Юго-Западные очистные сооружения филиала «Водоотведение Санкт-Петербурга» ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга» ежедневно сбрасывают около 330 тыс. м³ биологически очищенных сточных вод в Невскую губу – водоем рыбохозяйственного назначения высшей категории. С учетом вышеизложенного это обстоятельство накладывает дополнительные требования к качеству очистки, а также к методам мониторинга и самоконтроля предприятия.

Специалистами Научно-исследовательского центра экологической безопасности РАН создана биоэлектронная система непрерывного контроля в реальном времени токсикологической безопасности биологически очищенных сточных вод. Эта система контроля может быть использована, в частности, в качестве информационной основы для автоматической системы непрерывной демонстрации заинтересованным государственным службам и населению объективной информации о безопасности сточных вод, сбрасываемых Юго-Западными очистными сооружениями ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга».

Концепция данной системы основана на том, что автоматический контроль качества биологически очищенных сточных вод, кроме инструментальных физико-химических методов анализа, включает использование биологических индикаторов. Это позволяет анализировать и контролировать не столько влияние изменения концентраций конкретных загрязняющих веществ на выбранные биологические организмы, сколько с помощью реакций последних учитывать синергизм действия многих факторов, изменяющих качество воды как среды обитания гидробионтов.

Как правило, организм животного-биоиндикатора оценивает одновременно несколько параметров среды, важных для его выживания [1]. Основное преимущество биоиндикаторного метода анализа перед физико-химическими заключается в том, что по реакциям живых организмов можно судить о полезности или вредности воздействия изменений химических характеристик воды как на уровне отдельного организма, так и на популяционном уровне. Биологические объекты реагируют на эти изменения, указывая (как направлением, так и величиной реакции) на его значение с точки зрения их выживания. Следовательно, в биологической реакции на изменение в среде присутствует обязательная обратная связь, показывающая отношение биологического организма-биоиндикатора к изменению количественных и качественных характеристик среды его обитания [2]. Именно это отношение и является прогностической оценкой качества воды для биоты.

Учитывая вышеизложенное, представляется целесообразным наряду с уже реализуемыми методами инструментального контроля качества воды в системах ее очистки использовать биоиндикаторные методы как средство более объективной оценки изменений качества воды с точки зрения влияния на жизнедеятельность водных животных [1].

Многочисленные исследования, проведенные с использованием разных представителей фауны, показывают, что водные животные чутко реагируют на изменение качества воды в естественных водоемах как на популяционном уровне – изменением видового разнообразия, биомассы гидробионтов, обитающих в водоеме, так и на организменном уровне – изменением поведения и функционального состояния жизненно важных систем [2].

Обоснование выбора тест-организмов и технических систем для организации биомониторинга биологически очищенных сточных вод в реальном времени

Животные, пригодные для биоиндикации качества компонентов окружающей среды, должны быть: чувствительными к изменению физико-химических факторов своей среды обитания; достаточно долгоживущими; многочисленными; хорошо изученными с точки зрения особенностей функционирования их жизнеобеспечивающих систем; удобными для применения экофизиологических методов оценки функционального состояния как отдельных особей, так и популяции по выборке ее представителей. Для мониторинговых исследований качества поверхностных вод этим требованиям удовлетворяют обычные речные раки, обитающие в природных пресноводных и даже в некоторых солоноводных эстуарных акваториях [3].

Как правило, водоемы Северо-Западных регионов России, в которых обитают речные раки, относятся к рыбохозяйственным водоемам высшей и первой категориям. В этих водных объектах обитают рыбы ценных промысловых пород и раки, особо чувствительные к химическому загрязнению среды и изменению ее физико-химических свойств. Раки чутко реагируют на появление в воде различных органических и минеральных примесей, повышение мутности воды, изменение рН и других характеристик, определяющих ее качество [4]. Замечено, что речные раки одними из первых исчезают из водоемов, которые подвергаются значительной антропогенной нагрузке.

Стенобионтность раков, значительная продолжительность жизни (некоторые виды живут до 20 лет), сравнительно небольшая подвижность их в рамках ареала, всеядность взрослых особей, а также хорошая изученность их биологических характеристик позволяют рассматривать популяцию речных раков как потенциальный биоиндикатор состояния водоемов, в которых они обитают. Однако речные раки не могут выдерживать температуру воды более 22–23°С, в то время как летом температура биологически очищенных сточных вод может подниматься до 32–35°С. На этот период в качестве тест-организмов можно использовать раков теплолюбивых видов.

В связи с этим авторами были проведены исследования возможности использования в качестве тест-организмов для биоиндикации биологически очищенных сточных вод красноклешневых австралийских раков Cherax Quadricarinatus. Существенным преимуществом этого вида раков, например перед Procambarus Clarcii, также толерантным к этим температурам, является их значительно больший размер. При искусственном разведении длина взрослых особей достигает 200 мм при максимальном весе более 500 г [5].

В естественных условиях раки Cherax Quadricarinatus населяют пруды, ирригационные водоемы, каналы, реки и мелкие ручьи, часто весьма эвтрофные. Живут в многочисленных ямах на дне, там же охотятся и прячутся во время линьки. Вид устойчив к температурному диапазону от 23 до 31 °С. Экстремальные температурные границы выживания достаточно широки – от 10 до 36 °С. Рак всеяден, но хорошо развивается на растительной пище [5]. Несмотря на толерантность раков к изменению абиотических факторов в широких диапазонах и способности выживать в эвтрофных водоемах с высоким содержанием нитратов, многие исследователи отмечают высокую чувствительность этого вида к токсическим веществам, особенно к тяжелым металлам.

Высокая чувствительность пресноводных австралийских раков к тяжелым металлам (Сu, Zn) показана в работе [6]. Ранг значений бионакопления тяжелых металлов для Cherax Quadricarinatus выглядит так: Zn > Cd > Cu. Существуют данные, свидетельствующие о высокой чувствительности их к Ni и Cu [7]. Средняя летальная доза ЛД₅₀ (96 часов) для ювенильных особей австралийских раков составляет: Cd – 379 мкг/дм³, Cu – 494 мкг/дм³, Fe – 50 мг/дм³ [8]. Поскольку раки, будучи бентосными гидробионтами, постоянно находятся в контакте с осадками (где обычно накапливаются тяжелые металлы), они уже потенциально могут быть выбраны в качестве биоиндикаторов. Высокая чувствительность к тяжелым металлам позволяет считать раков почти идеальным биоиндикатором загрязнения водной среды тяжелыми металлами.

Исходя из вышеизложенного, авторами был сделан вывод, что теплолюбивые красноклешневые раки являются наиболее подходящими тест-организмами для оценки качества биологически очищенных сточных вод в теплое время года. В связи с этим была налажена технология длительного содержания и культивирования раков Cherax Quadricarinatus, получено четыре генерации потомства.

Частоту сердечных сокращений раков определяли неинвазивной регистрацией изменения объема периодически сокращающегося сердца (запись фотоплетизмограммы) с помощью волоконно-оптического фотоплетизмографа [9]. Созданная биоэлектронная система позволяет исследовать хронотропные характеристики сердечных сокращений одновременно у шести животных.

В целом система измерения и методика анализа кардиоактивности раков были аналогичны описанным в работах [10–12]. О функциональном состоянии раков судили по динамике изменения частоты сердечных сокращений и стресс-индекса (SI).

В ходе предварительных систематических исследований фоновой кардиоактивности раков Cherax Quadricarinatus было установлено, что после первичной акклимации кардиоактивность здоровых раков-самцов характеризуется наличием околосуточного (циркадианного) ритма, степень и особенности проявления которого зависят от режима освещенности, уровня адаптации и стадии линочного процесса. Циркадианные циклы представляют собой периодические изменения частоты сердечных сокращений животного в течение суток. Увеличение частоты сердечных сокращений в ночной период отражает особенности поведения раков, связанные с их сумеречной активностью. Установлено также, что реакции австралийских раков на изменение различных факторов среды, отражающиеся на показателях кардиоктивности, аналогичны таковым у речных раков, успешно используемых в настоящее время на станциях производственного биологического мониторинга качества воды на водозаборных сооружениях водопроводных станций.

На основании результатов многочисленных исследований, речные раки отнесены к достаточно чувствительным к загрязнению воды организмам. Так, обобщая сведения по чувствительности раков к различного рода токсическим веществам, авторы работы [13] привели сравнительные данные по токсичности инсектицидов (25 токсикантов), гербицидов (27), фунгицидов (11), карбамидов (16), а также фосфорорганических (17) и хлорорганических (17) соединений. Сравнивались животные в стационарных и проточных системах на ранних, ювенильных и взрослых стадиях развития.

После приведения литературных данных к сравнимым по оценке значениям токсичности (от 1 до 8, где 1 – исключительно токсичный, а 8 – почти не токсичный) определено, что раки на ранних стадиях развития в 3 раза чувствительнее к токсикантам, чем ювенильные особи, а ювенильные чувствительнее, чем взрослые, в 4 раза. Тест ЛД₅₀ при 24-часовой экспозиции работает на 40%, при 36 ч – на 53%, при 48 ч – на 67%, при 72 ч – на 88%. Значения токсичности в проточных условиях приводимы к значениям токсичности в стационарных условиях с помощью коэффициента 1,85. Чувствительность раков для инсектицидов по рангу токсичности соответствует 2, для гербицидов – 3, для фунгицидов – 4. Следовательно, наиболее токсичны инсектициды. Из химических групп наиболее токсичными для раков являются фосфорорганические и хлорорганические вещества. Их индекс токсичности распределен в пределах от 1 до 6, при этом смертельная концентрация веществ, содержащих хлорорганические группы, составляет 350 мг/дм³, фосфорорганические группы – 352 мг/дм³. Индекс токсичности карбамидных групп находится в пределах 3–7.

Таким образом, обладая панцирем, будучи долгоживущими, имея достаточно большие размеры, а также развитые органы чувств и нервную систему, раки являются удобным объектом для использования в качестве тест-организмов в системах биомониторинга и биоиндикации качества воды как среды обитания гидробионтов.

Измерительная система на основе станции производственного биомониторинга качества сточных вод может быть использована в качестве:

информационной основы для автоматической системы непрерывной демонстрации (с помощью специального табло и/или Интернета) объективной информации о безопасности сбрасываемых в Невскую губу биологически очищенных сточных вод;
оперативной информационно-измерительной системы для подготовки принятия решений по своевременной корректировке технологических режимов обработки сточных вод;
инструментального средства накопления и архивации объективных данных, указывающих на необязательность применения нормативных требований к качеству биологически очищенных сточных вод как по номенклатуре, так и по уровню содержания загрязняющих веществ.

Станция производственного биологического мониторинга качества сточных вод включает в себя:

шесть аквариумов для индивидуального содержания речных раков с системой регистрации и анализа их кардиоритма в режиме реального времени (информация о функциональном состоянии организма раков выводится на мониторы дежурного персонала диспетчерских служб очистных сооружений и в зависимости от состояния раков сопровождается тем или иным цветовым и звуковым сигналом);
аквариум для содержания рыб, за состоянием которых с помощью веб-камеры в автоматическом режиме ведется круглосуточное видеонаблюдение (информация о нормальном перемещении или гибели рыб передается на мониторы дежурного персонала диспетчерских служб очистных сооружений с соответствующим цветовым сигналом).

Автоматическая станция непрерывного экологического мониторинга качества воды АСНЭМ-3 работает в составе станции производственного биомониторинга качества сточных вод, установленной в цехе УФ-обработки биологически очищенных сточных вод Юго-Западных очистных сооружений. В режиме реального времени станция АСНЭМ-3 передает информацию о качестве воды в аквариумах с тест-организмами в диспетчерскую службу. Регистрируются следующие показатели: температура воды; акустический шум и вибрация; электропроводность воды; рН воды; концентрация аммонийного азота; концентрация нитрат-ионов; концентрация хлорид-ионов; оптическая плотность воды на длине волны 254 нм; мутность воды (в единицах ЕМФ).

Функциональное назначение станции АСНЭМ-3 состоит в автоматическом поиске причин ложного срабатывания станции производственного биомониторинга качества сточных вод. Ложное срабатывание связано с возможным быстрым изменением качественных показателей биологически очищенных сточных вод и/или с возникновением физических неполадок в работе системы станции биомониторинга (повышение температуры в аквариуме вследствие загрязнения канала регистрации, возникновение стрессового состояния животных-биоиндикаторов из-за повышенного шума или вибрации). На основании информации, получаемой от станции АСНЭМ-3, проводится анализ причин появления повышенных значений стресс-индекса раков и/или гибели рыб. С учетом этого генерируется результирующий сигнал оповещения на мониторе станции производственного биомониторинга качества сточных вод в диспетчерской службе очистных сооружений.

Оценка дежурным персоналом диспетчерской службы текущего состояния, отсутствия или наличия фактов резких и значительных изменений уровня биологической опасности сбрасываемых в Невскую губу биологически очищенных сточных вод проводится на основании результатов автоматической обработки и анализа в реальном времени динамики изменения характеристик кардиоактивности раков и характеристик подвижности рыб, используемых в качестве тест-организмов. При этом учитывается также реальная динамика изменения температуры воды, воздуха и интенсивности шума (биологически значимые факторы, неконтролируемое изменение которых приведет к тем же проявлениям, как и при значительном «залповом» загрязнении биологически очищенных сточных вод).

Для наглядности представления формируются как индивидуальные (по отдельным тест-организмам), так и интегральные индикаторные качественные показатели изменения степени загрязненности (система «светофор»: красный – признак аварийности, желтый – наличие признаков угрозы, синий – признак ограничений в работе технических систем, зеленый – признак отсутствия указанных выше проявлений). Система «светофор» аналогична системе, подробно описанной в работах [10–12].

Штатный режим работы станции производственного биомониторинга качества сточных вод устанавливается при зеленом цветовом сигнале монитора в диспетчерской службе Юго-Западных очистных сооружений, при этом звуковой сигнал отсутствует.

Опыт производственной эксплуатации (в течение двух лет) созданной системы непрерывного контроля в реальном времени токсикологической безопасности биологически очищенных сточных вод, сбрасываемых Юго-Западными очистными сооружениями ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга» в Невскую губу, показал следующее. За весь период эксплуатации не было зарегистрировано острой токсичности сточных вод и накопления отрицательного биологического воздействия на тест-организмы каких-либо токсикантов при непрерывном воздействии на них даже неразбавленных биологически очищенных сточных вод.

Выводы

Биоэлектронная система мониторинга сточных вод полностью отвечает критерию ведомственной «независимости» и может быть использована, в частности, в качестве информационной основы для автоматической системы непрерывной демонстрации максимально объективной информации об экологической безопасности сбрасываемых в Невскую губу биологически очищенных сточных вод.

Рассмотренный оригинальный инновационный проект может стать основой для внедрения в отечественную практику системы интегрального биологического мониторинга биологически очищенных сточных вод как среды обитания водных организмов водоемов (или водотоков) – приемников городских сточных вод. Однако для этого необходимо в ближайшие годы решить подробно рассмотренные в работе [14] проблемы, сдерживающие развитие метрологического обеспечения биоэлектронных методов. Это позволит значительно ускорить создание экологически обоснованной нормативной базы оценки состояния качества поверхностных вод как среды обитания гидробионтов.

Список цитируемой литературы

Холодкевич С. В. Биоэлектронный мониторинг уровня токсичности природных и сточных вод в реальном времени // Экологическая химия. 2007. № 16 (4).
Зайцева О. В., Ковалев В. В., Шувалова И. Е. Современное биотестирование вод, требования к тесторганизмам и тестфункциям с позиций сравнительной физиологии и физиологии адаптационных процессов // Журнал эволюционной биохимии и физиологии. 1994. Т. 30. № 4.
Холодкевич С. В., Федотов В. П., Шумилова Т. Е. Роль речного рака в пресноводной экосистеме / Методологические основы экологической безопасности. – СПб: ВВМ, 2008.
Цукерзис Я. М. Речные раки. – Вильнюс: Мокслас, 1989.
Лагуткина Л. Ю., Пономарев С. В. Новый объект тепловодной аквакультуры – австралийский красноклешневой рак (Cherax Quadricarinatus) // Вестник АГТУ. 2008. № 6 (47).
Anderson R. V., Vinikour W. S., Brower J. E. The distribution of Cd, Cu, Pb and Zn in the biota of two freshwater sites with different trace metal inputs // Holarctic Ecology. 1978. № 1.
Nakayama S., Ikenaka Y., Muzandu K., et al. Heavy metal accumulation in lake sediments, fish (Oreochromis Niloticus and Serranochromis Thumbergi), and crayfish (Cherax Quadricarinatus) in Lake Itezhitezhi and Lake Kariba, Zambia // Arch. Environ. Contam. Toxicol. 2010. № 59 (2).
Khan S., Nugegoda D. Sensitivity of juvenile freshwater crayfish Cherax Destructor (Decapoda: Parastacidae) to trace metals // Ecotoxicol. Environ. Saf. 2007. № 68 (3).
Пат. 2308720 C1, РФ. МПК G 01 N 33/18 (2006.01); G 01 N 21/17 (2006.01). Способ биологического мониторинга окружающей среды (варианты) и система для его осуществления / Холодкевич С. В., Иванов А. В., Корниенко Е. Л., Куракин А. С. // Изобретения. Полезные модели. 2007. № 29.
Махнев П. П., Бекренев А. В., Бакланов В. С. и др. Система обеспечения безопасности водоснабжения на водопроводных станциях Санкт-Петербурга // Водоснабжение и сан. техника. 2006. № 9, ч. 1.
Кармазинов Ф. В., Кинебас А. К., Бекренев А. В. и др. Опыт эксплуатации систем биомониторинга качества воды в Санкт-Петербурге // Водоснабжение и сан. техника. 2007. № 7, ч. 2.
Мельник Е. А., Нефедова Е. Д., Гвоздев В. А. и др. Повышение обнаружительной способности и надежности биоэлектронных систем станций производственного биологического мониторинга качества воды ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга» путем их модернизации // Водоснабжение и сан. техника. 2012. № 1.
Eversole A. G., Seller B. C. Comparison of relative crayfish toxicity values // Freshwater Crayfish. 1997. V. 11.
Холодкевич С. В., Иванов А. В., Корниенко Е. Л. и др. Биоэлектронный мониторинг поверхностных вод // Мир измерений. 2011. № 10.