Статья ВАК: Влияние фитопланктона на формирование качества воды и методы его удаления. Часть 1

Фитопланктон играет значимую роль в формировании качества воды поверхностных источников, используемых для систем хозяйственно-питьевого водоснабжения. В связи с этим на этапе обоснования технологии очистки воды и разработки проектных решений в каждом конкретном случае необходимо выполнять детальный анализ по численности, биомассе и видовому составу водорослей, учитывать определяющие факторы и особенности развития фитопланктона и прогнозировать возможные последствия, связанные с поступлением в воду продуктов жизнедеятельности и отмирания клеток фитопланктона.

Пресноводный фитопланктон наиболее часто представлен следующими отделами (рис. 1): сине-зелёные (Anabaena, Aphanizomenon, Lyngbya, Oscillatoria и др.); диатомовые (Asterionella Formosa, Melosira, Navicula и др.); зелёные (Tetrastrum, Coelastrum, Pediastrum, Actinastrum и др.); золотистые (Dinobryon, Mallomonas и др.); пирофитовые (Ceratium, Peridinium); криптофитовые (Cryptomonas); а также эвгленовые (Trachelomonas).

Развитие фитопланктонных сообществ происходит с определённой периодичностью и зависит от различных факторов, таких как: количество поглощаемого света, температура воды, мутность, наличие биогенных элементов, продуктов жизнедеятельности самих водорослей, морфометрических особенностей водоисточников и их гидрологического режима. Для фитопланктона характерно сезонное развитие, когда в течение года изменяются его таксонометрический состав, структура, численность и биомасса.

В качестве примера была проанализирована динамика изменения численности и доминант фитопланктона в поверхностном водоисточнике, используемом для хозяйственно-питьевого водоснабжения и расположенном в западном регионе.

В период с января по март в речной воде обнаруживались преимущественно диатомовые водоросли (до 97 %) и следы зелёных, пирофитовых и прочих водорослей (рис. 2). С апреля общая численность водорослей постепенно увеличивалась с 1609–2250 кл/см³ в марте до 15 981–22 814 кл/см³ в июле. Преобладали сине-зелёные водоросли (от 50 до 90 %), численность диатомовых снижалась и не превышала 30 %, появлялись золотистые водоросли (около 5 %).

С июля по ноябрь (летне-осенний период) наблюдалось максимальное развитие фитопланктона, численность которого в сентябре-октябре достигала в речной воде 145 344–371 875 кл/см³. Со второй декады октября начинался спад в развитии водорослей. Численность преимущественно сине-зелёных водорослей снижалась до 250 кл/см³ в ноябре и до 16–31 кл/ см³ в декабре.

Массовое развитие, особенно в летнеосенний период, отдельных представителей альгофлоры (цветение воды) является следствием нарушения процесса саморегулирования в водных биоценозах. В пресных водоёмах цветение в основном обуславливают зелёные, диатомовые и сине-зелёные водоросли [1]. Для рассматриваемого водоисточника в наиболее неблагоприятный период цветение воды оценивалось как интенсивное, при этом максимальная концентрация биомассы водорослей достигала 24 мг/дм³. В остальные периоды года цветение воды характеризовалось как слабое (от 0,5 до 1 мг/дм³) и умеренное (от 1 до 10 мг/дм³).

Массовое развитие, отмирание клеток фитопланктона в поверхностных источниках водоснабжения ухудшает качество речной воды, приводит к появлению интенсивного запаха, повышению мутности и цветности воды, увеличению концентрации органических веществ; способствует выносу водорослей с водой на водопроводные очистные сооружения (ВОС) и увеличению «грязевой» нагрузки на сооружения.

Корреляционный анализ, выполненный на основании многолетних данных мониторинга качества речной воды, поступающей на водопроводные очистные сооружения, показал сильную (коэффициент корреляции изменялся в пределах от ± 0,71 до ± 1,00) положительную (прямую) корреляционную связь (табл. 1) между численностью фитопланктона и его биомассой, перманганатной окисляемостью, мутностью и температурой и среднюю связь (коэффициент корреляции изменялся в пределах от ± 0,31 до ± 0,69) между численностью фитопланктона и цветностью, общим микробным числом. Обращает на себя внимание то, что корреляционная связь, как её усиление, так и ослабление, неоднозначна по сезонам года и годам в пределах анализируемого периода наблюдений.

В период интенсивного роста водорослей и после отмирания их клеток в воду попадают различные химические вещества. Спектр метаболитов водорослей очень широк — от низкомолекулярных летучих соединений до каротиноидов (С₄₀Н₅₆О₂ и С₄₀Н₅₆). Часть из этих веществ характерна практически для всех отделов водорослей, другая часть очень специфична и найдена лишь у отдельных представителей определённых отделов, классов и родов водорослей. Многие метаболиты проявляют высокую биологическую активность (терпены и их производные, изопреноиды, диметилсульфоксид, галоидированные лактоны и кетоны, гетероциклические, ароматические и серосодержащие углеводороды) [2].

Сине-зелёные водоросли, широко представленные в озёрах, водохранилищах и медленно текущих реках, производят «цианотоксины», концентрация которых возрастает в период интенсивного размножения водорослей. Это явление характерно для многих водоисточников и в последнее время служит объектом пристального внимания при проведении исследований.

По данным [3], водорослями родов Microcystis, Anabaena, Aphanizomenon и пр. продуцируются гепатоксины (в частности, микроцистины), встречающиеся в концентрациях свыше 1 мкг/дм³ и признанные опасными для здоровья человека (поражают печень, нервную систему, вызывают дерматиты). Гепатоксины могут оставаться в воде после отмирания водорослей ещё в течение месяца.

Сезонные изменения качества воды, развитие фитопланктона, антропогенная и техногенная нагрузка на водоисточник, биологическое преобразование органических соединений, присутствующих в воде, обуславливают появление запахов.

Некоторые виды микроводорослей в результате своей жизнедеятельности, а также при отмирании и разложении являются продуцентами пахнущих веществ. К таким микроскопическим водорослям могут относиться виды Oscillatoria agardhii, Aphani-zomenon flos-aqua, Microcystis aeruginosa, Anabaena flos-aqua, Melosira granulate, Nodularie и др.

На интенсивность образования пахнущих веществ в процессе жизнедеятельности микроводорослей влияет стадия их роста, а также условия среды обитания — освещённость и температура окружающей среды, причём при снижении последних двух параметров интенсивность образования одорирующих веществ увеличивается [4].

Основные проблемы запаха водопроводной воды чаще других возникают в связи с веществами, выделяемыми актиномицетами и цианобактериями родов Oscillatoria, Anabaena, Aphanizomenon, Symploca и др.

Актиномицеты продуцируют геосмин и 2-метилизоборнеол (МИБ). Чистые культуры актиномицетов производят запахи, которые характеризуются как землистый, древесный, затхлый, «запах картофельного погреба», медовый, рыбный, травяной. Причиной этих запахов, помимо геосмина и МИБ, могут быть продуцируемые актиномицетами изопропилметоксипиразин (ИПМП) и изобутилметоксипиразин (ИБМП) [5]. Цианобактерии (сине-зелёные водоросли) видов Anabaena laxa и Anabaena flos-aquae продуцируют геосмин, имеющий землистый или сладковато-землисто-кукурузно-травяной запах, а Oscillatoria tenius, помимо геосмина, выделяет и МИБ, производящие сладковато-арбузно-кукурузный и землистокукурузнозатхлый запахи. Пахучие вещества выделяются клетками и при жизни, но основной выход происходит при их отмирании — естественном или в результате применения альгицидов.

Из группы диатомовых водорослей пахнущие вещества продуцируют представители родов Asterionella (запахи герани и рыбы), Cyclotella (травянистый, герани и рыбы), Tabellaria (травянистый, герани и рыбы) и Melosira (травянистый, герани и затхлости). Зелёные водоросли способны придавать воде запахи травы, иногда — рыбы. Представители золотистых водорослей родов Synura, Dinobryon и Uroglenopsis, которые развиваются в холодное время года, способны придавать воде сильный рыбный запах.

Этот запах, как и в случае диатомовых водорослей, имеют альдегиды и кетоны, образующиеся в результате ферментативного преобразования ненасыщенных жирных кислот при отмирании клеток (гептагиены, нонадиенналы, декадиеналы, декатриеналы и гексаналы).

В анализируемой речной воде преобладал землистый и болотистый запах интенсивностью от одного до трёх баллов. Данные по видам гидробионтов, встречающихся в природной воде и продуцируемому ими запаху, приведены в табл. 2.

Водоросли (клеточная масса и экстрацеллюлярные продукты жизнедеятельности) наряду с другими веществами являются также и потенциальным источником токсичных канцерогенных продуктов (тригалогенметанов, галоуксусных кислот и других). Тригалогенметаны образуются в процессе водоподготовки при использовании хлорсодержащих реагентов на этапе обеззараживания природной воды [6, 7].

Основными структурообразующими органическими веществами клеток водорослей являются протеины, углеводы и липиды, соотношение которых зависит от разновидности организма и стадии роста [8]. В табл. 3 приведены данные по относительному содержанию биополимеров по классам, причём суммарное содержание органических веществ в клетке водорослей принимается за 100 %. Липиды и протеины играют более значимую роль в образовании тригалогенметанов и галогенуксусных кислот, чем углеводы. В работе [2] выдвинуто предположение, что количественный и качественный состав побочных продуктов хлорирования зависит от соотношения трёх основных видов биополимеров в клетках водорослей.

Представляло интерес изучение динамики образования хлорорганических соединений в процессе обработки речной воды, содержащей микроводоросли.

На действующих ВОС обработка воды производилась по традиционной двухступенчатой реагентной технологии (горизонтальные отстойники — скорые фильтры), для обеззараживания воды использовался хлор. Доза первичного хлора изменялась в пределах от 1,74 до 2,49 мг/ дм³, вторичного — от 1,08 до 1,34 мг/дм³. Время прохождения воды по сооружениям составляло примерно 4,2–4,5 ч.

Исследования, результаты которых приведены в табл. 4, проводились в зимний период с низкой температурой речной воды (1,1–2,7 °C), минимальной бактериальной загрязнённостью водоисточника и концентрацией органических загрязнений (перманганатная окисляемость — 6,16–6,26 мг/дм³). Мутность воды составляла 0,46–0,63 мг/дм³, цветность — 21–23 град., водородный показатель рН — 7,7–8,1, щёлочность не превышала 3,56 ммоль/дм³.

В воде присутствовали сине-зелёные и диатомовые водоросли.

Было установлено, что в условиях эксплуатации ВОС в штатном режиме при хлорировании воды, содержащей легкоокисляемые органические загрязнения и фитопланктон в малых количествах (40–102 кл/см³), образуются токсичные продукты — хлороформ и бромдихлорметан, концентрация которых по мере обработки воды на сооружениях повышалась и в очищенной воде составляла, соответственно, 68–117,6 (ПДК — 60 мкг/ дм³) мкг/дм³ и 8,4–5,2 (ПДК — 30 мкг/ дм³) мкг/дм³ (табл. 4). Причём концентрация образовавшегося хлороформа оказалась в 1,7 раза выше в пробе воды, в которой преобладали сине-зелёные водоросли (76,5 %).

Продолжение следует.