CC BY
126Циано-бактериальные консорциумы в очистке сточных вод
Сопрунова О.Б. ([email protected]) Астраханский государственный технический университет
В процессах самоочищения природных вод участвуют микроорганизмы (бактерии, грибы), осуществляющие минерализацию автохтонного и аллохтонного органического вещества; простейшие и ракообразные, потребляющие биомассу первичных продуцентов; фотосинтезирующие бактерии и микроводоросли, высшие растения. Технология процесса искусственной биологической очистки основана на тех же принципах, что и процесс естественного самоочищения природных водоемов, теоретические основы которой были заложены в первой половине прошлого столетия [1, 2, 10, 12]. Отличие состоит в увеличение биомассы деструкторов, механической аэрации и перемешивании для более полного контакта микроорганизмов с загрязняющими веществами. Достаточно полно утилизировать сложные соединения, входящие в состав природных и промышленных сред, образующихся в результате промышленного и сельскохозяйственного производства и содержащих широкий спектр органических и неорганических соединений, способны ассоциации микроорганизмов, обладающие устойчивостью и более высокой стабильностью. Для многих чистых культур, растущих при высокой концентрации клеток в непрерывной культуре, характерным бывает истощение продуцента, связанное с накоплением некоторых растворимых продуктов жизнедеятельности, не полностью окисленных субстратов и токсических веществ. В смешенных культурах этого не происходит из-за того, что накапливаемые соединения последовательно потребляются ассоциантами сообществ. Смешанные культуры осуществляют полную или частичную деструкцию сложных органических субстратов, в том числе гербицидов, пестицидов, нефтепродуктов, и потому очистка промышленных отходов, как правило, проводится с помощью смешанных культур (консорциумов), содержащих грибы, бактерии и водоросли. Особой устойчивостью в отношении загрязняющих и токсичных веществ обладают сообщества, эдификатором которых являются цианобактерии. Деятельность подобного рода ассоциаций обусловлена как функциями самих цианобактерий, так и бактерий, являющихся их спутниками. Так, цианобактерии обладают исключительной приспособляемостью к изменяющимся условиям окружающей среды вследствие наличия у них ряда физиологических особенностей: способностью осуществлять оксигенный и аноксигенный фотосинтез, гетеротрофную фотоассимиляцию, фиксировать молекулярный азот, окислять соединения серы, деструктировать многие органические субстраты. Кроме того, внеклеточные метаболиты цианобактерий (полисахариды, витамины и т.д.) и их
нитчатое строение способствуют созданию благоприятной среды для развития в симбиозе с ними различных групп микроорганизмов [5].
В ходе исследований очистных сооружений газо-химического комплекса установлено, что на всех этапах очистки (механическая, физико-химическая, биохимическая) присутствуют не только микроорганизмы, входящие в состав сточных вод и активного ила, но и альго-бактериальные сообщества в виде обрастаний на поверхностях конструкций и пленок на поверхности воды (табл.1).
Таблица 1. Биоценозы очистных сооружений газо-химического комплекса.
Эколого-трофические группы микроорганизмов сточных вод, КОЕ/мл Этапы очистки
механическая биологическая доочистка
Сапротрофы, х103 50,0-600,0 50,0-700,0 0,5-5,0
Олиготрофы, х10 4,0-800,0 5,0-100,0 20,0-2000,0
Хемотрофы, 102 7,0-10,0 9,0-70,0 1,0-50,0
Амилолитические, 104 9,0-60,0 88,0-500,0 10,0-91,0
Нефтеокисляющие, 10 1,0-10,0 1,0-130,0 0,1-2,5
Фенолокисляющие, 10 90000,0-600000,0 9,0-80,0 0,02-0,1,0
Микроводоросли обрастания на стенках, пятна на поверхности сточных вод планктон
Характерно, что, как правило, при исследовании обрастаний и пленок в очистных сооружениях и прудах доочистки сточных вод, акцент делается лишь на изучении водорослевой составляющей [8]. Тогда как, полисахариды клеточной стенки и внеклеточные полисахариды (гликокаликс) микроводорослей и цианобактерий обеспечивают развитие сопутствующей микрофлоры с более высокими трофическими потребностями, а внеклеточные полисахариды играют определенную роль как в сохранении пула ряда гетеротрофных микроорганизмов, так и в образовании и поддержании стабильности экосистем. Общее число бактерий, сопутствующих водорослям и цианобактериям, может достигать значительных размеров и составляет половину и даже более их объема [6]. При этом, количество и состав микроорганизмов-спутников изменчив. Некоторые виды бактерий являются конкурентоспособными и обнаруживаются в качестве спутников постоянно.
Анализ выделенных из очистных сооружений альго-бактериальных сообществ показал наличие в нем 3-х трофических звеньев: фотосинтезирующих организмов (бактерии, микроводоросли), микрофлоры (гетеротрофные бактерии и микроскопические грибы) и простейших. Эдификатором сообщества являются цианобактерии Phormidium tenuissimum, Synehocystis minuseula и Synechococcus elongates, которые как в очистных сооружениях, так и в лабораторных условиях, формируют тяжи (маты) из плотных кожисто-слизистых дерновинок, образованных переплетением их трихомов (фото). На поверхности и в прослойках тяжей располагаются трихомы, нити, слизистые колонии, единичные клетки
других цианобактерий и микроводорослей, а также ресничные инфузории, коловратки, циклопы, жгутиковые формы. Минорные компоненты сообщества представлены автотрофными и гетеротрофными бактериями и грибами следующих эколого-трофических групп: азотфиксирующие, аммонифицирующие, нитри- и денитрифицирующие, липо-, амилолитические, фенол-, углеводородокисляющие, целлюлозоразрушающие, сульфат- и сероредуцирующие. Среди них идентифицированы бактерии: Chlorobium, Chromatium, Thiocapsa, Rhodopseudomonas, Azotobacter, Azomonas, Arthrobacter, Beijerinckia, Bacillus, Cellulomonas, Derxia, Kurthia, Micrococcus, Nocardia, Rothia, Streptothrix, Rhodococcus, Sarcina, Actinomyces, Mycobacterium, Myxobacterium, Actinoplanes, Streptosporangium, Streptococcus; грибы: Acremonium, Alternaria, Acladium, Aspergilus, Penicilium, Mucor, Rhizopus, Cladosporium, Exosporium, Gliocladium, Botrytis, Verticillium. Микроводоросли, ассоциативно присутствующие в тяже, представлены диатомовыми, зелеными, эвгленовыми, золотистыми и желто-зелеными.
I
I
Фото. Циано-бактериальное сообщество (эдификаторы - цианобактерии Phormidium tenuissimum, Synehocystis minuseula и Synechococcus elongates), выделенное из очистных сооружений газо-химического комплекса.
При интродукции биомассы циано-бактериальных сообществ в модельные микроэкосистемы на основе реальных сточных вод различных этапов очистки очистных сооружений газо-химического комплекса наблюдается активизация очистки от нефтяных углеводородов.
На начальном этапе в воде приемной камеры промстоков и нефтеловушек наблюдалось отсутствие растворенного кислорода при высоких значениях сероводорода и общего содержания нефтепродуктов - 285,6 и 56,40 мг/дм3; 255,0 и 40,60 мг/дм3 соответственно. В первичных отстойниках - при крайне незначительном содержании растворенного кислорода - 0,29 мг О2/дм3 наблюдается содержание нефтепродуктов - 40,20 мг/дм3, сероводород - 170,0 мг/дм3. Для сточной воды в камере смешения и аэротенке характерен слабый гнилостный сероводородный запах, бурый хлопьевидный осадок, при этом сероводород присутствует в следовых концентрациях при содержании кислорода 1,48 и
2.07 мг О2/дм3 соответственно. Общее содержание нефтепродуктов составляет: для камеры смешения - 33,10 мг/дм3, для аэротенка - 18,80 мг/дм3.
В ходе экспериментальных исследований отмечено снижение содержания нефтепродуктов в воде на 43,1-77,7 % (рис. 1). Наиболее активно этот процесс проходит в микрокосмах на воде промстока, где на начальном этапе отстаивания сточные воды характеризовались максимальными показателями загрязнения, в т.ч. и по сероводороду. Кроме того, установлено, что по окончании наблюдения за экспериментальными микроэкосистемами (микрокосмами) наблюдается увеличение содержания растворенного в воде кислорода в среднем в 1,5 раза и прирост биомассы циано-бактериального сообщества в
1.8 - 2,8 раза.
При изучении состава сообществ, сформировавшихся в модельных экосистемах на сточных водах, наблюдается сукцессия ассоциантов, присутствующих в матриксе цианобактерий, в сравнении с лабораторной (накопительной) культурой. В частности, отмечено увеличение численности нефтеокисляющих бактерий на два порядка. Кроме того, для изучаемых микрокосмов при сопоставлении количественного и качественного состава микроорганизмов, входящих в состав водной фракции и находящихся иммобилизованными в тяже, отмечено превалирование их численности в составе сообщества с цианобактериями (на один - два порядка). Этому способствует то, что основой трофических связей цианобактерий с другими организмами являются их слизистое строение и внеклеточные метаболиты.
В ходе исследований из сформировавшихся циано-бактериальных тяжей выделены углеводородокисляющие и сульфатредуцирующие бактерии - спутники. При этом, численность микроорганизмов, выделяемых на «обогащенных» питательных средах (с сахарами) составляет 2,1-5,8 млн.кл/мл, а на минеральных - 22,0-230,0 тыс.кл/мл. При добавлении с эти питательные среды в качестве дополнительных источников углерода мазута, моторного масла, бензина и нефти выделены и идентифицированы бактерии р.Actinomyces и родственные им организмы; с соляркой - р. Rhodococcus; с нефтью - р. Xanthobacter.
60
1 2 3 4 5
□ промсток 56,4 56 23,3 16 12,6
□ нефтеловушки 40,6 40,2 20,5 15,9 12,4
□ первичные отстойники 40,2 40,1 20 15,4 12,2
□ камера смешения 33,1 32,8 20 15,4 11,7
□ аэротенк 18,8 18 12,4 11,6 10,7
точки контроля (1-начальное, 2-10 сут.,3-24 сут., 4-48 сут., 5-72 сут.)
Рисунок 1. Динамика суммарных нефтяных углеводородов (СНУ) в мг/дм3 в сточных водах при интродукции циано-бактериального сообщества.
Кроме того, среди микроорганизмов, присутствующих в составе ассоциативной микрофлоры цианобактерий выделяются сапротрофные (1,0х103 кл/мл), сульфатредуцирующие (2,5х103 кл/мл) бактерии. При этом, среди последних выделены и идентифицированы сероокисляющие скользящие (род Beggiatoa), метаболизирующие свободную серу (р. Sulfolobus) и аноксигенные фототрофные (р.р. Thiocapsa, Rhodobacter) бактерии.
Таким образом, среди ассоциантов циано-бактериальных сообществ, сформировавшихся на сточных водах с повышенным содержанием сероводорода и нефтяных углеводородов, присутствуют сульфатредуцирующие и углеводородокисляющие бактерии. Анаэробные сульфатредукторы участвуют в деструкции и минерализации органического вещества. Углеводородокисляющие бактерии при этом служат поставщиком органического вещества для анаэробных микроорганизмов, в т. ч. сульфатредуцирующих. Углеводородокисляющие бактерии являются аэробными организмами и осуществляют такие основные процессы как аэробное разложение белка и целлюлозы, окисление углеводородов и метана. Сульфатредуцирующие бактерии осуществляют анаэробное разложение белка и целлюлозы, метаногенез, ацетогенез и сульфатредукцию. На аэробном этапе процессов разложения углеводородов образуются углекислота, вода, бактериальная масса, промежуточные продукты бактериального окисления (глюкоза, ацетат и др.). Субстратом для аэробных бактерий служат высокомолекулярные и низкомолекулярные органические вещества (нефтяные углеводороды). Анаэробная деструкция органического вещества включает несколько этапов: гидролиз, брожение, газообразование. На первоначальном этапе этого многостадийного процесса гидролитические бактерии разрушают полимерные вещества до мономеров (жирных кислот, сахаров, нуклеотидов, пептидов и аминокислот), которые используются бродильными микроорганизмами. При этом, образующиеся низкомолекулярные органические вещества (летучие жирные кислоты, спирты, СО2 и Н2О), служат субстратом для бактерий терминального участка анаэробной деструкции органического вещества - ацетогенов, метаногенов и сульфатредукторов. Конечными продуктами анаэробной деструкции органического вещества в анаэробных зонах водоемов являются СО2, Н2, СН4, Н2 и другие газы.
Следовательно, аэробные микроорганизмы создают пищевую базу и необходимые условия для функционирования анаэробов, которые завершают процесс разложение органического вещества, т. е. взаимоотношения между сульфатредуцирующими и углеводородокисляющими бактериями складываются по типу комменсализма. Цианобактерии, являющиеся эдификаторами сообществ, выделяют кислород, необходимый для аэробных бактерий, используя в своем метаболизме углекислоту, промежуточные продукты деструкции как аэробных углеводородокисляющих, так и анаэробных сульфатредуцирующих бактерий. Следовательно, цианобактерии способствуют созданию более активных взаимосвязей между гетеротрофными организмами.
В целом положительную роль цианобактерий в очистке сточных вод обуславливает суммарное действие нескольких существенных факторов: 1) улучшение кислородного режима за счет фотосинтетической аэрации [2]; 2) улучшение условий жизнедеятельности
водной микрофлоры, т.к. создаются благоприятные условия для развития как эпифитных, так и обитающих в водной среде микроорганизмов [11]; 3) аккумуляция загрязнителей или метаболизм токсикантов в клетках с участием их ферментных систем [7] или выделяемых в окружающую среду биологически активных метаболитов, включающих внеклеточные ферменты [11]. Воздействие первых двух факторов являются косвенными, в тот время, как другие связаны с непосредственным участием микроводорослей и цианобактерий в процессах очистки. В реальных условиях, как правило, эти факторы проявляются комплексно с преобладающим эффектом того или иного фактора.
В результате проведенных исследований из техногенных экосистем с повышенным содержанием сероводорода и нефтепродуктов выделено циано-бактериальное сообщество, эдификатором которого являются цианобактерии Phormidium tenuissimum, Synehocystis minuseula и Synechococcus elongates, в составе ассоциантов обнаружены микроводоросли, простейшие, бактерии, в т.ч. актиномицеты и родственные им организмы, грибы. Интродукция циано-бактериального сообщества в сточные воды газо-химического комплекса создает микрозоны, где наблюдается активизация процессов деструкции трудноразлагаемых (нефтепродуктов) и токсичных (сероводород) соединений и поддерживается окислительный уровень экосистем. Формирование состава (качественного и количественного) бактериальных ассоциантов сообщества, эдификаторами которого являются цианобактерии, определяется изменениями физико-химических условий среды обитания, которые, в свою очередь, влияют на состав ассоциантов. При этом, сукцессия бактериальных спутников цианобактерий осуществляется по принципу наиболее полного использования пищевых и энергетических источников конкретных биотопов. Все это определяет положительную роль подобных сообществ в активизации очистки сточных вод.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Винберг Г.Г., Сивко Т.М. Фитопланктон как агент самоочищения загрязненных вод. - Тр.
Всес. Гидробиол. об-ва. 1956. т. 7. с. 20-31.
2. Винберг Г.Г., Сивко Т.Н. Участие фотосинтезирующих организмов планктона в процессах самоочищения загрязненных вод // Гидробиология и ихтиология внутренних водоемов Прибалтики. Рига. 1963. с.34-39.
3. Глаголева О.Б., Зенова Г.М. Экологическая характеристика бактериального звена альгобактериальных ассоциаций// Вестн. Моск. ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 1992. №3. с.19-25.
4. Гусев М.В., Линькова М.А., Коронелли Т.В. Влияние нефтяных углеводородов на жизнеспособность цианобактерий в ассоциации с нефтеокисляющими бактериями // Микробиология. 1982. Т.51. вып.6. с.932-936.
5. Заварзин Г.А. Лекции по природоведческой микробиологии / Г.А.Заварзин; Отв. ред. Н.Н.Колотилова; Ин-т микробиологии. М.: Наука. 2003. 348с.
6. Кондратьева Е.Н., Максимова И.В., Самуилов В.Д. Фототрофные микроорганизмы: учебное пособие. М.: Изд-во МГУ. 1989. 376с.
7. Кузьменко М.И., Станшевская Т.Ю. Пероксидазное окисление экзогенных метаболитов в культуре Nostoc muscorum (Ag.) Elenk.// Гидробиол. журн. 1977. т.13. №3. с.67-73.
8. Ленова Л.И., Ступина В.В. Водоросли в доочистке сточных вод /АН УССР, Ин-т ботаники им. Н.Г.Холодного. Киев: Наук. думка, 1990.182 с.
9. Сафонова Е.Ф. Биодеградация компонентов нефтяного загрязнения с участием водорослей и цианобактерий. Автореф. дисс. на соиск. степени канд. биол. наук. Санкт-Петербург. 2004. 17с.
10. Скадовский С.Н. Биоценозы обрастаний в качестве поглотителя (Новый способ предварительной очистки воды для целей водоснабжения) // Сб. статей. Изд-во МГУ. 1961.
11. Телитченко М.М. О возможности управления процессами самоочищения биологическими методами. - Теория и практика биологического самоочищения загрязненных вод. М.: Изд-во Наука 1972. с. 29-34.
12. Успенский Е.Е. К вопросу о задачах и путях микробиологии в связи с развитием городского водоснабжения и в особенности при строительстве водохранилищ // Микробиология. 1932. т.3. вып.1. с.107.
13. Янкевич М.И. Формирование ремедиационных биоценозов для снижения антропогенной нагрузки на водные и почвенные микроэкосистемы. Автореф. дисс на соик. степени докт.биол.наук. Щелково. 2002. 48с.
14. Cohen Y., Aizenshtat Z., Oil degradation by cyanobacterial mats. // 10-th International Symposium on Phototrophic Procariotes, Barselona. 26-31 august, 2000.p.85.
