Интенсификация роста микроорганизмов, осуществляющих биодеструкцию сточных вод

Из объектов окружающей среды г. Волгограда выделены микророорганизмы, осуществляющие биодеструкцию загрязнений сточных вод. Отобраны наиболее активные бактериальные штаммы, изучены их основные свойства, подобраны условия лабораторного культивирования, исследовано влияние отдельных физических (воздействие ионизированного воздуха и электромагнитного поля, ультрафиолетового облучения) и химических (коммерческого препарата НС-Zyme) факторов на их рост. Проведены расчеты на ЭВМ аэротенка и биофильтра, в которых осуществляется подача ионизированного воздуха.

Эффективность биологической очистки сточных вод связана с процессами роста и метаболизма бактериальных клеток, осуществляющих биодеградацию загрязнений. С увеличением скорости роста и ферментативной активности микроорганизмов существенно увеличивается извлечение из сточной воды органических и неорганических веществ, в том числе токсичных. В связи с этим изучение условий интенсификации роста бактериальных клеток, использующих в качестве источников питания различные компоненты сточных вод, является актуальной задачей биоэкологии.

Целью наших исследований являлось выделение из объектов внешней среды индивидуальных штаммов микроорганизмов, осуществляющих биодеструкцию различных загрязнений сточных вод, и поиск условий увеличения эффективности их роста и метаболизма.

В качестве источников выделения бактериальных культур, осуществляющих очистку городских сточных вод, использовали активный ил очистных сооружений станции аэрации острова Голодный Волгоградской области. Пробы активного ила вместе с частью очищенной воды отбирали из функционирующего аэротенка в сентябре, марте, июне и декабре. Источником выделения микроорганизмов служила надиловая жидкость, полученная после отстаивания хлопьев. По данным литературы [1], микрофлора биологически очищенной воды практически полностью соответствует той, которая представлена в активном иле. Количественное содержание в активном иле выделенной культуры в различное время года было неодинаковым (рис. 1).

Полученные данные свидетельствуют о том, что весной, летом и осенью исследуемые микроорганизмы преобладают среди бактериального населения активного ила аэротенка, что, очевидно, свидетельствует об их ведущей роли в деструкции загрязнителей сточных вод.

Выделение микроорганизмов производили бактериологическими методами. Идентификацию преобладающего в сточной воде штамма осуществляли по определителю бактерий Берджи [2] и Белякову В.Д. [3]. Изучение свойств выделенного штамма позволило его отнести к виду Pseudomonas pickettii. Для изучения влияния ионизированного воздуха на интенсивность роста микроорганизмов активного ила была разработана экспериментальная установка [4]. С ее помощью получали воздух, обогащенный положительными или отрицательными аэроионами. Бактериальную суспензию барботировали стерильным воздухом, содержащим аэроионы положительной или отрицательной полярности.

Для изучения влияния электромагнитного поля (ЭМП) на выделенный штамм был сконструирован прибор, состоящий из источника переменного напряжения промышленной частоты (50 Гц), регулятора тока, соленоида (Ф-040153), содержащего 2700 витков провода ПЭВ-2031, и измерителя тока. Разработанный прибор обеспечивает регулируемую напряженность ЭМП внутри соленоида с внутренним диаметром 15 мм, в которую помещали пробирку с бульонной культурой микроорганизмов. Измерение напряженности осуществляли косвенным методом по падению напряжения на датчике тока с помощью электронного вольтметра В3-38. Суспензию бактерий в жидкой питательной среде помещали в гнездо прибора, генерирующего ЭМП, и выращивали в течение суток при температуре 37°С. Интенсивность роста и накопления биомассы микроорганизмов в экспериментах оценивали фотоколориметрическим методом, используя калибровочный график зависимости оптической плотности от концентрации биомассы. Обобщенные результаты влияния параметров энергетических полей на рост бактериальной популяции представлены в таблице 1.

Результаты, приведенные в таблице 1, позволяют заключить, что интенсификацию роста выделенного штамма удалось осуществить под влиянием ЭМП напряженностью 15, 75 А/м. При этом количество биомассы повысилось на 34,62%. Дополнительно проведенные эксперименты показали, что электромагнитная обработка указанной напряженности не оказывала влияния на рост бактерий Е.coli, являющихся санитарно-гигиеническим показателем чистоты воды хозяйственно-питьевого назначения.

Увеличение на 66,38% бактериальной массы Pseudomonas pickettii наблюдали при обработке суспензии бактерий воздухом, содержащим отрицательно заряженные аэроионы, полученные при силе тока 8-10 мкА. Положительные аэроионы оказывали наибольшее влияние при силе тока 32-34 мкА, повышая интенсивность роста бактериальной культуры на 39,66%. Данные, полученные при изучении воздействия отрицательных аэроионов на рост микроорганизмов, были использованы для расчетов на ЭВМ аэротенка и биофильтра, в которых осуществляется подача ионизированного воздуха.

Расчеты показали, что введение в конструкции биологических очистных сооружений ионизатора позволяет снизить себестоимость очистки сточных вод, капитальные затраты на строительство очистных сооружений и уменьшение отчуждаемых под сооружения биологической очистки площадей [5].

Из объектов внешней среды, содержащих отходы нефтеперерабатывающих предприятий Волгоградской области (нефть и нефтепродукты), было выделено 23 бактериальных штамма, способных утилизировать данные ксенобиотики. Выделение микроорганизмов проводили путем высева на селективные среды, содержащие в качестве единственного источника углерода изучаемый загрязнитель и минеральные соли. В результате изучения ростовых свойств выделенных штаммов были определены два наиболее активных клона, способных утилизировать нефть и нефтешламы различного состава [6]. Проведенная идентификация позволила отнести их к родам Bacillus и Azotobacter. Экспериментальным путем были подобраны жидкая питательная среда и условия лабораторного культивирования выделенных штаммов.

На следующем этапе исследований изучили возможность интенсификации их роста в лабораторных условиях. Исследовали влияние на выделенные микроорганизмы коммерческого препарата НС-Zyme, который, по данным литературы, способствует ускорению естественного процесса разложения органических соединений в нефтезагрязненной почве. Препарат НС-Zyme вводили в жидкую питательную среду при лабораторном культивировании штаммов [6]. Максимальный прирост биомассы нефтеокисляющих бактерий наблюдали при добавлении этого реагента в жидкую питательную среду в концентрации 0,033 мг/мл за 96 часов до посева бактерий (рис. 2).

В экспериментах установлено, что культивирование ассоциации штаммов, используемых в исследованиях, предпочтительнее выращивания монокультур. При глубинном культивировании двух штаммов в присутствии препарата НС-Zyme наблюдали увеличение биомассы микроорганизмов по сравнению с их раздельным выращиванием в 26,5 раза на среде с нефтью и в 33,86 раза на среде с нефтешламом.

Для сред с нефтеокисляющими культурами были проведены расчеты электробиофильтра и электроокситенка, позволяющие увеличить степень биологического окисления [7]. С целью выделения бактериальных штаммов, осуществляющих очистку сточных вод кожевенного производства, готовили селективную среду [8]. В качестве источника микроорганизмов использовали сточную воду и почву кожевенного завода, загрязненные органическими отходами. В результате экспериментальной работы были выделены 11 бактериальных штаммов. Изучены культуральные, морфологические свойства выделенных микроорганизмов, скорость их роста и утилизации субстрата. По результатам экспериментов было отобрано три наиболее активных штамма, перспективные для конструирования микробных препаратов с целью очистки сточных вод кожевенного производства (рис. 3).

Наибольшим накоплением биомассы в питательной среде отличался штамм №5, который использовали для дальнейших исследований. Морфологические, культуральные и биохимические свойства выделенного микроорганизма позволили его отнести к роду Bacillus и обозначить как Bacillus sp. ТУ5 [9]. Бактериальные клетки данного штамма подвергали мутагенезу, облучая культуру ультрафиолетовым светом с длиной волны 260 нм в течение 8 и 12 мин. После облучения чашки помещали в термостат и выдерживали в течение суток при 37°С. По окончании времени инкубации чашки просматривали, отбирали 6 клонов (по три из каждого варианта), отсевали их на скошенный питательный агар.

Для оценки интенсивности роста клонов культуры высевали в пробирки с 3 мл жидкой питательной среды и инкубировали в течение 18 часов при 37°С. Уровень накопления биомассы оценивали оптическим методом на приборе КФК-2 УХЛ-4.2 при длине волны светофильтра 670 нм в кюветах с длиной оптического пути 5,065мм. В качестве контроля использовали культуру исходного штамма Bacillus sp. ТУ5, не подвергнутую воздействию мутагенного фактора. Время облучения было подобрано опытным путем: экспозиция менее 8 мин. не давало желаемого эффекта, а облучение более 12 мин. приводило к значительному снижению концентрации биомассы. Результаты эксперимента представлены в таблице 2.

Данные, представленные в таблице 2, свидетельствуют о том, что воздействие ультрафиолетового облучения изменяет уровень накопления биомассы бактерий в жидкой питательной среде. Наибольшая интенсивность роста обнаружена у клона 2 (+134,8%).

Ультрафиолетовое облучение культуры в течение 12 мин. приводило к снижению уровня накопления биомассы по сравнению с исходной культурой штамма. По результатам экспериментов отобран наиболее активный штамм, перспективный для конструирования микробного препарата с целью очистки сточных вод кожевенного производства.

Выводы:
1. Из аэротенка острова Голодный Волгоградской области выделена чистая культура штамма Pseudomonas picketti, преобладающего в бактериальной популяции активного ила. Показано, что его содержание в микрофлоре активного ила в среднем по сезонам года составляет 60%. Подобраны оптимальные условия для лабораторного культивирования выделенных микроорганизмов в жидких питательных средах.
2. Сконструированы экспериментальные установки для изучения влияния электромагнитного поля различной напряженности, а также ионизированного воздуха на микроорганизмы. Показана возможность интенсифика- ции роста штамма P.picketti, выделен- ного из активного ила, на 34,62% под действием электромагнитного поля напряженностью 15,75 А/м.
3. Из объектов внешней среды, содержащих нефть и нефтепродукты, выделены два штамма, способные утилизировать данные ксенобиотики, которые были отнесены к родам Bacillus и Azotobacter. Интенсификации роста нефтеокисляющих штаммов удалось достигнуть за счет введения препарата НС-Zyme в жидкую питательную среду в концентрации 0,033 мг/мл за 96 час до посева микроорганизмов. Совместное культивирование выделенных штаммов в присутствии препарата НС-Zyme обеспечивало увеличение биомассы микробной ассоциации на питательной среде с нефтью в 26,5 раза, а на среде с нефтешламом - в 33,8 раза по сравнению с их раздельным выращиванием.
4. Из бактериальной культуры, выделенной из сточных вод кожевенного производства, получен высокопродуктивный клон, осуществляющий деструкцию органических загрязнений. Определены его культуральные, морфологические свойства, скорости роста и утилизации субстрата.

 Литература:
1. Яковлев, С.В. Биохимические процессы в очистке сточных вод [Текст] / С. В. Яковлев, Т. А. Карюхина. - М. : Стройиздат, 1980. - 200 с.
2. Берджи, Д. Краткий определитель бактерий [Текст] / Д.Берджи. - М.: Мир, 1997. - 495с.
3. Беляков, В.Д. Псевдомонады и псевдомонозы [Текст] / В.Д.Беляков, Л.А. Ряпис, В.И. Илюхин. - М.: Медицина, 1990. - 394с.
4. Колотова, О. В. Интенсификация биоэкологических процессов в энергетических полях при очистке хозяйственно-бытовых сточных вод: автореф. дис. канд. техн. наук
/ О. В. Колотова. - Волгоград, 2002. - 20 с.
5. Колотова, О.В. Интенсификация роста микроорганизмов активного ила сооружений биологической очистки [Текст] /О.В. Колотова, И.В. Владимцева, А.Б. Голованчиков, Л.В. Федотова. // Экологические системы и приборы . 2003 - № 9. - С. 20 - 22.
6. Соколова, И.В. Интенсификация роста нефтеокисляющих микроорганизмов/ И.В. Соколова, И.В. Владимцева, О.В. Колотова, М.Е. Лыкова// Известия Тульского государственного университета. Серия: «Экология и рациональное природопользо- вание». - М.: Изд-во ТулГУ. - 2006. - Вып.2. - С.38-44.
7. Голованчиков, А.Б. Математическое моделирование работы аппаратов биологической очистки с использованием кислорода электролиза воды / А.Б. Голованчиков, И.В. Владимцева, И.В. Соколова и др.// Известия Тульского государственного университета. Серия «Экология и рациональное природопользование». - М.: Изд-во ТулГУ. - 2006. - Вып. 2. - С.169-181.
8. Владимцева, И.В. Исследование бактериального штамма для очистки сточных вод кожевенного производства [Электронный ресурс] / Владимцева И.В., Герман Н.В.
// Экологические проблемы урбанизированных территорий : матер. всерос. конф. (г. Пермь, 16-18 марта 2011 г.) / ГОУ ВПО
«Пермский гос. техн. ун-т . - Пермь, 2011. - 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). - C. 40-44.
9. Герман, Н.В. Исследование бактериального штамма, выделенного из сточных вод кожевенного производства [Электрон- ный ресурс] / Герман Н.В., Владимцева И.В., Гарбузова С.Н. // Экология: синтез естественнонаучного, технического и гуманитарного знания : матер. II всерос. науч.- практ. форума, г. Саратов, 6-11 окт. 2011 г. / Саратовский гос. техн. ун-т. - Саратов, 2011. - 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). - C. 235-237.

Журнал «Вода Magazine», №4 (68), 2013 г.