Лабораторная работа №7. БИОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗАКТИВНОГО ИЛА {Лабораторная работа подготовлена Е. И. Егоровой)

Биологический анализ активного ила[§§] имеет большое значение для оперативного контроля состояния процесса биологической очистки сточных вод. Простейшие индикаторные организмы хорошо реагируют на изменения условий существования: нагрузку на ил, обеспеченность кислородом, наличие токсичности, степень регенерации активного ила и т.п.

Общее количество простейших и разнообразие видов меняются, кроме того, по сезонам года. В зимний период (температура воды 12—13 °С) наблюдается наибольшее количество простейших при сравнительно небольшом их разнообразии (9—11 видов). Летом (температура воды 23—25 °С) разнообразие видов наибольшее (свыше 15) при незначительном общем количестве простейших.
В связи со своеобразной экологической обстановкой в аэротенке[***] все организмы активного ила можно рассматривать как показатели условий среды обитания, т. е. состава сточных вод и технологического режима их очистки. Следует отметить, что сигнал о «неблагополучии» на очистных сооружениях индикаторные организмы подают значительно раньше, чем изменяются данные гидрохимических анализов. Так, вспышка Gromia neglecta предупреждает о токсичности поступающих сточных вод за 10—15 дней до ухудшения состава очищенных вод.
Причины многочисленных отклонений от оптимального режима биологической очистки можно разделить на две большие группы. Первая группа — поступающие сточные воды неблагоприятны для биологической очистки: могут быть токсичными, несбалансированными по элементам питания (перегрузки или недогрузки, как по взвешенным веществам, так и по расходу сточных вод), неравномерно попадают на аэрационные сооружения. Вторая группа —

нарушения эксплуатации очистных сооружений. К ним относятся: несвоевременная выгрузка осевшего ила в аэротенк, недостаточная аэрация активного ила в аэрационных сооружениях. Отклонения в режиме эксплуатации городских очистных сооружений или в составе поступающих сточных вод отражаются на численности биологических индикаторов активного ила (табл. 7.1). При ухудшении циркуляции ила сумма всех свободноживущих реснитчатых инфузорий превалирует над суммой прикрепленных ресничных инфузорий, найденных в активном иле. На напряженность в процессах циркуляции ила указывает равенство между суммой прикрепленных и свободноплавающих инфузорий. Увеличение численности мелких жгутиконосцев и мелких голых амеб свидетельствует об ухудшении режима аэрации. Сумма всех видов коловраток — показатель интенсивности процесса нитрификации; при отсутствии нитрификации коловратки в активном иле не обнаруживаются."

Принцип предложенного в лабораторной работе метода — учет количества и состояния организмов-индикаторов по результатам микроскопирования активного ила. На основании этих характеристик делают заключение о состоянии активного ила и его способ-
Таблица 7.1
Использование индикаторных организмов активного ила для технологического контроля работы городских очистных сооружений

Изменение в технологическом режиме	Индикаторные организмы и признаки
Токсичные стоки	Actinophrye Gromia neglecta (численность превышает 2 млн на 1 г сухого ила) Zooglea ramigera Цисты простейших Нитчатые водоросли, грибы
Нарушение циркуляции ила в системе	Положительный признак: (+) наличие прикрепленных инфузорий Отрицательный признак: (-) наличие свободноплавающих инфузорий
Нарушение аэрации	Мелкие жгутиконосцы Мелкие амебы
Изменение мелких нагрузок на ил	Изменение суммы бентосных раковинных амеб
Продуктивность процессов нитрификации	Изменение суммы коловраток

4 Мелехова
97

ности к переработке загрязнений. Биологический анализ дополняет технологический контроль качества очистки и работы комплекса сооружений биологической очистки.
Пробы для анализа берут отдельно из каждого сооружения: аэротенка, регенератора*, вторичного отстойника**, биофильтра***. Жидкую пробу, отобранную ковшом, переливают в широ- когорлую банку, заполняют ее на половину объема и закрывают пробкой. Немедленно переносят в лабораторию и приступают к анализу не позднее чем через 20—30 мин с момента взятия пробы (в течение 1 —2 ч пробу, не закрытую пробкой, можно хранить в холодильнике). Для отбора проб со дна сооружения из вторичного отстойника или из резервуара может быть применен батометр. Если его нет, используют склянку с пробкой, открывая ее на заданной глубине при помощи тросика, прикрепленного к пробке. Пробы с биофильтров отбирают скребком на разных глубинах загрузки. В лаборатории берут соскобы пленки с твердого субстрата и рассматривают под микроскопом. Тотчас после доставки проб из аэрационных сооружений в лабораторию отливают из каждой пробы 100 мл в цилиндр для определения объема ила через 30 мин отстаивания и дозы ила.
Обычно для фиксации препаратов применяют 40%-й формалин. Можно использовать более сложные фиксаторы, например осмиевую кислоту, 1%-й водный раствор. Пары осмиевой кислоты очень ядовиты, поэтому для приготовления раствора вскрытую ампулу сразу бросают в склянку и доливают отмеренное количество дистиллированной воды. Хранят в темной склянке с хорошо притертой пробкой и притертым колпачком.
По возможности для фиксации применяют жидкость Утерме- ле: в 20 мл дистиллированной воды с 5 г дважды сублимированного йода растворяют 10 г KI, добавляют 50 мл дистиллированной воды и 5 г уксусно-кислого натрия. Раствор хранят не более 1 мес в склянке из темного стекла с притертой крышкой.
Для микроскопирования жгутиковых пригоден йод, 0,3 %-й водный раствор; для наркоза коловраток — сульфат никеля, 1 %-й водный раствор. Нейтральрот, водный раствор (1:800), применяют для микроскопирования простейших; глицерин — для микроскопирования червей и изготовления временных препаратов. Спирт
’Регенератор — резервуар, отдельно стоящий или занимающий один—три отсека аэротенка, в котором идет интенсивное окисление органики за счет высокой дозы активного ила и большей подачи воздуха, чем в аэротенк.
¦’Вторичный отстойник — резервуар, в котором отработанный (циркуляционный) активный ил отстаивается, насыщается кислородом, чтобы через регенератор вновь поступить в аэротенк.
¦¦’Биофильтры — очистные сооружения прямоугольной или круглой формы, заполненные слоем из крупнозернистого материала (камня, шлака, щебня), заселенного аэробными микроорганизмами.

этиловый 96 %-й является универсальным средством для фиксации организмов.
Основным методом анализа организмов активного ила (простейших, коловраток и др.) является микроскопирование в живом состоянии. В очищенной воде для сгущения пробы применяют центрифугирование, отстаивание или фильтрование через мембранный фильтр № 6 (размер пор 2—5 мкм). Каплю свежего ила наносят на стекло, покрывают покровным стеклом и просматривают под микроскопом. Рекомендуется просматривать до 10—15 капель. Кроме определения видов организмов отмечают физиологическое состояние организмов, структуру ила, наличие зоогле- ей, включение минеральных или органических частиц, мусора и т.д. При определении видов организмов надо детально рассмотреть их внутреннее строение, поэтому их делают неподвижными, применяя фиксацию или наркоз. Обычные фиксаторы (этиловый спирт, формалинХ сильно деформируют простейших, поэтому применяют быстродействующий фиксатор — пары осмиевой кислоты. Чтобы зафиксировать препарат, на предметное стекло наносят маленькую каплю жидкости с простейшими, стекло быстро переворачивают каплей внутрь склянки с раствором осмиевой кислоты и выдерживают в течение нескольких секунд плотно прижатыми к горлышку склянки. Затем рассматривают препарат под покровным стеклом при большом увеличении. Жгутики флагеллят хорошо видны в жидкости Утермеле или в растворе йода. К покровному стеклу на границе с предметным прикладывают полоску фильтровальной бумаги, смоченной реактивом. Чтобы остановить или замедлить движение коловраток, употребляют растворы наркотических веществ, например сульфата никеля. Наиболее простым способом остановить движение коловраток является следующий. К капле воды с живыми коловратками на предметном стекле добавляют каплю глицерина, осторожно тщательно перемешивают концом препаровальной иглы и покрывают покровным стеклом. Остановить движение крупных инфузорий можно также подсушивая каплю, покрытую покровным стеклом, при температуре 40 - 45°.
При качественном просмотре проб организмы можно учитывать по пятибалльной шкале. Наиболее принята шкала шестиступенчатая девятибалльная (1, 2, 3, 5, 7, 9). Однако качественная оценка субъективна, а также недостаточно точна, поэтому количественный учет применяют в счетных камерах. Если невозможно подсчитать каждый вид организмов в отдельности, то количественный учет организмов проводят по следующим счетным группам: нитчатые бактерии, губки, зооглеи, жгутиковые, амебы, свободноплавающие и сидячие инфузории, коловратки, черви, личинки насекомых, рачки и т. п. При взятии пробы пипеткой следует тщательно перемешивать жидкость.
При наличии активного ила с крупными организмами, что характерно для лабораторных установок, применяют стереоскопический микроскоп МБС с окулярами 10—12,5, тогда подсчет ведут в чашках Петри. В активном иле производственных сооружений обычно преобладают мелкие организмы, их просчитывают в камерах Кольтвица, Нажотта, Горяева и т. п. В активном иле на сооружениях с низкой нагрузкой или при стабилизации ила нужно применять увеличения микроскопа от 60 до 400 раз. В каждом случае после основного просчета дополнительно просматривают пробу как при большом, так и при меньшем увеличении, чтобы не пропустить очень редкие или очень мелкие организмы.
Количество организмов выражают в экземплярах или объемных единицах биомассы на 1 мл иловой смеси активного ила, а также на 1 г сухого вещества активного ила. При сравнении активного ила из разных сооружений — аэротенка и регенератора или двух аэротенков с разными дозами ила — лучше выражать содержание организмов на 1 г сухого вещества ила. Для этого одновременно с микроскопированием из той же пробы определяют дозу ила и затем делят число организмов на дозу ила в граммах. Поскольку организмы сильно отличаются между собой по размерам, правильнее выражать содержание организмов не в числе, а в их биомассе. Для этого вычисляют объем организмов, исходя из измерений их размеров с помощью окуляра-микрометра и приравнивая форму каждого организма к простейшему геометрическому телу. Плотность организмов принимают равной единице, получают биомассу в граммах. Например, биомасса отдельных видов инфузорий составляет для Tetrahymena 0,01— 0,05 • 10_3 мг; для Paramecium caudatum — 0,5 — 0,6-10_3мг; для Spirostomum — 12,7- 10_3мг.
Результаты микроскопирования проб и количественного учета организмов активного ила записывают в рабочем журнале, который приведен в справочном материале к лабораторной работе. Дают характеристику ила.
Цель работы — ознакомление с биологическим методом анализа активного ила.
Оборудование, материалы, реактивы:
микроскоп; предметные и покровные стекла; пипетка на 1 мл; активный ил (или настой сена 5-, 15-, 20-, 25-, 30-, 35-дневной выдержки в стаканах на 250 м); формалин 40%-й, вата; спирт.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ Получить у преподавателя образцы активного ила или его «макет». Удобным макетом является сенной настой разного срока выдержки с развивающимися в нем индикаторными видами. Технику приготовления сенного настоя см. в справочном материале к лабораторной работе. Использовать микроскоп с малым увеличением. На предметное стекло нанести пипеткой каплю предварительно хорошо перемешанной иловой смеси и накрыть покровным стеклом. Немедленно приступить к микроскопированию. Зарисовывать обнаруженные во всех полях зрения виды в рабочую тетрадь.

На следующем этапе на предметное стекло нанести произвольное количество осевшего ила и зажать между двумя предметными стеклами. Здесь следует сосредоточить внимание на состоянии организмов, величине, форме и плотности хлопьев ила, наличии посторонних примесей. Дать возможную характеристику активного ила по наличию индикаторных видов. При статистической обработке полученные данные необходимо сравнить с отклонением от принятых норм, приведенных в табл. 7.2. Согласно приведенной в таблице классификации, средние значения даны для выборки по пробам с хорошим качеством очищенной воды, для которых прозрачность превышает 30 см. Если полученная характеристика не превышает т + 36, то возникшие патологические изменения в процессах биологической очистки нормализуются без дополнительного вмешательства оператора за
Таблица 7.2
Критерии нормы и патологии индикаторных видов активного ила

Биоиндикаторы	т	5	т + 36	т + 7 6
Zooglea ramigera	428	349	1475	2 871
Нитевидные бактерии	561	2 000	6561	14 561
Грибы	351	375	1476	2 976
Водоросли	76	89	343	699
Мелкие Flagellata	504	431	1797	3 521
Amoebina	1598	1063	4 787	.9039
Jromia negkcta	431	550	2 087	4 281
Цисты	1312	1000	4312	8312
Actinopoda	52	59	229	465
Сумма:
бентосных раковинных амеб	505	1000	4 505	7505
свободноплавающих инфузорий	861	—	—	—
прикрепленных инфузорий	1087	—	—	—
коловраток	139	—	—	—

счет самопроизвольного возврашения к режиму биологической очистки. Если характеристика превышает т + 76, то для восстановления нормальной работы необходимо вмешательство оператора. В отчете представить рисунки имеющихся групп организмов- индикаторов, сведения об их количественном учете, оценку степени очистки ила.
СПРАВОЧНЫЙ МАТЕРИАЛ
Перечень индикаторных организмов активного ила
Нитчатые бактерии кладотрикс и сферотилюс часто встречаются в активном иле, особенно в углеводистых стоках (крахмально-паточных, гидролизных, текстильных и др.). Кладотрикс усваивает азот из любых соединений, включая минеральные (нитраты), а сферотилюс растет только на органическом азоте. По морфологическим признакам кладотрикс отличается ложнодихотомическим ветвлением. Нитчатые бактерии образуют длинные нити при замедленном течении жидкости и, наоборот, мельчают при сильном механическом перемешивании в сооружениях. Массовые скопления нитчатых в аэротенке вызывают вспухание ила.
Нитчатые серобактерии (Beggiatoa, Thiothrix) встречаются в сточных водах, содержащих сероводород. Сначала сероводород окисляется до серы, которая откладывается капельками в клетках нитчатых. При недостатке кислорода окисление останавливается на этой фазе. При избытке кислорода сера окисляется до сульфатов, которые сильно подкисляют среду. Нити не имеют капель серы при недостатке сероводорода или избытке кислорода. Серобактерии встречаются также в виде отдельных клеток или их скоплений.
Плесневые грибы образуют ветвящиеся нити, разделенные на клетки, или отдельные клетки. Развиваются в широком диапазоне температур и при различной реакции среды, но чаще в кислой среде, в промышленных сточных водах, где отсутствуют другие организмы.
Зооглеи представляют собой желеобразную массу различной формы и консистенции, в которую вкраплены бактериальные клетки шаровидной и палочковидной форм. Размеры бактериальной клетки — от десятых долей микрометра до нескольких микрометров. Зооглеи встречаются в виде комковатых шаровидных скоплений, узких плотных тяжей или древовидного разветвления лопастей.
Корненожки (или амебы) (Arcella vulgaris) в хорошо работающем нормальном активном иле встречаются в значительных количествах, как и в нитрифицирующем иле, но отмечалось их присутствие и в плохом иле. Amoeba radiosa присутствует при хорошей работе сооружений.
Жгутиковые бесцветные (Bodo, Proteus) в больших количествах встречаются в перегруженных илах; единственные экземпляры — в нормально работающем иле. Жгутиковые имеют размеры около 10 мкм, поэтому хорошо видны в микроскоп только при большом увеличении.
Инфузории (Infusoria) почти всегда присутствуют в созревшем иле. Характерным является состояние ресничной зоны организма: в хорошем иле ресничная зона раскрыта, движения ресничек активные; при неблагоприятных условиях ресничная зона замкнута. При увеличении нагрузки оперкулярия сжимается и инцистиру- ется.
Vorticella microstoma развивается в перегруженном иле с недостаточным содержанием растворенного кислорода.
Epistylis, Carchesium развиваются в заметном количестве в нитрифицирующем иле.
Vorticella convallaria — характерный представитель хорошего ила, при регенерации встречаются скоплениями; чувствительны к токсичным условиям. При недостатке растворенного кислорода вортицеллы отрываются от стебелька и образуют особую, свободно плавающую форму с венчиком ресничек на заднем конце.
Aspidisca — распространенная, почти всегда присутствующая в иле брюхоресничная инфузория. Чаще всего является положительным признаком для оценки качества ила. Вынослива к изменениям условий среды.
Paramecium caudatum — одна из форм, наиболее выносливых к недостатку кислорода; характерна для плохого ила. Как и другие крупные свободно плавающие инфузории встречается при большом количестве бактерий, находящихся во взвешенном состоянии при разложении ила.
Сосущие инфузории (Podophrya, Tokophrya) находятся в условиях недогрузки сооружений. Представлены формами, паразитирующими на других инфузориях.
Круглые черви (Nematoda) часто находятся на биофильтрах, а на аэротенках встречаются в заметных количествах в недостаточно аэрируемом иле, с зонами залежей. Единичные экземпляры могут быть в нормальном иле аэротенков.
Малощетинковые черви (Oligochaeta) в заметных количествах могут развиваться в илах с устойчивой нитрификацией, на биофильтрах.
Коловратки (Philodina, Monostyla, Notommata и др.) находятся в активном состоянии при достаточном обеспечении растворенным кислородом в нитрифицирующем иле, но оказываются в сжатом состоянии при неблагоприятных условиях.

Водные клещи (Hydracarina) встречаются на биофильтрах, а в аэротенках — в голодающем иле при низкой температуре.
Личинки насекомых (Psichoda) обычно находятся на биофильтрах.
Рачки (Crustacea) отсутствуют в обычном иле, развиваются в заметных количествах только в голодающем иле при низкой нагрузке.
Техника приготовления сенного настоя
В термостойкий стакан помещают небольшое количество сена, заливают водопроводной водой и кипятят 15 — 20 мин. Выдерживают на свету двое суток. Затем капают 4 — 5 капель (можно больше) воды из лужи или аквариума. После трех дней экспозиции можно готовить и просматривать препараты из сенного настоя. Как показывает наш опыт, 5-суточный сенной настой соответствует голодающему илу, 15-суточный — удовлетворительно работающему, 20-суточный — нитрифицирующему, 25-суточный — перегруженному, 30-суточный — неадаптированному, 35-суточный — илу при недостатке кислорода.
Характеристика ила по индикаторным видам
Удовлетворительно работающий (хороший) ил. Большое разнообразие простейших по видовому составу при небольшом количественном преобладании какого-либо из видов. Постоянное наличие Aspidisca, Zoogloea. Все виды достаточно активны. Ил оседает в виде крупных тяжелых хлопьев. Вода над илом прозрачная.
Ил из регенератора:
а) при хорошей регенерации — количественное преобладание прикрепленных инфузорий Vorticella convallaria, Epistyllis над свободно плавающими инфузориями; увеличение количества прикрепленных инфузорий и зооглей по сравнению с илом в аэротенке; организмы подвижные; хлопок ила крупный, хорошо осаждается, вода над илом прозрачная; исчезает сера в клетках нитчатых серобактерий;
б) при глубокой регенерации — преобладание крупных свободноплавающих инфузорий, увеличение размеров Vorticella и Opercularia; распад хлопка ила на более мелкие хлопья, вода над илом имеет мелкую неоседающую муть.
Голодающий ил. Мелкие размеры простейших, организмы становятся прозрачными, пищеварительные вакуоли исчезают, частично инфузории превращаются в цисты. Коловратки образуют цисты позже, чем инфузории. Зооглеи и хлопья ила прозрачные. Вода над илом мутная.
Нитрифицирующий ил. Постоянно присутствуют в заметных количествах коловратки: Philodina, Callidina и другие виды. Количественно преобладают прикрепленные инфузории: Vorticella conval- laria, Carchesium, крупные амебы Arcella. Возможно присутствие в больших количествах малощетинковых червей Aeolosoma. Ил рыхлый, всплывает после осаждения.
Перегруженный ил. Малое количественное разнообразие видов, преобладают два-три. Большое количество бесцветных жгутиковых, мелких амеб, Litonotus и других мелких инфузорий. Присутствуют в заметных количествах Podophrya, Chilodon, Vorticella microstoma, Opercularia, иногда нитчатые бактерии. Ил загрязнен многочисленными включениями: органикой, мышечными волокнами, мусором и т. д. Хлопья ила темные, плотные. Вода над илом с опалесценцией.
Ил при сбросе промышленных стоков, неадаптированный. Уменьшение разнообразия видов, преобладают один-два. Измельчение организмов, особенно, V convallaria и Opercularia при увеличении их общего количества или при резком уменьшении общего количества в зависимости от степени токсичности стока. Неподвижное состояние ресничных инфузорий, гибель Flagellata, преобладание коловраток и червей.
Ил мелкий, загрязнен включениями промышленных стоков, осаждается плохо, может иметь цветные частицы. Вода над илом мутная.
Ил при недостатке кислорода. Vorticella раздувается в виде шара, некоторые представители рода лопаются и исчезают. Opercularia с замкнутым ресничным диском, неподвижные. Коловратки неподвижные, застывшие в вытянутом состоянии, отмирающие. Большое количество разнообразных жгутиковых. Из инфузорий почти исключительное господство Paramecium caudatum как очень выносливой формы к недостатку кислорода, способной оживленно плавать в гниющем иле. Хлопья ила распадаются. Вода над илом мутная.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Голубовская Э.К. Биологические основы очистки воды. — М.: Высшая школа, 1978.
Небел Б. Наука об окружающей среде. — Т. 1. — М.: Мир, 1995.
Рекомендации по проведению гидробиологического контроля на сооружениях биологической очистки с аэротенками. — М.: ЦБНТИ Мин- водхоза СССР, 1987.
Соловых Г. Н. Биотехнологическое направление в решении экологических проблем / Г. Н. Соловых [и др.]. — Екатеринбург: Ур. отд. РАН, 2003.
Химия воды и микробиология. — М.: Высшая школа, 1995.

<< | >>

Источник: О. П. Мелехова, Е. И. Егорова, Т. И. Евсеева. Биологический контроль окружающей среды: биоиндикация и биотестирование : учеб, пособие для сгуд. высш. учеб, заведений. 2007

Еще по теме Лабораторная работа №7. БИОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗАКТИВНОГО ИЛА {Лабораторная работа подготовлена Е. И. Егоровой):

- Геоэкология - Основы экологии - Экологический мониторинг - Экология животных - Экология насекомых - Экология почв и агроэкология - Экология птиц - Экология рыб -

- Биология - Ветеринария - Взаимоотношения животных - Все животные - Геология - Зоопсихология - Коровы - Кошки - Лечение животных - Лошади - Насекомые - Науки о Земле - Опасные растения и животные - Растительный мир - Редкие животные - Сельское хозяйство - Собаки - Экология -