CC BY
123
УДК 602:628.1:579.66
А. Р. Хабибуллина, Т. В. Вдовина, Й. В. Кобелева, А. С. Сироткин
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА БИОЛОГИЧЕСКОЙ ДЕФОСФОТАЦИИ МОДЕЛЬНЫХ СРЕД
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ФОСФАТАККУМУЛИРУЮЩИХ БАКТЕРИЙ
Ключевые слова: фосфатаккумуляция, фосфатаккумулирующие бактерии, дефосфотация, фосфат-ионы, фосфор, биологическая очистка, сточные воды.
Проведено экспериментальное моделирование и исследование процесса фосфатаккумуляции с использованием микробной культуры, выделенной из активного ила. На основании морфологических и физиолого-биохимических признаков выделенная культура отнесена к р. Acinetobacter. Доказана фосфатаккумулирующая способность данной культуры и возможность ее использования для дальнейших исследований процесса де-фосфотации в ходе биологической очистки сточных вод.
Keywords: phosphate-accumulation, phosphate-accumulating bacteria, dephosphate, phosphate ions, phosphorus, biological purification, waste water.
Experimental modeling and investigation of the process of phosphate-accumulation using a microbial culture isolated from active sludge has been carried out. On the basis of morphological and physiological-biochemical features, the isolated culture was identified as bacteria of the p. Acinetobacter. The phosphate-cumulating ability of this culture and the possibility of its use for further studies of the process of dephosphotization during the biological treatment of wastewater are proved.
Традиционная механобиологическая очистка городских стоков позволяет удалить из воды основное количество органических загрязнителей, но не позволяет обеспечить необходимую степень очистки от соединений азота и фосфора. Таким образом, в водоемы поступает большое количество этих биогенных элементов. Эвтрофикация водоемов ведет к нарушению процессов саморегуляции в биологических ценозах, наблюдается интенсивное развитие цианобактерий, которые выделяют нейро- и гепато-ксины, уменьшается концентрация растворенного кислорода в воде, накапливаются токсичные продукты разложения [1].
Основным источником биогенных элементов являются бытовые и промышленные стоки. В водные объекты России сбрасывается около 20% от общего объема неочищенных сточных вод каждый год. Количество биогенных элементов, поступающих в составе хозяйственно-бытовых, стоков составляет 1500-1800 мг фосфатов в расчете на одного жителя в сутки. В бытовых стоках присутствуют также моющие средства, в которых присутствуют полифосфаты, концентрация которых достигает 3050% [2].
Биологическая очистка сточных вод от соединений фосфора основана на использовании фосфатак-кумулирующих микроорганизмов (ФАО), которые потребляют фосфор в значительно больших количествах, чем необходимо на их прирост. Эти микроорганизмы потребляют дополнительный фосфор (до 13% от сухой массы тела [3]) в аэробных условиях, который они используют в качестве энергетического запаса, что позволяет им питаться в анаэробных условиях. Восполнение использованного фосфата происходит в аэробных и аноксидных условиях. В анаэробных условиях ФАО потребляют такие вещества, как ацетат и пропионат, и аккумулируют их внутри клетки в виде запасных веществ, представляющих собой полимерные насыщенные оксикисло-
ты (ПНО). Процесс аккумуляции обеспечивается энергией, образующейся в результате разложения полифосфата в ортофосфат. В аэробных условиях эти микрооранизмы растут, потребляя фосфат и накапливая его в виде полифосфатов. Основным источником энергии, необходимой для указанного процесса является окисление запасных веществ (ПНО), однако эти бактерии также способны окислять и другие органические соединения, находясь в анаэробных условиях. В ходе ряда исследований было обнаружено, что при создании условий чередования анаэробных и аэробных зон в биологических реакторах, наблюдаются увеличение концентрации фосфора на выходе (процесс «высвобождения» фосфора) из анаэробных зон и затем снижение концентрации фосфора на выходе из аэробных зон практически до нуля (процесс «потребления» фосфора) [4].
За счет накопления полифосфатов в клетках бактерий в составе активного ила из сточных вод удаляются растворимые соединения фосфора. При этом, в условиях глубокой биологической очистки с последующей стадией нитрификации, которая протекает не достаточно глубоко (N03^ не более 5-6 мг/дм3), за счет потребления фосфатов микроорганизмами в аэробных очистных сооружениях удаляется около 10-30 % растворенных форм фосфора. При понижении значения рН стоков увеличивается растворимость фосфатов, и интесифицируются оба процесса: изъятие и накопление фосфора в бактериях активного ила и осаждение на поверхности хлопьев в результате биофлокуляции, что позволяет достичь 50 % эффективности удаления соединений фосфора в процессе биологической очистки [5].
Цель данной работы заключалась в моделировании процессов, протекающих с участием фосфатак-кумулирующих микроорганизмов, в процессе биологической очистки сточных вод.
Экспериментальные исследования включали в себя 2 этапа:
- выделение чистой культуры фосфатаккумули-рующих микроорганизмов;
- моделирование процесса фосфатаккумуляции в процессе периодического культивирования ФАО.
Объектом исследования выступала накопительная культура фосфатаккумулирующих микроорганизмов, предположительно р. Аcinetobacter, выделенная из сообщества активного ила (рис.1).
а
0*
Рис. 1 - Микрофотография бактерии р. Äcineto-bacter, увеличение х1000
К роду Äcinetobacter относятся грамотрицатель-ные бактерии семейства Moraxellaceae. Обычно это - очень короткие и округлые клетки; размеры бактерий в логарифмической фазе роста составляют 1,0— 1,5 х 1,5—2,5 мкм. В стационарной фазе роста они приобретают преимущественно форму кокков, располагающихся парами или в виде коротких цепочек. Большие непостоянной формы клетки и нити обнаруживаются в небольшом количестве во всех культурах, а иногда и преобладают в них. Спор не образуют, жгутиков не имеют [6].
Выделение бактерий р. Äcinetobacter из сообщества активного ила очистных сооружений проводили высевом разведенной надиловой жидкости на плотные питательные среды следующего состава (на 1 л): глюкоза - 10 г, NaNO3 - 3 г, K2HPO4 - 1 г, KH2PO4 - 0,5 г, MgSO4 - 0,5 г, KCl - 0,5 г, FeSO4 - 0,001 г, дрожжевой экстракт - 0,5 г, агар-агар - 20 г [7].
Колонии бактерий р. Äcinetobacter идентифицировались на основании морфологических признаков [8].
Фосфатаккумулирующие микроорганизмы способны накапливать в своих клетках фосфор в виде полифосфатных гранул, тем самым запасая его для последующего потребления [9]. В процессе экспериментальных исследований наличие полифосфатных гранул определялось с помощью окраски бактерий раствором щелочного метиленового синего [10] (рис.2).
Моделирование процесса фосфатаккумуляции осуществлялось в процессе периодического культивирования ФАО в питательной среде следующего состава (на 1 л): пептон из мяса - 0,27 г, KH2PO4 -0,028 г, NaCl - 0,007 г, CaCl2 2H2O - 0,004 г, MgSO47H2O - 0,002 г, MnCl24H2O - 0,1 г, CoCl26H2O - 0,2 г, NiCl26H2O - 0,1 г, CuCl22H2O -0,02 г, NaMoO42H2O - 0,0026 г [10]. Периодическое культивирование проводили в качалочных колбах
объемом 500 мл на перемешивающем устройстве ПЭ-6410 производства компании «Экрос» со скоростью перемешивания 110 об/мин при температуре 24±1°С. Инокулят вносился в количестве 10% от объема питательной среды, число колоний в питательной среде после инокуляции составляло в среднем 4107 КОЕ/мл. В процессе экспериментальных исследований смена кислородного режима осуществлялась в результате прекращения (возобновления) перемешивания каждые 2 часа на протяжении 6 часов [11]. Эффективность фосфатаккумуля-ции контролировали на основании оценки содержания фосфатов в питательной среде в процессе культивирования. Определение фосфат-ионов производилось по стандартной методике ПНД Ф 14.1:2.112-97.
Рис. 2 - Микрофотография внутриклеточных полифосфатных гранул, увеличение х1000
Полученные в процессе экспериментальных исследований результаты (рис. 3) соответствуют литературным данным о зависимости концентрации фосфат-ионов от концентрации растворенного кислорода в процессе биологической очистки сточных вод [12].
0 2 4 6
Время, ч
Рис. 3 - Изменение концентраций фосфора фосфатов и растворенного кислорода в процессе периодического культивирования
В условиях постоянной аэрации наблюдается снижение концентрации фосфатов на 3,3 % от начального количества фосфатов (2-й час культивирования). Уменьшение количества растворенного кислорода в среде на 0,8 мг/л привело к высвобождению фосфора фосфатов в количестве, равном 2,7 % от концентрации фосфора фосфатов на втором часу культивирования. Дальнейшее возобновление
аэрации способствовало интенсивному потребление фосфора фосфатов ФАО и снижению концентрации фосфора на 5,4 % по сравнению с показателями четвертого часа культивирования. Общая эффективность удаления фосфора фосфатов в процессе периодического культивирования бактерий р. Аcinetobac-ter в условиях изменения концентрации растворенного кислорода составила 5,6%.
Таким образом, была показана фосфатаккумули-рующая способность выделенной из активного ила культуры и возможность использования данных бактерий для дальнейшего изучения и интенсификации процесса фосфатаккумуляции и дефосфота-ции сточных вод.
Литература
1. Маркевич Р. М. - Труды БГТУ. Серия 4: Химия, технология органических веществ и биотехнология - № 4 / Р. М. Маркевич, М. В. Рымовская, О. И. Лазовская, Н. В. Холодинская / том 1 / 2009;
2. Жмур Н.С. Интенсификация процессов удаления соединений азота и фосфора из сточных вод// М. 2001. -96 с.
3. Асонов Н.Р. Микробиология. - 3 изд., перераб. и доп. - М.: Колос, 1997. - 352 с.;
4. Журнал «Водоснабжение и санитарная техника», N0.10, ч. 1, 2010. А.Н. Пахомов, С.А. Стрельцов, М.Н. Козлов, О.В. Харькина, М.Г. Хамидов, Б.А. Ершов, Н.А.Белов «Опыт эксплуатации сооружений биологиче-
ской очистки сточных вод от соединений азота и фосфора»;
5. Мудрецова-Висс К.А. Микробиология, санитария и гигиена / К.А. Мудрецова-Висс, А.А. Кудряшова, В.П. Дедюхина - Владивосток: Изд-во ДВГАЭУ, 1997. -312 с.;
6. Атлас по медицинской микробиологии, вирусологии и иммунологии / Под ред. А. А. Воробьева, А. С. Быкова.
— М.: Медицинское информационное агентство, 2003.
— С. 60. — ISBN 5-89481-136-8;
7. Rokade K. and Mali G., (2013). Biodegradation of chlorpyrifos by Pseudomonas Desmolyticum 2112. International journal of pharma and bio sciences. 4(2): (B) 609-616;
8. Чеботарь И.В., Лазарева А.В. и др. Acinetobacter: микробиологические, патогенетические и резистентные свойства // Вестник РАМН. - 2014 - с. 9-10; 39-50;
9. Henze M., Harremoes P., Jansen Jesla Cow, Arvin E. Wastewater Treatment Lyngby. — Autumn, 1996;
10. Мотавкина Н.С. Микробиологическая диагностика некоторых капельных инфекций и токсоплазмоза. Методическая разработка для студентов. / Н.С. Мотавкина, Р.Е. Пьянова. - Изд-во ВГМУ, 1973;
11. Günther, S., Trutnau, M., Kleinsteuber, S., Hause, G., Bley, T., Röske, I., Harms, H., Müller, S. (2009) Dynamics of polyphosphate accumulating bacteria in waste water communities detected via DAPI and tetracycline labelling. Appl Environm Microbiol 75/7, 2111-2121;
12. Жмур, Н. С. Технологические и биохимические процессы очистки сточных вод на сооружениях с аэротен-ками / Н. С. Жмур. - М.: АКВАРОС, 2003. - 512 с..
© А. Р. Хабибуллина, магистрант каф. промышленной биотехнологии КНИТУ, dasha-buyanskaya@mail.ru; Т. В. Вдовина, канд. техн. наук, доц. той же кафедры, tvkirilina@gmail.com; Й. В. Кобелева, ведущий инженер той же кафедры, ioldiz-ksu@mail.ru; А. С. Сироткин, доктор технических наук, профессор, зав. каф. промышленной биотехнологии КНИТУ, asirotkin66 @gmail .com.
© A. P. Chabibullina - Master-student, Department.of industrial biotechnology, Kazan National Research Technological University (KNRTU), dasha-buyanskaya@mail.ru; T. V. Vdovina - PhD., associate professor, Department of industrial biotechnology, KNRTU, tvkirilina@gmail.com; J. V. Kobeleva - chief engineer, Department of industrial biotechnology, KNRTU, ioldiz-ksu@mail.ru; A. S. Sirotkin - Doctor of technical sciences, professor, head of department of industrial biotechnology, KNRTU, asirot-kin66@gmail.com.
