Влияние фитопланктона на качество воды поверхностных водных источников и питьевой воды

Полный текст

Введение Более 40 % мирового населения сталкиваются с проблемой нехватки воды. Обеспечение питьевой водой нормативного качества является одной из целей устойчивого развития. Даже в регионах, количественно обеспеченных водой, возникают проблемы с ее качеством. Качество питьевой воды обусловлено качеством воды в водных объектах - источниках питьевого водоснабжения и зависит от природных и антропогенных факторов, влияющих на содержание минеральных и органических примесей природного и антропогенного происхождения [1]. Проблемы возникновения запахов в питьевой воде зафиксированы в мире и Российской Федерации: Москва, Ижевск, Екатеринбург, Качканар, Новокузнецк, Хабаровск, Пермь. Особенностью возникновения неприятных запахов в воде является их эпизодичность, связанная с периодами массового развития цианобактерий [2]. Развитие некоторых видов диатомовых, сине-зеленых, зеленых и жгутиковых водорослей является причиной ухудшения органолептических свойств питьевой воды. Применение традиционной технологической схемы водоподготовки (коагуляция - осаждение - фильтрация - обеззараживание) не позволяет полностью удалить одоранты из питьевой воды. Анализ предметной области Наиболее часто в питьевой воде проявляются запахи земли и плесени, характерные для таких веществ в воде, как геосмин и 2-метилизоборнеол (МИБ), являющихся продуктами жизнедеятельности актиномицетов, цианобактерий и многих видов водорослей [1; 3]. Общее количество видов, являющихся источниками одорантов, неизвестно. В природных водах геосмин и 2-метилизоборнеол могут встречаться совместно и по отдельности. Запахи могут проявляться в водоисточнике, появляться в процессе водоподготовки и водораспределения. Известно, что при лабораторном культивировании цианобактерий одоранты выделяются на всех этапах роста культуры, но в природных водоемах интенсивность «цветения» водоема не всегда связана с интенсивностью проявления одорантов [2]. Наиболее часто запах в питьевой воде появляется весной и в конце лета - начале осени [3; 4]. В нормальных условиях роста цианобактерий количество одорантов, выделяемых ими незначительно, не представляет проблемы. При воздействии на них стрессовых факторов (отклонение от оптимальных степени освещенности, температуры, рН среды, скорости течения, содержания биогенных элементов и др.) количество продуцируемых одорантов повышается [3; 5] в результате их естественной гибели и их разрушения гетеротрофными организмами (грибами, актиномицетами и мелкими ракообразными). В современных условиях в связи с глобальными изменениями климата Земли можно ожидать повышения степени распространения цианобактерий в водных объектах ввиду: · повышения температуры воды в водных объектах, расширения ареала обитания цианобактерий; · увеличения содержания биогенных веществ в водных объектах; · повышения частоты засух, приводящих к понижению уровня воды в водоемах, увеличению степени освещенности придонных слоев, формированию благоприятных для цианобактерий условий. Наблюдения за развитием фитопланктона Волчихинского водохранилища (Свердловская область) позволили установить [4], что запах в воде появляется при резкой смене доминирующих видов Aphanizomenon flos-aquae и Oscillatoria agardhii. Aphanizomenon flos-aquae и Oscillatoria agardhii являются продуцентами геосмина, а Oscillatoria agardhii еще и МИБ. Совместное присутствие данных видов, даже при доминировании одного из них, не приводило к появлению запахов. Запах воды из Ижевского пруда характеризовался как запах «дуста». При идентификации состава фитопланктона выделено более 250 видов и внутривидовых таксонов. Зеленые водоросли были представлены в основном родом Scenedesmus, Pediastrum, Oocystis, Tetraedron, Monoraphidium. Из диатомовых водорослей присутствовали представители родов Aulacoseira, Asterionella, Diatoma, Stephanodiscus, Navicula, Fragilaria, Synedra, Nitzschia. Виды сине-зеленых водорослей были представлены преимущественно Aphanizomenon flos-aquae, Microcystis aeruginosa, Microcystis pulverea, Merismopedia tenuissima, Oscillatoria agardhii, Anabaena flos-aquae, Woronichinia compacta, Woronichinia naegeliana. Наблюдениями было установлено, что «цветение» воды совпадает с массовым развитием Aphanizomenon flos-aquae [4; 5], при этом в воде содержался геосмин. Отмечалось появление запаха в воде Ижевского пруда, совпадающее с массовым развитием вида Oscillatoria agardhii, ставшим в последующем доминирующим. Анализ научно-технической информации [2-6] позволил выявить основные виды планктонных организмов, являющихся источником одорантов, приоритетные химические вещества, продуцируемые ими, и характер запахов (табл. 1). Проблема снижения содержания одорантов в питьевой воде должна решаться комплексно и включать решение следующих задач [5]: 1) мониторинг количества цианобактерий и содержания цианотоксинов в водоисточнике; 2) снижение количества цианобактерий, содержания одорантов и цианотоксинов в водоисточнике; 3) удаление одорантов и цианотоксинов из питьевой воды. Таблица 1. Одоранты, продуцируемые водорослями и цианобактериями [6] № Химическое вещество Характер запаха ПКЗ*, мг/дм3 Виды - источники одоранта 1. Диметилсульфид C2H6S Капусты, сероводорода 0,1 Asterionella formosa; Nitzschia actinastroides; Diatoma elongate; Ochromonas danica; Ochromonas malhamensis; Chlamydomonas globose - 1 Anacystis nidulans; Synechococcus cedrorum; Oscillatoria chalybea; Oscillatoria tenuis; Phormidium autumnale; Plectonema boryanum - 2 2. Диметилдисульфид C2H6S2 Септика, чеснока, гнили < 0,4 Microcystis aeruginosa; Microcystis wesenbergii - 2 3. Диметилтрисульфид C2H6S3 Септика, чеснока, гнили, болота 0,001 Microcystis aeruginosa; Microcystis wesenbergii - 2 4. Изопропилдисульфид [(CH3)2CH]2S2 Лука, мяса, сероводорода - Microcystis flos-aquae - 2 5. 6-метил- 5-гептен-2-он (CH3)2C=CHCH2 CH2COCH3 Капусты, фруктов, эфира 5,04 Aulacoseira granulata; Cyanidium caldarium; Scenedesmus subspicatus; Syncrypta sp.; Synura sp. - 1 Anabaena cylindrica; Microcystis aeruginosa; Synechococcus sp. - 2 6. 2,6,6-триметил-1-циклогенсен-1-карбоксальдегид или β-циклоцитраль C10H16O Табачного дыма, плесени 1,93 Scenedesmus subspicatus; Dinobryon cylindricum; Uroglena sp.; Ulothrix fimbriata - 1 Microcystis aeruginosa; Microcystis flos-aquae; Microcystis botrys; Microcystis viridis; Microcystis wesenbergii - 2 7. Экзо-1,2,7,7-тетраметилбицикло [2.2.1] гертан- 2-ол или 2-метилизоборнеол C11H20O Земли, затхлый, камфоры 0,0015 Hyella sp.; Jaaginema geminatum (syn. Oscillatoria geminate); Leibleinia aestuarii; Oscillatoria curviceps; Oscillatoria limosa; Oscillatoria tenuis; Oscillatoria variabilis; Phormidium breve (syn. Oscillatoria brevis); Phormidium favosum; Phormidium tenue (syn. Oscillatoria tenuis); Phormidium LM689, Phormidium sp.; Planktothrix agardhii (syn. Oscillatoria agardhii); Planktothrix cryptovaginata (syn. Lyngbya cryptovaginata); Planktothrix perornata f. attenuate; Porphyrosiphon martensianus (syn. Lyngbya martensiana), Pseudanabaena articulate; Pseudanabaena catenata; Pseudanabaena limnetica (syn. Oscillatoria lill1netica); Tychonema granulatum (syn. Oscillatoria f. granulata) - 2 8. Геосмин C12H22O Земли, затхлый 0,0004 Anabaena circinalis; Anabaena crassa, Anabaena lemmermannii; Anabaena macrospora; Anabaena planctonica; Anabaena solitaria; Anabaena viguieri; Anabaena millerii; Aphanizomenon flos-aquae; Aphanizomenon gracile, Geitlerinema splendidum (syn. Oscillatoria splendida); Leibleinia subtilis (syn. Lyngbya subtilis); cf. Microcoleus sp.; Phormidium allorgei (syn. Lyngbya allorgei); Phormidium amoenum (syn. Oscillatoria amoena); Phormidium breve (syn. Oscillatoria brevis); Phormidium cortianum (syn. Oscillatoria cortiana); Phormidium formosum (syn. Oscillatoria formosa); Phormidium simplicissimum (syn. Oscillatoria simplicissima); Phormidium uncinatum; Phormidium viscosum; Phormidium sp.; Planktothrix agardhii (syn. Oscillatoria agardhii); Planktothrix prolifica (syn. Oscillatoria prolifica); Pseudanabaena catenata; Schizothrix muelleri; Symploca muscorum; Tychonema bornetii (syn. Oscillatoria bornetii); Tychonema granulatum (syn. Oscillatoria f. granulata) - 2 Окончание табл. 1 № Химическое вещество Характер запаха ПКЗ*, мг/дм3 Виды - источники одоранта 9. 4-(2,6,6-триметил-1-циклогексенил)-3-бетен-2-он или β-ионон C13H20O Фиалки, фруктов 0,0007 Cyanidium caldarium; Scenedesmus subspicatus; Synura sp. - 1 Anabaena cylindrica; Aphanizomenon gracile; Synechococcus 6911 - 2 10. 1,2-дигидро-1,1,6-триметилнафталин C13H16 Солодки - Cyanidium caldarium - 1 11. Транс-3,7-диметил-2,6-октадиен-1-ол C10H18O Сладковатый, цветов, фруктов, роз, воска, цитрусов 7,71 Synechococcus 6911 - 2 12. Геранилацетон C13H22O Свежести, зелени, фруктов, воска, роз, деревьев, магнолии 0 Cyanidium caldarium; Scenedesmus subspicatus - 1 13. Цис-3,7-диметил-2,6-октадиен-1-ол, нерол C10H18O Сладковатый, цитрусов, магнолии 29,3 Synechococcus 6911 - 2 14. (Е,Е)2,4-декадиеналь C10H16O Прогорклый / рыбный 1,98 Dinobryon divergens; Dinobryon cylindricum; Mallomonas papillosa; Synura petersenii; cf. Syncrypta sp.; Uroglena americana; Uroglena sp.; Fragilaria sp.; Cryptomonas rostratiformis; Peridinium willei - 1 15. 2,4,7-декатриеналь C10H14O Прогорклый / рыбы 1,95 Dinobryon divergens; Dinobryon cylindricum; Synura petersenii; Uroglena americana; Uroglena sp. (UTCC276) - 1 Microcystis papillosa; Microcystis varians - 2 16. Эктокарпен C11H16 Зелени томатов - Amphora veneta; Gomphonema parvulum; Phaeodactylum tricornutum; Skeletonema costatum; Lithodesmium undulatum; Ectocarpus spp. - 1 ПКЗ* - Пороговая концентрация запаха; 1 - эукариотические водоросли; 2 - цианобактерии. В большинстве стран не установлены требования по обязательности контроля за численностью цианобактерий и содержанием цианотоксинов в источниках питьевого водоснабжения. Глобальной коалицией центров по изучению водных ресурсов (Global water research coalition) на основании существующего опыта разработаны принципы мониторинга численности цианобактерий в водных объектах [7]: визуальная оценка состояния водоисточника, отбор проб воды для изучения видового состава цианобактерий и определения их численности, определение содержания цианотоксинов. Для оценки опасности загрязнения водоисточника цианобактериями [8; 9] выделены уровни опасности и предложены программы их мониторинга (табл. 2). Косвенными методами определения уровня загрязнения воды цианобактериями являются определение концентрации хлорофилла α в воде [9] и определение вегетационного индекса [10]. Указанные методы реализуются в том числе дистанционно. В странах Европейского Союза концентрации хлорофилла α является регулярно контролируемым параметром в рамках реализации Водной рамочной директивы. Таблица 2. Уровни опасности по загрязнению воды цианобактериями [8; 9] Опасность Характеристика уровня Рекомендации Низкая 500-2000 клеток цианобактерий в 1 мл воды Регулярный мониторинг, идентификация доминирующего вида. Отбор проб воды 1 раз в неделю, определение количества клеток цианобактерий. Визуальное обследование водоема для выявления признаков его «цветения» Средняя 2000-6500 клеток цианобактерий в 1 мл воды Отбор проб воды 2 раза в неделю. Оценка роста популяции и видового разнообразия. Оценка необходимости контроля токсичности воды и мониторинга содержания токсинов Высокая Более 6500 клеток цианобактерий в 1 мл воды Оценка возможного риска для здоровья человека по данным мониторинга содержания токсинов. Разработка рекомендаций для потребителей, использующих воду, не прошедшую водоподготовку. Отбор проб воды ежедневно. Мониторинг содержания цианотоксинов в питьевой воде Очень высокая Более 65 000 клеток цианобактерий в 1 мл воды Информирование надзорных органов. Рекомендации для потребителей, использующих воду, не прошедшую водоподготовку. Оценка токсичности или содержания цианотоксинов в источнике водоснабжения и в питьевой воде. Мониторинг водоема. При высокой степени опасности для здоровья населения использование альтернативных источников питьевого водоснабжения Снижение численности цианобактерий в водоемах В настоящее время для снижения численности цианобактерий в водоемах[24] [5; 7; 10-15] предложено применять физические, химические и биологические методы (табл. 3). Таблица 3. Методы снижения численности цианобактерий в водоемах Метод Мероприятия Физический Искусственная дестратификация, аэрация, перемешивание. Очистка дна для удаления бентосных водорослей и питательных веществ. Обработка ультразвуком для замедления роста цианобактерий и их гибели Химический Контроль содержания питательных веществ: гиполимническая оксигенация, осаждение и «кэпирование» фосфора. Контроль численности цианобактерий: применение коагулянтов и веществ с альгицидным и альгистатическим действием Биологический Применение вирусов и инфекционных бактерий. Регулирование трофической структуры водной экосистемы с преобладанием численности гетеротрофов, питающихся цианобактериями или конкурирующих с ними за питание Устранение цианобактерий и цианотоксинов из питьевой воды Известны следующие способы снижения количества цианобактерий и цианотоксинов из питьевой воды, подаваемой потребителям: 1) использование альтернативных источников водоснабжения; 2) предотвращение попадания цианобактерий и/или цианотоксинов при заборе воды из источника водоснабжения, в том числе изменение уровня водозаборного оголовка; 3) очистка воды от цианобактерий и/или цианотоксинов. Характеристика методов очистки воды от цианобактерий и продуцируемых ими цианотоксинов представлена в табл. 4. На первом этапе очистки воды рекомендуется удалять цианобактерии вместе с содержащимися в них цианотоксинами и одорантами методами предварительного окисления, коагуляции, седиментации, фильтрации и флотации. В процессе водоподготовки целесообразно применять микро-, ультрафильтрацию металлическими или тканевыми фильтрами с разным размером пор. Известно применение наномебран, в том числе из полимерных биоразлагаемых материалов [19]. Извлечение из воды клеток цианобактерий седиментацией и флотацией позволяет предотвратить их разрушение и поступление одорантов в воду. При седиментации извлекается до 80 % цианобактерий, при флотации - до 98 % [21]. На эффективность применения коагулянтов и флокулянтов влияют вид цианобактерий. Исследованиями [21] показаны преимущества полимерных коагулянтов в сравнении с солями металлов: более высокая эффективность, легкое отделение образующегося осадка, возможность применения в более широком диапазоне рН среды и температур [19]. Таблица 4. Характеристика методов очистки воды от цианобактерий и цианотоксинов [1; 5; 7; 15-24] Метод Эффективность применения Удаление внутриклеточных цианотоксинов (интактные клетки) Предварительное окисление Может привести к лизису клеток и последующему выбросу цианотоксинов в воду. В случае применения окисления для очистки от других загрязнений необходимо использовать низкие дозы окислителей, не вызывающие лизис клеток (перманганат калия). При использовании высоких доз они должны быть достаточными для разрушения токсинов Коагуляция, седиментация, фильтрация Применяют для удаления внутриклеточных токсинов в случаях, когда клетки способны агрегироваться в легко отделяемых осадок Отделение на мембранах Мало данных. Предположительно эффективно для удаления внутриклеточных токсинов. Микрофильтрация и ультрафильтрация не эффективны, если клетки аккумулируются на мембране Флотация Эффективна для удаления внутриклеточных цианотоксинов Удаление внеклеточных цианотоксинов (растворенных) Отделение на мембранах Зависит от материала, размера пор мембраны и качества воды. Нанофильтрация эффективна для удаления внеклеточных микроцистинов. Для удаления внеклеточного микроцистина и цилиндроспермопсина используют обратный осмос Окисление перманганатом калия Эффективен для окисления микроцистинов и анатоксинов Озонирование Эффективен для окисления внеклеточного микроцистина, анатоксина-α и цилиндроспермопсина Хлорамины Не эффективны Хлорирование Эффективен для окисления внеклеточных цианотоксинов при рН=8 и ниже. Не эффективен для анатоксина-α УФ-облучение В высоких дозах эффективно для разрушения микроцистина и цилиндроспермопсина Сорбция активированными углями Эффективность порошкообразного активированного угля зависит от типа и размера пор. Древесный активированный уголь эффективен для адсорбции микроцистинов (в дозах более 20 мг/дм3), не эффективен для удаления сакситоксинов, вкуса и запаха. Гранулированный активированный уголь эффективен для удаления микроцистинов, менее эффективен для удаления анатоксина-α и цилиндроспермопсина Для снижения интенсивности запахов в питьевой воде недостаточно удалить только клетки цианобактерий, необходимо очистить ее от цианотоксикантов. Применение для этих целей сорбентов, в частности активированных углей, является наиболее эффективным и технически доступным методом. Порошкообразные активированные угли (ПАУ) применяют совместно с коагулянтами или после очистки ими. Показана эффективность их введения в виде суспензии с дозой 1-7 мг/дм3 в воду в начало технологического процесса с последующим удалением в процессе очистки. Преимуществом ПАУ является возможность его кратковременного использования, недостатком - невозможность его повторного использования. Гранулированный активированный уголь (ГАУ) целесообразно применять на заключительных этапах водоочистки. Преимуществом ГАУ является большая адсорбирующая поверхность, позволяющая использовать его для извлечения из воды широкого спектра органических веществ. В качестве недостатка ГАУ можно отметить необходимость его регенерации и замены. Высокая эффективность удаления из воды цианотоксинов достигается при использовании электроактивных полимеров [22]. Например, наночастицы оксида железа (II, III) в пленке полипиррола эффективно извлекают из воды микроцистис и цилиндроспермопсин. К преимуществам электроактивных полимеров в сравнении с традиционными сорбентами относятся более высокая сорбционная емкость (238-300 мкг/мг), малое время контакта (8-15 минут), увеличенное количество циклов использования. Реагентное окисление, озонирование и обработка воды ультрафиолетом [5; 7; 23] могут сопровождаться образованием токсичных побочных продуктов, например тригалометанов. Исследования в области окисления цианотоксинов позволили определить эффективность метода, объединяющего электролиз и гетерогенный фотокатализ. Применение метода электролиза позволяет снизить концентрацию микроцистинов на 49 %, применение фотокатализа - на 41 %, а их совместное применение - на 99 % [24]. Несмотря на эффективность применения озонирования, его распространение ограничивается высокой стоимостью реализации. Снижение затрат на озонирование достигается при использовании микропузырьков озона, генерируемых низкотемпературным плазменным реактором на основе диэлектрического барьерного разряда со встроенным жидкостным осциллятором [5; 25]. Эффективность использования методов устранения одорантов различного происхождения из воды [6] представлена в табл. 5. Использование О3 в дозах 1-15 мгО3/дм3 или Н2О2 с концентрацией 1-15 мг/дм3 приводит к снижению суммарного содержания одорантов (геосмин и МИБ) до 50 % и снижению интенсивности запаха с 4 до 3 баллов. Совместное применение О3 и Н2О2 показало большую эффективность [3]. В целом применение окислительных агентов для дезодорации воды менее эффективно, чем применение ПАУ. Финишная хлораммонизация практически не влияет на уровень запаха питьевой воды. Вторичное хлорирование очищенной воды без аммонизации может привести к появлению хлорного запаха. Таблица 5. Методы устранения одорантов из воды № Одорант Эффективно Не эффективно 1. Геосмин О3, УФ/Н2О2, О3/ Н2О2, активированный уголь, биологический метод Cl2, ClO2, КМnО4, хлорамины, аэрация 2. 2-метилизоборнеол О3, УФ/Н2О2, О3/ Н2О2, активированный уголь, биологический метод Cl2, ClO2, КМnО4, хлорамины, аэрация 3. Диметилдисульфид, Диметилтрисульфид Окисление, активированный уголь, биологический метод Хлорамины 4. Хлорированные соединения Активированный уголь Биологический 5. Сероводород Аэрация, окисление - 6. Низкомолекулярные ароматические и алифатические соединения Аэрация, активированный уголь Окисление 7. Фенол, хлорфенолы О3, ClO2, активированный уголь, биологический метод Cl2, хлорамины, КМnО4, 8. Бентосное цианобактериальное цветение Оптимизация уровня воды в водоемах - Заключение 1. Повышенная антропогенная нагрузка, сопровождающаяся поступлением биогенных элементов со сточными водами, и изменение климата Земли, способствующее увеличению содержания цианобактерий за счет расширения ареала их обитания, приводит к повышению частоты возникновения случаев появления запахов в питьевой воде. 2. Наиболее часто причиной возникновения запахов в питьевой воде является развитие в воде водоисточника Aphanizomenon flos-aquae; Oscillatoria agardhii; Microcystis flos-aqua; Microcystis viridis. 3. Для контроля численности цианобактерий в источниках питьевого водоснабжения необходимо проводить мониторинг, в том числе методами дистанционного зондирования. 4. Для удаления большинства видов одорантов, продуцируемых цианобактериями, целесообразно сочетание методов озонирования и сорбции. 5. Порошкообразные активированные угли целесообразно вводить в начале технологического процесса очистки. Гранулированные активированные угли обычно используют на заключительных стадиях.

Об авторах

Елена Васильевна Калинина

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: Kalininaelena1@rambler.ru
ORCID iD: 0000-0001-6965-4895
SPIN-код: 9259-4503

кандидат технических наук, доцент, кафедра охраны окружающей среды

Российская Федерация, 614990, Пермь, Комсомольский проспект, д. 29

Лариса Васильевна Рудакова

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Email: larisa.rudakova.007@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-3292-8359
SPIN-код: 1705-6430

доктор технических наук, профессор, заведующая кафедрой охраны окружающей среды

Российская Федерация, 614990, Пермь, Комсомольский проспект, д. 29

Список литературы