Скачать:
Доклад к презентации
Введение
В природе, не подвергающейся вмешательству человека, экосистема настроена на самоочищение т.е. природа сама справляется с переработкой более не нужного ей (мертвого) органического материала. Деятельность человека оказывает на окружающую среду мощное техногенное воздействие в частности загрязнением почвы и воды отходами производств и жизнедеятельности, где значительную долю занимают органические загрязнители. В результате загрязнений почвы и воды органическими веществами подавляется естественная биота, меняются соотношения между отдельными группами микроорганизмов и в целом изменяется направление метаболизма, нарушаются естественные процессы самоочищения. (слайд)
В утилизации органики участвует почва содержащая естественную биоту (микроорганизмы, эдафон) - живой компонент, представленный разнообразными представителями растительного и животного мира. В одном грамме садовой почвы содержатся десятки миллионов микроорганизмов - сапрофитов, актеномицетов, грибков, олигонитрофилов, азотобактеров и клубеньковых бактерий, бактерий разлагающих клетчатку, аммонификаторов, нитрификаторов, денитрификаторов, анаэробных фиксаторов азота. Вместе микроорганизмы составляют микрофлору почвы отвечающую за метаболизм в результате которого мертвая органика перерабатывется в плодородный гумус. В районах постоянных загрязнений почвенная микрофлора в субстратах загрязнителях насчитывает, не более нескольких тысяч КОЕ на 100 граммов субстрата, одни группы микроорганизмов сохраняют присутствие, в то время как количество других критически уменьшается, нарушаются процессы почвообразования, в почве и воде накапливаются неразлагаемые отходы.
Многие или большинство экологически опасных загрязнителей представляют собой сложные органические вещества которые не могут быть метаболизированы бактериями простой адсорбцией через стенку клетки. Для того чтобы редуцировать сложные органические соединения до простых, ассимилируемых клеточной адсорбцией, микроорганизмы синтезируют во внешнюю среду особые биоактивные белковые вещества - ферменты, обладающие способностями либо к синтезу, либо к разложению различных органических субстратов: белка, целлюлозы, лигнина, крахмалов, углеводов, жиров, жирных кислот, кератина, углеводородов.
Искусственное использование микроскопических почвенных обитателей для биологической утилизации органических отходов и нейтрализации загрязнителей получила название биоремедиации (bio - жизнь, remedio - лечение). В очищаемую среду или в утилизируемые отходы вносятся высокие концентрации специально отобранных различных видов микроорганизмов, составляющих сообщество (консорцию), которые ранее были выделены из почвы, селекционированы и размножены в форме готового к применению препарата. В результате в нужном месте в нужное время целенаправленно создается полезная микробиологическая активность заключенная в усвоении и переработке микробами мертвой органики в продукты метаболизма : углекислый газ (диоксид углерода, СО2), воду (H2O), гумус, формы азота.
К преимуществам биоремедиации относят недеструктивный характер в отношении окружающей среды, возможность целенаправленного и дозированного применения технологии в нужном месте в нужное время, достаточно высокая скорость и эффективность усвоения и переработки микроорганизмами органических отходов и загрязнений, технологически заданные характеристики процессов очистки или переработки, экологическая и гигиеническая безопасность.
Микробиологическая конверсия растительного сырья – наиболее эффективный способ осуществить управляемую переработку целлюлозо- и крахмалсодержащих сельскохозяйственных продуктов и отходов в полезные субстанции. (Слайд)
Конверсия сельскохозяйственных отходов в биогаз осуществляется под действием естественно сложившихся метаногенных микробных сообществ в анаэробных условиях. Такие микробные сообщества основаны на синтрофных взаимодействиях микроорганизмов разных систематических и физиологических групп, осуществляющих межвидовой перенос интермедиатов (водорода, ацетата, формиата). Процесс начинается с гидролиза биополимеров растительного сырья и отходов внеклеточными ферментами бактерий рода Clostridium.(Слайд) Далее продукты гидролиза подвергаются брожениям разных типов под действием микроорганизмов сем. Clostridiaceae,(Слайд) Enterobacteriaceae, Lactobacillaceae, Streptococcaceae, и образуется смесь летучих жирных кислот, спиртов и газов. Далее следует синтрофная стадия, на которой продукты брожения используются бактериями родов Synthrophomonas и Synthrophobacter с образованием субстратов метаногенеза (Н2, СО2 и ацетата). Завершающая стадия процесса приводит к образованию метаногенными археями биогаза.
Самым простым методом утилизации твердых бытовых и промышленных отходов является их захоронение в естественных понижениях рельефа местности (оврагах, карьерах) и сваливание с последующей засыпкой слоем грунта.
Микроорганизмы попадают в кучу вместе с отходами и из почвы и грунта. Разложение отходов происходит медленно (30-50 лет), при этом разрушается только 30% захороненной органики. В погребенных отходах анаэробное разложение сдерживается низкой влажностью и небольшой плотностью популяции микроорганизмов-деструкторов. В микробном сообществе свалки присутствуют группы микроорганизмов, осуществляющих разные стадии превращения сложных полимерных соединений в биогаз. В период активного метаногенеза происходит разогрев массы до 30-55оС. В верхней части кучи развиваются аэробные микробы, среди которых особое значение имеют метанотрофные бактерии. Благодаря их активности значительная часть образуемого в анаэробной зоне свалки метана не попадает в атмосферу.
Жидкие органические отходы – это сточные воды бытовых, сельскохозяйственных и промышленных предприятий, к полужидким относятся полужидкий навоз и осадки сточных вод, а твердые формируются из бытового мусора и подстилочного навоза.
Полного разложения ксенобиотиков удается добиться при использовании структурированных микробных сообществ, содержащих микроорганизмы различных физиологических групп. Поскольку при низких концентрациях органического загрязнителя анаэробный процесс не всегда эффективен, для глубокой очистки применяют комбинацию бескислородной и аэробной обработки.
Микробиологическая очистка сточных вод
Самыми простыми способами очистки сточных вод является их отстаивание и фильтрация. Эти процессы происходят в системе неглубоких водоемов (прудов и каналов), где микроорганизмы находятся в осадке и во взвешенном состоянии. Естественная фильтрация происходит через песок и глину.
К простым очистным сооружениям относятся струйные и дисковые биофильтры. Струйные биофильтры (Слайд) – это емкости или наклонные каналы, заполненные пористым материалом. На таком наполнителе формируется микробная биопленка. Ее основу составляют выделяющие слизь зооглеи. Микробное сообщество, погруженное в слизистый матрикс, состоит из бактерий, грибов, простейших. Сточные воды медленно просачиваются через наполнитель (керамзит, щебень) и собираются внизу. (Слайд) Дисковые биофильтры представляют собой медленно вращающиеся диски, наполовину погруженные в протекающую воду. Поверхность диска покрыта биопленкой, в верхнем слое которой обитают аэробные и факультативно анаэробные, а в нижнем – анаэробные микроорганизмы. При медленном вращении части диска последовательно соприкасаются с кислородом воздуха и погружаются в сточную воду, что приводит к чередованию аэробных и анаэробных процессов.
При централизованной очистке сточных вод применяют принудительную аэрацию и поддерживают высокую плотность микробной популяции. Городские очистные сооружения представляют собой крупные промышленные предприятия, перерабатывающие туалетные, кухонные, ливневые воды и нетоксичные стоки промышленных предприятий. Процесс аэробной очистки сточных вод на основе активированного ила состоит из 3-4 стадий. На первой стадии при проходе воды через решетку, песколовку и отстойник удаляются твердые включения. Вторая стадия заключается в биологической очистке воды с помощью активированного ила. Растворенные и суспендированные загрязнения окисляются сложным микробным сообществом в открытом бассейне (аэротенке) с принудительной подачей воздуха и интенсивным перемешиванием. Микроорганизмы активно растут и используют до 99% загрязнений. Обработанная вода и микробная биомасса разделяются во вторичном отстойнике. Из него микробный ил возвращается обратно в аэротенк, а вода направляется на третью стадию химической и биологической доочистки от азота и фосфора. Четвертой стадией очистки может быть дезинфекция соединениями хлора или озоном.
В микробное сообщество активированного ила входят разнообразные микроорганизмы, многие из которых имеют слизистые капсулы (зооглеи, лейкотрикс, тиотрикс и др.). Ил содержит много микроорганизмов, не поддающихся лабораторному культивированию и определенных с помощью молекулярно-биологических методов. В сообщество ила входят паракокки, каулобактеры,(Слайд) гифомикробии, псевдомонады, цитофаги, флавобактерии, флексибактеры, коринебактерии, артробактеры, нокардии, родококки, бациллы, клостридии, стафилококки, лактобациллы и др. Численность патогенных бактерий обычно мала. Простейшие представлены инфузориями и амебами. Микроорганизмы активированного ила образуют хлопьевидные агрегаты, способные к осаждению. При наличии избытка нитчатых форм может происходить вспухание ила, когда образуются гигантские пенообразные хлопья, выносимые с очищенной водой. Такой ил содержит большое количество нитчатых бактерий (сферотилус, беггиатоа, тиотрикс) и бацилл, а также мицелий актиномицетов и плесневых грибов.
Переработка нефти и нефтяных продуктов. (Слайды)
Углеводородокисляющая группа микроорганизмов природного происхождения таксономически очень разнообразна. Наиболее активные бактериальные штаммы относятся к родам: Pseudomonas, Arthrobacter, Rhodococcus(Слайд), Acinetobacter, Flavobacterium, Corynebacterium, Xanthomonas, Alcaligenes, Nocardia, Brevibacterium, Mycobacterium, Beijerinkia, Bacillus (Слайд), Enterobacteriaceae, Klebsiella, Micrococcus, Sphaerotilus. Среди актиномицетов внимание привлекает многочисленный род Streptomyces. Из дрожжей выделяют род Candida и Torulopsis (Сидоров и др., 1997).
Немалый интерес представляют спорообразующие бактерии, так как они наиболее устойчивы к различным неблагоприятным воздействиям окружающей среды.
В настоящее время предложено большое количество различных коммерческих микробиологических препаратов как отечественного, так и импортного производства. Ряд из них нашел широкое применение на практике (Деворойл, Дестройл, Путидойл и т.п.)
Институтом Микробиологии АН России совместно с Научно - производственным предприятием «Биотехинвест» разработан микробиологический препарат «Деворойл». Препарат предназначен для биодеградации нефти и нефтепродуктов при загрязнении почв, водоемов, поверхностей акваторий, а также внутренних поверхностей танков нефтеналивных судов и прочих резервуаров.
Микробиологический препарат «Деворойл» состоит из тщательно подобранного сообщества углеводородоокисляющих бактерий и дрожжей. В состав ассоциации входят вегетативные клетки непатогенных штаммов культур родов Rhodococcus, Pseudomonas и Yarovvia. Бактерии способны окислять нефтяные n - алканы длиной цепи С9 - С30 и ароматические углеводороды. Удачно подобранная ассоциация микроорганизмов дает препарату множество принципиальных преимуществ.
Также для ликвидации нефтяных загрязнений почвы используется препарат «Дестройл». Коммерческий препарат, выпускаемый Бердским заводом биологических препаратов, полученный на основе выделенной из природы микробной культуры Acinetobacter sp. (Слайд)Обладает высоковыраженной активностью в отношении углеводородов нефти и нефтепродуктов, вызывая в них глубокие необратимые процессы деградации до остаточных продуктов, относящихся к экологически нейтральным соединениям.
Заключение
В современных процессах очистки, в основном, применяют естественно складывающиеся микробные сообщества. Видовой состав таких сообществ и взаимодействие микроорганизмов в них изучены недостаточно, что тормозит массовое применение биоремедиации. Изучение метаболических путей в микробных сообществах в перспективе позволит создать ассоциации микроорганизмов, способные разрушать весь набор загрязнителей.
Скачать: