Перспективы использования микробных биопленок

В очистке сточных вод

Во многих биотехнологических процессах, в том числе в системах очистки сточных вод, участвуют ассоциации микроорганизмов, формирующие структурированные сообщество, заключенные во внеклеточный полимерный метрике (биопленки). Введение (биоаугментация) в состав биопленок микроорганизмов-спутников стимулирует активность микроорганизмов-деструкторов и защищает их от экстремальных воздействий окружающей среды.

В природных условиях подавляющее большинство микроорганизмов существует в виде структурированных ассоциаций, обозначаемых общим термином «биопленки» [4]. Аналогичные ассоциации создаются во многих биотехнологических процессах; при биоремедиации почв, при микробном выщелачивании металлов из руд в процессе очистки сточной воды и во многих других случаях. Существуют специальные приемы, усиливающие формирование таких микробных ассоциаций. Эти приёмы применяются в технологически важных процессах для повышения их эффективности, поскольку микроорганизмы, входящие в состав биопленок, характеризуются высокой устойчивостью к биоцидам и антибактериальным препаратам, а также к другим экстремальным воздействиям среды. Остановимся подробнее на использовании биопленок в процессах очистки сточных вод. Основными системами очистки сточных вод в настоящее время являются биофильтры и биореакторы, к которым относятся аэробные аэротенки, анаэробные метантенки и некоторые другие.

В биофильтрах очищаемая вода фильтруется через твердый носитель, покрытый плотной микробной биопленкой, содержащей микроорганизмы, удаляющие поллютанты – минерализующие органические вещества-загрязнители, а также окисляющие аммоний, поглощающие фосфаты, тяжёлые металлы, восстанавливающие нитраты. В сооружениях такого рода применяют различные биологически инертные носители («загрузку») (керамика, пеностекло, органические полимерные элементы) или устройства, увеличивающие поверхность соприкосновения биопленки с очищаемой водой (биодисковые фильтры). В таких сооружениях формируются биоплёнки разной степени структурированности.

В биореакторах (аэротенках и других) используется так называемый «активный ил». Активный ил представляет собой сообщество различных микроорганизмов, включающее, прежде всего, бактерии, а также другие одноклеточные организмы - грибы, простейшие и микроскопические животные (нематоды, коловратки, водные клещи), из которых формируются специфические образования – флоккулы. Флоккулы можно рассматривать как суспендированные малоструктурированные биопленки недифференцированного типа, содержащие самоиммобилизованные клетки. Чем больше биоразнообразие формирующегося биоценоза, тем выше жизнеспособность и устойчивость системы. Применение флоккул для очистки сточных вод имеет ряд важных преимуществ. Прежде всего, это высокая скорость осаждения, что обеспечивает эффективное отделение активного ила от очищенной воды и высокую скорость протока жидкости, и, как следствие, высокую эффективность очистных сооружений. Не менее важным свойством флоккул ила являются высокие и стабильные скорости метаболических процессов, устойчивость к шоковым воздействиям среды и биоцидам, благодаря защитной роли внеклеточного полисахаридного матрикса. Наконец, эти биопленки характеризуются длительным «временем удерживания» микроорганизмов и иммобилизацией их биомассы внутри агрегатов активного ила. Последнее свойство данных биопленок создает благоприятные условия для биоаугментации, т.е. интродукции в их состав специфических микробных компонентов, позволяющих эффективно устранять из сточных вод токсичные ксенобиотики. Морфологически более структурированным сообществом, по сравнению с активным илом («флоккулированным активным илом»), является сообщество так называемых «гранулированных» активных илов, для которых характерна четко выраженная зональность в расположении микроорганизмов различных физиологических групп. В чередующихся анаэробно-аэробных условиях гетеротрофные и автотрофные микроорганизмы конкурируют внутри биопленки за пространство и кислород. Быстрорастущие гетеротрофные микроорганизмы располагаются на внешнем уровне, а медленнорастущие автотрофы (нитрификаторы) – во внутренних зонах биопленки. В самом центре гранул располагаются фосфат-аккумулирующие микроорганизмы – денитрификаторы (окисляющие органические субстраты с использованием нитрата). Из-за чётко выраженной стратификации такие гранулы называют «сферическими биоплёнками». Такие гранулы активного ила характеризуются существенно более высокими скоростями осаждения, по сравнению с флоккулами обычного активного ила (20-50 м/ч по сравнению с 0,2-5 м/ч, соответственно), а также большей прочностью, что позволяет многократно повышать дозу активного ила в биореакторах и, соответственно, интенсифицировать процесс очистки сточных вод. Взаимодействию микробных компонентов, входящих в состав биопленок, посвящено значительное количество исследований, однако, до последней) времени основное внимание в них уделялось микроорганизмам, принимающим непосредственное участие в процессе удатения токсичного компонента. Так, например, при очистке воды или почвы от нефтяных загрязнений используют микробные препараты, включающие несколько микроорганизмов-нефтеокислителей с разной специфичностью воздействия на компоненты нефти, как, например, в препаратах «экосорб» и «деворойл». Такой подход оказался весьма перспективным, но при этом не учитывается влияние на процесс других микробных компонентов, которые всегда присутствуют в биопленках in situ. Эти микроорганизмы-спутники сами по себе часто не способны осуществлять разложение загрязнений, но могут активировать жизнедеятельность микроорганизмов-деструкторов. Между компонентами биопленок устанавливаются трофические и регуляторные связи вплоть до симбиоза, при которых образование или потребление какого либо субстрата в биопленке происходит с большей интенсивностью, чем в отсутствие микроорганизмов-спутников. Использование биопленок в последнее время получает все большее распространение, особенно в связи с применением подхода, который можно назвать «биоплёнка-биореактор». В такой биоплёнке помимо микроорганизма (или микроорганизмов), осуществляющих основной, целевой для человека процесс, присутствуют специально введённые в неё организмы, повышающие их устойчивость и/или производительность микроорганизмов-деструкторов. В итоге введение дополнительных микробных компонентов, активирующих или защищающих основные микроорганизмы, формирующие подобные биореакторы, может существенно повышать эффективность всего процесса очистки сточных вод. Проиллюстрируем это положение следующим примером, когда дополнительный биокомпонент вводится в биопленку на основании исследования состава и взаимодействия микроорганизмов данного сообщества. В настоящее время нефть и продукты ее переработки являются одними из главных загрязнителей как почвы и пресноводных водоемов, так и вод мирового океана. При изучении деградации нефти нефтеокисляющими микроорганизмами нам удалось показать, что в реконструированных биопленках, содержащих нефтеокис-ляющие микроорганизмы и их естественные спутники, неспособные к окислению нефтепродуктов, процесс окисления углеводородов протекает со скоростями, многократно превышающими скорости окисления этих субстратов в отсутствие спутников. Это обусловлено выделением спутниками в среду веществ, активирующих жизнедеятельность нефтео-кислителей. Роль спутников в биопленках может также заключаться в предохранении микроорганизма-деструктора от стрессового воздействия окружающей среды. Также нами было установлено, что галофильный спутник в составе биопленки предохраняет негалофильного нефтеокислителя от гиперосмотического шока за счет образования осмопротекторных веществ. Таким образом, представленные примеры иллюстрируют целесообразность применения биоплёнок контролируемого состава, что позволяет увеличить производительность систем для очистки сточных и промышленных вод без значительных дополнительных затрат. В использовании такого подхода важными и одинаково необходимыми являются как формирование собственно биопленки, так и регулирование состава её сообщества (биоаугментация).

Заключение

Наиболее универсален для очистки сточных вод от органических загрязнений микробиологический метод. Он основан на способности микроорганизмов использовать разнообразные вещества, содержащиеся в сточных водах, в качестве источника питания в процессе их жизнедеятельности. Задачей микробиологической очистки является превращение органических загрязнений в безвредные продукты окисления – H₂O, CO₂, NO₃^-, SO₄^2- и др. Процесс биохимического разрушения органических загрязнений в очистных сооружениях происходит под воздействием комплекса бактерий и простейших микроорганизмов, развивающихся в данном сооружении.

Микрофлору биологических очистных систем составляют микроорганизмы, являющиеся биохимическим агентом при аэробной очистке сточных вод, образуют сложные сообщества активного ила и биопленки. Такие сообщества микроорганизмов (называемые также смешанной культурой, смешанным биоценозом) состоят из представителей многих систематических групп – бактерий, актиномицетов, грибов, водорослей, членистоногих. Основу биомассы таких сообществ составляют бактерии. Общая поверхность 1 грамма сухой биомассы этих микроорганизмов оценивается площадью около 100 м², что и обусловливает высокую скорость обменных процессов при очистке сточных вод.

Биопленка, покрывающая твердые поверхности, погруженные в объем жидкости аэробных биохимических реакторов, образована иммобилизованными клетками микроорганизмов, ее толщина обычно не более 3 мм, чаще 0,5-1 мм.

Состав микроорганизмов активного ила и биопленки подвержен изменениям в широких пределах и зависит от условий культивирования, температуры в реакторе. Отмечается влияние мутагенных факторов сточной воды на состав микрофлоры очистных сооружений.

Бактериальный состав активного ила сточных вод в значительной мере зависит от состава очищаемой сточной воды.

Дата добавления: 2020-12-12; просмотров: 77; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 12

Мы поможем в написании ваших работ!