Обзор существующих исследований
Предприятие масло-жировой промышленности как источник загрязнения
окружающей среды
Деятельность завода по переработке семян подсолнечника приводит к
загрязнению водоёмов очищенными производственными и хозяйственно-бытовыми
сточными водами, а также выбросами загрязняющих веществ, которые оседают на
поверхность грунта из воздушного бассейна, которые попадают в атмосферу в
результате проведения технологического процесса получения подсолнечного
масла.
На заводе по переработке семян подсолнечника образуются следующие категории
сточных вод:
- дождевые (талые) воды;
- производственные сточные воды вот отстойников цеха экстракции;
- производственные сточные воды вот водоподготовки для бойлеров на установке
нанофильтрации;
- производственные сточные воды вот продувки градирни;
- производственные сточные воды вот продувки котлов;
- хозяйственно-бытовые сточные воды вот уборки помещений;
- хозяйственно-бытовые сточные воды вот душей, умывальников, туалетов,
столовой и т.п.
Согласно [1] территория завода по переработке семян подсолнечника относится
к предприятиям первой группы. Поверхностный сток этих предприятий по составу
загрязняющих веществ близок к поверхностному стока селитебних территорий и не
содержит специфических веществ с токсичными свойствами. Основные загрязняющие
вещества в дождевом стоке данного предприятия - взвешенные вещества и
нефтепродукты. Следует отметить, что с целью снижения капитальных затрат на
очищение дождевого стока, предприятием проводится лишь частичное очищение данных
вод, а именно - первой наиболее загрязненной порции дождевых вод, которая
составляет 18,7% от общего расчетного количества дождевых вод. Поэтому дождевые
сточные, которые поступают без очистки в р. Осыкова, вносят в неё взвешенные
вещества, которые способствуют заилению дна реки, а также нефтепродукты (которые
являются поверхностно активными веществами), способствующие нарушению газообмена
в системе "вода - воздух".
Производственные сточные воды, которые образуются при продувке котлов,
градирни и от установки нанофильтрации, отличаются высокой минерализацией,
которая в процессе очистки сточных вод снижается на 65%. Однако, следует учесть
то, что естественные воды Донецкого региона и так отличаются повышенной
минерализацией вследствие наличия на территории Донбасса карбонатных пород.
Поэтому дополнительное внесение в естественные воды минеральных солей приводит к
угнетению развития гидробионтов рек.
Сточные воды вот отстойников экстракции содержат растительные жиры,
взвешенные вещества (шрот, который остался после выдавливания из семян масла),
гексан (применяется в качестве экстрагента). Эти воды характеризуются высоким
значением ХПК, БПК5. В процессе очистки сточных вод значение данных
показателей снижаются на 90-97%.
Хозяйственно-бытовые сточные воды предприятия характеризуются высокими
показателями ХПК, БПК5, а также высоким содержанием азотистых
соединений, взвешенных веществ, присутствуют также жиры и гексан. Остаточные
концентрации данных веществ в сточных водах после очистки могут служить
эвтрофирующим фактором, поскольку даже незначительное изменение состава вод для
малых рек очень существенно.
Таким образом, очищенные сточные воды предприятия по переработке семян
подсолнечника хотя и не содержат канцерогенных и мутагенных веществ, однако их
компоненты могут быть факторами эвтрофирования, заиления водотока, а также
нарушения кислородного баланса реки.
Следует также учесть тот факт, что в процессе работы предприятия
осуществляются выбросы загрязняющих веществ в атмосферу, в частности пыли
неорганического и органического происхождения (пыль семян и шрота), испарения
гексана из неплотностей оснащения и в результате сушки шрота, а также оксиды
серы, азота и углерода, которые выбрасываются из труб котельной, которая
работает на шелухе, также эти соединения содержатся в выбросах автортанспорта,
который перевозит на заводе сырье и продукцию. В результате эти химические
вещества оседают на территорию завода и окружающих населенных пунктов. А во
время дождей эти соединения могут переходит в дождевые воды и с ними попадать в
водоток.
Объект исследований
Завод по переработке семян подсолнечника расположен в Петровском районе г.
Донецка, в западной части Донецько-Макеевского района. На расстоянии 1250 м
восточнее расположено п. Мандрыкино, а на расстоянии 350 м от изгороди завода на
северо-востоке размещается ближайшее жилое поселение Петровского района г.
Донецка, на юг и запад от площадки - незастроенная территория. Площадка завода
располагается на правом склоне долины реки Осыкова.
В гидрографическом отношении территория Донецкой области делится на трех
части: северную (бассейн Северского Донца), южную (реки Приазовье), западную
(бассейн Днепра). Рассмотренная площадка находится в западной части, которая
охватывает реки, которые относятся к бассейну реки Днепр.
По южной границе отведенной для завода территории площадка прилегает к балке
Осыковая, которая является истоком реки Осыкова - левого приток реки Волчьей.
Река Волчья впадает по левую сторону в реку Самару, которая является левым
притоком реки Днепр.
Рельеф, климатические условия, геологическое строение и гидрогеологические
особенности территории обусловили основные черты гидрографической сети: умеренно
крутые, а местами пологие склоны долины, грушевидную форму бассейна, который
простирается из северо-востока на запад, волнистую, слегка бугристую
поверхность. Высота бассейна изменяется от 230 м в источнике до 114,7 м в устье.
Гидрографическая сеть развитая слабо, коэффициент густоты речной сети равняется
0,29, площадь водосбора - 197,6 км2, средневзвешенный уклон - 3,3 %,
длина реки - 27,2 км.
В результате развития хозяйственной деятельности в гидрографии бассейна
состоялись значительные изменения: склоны долины на большем её протяжении
застроенные, более близкие к водораздельной линии распаханные и используются для
выращивания сельскохозяйственных культур. В бассейне р. Осыкова развито
орошаемое земледелие. Распаханность составляет 45,4%. В результате водной и
ветровой эрозии отмечается эродированность грунтового пласта, который в бассейне
равен 31%, урбанизированность - 22%.
В гидрологическом отношении река Осыкова мало изучена. Для характеристики ее
режима использованные данные по рекам-аналогам: Согласно данным наблюдений
установлено, что р. Осыкова относится к типу рек с преимущественно
снего-дождевым питанием.
Выше расчетного створа река не зарегулирована, ниже по течению построенные
ставки и водохранилища общим объёмом 9998 тыс. м3, которые являются
источниками орошаемого земледелия в хозяйствах Марьинского района
[2].
Донные отложения как неотъемлемая составляющая
гидроэкосистемы
При экологической оценке гидроэкосистемы одним из наиболее информативных
объектов изучения являются донные отложения. Аккумулируя загрязнения, которые
поступают в водоём на протяжении продолжительного периода, донные отложения
являются индикатором экологического состояния территории, своеобразным
интегральным показателем уровня загрязненности.
Донные отложения представляют собой неразрывное единство сложного комплекса
минералов и водного раствора, который пропитывает отложения. Именно этот водный
раствор физически и химически объединяет совокупность дискретных зёрен,
минеральных фаз и органических остатков в целостную систему. Благодаря нему,
через его посредство осуществляется многостороннее взаимодействие её частей. В
нём и на поверхностях его раздела с твердыми частицами протекают разнообразные
химические реакции, происходит перенос и перераспределение растворенных
компонентов. В водном растворе и на поверхности зерен живет донная микрофлора,
которая осуществляет важное влияние на протекание химических процессов в донных
отложениях и жизнедеятельность организмов зообентоса.
Донные отложения - это открытая физико-химическая система, через границы
которой (водная толща - донные отложения) осуществляется материальный обмен с
окружающей средой [3].
Процесс накопления в водоёмах поступающих взвешенных наносов и растворенных
элементов наиболее четко обнаруживается в формировании донных
отложений.
При накоплении донных отложений (заилении) изменяются морфометрические
показатели водоёмов, химические и биологические процессы. Процессы, которые
происходят в донных отложениях и придонном пласте воды приводят к изменениям
состава воды, а также её оптических свойств.
Донные отложения содержат как автохтонные (получающиесяся в самых водоемах),
так и аллохтонные (поступающие извне) частицы. Автохтонные компоненты включают
продукты разрушения (абразии) берегов, элементы, которые выпадают из раствора,
остатки отмерших гидробионтов. Аллохтонные компоненты приносятся стоком, ветром,
могут поступать в результате хозяйственной деятельности человека (сброс сточных
вод).
Интенсивность формирования, мощность, гранулометричний и химический состав
донных отложений зависят от физико-географических условий бассейна и
совокупности процессов, которые происходят в самых водоёмах. По мере
хозяйственного освоения водосборов и водоёмов всё большее значение в
формировании донных отложений приобретает антропогенное влияние (распашка
водосборов, сбрасывание сточных вод и др.) [4].
Накопление загрязняющих веществ в донных отложениях
Донные отложения поверхностных водотоков традиционно используются как
индикатор для выявления состава, интенсивности и масштаба техногенного
загрязнения. В большой степени это обусловлено тем, что русловые отложения, как
важнейшие компоненты гидроэкосистем, являются конечным звеном местных
ландшафтных соединений, в силу чего их состав отражиет геохимические особенности
водосборных территорий.
Особенно ярко подобная зависимость обнаруживается в бассейнах рек
урбанизированных районов, где большинство водотоков являются основными
приёмниками сточных вод и загрязненного промышленными выбросами, отходами и
агромелиорантами поверхностного стока с освоенных территорий.
Это приводит к коренному изменению экологического состояния водотоков,
которое, в частности, обусловлено формированием в них протяжных и комплексных по
составу геохимических аномалий, которые наиболее полно проявляются в современных
русловых отложениях. Образование техногенных отложений обусловлено изменением
условий формирования твердого стока рек и поступлением в водные объекты
значительных масс твердого материала, который имеет специфические геохимические
свойства. Именно техногенные отложения являются концентраторами основной массы
загрязняющих водные системы веществ, которые в значительной мэр определяет
необходимость детальных исследований их вещественного состава, геохимических
особенностей и экологического значения.
Эти исследования должны проводится с учетом следующих положений:
- донные отложения рек играют важную роль в формировании химического состава
естественных вод и определяют много особенностей экологии водных систем;
- донные отложения рек служат надёжным индикатором техногенного загрязнения;
изучение их литолого-геохимических особенностей позволяет определить состав,
установить масштабы и оценить интенсивность техногенного влияния на водотоки,
обнаружить структурно-морфологические особенности зон техногенного
загрязнения;
- масштабы и интенсивность техногенного осадонакопления в реках
промышленно-урбанизированных районов настолько велики, что здесь формируется
особый тип аллювиальных отложений (техногенные отложения, или технопель), что
определяют эколого-геохимические особенности речных систем, специфику
проявления русловых процессов и часто представляют непосредственную угрозу
весь живому;
- техногенные отложения, депонируя загрязняющие вещества, в определенной
степени обезвреживают токсичные выбросы техногенеза, в особенности на
начальных этапах загрязнения; однако буферная способность отложений
относительно загрязнителей не безграничная; даже при полном прекращении
сбрасывания сточных вод в водотоки отложения продолжительное время являются
вторичным источником загрязнения водной массы, биоты, пойменных ландшафтов, а
химические реакции и микробиологические процессы, которые происходят в них,
оказывают содействие образованию подвижных и токсичных соединений многих
загрязнителей;
- оценка экологического состояния речных систем обязательно должна
проводиться с учётом вещественного состава, геохимических свойств и
токсикологической опасности техногенных отложений.
Техногенные отложения могут быть охарактеризованы как сложные
органоминеральные образования, вещественной основой которых служит материал,
который поступает в водотоки преимущественно с промышленно-бытовыми сточными
водами, и русловый аллювий. В большинстве случаев именно техногенные отложения
являются концентраторами основной массы загрязнителей, активно влияют на ход
руслового процесса и определяют экологическое состояние речных систем.
Можно считать, что техногенные отложения, которые формируются в руслах рек
промышленно-урбанизированных районов, представляют собой специфический
техногенный вид руслового аллювия и является новым типом современных осадочных
образований, совокупность процессов образования которых может быть названная
техногенным аллювиальным седиментогенезом [5].
Распространяясь в водной среде, ядовитые вещества (токсиканты) не только
растворяются в воде, а и частично инактивируются, вступая в взаимодействие между
собой (нейтрализация, комплексообразование и прочие реакции), или же
образовывают новые соединения, более токсичные, чем исходные. Значительная часть
токсикантов адсорбируется взвешенными веществами и под влиянием гравитационных
сил оседает на дно, где накапливается в донных отложениях, в особенности иле,
включается в кругооборот веществ дна или же мигрирует в глубинные пласты донных
отложений, где подлежит диагенетическим преобразованием.
Возрастающие темпы антропогенного действия на водные экосистемы приводят к
значительному накоплению загрязняющих веществ в твердофазних объектах водных
екосистем (в донных отложениях и взвешенных веществах).
Донные отложения - важный компонент водных екосистем. Аккумулируя тяжёлые
металлы, високотоксичные органические вещества, донные отложения с однои стороны
оказывают содействие самоочищению водной среды, тем не менее с другой -
представляют собой постоянный источник вторичного загрязнения
водоёмов.
Основная часть загрязняющих веществ в екосистемах из воды переходит в донные
отложения, в результате чего грунты часто содержат высокие концентрации
загрязняющих веществ, в то время как их концентрация в воде может и не быть
повышенной.
Влияние токсикантов депонированных в донных отложениях на
гидробионтов
Вследствие накопления разнообразных химических веществ, которые проявляют
токсичное влияние на водные организмы, природная вода и донные отложения
приобретают новое свойство - токсичность. Из среды, которая поддерживает жизнь,
вода становится средой агрессивной, отравляющей для живых организмов
[6].
Влияние токсикантов на биоту осуществляется через несколько основных
процессов:
- биофильтрация (планктонные ветвистоусые ракообразные, некоторые веслоногие
рачки-фильтраторы, двухстворчатые моллюски, толстолобик);
- всасывание корневой системой водных растений;
- передача по трофическим цепям с последующим накоплением в высших
трофических звеньях, в особенности в хищных и бентосоедных рыбах и рыбоедных
птицах (магнификация).
Описанные процессы, с однои стороны, играют положительную роль,
предопределяя самоочищение водных масс, а с другой - приводят к прогрессирующей
интоксикации биоты водоёмов. Возрастание уровня аккумуляции токсикантов во
времени является фактором, который приближает экологические катастрофы и
приводит сперва в непригодность рыбу и рыбопродукты для пищевых и кормовых целей
вследствие превышения санитарно-гигиенических норм максимально допустимого их
содержимого, а потом - массовую гибель рыб от кумулятивного токсикоза [6].
Нарушается также воспроизводительная функция за счет аккумуляции токсикантов в
гонадах и разрушение генофонда рыб.
Накопление загрязнений приводит к токсикации водоёмов, которая даёт большой
спектр биологических реакций, в частности откликов планктонных группировок, а
для стоков многокомпонентного состава вызывает такие основные изменения в
структуре и функционировании планктоценозов:
- при умеренном загрязнении флуктуация видового состава, угнетение
воспроизводительной способности доминирующих видов, экстремальные колебания
численности и биомассы;
- при повышенном загрязнении, если в экосистеме происходят репарационные или
детоксикационные процессы, структура группировок переходит в другое качество,
происходит изменение доминант; разнообразие создают нестойкие виды, выпадает
из состава планктона часть экологических группировок, повышается
представленность резистентных видов, преобладают виды с короткой
продолжительностью жизни и высокой репродуктивной стойкостью; изменяется
размерная структура группировок в сторону преобладания популяций маленького
размера;
- в случае наибольшего влияния сточных вод группировки переходят в состояние
хаоса: наблюдаются их деструктурированность, агония и гибель почти всей фауны.
Водная экосистема теряет буферность, но она все же может оставаться довольно
стойкой, если на роль доминанты выходит популяция, резистентная к токсичным
влияниям (например, Moina ectirostris) [6].
Перечень нерешённых проблем и вопросов
Исходя из анализа материалов и разработок по теме, следует сказать, что
наиболее изученными являются экосистемы крупных рек, таких как Днепр, Днестр,
Дунай, Южный Буг, Северский Донец, Западный Буг [7]. Существует большое
количество методик для оценки гидрохимических показателей природных вод. Однако,
в последнее время всё чаще прибегают к гидробиологическим исследованиям качества
вод (методы биотестирования и биоиндикации), поскольку они спобны дать
комплексную оценку воздействия вносимых в водоём загрязнений на функционирование
экосистемы [8]. В отличие от физико-химических методов определения загрязняющих
веществ, методы биоиндикации и биотестирования в Украине ещё слабо изучены. Для
оценки относительной токсичности воды и донных отложений национальными
нормативными документамии рекомендуют ипользовать лабораторную культуру Daphnia
magna. Высшие сосудистые растения - лук обычный Allium cepa, салат посевной
Lactuca sativa, предложены как чувствительные тест-объекты канадской
лабораторией по программе WaterTox. Данные методики описаны в стандартах для
стран ЕС. В Украине вопросами разработки методик биотестирования занимается
Киевский институт гидробиологии, сотрудники которого предложили микроядерный
тест как метод оценки генотоксичности воды.
Текущие и планируемые результаты
Пробы воды и донных отложений были отобраны в 2006 г. согласно со
стандартными методиками [9, 10].
Для исследований пробы воды отбирали пластмассовым батометром Молчанова
объемом 4 л, донных отложений - дночерпателем Петерсона с площадью захвата 0,025
м2. Пробы пласта воды отбирались на глубине 5-10 см от поверхности.
Отбирался поверхностный пласт донных отложений мощностью 1-5 см.
Таким образом было отобрано 3 пробы вод и 3 пробы донных отложений: одна
проба в точке сброса очищенных производственных сточных вод, две другие точки -
на 200 м выше и ниже первой точки отбора проб.
Анализ проб проводился на базе Донецкого филиала Государственного
экологического института министерства охраны окружающей природной среды Украины
в аналитической лаборатории сточных вод и промышленных отходов.
Гидрохимический анализ проводился по стандартными методиками: рН [11], сухой
остаток [12], жесткость [13], нитраты [14], нитриты [15], аммоний [16], ХПК
[17], БПК5 [18], тяжёлые металлы [19], нефтепродукты [20].
Полученные результаты анализа вод сведены в таблицу 1.
Таблица 1 - Результаты анализа вод р. Осыкова в апреле 2006 г.
| Показатели качества воды |
Выше выпуска |
Выпуск |
Ниже выпуска |
| pH |
7,6 |
8,0 |
7,4 |
| Взвешенные вещества, мг/дм3 |
14 |
9 |
18 |
| Сухой остаток, мг/дм3 |
2856 |
840 |
2550 |
| БПК5, мг О2/дм3 |
4,2 |
4,0 |
4,0 |
| ХПК, мг О2/дм3 |
31 |
29 |
28 |
| Азот аммонийный мг/дм3 |
менее 0,11 |
менее 0,11 |
менее 0,11 |
| Нитраты, мг/дм3 |
13,5 |
74,2 |
21,8 |
| Нитриты, мг/дм3 |
менее 0,03 |
менее 0,03 |
менее 0,03 |
| Растворённые ортофосфаты, мг/дм3 |
менее 0,05 |
0,77 |
0,27 |
| Нефтепродукты и масла, мг/дм3 |
менее 0,03 |
менее 0,03 |
0,3 |
| Токсичность для Daphnia magna [21] |
Отсутствует |
Острая |
Хроническая |
Донные отложения были проанализированы на содержание тяжёлых металлов с
целью определения коэффициентов донной аккумуляциии.
Полученные результаты анализа донных отложений сведены в таблицу
2.
Таблица 2 - Результаты анализа донных отложений р. Осыкова в апреле 2006
г.
| Показатели качества донных отложений |
Выше выпуска |
Выпуск |
Ниже выпуска |
| Сульфаты, мг/кг |
5,2 |
7,4 |
7,6 |
| Нитраты, мг/кг |
33,2 |
- |
30,6 |
| Нефтепродукты, мг/кг |
538,0 |
16,0 |
6,2 |
| Цинк, мг/кг |
914,9 |
96,0 |
30,0 |
| Медь, мг/кг |
46,39 |
5,50 |
0,40 |
| Свинец, мг/кг |
1,3 |
7,8 |
4,5 |
| Кадмий, мг/кг |
0,28 |
0,36 |
0,10 |
| Марганец, мг/кг |
7,7 |
5,5 |
2,5 |
| Хром, мг/кг |
1,7 |
0,5 |
0,3 |
| Никель, мг/кг |
34,0 |
1,5 |
0,3 |
Для оценки относительной токсичности воды и донных отложений использовали
лабораторную культуру Daphnia magna, рекомендованную национальными нормативными
документами. Применение этой культуры также рекомендуется многими авторами [24,
25, 26].
Острые тесты на токсичность с использованием ветвистоусых ракообразных
Daphnia magna.
В острых опытах на ветвистоусых рачках в качестве тест-организмов
использовалась синхронизированная генетически однородная лабораторная культура
дафний, выведенная от 1 самки с пойменних водоемов Днепра и поддерживаемая в
лабораторных условиях уже на протяжении 35 лет. Критерием токсичности в острых
опытах служила смертность тест-организмов относительно контроля. Параллельно с
анализом проб проводилось определение пригодности культуры для биотестирования.
Диапазон реагирования дафний для растворов эталонного вещества - калия
двохромовокислого (Сr6+) - 0,35-0,6 мг/л.
В соответствии с [21] для проверки токсичности использовалась молодые дафнии
возрастом 1-2 суток. Для получения необходимого количества одновозрастных особей
за 2 дня до постановки эксперимента было проведено "разведение культуры". Для
этого в емкости с раствором питательной среды объемом около 1-1,5 л отбирались с
помощью пипетки с широким носиком 12-20 беременных самок.
Через 48 часов проводилась розсадка молодых дафний в исследуемые образцы вод
и водных вытяжек (по 10 шт. в один 50 мл стаканчик с исследуемой водой), а также
в контрольный раствор (искусственная питательная среда). Для любого тестируемого
образца проводились три измерения.
На протяжении эксперимента дафнии не аэрировались и не кормились.
Результаты наблюдались через 48 часов. Проводился подсчет количества
погибших за это время животных. По этими данным вычислялось выживание (или
смертность) объектов в разных пробах. Вода (водная вытяжка) считается остро
токсичной, если гибель тест-организмов за 48 ч. составляет 50 и больше
процентов.
Планирутся провести биотестирование проб воды и донных отложений ещё по двум
методикам:
- Биотест на токсичность по изменению длины корешков салата посевного
Lactuca sativa L.;
- Биотестирование проб на генотоксичность с помощью лука обыкновенного
(Allium cepa L.) [22, 27].
Метод биотестирования на луке обыкновенном- лёгкий и чувствительный способ
определения общей токсичности, вызванной химическим влиянием, который выражается
в ингибировании роста корешков луковиц [22]. Метод дополняется цитогенетической
оценкой влияния на тест-объект и позволяет определить наличие или отсутствие
мутагенности пробы. Мутагенность проб выражается в образовании микроядер в
процессе митоза клеток тест-объекта (рис. 1, 2).
.gif){kind=small}
.gif)
