Цинк 
– это относительно распространенный (кларк 0,008), жизненно и промышленно важный, токсичный 3d-металл.
Обеспечение процесса утилизации цинка в компостируемом субстрате актуально, т.к. будет способствовать санитарному «оздоровлению» компоста, производимого из ТБО.
Наиболее типичные химические соединения Zn2+ (d10) – ZnO, ZnS, [Zn(OH)6]2+, [Zn(OH)4]2–, соли Zn2+, ZnF2, ZnCl2, множество комплексов [1].
Растворимость соединений Zn снижается от легкорастворимых ZnSO4 и ZnCl2 к труднорастворимому ZnCO3 и очень трудно растворимымZn3(PO4)2 и ZnS; осаждение Zn(OH)2 – при рН 5,2 [2].
Загрязнение почв Zn в техногенезе широко распространено, а время его полуудаления составляет 70–81 год. Качество таких загрязненных почв восстанавливается внесением извести или органического вещества [3]. Растворимость Zn повышается в кислых условиях, а также при значительном количестве низкомолекулярных органических лигандов.
Содержание Zn в почве колеблется от 10 до 800 мг/кг [4]. Накопление Zn отрицательно влияет на большинство почвенных процессов: ведет к изменению свойств почв, снижает биологическую деятельность, т.к. подавляет жизнедеятельность микроорганизмов, вследствие чего нарушаются процессы образования органического вещества в почвах. Избыток Zn в почве затрудняет ферментацию разложения целюлозы, процессы дыхания [5]. Zn оказывает влияние на процесс накопления грибами органических кислот, в частности лимонной кислоты. Недостаток Zn приводит к значительному замедлению роста актиномицетов. Ионы Zn оказывают влияние на углеродный, азотный и фосфорный обмены ряда организмов и участвуют в окислительно-восстановительных процессах [6]. Цинк входит в состав РНК и участвует в его синтезе [7].
ТБО обогащается цинком благодаря смёту с промплощадок и городских улиц [8].
ПДК в почве 23,0 мг/кг [9], компосте – меньше 200 мг/кг [10].
Цель. Планирование и оптимизация биоутилизации цинка в процессе компостирования органических компонентов ТБО.
Вычисления основаны на применении данных, указанных в работах [11, 12] и основаны на методике, описанной в работе [13].
Результаты и обсуждение. В целях планирования и оптимизации в процессе биодеградации цинка при компостировании ТБО, были отобраны пять факторов.
Как видно из табл. 1, фактор Х1 учитывает уровень разведения сульфатредуцирующих бактерий (на примере рода Desulfobacteriaceae). Известно [14], что сульфатредуцирующие бактерии, обитая в рудных месторождениях, в глубоком почвенном слое и в глубинах океана, используют в своих реакциях ионы цинка. Именно поэтому, в целях дополнительного обогащения компостируемого субстрата сульфатредуцирующими бактериями, предполагается регулировать вторым (Х2 – добавление почвы в компостируемый субстрат, г/кг) фактором. Также выделены три физических фактора (Х3 – влажность, %; Х4 – температура компостируемого субстрата, оС; Х5 – день компостирования в биореакторе), которые влияют не только на процесс компостирования, но и на активность исследуемых таксонов.На основе пятифакторной матрицы планирования эксперимента был проведен расчет опытных значений частных функций (табл. 2).
Таблица 1
Область факторного пространства
|
Факторы |
Уровни факторов |
||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
|
Х1 – Уровень разведения сульфатредуцирующих бактерий (на примере рода Desulfobacteriaceae) |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
Х2 – Добавление почвы в компостируемый субстрат, г/кг |
20 |
60 |
100 |
140 |
180 |
|
Х3 – Влажность, % |
30 |
39 |
48 |
57 |
66 |
|
Х4 – Температура, °С |
32 |
39 |
46 |
53 |
60 |
|
Х5 – День компостирования в биореакторе |
40 |
48 |
56 |
64 |
72 |
Таблица 2
Расчет экспериментальных значений частных функций
|
№ фактора |
Уровень |
Среднее -значение |
||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
||
|
Х1 |
93 |
96,4 |
93,4 |
94 |
96,8 |
94,72 |
|
Х2 |
96,8 |
94 |
93,4 |
96,4 |
93 |
|
|
Х3 |
93,4 |
96,8 |
94 |
93 |
96,4 |
|
|
Х4 |
96,4 |
94 |
93 |
96,8 |
93,4 |
|
|
Х5 |
94 |
93,4 |
96,8 |
96,4 |
93 |
|
Выполнен анализ моделей для алгебраического описания функций методом наименьших квадратов. Расчет значений и апроксимация опытных функций определил выборку на точечные графики по закономерности изменения степени очистки компостируемого субстрата от цинка с учетом принятых пяти факторов (рисунок).
Выборка на точечные графики: закономерности изменения степени очистки компоста от цинка с учетом обсемененности Desulfobacteriaceae (а), вводимого в компостируемый субстрат количества почвы (б), влажности (в) и температуры (г) компостируемой массы, дня компостирования (д)
Как видно из рисунка:
1) почти все исследуемые факторы (исключение Х2), положительно коррелируют со степенью биодеградации цинка: чем выше их уровни, тем выше показатель степени биодеградации, так, повышение:
– обсемененности бактерий роды Desulfobacteriaceae со 2-го по 6-й уровень разведения приводит к повышению степени очистки компостируемого субстрата ТБО от цинка с 93,68 % до 99,16 %,
– влажности с 30 до 66 %, температуры с 30 до 60оС и дня компостирования с 40 по 72 день приводит к повышению биодеградации цинка с 94 до 95,44 %, с 94,678 до 94,762 % и c 94,52 до 94.92 % соответственно;
2) отрицательная корреляционная зависимость, как это выявлено из расчетов, характерно для фактора Х2, т.к. чем больше количество вводимой почвы в компостируемый субстрат (с 20 до 180 г/кг), тем ниже процент биодеградации цинка (с 95,75 до 93,68 %);
3) наиболее сильнодействующими факторами, влияющие на степень биодеградации цинка в компостируемом субстрате, являются такие факторы, как Х1 (обсемененности бактерий роды Desulfobacteriaceae), Х4 (температура) и Х6 (день компостирования), т.к. полученные сотые (Х1, Х4) и тысячные (Х6) показатели процента очистки свидетельствуют о высокой чувствительности процесса биодеградации цинка к этим факторам.
Анализ обобщенного уравнения (Yоб) показал, что оптимальными условиями для компостирования являются: обсемененность бактерий из рода Desulfobacteriaceae на уровне шестого разведения, количество почвенной добавки не должно превышать 20 г/кг, W 66 %, t 60oC, продолжительность компостирования 72 дня) степень очистки компостной системы от цинка может достигнуть 100 %.