Как водоросли очищают воду

Как водоросли очищают воду

6.6. Значение водорослей для решения природоохранных вопросов (В. В. Ступина)

6.6.1. Водоросли — агенты самоочищения естественных водоемов и доочистки сточных вод в системах искусственной очистки

Под самоочищением водоемов понимают совокупность биологических и физико-химических процессов, обусловливающих способность водоема освобождаться от загрязнений. Водоросли являются важным компонентом комплекса организмов, принимающих участие в самоочищении водоемов, формировании качества воды, улучшении санитарно-гигиенического состояния водоемов. Биологически полноценной считается вода, которая содержит не только все соли и микроэлементы, но также белки, ферменты, витамины и другие продукты жизнедеятельности гидробионтов, в том числе и водорослей.

Для ускорения многих процессов биологического самоочищения и улучшения питьевых качеств воды большое значение имеет обогащение ее кислородом, выделяющимся водорослями в процессе фотосинтеза. Установлено, что фотосинтетическая аэрация часто превосходит атмосферную или вполне соизмерима с нею. Так, в Волгоградском водохранилище фотосинтетическая продукция кислорода за вегетационный период достигает 10,5 млн т и примерно равна атмосферной [156]. Фотосинтетическое аэрирование воды не только усиливает минерализацию органических веществ, но и ускоряет многие процессы биологической детоксикации, тем самым улучшая качество воды.

На качество воды огромное влияние оказывают метаболиты, выделяемые в процессе жизнедеятельности водорослей. В экстрактах водорослей обнаружены вещества с антирадикальными и антиокислительными свойствами: α-токоферол, каротиноиды и др. В «цветущих» водоемах обнаруживаются токоферолы, витамины A, D, K и каротиноиды, обладающие антиокислительной активностью, в концентрации 10 -9 -10 -6 моль/л. Присутствие в воде большого количества водорослей, способных ферментативно расщеплять перекиси, служит дополнительным фактором подавления неблагоприятных последствий окисления растворенных органических веществ [156].

На основании гипотезы о биологическом инициировании радикальных процессов самоочищения водоемов предложена динамическая модель природной воды как каталитической окислительно-восстановительной системы открытого типа [297]. Роль отдельных групп водорослей в этих процессах различна. Так, зеленые и диатомовые водоросли выделяют в процессе фотосинтеза перекись водорода, способствуя переводу примесей природной воды в окисленное состояние и активируя процессы самоочищения. Синезеленые водоросли, наоборот, выделяют в среду вещества-восстановители, тормозящие эти процессы.

Важным вопросом общей проблемы охраны водоемов является биологическая очистка сточных вод, основанная на деятельности различных микроорганизмов. В системе очистных сооружений для доочистки различных типов сточных вод наиболее широко используют биологические пруды, биофильтры, поля фильтрации. Биологическое самоочищение в них осуществляется в результате жизнедеятельности всех групп организмов, входящих в данную экосистему. Важными компонентами данной системы являются бактерии и водоросли. Бактериальный биосинтез и фотосинтез водорослей — главные биологические процессы, которые обеспечивают доочистку сточных вод. Особый интерес представляет использование для доочистки сточных вод одноклеточных зеленых водорослей. С одной стороны, их развитие, спонтанное или индуцированное, играет важную роль в процессах биологического самоочищения водоемов, с другой — биомасса водорослей может быть использована для получения ценных органических веществ, продуцируемых водорослями.

Основные теоретические представления о факторах и условиях, которые определяют эффективность очистки сточных вод в биологических прудах, сформулированы в ряде работ отечественных и зарубежных авторов [43, 565]. Согласно этим представлениям, в нормально функционирующих аэробных и факультативно аэробных биологических прудах кислород, необходимый для бактериального окисления загрязняющих веществ, доставляют водоросли, которые выделяют его в процессе фотосинтеза. Бактерии, используя растворенный кислород в процессе жизнедеятельности, минерализуют загрязняющие органические вещества. Диоксид углерода, фосфаты, аммонийный и нитратный азот, освобожденные при бактериальном разложении, легко потребляются водорослями, что иногда приводит к их массовому развитию в водоемах.

Исследование состава водорослей различных водоемов, в которые поступают сточные воды различных типов, свидетельствует о том, что основное место в них занимают зеленые, эвгленовые и диатомовые водоросли, а в некоторых случаях — синезеленые. Среди зеленых водорослей доминируют обычно Chlorococcales, устойчивые к длительному воздействию многих токсических веществ.

Клетки водорослей способны аккумулировать из воды различные химические элементы, причем коэффициенты их накопления достаточно высоки. Наиболее мощными концентраторами являются пресноводные зеленые водоросли, особенно нитчатые. При этом интенсивность накопления в них металлов гораздо выше, чем в других пресноводных гидробионтах. Немалый интерес представляет способность водорослей концентрировать в себе радиоактивные элементы. Фитопланктон играет роль ловушки для радионуклидов, он сорбирует большинство продуктов ядерного распада: стронций-90, цирконий-95, иод-131, рутений-106, цезий-137, церий-144, [171]. Отмершие клетки водорослей удерживают накопленные элементы не менее прочно, чем живые, а в некоторых случаях десорбция из мертвых клеток меньше, чем из живых. Способность водорослей концентрировать в клетках и прочно удерживать химические элементы и радионуклиды позволяет использовать их в специализированных системах очистки (дезактивации) промышленных сточных вод.

В связи с разработкой методов массового культивирования одноклеточных зеленых водорослей стало возможным интенсифицировать процессы самоочищения различных типов сточных вод. Так, в культуре водорослей из порядка Chlorococcales на сточных водах резко снижается биологическая потребность в кислороде (БПК), сокращается анаэробный период и раньше наступает стадия нитрификации. При культивировании зеленых водорослей на сточных водах в них снижается содержание минеральных форм азота и фосфора, повышается щелочность, что является одним из существенных факторов очистки.

При массовом развитии зеленых водорослей в сточных водах, как в естественных условиях, так и в культуре, значительно увеличивается скорость отмирания патогенных микроорганизмов. Некоторые зеленые, сине-зеленые и диатомовые водоросли являются антагонистами вируса гриппа, полиовируса и др. [171]. Выделяемые водорослями биологически активные вещества играют важную роль в обеззараживании воды и подавлении жизнедеятельности патогенной микрофлоры.

Водоросли, так же как и бактерии, принимают участие в очистке сточных вод от ряда органических соединений, утилизируя необходимые биогенные элементы [182]: фосфопротеиды, фосфолипиды, фосфогликозиды, нуклеиновые кислоты. Как источник фосфора водоросли могут утилизировать даже синтетические детергенты. Имеются сведения о деструкции водорослями таких органических соединений, как сахара, аминокислоты, пептон, гидролизат казеина, а также таких компонентов сточных вод как фенол и алкилсульфат. В специальных биологических прудах сообщества водорослей и бактерий используют для разложения и детоксикации гербицидов. Доказана способность ряда зеленых водорослей (Chlorella, Chlamidomonas Ehr.) и синезеленых (Gloeocapsa (Kütz.) em. Gollerb., Anabaena Bory, Tolypothrix Kütz.) гидролизовать ациланилидный гербицид пропанил, превращая его в 3,4-дихлоранилин, который быстрее разрушается бактериями. Некоторые синезеленые водоросли разлагают фенилкарбаматные гербициды — профам и хлорпрофам — соответственно на анилин и хлор производные [171].

Сточные воды, очищенные с помощью наиболее совершенных методов, все же остаются токсическими по отношению к гидробионтам. Альгобактериальные сообщества, которые используются для доочистки сточных вод, позволяют получить воду, которая по гидрохимическим и бактериологическим показателям соответствует ГОСТу «Вода питьевая» [182].

Источник

Очистка воды с помощью водорослей

Мы уже не раз писали о различных способах использования водорослей, кроме того, что они могут быть потенциальным источником биотоплива, они также находят применение в таких вещах, как пищевые добавки и косметические средства. Когда водоросли выращивают на коммерческой основе, то, как правило, добавляют химические удобрения. Стоимость этих химических веществ, естественно, частично уменьшает прибыль, однако, удобрения также необходимы для более традиционных культур.

Вот почему ученые из Университета Райса в Хьюстоне ищут водоросли, растущие в муниципальных сточных водах — там вода уже будет содержать свое собственное бесплатное удобрение, а водоросли помогут ее очистить.

«У водоочистных сооружений в настоящее время нет экономически эффективных средств для удаления больших объемов нитратов или фосфора из очищенной воды, так что производство водорослей в сточных водах имеет потенциал», говорит соавтор исследования Эван Симанн (Evan Siemann).

«Идея была в учебниках довольно долгое время, но существуют вопросы, в том числе, можно ли это сделать в открытых емкостях и будет ли такой метод адаптирован для монокультуры — предпочтительный способ, когда производители выращивают штамм водорослей, который оптимизирован для получения конкретных продуктов», говорит он. «Мы удивились узнав, как мало было сделано для проверки этих вопросов. Есть ряд лабораторных исследований, но мы нашли лишь одно старое крупномасштабное исследование, которое было проведено на очистных сооружениях в Канзасе».

Под руководством исследователей Минакши Бхаттачарджи (Meenakshi Bhattacharjee) и Эвана Симанна (Evan Siemann), команда Университета Райс экспериментировала с выращиванием различных штаммов богатых маслом водорослей в бассейнах под открытым небом, содержащих воду от одного из водоочистных сооружений в Хьюстоне. Хотя твердые частицы фильтруются из воды, она по-прежнему содержит азот и фосфор, которые необходимы для роста водорослей.

После 14 недель исследований, было обнаружено, что водоросли не только хорошо выросли в сточных водах, они также поглотили более 90 процентов нитратов и 50 процентов фосфора из этой воды. Если слишком высокая концентрация этих веществ остается в сточных водах после того, как они отправятся обратно в окружающую среду, это может вызвать серьезные экологические проблемы, такие как массовое хаотичное цветение водорослей.

В предыдущем исследовании, ученые в Канзасе также пытались выращивать водоросли в сточных водах. В этом случае, водорослями потребляется значительно меньше фосфора из воды, что может быть связано с более холодной погодой. Это может означать, что технология лучше подходит для регионов с теплым климатом, таких как Техас.

Источник

Использование водорослей в очистке сточных вод.

В последнее время возросло значение водорослей в жизни человека в коммунально-бытовой сфере. Их культивируют в промышленных сточных водах для того, чтобы активизировать процессы самоочищения. В дальнейшем излишняя органическая масса будет использоваться для получения метана, который планируется применять в сельскохозяйственном и промышленном производстве. Лучше всего с загрязнением может справиться хламидомонада. Она способна выбирать из воды органические вещества, очищая ее.

Чаще для очистки разных стоков используют одноклеточную водоросль хлореллу (Chlorellavulgaris). Она хорошо выдерживает сильное загрязнение, например нефтепродуктами. В последнее время применяют и зеленые нитчатые водоросли (например, кладофору — Cladophora), обладающие большой поглотительной способностью. Так, при наличии всего 1 г биомассы на 1 л воды они за двое суток (и меньше) могут усвоить из нее 14 мг аммонийного азота и почти 7 — нитратного, около 1,5 мг фосфора; активно потребляют магний, калий, серу, кобальт, цинк, кадмий, свинец и другие тяжелые металлы.

Кладофора и другие нитчатые водоросли обладают высокой бактерицидной активностью, понижают в воде в десятки, а порой и в сотни раз содержание нежелательных сапрофитов, угнетают развитие дизентерийной палочки и др. Благодаря высокой способности минерализовать органическое вещество в воде водоросли можно использовать в качестве биопоглотителя для очистки стоков животноводческих ферм, дренажных и загрязненных поверхностных вод к такому выводу пришли ученые Всесоюзного НИИ по охране природы. Они полагают, что биомассу таких водорослей можно использовать на корм животным, а также для промышленной переработки, цель которой — получение каротина, хлорофилла и других ценных веществ.

Создание, методами генетической инженерии, активных штаммов микроорганизмов — деструкторов ксенобиотиков и других токсических, химических соединений. .

Фитобиоремедиация.

Фитобиоремедиация представляет собой использование растений и ассоциированных с ними микроорганизмов для очистки окружающей среды.Фиторемедиация является высокоэффективной технологией очистки от ряда органических и неорганических поллютантов.Органические поллютанты в окружающей среде представлены веществами антропогенного происхождения, и для большинства организмов являются чужеродными (ксенобиотиками); они токсичны, канцерогенны.Фиторемедиация успешно применяется для очистки органических растворителей, гербицидов взрывчатых веществ, углеводородов. Фиторемедиация может быть успешно применена для очистки от ряда неорганических поллютантов, включая макроэлементы растений, микроэлементы, несущественные для растения элементы и радиоактивные изотопы.

Фиторемедиацию можно использовать для очистки твёрдых, жидких и воздушных субстратов. Фиторемедиация загрязнённых почв и осадочных пород уже применяется для очистки сельскохозяйственных угодий, промышленных зон.Фиторемедиации могут быть подвергнуты загрязнённые водные источники: городские сточные воды, сточные воды сельского хозяйства и промышленности, грунтовые воды. За последние десять лет фиторемедиация приобрела большую популярность, что отчасти связано с её низкой стоимостью. Т.к. в процессе фиторемедиации используется только энергия солнца, данная технология на порядок дешевле методов основанных на применении техники. То, что данная технология применяется прямо в районе загрязнения (insitu) способствует снижению затрат и уменьшению контакта загрязнённого субстрата с людьми и окружающей средой.Наряду с преимуществами фиторемедиация имеет ряд ограничений. Растения, производящие очистку, должны находится в зоне загрязнения и быть способными воздействовать на поллютант. Следовательно, свойства почвы, уровень токсичности и климат должны позволять рост растений. Если почва токсична, её можно сделать более пригодной для роста с помощью внесения определённых почвенных добавок.Нужно также учитывать, что очистка ограничена уровнем глубины корней, т.к. растения должны иметь контакт с поллютантом.

Растения могут применяться как фильтры в созданных искусственно заболоченных участках или в промышленных установках. К данным технологиям в частности относится ризофильтрация — использование растений в гидропонных установках для фильтрации загрязнённой воды. В процессе ризофильтрации осуществляется интенсивное аэрирование, что позволяет использовать также наземные растения. Искусственно созданные заболоченные территории применяются для очистки от широкого круга неорганических и некоторых органических поллютантов. Древесные виды растений могут использоваться в фиторемедиации в качестве барьера для воды, чтобы создать восходящий ток воды в корневую зону, препятствуя утечке загрязнения вглубь, и препятствовать горизонтальному распространению загрязнённых грунтовых вод. Для этого применяются виды с хорошо развитой корневой системой и высоким уровнем транспирации.

Другая технология, называемая фитоэкстракцией, заключается в использовании растений для экстрагирования поллютантов и аккумулирования их в тканях, после чего надземная растительная биомасса собирается. Растительный материал может далее либо использоваться для непищевых целей либо сжигаться с последующим вывозом золы на свалку или, в случае ценных металлов, рециркуляцией накопленных элементов. Данная технология главным образом используется для очистки от неорганических поллютантов. Для фитоэкстракции часто применяют горчицу и подсолнечник из-за их быстрого роста, большой биомассы и высокой устойчивости к неорганическим поллютантам. Технология фитостимуляции состоит в применении растений для стимуляции биодеградации поллютантов микробами в ризосфере. Такая стимуляция биодеградации осуществляется за счёт секреции растениями органических веществ, используемых ризосферными микроорганизмами в качестве источника энергии и углерода, а также различных вторичных метаболитов, активирующих гены, ответственные за синтез деградирующих ферментов.

Технология, получившая название фитоиспарение, основывается на том, что после поглощения некоторые поллютанты могут покидать растение в летучей малотоксичной форме. Например, неорганический селен ассимилируется растением в форме селеноаминокислот – селеноцистеина и селенометионина. Последний может метилироваться с образованием летучего диметилселенида на 2-3 порядка менее токсичного, чем неорганический селен. Если летучее соединение всё же токсично, то после испарения растением оно разбавляется в атмосфере до уровня не представляющего угрозы. Фитоиспарение может быть использована для летучих органических соединений и некоторых неорганических веществ, способных переводиться растением в летучее состояние. Необходимо отметить, что, не смотря на эффективность фиторемедиации, во многих случаях лежащие в основе этого процесса биологические механизмы остаются неизвестными. Чтобы повысить эффективность технологий фиторемедиации проводятся интенсивные исследования вовлечённых биологических процессов.

Дата добавления: 2018-05-09 ; просмотров: 2690 ; Мы поможем в написании вашей работы!

Источник