XXVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Возможно ли применение древесных грибов для очистки бытовых и промышленных сточных вод?

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Базарова А.В. 1

---

1Муниципальное бюджетное учреждение дополнительного образования - Городской детский экологический центр

Швецова Т.Р. 1

---

1Муниципальное бюджетное учреждение дополнительного образования - Городской детский экологический центр

Работа в формате PDF

2.9 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

С целью подтвердить или опровергнуть возможность применения древесных грибов для очистки промышленных и бытовых сточных вод: выращены грибы для эксперимента; получен грибной субстрат; организованы эксперименты по биоабсорбции, подготовлены образцы, имитирующие по составу бытовые и промышленные сточные воды. Для контроля химического состава воды использовали экспресс-метод (тест-полоски) на 16 и 20 показателей. Опыты по очистке воды проводили дома, так как анализировали воду через 1, 3, 6, 12 и 24 часа. В экологическом центре исследовали строение грибов (мицелий, пластинки) и плёнки, образовавшиеся на поверхности воды.

Установили, что использование живых грибов и процесса аккумуляции для очистки воды затруднительно. требуется фильтрация воды от биомассы, обеззараживание воды и утилизация грибов и мицелия, наполненных загрязнениями.

Выяснили, что возможно использование процесса биосорбции, а именно порошков высушенных грибов, для очистки. Порошки грибов показали способность извлекать из воды: металлы, органическое соединение циануровую кислоту, сульфаты, хлорид натрия. Порошки способны изменять уровень рН воды.

Отмечено, что в настоящее время практически нет доступных способов очистки воды от сульфатов и хлоридов. Но потребуются более точные методы исследования этого свойства грибных порошков.

Наши открытия:

1. Интересным является свойство грибов шиитаке очень быстро чистить воду от хлора и брома. Очистка происходит на 100 процентов в течение одного часа.

2. При малых концентрациях порошки гриба впитывают металлы на 100%, но при увеличении концентрации эффективность снижается до 40-60 процентов.

3. Возможно применение грибного порошка в качестве дополнительного модуля очистки, например, до аэротенков с последующим обеззараживанием воды.

Подтвердилась гипотеза: мицелий, отработанный грибной субстрат, тело гриба, высушенные древесные грибы способны к очистке воды от органических веществ, металлов, солей и других загрязнений.

Оглавление

Введение

Древесные грибы – уникальные организмы, которые таят множество возможностей для улучшения экологической ситуации на нашей планете [1, 10].

Проблема загрязнения природных вод бытовыми и промышленными стоками актуальна в мегаполисах, таких, как Екатеринбург, где мы живем [4,8]. Оказалось, что процессы очистки несовершенны, системы уже устарели [7,8].

Есть необходимость разработки новых способов очистки воды [10,11]. Грибы – уникальный природный био-абсорбент [2]. Грибы вырабатывают ферменты, способные разрушать многие органические загрязнения. Вероятно, грибы способны к абсолютно новой и более качественной очистке сточных вод [11].

Объект: грибы.

Предмет: возможность грибов к очистке сточных вод.

Цель — подтвердить или опровергнуть возможность применения древесных грибов для очистки промышленных и бытовых сточных вод.

Задачи:

1. Вырастить грибы для проведения эксперимента.

2. Получить грибной субстрат

3. Провести эксперимент.

Гипотеза: мицелий, отработанный грибной субстрат, тело гриба, высушенные древесные грибы способны к очистке воды от органических веществ, металлов, солей и других загрязнений.

Место проведения экспериментов.

Работу мы проводили вместе с моим руководителем из ГДЭЦ, Татьяной Реввовной и с моей мамой. Опыты по очистке воды я проводила дома с мамой, так как мы анализировали воду через 1, 3, 6, 12 и 24 часа. А в ГДЭЦ я исследовала строение грибов (мицелий, пластинки) и плёнки, образовавшиеся на поверхности воды.

Теоретическая часть. Обзор литературы

Проблема очистки сточных вод в Екатеринбурге

Проблема очистки бытовых и промышленных сточных вод актуальна как для мегаполисов, так и для небольших городов. Я живу в Екатеринбурге, городе с населением более одного миллиона человек, и более чем 220 промышленными предприятиями. Каждый житель города, и каждое предприятие используют воду ежедневно, вносят в воду химические вещества (шампуни, мыло, стиральные порошки, косметику, лекарства). Ежедневно 470 тысяч кубических метров стоков поступает на станции аэрации в Екатеринбурге [7, 8].

В настоящее время актуальны две проблемы:

1. Проблема очистки бытовых сточных вод на городских очистных сооружениях от тех примесей, которые невозможно удалить с помощью существующих технологий. В большинстве городов очистные сооружения построены более 80 лет назад.

2. Проблема очистки промышленных сточных вод на предприятиях с целью многократного использования воды. Это позволит экономить деньги и меньше расходовать природные ресурсы.

В Екатеринбурге есть две станции очистки сточных вод — Южная Аэрационная станция и Северная Аэрационная станция. Схемы очистки воды на них практически одинаковые. Разница лишь в последнем этапе — на Южной станции воду дезинфицируют хлором, а на Северной станции ультрафиолетом.

Схема очистки бытовых сточных вод в Екатеринбурге

Этап 1. Механические решёты. Механическое процеживание воды через

специальные решётки с целью удаления мусора.

Этап 2. Песколовки. Песок оседает на дно, жир всплывает на поверхность, вода становится более светлой.

Этап 3. Аэротенки. Вода смешивается с биологическим илом,

постоянно подаётся воздух и бактерии ила обезвреживают вредные примеси.

Этап 4. Вторичные отстойники. Вода отстаивается. Взвешенные вещества оседают на дно, а осветлённая вода подаётся на следующий этап.

Этап 5. Станции. Вода обеззараживается либо хлором, либо обеззараживается ультрафиолетом.

В итоге вода с pH~6,5 сбрасывается в Исеть. И надо заметить, это вода более чистая, чем в самой реке Исеть.

Из осадка, который собрали со дна первичных резервуаров-отстойников, удаляют под прессом воду, и складируют на иловые поля на территории станции.

Затем этот ил обеззараживают и увозят на мусорный полигон.

Именно эти иловые поля являются источником неприятного запаха.

Описанная выше, схема очистки сточных вод не предназначена для устранения из воды тяжелых металлов, нефтепродуктов, аммония, нитритов, нитратов, фосфатов, сульфатов, хлоридов, аммиака, органических соединений и т.д. Но эти вещества попадают в сточные воды из стиральных порошков, шампуней, бытовой химии, моющих средств, лекарств. И пройдя очистные сооружения без изменений попадают в реки, озёра и другие водные объекты нашей планеты.

Поэтому людям нужно найти дополнительные способы очистки сточных вод, чтобы химические вещества, указанные выше, оставались на очистных сооружениях и не попадали в природные водные объекты.

Биосорбция — это пассивный физико-химический процесс связывания ионов или молекул из раствора на поверхности или внутри биомассы (сорбента) — в данном случае, грибной. Ключевое слово — пассивный, он не требует затрат энергии со стороны гриба и может происходить даже с мертвой биомассой.

Факторы, влияющие на эффективность биосорбции: рН среды, температура, концентрация загрязняющих веществ и количество биофильтра, время контакта воды с биофильтром, видовые особенности гриба.

Грибы, как универсальный уникальный био-абсорбент

Учёные исследуют различные способы очистки — физические (плазменная и ультразвуковая обработки), различные бактерии, водоросли, плесневые грибы, а также древесные грибы.

Грибы - бесхлорофилловые эукариоты, насчитывающие до 100 тысяч видов[1]. Это гетеротрофные формы, использующие энергию, образующуюся при расщеплении органических соединений. Грибы способны разлагать листву, хвойные иголки, древесину и превращать всё это в гликоген (питательное вещество, которым затем гриб питается) [3].

Издавна было отмечено, что грибы, как и многие другие микроорганизмы способны накапливать тяжёлые металлы из объектов окружающей среды.

Самые ранние работы по применению микроорганизмов в качестве сорбентов тяжелых металлов из сточных и природных вод были сделаны в 1951 году. Первый патент по биологической очистке сточных вод был зарегистрирован в 1973 году [3].

Отдельное направление исследований биологической очистки воды — использование грибов, растущих на деревьях. Они выделяют ферменты, способные разлагать органические вещества, из которых состоит древесина. Учёные исследуют базидиомицеты — грибы, которые вызывают белую гниль древесины, включая вёшенки и трутовики.

Очень важным свойством базидиомицетов является способность перерабатывать не какие-то конкретные органические вещества, а практически любые. Это свойство — неспецифичность ферментативного механизма [2].

Благодаря этому свойству, ферменты грибов способны переваривать широкий спектр органических молекул, включая загрязняющие вещества, присутствующие в сточных водах.

Важно, что грибы способны разлагать сразу несколько загрязняющих веществ в смеси. Ферментные системы грибов могут разлагать смеси органических загрязнений, присутствующих в микродозах. А вот бактерии используют загрязняющие вещества в качестве субстрата для роста, и поэтому низкие концентрации этих веществ в сточных водах они разлагать не могут [2].

В источнике [2] говорится о применении грибов для очистки воды в нескольких формах:

- адсорбентов, полученных с применением грибного мицелия,

- сорбенты на основе отработанного грибного субстрата, плодовых тел грибов и мицелия (отходы после выращивания грибов).

Значительное число исследований проведено с биоуглем, который получают путем пиролиза(сжигания) грибного субстрата. Адсорбенты из грибного субстрата синтезируют разными способами: сушкой, измельчением, модификацией и другими.

В биосорбционных технологиях может применяться биомасса, содержащая как живые, так и мертвые микроорганизмы.

Разница в механизмах биоконцентрирования заключается в том, что при использовании живых микроорганизмов может осуществляться активная и пассивная сорбция, т. е. аккумуляция и биосорбция.

Во втором случае — для мертвых микроорганизмов — осуществляется только биосорбция [3].

Материалы и методы

Я не могу исследовать способность древесных грибов аккумулировать органические соединения. Поэтому я исследую способность древесных грибов к биосорбции и удобство их использования на очистных сооружениях.

Объекты и предметы исследования

Лабораторное оборудование и экспресс-методы исследования

Чтобы исследовать способность разлагать органические вещества из сточных вод, и аккумулировать их, требуется профессиональное лабораторное оборудование и знания аналитической химии.

В настоящее время я учусь в 4 классе, поэтому мне доступны для проведения химического анализа воды только тест-полоски. Мы купили их на маркетплейсах.

Для бытовых сточных вод я использовала тест-полоски с 16-ю показателями, а для промышленных сточных вод — тест-полоски с 20-ю показателями (включая содержание цинка) (Таблица 1).

Таблица 1.

Показатели химического анализа воды (определяемые с помощью тест-полосок)

Особенности экспресс-метода

Тест-полоски позволяют провести только качественный анализ воды, определяя содержание химических веществ в определённом диапазоне. Но не позволяют определить точные количества химических веществ.

Приготовление компонентов для эксперимента

Как приготовили компоненты из грибов (биологические фильтры) и проводили измерения

1. Мы сами подготовили биологические фильтры: мицелий на пшенице, тело гриба вёшенки, порошки сухой вёшенки и сухого гриба шиитаке.

2. «Биологические фильтры» добавляли по отдельности в воду, содержащую загрязнения.

3. Перемешивали пробы примерно каждые 20-30 минут.

4. Измерения проводили через 1 час, через 6, 12 и 24 часа после добавления фильтра. В ночное время пробы не перемешивали.

5. Через 24 часа растворы фильтровали и оставляли на 7 суток в холодном месте (на подоконнике). Через 7 суток мы осматривали растворы и оценивали их внешний вид, а именно образовалась ли плёнка на поверхности воды и появился ли запах.

6. Измерения мы заносили в таблицы. Затем брали начальное значение и минимальное значение, до которого снизилось содержание того или иного компонента.

7. Снижение концентрации вещества рассчитывали по формуле:

Как создавали имитацию сточных вод

Имитацию бытовых сточных вод я готовила дважды.

1. Для предварительного опыта в дождевую воду (объём 1 литр) я добавила 1грамм стирального порошка "Персил" и половину миллилитра геля "Белизна". Гель содержит хлор.

2. Второй раз, для опытов 1 и 2 я взяла воду из родника Поющий. Родник находится на территории города Екатеринбург. И в 1 литр воды из родника добавила 1грамм стирального порошка "Персил" и половину миллилитра геля "Белизна".

3. Имитацию промышленных сточных вод я готовила из раствора, содержащего 74,2 г/л цинка и неопределённоё количество серной кислоты. Такой раствор используют на производстве, где железо покрывают цинком из водного раствора с помощью тока. Мы использовали раствор с известной концентрацией цинка специально, чтобы я смогла приготовить раствор с той концентрацией, которую могут определить тест-полоски.

4. Имитацию промышленных сточных вод мы готовили дважды. Для предварительного опыта и опыта 1 и 2 мы добавили 1 мл раствора с цинком на литр воды из-под крана. Таким образом мы получили раствор с примерным содержанием цинка 74 мг/л.

А тест-полоски позволяют определить до 80 мг/л цинка.

5. Для пробы 3 мы приготовили раствор с содержанием сульфатов более 200 мг/л. При этом содержание цинка стало больше 80 мг/л, но в пробе 3 мы пытались установить способность грибов поглощать сульфаты и хлорид натрия.

6. Для пробы три мы взяли 4 мл раствора с цинком и серной кислотой, 3 мл раствора перманганата натрия и 0.5г хлорида натрия. Всё это мы добавили в 1 литр водопроводной воды.

Ход эксперимента

1. Сначала мы провели предварительный опыт с мицелием вёшенки на пшенице, телом вёшенки обыкновенной, порошком сухой вёшенки, и порошком сухого гриба шиитаке.

2. Результаты эксперимента с мицелием и телом вёшенки мы признали неудовлетворительными.

3. Затем опыты продолжили только с порошками сухой вёшенки и сухого гриба шиитаке.

Таблица 2.

Схема проведённых экспериментов

Собственные результаты и выводы

Подробные результаты эксперимента представлены в Приложении 1.

Рис. 1. Очистка сточных вод от металлов порошком грибов на предварительном этапе.

Мы воссоздали весь цикл очистки воды грибами. Мы вырастили грибы дома [5,6], смешав мицелий и специальный субстрат.

Таблица 3.

Выкопировка результатов эксперимента: очистка сточных вод порошком грибов за 7 суток.

Рис. 1. Очистка сточных вод от металлов порошком грибов от 1 часа до 7 суток.

Можно ли использовать свежий субстрат?

Очевидно, что применять отработанный субстрат сразу после выращивания грибов невозможно, так как его состав и свойства сложно оценить. Кроме того, субстрат без дополнительной обработки привносит в воду перегной, бактерии и дрожжевые и плесневые грибы. Получится больше вреда, чем пользы.

Когда мы выращивали грибы дома, то мицелий не стал прорастать вглубь субстрата, а образовал тонкую корку на поверхности. Соответственно большая часть субстрата не содержала мицелий и была бесполезна при очистке воды.

Мицелий, который вырос на субстрате у нас дома, мы использовать не смогли. Во-первых, его было слишком мало, потому что он развился только на поверхности субстрата. Во-вторых, наш мицелий имел коричневые пятна, которые являются плохим признаком и говорят о болезни мицелия. Поэтому мы купили готовый мицелий, выращенный на зёрнах пшеницы.

Парадоксы в нашем исследовании: плюсы и минусы использования грибного мицелия для очистки сточных вод

Мицелий, хоть и извлёк металлы, карбонаты и циануровую кислоту, но привнёс в воду хлор, нитраты, нитриты и возможно фториды (но возможна и ошибка измерений концентрации фторидов). Спустя 7 суток в воде появилось большое количество бактерий и плесневых грибов, вода имела дурной запах.

Тело вёшенки позволило извлечь из воды металлы, карбонаты и циануровую кислоту, а также хлор и бром, но при этом в воде появились нитриты, нитраты и возможно фториды (но возможна и ошибка измерений концентрации фторидов).

Кроме того, тела вёшенок достаточно хрупки, и разрушаются в растворе при перемешивании. А также образуется достаточно много отходов этих самых шляпок, которые также нужно будет утилизировать.

Выводы

Таким образом, использование живых грибов и процесса аккумуляции для очистки воды затруднительно. Потребуется фильтрация воды от биомассы, обеззараживание воды и утилизация грибов и мицелия, наполненных загрязнениями.

Использование процесса био-сорбции, а именно порошков высушенных грибов, для очистки возможно. Порошки грибов показали способность извлекать не только металлы, но и органическое соединение циануровую кислоту, а также сульфаты и хлорид натрия из воды. Порошки способны изменять уровень рН воды.

Следует отметить, что в настоящее время практически нет доступных способов очистки воды от сульфатов и хлоридов. Но потребуются более точные методы исследования этого свойства грибных порошков.

Наши открытия

1. Интересным является свойство грибов шиитаке очень быстро чистить воду от хлора и брома. Очистка происходит на 100 процентов в течение одного часа.

2. При малых концентрациях порошки впитывают металлы на 100%, но при увеличении концентрации эффективность снижается до 40-60 процентов.

3. Вполне возможно применение грибного порошка в качестве дополнительного модуля очистки, например, до аэротенков с последующим обеззараживанием воды.

Глоссарий

Аккумуляция — накопление организмом веществ (например, тяжелых металлов или токсинов) из окружающей среды в концентрациях, превышающих их содержание в среде. Некоторые металлы и органические соединения могут транспортироваться внутрь клеток гриба и накапливаться там, часто в вакуолях или в связке с специфическими металл - связывающими белками.

Сорбция (от лат. sorbeo — поглощаю) — общий термин для процессов поглощения одного вещества другим [9].

Делится на два ключевых типа:

Адсорбция — процесс накопления молекул, атомов или ионов (адсорбата) на поверхности другого вещества (адсорбента). Происходит на границе раздела фаз (т. е. между твёрдым телом и газом/жидкостью).

Абсорбция — процесс проникновения и равномерного распределения молекул (абсорбата) по всему объёму другого вещества (абсорбента).

Литература

1. Дьяков Ю.Т. Занимательная микология. — М.: Книжный дом «Либроком», 2013. — с.240.

2. Помогут ли грибы решить глобальную проблему пресной воды? Блог. Статья с использованием материалов Вишневского М.В. Статья. – Текст: электронный // https://fungiline.ru/about_us/: офиц.сайт. – URL: https://fungiline.ru/blog/pomogut-li-griby-reshit-globalnuyu-problemu-presnojvody/?ysclid=mbp4jfbvjv560930664 (дата обращения: 05.01.2026 г.).

3. Аронбаев, С.Д. Биосорбционное концентрирование тяжелых металлов и радионуклидов микроорганизмами и сорбентами на их основе. Обзор. / Аронбаев С.Д. // Молодой учёный. – 2015. — №24 (104) — С. 31-42.

5. Южные очистные сооружения. Путь воды. 27 мая 2022 года. Статья. – Текст: электронный // Uralweb. Гид по городу: офиц.сайт. – URL: https://www.uralweb.ru/cityguide/ekaterinburg/8152-yujnye-ochistnye-soorujeniya-put-vody.html (дата обращения: 06.01.2026 г.).

6. Лемеза Н.А. Альгология и микология. Практикум: Учеб. пособие / Н.А. Лемеза – Мн.: Вышэйшая школа, 2008. – с.200.

7. Морозов А.И. Выращивание вешенки / А.И. Морозов. — М.: ООО «Издательство ACT»; Донецк: «Сталкер», 2003 — 46, [2] с: ил. — (Приусадебное хозяйство).

8. Для всех туристов. МУП «Водоканал» Екатеринбург. Экскурсия. Статья. – Текст: электронный // Сайт МУП «Водоканал» Екатеринбург: офиц.сайт.: – URL: https://promtourism.online/routes/vodokanal?ysclid=miyaclyagp145475186 (дата обращения: 06.01.2026 г.).

9. Видео-ролик. Фильм о Северной аэрационной станции.

10. Присевко Д.Ю. Процесс сорбции веществ и его место в деятельности человека. Статья. – Текст: электронный // Старт в науке. Научный журнал для школьников ISSN 2542-0186. 2022. № 6 : офиц.сайт. – URL: https://science-start.ru/ru/article/view?id=2247 (дата обращения: 09.01.2026).

11. Гурбанова Х.М., Сапаров А.Ы., Вейисова М.С. Биоочистка сточных вод: потенциал грибов как природных фильтров // Вестник науки №11 (80) том 4. С. 1435 - 1439. 2024 г. ISSN 2712-8849 // Электронный ресурс: https://www.вестник-науки.рф/article/19122 (дата обращения: 05.01.2026 г.).

Приложение 1. Фотоотчет

Приложение 2.