Эффективность вермикультуры в подавлении патогенных микроорганизмов

Аннотация

  Вермикомпостирование в этом эксперименте тестировалось в качестве метода уничтожения патогенной микрофлоры в осадке сточных вод. Делалось это с целью достижения требований предъявляемых к продуктам переработки класса "А" Американским Агентством по Защите Окружающей Среды (USEPA). Эксперимент проводился на станции обработки сточных вод в городе Окои штата Флорида. Осадок сточных вод класса "В" использовался в качестве субстрата для кормления червей. Две емкости длиной шесть метров каждая были сильно заражены четырьмя опасными для человеческого здоровья микроорганизмами: кишечной палочкой, сальмонеллой, тифозной палочкой, а также яйцами гельминтов. Тестируемая емкость была наполнена червями (Eisenia Fetida) из расчета биомасса червей к субстрату - 1:1.5. Червям дали некоторое время на то, чтобы обработать и стабилизировать субстрат. Через 144 часа различие в степени зараженности между двумя субстратами стало очевидным в пользу тестируемой. Изменения, произошедшие за это время, мы выразим в л огарифмическом виде.В случае с кишечной палочкой результаты были следующими: в контрольной емкости наблюдалось уменьшение популяции только на 1.6 log, а в тестируемой на 6.4 log. Сальмонелла - контрольная 4.9 log, тестируемая 8.6 log.Тифозная палочка - контрольная 1.8 log, тестируемая 4.6 log.Гельминты - контрольная 4.9 log, тестируемая 8.6 log.

  Доктор Джим Смит, сотрудник USEPA говорил, что трех- четырехкратного уменьшения популяции патогенной микрофлоры будет вполне достаточно для того, чтобы рассматривать вермикомпостирование в качестве альтернативного метода стабилизации субстратов на станциях очистки сточных вод. Эти результаты, в совокупности с результатами экспериментального проекта четко показали, что вермикультивирование с успехом может быть использовано в качестве альтернативы другим методам стабилизации осадка сточных вод до класса "А".

Введение

  В 1997 году в штате Флорида из 3500-4000 очистных сооружений только 19 соответствовало нормам, предъявляемым к продуктам класса АА и только четыре соответствовали классу А. Таким образом, подавляющее большинство этих сооружений по стандартам Американского Агентства по защите окружающей среды находилось ниже класса А. В 1995 году только во Флориде было произведено около 230 тысяч тонн осадка сточных вод. Восемь процентов из этого количества были сожжены или прокалены, 9% были переработаны и проданы, 17% закапывались, а остальные 66% подвергались поверхностному захоронению.

  В последней декаде 2001 года, законодательными документами штата Флорида были утверждены революционные изменения в переработке этого вида отходов. Раньше способы переработки ила сточных вод из городских канализаций сильно варьировались и в предыдущей редакции предъявлялись минимальные из возможных лучших требований. К примеру, единственным требованием к обработке было применение извести, включая рН равный 12 при минимальной длительности обработки в два часа. Это достигалось путем добавления извести в емкость машины для выкачивания отходов. Таким образом, отходы проходили обработку в то время, когда машина доставляла их к месту хранения и такой подход считался удовлетворительным. Никаких измерений и их записей, которые бы отображали содержание нитратов или тяжелых металлов не делалось, что делало невозможным проверку на соответствие с нормами, существующими для этих отходов.

  Требования, которые предъявлялись общественным и частным очистным сооружениям соответствовали классу С для поверхностного захоронения. Большинство очистных сооружений такого рода использовали аэробное или анаэробное компостирование, чтобы достичь таких показателей. В соответствии с новыми правилами, такие очистные сооружения должны придерживаться более высоких стандартов соответствующих классу В. Оказалось, что для большинства очистных сооружений почти невозможно достичь новых показателей старыми методами.

  Очевидную опасность для окружающей среды и, как следствие, для здоровья людей, представляют собой человеческие органические отходы в странах третьего мира. Бушующие болезни с ужасающими последствиями стали обычным явлением в этих странах. Нестабилизированные или неверно переработанные отходы представляют собой реальную опасность и стандарты, регулирующие их переработку, отображают это.

  Как следствие, мы инвестировали в исследования возможности переработки этих отходов с помощью вермикультуры. Особенно внимательно мы остановились на вопросе о том, может ли вермикультивирование стать адекватным способом понижения или даже уничтожения патогенных для человека микроорганизмов. Вермикультура - это практика разведения дождевых червей, таких как Eisenia Fetida, с получением в качестве конечного продукта очень ценного органического удобрения вермикомпоста, по иному биогумуса. Тем более, что потенциал вермикультуры в качестве способа уменьшения популяций патогенных микроорганизмов ранее был доказан Митчелом (1978 год). В своих экспериментах он показал, что в процессе вермикультивирования наблюдается значительное понижение популяции патогенных микроорганизмов, таких как сальмонелла и пр., но это были только лабораторные исследования. Эти исследования не удовлетворяли стандартам, предъявляемым USEPA к продуктам переработки класса А. (Классы в смысле жесткости требований идут следующ им образом АА, А, В, С и ниже, прим. перев.).

  Eisenia Fetida (обычный навозный червь) является наиболее распространенным в вермикомпостировании. Поскольку эти черви за день способны переработать количество субстрата равное своему весу, достаточно большое их количество способно в достаточно короткое время превратить эти органические отходы в копролиты червей. Копролиты впоследствии, после дополнительной обработки, могут продаваться в качестве органического удобрения.

  В марте 1996 года организация по защите окружающей среды в сотрудничестве с American Earthworm Company (американская компания по разведению червей) начали проводить совместный эксперимент в городе Окои штата Флорида.

  Первоначальное экспериментальное исследование проводилось в небольших масштабах и ориентировалось на практику применения вермикультивирования на небольших очистных сооружениях. Экспериментальный проект дал впечатляющие результаты в уменьшении популяции четырех основных форм патогенных микроорганизмов (кишечной палочки, сальмонеллы, тифозной палочки, а также яйца гельминтов). Следующим шагом в этом проекте стало проведение полномасштабного эксперимента. Целью его проведения была проверка его операционной эффективности. В марте 1997 года Департамент по охране окружающей среды штата Флорида дал добро на проведение двухгодичного эксперимента. На основании информации собранной во время эксперимента предполагалось разработать методологию переработки отходов для USEPA.

  Для того, чтобы USEPA приняло вермикультивирование в качестве альтернативного метода для получения продукта класса А, необходимо было получить трех, четырехкратное уменьшение популяции патогенных микроорганизмов. Именно такое уменьшение привело бы к уверенности в том, что продукт прошедший вермикомпостирование соответствует всем нормам и требованиям.

Материалы и методы

Пилотный проект

  Рядом с очистной станцией в городе Окои был сооружен небольшой навес, в котором разместилась экспериментальная станция переработки. Обезвоженные отходы (17% ила сточных вод) были помещены в две ложи примерно 9 метров в длину 1,5 в ширину и 0.46 в высоту. В каждом из них предполагалось утилизировать около 7,3 тонны отходов. Одна ложа предназначалась для эксперимента, а вторая оставалась контрольной.

  Для того чтобы удовлетворить условиям эксперимента пришлось добавить отходы из других очистных сооружений. Кроме того, субстрат был дополнительно заражен четырьмя видами патогенных микроорганизмов (кишечной палочкой, сальмонеллой, тифозной палочкой и яйцами гельминтов). Материал, полученный в результате, укладывался на глиняную подушку с фильтром для сточных вод, чтобы избежать попадания сточных вод в грунтовые.

  Чтобы получить среднее значение необходимых параметров наличия патогенных микроорганизмов из каждого бурта брались три пробы. По прошествии 68 дней, выборка проб повторялась таким же образом.

  В экспериментальный бурт затем помещались черви Eisenia Fetida в соотношении черви к субстрату 1:1. Количество червей выбиралось сообразно количеству субстрата, который они могут переработать. За 90 дней они переработали около 3,6 тонн субстрата.

  Для достижения оптимальной влажности в буртах использовался обычный садовый ороситель. Регулярно проводились проверки состояния червей.

Полномасштабный проект

  Органические отходы (15-20% смесь) были помещены в две ложи 6 метров в длину, 1,5 в ширину и 20 сантиметров в высоту. В каждой из них утилизируется примерно 1,4 тонны отходов очистных сооружений. Одна ложа предназначалась для эксперимента, а вторая оставалась контрольной. Этим ложам прививались три из четырех форм патогенных микроорганизмов (кишечной палочкой, сальмонеллой и тифозной палочкой).

  Описание приготовления прививок для трех порций патогенных микроорганизмов следует ниже. Сначала 50 грамм отходов были смешаны с примерно 50 миллилитрами деионизированной воды. Данная процедура проделывалась с каждой из форм патогенных микроорганизмов. В конце каждая из трех смесей были поделены в две литровые емкости с названиями "контрольная" и "тестируемая". Обе ложи получили примерно по 105 источников заражения тремя формами патогенных микроорганизмов. Затем из каждой ложи брались три пробы, для того, чтобы установить базовую линию концентрации патогенных микроорганизмов. Тестируемая ложа заполнялась червями, в соотношении черви к отходам 1:1,5. Это соотношение было выбрано исходя из 24-х часового периода кормления червей полученного из упрощенного учебного проекта. Черви переработали 1361 килограмм отходов за 14-тидневный период.

  Яйца гельминтов были добавлены позже, поскольку достать их оказалось довольно трудно. Отходы (15-20% смесь) были помещены в две ложи 2,3 м в длину, 1,5 м в ширину и 23 сантиметра в высоту. Одна ложа предназначалась для эксперимента, а вторая оставалась контрольной. Прививка с яйцами гельминтов готовилась следующим образом: в два контейнера добавлялась смесь отходов (500 грамм) и деионизированной воды (500 мл), а затем добавлялись яйца гельминтов. Каждая из лож, как тестируемая, так и контрольная была заражена примерно одним миллионом яиц. Затем в ложи добавлялись черви Eisenia Fetida в той же пропорции что и в предыдущих экспериментах. В ложи, помимо прочего, добавили 15-тисантиметровый слой торфа из Флориды, в котором до этого обитали черви. За 7 дней черви переработали 531 килограмм отходов.

  Пробы из лож брались при помощи 46-тисантиметровой трубы с внутренним диаметром 2 сантиметра. Пробы брались через 72 и 144 часа после заражения. Последние, тестировались на наличие кишечной палочки, а также сальмонеллы. Пробы в случае с яйцами гельминтов также брались через 72 и 144 часа после заражения. Пробы для тифозной палочки брались в трех разных местах лож, как контрольной, так и тестируемой. Делалось это для того, чтобы удовлетворить требованиям, предъявляемым к тестированию USEPA (Американское Агентство по Охране Окружающей Среды). Такие пробы брались на протяжении семи дней каждый день, чтобы определить динамику изменения популяции патогенных микроорганизмов. Эти данные впоследствии будут использованы для стандартизации процесса переработки осадка сточных вод для будущих проектов.

  Вследствие того, что показатели заражения патогенными микроорганизмами были очень высокими, метод анализа наличия коконов гельминтов был несколько модифицирован для того, чтобы добиться наибольшей точности результатов.

Результаты

Пилотный проект

  ФКК - формирующие колонию клетки

  логНВЧК - логарифм наиболее вероятного числа клеток

Полномасштабный проект

 Черные столбцы обозначают популяцию патогенных микроорганизмов в контрольной ложе, а белые в тестируемой (в ложе, где разводили червей). Величина типичной ошибки экспериманта обозначена Т-образным символом.

  Рис. 1 Наиболее вероятная величина популяции кишечной палочки в течении семи дней эксперимента (логарифмическая шкала) (наиболее вероятное колличество клеток в одном грамме)

  Рис. 2 Те же показатели в линейной шкале

  Рис. 3 Процесс уменьшения популяции сальмонеллы на протяжении шести дней (логарифмическая шкала) (колличество клеток на 25 мл)

  Рис. 4 Те же показатели в линейной шкале

  Рис. 5 Процесс уменьшения популяции тифозной палочки на протяжении шести дней (логарифмическая шкала)

  Рис. 6 Те же показатели в линейной шкале

  Рис. 7 Уменьшение количестве коконов гельминтов в течении шести дней в 4 граммах абсолютно сухого вещества (логарифмическая шкала)

  Рис. 8 Те же показатели в линейной шкале

Обсуждение

Пилотный проект

 Проект планировалось проводить 90 дней, однако он закончился раньше (68 дней) по совету человека предоставившего нам червей. Просто по окончании этого срока ожидалось, что черви начнут голодать. За все это время они съели в 1,5 раза больше чем весят сами.

 Фильтры для сточных вод оказались ненужным звеном, поскольку сточных вод в эксперименте не образовалось вовсе. К тому же не было вообще никаких необычных происшествий.

 Конечный результат показал более чем значительное уменьшение популяции кишечной палочки. Все пробы из тестируемой ложи дали отрицательный ответ на присутствие трех остальных форм патогенных микроорганизмов. Уменьшение популяции патогенных микроорганизмов наблюдалось также и в контрольной ложе. Причиной этого уменьшения, скорее всего, стала естественная смерть этих микроорганизмов. Однако уменьшение популяций всех четырех форм патогенных микроорганизмов в экспериментальной ложе было гораздо больше.

Полномасштабный проект

  Эксперимент показал, что черви могут уменьшать популяции патогенных микроорганизмов, удовлетворяя стандартам ESEPA, всего лишь за 144 часа. Вермикомпостирование продемонстрировало достаточно быстрое уменьшение для того, чтобы показать качество конечного продукта, которое удовлетворяет наивысшему стандарту класса "А". Более того, полученное уменьшение в 3-4 раза превышает необходимое для достижения упомянутого качества. Метод вермикомпостирования относительно недорог и требует минимум техники, для получения результатов сравнимых с другими гораздо более дорогими и технологичными способами стабилизации отходов очистных сооружений. Кроме того, разница между другими схожими с вермикультивированием методами, заключается в том, что в процессе вермикультивирования отсутствует фаза предварительного компостирования. До недавнего времени этот шаг производился для того, чтобы уменьшить популяцию патогенных микроорганизмов, но настоящее исследование показало, что черви и сами прекрасно справляются с эт ой задачей. Польза, которую могут принести черви очистным сооружениям, превысила прогнозы, предшествовавшие настоящему эксперименту.

  Этот проект также показал, что уменьшение количества патогенных микроорганизмов присутствовало и в контрольной ложе, что определялось, по-видимому, естественной смертностью этих существ. В нормальных условиях эти организмы живут недолго. Их присутствие говорит о том, что окружающая среда загрязнена человеческими отходами. Однако уменьшение в экспериментальной ложе было гораздо больше и быстрее чем в контрольной.

  Наблюдения, которые велись, вполне могли повлиять на результаты оных. Результаты, которые вермикультивирование показало, по отношению к яйцам гельминтов могли бы быть лучше, поскольку черви добавлялись в эту ложу вместе с торфом, в котором они раньше обитали. Видимо, именно потому, что торф был не полностью ими переработан, и в нем еще оставались питательные вещества, черви не спешили его покидать и поэтому показали недостаточно быстрый результат по сравнению с тремя остальными формами патогенных микроорганизмов.

Заключение

  Базируясь на обоих экспериментах, как на пилотном, так и на полномасштабном, можно с уверенностью сказать, что вермикультивирование способно с большей эффективностью и меньшей стоимостью заменить собой все известные на сегодняшний день методы переработки ила сточных вод из городских канализаций. Отходы могут быть заселены червями исходя из того, что последние перерабатывают до 1,5 раз больше своей массы. Лучше всего рассчитывать отходы к биомассе червей как 7:1 в неделю. Дополнительные отходы не должны добавляться в течение как минимум 144 часов, для того чтобы максимизировать подавление жизнедеятельности патогенных микроорганизмов.

  Таким образом, оптимальное количество червей, которое необходимо для переработки равняется: N в день / 1,5 или N в неделю / 7, где N - количество килограмм отходов.

Оглавление  ::  Следующяя статья