X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Введение. Цинк – это относительно распространенный (кларк 0,008), жизненно и промышленно важный, токсичный 3d-металл.

Обеспечение процесса утилизации цинка в компостируемом субстрате актуально, т.к. будет способствовать санитарному «оздоровлению» компоста, производимого из ТБО.

Наиболее типичные химические соединения Zn²⁺ (d¹⁰) – ZnO, ZnS, [Zn(OH)₆]²⁺, [Zn(OH)₄]^2-, соли Zn²⁺, ZnF₂, ZnCl₂, множество комплексов [1].

Растворимость соединений Zn снижается от легкорастворимых ZnSO₄ и ZnCl₂ к труднорастворимому ZnCO₃ и очень трудно растворимымZn₃(PO₄₎₂ и ZnS; осаждение Zn(OH)₂ – при рН 5,2 [2].

Загрязнение почв Zn в техногенезе широко распространено, а время его полуудаления составляет 70-81 год. Качество таких загрязненных почв восстанавливается внесением извести или органического вещества [3]. Растворимость Zn повышается в кислых условиях, а также при значительном количестве низкомолекулярных органических лигандов.

Содержание Zn в почве колеблется от 10 до 800 мг/кг [4]. Накопление Zn отрицательно влияет на большинство почвенных процессов: ведет к изменению свойств почв, снижает биологическую деятельность, т.к. подавляет жизнедеятельность микроорганизмов, вследствие чего нарушаются процессы образования органического вещества в почвах. Избыток Zn в почве затрудняет ферментацию разложения целюлозы, процессы дыхания [5]. Zn оказывает влияние на процесс накопления грибами органических кислот, в частности лимонной кислоты. Недостаток Zn приводит к значительному замедлению роста актиномицетов. Ионы Zn оказывают влияние на углеродный, азотный и фосфорный обмены ряда организмов и участвуют в окислительно-восстановительных процессах [6]. Цинк входит в состав РНК и участвует в его синтезе [7].

ТБО обогащается цинком благодаря смёту с промплощадок и городских улиц [8].

ПДК в почве 23,0 мг/кг [9], компосте – меньше 200 мг/кг [10].

Цель. Планирование и оптимизация биоутилизации цинка в процессе компостирования органических компонентов ТБО.

Вычисления основаны на применении данных, указанных в работах [11, 12] и основаны на методике, описанной в работе [13]

Результаты и обсуждение. В целях планирования и оптимизации в процессе биодеградации цинка при компостировании ТБО, были отобраны пять факторов.

Как видно из таблицы 1, фактор Х₁ учитывает уровень разведения сульфатредуцирующих бактерий (на примере рода Desulfobacteriaceae). Известно [14], что сульфатредуцирующие бактерии, обитая в рудных месторождениях, в глубоком почвенном слое и в глубинах океана, используют в своих реакциях ионы цинка. Именно поэтому, в целях дополнительного обогащения компостируемого субстрата сульфатредуцирующими бактериями, предполагается регулировать вторым (Х₂ - добавление почвы в компостируемый субстрат, г/кг) фактором. Также выделены три физических фактора (Х₃ – влажность, %; Х₄ – температура компостируемого субстрата, ^оС; Х₅ – день компостирования в биореакторе), которые влияют не только на процесс компостирования, но и на активность исследуемых таксонов.

Таблица 1. Область факторного пространства

Факторы	Уровни факторов
	1	2	3	4	5
Х1 – Уровень разведения сульфатредуцирующих бактерий (на примере рода Desulfobacteriaceae)	2	3	4	5	6
Х2 – Добавление почвы в компостируемый субстрат, г/кг	20	60	100	140	180
Х3– Влажность, %	30	39	48	57	66
Х4– Температура, 0С	32	39	46	53	60
Х5 – День компостирования в биореакторе	40	48	56	64	72

На основе пятифакторной матрицы планирования эксперимента был проведен расчет опытных значений частных функций (таблица 2).

Таблица 2. Расчет экспериментальных значений частных функций

№ фактора	Уровень						Среднее значение
	1	2	3	4	5
Х1	93	96,4	93,4	94	96,8	94,72
Х2	96,8	94	93,4	96,4	93
Х3	93,4	96,8	94	93	96,4
Х4	96,4	94	93	96,8	93,4
Х5	94	93,4	96,8	96,4	93

Выполнен анализ моделей для алгебраического описания функций методом наименьших квадратов. Расчет значений и апроксимация опытных функций определил выборку на точечные графики по закономерности изменения степени очистки компостируемого субстрата от цинка с учетом принятых пяти факторов (рисунок 1).

а	б
в	г
д

Рисунок 1. Выборка на точечные графики: закономерности изменения степени очистки компоста от цинка с учетом обсемененности Desulfobacteriaceae (а), вводимого в компостируемый субстрат количества почвы (б), влажности (в) и температуры (г) компостируемой массы, дня компостирования (д)

Как видно из рисунка 1:

1) почти все исследуемые факторы (исключение Х₂), положительно коррелируют со степенью биодеградации цинка: чем выше их уровни, тем выше показатель степени биодеградации, так, повышение:

- обсемененности бактерий роды Desulfobacteriaceae со 2-го по 6-ой уровень разведения приводит к повышению степени очистки компостируемого субстрата ТБО от цинка с 93,68 % до 99,16 %,

- влажности с 30 до 66 %, температуры с 30 до 60^оС и дня компостирования с 40 по 72 день приводит к повышению биодеградации цинка с 94 до 95,44 %, с 94,678 до 94,762 % и c 94.52 до 94.92 % соответственно;

2) отрицательная корреляционная зависимость, как это выявлено из расчетов, характерно для фактора Х₂, т.к. чем больше количество вводимой почвы в компостируемый субстрат (с 20 до 180 г/кг), тем ниже процент биодеградации цинка (с 95,75 до 93,68 %);

3) наиболее сильнодействующими факторами, влияющие на степень биодеградации цинка в компостируемом субстрате, являются такие факторы, как Х₁ (обсемененности бактерий роды Desulfobacteriaceae), Х₄ (температура) и Х₆ (день компостирования), т.к. полученные сотые (Х₁, Х₄) и тысячные (Х₆) показатели процента очистки свидетельствуют о высокой чувствительности процесса биодеградации цинка к этим факторам.

Анализ обобщенного уравнения (Y_об) показал, что оптимальными условиями для компостирования являются: обсемененность бактерий из рода Desulfobacteriaceae на уровне шестого разведения, количество почвенной добавки не должно превышать 20 г/кг, W 66 %, t 60 ^oC, продолжительность компостирования 72 дня) степень очистки компостной системы от цинка может достигнуть 100 %.

Литература

1. Иванов В.В. Экологическая геохимия элементов. Справочник в 6 кн. / Под ред. Э.К. Буренкова. М., Экология, 1995. Кн.4. Главные d-элементы. – 416 с.

2. Справочник по геохимическим поискам полезных ископаемых / Под ред. А.П. Солодова. М., Недра, 1990. – 342 с.

3. Kitagishi, K. and Yamane, H. (1981) Heavy metal pollution in soils of Japan. CRC Press, Tokyo, 19-26.

4. Химия окружающей среды – Пер. с англ. / Под ред. А.П. Цыганкова. М., Химия, 1982. – 672 с.

5. Краснова М., Шальнов М., Шилов В.Н. и др. Полный справочник санитарного врача. М., Научная книга, 2013. – 233 с.

6. Сизенцов А.Н., Мисетов И.А., каримов И.Ф. Антибиотики и химиотерапевтические препараты: учебник. Оренбургский университет – Оренбург: ОГУ, 2012. – 489 с.

7. Алексеенко В.А. Цинк и кадмий в окружающей среде. М., Наука, 1992.-197 с.

8. Горох Н.П. Экологическая оценка вредных веществ при комплексной утилизации муниципальных отходов // Научно-технический сборник №63 «Коммунальное хозяйство городов. 2005.-С.172-181.

9. ГН 2.1.7.2041-06. Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в почве.

10. Витковская С.Е. Твердые бытовые отходы: антропогенное звено биологического круговорота. – СПб. : АФИ, 2012. – 132 с.

11. Гарабаджиу А.В., Джамалова Г.А., Свирко Е.А., Джолдыбаева С.М. Изменчивость ксенобиотической активности и микробиоценоза в компостируемом композите «твердые бытовые отходы + почва» // Известия СПбГТИ(ТУ), № 33 (59), СПб- 2016.С.71-76.

12. Гарабаджиу А.В., Джамалова Г.А., Джолдыбаева С.М., Свирко Е.А. Изменчивость ксенобиотиче-ской активности и микробио-ценоза в компостируемом композите «твердые бытовые отходы» // Современные проблемы науки и образования. – 2016. – № 3.; URL: http://www.science-education.ru/ru/article/view?id=24633.

13. Джамалова Г.А. Математическое планирование выхода продуктов биоразложения твердых бытовых отходов в зависимости от протокола загрузки биореактора // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 4.; URL: http://www.science-education.ru/ru/article/view?id=21293 (дата обращения: 23.02.2018).

14. Moreau J.W., Weber P.K., Martin M.C., Gilbert B., Hutcheon Ian D., Banfield Jillian F. Extracellular Proteins Limit the Dispersal of Biogenic Nanoparticles // Science. 2007. V. 316. P. 1600–1603.

Код для цитирования: Скопировать