способ оценки состояния водоисточника в зоне стоков сельскохозяйственного предприятия

Формула изобретения

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.

Описание изобретения к патенту

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 (NН 3 мг/л)	Активность уреазы (NН3 мг/л)	Коэффициент потенциальной активности фермента (КПУ)
9.06.2000	1к 1	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.