Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
РАБОТА 6. БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА
ВОДНЫХ РЕСУРСОВ
Цель работы – ознакомление с основными направлениями экологической биотехнологии и экспериментальное изучение практического использования свойств микроорганизмов в природоохранной деятельности человека.
6.1. Теоретическая часть
Биотехнологию можно определить как совместное использование биохимии, микробиологии и химической технологии для промышленного применения полезных свойств микроорганизмов и культур тканей.
Экологическая биотехнология – это специфическое примене-ние биотехнологии для решения проблем защиты и восстановления окружа ющей среды.
К сфере экологической биотехнологии могут быть отнесены следующие основные направления природоохранной деятельности:
- аэробная и анаэробная биоочистка и стабилизация сточных вод;
- переработка твердых отходов, утилизация ила сточных вод;
- переработка отходов сельского хозяйства, биокомпостирова-ние;
- разложение галогенорганических загрязнений окружающей сре ды, генная инженерия;
- использование микроорганизмов в качестве гербицидов и био пестицидов;
- получение металлов методом «бактериального выщелачи-вания» сульфидных минералов.
6.1.1. Биологическая очистка сточных вод. Биологическая очистка – это широко применяемый на практике метод очистки производственных и бытовых стоков с помощью микроорганизмов – минерализаторов, которые используют органичес кие вещества в процессе своей жизнедеятельности. Сообщества этих микроорганизмов сформировались в окружающей среде в процессе дли тельной эволюции и являются важнейшими элементами экологических систем. Они включают множество различных бактерий, простейших и ряд более высокоорганизованных организмов – водорослей, грибов и т. д., связанных между собой в единый комплекс сложными взаимоотношениями (метабиоза, симбиоза и антагонизма).
Для биологической очистки сточных вод используются два типа процессов:
1) аэробные процессы, в которых микроорганизмы используют кислород, растворенный в сточных водах;
2) анаэробные процессы, в которых микроорганизмы не имеют доступа ни к свободному растворенному кислороду, ни к другим ак цепторам электронов, таким как нитрат-ион. В этих условиях в ка честве акцептора электронов микроорганизмы используют углерод, входящий в состав органических молекул.
Аэробная очистка сточных вод с точки зрения экологической биотехнологии наиболее важна для очистки и стабилизации сточных вод. Для этой цели существует много различных конструкций реакто ров, но в общем они разделяются на два основных типа: гомогенные реакторы (аэротенки, циркуляционные окислительные каналы) и реак торы, в которых неподвижная биопленка нанесена на инертный мате риал (биофильтры). В процессах с активным илом загрязнения в очи щаемых стоках окисляются взвешенными бактериальными флокулами, а в биофильтрах загрязнения окисляются в биопленке, образуемой бак териями, прикрепленными к твердой насадке.
В простейшем случае процесс очистки состоит из двух стадий: взаимодействие отфильтрованных (отстоявшихся) стоков с воздухом и частицами активного ила в аэротенке и отделения очищенной жидкос ти от частиц активного ила в отстойнике. Из отстойника удаляют большую часть свободной от твердых частиц жидкости над илом, а активный ил возвращается в аэротенк. Частицы активного ила предс тавляют собой флокулированную смесь бактерий и простейших.
Применительно к илу термин «активный» значит, что биомасса:
1) представляет собой микрофлору, содержащую все ферменты системы, необходимые для деградации загрязнений, которые следует удалить;
2) имеет поверхность с сильной адсорбционной способностью;
3) способна образовывать стабильные флокулы, которые легко осаждаются при отстаивании.
В активном иле идентифицированы бактерии множества различных видов, среди которых можно выделить только три основные группы: углеродокисляющие флокулообразующие бактерии, углеродокисляющие нитчатые бактерии, бактерии – нитрификаторы. Флокулообразователи необходимы не только для деградации, но и для образования ста бильных флокул, которые способны быстро осаждаться с образованием плотного ила в отстойнике. Нитрификаторы превращают аммонийный азот в нитраты:
NH3 + O2 NO;
NO + O2 NO.
Простейшие потребляют бактерии и обеспечивают низкую мутность выходных стоков. Всего было идентифицировано около 200 видов простейших, но именно инфузории (круглоресничные – прикрепленные к субстрату), такие как сувойки (Vortictlla), имеют наибольшее зна чение.
Механизм биологического окисления в аэробных условиях может быть представлен схемой:
Микроорганизмы + органические вещества + О2 + N + P новые микроорганизмы + CO2 + H2O + биологически неокисляемые вещества.
Реакция символизирует окисление исходных органических загряз нений и образование новой биомассы.
Для роста биомассы необходимы следующие условия:
- жизнеспособный посевной материал;
- источники энергии и углерода;
- все остальные питательные вещества, необходимые для роста биомассы;
- отсутствие ингибиторов роста;
- соответствующие физико-химические условия (температура, рН и т. д.).
Температура – важнейший фактор, влияющий на рост биомассы. Для классификации типов роста биомассы используются три темпера турных интервала: психрофильный рост, для которого оптимум температур лежит ниже 10 оС; мезофильный рост, для которого опти мум температур лежит между 15 и 40 оС и термофильный рост, для ко торого оптимум температур выше 50 оС. Большинство процессов биологической очистки проводят при мезофильных температурах.
Все процессы микробной очистки протекают в гетерогенных усло виях, включают сложную последовательность биологических реакций и лимитирующей стадией в большинстве случаев является стадия массо переноса.
Существенно влияет на рост биомассы и концентрация водородных ионов (рН среды). Биологическая очистка наиболее эффективна, если значение рН не выходит за пределы 5–9, оптимальной считается сре да с рН 6,5–7,5. Отклонение рН от 5–9 влечет за собой уменьшение скорости окисления вследствие замедления обменных процессов в клетке.
Физические свойства, которые в первую очередь влияют на микробиологические свойства системы, – это растворимость газов, вяз кость и др. Растворимость кислорода играет важнейшую роль в аэ робных процессах, так как в таких системах процесс переноса кис лорода часто является лимитирующей стадией. Далее, бактерии восп риимчивы к действию различных химических веществ, которые в зави симости от их природы либо ингибируют рост бактерий, либо убивают их. Широко известен ингибитор фенол, а хлор – бактерицидный агент.
Анаэробная очистка сточных вод наиболее типична для сбраживания ила. Уменьшение его массы и количества патогенной микрофлоры в нем протекает в реакторах, называемых сентиктенками. Сентик тенки представляют собой отстойники, в которых осевший ил подвергается анаэробной деградации в температурном интервале 34–38 оС, что экономически выгодно и к тому же допускает существование большего числа микроорганизмов.
Процессы анаэробного сбраживания загрязнений включают конверсию сложных органических субстратов, таких как полисахариды, липиды и белки, в метан и диоксид углерода и протекают, в основном, в бактериальной биомассе. Это симбио-тическое сообщество может менять используемые им пути ферментации, функционирует как саморегулирующаяся система, поддерживающая значение рН, окислительно-восстановительные потенциалы и термодинамическое равновесие и таким образом обеспечивающая стабильность сбраживания. На рис. 6.1 показаны пути биодеградации субстрата при анаэробном сбраживании.
Органические кислоты,
нейтральные соединения
С1-соеди-
нения
ацетат ацетата
Н2
СО2
СН4 + Н2О СН4 + СО2
Рис. 6.1. Пути биодеградации субстрата при анаэробном сбраживании
По своим пищевым потребностям бактерии в анаэробном сбра-жива теле могут быть разделены на три группы:
I – гидролитические бактерии, называемые ацидогенными, так как они обеспечивают начальный гидролиз субстрата до низкомолеку лярных органических кислот и других малых молекул (спирты, кето ны, газы, ферменты – целлюлоза, витамины). Размеры их популяции колеблются между 105–106 и 108–109 клеток гидролитических бактерий на 1 мл сбраживаемого ила. Кроме природных субстратов, анаэ робные популяции разрушают фенол и серусодержащие соединения.
II – гетероацетогенные бактерии, которые продуцируют уксус-ную кислоту и водород. Размеры их популяций 4·106 клеток на 1 мл сы рого ила.
III – метаногенные бактерии, которые продуцируют метан. Они делятся на хемолитрофные бактерии, которые превращают водород и диоксид углерода в метан, используя газообразный водород как до нор электронов:
CO2 + 4H2 CH4 + 2H2O.
Микроорганизмы второй подгруппы III группы перерабатывают уксусную и муравьиную кислоту, метанол и метил-амины в метан:
СН3СООН → СН4 + СО2.
Эмпирическая брутто – формула для анаэробной биомассы – С5Н9О3N, т. е. молярное отношение С:N = 5:1, что также примерно равно массовому отношению. Отношение N:P = 5:1 одинаково применимо как для аэробной, так и анаэробной биомассы.
Одним из преимуществ анаэробных процессов перед аэробными является высокая степень превращения углерода органических веществ в метан и диоксид углерода, что сопровождается образованием мень шего количества удаляемого ила и ценного топлива – биогаза. Глав ный недостаток анаэробных процессов –меньшая скорость реакции по сравнению с аэробными процессами.
6.1.2. Борьба с загрязнениями окружающей среды с по-мощью микроорганизмов. Загрязнение биосферы происходит в результате выброса в окружающую среду ксенобиотиков, которые почти не включаются в элементные циклы углерода, азота, серы или фосфора. Эти вещества временно или постоянно накапливаются и приводят к вредным влияни ям на природную флору и фауну.
Одной из важных проблем генной инженерии является создание микроорганизмов с новыми ферментативными свойствами, способных разлагать потенциально токсичные вещества до их попадания в окру жающую среду или удалять вещества, уже попавшие в среду.
Токсичность ряда ксенобиотиков первоначально осталась незамеченной в основном из-за убеждения, что природные сообщества микроорганизмов способны усваивать все органические соединения. Уверенность в безопасности пошатнулась с появлением неразлагаемых пестицидов, таких как дихлордифенил-трихлорэтан (ДДТ), в пищевых цепях и накоплением этих веществ в высших животных.
Ниже приведены примерные значения коэффициента увеличения концентрации ДДТ в живых организмах:
109 Водная среда → Фитопланктон → Зоопланктон,
106 Мелкая рыба → Крупная рыба → Скот(хищные птицы) 103.
Эти наблюдения привели к исследованию способности природных микробных популяций к детоксикации ксенобиотиков в природных условиях.
Соединение, попадающее в окружающую среду, может подвергнуться либо полной минерализации, либо частичной деградации, либо полимеризации (рис. 6.2).
Рис. 6.2
Соединения, которые подвергаются полной деградации, т.е. минерализации до диоксида углерода, воды, аммиака, сульфатов и фосфатов, обычно проходят весь метаболический путь и могут использоваться микробиоло гическим сообществом в качестве источника углерода и энергии.
Каждый тип окружающей среды обладает своей популяцией микроорганизмов. Вследствие гетерогенности природных популяций ксенобиотики могут подвергаться биодеградации.
Использование галогенпроизводных в качестве источника углеро да и энергии требует разрыва галоген-углеродной связи. Причиной устойчивости и токсичности галогенсодержащих ксенобиотиков, ис пользуемых в качестве огнетушителей, красок, лаков, охладителей, гербицидов, пестицидов, растворителей, является труднорасщепляемая галоген-углеродная связь. Наличие дополнительных заместителей – галогенов – превращает соеди-нение, способное к деградации, в устой чивое:
подвергается устойчиво
деградации
После расщепления галоген-углеродных связей продукты реакции легко усваиваются микроорганизмами через основные пути метаболи зации. Для выделения микроорганизмов, способных к эффективному росту на данном субстрате, необходим период обогащения или селек ции.
Дегалогенозами называются ферменты, катализирующие гидролиз галоген-углеродной связи, образуя оксикислоты и кетокислоты. Дегалогенирование представляет собой лимитирующую стадию в процессе утилизации субстрата. Следовательно, процесс селекции, по-видимо му, заключается в увеличении скорости дегалогенирования за счет повышения содержания дегалогеноз. Это может быть достигнуто одним из трех способов отбора:
- конститутивных мутантов;
- на генную дубликацию;
- штаммов с более чем одной дегалогенозой, получаемых с помощью механизма переноса генов.
Предпосылкой деградации ксенобиотиков в природной среде явля ется присутствие в ней структурно-родственных соединений. Природ ные механизмы сначала могут быть неэффективными в трансформации ксенобиотиков вследствие кинетических ограничений, вызванных субстратной специфичностью ферментов. Со временем это может быть преодолено за счет сверхпродукции этого фермента, благодаря сня тию или изменению регулярного контроля его синтеза, генной дубли кации, приводящей к фазовому эффекту или мутационной изменчивости, создающей фермент с измененной субстратной специфичностью. Дальнейшая адаптация может произойти благодаря адаптивной плас тичности микроорганизмов с помощью генетической перестройки.
Одна из важнейших проблем для генетиков, желающих сконструировать суперштамм, способный разлагать один (или более) ксенобио тик, – отсутствие знаний о путях деградации. Наиболее изучена деградация хлорбензоатов и хлорфеноксиацетатов.
6.1.3. Биотехнологические альтернативы (биопестициды) в сельском хозяйстве. Пестициды используются в сельском хозяйстве для уничтожения насекомых, сорняков и болезнетворных микробов, из-за которых зна чительно уменьшается урожай возделываемых культур. Применяемые синтезированные химические вещества не обеспечивают должную защи ту сельскохозяйственных культур в связи со специфическим местоо битанием и особым поведением вредителей, выработанной устойчивос тью к определенным инсектицидам и фунгицидам. Кроме того, возрас тающее использование химических пестицидов оказывает вредное воз действие на людей и другие организмы, а также на окружающую среду в целом (например, ДДТ).
Применение биологических агентов для уничтожения вредителей известно давно, и в настоящее время микроорганизмы – бактерии, грибы, вирусы – нашли распространение в качестве промышленных пестицидов.
Бактерии. Бактерии в природе чрезвычайно многочисленны и име ют гибкий метаболизм, позволяющий им жить в любой части биосферы. Известно около 90 бактерий, инфицирующих насекомых. Большинство промышленных штаммов принадлежит к роду Bacillus, основная часть широко распространенных продуктов изготовлена из Bacillus thurin giensis (Bt), которых имеется свыше 22 типов.
Штаммы Bt используются для борьбы с вредителями – гусеницами, комарами, мошкой. Bt был выделен из шелковичных червяков в Японии в начале ХХ века. Препараты Bt составляют больше 0,1 % мирового производства пестицидов.
Грибы. Известно более 400 видов грибов, заражающих насекомых и клещей. Грибы обычно заражают своих хозяев путем прямой инвазии, следовательно, способны, в отличие от бактерий и вирусов, вредить насекомым, не будучи ими съедены. Они не только губят тех особей, на которых поселяются, но и контролируют численность всей популяции хозяина в течение длительного периода. В некоторых слу чаях своевременное применение грибных спор может эффективно конт ролировать численность вредителей во время роста сельскохозяйс твенных культур. К сожалению, эффективность грибов зависит от влажности и температуры. Чтобы сделать использование грибов эф фективным, следует применять их вовремя и в оптимальном количест ве.
Вирусы. Описаны свыше 1200 вирусных болезней насекомых, при чем почти три четверти из них приходятся на болезни чешуекрылых. Большая часть этих болезней была обнаружена случайно, без намере ния искать средства борьбы с насекомыми.
6.1.4. Получение металлов методом «бактериального выщелачивания» минерального сырья. К наиболее важным минералам, являющимся природным источником тех металлов, которые можно получить бактериальным выщелачиванием, относятся: пирит FeS2, халькопирит CuFeS2, халькозин CaS, сфале рит ZnS, ниллерит NiS, молибденит MoS2 и другие.
Исследования показали, что процесс бактериального выщелачива ния зависит от образования серной кислоты (так как среда должна быть кислой) и ионов Fe (III), которые образуются в результате бактериального окисления из восстановленных соединений серы и ионов железа (II) cоответственно. Окислительные реакции, происходя щие при бактериальном выщелачивании сульфидных минералов, могут быть представлены лучше всего при рассмотрении окисления пирита FeS2. Пирит является самым важным сульфидным минеральным субстра том для активно выщелачивающих бактерий, он содержит Fe (II) и се ру, которые являются основными источниками энергии для таких бак терий.
Обычно окисление протекает по реакциям:
2 FeS2 + 7 O2 + 2 H2O 2 FeSO4 + 2 H2SO4;
2 FeS2 + 2 H2SO4 + O2 2 FeSO4 + 2 H2O + S.
Эти реакции в обычных условиях идут с очень малой скоростью из-за образования слоя продуктов реакции (сера) на поверхности частиц пирита, что приводит к протеканию реакции в диффузионной области.
В присутствии бактерий, окисляющих железо и серу, эти реакции изменяются за счет бактериального окисления железа (II) и элемен тарной серы, образующихся в процессе химического окисления:
4 FeSO4 + 2 H2SO4 + O2 2 Fe2(SO4)3 + 2 H2O ;
2 S + 3 O2 + 2 H2O 2 H2SO4.
И далее:
FeS2 + Fe2(SO4)3 3 FeSO4 + 2 S.
Образующиеся FeSO4 и S вновь окисляются бактериями до Fe2(SO4)3 и H2SO4. Суммарное уравнение окисления пирита в присут ствии бактерий имеет вид
4 FeS2 + 15 O2 + 2 H2O 2 Fe2(SO4)3 + 2 H2SO4.
Эта реакция протекает быстро в кинетической области. Продукты реакции (сера) не образуются на поверхности пирита, так как они окисляются бактериями.
Аналогичные уравнения могут быть написаны и для процессов бактериального окисления других сульфидных минералов, например Cu и Zn.
Метод «бактериального выщелачивания» имеет ряд преимуществ: он гибок, так как может быть применен для переработки раз личных сульфидных минералов и их смесей; не требует высоких давлений и температур; способствует образованию жидких стоков в виде водных растворов, кото рые могут быть легко нейтрализованы; включает реакции, которые не могут быть проведены химичес ким путем; может быть использован в непосредственной близости от места добычи перерабатываемых минералов.
К недостаткам можно отнести необходимость поддержания актив ной культуры микроорганизмов, что требует управления температурой реакции, рН и так далее.
В промышленных масштабах этот метод применяется в основном для выщелачива ния куч, отвалов, отходов горнодобывающей промышленности либо в тех случаях, когда минералы могут быть подвергнуты выщелачиванию без извлечения их из земли с помощью шахт.
6.2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Загрязнение природных и сточных вод различными химическими веществами (фенолы, тяжелые металлы, нефтепродукты, поверхност но-активные вещества и другие) требует разработки специальных методов контроля и оценки их качества. Наблюдения и эксперименты с водными организмами, жизнедеятельность которых существенно нару шается в токсичной среде, могут лежать в основе оценки опасности добавок в воде. Среди водных организмов – микроорганизмы активно го ила, водоросли, зоологические объекты и другие; а среди коли чественно измеряемых показателей биологических реакций – прирост биомассы, активность газообмена, электрофизиологические характе ристики. Например, биотестирование сточных вод основано на изме рении активности жизнедеятельности микроорганизмов активного ила, которые обеспечивают биологическую очистку. Микроорганизмы прояв ляют специфическую чувствительность к токсичным веществам, при сутствующим в воде, и могут быть качественными и количественными индикаторами их присутствия.
Опыт 6.2.1. Оценка степени токсичности добавок в воде
Цель опыта – по показателям биологических реакций живых организмов опытным путем обнаружить и оценить степень токсичности добавок в воде, характерных для отдельных производств.
Одними из наиболее доступных и наглядных методов оценки токсичности химических веществ являются методы, основанные на изме рении дегидрогеназной активности ила из аэротенков очистных соо ружений. Процессы окисления загрязняющих, прежде всего, органи ческих веществ протекают в клетках микроорганизмов при активном воздействии ферментов. В активном иле бактерии синтезируют около ста различных ферментов. Каждый фермент селективно воздействует и катализирует обычно только одну из многочисленных стадий превра щений, которые претерпевают загрязнители при их окислении.
Одними из важнейших ферментов, катализирующих непосредственно окислительно-восстановительные превращения органических компонен тов, являются дегидрогеназы.
Дегидрогеназы – ферменты, катализирующие процесс дегидрирова ния углеводородных субстратов. Они активируют определенные атомы водорода в молекуле субстрата, придавая им способность переходить с субстрата на соответствующий акцептор с более высоким окисли тельно-восстановительным потенциалом. Акцептором водорода и электронов может быть кислород или другое соединение, участвующее в цепи переноса электрона и водорода. По химической природе де гидрогеназы бывают пиридиновыми и флавановыми. Они имеют в своем составе белковую часть – анофермент и кофермент (никотинамидаде ниндинуклеотид).
Общая дегидрогенозная активность ила (ДАИ) характеризует его биохимическую активность. Снижение величины ДАИ свидетельствует о снижении жизнедеятельности микроорганизмов и уменьшении очищаемой способности ила, что в условиях достаточной концентрации усвояе мых форм органических соединений обусловлено наличием токсичных веществ.
Активность дегидрогеназ можно определить с использованием в превращениях молекулы красителя. Так, для тетразолиевых красителей характерно, что окисленные формы их бесцветны, а восстановленные – ярко окрашены.
Таким образом, молекулы указанного соединения могут акцептиро вать водород субстрата с помощью дегидрогеназы по следующей схеме:
АН2 + ТТХ А + ТТХН2.
окисленная фор- восстановленная
ма субстрата форма красителя
Методика проведения опыта
Принцип определения ДАИ заключается в измерении количества красного формазона, который образуется в результате восстановле ния бесцветной окисленной формы трифенилтетразолия хлористого (ТТХ), являющегося акцептором хлористого водорода, переносимого от окисляемых субстратов ферментами дегидрогеназами. Количество образованного формазона пропорционально активности дегидрогеназы и, соответственно, обратно пропорционально величине токсичности исследуемого объекта.
В опытах используется активный ил из аэротенков-регенерато ров. Перед проведением опыта активный ил разбавляют иловой водой в соотношении 1:1 по объему. Каждый студент исследует модельный раствор сточной воды согласно варианту (табл. 6.1).
Т а б л и ц а 6.1
Номер варианта |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
Состав раствора, С, мг/л |
Cu2+ 10 |
Fe3+ 10 |
Zn2+ 5 |
Cu2+ 10 Fe2+ 10 |
Фенол
500 |
Хлор- амин 30 |
Номер варианта |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
|
Состав раствора, С, мг/л |
м-Крезол 500 |
β-нафтол 100 |
Cu2+-5 хлорамин 30 |
м-Крезол 250, фе- нол 500 |
Крезол-500 β-нафтол 100 |
Cu2+ 10 Zn2+ 20 |
1. Пробу активного ила объемом 5 мл отберите из емкости и по местите в пронумерованные 4 пробирки для центрифугирования в тече ние 2 мин.
2. Слейте из пробирок жидкость над осадком и вместо нее залейте в первую пробирку дистиллированную воду до 10 мл, во вто рую и все последующие – по 5 мл раствора глюкозы (0,04 %) и по 1 мл раствора ТТХ (0, 5 %). После этого во второй и третьей пробирке до ведите объем жидкости до 10 мл дистиллированной водой. В четвертую (и по вариантам) добавьте исследуемые растворы с заданной кон центрацией загрязнителей, также доводя объем жидкости до 10 мл.
3. Содержимое всех пробирок перемешайте стеклянной палочкой, пробирки закройте пробками и поставьте в термостат, где они выдерживаются при температуре 37 оС в течение 55 мин.
4. После окончания периода инкубации для остановки фермента тивной реакции в каждую пробирку добавьте по капле концентриро ванной серной кислоты. Затем пробирки центри-фугируйте и слейте надосадочную жидкость.
5. Экстракцию формазона из клеток активного ила проведите дву мя порциями органического растворителя по 5 мл каждая до полного обесцвечивания хлопьев ила.
6. После каждой экстракции пробирки центрифугируйте и окрашен ный раствор слейте в мерную колбу на 10 мл. Собранные растворы доведите до метки дистиллированной водой.
7. Растворы колориметрируйте на ФЭКе с синим светофильтром в кювете с толщиной слоя раствора 0,5 см. Количество образованного в каждой пробирке формазона за вычетом холостой пробы подсчитыва ют по калибровочной кривой.
8. Величина ДАИ определяется количеством мг формазона, образующегося в литре смеси активного ила и исследуемых растворов, и находится из выражения
ДАИ = а·100 мг/л,
где а – количество фор мазона, определенного из калибровочного графика.
9. Степень токсичности исследуемых растворов I рассчитайте по формуле
I = .
Если ДАИоп. ДАИконтр.проб., то исследуемый раствор не токси чен и органические и другие компоненты в нем подвергаются биоло гическому окислению.
Результаты опыта занесите в табл. 6.2.
Т а б л и ц а 6.2
|
Номер варианта |
Компоненты растворов |
ДАИконтр.проб. 2.3 |
ДАИоп. |
I |
|
|
вещество |
концентрация |
||||
Опыт 6.2.2. Измерение окислительно-восстановительного
потенциала электрода в системе активного ила
Важным параметром, характеризующим интенсивность процессов жизнедеятельности микроорганизмов, может служить значение окислительно-восстановительного потенциала, измеренного на индифферентном электроде в системе активного ила.
Биологические процессы в живых объектах, таких как активный ил, включают ряд последовательно и параллельно протекающих реак ций с переносом электронов, и при их анализе оказалось полезным привлечение понятия медиаторов потенциала. Под медиаторами по тенциала понимают окислительно-восстановительные пары (Fe3+/Fe2+ и другие), присутствующие в малых концентрациях в данной системе, соотношение форм которых определяет потенциал сложной биологичес кой системы.
В большинстве случаев для водных экологических систем, контактирующих с атмосферой, значения указанного потенциала изменя ются в пределах от 50 до 750 mV. В средах, изолированных от ат мосферы, таких как стоячие воды, данные отклонения понижаются от –400 mV. Однако организмы, развивающиеся при потенциалах мень ше, чем –350 mV и выше 650 mV, встречаются чрезвычайно редко.
Контролирование значений потенциала в процессе биохимического окисления примесей активным илом может дать информацию об их влиянии на жизнедеятельность водных организмов.
Проведение опыта
1. Составы сточных вод. Содержание в мг/л следующих компонентов:
1) Cu2+ – 10; 2) Cu2+ – 20; 3) Cu2+ – 30; 4) Fe3+ – 10; 5) Zn2+ – 5; 6) фенол – 500; 7) хлорамин – 3; 8) хлорамин – 30; 9) Cu2+ – 10; фенол – 500; 10) Cu2+ – 10; хлорамин – 30.
2. Измерьте электродный потенциал (см. описание опыта в разделе «Электрохимия»):
Система: (–) Al | Al3+ ║иссл. раствор | Cu (+).
3. Внесите данные опыта в табл. 6.3.
Т а б л и ц а 6.3
|
Состав раствора |
Концентрация, мг/л |
Время процесса окисления |
ЭДС |
Электродный потенциал, mV |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
4. По опытным данным постройте график зависимости Е от времени и сделайте вывод о степени токсичности сточных вод.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Предмет экологической биотехнологии.
2. Биоочистка сточных вод.
3. От каких факторов зависит эффективность биологической очистки?
4. Что означает термин «активный ил»?
5. Какие задачи решает биохимическая очистка? Аэробные методы биохимической очистки.
6. Анаэробные методы очистки сточных вод. В чем преимущества и недостатки?
7. Характеристика и устройство основных сооружений станции очистки сточных вод.
8. Требования, предъявляемые к сточным водам, направляемым на биологическую очистку.
230
PAGE 230