IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Антропогенный прессинг на окружающую среду приводит к нарушению биологического равновесия в ней из-за концентрации различных видов индустриализованных производств.

Интенсивное строительство в конце 60-х и начала 70-х годов животноводческих комплексов и в частности по выращиванию и откорму свиней на 12, 24, 54, 108, 216 тыс. голов в год создало ряд проблем научно-технического, экологического, ветеринарно-санитарного характера. Эти проблемы связаны в основном с хранением, утилизацией и обеззараживанием навоза, так как гидростатическая нагрузка навозных стоков в комплексах применяющих гидросмыв составляло от 600 до 8000м³ в сутки.

Цель исследования: изучить особенности естественных биоценозов сточных вод.

Биоценоз — это исторически сложившаяся совокупность животных, растений, грибов и микроорганизмов, населяющих относительно однородное жизненное пространство (определённый участок суши или акватории), и связанных между собой и окружающей их средой. Биоценозы возникли на основе биогенного круговорота, и обеспечивают его в конкретных природных условиях. Биоценоз — это динамическая, способная к саморегулированию система, компоненты которой (продуценты, консументы, редуценты) взаимосвязаны.

При нормальном функционировании природных биоценозов вопрос об отходах жизнедеятельности не возникает благодаря возможности использования продукта жизнедеятельности одного вида в качестве исходного продукта для другого биологического вида или видов. При этом строго соблюдается баланс между количеством производимых и потребляемых продуктов жизнедеятельности.

Метод биологической очистки сточных вод известен достаточно давно, так в средние века сброс сточных вод с городов осуществлялся в крепостные рвы заполненные водой. Совместная биологическая очистка и выращивание гидробионтов, в том числе и рыбы так же имеет древние корни. Первый в России эксперимент по выращиванию товарной рыбы на сооружениях очистки бытовых стоков, поступающих, по каскаду биологических прудов описан в работе В.А. Мейна в 1932 году [4,5,10,11].

Исследования по вопросам биологической очистки носили в те времена эпизодический характер и не рассматривали проблему в целом, т.к. в те годы еще не встала во всей остроте проблема охраны окружающей среды, не возникал вопрос об истощении водных ресурсов.

Метод рыбоводно-биологической очистки навозных стоков свиноводческих комплексов в России был предложен сотрудниками Московской областной рыбоводно-мелиоративной станции (в дальнейшем ВНИИР), ВНИИССВ, ученых ВИЖ, и в 1976 году началась первая производственная проверка этого способа в свиноводческом экспериментальном хозяйстве ВИЖ «Кленово-Чегодаево» Московской области [10,14.17].

Пруды биологической очистки – уникальные экосистемы. Если в естественных водоемах уровень образования органического вещества в толще воды определяется скоростью фотосинтеза микроводорослей, что в конечном итоге устанавливает общую трофность водоема, то в прудах биологической очистки трофность находиться в прямой зависимости от поступления органического вещества со стоками. Пруды биологической очистки животноводческих комплексов представляют собой как мы, знаем гипертрофные водоемы, где содержание растворенного органического вещества лимитируется сообществом организмов, как по структуре, так и по интенсивности жизнедеятельности.

Качество воды и биопродуктивность водоема определяется структурой и жизнедеятельностью всего сообщества биоценозов экосистемы (бактериопланктоном, зоопланктона, и пр.). Функционирование водных сообществ – это постоянно действующая цепь создания органического вещества в процессе фотосинтеза и его разрушения гетеротрофными организмами, среди которых особое место занимают микроорганизмы и, в частности, бактерии.

Благодаря своим особенностям бактерии обладают высокой метаболетической активностью и занимают ведущие место в круговороте органического вещества и биогенных элементов, способствуя, таким образом, развитию водной растительности.

Вся деятельность бактерий в природных экосистемах направлена на поддержания равновесия между процессами создания органического вещества и процессами минерализации – возвращением в экосистему необходимых минеральных веществ. Так по данным многих авторов в Можайском водохранилище более половины общей деструкции органического вещества приходится на долю бактерий [3,9,16].

До последнего времени исследования водных бактерий по ряду причин сводились к определению их общей численности и численности отдельных физиологических групп. Однако в последние 25-30 лет увеличилось количество экологических исследований микроорганизмов и их роли в трансформации органического вещества в водоемах. Одна из основных задач экологии микроорганизмов – анализ потока растворенного органического вещества через бактериальное звено. Однако методические трудности, возникающие при определении синтеза органического вещества и его утилизации микроорганизмами, является серьезными препятствиями для изучения потока энергии и вещества через бактериальную цепь.

Основоположник экологического направления в микробиологии С.Н. Виноградский показал, что деятельность микроорганизмов в природе представляет собой саморегулирующий процесс, указывая, таким образом, на необходимость исследования не только физиологии и экологии отдельных видов, но и всего сообщества в целом в его естественном местообитании [1].

Бактериопланктон водоемов представлен в виде свободно живущих клеток (одиночек), агрегатов клеток (колоний) и клеток, прикрепленных к детритным частицам. Соотношение свободноживущих и прикрепленных групп бактерий в водоемах различной трофности сильно колеблется. В олиготрофных водоемах доля одиночных бактерий значительно ниже, чем в загрязненных.

Бактерии, находящиеся в этих трех состояниях, имеют разную физиологическую активность, что предполагает возможность дифференцированной трансформации растворенной органики.

Вторым немаловажным фактором является то, что крупные бактериальные агрегаты легко отфильтровываются разными группами зоопланктона («грубыми» и «тонкими»), тогда как одиночные бактериальные клетки – в основном, «тонкими» фильтры. Поэтому изучение структуры бактериопланктона крайне необходимо для правильного понимания микробиологических процессов.

Бактериопланктон в толще воды существует в виде одиночных клеток и агрегатов (колоний и детритно-бактериальных ассоциаций), физиологическая активность которых сильно различается. Бактерии являются активными разрушителями органического вещества; с их участием осуществляется трансформация значительной части детрита и РОВ [19].

Следующим звеном биологической очистки и трофического круговорота вещества является фотосинтетическая активность микроводорослей. Жизнедеятельность сообщества микробиоты направлена, в основном, на минерализацию органического вещества и создание условий для жизнедеятельности фитопланктона и других организмов. Имеющиеся в прудах водоросли активно используют биогенные вещества (азот, фосфор и др.), выделяя при этом кислород и стимулируя деструкцию растворенных органических веществ. Процессы самоочищения навозных стоков можно ускорить инокулировав в пруд альгологический полинокулянт, а также макрофитов, которые активно поглощают различные загрязнения. Наличие адаптированного альгологического полинокулянта гарантирует быстрое удаление биогенов [11,12,13,14].

Российским учеными, в том числе и автору этого научного труда c со авторами занимавшимся и занимающимся проблемой утилизации и обеззараживанием сточных вод удавалась добиваться удалением на 95-99,0% органических веществ сточных вод и 99,9% удалением болезнетворных возбудителей кишечной группы Изучение химико-биологического состава сухой биомассы фитопланктона свидетельствует о ее высокой кормовой ценности. Протеина в ней содержится до 40%, в его состав входят все незаменимые аминокислоты. Кроме того, в состав фитопланктона входят жиры, витамины, ферменты. Высушенная биомасса фитопланктона, добытого из водорослевых прудов очистки, может использоваться на корм крупному рогатому скоту, птице и свиньям [9,11,15].

Разработка и использование технологии проточного культивирования кормовых гидробионтов на рыбоводно-биологических прудах свиноводческого комплексов является высокоэффективным рентабельным способам использования побочной продукции цеха очистных сооружений.

Пищевые взаимоотношения зоопланктона с бактерио- и фитопланктоном описаны достаточно подробно Основными источниками пищевых ресурсов зоопланктона являются водные бактерии и одноклеточные водоросли. Потребляя пищевые организмы, низшие ракообразные выделяют продукты жизнедеятельности, которые в свою очередь стимулируют фотосинтез и прирост биомассы водорослей. Значение бактериопланктона и питание зоопланктона зависит от степени его концентрации и агрегированности [1,2,3,7,8,11,13,14,18].

В процессах самоочищения принимает участие весь комплекс биоценоза, включающий водных растений, животных, бактерий, зоопланктона, грибов, рыб. Одни из них обладают механической очистительной способностью, другие могут аккумулировать в своих органах химические соединения, третьи – минерализуют сложные загрязняющие вещества, обладающие мутагенными и канцерогенными свойствами. Несомненно, наибольшую роль в этих процессах играют бактерии, одноклеточные микроорганизмы, грибы, простейшие в комплексе с водной растительностью (фито-системы).

Необходимо отметить, что очистительной способностью обладает стабильный комплекс организмов, составляющих биоценоз экосистемы. Чем богаче видовое разнообразие, тем быстрее осуществляются эти процессы [1,2,3,12].

В стабильной экосистеме синтезированное фитопланктоном органическое вещество утилизируется зоопланктоном. При этом в сообществе развиваются те виды водорослей, к которым приспособлено зоопланктонное население. Неиспользованное органическое вещество, экскременты разлагается в толще воды или оседает на дно, где потребляются донными бактериями и животными. Всех их, в конечном счете, потребляют рыбы. Таким образом, круг замыкается. Достаточное количество кислорода в водоеме способствует более полному окислению органического вещества. Большое разнообразие видов (как животных, так и растений) позволяет такой экосистеме существовать стабильно и достаточно долго [1,2,3].

Роль зоопланктона в рыбоводно - биологических прудах велика, как и водорослей на предыдущей ступени очистки. Зоопланктон как никто из водных организмов утилизирует мелкий бактериопланктон, детрит и трансформирует их энергию на более высокий уровень. Сам же зоопланктон является пищей для более крупных беспозвоночных и рыб.

Измеряя биомассу и численность организмов различных сообществ биологической очистки, мы можем дать лишь статистическое описание сообществ, характеризующего его на момент взятия пробы. Динамика функционирования сообществ описывается потоком энергии, переходящим с биомассой от одного трофического уровня к другому. Потоки энергии характеризуются скоростью переноса энергии и питательных веществ от организма к организму по пищевым цепям.

Ученые выделяют факторы среды, оказывающие влияние на скорость биотической трансформации органического вещества. Большое внимание уделяются размерам организмов, масса многих из них различается на десять порядков. Сложившиеся в экологической физиологии представление о связи между массой организма и скоростью его роста, потребление кислорода и пищи свидетельствует о том, что чем меньше масса тела, тем более интенсивно протекают эти процессы [9].

В естественных условиях зоопланктон действует как своеобразный бактериальный фильтр. Снижение численности бактерий благодаря фильтрации зоопланктона может достигать 99,5% в поверхностных и глубинных слоях пруда [1,2,3,9].

Так в естественных биоценозных сообществах две трети первопищи рассеивается бактериями в процессе обмена. Суммарная продукция мирного зоопланктона, простейших и бентоса ограничивается 1,1 – 1,5 % от энергии первопищи. Продукция хищного зоопланктона от продукции фильтраторов составляет 10 - 15%.

При хорошо отлаженной технологии прудового рыбоводства доля карпа в общем потоке энергии составляет от 2,0 до 4,7% первопищи.

Введение в рыбоводный пруд кроме карпа и карася, поликультуры растительноядных рыб, возможно и теляпии окажет огромное влияние на поток энергии, сокращая трофическую цепь, следовательно, и траты на обмен. Растительноядные рыбы, питаясь фитопланктоном, бактериями и детритом потребляют около 17% суммарной продукции растений в водоеме (фитопланктон + макрофиты).

Для более полного понимания сути процессов, происходящих во время биологического самоочищения сточных вод, необходимо знать пути, по которым происходит передача энергии в сообществах, а также степень воздействия различных физико-химических условий среды на поток энергии.

Высшим консументами III порядка в трофической цепи рыбоводно-биологических прудов каскада очистки является рыбы - планктофаги.

Экспериментальные работы по выращиванию в рыбоводных бассейнах мальков и годовиков белого и пестрого толстолобика, а также гибрида амурского сазана с карпом опубликован в работе В.И. Калашник и Н.С. Кириленко. Опыт по выращиванию в рыбоводно-биологических прудах молоди карпа, карпо-карася, белого и пестрого толстолобика и их гибридов опубликованы в работе Ю.М. Субботиной и И.Р. Смирновой, разработана технология выращивания рыбопосадочного материала в рыбоводно-биологических прудах очистки, позднее полученные результаты запатентованы [4,6,14,15].

Использованная литература

1. Виноградов М.Е., Шушкина Э.А. Функционирование планктонных сообществ эпилагиали океана. М.: Наука, 1987. – 240 с.

2. Гутельмахер Б.Л. Метаболизм планктона как единого целого (трофометаболические взаимодействия зоо- и фитопланктона) / Б.Л. Гутельмахер. - Л.: 1984. –184 с.

3. Гутельмахер Б.Л. Садчиков А.П., Филиппова Т.Г. Питание зоопланктона // Итоги науки и техники. Сер. Общая экология. Биоценология. Гидробиология. М.: ВИ-НИТИ, 1988. Т. 6. – 156 с.

4. Калашник В.И., Кириленко И.С. Использование рыбоводных прудов для доочистки сточных вод после станции аэрации // Биологическое самоочищение и формирование качества воды. М.: 1975. – С. 153 - 156.

5. Мейен В.А. Очистка сточной жидкости в прудах и выращивание в них рыбы // Научно-техническое общество водоснабжения в санитарной техники. М.: 1932. – 60 с.

6. Меркурьев В.С., Субботина Ю.М. Способ очистки сточных вод//А.С. №183050 с 023/32 от 30.06.93. Бюл. № 32.

7. Монаков А.В. Питание и пищевые взаимоотношения пресноводных копепод. М.: Наука, 1976. – 170 с.

8. Никулина В.Н., Гутельмахер Б.Л. Взаимоотношение фито- и зоопланктона // Общие основы изучения водных экосистем. Л.: Наука,1979. – С 257 - 271.

9. Садчиков А.П. Зоопланктон: утилизация водорослей природных водоемов / Планктология. Курс лекций: часть 1.Зоопланктон. Трофические взаимоотношения. М.: Макс. Пресс. 2007 – 240 с.

10. Смирнова И.Р. Теоретическое обоснование, усовершенствование и разработка мероприятий, направленных на оптимизацию технологий естественной биологической очистки сточных вод с возможностью их использования на орошение и рыборазведение: автореферат на соискание степени д.в.н. М.: 1997. – 48 с.

11. Субботина Ю.М. Биопруды для выращивания молоди рыб // Материалы V Всероссийская научно-практическая конференция 17-18 февраля 2011. Состояние среды обитания и фауна охотничьих животных России. М.: РГЗАУ, 2011. – С. 423 - 427.

12. Субботина Ю.М. Естественные биоценозы, участвующие в очистке сточных вод рыбоводно-биологических прудов // Защита окружающей среды и рациональное природопользование как элемент стратегии социально-демографического развития общества. М.: РГСУ, 2013. – С. 79 - 85

13. Субботина Ю.М. Метод и технология выращивания рыбопосадочного материала в рыбоводно-биологических прудах // Актуальные проблемы техзногеннойи экологической безопасности. Сб. научных трудов. В.8. М.: РГСУ, 2013. – С. 329 - 337.

14. Субботина Ю.М. Технология выращивания молоди карпа в рыбоводно-биологических прудах. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук, 1993. – 23 с.

15. Субботина Ю.М.Смирнова И.Р., Виноградов В.Н., Мазур А.В., Чистова Л.С., Лесина Т.Н. «Способ очистки сточных вод животноводческих комплексов, ферм и птицефабрик с помощью адаптированного комплекса микроводорослей, высшей водной растительности, зоопланктона и рыбы» PV 2140735 Cl 6A 01 K 61/00 C 02 F 3/32 10.11.99 Бюл. № 32 приор. 13.01.98.

16. Сущеня Л.М. Количественные закономерности питания ракообразных. Минск: 1976. – 208 с.

17. Тарасов Е.А., Серветник Г.Е. Заключительный отчет по теме 02.03 Разработать биотехнологию выращивания карпа и растительноядных рыб в очистных водоемах животноводческих комплексов» ВНИИР. пос. Воровского, 1980. – 242 с.

18. Телитченко М.М. О возможности управления процессами самоочищения биологическими методами // Теория и практика биологического самоочищения. М.: Наука, 1976. – 240 с.

19. Saunders G.W. The kinetics of extracellular release of soluble organic matter by plancton. Verh. Intern. Verein Lim-no1., Stuttgart, 1972, Bd/18, S.140 - 146.

Код для цитирования: Скопировать