Способ оценки состояния водоисточника в зоне стоков сельскохозяйственного предприятия
Владельцы патента RU 2256176:
ФГОУ ВПО Уральская государственная сельскохозяйственная академия (RU)
Изобретение относится к гигиене и санитарии пресноводных водоемов и может быть использовано для микробиологического тестирования состояния водоисточника в зоне стоков сельскохозяйственных предприятий, в частности птицефабрик и свинокомплексов. В способе оценки состояния водоисточника в зоне стока сельскохозяйственного предприятия берут образцы воды, по крайней мере, в двух зонах - в зоне стока сельскохозяйственного предприятия и зоне, где исключено влияние стока сельскохозяйственного предприятия, в различные периоды. Затем проводят анализы по определению содержания аммиачных соединений и активности фермента уреазы-карбамидамидогидролазы в образцах воды. Осуществляют математическую обработку результатов, которая заключается в сопоставлении содержания аммиачных соединений и активности фермента уреазы-карбамидамидогидролазы в каждом образце воды и сравнении динамики изменения данных показателей в образцах воды, взятых из различных зон. Способ обеспечивает быстрые результаты тест анализов при высокой достоверности оценки с минимальными затратами труда и средств. 2 з.п.ф-лы, 2 табл.
Изобретение относится к гигиене и санитарии пресноводных водоемов и предназначено для проведения санитарно-гигиенического и микробиологического тестирования состояния водоисточника в зоне стоков сельхозпредприятий, в частности птицефабрик и свинокомплексов, промстоки которых попадают в близлежащие водоемы.
Известен “Способ определения токсичности природных и сточных вод” (см а.с. №1194877, С 12 Q 1/00, опубл. 30.11.85, Бюлл. №44), в котором качество воды определяют дополнительно путем контактирования вод с тест-организмами, в качестве которых используют жгутиконосцы рода Chlamudomonos, и о токсичности вод судят визуально по исчезновению или по наличию полос скопления жгутиконосцев в контрольных пробирках.
Недостатками такого способа тестирования является его некоторая сложность, так как требуется заранее готовить и сохранять спетщальные тест-организмы и иметь контрольные таблицы по этим тест-организмам.
Известен также “Способ определения степени сапробности воды пресноводных водоемов” (см. Патент РФ №2123533, С 12 Q 1/04, опубл. 20.12.98, Бюлл. №35), в котором проводят микробиологическое выделение микроводорослей, и у выделенных водорослей определяют лизицимную и антилизоцимную активность, затем определяют показатель сапробности каждого вида, вычисляют среднее значение и по его величине судят о степени сапробности водоема и о качестве воды.
При хорошей достоверности результатов по такому способу недостатками следует считать большой объем и длительность необходимых исследований и вычислений и, кроме того, для такой работы требуются специалисты высокой квалификации для определения тестируемых видов выделяемых микроводорослей и сложное оборудование для проведения анализов.
Задачей изобретения является разработка способа дополнительной оценки состояния водоисточника, в частности в зоне сброса промышленных стоков сельскохозяйственных предприятий, при котором возможно было бы тестировать качество стоков в условиях имеющихся химических лабораторий, с использованием специалистов средней квалификации на обычном лабораторном оборудовании и при получении быстрых результатов тест анализов при высокой достоверности оценки с минимальными затратами труда и средств на проведение анализов.
Задача решается тем, что в качестве тест анализов дополнительно определяют активность фермента уреазы в исследуемых и контрольных образцах воды, взятых одновременно из загрязненного источника и условно чистого в той же зоне, на глубине 0,3-1 м на расстоянии 1-2 м от края берега, в частности активность уреазы и содержание аммиака в образцах, после чего определяют их отношение, а о качестве воды и состояния водоема судят по этим показателям, причем точку взятия контрольного (условно чистого) образца воды располагают вне зоны достоверного загрязнения сельхозпредприятия, на расстоянии 1-2 км вверх по течению от зоны впадения стока сельскохозяйственного предприятия. При этом содержание аммиачных соединений в образцах воды определяют на фотоколориметре параллельно с определением активности фермента уреазы-карбамидамидогидролазы.
Известно, что одним из основных загрязнителей в стоках сельскохозяйственных предприятий является мочевина. Мочевина попадает в воду в составе растительных остатков, навоза и других различных отходов животноводства и птицеводства. Она образуется и в самой воде в качестве продуктов превращения азотистых органических соединений - белков и нуклеиновых кислот.
Предлагаемый способ основан на возможности водных экосистем к самоочищению от контаминантов сельскохозяйственного происхождения путем трансформации азотосодержащих загрязняющих веществ (мочевины и др.) при участии фермента уреаза выделяемого водной биотой (всеми живыми компонентами водной экосистемы).
Определение активности одного из важнейших ферментов, участвующих в этом процессе (уреазы-карбамидамидогидролазы КФЗ.5.1.5.) служит тестом для оценки состояния поверхностных водоисточников в зоне сельскохозяйственного пользования, т.е. показателем степени деградации изучаемых водных экосистем, а также для экологического нормирования и определения предельно допустимых антропогенных нагрузок на водную биоту.
Показателем высокого содержания мочевины в воде стока является уровень активности фермента уреазы, которая катализирует гидролиз мочевины. Конечным продуктом гидролиза являются аммиак и углекислый газ. Следовательно, контролируя уровень активности фермента уреазы и аммиака и определяя их отношение в образцах и в контроле взятой воды, возможно оценивать состояние водоисточника в зоне стока сельхозпредприятия. При этом в качестве контрольного показателя принят коэффициент потенциальной активности фермента уреазы - отношение показателя активности уреазы (мг NН3 мг/л) к содержанию аммиака в пробах (мг NН3 мг/л).
Этот относительный показатель характеризует способность водной экосистемы к самоочищению от органических ингредиентов, обусловленному интенсивностью процесса аммонификации сельскохозяйственных отходов, выражающегося уравнением (см. Практикум по агрохимии под ред. В.Д.Минина, М., Изд. МГУ, 1989. с.92-94).
уреаза, Н2О
Способ осуществляют следующим образом.
При обследовании на объекте намечают места отбора образцов воды. Первую точку обычно намечают в месте поступления стоков от загрязнителя на расстоянии 1-2 метра от края берега на глубине 0,3-1 метра, следующие точки на расстояниях 50-60 метров одна от другой вниз по течению, причем, две из них на противоположном берегу от места поступления стоков.
Расстояния по 50-60 метров приняты по результатам практических опытов как обеспечивающие требующуюся точность прогноза и не требующие больших переходов.
Одновременно со взятием образцов воды в обследуемой зоне берут контрольные образцы воды на расстоянии 1-2 км вверх по течению, где исключается влияние загрязнителя. Объем образцов воды для анализов принят 2-2,5 литра. Взятые образцы упаковывают и доставляют в лабораторию для проведения анализов сразу после доставки, активность фермента уреазы определяют калориметрическими методами с использованием прибора типа ФЭК - 56М, а содержание аммиака определяют параллельно тем же методом (фотокалориметрическим) на том же приборе.
Для определения колориметрическим методом активности уреазы используют следующие реактивы:
1. 1 н. КСl;
2. Фосфатный буфер рН 6,7;
3. Реактив Несслера;,
4. 50% раствор калия-натрия виннокислого.
Ход анализа. В пробирку помещают 1 мл исследуемой воды, добавляют 2 мл фосфатного буфера (рН 6,7), 2 мл 10% раствора мочевины. Пробирку закрыть притертой пробкой, встряхнуть и поставить в термостат при t 37 С° на 24 часа. После инкубации добавить в пробирку 3 мл 1н. раствора КСl, встряхнуть в течение 5 минут для вытеснения из воды аммиака, отфильтровать, поместить в колбу на 50 мл, добавить до 30 мл дистиллированной воды. Перемешать. Добавить 2 мл реактива Несслера, перемешать, довести водой до метки. Колориметрировать на ФЭКе /-490 нм/.
Количество аммиака рассчитывается по предварительной составленной калибровочной кривой.
Стандартный раствор: 0,1 мг NН3 в 1 мл воды. Контроль - прокипяченная вода (без субстрата).
Активность уреазы выражается в мг NН3 на 1 литр воды за сутки. Расчет NН3 по калибровочной прямой.
где а - количество аммиака по графику;
б - количество аммиака в контроле;
н - количество воды, взятой для исследования;
р - разведение;
1000 - пересчет на 1 литр,
Полученные результаты измерений обрабатывают методами математической статистики, сводят в таблицы, строят графики и, анализируя и сравнивая полученные результаты по контрольным точкам забора образцов воды, делают выводы о состоянии исследуемого водоисточника и влиянии на него промышленного стока сельхозпредприятия и намечают меры по охране чистоты водостоков.
Пример №1. Оценка состояния водоисточника и эффективности водоохранных мероприятий по снижению биологической загрязненности и токсичности стока с полигонов для хранения птичьего помета на Свердловской птицефабрике.
Исследования проводились в водах реки “Исток” притока реки “Исеть”, протекающих по территории Свердловской области, в районе южной окраины г.Екатеринбурга, куда постоянно поступают (сбрасываются) стоки от Свердловской птицефабрики.
Образец №1 (контроль) брали на расстоянии 3 км выше до впадения стоков, образец №2 - через 2 км после их впадения, также брали образец воды в стоке болота - естественного фильтра, не загрязненного отходами птицеводства (образец №3), в стоке болота - полигона отходов птицефабрики (образец №4), и в общем стоке двух болот на расстоянии 20 метров от места их слияния (образец №5).
Образцы воды отбирались согласно приведенным выше правилам, на расстоянии 1-2 метров от края берега, на глубине водоисточника (0,3-1 м), в 3-х повторностях. Отбор образцов проводили в течение лета и осени 2000 года.
Обработку взятых за анализируемый период образцов воды по предложенному способу оценки и по стандартным методикам проводили в лаборатории кафедры экологии и зоогигиены Уральской Государственной сельскохозяйственный Академии. Результаты исследований после математической обработки сведены в таблицы №1 и №2.
1 Исследование по оценке состояния водоисточника путем определения активности уреазы воды в образцах с разной степенью загрязнения стоками птицеводства показали возрастание активности фермента уреазы и аммиака в водах стока с болота - полигона отходов (образцы 4, 5) на 22,7-115% по сравнению с водами чистого болота (образец 3) в течение летнего периода.
| Таблица 1. | ||||
| Динамика изменения активности фермента уреазы в процессе исследований (в различные периоды). | ||||
| Период | №п/п | Сод-ие аммиачных соед-ий в воде (NН3 мг/л) | Активность уреазы (NН3 мг/л) | Коэффициент потенциальной активности фермента (КПУ) |
| 9.06.2000 | 1к1 | 3,1±0,31 | 93±9,01 | 30 |
| I | 2 | 3,0±0,29 | 90±8,88 | 30 |
| начало | 3 | 8,0±0,74 | 110±10,21 | 17 |
| лета | 4 | 28,0±2,17 | 138±13,24 | 4,9 |
| 5 | 27,0±2,07 | 134±13,14 | 4,9 | |
| 23.06.2000 | 1к | 2,8±0,26 | 105±9,31 | 33 |
| II | 2 | 3,0±0,27 | 119±10,34 | 40 |
| середина | 3 | 6,7±0,54 | 135,7±12,34 | 20 |
| лета | 4 | 28±2,14 | 300,0±27,34 | 10,9 |
| 5 | 27±2,13 | 273,0±26,91 | 10,1 | |
| 15.09.2000 | 1к | 5,0±0,35 | 107,2±9,31 | 21 |
| III | 2 | 4,8±0,45 | 102,3±9,71 | 21 |
| начало | 3 | 20,0±1,97 | 120±11,34 | 6 |
| осени | 4 | 28,0±2,73 | 135±12,71 | 4,8 |
| 5 | 22,5±2,17 | 116,5±11,32 | 5,2 | |
| 29.09.2000 | 1к | 10,0±0,97 | 122,0±10,34 | 12,1 |
| IV | 2 | 15,0±1,34 | 148,5±14,33 | 10,0 |
| середина | 3 | 15,0±1.27 | 148,0±14,87 | 10,0 |
| осени | 4 | 22,5±2,33 | 158,0±13,93 | 7,0 |
| 5 | 22,5±2,21 | 160,0±1%.34 | 7,1 | |
| 11.10.2000 | 1к | 3,0±0,29 | 85,5±8,31 | 28,5 |
| V | 2 | 6,3±0,61 | 71,3±7,13 | 11,1 |
| конец | 3 | 10,0±0,94 | 52,5±5,14 | 5,2 |
| осени | 4 | 18,3±1,37 | 75,8±7,31 | 4,1 |
| 5 | 20,0±1,58 | 80,0±7,91 | 4,0 | |
| 1к - КОНТРОЛЬ |
| Таблица 2. | |||||
| Результаты исследований образцов стоков по существующей методике. | |||||
| Периоды исследования | №№образцов (к) | Аммиачные соед. мг/л | Окисляемость мг/л | Кол-во микробов в 1 мл воды тыс. ед. | Кишечная пал-ка |
| 1 | 1 | 0,1 | 8,0 | 58 | - |
| 2 | 0,8 | 12,0 | 240 | - | |
| 3 | 2,0 | 16,0 | 45 | + | |
| 4 | 8,0 | 16,0 | 56 | + | |
| 5 | 4,0 | 16,0 | 41 | + | |
| II | 1 | 0,8 | 6,0 | 82 | - |
| 2 | 0,8 | 8,0 | 320 | + | |
| 3 | 2,0 | 16,0 | 98 | + | |
| 4 | 8,0 | 16,0 | 166 | + | |
| 5 | 8,0 | 16,0 | 190 | + | |
| III | 1 | 0,8 | 8,0 | 18 | - |
| 2 | 2,0 | 8,0 | 22 | - | |
| 3 | 4,0 | 8,0 | 102 | - | |
| 4 | 8,0 | 12,0 | 72 | - | |
| 5 | 8,0 | 12,0 | 142 | - | |
| IV | 1 | 0,8 | 8,0 | 20 | - |
| 2 | 0,8 | 8,0 | 28 | - | |
| 3 | 2,0 | 16,0 | 115 | - | |
| 4 | 4,0 | 16,0 | 35 | - | |
| 5 | 4,0 | 16,0 | 230 | - | |
| V | 1 | 0,2 | 6,0 | 55 | - |
| 2 | 0,8 | 8,0 | 68 | - | |
| 3 | 2,0 | 16,0 | 105 | - | |
| 4 | 8,0 | 16,0 | 115 | - | |
| 5 | 8,0 | 16,0 | 118 | - |
По сравнению с водами реки “Исток” эти отличия составили 49-160% в указанный период. Осенью показатели активности уреазы в загрязненных водах стока полигона имели значимые отличия от сравниваемых показателей - в среднем на 15% при сопоставлении их с данными об активности уреазы в воде стоке “чистого” болота и на 23% - при сопоставлении с показателями активности фермента в реке “Исток”. В конце периода наблюдений активность уреазы, резко сниженная по сравнению с летом и начало осени, была примерно на одном уровне с активностью уреазы речных вод, но превосходила последнюю в водах стока с “чистого” (образцы 4,5) болота на 40.4%, а коэффициент потенциальной активности при этом был наименьшим в указанных образцах.
2. Синхронный характер динамики изменения активности уреазы во всех исследуемых водах (образцы 1-5), а также размах колебаний ее уровня в загрязненных (образцы 4,5) водах (от 75 до 300 мг/л NН+ 3)- в 2,3 раза превышающий диапазон изменений уреазной активности в течение периода наблюдений в водах незагрязненного болота, указывают на доминирующее влияние природно-климатических условий на функционирование водных экосистем, обуславливающее активности фермента в воде, которое значительно усиливается при антропогенной нагрузке.
3. Определение коэффициента потенциальной активности фермента уреазы показало наиболее высокие значения его (от 11 до 40) в речных водах (как чистых, так и подверженных загрязнению - образцы 1,2), средние значения - в водах незагрязненного болота (от 6 до 20 образец 3), самые низкие значения этою относительною показателя (от 4 до 10,9) - в водах стока полигона отходов птицефабрики.
4. Низкие значения коэффициента потенциальной, активности уреазы в воде стока полигона отходов в течение периода наблюдений при высоких значениях - показателей активности фермента в ней (до 300 мг/л NH+ 3) свидетельствует о напряженности адаптационных процессов в экосистеме болота полигона. Высокие значения потенциальной активности уреазы в речных водах (образцы 1 и 2) в 2,5-4 раза превосходящие значения коэффициентов вод стока полигона характеризуют устойчивость речной экосистемы к загрязнениям, которые не превышают пределов ее толерантности.
Параллельно проводилась оценка взятых образцов воды по стандартным методикам определения санитарно-гигиенического состояния виды (табл.2).
Приведенные в таблице 2 данные подтверждают первоначальную оценку, полученную по предлагаемому способу, и свидетельствуют о том, что в образцах 4-5 окисляемость (потребность в мг/л кислорода) значительна (16 мг/л) и постоянно превышает этот показатель в, контрольных образцах. Это свидетельствует о загрязнении стоков органическими соединениями, которые могут быть субстратом для воздействия и размножения микроорганизмов при их утилизации, что показывает достоверность предложенного способа, возможность его использования для оценки состояния водоисточника в зоне стока сельхозпрсдприятия, в частности птицефабрики.
Важным дополнением к изложенному является сравнение уровня содержания NН3 в исследуемых водах методом колориметрии и обычно используемым в практике санитарно-гигиенических исследований.
Так, согласно данным, приведенным в таблице 1 и 2, содержание аммиачных соединений наивысшее в образцах 4 и 5 на протяжении всего периода наблюдений. Однако более высокая чувствительность используемого в способе колориметрического метода позволяет обнаружить большие значения содержания NН3 в водах, в 3-5 превышающие таковые в тех же образцах при определении NН3 по обычной методике.
1. Способ оценки состояния водоисточника в зоне стока сельскохозяйственного предприятия, включающий взятие образцов воды, проведение анализов, математическую обработку результатов анализов, отличающийся тем, что берут образцы воды, по крайней мере, в двух зонах - в зоне стока сельскохозяйственного предприятия и зоне, где исключено влияние стока сельскохозяйственного предприятия, в различные временные периоды, проводят анализы по определению содержания аммиачных соединений и активности фермента уреазы-карбамидамидогидролазы в образцах воды, а математическая обработка результатов заключается в сопоставлении содержания аммиачных соединений и активности фермента уреазы-карбамидамидогидролазы в каждом образце воды и сравнении динамики изменения данных показателей в образцах воды, взятых из различных зон.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что взятие образцов воды производят на глубине 0,3-1 м на расстоянии 1-2 м от края берега, водоисточником является река, а в качестве зоны, где исключено влияние стока сельскохозяйственного предприятия, выступает зона на расстоянии 1-2 км вверх по течению от зоны впадения стока сельскохозяйственного предприятия, и образцы воды берут одновременно.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что содержание аммиачных соединений в образцах воды определяют на фотоколориметре параллельно с определением активности фермента уреазы-карбамидамидогидролазы.
