Очищення води від мікроміцетів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут колоїдної хімії та хімії води ім. А.В. Думанського

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

05.17.21 - технологія водоочищення

Очищення води від мікроміцетів

Саприкіна Марія Миколаївна

Київ 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у відділі каталітичної очистки води Інституту колоїдної хімії та хімії води ім. А.В. Думанського Національної академії наук України.

Науковий керівник: академік НАН України, доктор хімічних наук, професор Гончарук Владислав Володимирович, Інститут колоїдної хімії та хімії води ім. А.В. Думанського НАН України, директор інституту, завідувач відділу каталітичної очистки води.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Запольський Анатолій Кирилович, Національний університет харчових технологій МОН України, професор кафедри біохімії та екології харчових виробництв;

доктор біологічних наук, професор Гвоздяк Петро Ілліч, Інститут колоїдної хімії та хімії води ім. А.В. Думанського НАН України, головний науковий співробітник відділу сорбції і біології очистки води.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат хімічних наук Т.І. Якимова.

Анотація

мікроміцет знезаражування вода

Саприкіна М.М. Очищення води від мікроміцетів - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.17.21 - технологія водоочищення. - Інститут колоїдної хімії та хімії води ім. А.В. Думанського НАН України, Київ, 2010.

Дисертацію присвячено очищенню води від мікроміцетів шляхом розробки ефективної технології їх вилучення. Вперше в Україні проведено комплексний аналіз води джерел водопостачання та водорозподільчої мережі, виділено типових представників мікроскопічних грибів, серед яких переважали роди Aspergillus, Penicillium, Cladosporium, Paecilomyces, Alternaria, Aureobasidium, Candida та інших.

Вперше розроблено методику виявлення мікроміцетів у воді, що дає можливість проводити повний мікологічний аналіз проб води. Оцінено ефективність знезаражування води від мікроміцетів широковживаними методами: хлоруванням, озонуванням, ультразвуковою обробкою, УФ-випромінюванням. Встановлено ефективні дози УФ-випромінювання для різних видів мікроскопічних грибів. Досліджено вилучення мікроміцетів з води при фільтруванні її крізь зернисті завантаження (активоване вугілля, пісок). Оцінено ефективність коагуляційного очищення води з використанням флокулянтів, що мають антимікробні властивості. Визначено раціональні параметри процесу. Запропоновано технологічну схему очищення води від мікроміцетів, що включає електрокоагуляційну обробку води у вдосконаленій комірці та фільтрування води крізь шар гранульованого силікату алюмінію, яка дає можливість повністю видаляти з води мікроскопічні гриби у діапазоні концентрацій 1,1·103-1,5?104 КУО/см3 та може бути рекомендована для практичного використання.

Ключові слова: очищення та знезаражування води, мікроміцети, знезаражувальні агенти, зернисті завантаження, коагулянти.

Аннотация

Сапрыкина М.Н. Очистка воды от микромицетов - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.17.21 - технология водоочистки. - Институт коллоидной химии и химии воды им. А.В. Думанского НАН Украины, Киев, 2010.

Диссертация посвящена удалению микроскопических грибов из водной среды путем разработки эффективной технологической схемы. Впервые в Украине из воды источников водоснабжения и водораспределительной сети выделены микроскопические грибы, среди которых доминировали роды Aspergillus, Penicillium, Cladosporium, Paecilomyces, Alternaria, Aureobasidium, Candida и другие. Разработан способ определения микромицетов в воде, который заключается в использовании питательной среды Сабуро, дополнительно содержащей 4-нитро-2,6-дихлоранилин (дихлоран). Определена оптимальная концентрация дихлорана, равная 2 мг/дм3, которая не влияет на количественные показатели как медленно-, так и быстрорастущих видов микромицетов.

Проведена оценка эффективности обеззараживания воды с использованием УФ-излучения. Установлено, что доза УФ-излучения зависит от вида микроскопического гриба. Обеззараживание воды на 90 % при ее контаминации культурой Penicillium multicolor происходит при дозе УФ-излучения - 40 мДж/см2, а в случае наличия в воде Aspergillus niger или Cladosporium cladosporioides, для достижения аналогичного эффекта обеззараживания она равна 180 и 270 мДж/см2 соответственно. Показана возможность применения зернистых загрузок для удаления из воды микромицетов. При этом установлено отсутствие отмирания культуры микромицетов на поверхности загрузки и связанное с этим выделение в фильтрат токсинов за весь период фильтрацикла. Установлена высокая эффективность использования коагулянтов для удаления из воды микромицетов. Наиболее эффективным коагулянтом является дигидроксосульфат алюминия (ДГСА). Оптимальная доза реагента составляет 6 мг/дм3 (по Al2O3), рН 7. Применение перечисленных параметров позволяет удалить из воды 99,9% загрязнения микромицетов. С целью повышения эффективности очистки целесообразно применять катионные флокулянты, такие как полидиаллилдиметиламмоний хлорид (ДБ-45), а также Валеустм, который является смесью хлорида и фосфата гуанидиновых оснований. Применение композиций реагентов ДГСА с ДБ-45 обеспечивает очистку воды на 99,99%.

Предложена технологическая схема очистки воды от микромицетов, которая включает электрокоагуляционную обработку воды в усовершенствованной электрокоагуляционной ячейке с последующим фильтрованием ее через гранулированный силикат алюминия (фильтр-АG). Предложенная постадийная очистка дает возможность эффективно извлекать из воды микроскопические грибы в диапазоне концентраций 1,1·103-1,5?104 КОЕ/см3 и может быть рекомендована для практического использования.

Ключевые слова: очистка и обеззараживание воды, микромицеты, обеззараживающие агенты, зернистые загрузки, коагулянты, электрокоагуляция.

Annotation

Saprykina M.N. Purification of water from microscopic fungi - Manuscript.

Dissertation to get the scientific degree of candidate of technical sciences on speciality 05.17.21. - Water Treatment Technology. A.V. Dumansky Institute of Colloid and Water Chemistry of NAS of Ukraine, Kyiv, 2010.

The dissertation is devoted to determination and removal of microscopic fungi from water media. For the first time microscopic fungi are isolated from water supply sources and water distributive network on the territories of Ukraine. The genera Aspergillus, Penicillium, Cladosporium, Paecilomyces, Alternaria, Aureobasidium, Candida among these fungi are prevailed. The method of microscopic fungi definition in water, which makes possible to carry out qualitative mycological analysis, is developed. Efficiency water disinfecting from microscopic fungi with use of chlorination, ozonization, ultrasound, Uf-radiation is estimated. It is established, that UF dose depends on a kind of a microscopic fungus. Water treating from microscopic fungi with use of granular loadings (the activated carbon, sand) is studied.

Efficiency coagulation water treating with use of flocculants, which possess biocide properties, is estimated. Optimum parameters of process are defined. High efficiency of coagulation for removal microscopic fungi from water is established. It is offered the technology of water treating from microscopic fungi which includes electrocoagulation cell and filter-AG. Such combination of purification stages gives the chance of complete removal of microscopic fungi from water in a range of their concentration 1,1·103-1,5?104 CFU/ml3. This technology can be recommended for practical use.

Keywords: purification and disinfecting of water, microscopic fungi, disinfecting agents, granular loading, coagulation, electrocoagulation.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Вода завжди вважалася джерелом розповсюдження ряду збудників небезпечних захворювань. Кількість таких захворювань, які передаються водним шляхом, катастрофічно збільшується. Погіршення якості води в джерелах водопостачання призводить до зниження санітарно-гігієнічних показників питної води, які досі базувалися на загальній кількості бактерій та деяких патогенних збудників, вірусів та найпростіших, але наявність в ній міцеліальних грибів не брали до уваги.

Останнім часом з'явилася велика кількість робіт, в яких показано наявність мікроміцетів як у водоймах, з яких здійснюється водопостачання, так і у питній воді. Мікроскопічні гриби все частіше стають причиною важких захворювань у людей з ослабленою імунною системою, ВІЛ інфікованих хворих, у пацієнтів в післяопераційний період. Гриби можуть призводити до виникнення хвороб, які за симптоматикою схожі на рак, туберкульоз, проказу. У відносно здорових людей мікроміцети здатні викликати алергічні реакції, а також легеневі захворювання різного ступеня тяжкості. Відомо, що гриби, які потрапляють у розподільчі водопровідні мережі, погіршують як органолептичні властивості води, так і виділяють у воду токсичні речовини - мікотоксини.

Незважаючи на небезпечність та наявність мікроміцетів у питній воді, систематичні дослідження з їх виявлення та видалення в Україні не проводяться. Постає нагальна потреба визначити рівень забруднення води джерел водопостачання та водорозподільної мережі мікроскопічними грибами - мікроміцетами, розробити надійну методику виявлення мікроміцетів у природних та питних водах з подальшим її впровадженням на санітарно-епідеміологічних станціях України, оцінити доцільність використання широковживаних методів знезаражування та очищення води від мікроміцетів, запропонувати технологічну схему ефективного вилучення мікроміцетів з води з використанням вдосконаленої конструкції водоочисного апарата.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась у відповідності до плану науково-дослідних робіт Інституту колоїдної хімії та хімії води ім. А.В.Думанського НАН України за темами: державна тематика на замовлення Мінжитлокомунгоспу України за наказом № 70 від 25.03.08: "Аналітичні дослідження забезпечення контролю за якістю питної води відповідно до перспективних вимог нормативних документів" (2008 р., № держреєстрації 0108U007328, виконавець); відомчі теми НАН України: „Створення наукових засад управління процесами вилучення і трансформації органічних і неорганічних речовин при обробці води” (2007-2011 рр., № держреєстрації 0107U000149, виконавець); "Розробка технології та створення пілотного зразка для вилучення з води біологічних і органічних забруднень" (2010-2012 рр., № держреєстрації 0110U001006, виконавець). Конкурсні теми НАН України: "Стратегія розвитку досліджень в галузі хімії, фізики, біології води та фундаментальних основ колоїдної хімії" (2007-2011 рр., № держреєстрації 0107U000148, виконавець) в рамках цільової наукової програми відділення хімії НАН України "Розробка стратегії розвитку пріоритетних напрямків у хімії" та "Розробка нових комплексних підходів очистки, знезараження та оцінки токсичності води" (2007-2009 рр., № держреєстрації 0107U005636, виконавець) в рамках програми прикладних досліджень НАН України "Новітні медико-біологічні проблеми та навколишнє середовище людини"; грант НАН України для молодих вчених "Використання процесів адсорбції для вилучення мікробіологічних, радіоактивних та органічних домішок з води" (2009-2010 рр., № держреєстрації 0109U006119, виконавець).

Мета і завдання дослідження. Мета роботи: обґрунтування можливості та виявлення особливостей вилучення мікроміцетів з водного середовища для розробки ефективної технології знезаражування води від цих мікроорганізмів на основі застосування нової конструкції водоочисного апарата.

Для досягнення мети необхідно вирішити такі наукові та практичні завдання:

Оцінити наявність мікроскопічних грибів у джерелах водопостачання та у питній воді;

Розробити просту та ефективну методику виявлення мікроміцетів у воді, що дозволить отримати інформацію щодо видового та кількісного складу грибів. Провести апробацію запропонованої методики на санітарно-епідеміологічних станціях України;

Оцінити ефективність застосування традиційних методів обробки та знезаражування води від мікроміцетів;

Обґрунтувати доцільність застосування антимікробних флокулянтів, а саме солей полігексаметиленгуанідіну (ПГМГ) та полідиалілдиметиламонію хлориду (ДБ-45) для знезаражування води від мікроміцетів;

Розробити компактний водоочисний апарат та запропонувати ефективну технологічну схему очищення води від мікроміцетів.

Об'єкт дослідження - процеси виявлення та видалення мікроскопічних грибів з водного середовища.

Предмет дослідження - вода з джерел водопостачання та з розподільної системи м. Києва, що містить потенційно небезпечні мікроскопічні гриби.

Методи дослідження: для видалення мікроміцетів з води використовували методи сорбції, коагуляції, ультрафіолетового опромінювання та ультразвукової обробки; спектрофотометричний метод використовували з метою встановлення кількісних характеристик приготовленої суспензії культур мікроорганізмів, а також для визначення залишкової концентрації алюмінію, заліза, ПГМГ та ДБ-45 у воді; титрометричний метод застосовували для визначення залишкового хлору у воді; кількісні підрахунки колоній мікроміцетів здійснювали з використанням методів прямого посіву та мембранних фільтрів, світлову мікроскопію використовували для якісного аналізу отриманої суспензії мікроорганізмів; статистичну обробку даних виконували для встановлення похибки експерименту. Наукова новизна одержаних результатів. Вперше в природних та питних водах України визначено рівень забруднення води мікроміцетами, виявлено найбільш типових представників цих мікроорганізмів та встановлено їх кількісні показники.

Вперше проведено порівняльний аналіз ефективності застосування типових фізичних (УФ-опромінення, ультразвукова обробка), хімічних (хлорування, озонування) та фізико-хімічних (коагуляція, фільтрування) методів очищення та знезаражування води від мікроміцетів. Показано високу стійкість мікроскопічних грибів до окиснювальних агентів в загально прийнятих діапазонах доз. Встановлено доцільність застосування при коагуляційному очищенні води флокулянтів, що мають фунгіцидні властивості. Запропоновано нове рішення конструкції електрокоагуляційного апарата, який передбачає одночасний перебіг процесів синтезу коагулянта та окиснювальних агентів. Розроблено технологічну схему з використанням запропонованого електрокоагуляційного апарата, що забезпечує високий ступінь очищення води від мікроміцетів.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблено методику виявлення мікроскопічних грибів у воді, яку апробовано на санітарно-епідеміологічній станції м. Києва та затверджено МОЗ України для широкого впровадження на санітарно-епідеміологічних станціях України (Наказ МОЗ України № 226 від 13.03.10). Розроблено метод вилучення мікроміцетів з води за допомогою об'ємної коагуляції-флокуляції (Патент України № 85339). Розроблено технологічну схему очищення води від мікроміцетів, яка включає електрокоагуляційну обробку води залізним коагулянтом з використанням вдосконаленого електрокоагуляційного апарата з наступним фільтруванням крізь зернисте завантаження. Створено дослідний зразок водоочисного апарата, проведено його випробування в мікологічній лабораторії Інституту урології АМН України. Результати випробування дослідного зразка апарата підтвердили високу ефективність використання запропонованої технологічної схеми для вилучення мікроміцетів з води.

Особистий внесок здобувача. Аналіз літератури, основний обсяг експериментальної роботи, обробку та аналіз отриманих даних проведено особисто здобувачем. Постановка загальної задачі досліджень, трактування та узагальнення експериментальних результатів, обговорення висновків дисертації проводились спільно з науковим керівником - академіком НАН України, д.х.н., проф. Гончаруком В.В. Результати обговорювалися також з д.б.н., проф. Руденко А.В., д.б.н., проф. Коваль Е.З., к.б.н. Савлук О.С.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації доповідалися та обговорювалися на: конференції молодих вчених ІКХХВ ім. А.В. Думанського НАН України "Колоїдно-хімічні проблеми охорони довкілля" (м. Київ, Україна, 2007 р.); VІIІ міжнародній науково-практичній конференції "Актуальні проблеми токсикології.

Безпека життєдіяльності людини" (м. Київ, Україна, 2007 р.); Другому Санкт-Петербурзькому міжнародному екологічному форумі «Окружающая среда и здоровье человека» (м. Санкт-Петербург, Росія, 2008 р.); Першій Українській науково-практичній конференції «Актуальні проблеми знезаражування води» (м. Одеса, Україна, 2008 р.); Міжнародній науково-практичній конференції "Качество питьевой воды: новые подходы и пути решения" (м. Київ, Україна, 2008 р.); VIII міжнародній науковій конференції аспірантів та студентів ?Охорона навколишнього середовища та раціональне використання природних ресурсів? (м. Донецьк, Україна, 2009 р.); ХІІ міжнародній науково-практичній конференції студентів, аспірантів та молодих вчених «Екологія. Людина. Суспільство» (м. Київ, Україна, 2009 р.); Всеукраїнській конференції з питань безпеки харчування (м. Київ, Україна, 2010 р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 10 робіт: 5 статей, з них 3 у наукових фахових виданнях, 1 патент України та тези 4 доповідей.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, 5 розділів, висновків, додатків та списку використаних джерел. Робота викладена на 164 сторінках друкованого тексту, містить 46 рисунків, 25 таблиць, 2 додатки на 14 сторінках.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, визначено її зв'язок з науковими програмами та темами, сформульовано мету, об'єкт, предмет та завдання дослідження, визначено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, а також особистий внесок здобувача.

У першому розділі проаналізовано та узагальнено опубліковані дані щодо наявності мікроскопічних грибів у джерелах водопостачання та у водорозподільних мережах у різних країнах світу. Оцінено їх негативний вплив на здоров'я людини та органолептичні показники води. Розглянуто існуючі методи виявлення мікроміцетів у воді, відзначено необхідність створення простої та універсальної методики, що дасть можливість проводити повний мікологічний аналіз води з виявленням представників мікроскопічних грибів, яким притаманний як повільний ріст міцелію, так і видів, здатних швидко утворювати колонії. Охарактеризовано існуючі методи очищення та знезаражування води, відзначено обмежений обсяг даних щодо використання цих методів від небезпечного компоненту гідробіоценозів - мікроміцетів. На основі проведеного аналізу літератури сформульовано мету та визначено основні напрямки досліджень.

У другому розділі приведено характеристику об'єктів та методик експериментальних досліджень. В роботі наведено перелік джерел водопостачання та точок відбору проб води з поверхневих джерел водопостачання, артезіанських свердловин та мережі централізованого водопостачання. В якості тест-культур для оцінки ефективності знезаражування води різними методами використовували культури дріжджеподібних грибів, а саме Candida albicans 10231, яку отримали з музею Інституту епідеміології інфекційних захворювань імені А.В. Громашевського АМН України, та мікроскопічних грибів Aspergillus niger v Tiegh, Cladosporium cladosporioides (Fres.) De Vries, Рenicillium multicolor Grigorieva-Manoilova et Paradielova, що отримали з Інституту урології АМН України. Описано розроблену автором методику виявлення мікроміцетів у воді, а також експериментальні методики обробки води: хлором (гіпохлоритом натрію), озоном, ультразвуком, УФ-випромінюванням, коагулянтами, флокулянтами, глинистими мінералами, фільтрування крізь зернисті завантаження. В якості коагулянтів використовували сульфат алюмінію (АС), дигідроксосульфат алюмінію (ДГСА), основний хлорид алюмінію (ОХА), сульфат заліза; в якості флокулянтів - ДБ-45 та суміш гіпохлориту і фосфату полігексаметиленгуанідіну (ПГМГ, Валеус^тм); як зернисті завантаження - пісок Погринського родовища (Ленінградська обл., Росія), який використовують у фільтрах Деснянської водопровідної станції м. Києва, та мезопористе активоване вугілля марки КАВ, а також глинисті мінерали - каолініт та гідрослюду природної форми та модифіковані ПГМГ.

У третьому розділі приведено результати систематичного аналізу води з поверхневих, підземних джерел та водорозподільної мережі м. Києва за мікологічним критерієм. Відбір проб здійснювали з річки Дніпро в районах Русанівка та Оболонь, а також з озер, розташованих у Святошинському районі. Переважаючими родами мікроміцетів, виділених з води р. Дніпро у літній період, були Аspergillus та Реnicillium, хоча слід відмітити і присутність інших небезпечних видів, а саме Cladosporium cladosporioides, Paecilomyces variotii, Candida albicans, Trichophyton rubrum. У зразках води з озер впродовж усього періоду аналізу домінували такі види як A. niger, Trichoderma viride, Paec. variotii, Alternaria sp., Torulopsis glabrata, C. albicans та Penicillium sp. Концентрація мікроміцетів у воді річки Дніпро та озер коливалася у межах 10³-10⁵ КУО/дм³.

Для оцінки якості води з підземних джерел водопостачання відбирали проби води з бюветів, розташованих у Солом'янському та Святошинському районах. В аналізованих пробах артезіанської води мікроскопічні гриби зустрічалися рідко та у незначній кількості, в основному, це представники дріжджеподібних грибів. Особливо небезпечних видів мікроскопічних грибів нами виявлено не було. Встановлено кількісні показники, сезонну динаміку контамінації водопровідної води мікроміцетами, визначено їх видовий склад, оцінено їх стійкість та патогенність. З цією метою впродовж 7 місяців проби води відбирали з водопровідних кранів двох житлових приміщень (м. Київ, проспект Науки та проспект 40-річчя Жовтня). Встановлено, що, незалежно від місця відбору води, в ній домінують окремі види, такі як Аspergillus flavus, A.niger, Penicilliym canescens, P.cyclopium, P.expansum, P.tardum, тобто переважають представники двох родів - Аspergillus та Penicillium. Всього виявлено 32 види мікроміцетів, які можуть прямо впливати на здоров'я людини, оскільки вони відомі як алергенні, патогенні та токсикогенні і вважаються потенційними збудниками мікозів та опортуністичних інфекцій. При цьому необхідно акцентувати увагу на наявність особливо небезпечних видів, ступінь ризику (BSL) яких оцінюється як другий. З виявлених видів мікроміцетів майже 35% відноситься до патогенів, які можуть забруднювати харчові продукти, змінювати органолептичні показники води. Вміст мікроскопічних грибів у водопровідній воді коливався в межах 3 - 10 КУО/100 см³.

Розроблено методику виявлення мікроміцетів у воді, що включає використання живильного середовища Сабуро, в яке додатково вносять 2,6-дихлор-4-нітроанілін (дихлоран). Показано, що концентрації дихлорану (ДХ) 0,5-1,0 мг/дм³ дозволяють виявляти повільноростучі види мікроскопічних грибів у воді, але при цьому вони не стримують ріст мікроміцетів, які швидко утворюють колонії, а саме Rhizopus arrhizus, A. niger, Paec. variotii. Концентрація ДХ 4 мг/дм³ знижує кількісні показники мікроміцетів як видів, що повільно утворюють колонії, так і видів, що швидко зростають. Оптимальна концентрація ДХ становить 2 мг/дм³, при цьому утворюються окремі, невеликого розміру колонії досліджуваних нами мікроскопічних грибів навіть на 7 добу спостереження.

При проведенні мікологічного аналізу поверхневих вод, що містять інші гетеротрофні мікроорганізми, з метою пригнічення їх росту, доцільно вносити антибіотик у живильне середовище. Запропоновано використовувати живильне середовище Сабуро з дихлораном, яке додатково містить гентаміцин (40 мг/дм³), що забезпечує пригнічення росту інших гетеротрофних мікроорганізмів та дозволяє ефективно виявляти мікроміцети. Розроблена методика виявлення мікроміцетів затверджена МОЗ України для широкого впровадження на санітарно-епідеміологічних станціях України (Наказ МОЗ України № 226, від 13.03.2010).

У четвертому розділі наведено результати експериментальних досліджень знезаражуючої дії широковживаних та нових реагентів від мікроміцетів. Встановлено низьку ефективність хлорування, озонування та ультразвукового знезаражування води від мікроскопічних грибів. Так, практично повне знезаражування води від міцеліального гриба Aspergillus niger, початкова концентрація якого становила 5•10³ КУО/см³, при використанні гіпохлориту натрію відбувалося лише за 60 хв контакту при залишковій концентрації активного хлору 7,1 мг/дм³. Аналогічний ступінь знезаражування води озоном від мікроміцетів спостерігався при дозі поглинутого озону 9 мг/дм³ через 10 хв контакту. За параметрів ультразвукової обробки води: частота 44 кГц, сила струму 45 мА, час контакту 20 хв повне знищення мікроскопічних грибів не досягалося.

Встановлено, що для зниження забруднення водопровідної води, контамінованої культурою Candida albicans, на один порядок, доза УФ-випромінювання має становити 24 мДж/см², що приблизно дорівнює дозі, необхідній для знезаражування Bacillius subtilis (26 мДж/см²), проте значно вища, ніж для санітарно-показового мікроорганізму, такого як Esсheriсhia coli (5 мДж/см²). Тут та далі нуль на початку координат рисунка характеризує вихідну воду без обробки. Для досягнення аналогічного ступеня знищення мікроскопічних грибів у воді необхідні дози УФ-випромінювання мають бути на порядок вищі. Так, якщо для Penicillium multicolor доза УФ-випромінювання дорівнює 40 мДж/см², то для Aspergillus niger та Cladosporium cladosporioides - 180 та 270 мДж/см², відповідно. Для порівняння, зниження контамінації дріжджеподібних грибів Candida albicans на чотири порядки потребує меншої дози УФ-випромінювання. На основі отриманих результатів встановлено, що знезаражуюча дія УФ-випромінювання зменшується у ряду Esсheriсhia coli - Candida albicans -Bacillius subtilis - Penicillium multicolor - Aspergillus niger - Cladosporium cladosporioides.

Таким чином показано, що Candida albicans не може бути використана в якості санітарно-показового мікроорганізму при знезаражуванні води від мікроскопічних грибів УФ-випромінюванням, бо інактивація дріжджеподібного гриба у воді не свідчить про знезаражування її від мікроскопічних грибів. Не можна говорити про ефективне знезаражування води від мікроміцетів, орієнтуючись на санітарно-показові мікроорганізми, такі як Esсheriсhia coli та Bacillius subtilis. Стійкість мікроскопічних грибів до дії ультрафіолетового випромінювання можна пояснити наявністю у структурі клітинної стінки грибів пігменту меланіну, від концентрації якого залежить величина необхідної знезаражуючої дози УФ-випромінювання. Чим більше меланіну в клітині гриба, тим вища доза УФ-випромінювання необхідна.

Використання досліджених хімічних та фізичних методів знезаражування як фунгіцидних в практиці водопідготовки є недоцільним ні з екологічної точки зору, бо неминуче призведе до утворення значної кількості токсинів, які у більшій мірі виділяються при розкладанні мертвих клітин, ні з економічної - у зв'язку із значними енерговитратами та зниженням корозійної стійкості обладнання. З метою створення простих та надійних методів очищення води від мікроміцетів було вивчено природну здатність цих мікроорганізмів іммобілізуватися на різних поверхнях. Досліджено фіксацію Candida albicans (1,2•10⁵ КУО/см³) та Aspergillus niger (5•10⁴ КУО/см³) на мезопористому кісточковому активованому вугіллі (КАВ) та піску Погринського родовища, який використовують у фільтрах Деснянської водопровідної станції. Фільтрування забрудненої води відбувалося крізь зернисті завантаження висотою шару 30 см з лінійною швидкістю 0,56 м/год. Про процес плівкового фільтрування можна судити з підвищення ступеню вилучення культури з води впродовж перших кількох діб фільтрування та збереження високого його значення впродовж тривалого часу. Так, при фільтруванні води, забрудненої культурою Candida albicans, крізь шар активованого вугілля ступінь очищення впродовж перших 3-6 діб зростав з 91 до 99 %, лишався майже незмінним впродовж наступних 10 діб і лише після 18 діб роботи фільтру швидко знижувався до нуля. При фільтруванні води, контамінованої культурою Candida albicans, крізь пісок процес очищення здійснювався більш хвилеподібно. Так, з 1 до 3 доби ступінь очищення поступово зростав від 66% до 98%, а з 4 до 19 доби коливався у діапазоні від 80 до 98%, після чого відбувалося різке його зниження на 23 добу роботи фільтра.

Фіксація Aspergillus niger на поверхні активованого вугілля та піску проходила більш повно у порівнянні з фіксацією Candida albicans, що, ймовірно, пов'язано з розгалуженою структурою мікроскопічного гриба. При фільтруванні води, забрудненої Aspergillus niger, крізь шар активованого вугілля, ступінь очищення поступово знижувався, починаючи з 21 доби та досягаючи нуля на 60 добу. На динамічній кривій зміни ступеня вилучення Aspergillus niger при фільтруванні води крізь пісок також видно характерні екстремуми, як і у випадку з Candida albicans. Проте ступінь очищення почав знижуватися значно пізніше, після 30 діб, та досяг нуля на 59 добу.

Розмір клітин дріждже-подібних грибів Candida albicans становить 2-5 мкм, міцеліальних грибів Aspergillus niger - 2-50 мкм, отже клітини грибів досить великі у порівнянні з розміром пор вугілля (1-100 нм). Очевидно, що фіксація клітин обох видів відбувається на зовнішній поверхні частинок активованого вугілля, оскільки внутрішній простір для них недоступний. Специфічність адгезії Aspergillus niger залежить від біологічних особливостей мікроміцета, а саме від наявності розгалужених гіф, які дозволяють мікроміцетам кріпитися на різних, особливо шороховатих поверхнях. Дріжджеподібні та мікроскопічні гриби міцніше кріпляться на більш шороховатій поверхні вугілля, ніж піску. Адгезія мікроміцетів на поверхні зернистих завантажень можлива за рахунок їх мозаїчної структури, тобто наявності позитивно та негативно заряджених ділянок поверхні. Крім того, слід враховувати гідрофобну взаємодію між мікроскопічними грибами та активованим вугіллям. Додатково проведено контроль сумарної кількості інших гетеротрофних мікроорганізмів у процесі фільтрування водопровідної води, забрудненої Aspergillus niger, крізь шар активованого вугілля. Встановлено, що кількість гетеротрофних мікроорганізмів у фільтраті впродовж фільтроциклу не знижувалася. Цей факт свідчить про відсутність масового відмирання закріплених на поверхні сорбенту грибів та надходження у воду значної кількості токсинів.

Досліджено ефективність вилучення мікроскопічних грибів з використанням коагулянтів, які набули широкого застосування в практиці водопідготовки. Серед коагулянтів (СА, ОХА, ДГСА) найкращий результат було отримано при використанні ДГСА, який забезпечував зниження початкової концентрації Candida albicans (1,7•10⁵ КУО/см³) на 99,9%, що відповідає трьом порядкам. Більш висока адсорбційна здатність ДГСА може бути обумовлена наявністю більш розвиненої поверхні і більшим зарядом продуктів його гідролізу.

Досліджено вплив концентрації ДГСА в діапазоні 6-21 мг/дм³ за Al₂O₃ та рН води в діапазоні 5,2-8,2 на ступінь вилучення Candida albicans (3,2•10⁵ КУО/см³) та C.cladosporioides (1,5·10³ КУО/см³). Встановлено, що підвищення концентрації коагулянта несуттєво впливає на ступінь очищення води від Candida albicans. Зокрема, при збільшенні дози коагулянту від 6 до 21 мг/дм³ ступінь видалення культури зростає менше ніж на порядок (99,9 та 99,98%, відповідно) (табл. 1). Аналогічна залежність спостерігається при вилученні з води C.cladosporioides, так збільшення дози коагулянта в зазначеному діапазоні призводить до підвищення ступеню вилучення культури на порядок (99 та 99,9%, відповідно). Встановлено оптимальний діапазон рН, який становить 7,0-8,2.

Таблиця 1. Вплив концентрації ДГСА на кількість мікроскопічних грибів у воді

З метою інтенсифікації процесу очищення води від мікроміцетів досліджено ефективність вилучення цих мікроорганізмів коагуляцією з використанням флокулянтів, які мають антимікробні властивості: ДБ-45 та Валеус^тм. Встановлено, що використання флокулянтів в процесі коагуляційного очищення води від мікроміцетів підвищує ступінь вилучення культури з води, зменшує дозу коагулянтів та тривалість обробки. Зокрема, при коагуляційному очищенні води від Candida albicans (1,5·10⁵ КУО/см³) внесення 0,1 мг/дм³ ДБ-45 дозволяє вилучити 99,99% забруднення Candida albicans при концентрації ДГСА 6 мг/дм³ та тривалості контакту 60 хв (рис. 7). Внесення 0,1 мг/дм³ Валеусу^тм, при обробці води як АС, ОХА чи ДГСА (6 мг/дм³), дозволяє знизити забруднення води Candida albicans на три порядки (99,9%) за 30 хв. При внесенні флокулянту під час коагуляційної обробки води відбувається підвищення ступеню вилучення Candida albicans на 1,5 та 3,5 порядки у порівнянні з самостійним використанням ДБ-45 та ДГСА, відповідно.

Аналогічні результати було отримано для мікроскопічного гриба C.cladosporioides. Досліди показали, що при концентрації C.cladosporioides - 1,5•10³ КУО/см³ спільне використання коагулянта з флокулянтом у концентраціях 6 та 0,1 мг/дм³, відповідно, дозволяє повністю очистити воду від цього мікроскопічного гриба. Оскільки антимікробні флокулянти здатні викликати вторинний ріст бактерій, було вивчено ефект післядії цих реагентів при очищенні води від Candida albicans. Встановлено, що пролонгована дія Валеуса^тм залежить від його дози. При невеликих дозах Валеусу^тм (0,01-0,1 мг/дм³), через 2-3 доби, виявлено незначний вторинний ріст культури дріжджеподібного гриба, тоді як дози 1,5-2 мг/дм³ забезпечували пролонговану дію флокулянту. Вторинний ріст мікроміцетів при обробці води ДБ-45 в інтервалі доз 0,1-3,0 мг/дм³ відсутній. Отже, використання коагулянтів спільно з флокулянтами дає можливість повністю вилучити з води мікроміцети.

У п'ятому розділі наведено характеристики вдосконаленого комплексного водоочисного апарата та обґрунтовано вибір технологічної схеми очищення води від мікроміцетів. Приймаючи до уваги високу ефективність коагуляційного методу очищення води від мікроміцетів обрано електрохімічний спосіб отримання коагулянта. Враховуючи ряд переваг залізного коагулянта над алюмінієвим, а також майже однаковий ступінь вилучення мікроскопічних грибів як залізним, так і алюмінієвим коагулянтами, в подальших експериментах обрано саме залізний матеріал аноду. Для максимально повного переведення Fe²⁺ в Fe³⁺, утвореного при розчиненні стального аноду, запропоновано вносити окиснювачі за допомогою електролізної комірки з інертним анодом.

Експериментально показано, що використання електролізної комірки з платиновано-титановим анодом (ПТА) та стальним катодом (12-Х-18НІОТ) забезпечує кращий фунгіцидний ефект, у порівнянні з коміркою з графітовим анодом (ТУ 48-20-12-87), що може бути обумовлено більшою концентрацією утворених окисників. Концентрація основного окисника NaOCl (ГХ) становить 5 мг/дм³. Проте фунгіцидна дія ГХ, внесеного у об'єм води, забруднений культурою Candida albicans, у визначеній концентрації (5 мг/дм³), була значно меншою від тої, що спостерігалась при пропусканні води крізь електролізну комірку з ПТА. Отримані результати свідчать про те, що при електролізі водопровідної води в комірці утворюється суміш окисників, яка, окрім NaOCl, може включати НО, О, Н₂О₂. Однак при наявності у воді міцеліальних грибів роду Aspergillus фунгіцидна дія продуктів електролізу значно послаблюється. Зокрема, при знезаражуванні води від Candida albicans відбувається різке, майже миттєве (1 хв) зниження початкової концентрації культури (1·10⁵ КУО/см³) на два порядки та повна її загибель через 10 хв контакту з продуктами електролізу. У випадку контамінації води культурою Aspergillus niger (1,3•10⁵ КУО/см³) ступінь знезаражування становить лише 1,5 порядки через 30 хв контакту. Одержані результати ще раз підтверджують необхідність використання фізико-хімічних методів для ефективного вилучення міцеліальних грибів з води. Для ефективного вилучення мікроміцетів в процесі електрокоагуляції за рахунок швидкого і повного переведення утворених йонів Fe²⁺ в Fe³⁺ було проведено двостадійну обробку водопровідної води, забрудненої мікроскопічними грибами, яка включала послідовне пропускання води крізь стандартну електрокоагуляційну комірку зі стальним анодом та електролізну комірку з нерозчинним анодом (ПТА).

Результати показали, що така двостадійна обробка води дає можливість отримувати до 90% Fe³⁺, яке швидко гідролізується з утворенням Fe(OH)₃, що адсорбують на своїй поверхні клітини мікроміцетів. В той час як за одностадійної електрокоагуляції утворюється лише до 10 % Fe³⁺ за рахунок розчиненого у воді кисню. Для досягнення більшої компактності водоочисних установок, за рахунок виключення постадійних етапів внесення реагентів та скорочення кількості джерел живлення, нами запропоновано вдосконалену конструкцію електрокоагуляційної комірки, яка містить ПТА та катод з нержавіючої сталі.

Окрім того додатково встановлено металеві, а саме стальні пластини (сталь-3), що розміщені в одній площині з ПТА. Підведення струму здійснюється до нерозчинного аноду, а залізний коагулянт отримують за рахунок розчинення металевих пластин в утвореному електричному полі ПТА та катоду, а також за рахунок часткового їх хімічного розчинення при взаємодії з продуктами електролізу, утвореними на інертному аноді. Встановлено раціональні параметри роботи електрокоагуляційної комірки: густина струму - 20 мА/см², сила струму - 60 мА, площа залізних пластин - 3 см². Розроблено технологічну схему очищення водопровідної води від мікроміцетів, яка включає електрокоагуляційну обробку води у вдосконаленій комірці з ПТА з наступним фільтруванням крізь гранульований силікат алюмінію (фільтр-АG). Така схема також може містити вузол контрольного знезаражування води УФ-випромінюванням. Проведено порівняння ефективності очищення води від клітин Aspergillus niger (5·10³ КУО/см³) при пропусканні її крізь електрокоагуляційну комірку вдосконаленої конструкції, електролізну комірку з ПТА, що не містить стальних пластин, та крізь стандартну електрокоагуляційну комірку зі стальним анодом, та наступним фільтруванням води крізь фільтр-АG.

Найвищий ступінь видалення цієї культури 99,5 % спостерігається при пропусканні води крізь вдосконалену конструкцію електро-коагуляційної комірки, що майже на порядок більше ніж при використанні класичної електрокоагуляційної комірки, в той час як найгірший результат 93% (трохи більше одного порядку) отримано при очищенні води від Aspergillus niger в електролізній комірці з ПТА.

Виготовлено дослідний зразок компактного електрокоагуляційного апарата (УОК-М) продуктивністю 1,5 дм³/год, який включає вдосконалену електрокоагуляційну комірку та джерело живлення. Результати тестування дослідного зразка апарата УОК-М у поєднанні з фільтруванням крізь шар фільтру-AG наведено в табл. 2. Запропонована технологія дозволяє повністю вилучити мікроміцети з води при контамінації 1•10³-1•10⁴ КУО/см³.

Розроблена технологія очищення води від мікроміцетів пройшла випробування в мікологічній лабораторії Інституту урології МОЗ України, де була підтверджена її висока ефективність. Таким чином, запропонована нами технологія очищення води від мікроміцетів, що включає електрокоагуляційний апарат з інертним анодом, а також фільтруюче зернисте завантаження - фільтр-АG дає можливість ефективно вилучати мікроміцети з води і може бути рекомендована для практичного використання.

Таблиця 2. Ефективність очищення води від мікроміцетів з використанням запропонованої технологічної схеми

У додатках приведені розроблені методичні рекомендації «Санітарно-мікологічні дослідження питної води», що затверджені Міністерством охорони здоров'я України (наказ № 226 від 10.03.2010 р.) та акт впровадження запропонованої технологічної схеми для вилучення мікроміцетів з водопровідної води з використанням вдосконаленої конструкції апарата.

Висновки

У дисертації вирішена важлива задача виявлення та вилучення мікроміцетів з водного середовища та запропоновано ефективну технологічну схему його очищення від мікроскопічних грибів при застосуванні розробленої конструкції водоочисного апарата.

Вперше проведено аналіз водних ресурсів України та питних вод на наявність мікроміцетів. Встановлено, що у воді р. Дніпро та водорозподільних мереж м. Києва присутні мікроскопічні гриби родів Aspergillus, Penicillium, Cladosporium, Paecilomyces, Alternaria, Aureobasidium, Candida та інші. Вперше розроблено метод виявлення мікроміцетів у воді на основі живильного середовища Сабуро, що містить дихлоран (ДХ) у концентрації 2 мг/дм³. Розроблені методичні рекомендації виявлення мікроміцетів у воді затверджені МОЗ України для широкого впровадження на санітарно-епідеміологічних станціях України.

Проведено порівняльний аналіз типових методів знезаражування води (хлорування, озонування, ультразвукова обробка) від мікроміцетів. Показано високу стійкість мікроскопічних грибів до цих окиснювальних агентів в загально прийнятих діапазонах доз. Встановлено, що ефективна доза УФ-випромінювання при знезаражуванні води від мікроскопічних грибів залежить від їх виду. Для більшості мікроміцетів достатньою є доза УФ-випромінювання 40 мДж/см², за винятком таких видів як Aspergillus niger та Cladosporium cladosporioides, загибель яких потребує дози УФ-випромінювання - 180 та 270 мДж/см², відповідно.

Рекомендовано технологічні параметри очищення води від мікроміцетів: при фільтруванні її крізь зернисті завантаження (активоване вугілля, пісок) - швидкість фільтрування 0,56 м/год, час контакту 35 хв, що забезпечують ступінь вилучення мікроміцетів 99%; при коагуляції з використанням в якості коагулянту дигідроксосульфату алюмінію (ДГСА) - доза 6 мг/дм³ (по Al₂O₃) спільно з 0,1 мг/дм³ ДБ-45, ступінь вилучення - 99,99 %.Запропоновано нову конструкцію електрокоагуляційного апарата очищення води від мікроміцетів, принциповою відмінністю якої є наявність нерозчинного аноду з обох боків від якого розташовано електрохімічно розчинні металеві пластини. Дана конструкція дозволяє одночасно отримувати йони Fe²⁺ та суміш окисників, що в свою чергу забезпечує швидке утворення Fe(OH)₃. Встановлено оптимальні параметри роботи електрокоагуляційної комірки: густина струму - 20 мА/см², сила струму - 60 мА, площа залізних пластин - 3 см². Розроблену електрокоагуляційну комірку покладено в основу створення локальних установок типу УОК-М (установка з отримання коагулянту для видалення з води мікроміцетів), що працюють в проточно-напірному режимі.

Запропоновано технологічну схему очищення води від мікроміцетів, що включає електрокоагуляційну обробку води у вдосконаленій комірці з наступним її фільтруванням крізь гранульований силікат алюмінію - фільтр-АG, що забезпечує повне видалення з води мікроскопічних грибів у діапазоні концентрацій 1,1·10³-1,5?10⁴ КУО/см³. Високу ефективність технології вилучення мікроміцетів з води підтверджено випробуваннями, проведеними в мікологічній лабораторії Інституту урології АМН України.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Мікроміцети в питній воді та шляхи її знезараження / В.В. Гончарук, А.В. Руденко, О.С. Савлук, Е.З. Коваль, М.М. Саприкіна // Доповіді НАН України. - 2008. - № 11. - С. 187-191.

2. Проведення експериментальних робіт з виявлення мікроміцетів у водопровідній воді, експериментальне визначення впливу знезаражуючих реагентів на процес видалення мікроміцетів, участь у інтерпретації результатів досліджень та написанні статті.

3. Сапрыкина М.Н. Удаление из воды дрожжеподобного гриба Candida albicans с помощью метода коагуляции и флокуляции / М.Н. Сапрыкина, О.С. Савлук, В.В. Гончарук // Химия и технология воды. - 2009. - Т. 31, № 1. - С. 100-109.

4. Пошук літератури, експериментальне дослідження ефективності використання реагентів з метою видалення дріжджеподібного гриба Candida albicans, участь у трактуванні результатів досліджень та написанні статті.

5. Сапрыкина М.Н. Обеззараживающее действие УФ-излучения по отношению к микромицетам / М.Н. Сапрыкина, А.О. Самсони-Тодоров, В.В. Гончарук // Химия и технология воды. - 2009. - Т. 31, № 5. - С. 575-582.

6. Участь у постановці задач досліджень, планування експерименту, проведення експериментальних досліджень, участь в обговоренні результатів досліджень та написанні статті.

7. Пат. 85339 України, МПК⁶ C 02 F 1/52. Спосіб очистки води від мікроскопічних грибів / Гончарук В.В., Савлук О. С., Саприкіна М.М.; заявник та власник Інститут колоїдної хімії та хімії води ім. А.В. Думанського Національної академії наук України. - № 200714467; заявл. 21.12.2007; опубл. 10.01.2009, Бюл. № 1.

8. Мікроміцети в питній воді. Дослідження нового компонента гідробіоценозів і оцінювання його небезпечності для здоров'я населення України / В.В. Гончарук, О.С. Савлук, М.М. Саприкіна, А.В. Руденко, Е.З. Коваль // Вісн. НАН України. - 2007. - № 12. - С. 21 - 24.

9. Микромицеты: питьевая вода как возможный источник заражения человека, методы лабораторной диагностики / А.В. Руденко, Э.З. Коваль, Т.Г. Омельянец, М.Н. Сапрыкина, Н.И. Коропова // Лабораторная диагностика. - 2008. - Т.4, № 46. - С. 52 - 60.

10. Саприкіна М.М. Використання процесів коагуляції та флокуляції для знезараження питної води / М.М. Саприкіна, О.О. Хижняк // Актуальні проблеми токсикології. Безпека життєдіяльності людини: міжнар. наук.-практ. конф., 4-9 черв. 2007 р.: зб. тез доп. - К., 2007. - С. 47.

11. Сапрыкина М. Н. Выделение микромицетов из питьевой воды и методы ее очистки / М.Н. Сапрыкина // Окружающая среда и здоровье человека: межд. эколог. форум, 1-4 июля 2008 г.: матер. конгресса - Санкт-Петербург, 2008. - С. 425 - 426.

12. Сапрыкина М.Н. Очистка воды от микромицетов с помощью сорбентов/ М.Н. Сапрыкина // Охорона навколишнього середовища та раціональне використання природних ресурсів: міжнар. наук.-практ. конф. асп. і студ., 14-16 квітня, 2009 р.: зб. тез доп. - Донецьк, 2009. - С. 119 - 120.

13. Качан Є. О. Знезаражуюча дія УФ-випромінювання по відношенню до мікроміцетів / Є.О. Качан, М.М. Саприкіна // Екологія. Людина. Суспільство: міжнар. наук. практ. конф. студ., асп. та мол. вчених,13-17 травня 2009 р.: зб. тез доп. - К., 2009. - С. 24.

Размещено на Allbest.ru