Моделирование бактериальной деструкции органического вещества с помощью полного факторного эксперимента

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Моделирование бактериальной деструкции органического вещества с помощью полного факторного эксперимента

На наш взгляд, наиболее важным звеном в экосистеме реки и водохранилища играют бактерии - деструкторы органических веществ. Они активно участвуют в круговороте таких элементов как углерод, азот и фосфор.

В водоеме органические вещества (ОВ) образуются в результате фотосинтеза фитопланктона и высших водных растений, а также поступают с водосборной площади с поверхностными водами. Растворимое ОВ может иметь также и окрашенные гуминовые кислоты.

Организмы, минерализующие эти вещества, как правило, относятся к олигокарбофильной микрофлоре, численность которой может достигать, в зависимости от трофии водоема колеблется в пределах 2,0 - 5,0 млн. кл/мл. Начальные процессы деструкции ОВ осуществляются грамотрицательными бактериями, а следующие этапы протекают с помощью грамположительных палочек, кокков, и также спороносных бактерий. Довольно трудно распадаются нефтепродукты, синтетические поверхностно активные вещества, поступающие в воду извне или при десорбции донных отложений. Наиболее активно в этом процессе участвует Alcaligenes, Micrococcus, Pseudomonas, Rhodococcus. Гуминовые кислоты также могут, разлагаются микобактерией Mycobacterium phlei и Achomobacter sp. Интересно, что численность Achomobacter в воде финских озер достигает 100-500 тыс. кл/мл, что составляет 10-50% от общей численности бактерий, а прибавление фракций фульвокислот стимулирует дыхание у Pseudomonas sp. На различных озерах, в летний период разрушается до 12 - 20% гуминовых кислот, интенсивность их деструкции возрастает при температуре 22°С в 4-5 раз, по относительно к низкой температуры - 2°С (Горленко и др. 1977).

Остатки отмершего фитопланктона и высших водных растений разлагаются в аэробных и анаэробных условиях. Взвешенные ОВ аллохтонного происхождения распадаются на 80%, проходя через водную толщу. Наиболее активно идет деструкция в районе температурного скачка ОВ органического вещества в водоеме (Кузнецов, 1970). Важную роль в деструкции играют также и различные фотосинтетические микроорганизмы - серобактерии и тионовые бактерии.

Цель работы: исследование деструкции органического вещества в природных и модельных условиях с помощью трехфакторного эксперимента.

Материалы и методика исследования. Для получения точных и достоверных результатов использовался полный трехфакторный эксперимент - ПФЭ 2³ (Адлер и др., 1971, Лысенков, 1979, Боровиков и др., 1998) по исследованию интенсивности деструкции органического вещества в природных и модельных условиях. Каждый фактор в эксперименте варьировался на 2 уровнях (верхнем и нижнем). Использовался план эксперимента (табл. 1), в котором из 8 опытов рассмотрены фактически все варианты варьирования факторов (Х₁ - Х₃). Расчет коэффициентов регрессии и их доверительные границы проводились в программе STATISTICA (Боровиков и др., 1998).

бактерия органический водоем фитопланктон

План и результаты полного трехфакторного эксперимента (ПФЭ 2 ³), факторы: Х₁ - время экспозиции 2 - 4 суток. Х₂ - температура воды 5 - 25°С; Х₃ - начальная концентрация ОВ 16 - 70 мг/л; отклик: БПК мг/л О₂; БПК/ХПК%.

Определяли биохимическое потребление кислорода (БПК) в воде и химическое потребление кислорода (ХПК), по (Лурье, 1974), рассчитывали также БПК/ХПК%.

Важно, при использовании такого показателя, как БПК₅ при 20°С наблюдается до 70% деструкции органического вещества. (Вода и сточные…, 1972) В связи с этим, исследовался этот процесс при меньшем времени экспозиции (т.е. БПК₂ и БПК₄ - фактор Х₁), а также для зимних и летних условиях при различных температурах (5 - 25°С - фактор Х₂).

Для получения информации, как развивается деструкция в природных и модельных условиях, отбирали пробы воды на русле Днепра (Оболонь) с содержанием органического вещества 16 мг/л и в лабораторных условиях 70 мг/л (фактор Х₃). Экспонировали пробы воды 2-4 суток (фактор Х₃) и в холодильнике 5°С, а также в термостате при 25°С.

Результаты исследований и их обсуждение. Как видно из табл. 1 низкое БПК - 0,29 мг/л кислорода обнаружено в 1 опыте и максимальное в 4 опыте БПК - 4,32 мг/л кислорода. Вода в природных условиях характеризовалась, в целом, невысоким БПК, который колебался в пределах 0,58-2,42 мг/л., а в лабораторных размах был выше 0,29 - 4,32 мг/л кислорода.

Расчет коэффициентов регрессии и их доверительные интервалы показано на табл. выполненной с помощью программы STATISTICA для БПК, а также и для БПК/ХПК - на табл. 3

Расчет коэффициентов регрессии и доверительные границы в программе STATISTICA для деструкции ОВ (БПК₂ и БПК₄ мг/л кислорода) в полном трехфакторном эксперименте (ПФЭ 2³)

После расчета коэффициентов регрессии при 5% уровне значимости STATUSTICA (Боровиков, 1998) получены следующие уравнения регрессии - подчеркнутые коэффициенты не значимы, в _зн = 0,11 (для БПК) и в _зн = 0,66 (для БПК/ХПК):

У_БПК = 1,816 +0,174 х₁ +1,294 х₂ - 0,291 х₃ + 0,086 х₁ х₂ -0,094 х₁ х₃ -0,454 х₂ х₃

У_{БПК/ХПК}= 7,748 +0,908 х₁ + 6,126 х₂ - 5,563 х₃ +0,618 х₁ х₂ - 0,803 х₁ х₃ - 4,921 х ₂х₃

Расчет коэффициентов регрессии и доверительных интервалов в программе STATISTICA для деструкции ОВ - процент БПК/ХСК в полном трехфакторном эксперименте (ПФЭ 2³)

Деструкция органического вещества (ОВ) в природных и модельных условиях опыта

Как видно из полученных уравнений регрессий, наиболее сильно положительно влияет на деструкцию ОВ температура среды, увеличивая деструкцию на 1,294 мг/л кислорода (Х₂). Добавление ОВ в лабораторных условиях уменьшает деструкцию на 0,291 мг/л кислорода (Х₃). Вероятно, это было связано с недостатком кислорода в модельных условиях. Увеличение времени экспозиции также немного ускоряет процесс деструкции и составляет 0,174 мг/л кислорода (Х₁). Существенно уменьшает деструкцию растворенное ОВ и температура среды, составляющая 0,454 мг/л кислорода (Х₂ Х₃).

Таким образом, можно так ранжировать факторы: положительные - температура воды - время экспозиции; отрицательные - взаимодействие содержания органического вещества с температурой среды, а также взаимодействие всех трех факторов. Деструкция ОВ в модельных условиях эксперимента требует обязательной аэрации воды.

Литература

1. Адлер А.А., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. /2-е изд. Переработанное и доп. - М.: Наука, 1976, - 279 с

2. Боровиков, В.П. Боровиков И.П. STATISTICA - статистический анализ и обработка данных в среде Windows - М.: Филин, - 1998, - 608 с.

3. Вода и сточные воды в пищевой промышленности /ред. В.М. Кац - М.: Пищевая промышленность, - 1972, - С. 12.

4. Горленко В.М., Дубинина Г.А., Кузнецов С.И. Экология водных микроорганизмов. - М.: Наука, 1977, - 289 с.

5. Кузнецов С.И. Микрофлора озер и её геохимическая деятельность. - Л.: Наука, - 1970 - 440 с.

6. Лурье Ю.Ю., Рыбникова А.И. Химический анализ производственных сточных вод. - М.: Химия, 1974, - С. 47-52.

7. Лысенков А.Н. Математические методы планирования медико-биологических экспериментов. - М.: Медицина, 1979, - 344 с.

Размещено на Allbest.ru