CC BY
44
BucTOHHu-fcBpunencKun журнал передивын TeHHunuruO ISSN 1729-S774
--------------------□ □-----------------------
Досліджено кінетику руйнування клітинних агломератів мікроорганізмів суспензії в умовах акустичної кавітації. Наші результати показують, що радіус органічних агломератів зменшується протягом озвучування і зростає концентрація окремих клітин у суспензії пропорційно до тривалості озвучування. Зменшення числа клітинних агломератів пов’язано із механічним руйнуванням кластерів великого розмір, утворенням окремих клітин мікроорганізмів і перетворенням енергії акустичної кавітації в агломератах Ключові слова: клітинні агломерати, акустична кавітація, ультразвук, кластери, кінетика руйнування, руйнування клітин
□-------------------------------------□
Исследована кинетика распада клеточных агломератов микроорганизмов в условиях акустической кавитации. Наши результаты показывают, что радиус агломератов микроорганизмов уменьшается на протяжение озвучивания и увеличивается концентрация отдельных микроорганизмов в суспензии пропорционально времени озвучивания. Уменьшение числа клеточных агломератов связано с механическим разрушением больших кластеров, формированием отдельных клеток микроорганизмов и превращением энергии акустической кавитации в агломератах
Ключевые слова: клеточные агломераты, акустическая кавитация, ультразвук, кластеры, кинетика распада, разрушение клеток --------------------□ □-----------------------
УДК 66.684
ИЗУЧЕНИЕ КИНЕТИКИ РАСПАДА КЛЕТОЧНЫХ АГЛОМЕРАТОВ МИКРООРГАНИЗМОВ В УСЛОВИЯХ АКУСТИЧЕСКОЙ КАВИТАЦИИ
В. Л. Старчевский
Доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой* Е-mail: vstarch@polynet. lviv.ua ГВ. М. Кислен ко Доктор химических наук, професор* Н. Л. Максымив Старший лаборант* E-mail: maksymiv@rambler.ru Л. П. Олийнык Доцент кафедры* Е-mail: olijnik.lilianna@gmail.com *Кафедра общей химии Национальный университет «Львовськая политехника» ул. С. Бандеры, 12, г. Львов, Украина, 79013
1. Введение
Современное качество воды стало серьезной проблемой для окружающей среды и здоровья человека, поэтому актуальным стал поиск новых технологий, способных улучшить показатели качества воды. Альтернативой существующим методам водоочистки может стать использование ультразвука (УЗ) для очистки воды от химических и органических загрязнений воды, поскольку система очистки проста и отсутствуют побочные токсические продукты.
2. Анализ литературных данных и постановка проблемы
На сегодняшний день не существует единственной теории, которая объясняет бактерицидное действие ультразвука. С одной стороны, под действием физических, механических и химических процессов, которые являются результатом акустической кавитации, происходит разрушение клеточных агломератов в воде [1 - 4], с другой стороны, под влиянием ультразвука происходит ускорение развития культуры микроор-
ганизмов [5, 6]. Такие противоречивые литературные данные способствуют дальнейшему исследованию процессов, протекающих при ультразвуковой обработке воды, содержащей органические клеточные агломераты микроорганизмов.
3. Цель и задачи исследования
Данная работа посвящена изучению исследование влияния ультразвука на кинетику распада органических клеточных агломератов микроорганизмов суспензии в условиях акустической кавитации. Для исследования использовали дисперсии сушеных хлебопекарских дрожжей Saccharomyces cerevisiae различных концентраций. Дисперсии готовили путем диспергирования навески дрожжей в 1 л дистиллированной воды в течение 2 часов до полного диспергирования и набухания дрожжевых клеток. Для акустической обработки использовали магнитострикционный облучатель, волновод которого опускался в экспериментальную смесь и был присоединен к УЗ генератору УЗДН-2Т. В работе был использован стеклянный реактор, объем дисперсии составлял 80 мл. Реактор бес-
©
прерывно охлаждался проточной водой. Частота УЗ -22 кГц, температура 36 оС поддерживалась с точностью ±3 оС.
4. Экспериментальные данные и их обработка
Как видно с рис. 1, радиус колоний клеточных микроорганизмов уменьшается под действием ультразвука в течение 30 минут.
Рис. 1. Зависимость радиуса колоний от времени облучения ультразвуком для дисперсий бактерий с начальными концентрациями 8 (1), 4 (2) и 1,6 (3)
Количество агрегатов в системе рассчитывали по формуле:
N = с/(4/3яг3р) (1)
где с - начальная концентрация диспергированной культуры микроорганизмов г/л; г - радиус колоний микроорганизмов, м; р - плотность культуры микроорганизмов 1/л.
Рис. 2. Зависимость числа колоний бактерий от времени облучения ультразвуком при начальной концентрации бактерий 8 (1), 4 (2) и 1,6 (3)
На рис. 2 показано, что концентрация колоний микроорганизмов линейно растет во времени, что позволяет рассчитать скорость распада колоний на более мелкие. Следует отметить, что распределение концентрации колоний от количества первичных клеток в них хорошо описывается распределением Пуассона [10]:
Р(к,\) = ехр(-\)\к/к! 0 = 0, 1, 2...) (2)
где к = і - 1, і - число первичных клеток в отдельной колонии; \ - п - 1; п - среднее число клеток в колонии.
Рис. 3. Распределение количества колоний от количества бактерий в них. Точками обозначены экспериментальные данные после облучения активного ила ультразвуком в течение 0,5 (1), 1 (2), 3 (3) и 10 мин. (4), взятые из работы [9]. Кривые рассчитаны по распределению Пуассона в соответствие с уравнением (2)
Рис. 3 показывает, что под действием ультразвука максимум распределения смещается в сторону уменьшения количества клеток в колонии, а само распределение заметно сужается. Энергия кавитации расходуется на разрушение связей между частицами в агрегате, которая, очевидно, пропорциональная поверхности сегментов поверхности отдельных клеток, связывающих их с соседями в колонии. Поэтому в первом приближении можно полагать, что увеличение общей поверхности частиц в условиях кавитации будет пропорционально времени действия ультразвука, поскольку количество энергии, передаваемое системе, увеличивается практически пропорционально времени озвучивания:
dSоб. св. /& К; Sоб. св^ (3)
где Sоб. св - общая поверхность сегментов микроорганизмов, участвующих в связях между ними в колониях, м2.
Общая поверхность частиц, участвующих в образовании агрегатов, пропорциональная концентрации агрегатов в системе (^ и поверхности, участвующей в связях между частицами в одном агрегате ^аг. св):
^б. св. = ^ ^г. св. . (4)
Поверхность, участвующая в связях между частицами в одном агрегате, может быть описана уравнением:
^г. св. = (п - ^сег , (5)
где - п - количество единичных клеток в колонии; Sсег -площадь сегмента частицы, участвующей в связях
£
между ними в колониях микроорганизмов. Среднее число частиц в одном агрегате рассчитано по формуле:
W = dN/dt = ^N + Kd2-N2.
(9)
п = Nl/N, (6)
где N1 - концентрация единичных клеток в системе, которая включает как единичные клетки в водной среде, так и единичные клетки в колониях, 1/л.
Принимая во внимание уравнение (4)-(6), получим выражение:
Sоб. св. = N((N1/^ - 1^Сег. (7)
Интегрируя выражение (3) и подставляя в него выражение (7), получим уравнение для изменения концентрации колоний в системе
1п[(^ - N/(N1 - №н] = - К , (8)
где - начальное число агрегатов в системе.
Рис. 4. Полулогарифмическая анаморфозная зависимость изменения концентрации колоний в системе от времени озвучивания при начальной концентрации бактерий 8 (1),
4 (2) и 1,6 (3)
Как видно с рис. 4, экспериментальные данные по распаду колоний клеток под действием ультразвука хорошо описывается уравнением (8). Зависимость константы скорости процесса от начальной концентрации агрегатов в системе свидетельствует о том, что порядок реакции по концентрации агрегатов в системе отличается от первого.
Для полного описания процесса, мы предположили, что при кавитации пузырьков в жидкости, колонии распадаются не только за счет их разрыва с образованием двух колоний, а при столкновении двух агрегатов с образованием четырех новых агрегатов за счет перераспределения энергии в них. Такой процесс можно описать выражением:
Скорость изменения количества агрегатов в системе рассчитывали по зависимости количества агрегатов во времени (рис. 2). Преобразование уравнения (9) приводит к выражению:
^ + М2^. (10)
Как видно из рис. 5, экспериментальные данные хорошо описываются выражением (10).
04444444 N0, 1/л
Рис. 5. Зависимость скорости изменения количества колоний в системе от начальной концентрации бактерий в координатах уравнения (10)
5. Выводы
Нами исследовано влияние ультразвука на кинетику распада органических клеточных агломератов микроорганизмов суспензии в условиях акустической кавитации. Полученные результаты показывают, что при использовании ультразвука для обработки дисперсий микроорганизмов количество агломератов микроорганизмов уменьшается на протяжение озвучивания и увеличивается концентрация отдельных микроорганизмов в суспензии пропорционально времени озвучивания. Исследование зависимости константы скорости процесса от начальной концентрации агрегатов в системе свидетельствует о том, что порядок реакции по концентрации агрегатов в системе отличается от первого. В результате исследований предложено уравнение, которое описывает процесс разрушения колоний клеток микроорганизмов под действием ультразвука.
Литература
1. Iordache, I. Sonochemical enhancement of cyanide ion degradation from wastewater in the presence of hydrogen peroxide [Тех^ / I. Iordache // Polish Journal of Environmental Studies. - 2003. - Vol. 12, №6. - P. 735-737.
2. Шевчук, Л. І. Вплив ультразвуку на хімічний та мікробіологічний стан води [Текст] / Л. І. Шевчук, В. Л. Старчевський // Вопросы химии и химической технологии. - 2005. - №3. - С. 213-216.
3. Tsukamoto, I. Inactivation of Saccharomyces cerevisiae by ultrasonic irradiation [Тех^ / I. Tsukamoto// Ultrasonics Sonochemistry. -2004. - Vol. 11. - P. 61-65.
4. Mohammad, H. D. Effectiveness of Ultrasound on the Destruction of E. coli [Text] / H. D. Mohammad // American Journal of Environmental Sciences. - 2004 - Vol. 1, № 3. - P. 187-189.
5. Chisti, Y. Sonobioreactors: using ultrasound for enhanced microbial productivity [Text] / Y. Chisti // Trends in Biotechnology. -2003. -Vol. 21, №2. - P. 4-6.
6. Cao, X.Q. Experimental study of sludge reduction by ultrasound [Text] / X.Q Cao. //Water Science Technology - 2006. -Vol. 54, № 9. - P. 87-93
7. Tiehm, A. Ultrasonic waste activated sludge disintegration from improving anaerobic stabilization [Text] / A. Tiehm, K. Nickel, M. Zellhorn, U. Neis //Water Resourses. - 2001. - Vol. 35, № 8. - P. 2003-2009.
8. Nasseri, S. Determination of the ultrasonic effectiveness in advanced wastewater treatment [Text] / S. Nasseri // Environmental Health Science Engineering - 2006. - Vol. 3, №2. - P. 109-116.
9. Sangave, P. C. Ultrasound and enzyme assisted biodegradation of distillery wastewater [Text] / P.C. Sangave, A.B. Pandit // Journal of Environmental Management. - 2006, Vol. 80.- Issue 1. - P. 36-46.
10. Nilsun, H. I. Aqueous Phase Disinfection with Power Ultrasound: Process Kinetics and Effect of Solid Catalysts [Text] / H. I. Nilsun, R. Belen // Environmental Science Technology. - 2001. - Vol. 35, №9.- P. 1885-1888.
--------------------□ □------------------------
У статті сформульовані проблеми інтенсивного використання земель сільськогосподарського призначення, що приводять до розвитку деградаційних процесів. Відображена необхідність автоматизації ряду етапів розробки проектів землеустрою для забезпечення еколого-економічного обґрунтування сівозмін і впорядкування територій.
Розглянуте використання геоінформаційного моделювання для створення геозображення еколого-технологічних груп орних земель, що враховує потенційну небезпеку прояву ерозійних процесів та інтенсивність використання земель Ключові слова: еколого-технологічні групи земель, геоінформаційне моделювання, сівозміна, база геопросторових даних
□---------------------------------------□
В статье сформулированы проблемы интенсивного использования земель сельскохозяйственного назначения, ведущие к развитию деградационных процессов. Отображена необходимость автоматизации ряда этапов разработки проектов землеустройства для обеспечения эколого-экономического обоснования севооборотов и упорядочения угодий.
Рассмотрено использование геоинформацион-ного моделирования для создания геоизображения эколого-технологических групп пахотных земель, учитывающих потенциальную опасность проявления эрозионных процессов и интенсивность использования земель
Ключевые слова: эколого-технологические группы земель, геоинформационное моделирование, севооборот, база геопространственных данных
--------------------□ □------------------------
УДК 528.92
РАЗРАБОТКА ПРОЕКТОВ ЗЕМЛЕУСТРОЙСТВА ПО ОБОСНОВАНИЮ СЕВООБОРОТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГЕОИНФОРМА-ЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
С. С. Коха н
Доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой* E-mail: GIS_DZZ_chair@nubip.edu.ua И. Н. Шквир Ассистент*
E-mail: GIS_DZZ_chair@nubip.edu.ua А. А. Москаленко
Ассистент* E-mail: an_moskalenko@yahoo.com *Кафедра геоинформационных систем и технологий Национальный университет биоресурсов и природопользования Украины вул. Героев Обороны, 15, м. Киев, Украина, 03041
1. Введение
Интєнсивноє использование зємєль сельскохозяй-ствєнного назначeния, нєсо6людєниє тєхнологий воз-
дeлывания культур, нeдостаточноe финансирование работ по рациональному использованию земельных ресурсов привело к их истощению. Негативное антропогенное воздействие проявилось, прежде всего,
©
