Ингибирование микроорганизмов на сооружениях биологической очистки

Москва
Лаборатория знаний

Электронное издание

2020

Ингибирование
микроорганизмов

Л. О. Никифорова

на сооружениях
биологической
очистки

УДК 628.543
ББК 38.761.2
Н62

Никифорова Л. О.
Н62
Ингибирование
микроорганизмов
на
сооружениях
биологической
очистки
/
Л. О. Никифорова. — Электрон. изд. — М. : Лаборатория знаний, 2020. — 113 с. —
Систем. требования: Adobe Reader XI ; экран 10". — Загл.
с титул. экрана. — Текст : электронный.
ISBN 978-5-00101-889-6
В научной монографии рассмотрены основные классы соединений, ингибирующих биохимические процессы в аэрационных
сооружениях. Показаны интервалы концентраций тяжелых металлов и биогенных соединений, не вызывающих ингибирования
активного ила в аэротенках. Проведено сравнение эффективности удаления соединений фосфора на различных сооружениях
биологической очистки.
Для инженеров-технологов станций биологической очистки,
проектировщиков очистных сооружений, проводящих расчеты
и
составляющих
технологические
обоснования
схем
очистки
сточных
вод
на
промышленных
предприятиях,
а
также
для
преподавателей и студентов вузов экологического направления.
УДК 628.543
ББК 38.761.2

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений,
установленных
техническими
средствами
защиты
авторских
прав,
правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков
или выплаты компенсации

ISBN 978-5-00101-889-6
c○ Лаборатория знаний, 2020

2

ВВЕДЕНИЕ

Последние десятилетия характеризуются резким усилением антропогенной нагрузки на водоемы и водотоки [1]. В результате возросшей 
антропогенной нагрузки на прибрежные экосистемы происходит деградация фитоценозов сублиторали, сопровождающаяся сменой видового 
состава, изменением соотношения в сообществах бентосных красных, 
бурых и зеленых водорослей и смещением границ их произрастания в 
сторону средней зоны сублиторали. 
Прогрессирующее ухудшение качества водной среды представляет угрозу экологической, продовольственной и национальной безопасности страны. Широкий размах деградационных процессов, происходящих в гидросфере, приводит к различным по своей природе 
событиям и явлениям. К ним можно отнести разрушение структурнофункциональной организации водных экосистем, снижение водохозяйственного, рыбохозяйственного и рекреационного потенциалов 
водных объектов. Различны и причины, обусловливающие антропогенную деградацию водных объектов: загрязнение, эвтрофирование, 
изменение гидрологического режима водных систем, строительство 
и эксплуатация гидротехнических сооружений, нерациональное использование водных ресурсов.
С развитием промышленности усиливается загрязнение открытых 
водоемов сточными водами, содержащими токсичные вещества и, 
в частности, соединения тяжелых металлов. При этом особо опасными 
оказываются загрязнения тяжелыми металлами-поллютантами, поступающими в гидросферу многими путями. 
К тяжелым металлам относятся более 40 х имических элементов периодической системы Д. И. Менделеева, масса атомов которых превышает 50 атомных единиц. Среди них свинец, цинк, кадмий, ртуть, молибден, хром, марганец, никель, олово, кобальт, титан, медь, ванадий 
и др. По токсичности тяжелые металлы располагаются в следующей 
последовательности: ртуть, серебро, медь, кадмий, цинк, свинец, хром, 
никель, кобальт [2, 3]. 
Тяжелые металлы подавляют жизнедеятельность всех высших и низших организмов, блокируя ферментные системы, нарушая целостность 
клеточных стенок. По данным M. Marier и M. Takino для зоопланктона 
и рыб токсичны следующие концентрации (мг/дм3): Cu — 0,05–0,09; 
Pb — 0,05–0,1; Ni — 0,03–0,04; Zn — 0,06–0,3; Al — 1,49–0,2; Cd — 
0,02–0,03 [4]. Опасность эта связана с тем, что циркулируя длительное 
время, они в итоге аккумулируются в гидробионтах преимущественно 
в начальных звеньях трофических цепей.

Введение

Антропогенное поступление тяжелых металлов в водоемы нарушает два сбалансированных процесса: аккумуляцию в донных осадках 
и десорбцию, как химическим путем, так и за счет трансформации 
металлов, переведенных в подвижные формы микроорганизмами [5]. 
Микробиологическим сообществам принадлежит определяющая роль 
в диагенезе осадочных пород [6]. Тяжелые металлы активно извлекаются фитопланктоном и зоопланктоном. Потребление металлов 
планктонными и бентосными формами определяет их миграцию по 
пищевым цепям и, в конечном итоге, содержание тяжелых металлов 
в промысловых организмах.
Схема общей миграции металлов в водоеме позволяет выделить отдельные структуры, каждая из которых имеет более или менее самостоятельное значение [7]. Первая структура: «металл в растворенной форме — металл во взвешенной форме — металл в донных отложениях». 
Вторая структура: «металл в растворенной форме — металл, связанный 
фитопланктоном — металл во взвешенной форме»; она определяется в 
основном функционированием фитопланктона. Аналогичным образом 
можно выделить структуру миграции, связанную с зоопланктоном и 
бентическими организмами. 
Большинство токсичных соединений отрицательно действуют на 
биологическое равновесие в водоеме и на процессы самоочищения. 
Попадая в водоем, они изменяют количество и качество кормовых организмов, нарушают равновесие, тесно связанное с жизнедеятельностью одноклеточных организмов: бактерий, водорослей и простейших 
[8, 9]. Уменьшение зарослей микроводорослей и деградация фитоценозов сублиторали влекут за собой не только падение уровня первичной 
продуктивности, но и снижение численности популяций беспозвоночных и рыб, которые используют водоросли в качестве убежища и субстрата для кладок икры [10]. 
Технологические схемы очистки, использованные при строительстве 
очистных сооружений в 1960–1980 гг., не предусматривали снижения 
концентраций тяжелых металлов до предельно допустимых концентраций (ПДК) рыбохозяйственных водоемов. В результате до настоящего 
времени в водные объекты поступают очищенные воды с содержанием 
соединений тяжелых металлов, в несколько раз превышающим (ПДК). 
Основная опасность для биологических объектов водоемов заключается в биоаккумулировании тяжелых металлов на клеточной стенке 
бактерий [78]. 
В водной среде значительные концентрации таких металлов, как медь 
и свинец, индуцируют у дрожжеподобных клеток Aureobasidium pullulans 
появление меланинового пигмента. Меланиновый пигмент имеет высокую биосорбционную способность и его наличие в клетке обеспечивает 
ее устойчивость к значительным концентрациям токсичных металлов, 
что показано на примере штамма Cryptococcus sp. WT  [79]. У всех 

 Введение 
5

исследованных штаммов дрожжей наблюдалась задержка роста по 
сравнению с контрольными системами. Период лаг-фазы увеличивался 
до 12 ч, а для штамма Cryptococcus sp. WT — до 24 ч. Отмечалось также уменьшение периода экспоненциальной фазы роста и увеличение 
периода фазы замедленного роста. 
Из-за использования на промышленных предприятиях в водоснабжении и технологических процессах вод из артезианских скважин на 
очистные сооружения поступают стоки с высокими концентрациями 
соединений железа и марганца. Кроме того, на станциях водоподготовки промышленных предприятий часто используется цеолит, регенерация которого проводится перманганатом калия. Такие промывные 
воды, поступая на очистные сооружения предприятий, имеющих станции биологической очистки, являются причиной нарушения процессов 
биохимического окисления органических веществ в аэротенках. Как 
правило, регенерация фильтров проводится за короткие промежутки 
времени, и сброс промывных вод сравним с залповым сбросом высококонцентрированных вод по тяжелым металлам. Поэтому перед сооружениями биологической очистки обязательно необходимо снижать 
концентрацию тяжелых металлов, предотвращая тем самым ингибирование активного ила сооружений биологической очистки.
Автор выражает искреннюю признательность генеральному директору ООО «Техномост Сервис» Л. М. Белопольскому за финансовую 
поддержку при выполнении научно-исследовательских работ.

ГЛАВА 1

Системы биомониторинга. 
Современные концепции 
биомониторинга водных экосистем

После узла механической очистки промышленные сточные воды 
обычно разбавляются перед тем, как поступать в сооружения биологической очистки, или подвергаются физико-химическим методам 
очистки. Использование коагулянтов в сочетании с флокулянтами 
позволяет снизить концентрацию токсичных органических соединений до 40%. Недостатком данного метода является проблема, связанная с образованием токсичных осадков, которые в свою очередь 
требуют определенных методов обезвреживания.
Применяемые в настоящее время методы химического, физического 
и санитарно-микробиологического анализа не могут точно охарактеризовать воздействие деятельности человека на окружающую среду, так 
как дают оценки анализируемых параметров непосредственно в период 
взятия проб. Кроме того, нет необходимости искать виды загрязнений 
воды, которые поступили в предыдущие периоды, и о которых не были 
своевременно предупреждены контролирующие органы, так как только экологическая ответственность руководителей предприятий может 
помочь сохранить водные объекты.
Биомониторинг позволяет обнаружить воздействия на водоем 
в предшествующие периоды времени. Биологические объекты реагируют на все виды загрязнений независимо от их природы и дают интегральный показатель качества воды как среды обитания [11–13]. Поэтому для комплексной оценки экологического состояния водо емов, 
водотоков и их водосборов, находящихся под воздействием целого 
комплекса промышленных предприятий, необходимо использование 
методов биологического анализа. 
Для жизнедеятельности микроорганизмов необходима среда строго определенного химического состава. При изменении этого состава, 
например, при исключении из питательной среды какого-либо компонента или введения дополнительного соединения, микроорганизмы 
через какое-то время, а иногда практически сразу, подают ответный 
сигнал. Установление связи характера или интенсивности ответного 

Системы биомониторинга 
7

сигнала организма (называемого индикаторным) с количеством введенного в среду или исключенного из среды компонента помогает 
решить задачи его обнаружения или определения. Аналитическими 
индикаторами в биологических методах являются различные живые 
организмы, их органы и ткани, физиологические функции, биохимические реакции [14].
Традиционно методы биологического анализа разделяют на биотестирование (проведение контролируемых отборов проб) и биоиндикацию (анализ и интерпретацию натурных данных (рис. 1). Биотестирование с использованием организмов зообентоса является 
достаточно разработанным направлением в современной экотоксикологии [15, 16, 17, 18]. 

В комплексном экологическом мониторинге состояния окружающей среды гидробиологический мониторинг водных объектов является 
важной составляющей. Основу составляют гидробиологического мониторинга лежат исследования по биоиндикации с целью наблюдений, 
оценки и прогноза состояния водных систем.

Рис. 1. Методы оценки качества вод и их использования в экотоксикологической диагностике экосистемы и определения критических уровней 
загрязнения вод [19]

ГЛАВА 1

1.1. Биологические индикаторы тяжелых 
металлов в системе биомониторинга

Тяжелые металлы относятся к числу распространенных и весьма токсичных загрязняющих веществ. В то же время тяжелые металлы как 
микроэлементы являются неотъемлемой частью живого организма. Основными источниками их поступления в биосферу служат: металлургические предприятия, сжигание угля на ТЭС, технологические процессы переработки нефти и различных отходов, производства стекла 
и удобрений, автотранспорт.
Отличительная особенность тяжелых металлов как загрязнителей — 
устойчивость и увеличение их концентрации при переходе по трофическим цепям. В отличие от органических токсикантов, тяжелые металлы 
практически вечны, так как не разрушаются под действием природных 
факторов. Их удаление из водоемов и водотоков возможно за счет улетучивания (ртуть) или захоронения в донных осадках [20]. В организм 
гидробионтов тяжелые металлы попадают с пищей или через покровы, 
последнее характерно для водных растений. Действие тяжелых металлов проявляется на всех уровнях организации биологических систем — 
от молекулярно-биохимического до биоценотического.
Токсическое действие металлов проявляется в виде протоплазматических ядов для всех живых объектов, нарушений структуры коллоидных систем, денатурации белков. При очень большом разведении 
растворов тяжелые металлы связывают и блокируют активные центры 
ферментов. Именно эти нарушения согласованной работы ферментных систем представляют основной механизм действия токсичных веществ. Наиболее исследовано токсическое действие тяжелых металлов 
на позвоночных [21].
Видовая специфичность биоаккумуляции металлов красными водорослями позволяет использовать их в качестве биологических индикаторов загрязнения природных вод тяжелыми металлами. Сложный механизм биоаккумуляции металлов, включающий процессы накопления и 
выделения металлсодержащих метаболитов клетками, используется как 
один из возможных путей в системе биомониторинга. Свойства водорослей избирательно накапливать металлы позволяют использовать их 
в качестве биомаркеров загрязнения экосистем тяжелыми металлами.
Полученные результаты используются при анализе структуры водорослевого сообщества при оценке антропогенного воздействия и состояния водных экосистем. Такие методы могут служить обоснованием 
для корректирования уровней ПДК тяжелых металлов для гидробионтов в конкретном водном бассейне. 
В настоящее время при оценке экологических последствий антропогенного загрязнения водных экосистем, в том числе тяжелыми 
металлами, получила признание концепция использования организ

Системы биомониторинга 
9

мов-биомаркеров. Реакция биомаркеров (их отклик на действие токсикантов) является важным показателем при установлении связи между 
действием токсиканта и экологическими эффектами — как на уровне 
отдельных организмов, так и на уровне популяций. Биомаркеры дают 
ценную информацию не только о действии самого загрязнителя, но 
и его метаболитов, образующихся в результате его трансформации в 
природной среде [22]. Прямые и непрямые взаимодействия токсикантов в среде и организме, их синергетическое или антагонистическое 
действие интегрируются в ответных реакциях биомаркеров.
Биомаркеры, таким образом, отражают кумулятивный эффект загрязняющих веществ, вследствие чего их использование особенно перспективно при исследовании водных экосистем, которые подвержены 
антропогенному воздействию недоочищенными сточными водами как 
с промышленных предприятий, так и с городских станций аэрации. 
В качестве примера можно привести красные водоросли в Черном 
море. В водах Черного моря красные водоросли доминируют по видовому обилию в простых и многоярусных бентосных фитоценозах. Корковые формы багрянок первыми из макроводорослей занимают твердые 
субстраты после их колонизации диатомеями-эпифитами. Следующий 
ярус образуют низкорослые Corallina mediterranea и Ceramium rubrum 
в виде густых дерновников. Затем в фитоценозе развиваются красная 
водоросль Laurencia obtusa и бурая Cladostephus verticillatus. Основной ярус формируют виды-эдификаторы филлофора или цистозира, 
на талломах которых многочисленные красные водоросли образуют 
эпифитные синузии [23, 24]. Основываясь на реакциях водорослей на 
присутствие тяжелых металлов в концентрациях, превышающих предельно допустимые, выделены наиболее информативные отклики для 
использования их в системе биомониторинга водных экосистем.
Среди бентосных красных водорослей встречаются виды с разной 
продолжительностью жизненного цикла, сроками вегетации и размножения: сезонные летние и зимние, одногодичные и многолетние. 
Многие из них обладают высокой удельной поверхностью таллома и 
выполняют в фитоценозах роль функциональных доминант, аккумулируя из окружающей среды различные органические и неорганические 
соединения, в том числе и токсичные тяжелые металлы [25]. 
Красные водоросли по разным оценкам включают от 5000 до 6000 
видов и традиционно классифицируются как тип или отдел Rhodophyta 
с двумя классами Bangiophyceae и Florideophyceae [26]. Бангиевые водоросли структурно представляют собой более примитивные формы 
(одиночные клетки, линейные колонии, неразветвленные нити рода 
Bangia или листовидные талломы рода Porphyra). Высокоорганизованные водоросли со сложным репродуктивным циклом относятся 
к флоридеевым. Этим водорослям свойственны структурные морфологические особенности: наличие тетраспорангиев и образующего 
сложный нитевидный гониобласт карпоспорофита. 

ГЛАВА 1

1.2. Эвтрофирование водоемов

Донные беспозвоночные и их сообщества являются чувствительными 
индикаторами загрязнения биогенными и токсическими веществами, 
закисления и эвтрофикации водных объектов. Бентос представляет 
собой группировки организмов, характеризующиеся связью с дном 
водных объектов как субстратом, на котором (эпибентос) или внутри 
которого (эндобентос) организмы проводят свою жизнь [27]. 
Структурные и функциональные характеристики зообентоса являются элементами системы мониторинга загрязнения поверхностных 
вод и позволяют определить экологическое состояние и трофический 
статус водных объектов; оценить качество поверхностных вод как среды обитания организмов; определить совокупный эффект комбинированного действия загрязняющих веществ; локализовать источник загрязнения; установить тип загрязнителей и возникновение вторичного 
загрязнения вод [28, 29].
По степени подвижности различают формы вагильные (бродячие), 
седентарные (лежащие на грунте без перемещений), сессильные (прикрепленные), закапывающиеся и сверлящие. По размерному признаку 
выделяют организмы микробентоса (< 0,1 мм), мезобентоса или мейобентоса (0,1–2 мм) и макробентоса (> 2 мм) [30]. 
Зообентос является важнейшим элементом экосистемы континентальных водоемов и водотоков. Это обусловлено в первую очередь многообразием его таксономического состава. Так, в пресноводном зоо бентосе умеренных широт могут встречаться представители 20 классов и 10 типов животных [31]. Зообентос отличается стабильной локализацией на определенных местах обитания в течение длительного 
времени, поэтому он является удобным объектом для наблюдений за 
антропогенной ситуацией и процессами самоочищения водных систем. 
В состав зообентоса входят наиболее долгоживущие группы гидробионтов — моллюски и олигохеты, продолжительность жизни которых достигает 6 лет. На их долю приходится большая доля биомассы зообентоса на многих водоемах и водотоках. Такие долгоживущие 
компоненты биоты являются хорошими индикаторами хронического 
загрязнения и устойчивости экосистемы [32–34]. Зообентос, в противоположность планктону, в пределах одной зоны обнаруживает значительную неоднородность, образуя несколько биоценозов. 
Состав и обилие бентоса зависят от многих факторов, из которых 
наибольшее значение имеют глубина, подвижность воды, колебания 
уровня, характер грунта, зарастаемость водоема. Биотопами для биоценозов бентоса обычно считаются участки с однородными на всем 
протяжении грунтами, лежащие в пределах одной вертикальной (глу