Авг 16 2001

ПРЕВРАЩЕНИЯ СОЕДИНЕНИЙ АЗОТА И МИГРАЦИЯ

ПРЕВРАЩЕНИЯ СОЕДИНЕНИЙ АЗОТА И МИГРАЦИЯ

ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ПРИРОДНЫХ ВОДАХ

РЕСПУБЛИКИ МОЛДОВА

М. Санду1, Т. Лупашку 2, М. Ревенко 2,

В. Русу2, Е. Мошану1, В. Мерян 2

1Национальный институт экологии Республики Молдова

2Институт химии Академии Наук Республики Молдова

Неорганические соединения (NH4+, NO2-, NO3-) азота присутствуют практически во всех природных водах и зачастую сдерживают развитие организмов. Их содержание в природных водах обусловлено, прежде всего, качеством и количеством сбрасываемых неочищенных или недостаточно очищенных от азотсодержащих веществ сточных вод, атмосферных осадков, а также кинетикой их биохимической трансформации.

Аммонийные ионы и аммиак являются основной формой азота в цикле его круговорота в природе, поэтому его концентрация в природной среде представляет собой важный экологический индикатор. Присутствие соединений аммиака в природных водах вызывает эвтрофирование воды с потреблением растворенного кислорода (1 г NH3 потребляет 24,57г О2).

Биохимическое окисление аммонийных соединений протекает в двух основных стадиях. На первой стадии нитрифицирующие бактерии (Nitrosomonas) превращают аммиак в нитриты:

2NH4+ + 3O2                   2NO2- + 4H+ + 2H2O + 54,9 ккал.

Во второй стадии нитриты окисляются (Nitrobacter) биохимически до нитритов:

2NO2- + O2           2NO3- + 18 ккал.

Доказано, что первым продуктом окисления аммиака до нитритов является гидроксиламин, образование которого требует высокого потенциала redox, а промежуточные продукты окисления (дигидроксиламмоний, нитроксил, гипонитрит, нитрогидроксиламин) нестабильны.

2NH3 + O2             2NH2 ОН

NH2 ОН + O2                  HNО2 + Н2 О

Но концентрация образовавшегося гидроксиламина незначительна, поэтому обычно исследуется двухстадийная система окисления аммиака.

NH3             NО2 -           NО3 -.

Однако все эти реакции не отражают всю совокупность процессов и кинетических кривых одного эксперимента. На биохимическое превращение соединений азота существенно влияет концентрация растворенного кислорода и других присутствующих веществ, их степень токсичности на нитрифицирующие микроорганизмы, интенсивность света, а также температура среды.

Скорость роста нитрифицирующих организмов значительно увеличивается с возрастанием температуры от 8 до 30° С (Nitrosomonas + 0,2 – 1,8 в день; Nitrobacter 0,5 – 1,3 в день).

С увеличением температуры на 1° С количество Nitrosomonas возрастает на 9,5 %, а Nitrobacter – на 5,9 % [1]. Температурный оптимум процесса – 24 – 26° С.

Многие органические вещества (глюкоза, глицерин, мочевина, пептон и др.) не используются нитрифицирующими бактериями и могут действовать на них угнетающе [2]. Но различные органические вещества влияют на нитрифицирующий процесс по-разному, в зависимости от природы и концентрации. Так алифатические амины более токсичны, чем ароматические [3]. Лимитирующая концентрация растворенного кислорода для нитрификации варьирует от 0,5 до 2,5 мг/дм3 и увеличивается до 4 мг/дм3 при переменных нагрузках [4]. Для развития нитрифицирующих микроорганизмов необходимы неорганические вещества, мг/дм3: фосфор – 0,003-120; магний – 0,002, железо – 6; кальций – 0,5 –160, а также микроэлементы: медь, молибден, вольфрам [5] в незначительных количествах. Анализ литературной информации показывает, что процесс нитрификации изучен слабо в сложных системах, содержащих органические и неорганические вещества. А оценка влияния различных лимитирующих веществ на происходящие в природе превращения может указать на те из них, которые являются вероятными ограничителями процесса или изменениями кинетики процесса.

Цель настоящей работы – изучение влияния различных веществ на нитрификацию аммонийных соединений в природной воде (р. Днестр – Вадул-луй-Водэ и Прут - Костешть - Стынка) тяжелых металлов (Cu, Pb, Zn, Cd) в моделируемых условиях.

Следует подчеркнуть, что цель работы обоснована тем, что наиболее сложным в решении проблемы очистки воды от азотсодержащих соединений – это удаление аммонийного азота и поэтому в природные воды сбрасываются сточные (промышленные, хозбытовые), содержащие аммиак.

Аммиак и его соединения присутствуют практически во всех поверхностных водах рек в Республике Молдова (0,005 – 5 и более мг/дм3 NH4+). Его концентрация максимальна в воде рек ниже больших городов (сброс недостаточно очищенных хозбытовых стоков) и при слиянии малых рек, воды которых имеет степень классификации "грязная" и "очень грязная".

Биохимическое окисление аммонийных соединений было изучено путем моделирования, используя воду р.р. Днестр и Прут и шесть изменчивых факторов (26 – 64). Искусственно добавлялись гуминовые вещества (ГВ), мочевина (М), фенол (Ф), нефтепродукты (НФ), нитрилотриуксусная кислота (НТУ) и анионоактивное поверхностно-активное вещество (АПАВ), которые могут быть потенциальными загрязнителями поверхностных вод. Постоянными были концентрации аммонийных ионов, тяжелых металлов и условия эксперимента (освещение, температура). Содержание в экспериментах всех компонентов соответствовало величине предельно допустимой концентрации для вод открытых водоемов. Данное лабораторное моделирование не соответствует полностью природным условиям, однако, по полученным результатам, с долей достоверности, можно описать общую картину влияния исследуемых веществ на процесс нитрификации. Ежедневно измерялась концентрация NH4+, NО2-, O2 и рН, а в конце эксперимента NО3- и тяжелых металлов, растворенных в воде и содержащихся во взвешенных частицах.

Скорость процесса нитрификации в системах варьировала в зависимости от природы содержащегося вещества, но оказалась практически одинаковой для воды рек Днестра и Прута. Гуминовые вещества являются позитивным фактором процесса (используемые в эксперименте тяжелые металлы хорошо комплектуются гуминовыми веществами), затем следует система ГВ – НТУ – НП – АПАВ. Мочевина и фенол отрицательно сказываются на исследуемом процессе. В контроле ионы аммония окислялись до нитритов в течение 15 дней. На пятый день в описанной системе 40 % аммиака окислялось в присутствии ГВ – НТУ – НП – АПАВ, а на восьмой день 100 % окисления наблюдалось лишь в присутствии ГВ – НТУ – НП – АПАВ; ГВ – Ф – АПАВ и ГВ. В отсутствие ГВ отрицательное влияние остальных веществ сказывается до 20-го дня.

В первой стадии (NH3             NО2-) рН растворов растет до 9,5 – 9,7, а во второй стадии (NО2-    NО3-) снижается до 7,9 – 8,3.

Ионы тяжелых металлов при рН 7,5 – 9,7 находятся как в виде MeOHn+, а так и в состоянии комплексных частиц с ГВ и НТУ. Но известна, и способность определенных групп микроорганизмов использовать соединения тяжелых металлов в качестве источника энергии, аккумулируя их в своем организме. Таким образом, оказалось интересным выявить роль взвешенных частиц, включая микроорганизмы нитрификации, в извлечении из водной среды тяжелых металлов. Механизм этого процесса изучен недостаточно.

Исследования показали, что как в днестровской воде, так и в воде реки Прут в конце эксперимента во взвешенных частицах было в 30 – 60 раз больше свинца, чем в контроле, меди – в 30 – 45 раз и цинка и кадмия – в 5 – 46 раз больше. Следовательно, тяжелые металлы в смеси с различными органическими веществами влияют на скорость процесса нитрификации и мигрируют посредством образовавшихся в результате биохимических превращениях взвешенных частиц. А включение веществ из водной массы в осадки, ведущие к переносу продуктов реакции в осадки, представляет собой часть сложного процесса самоочищения природной воды.

Acknowledgements.

This work is supported by the NATO project sfp 974064

 

Литература

1. Микробиология загрязненных вод/ Перевод с англ. М.: Медицина, 1976 - 320 с.

2. Виноградский С.Н. Микробиология почв. М.: Изд-во АН СССР, 1952. - 702 с.

3. Топиков В.В. Исследование процесса нитрификации в Москва – реке // Материалы науч.-техн. конф. "Человек в биосфере" /Москва, 14-16 дек. 1988 г.(. М.: 1988. С. 140).

4. Stenstron V.K. Effects of oxygen transport limitation on nitrification in the activited sluge process // Res. J. Water Pollut. Contr. Fed. 1991. 63, Nr. 3. P. 34 – 35.

5. Заварзин Г.А. Литотрофные микроорганизмы. М.: Наука, 1972. – 323с.

Нет пока ответов

Комментарии закрыты.