Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Микробиология. Ч.3. Мир прокариот. Учебное пособие
.pdf
5.4. исполЬзование микроорганизмов в очистке окрУжающей среды
В промышленной очистке загрязнений воздуха, водоемов
и почв в настоящее время также основную роль выполняют
микроорганизмы, в первую очередь бактерии. На многих производствах, выделяющих газообразные токсичные соединения
(от летучих хлорированных углеводородов до этилена), требующих очистки, используют фильтры, в которых на сорбентах
в виде биопленки размещаются аэробные бактерии. В качестве сорбентов выступают как синтетические вещества, так
и древесные опилки или слои почвы и т. д. Промышленные
газообразные отходы могут пропускаться через жидкие фильтры, промывочные воды затем очищают за счет бактериального окисления. Биологический метод широко используется
и в очистке сточных вод и бытовых отходов.
Биологическая очистка сточных вод
иприродных водоемов
Загрязнения окружающей среды, в частности воды
и поч-вы, относятся к глобальным экологическим проблемам
современности, требующим применения эффективных методов
очистки. Рост объемов промышленных и бытовых сточных вод
ежегодно увеличивается и прогнозируется сохранение данной
тенденции. В настоящее время, количество сточных вод составляет примерно 500 литров в сутки на человека. Очистка
таких объёмов может быть осуществлена только промышленным способом. С начала XX века используются очистительные
станции с биологическими методами очистки. К старым способам очистки относятся: окислительные пруды с естественной
микрофлорой и растительностью; поля орошения — низины
с глинистыми водоупорными материнскими породами; камышовые плавни — медленно текущие водоёмы, заросшие тростником и рогозом, чьи полые стебли обеспечивают кислородом
ризосферу — местообитание многочисленных микроорганизмов; пруды-отстойники, используемые для стабилизации навозных масс на больших фермах. Во всех вышеперечисленных
способах очистки микроорганизмы работают в естественном темпе, т. е. достаточно медленно и не могут справиться
с большими объёмами стоков. Более эффективны струйные
биофильтры — ёмкости, заполненные пористым материалом,
через который просачиваются сточные воды. На поверхности
111
112
5. применение микроорганизмов
наполнителя образуется биоплёнка, основу создаёт бактерия
Zoogloea ramigera, выделяющая слизь, в которую погружены прокариотические и эукариотические (водоросли, грибы,
простейшие) организмы, формирующие комплексное сообщество. Для улучшения и ускорения очистки используют вращающиеся диски, наполовину погруженные в медленно протекающие сточные воды. Бактериальная плёнка, формирующаяся
на диске, состоит из аэробов, концентрирующихся на поверхности плёнки, и из анаэробов (сульфатредукторов) внутри
плёнки. Диск медленно вращается, и в той части диска, которая находится в воде, быстро расходуется кислород и создаются анаэробные условия. Таким образом, аэробы и анаэробы
функционируют попеременно. Перечисленные выше методы
очистки эффективны только при достаточно высоких температурах и не подходят для территорий с холодным климатом,
кроме того они маломощны и не могут обеспечить очистку
стоков больших городов и крупных предприятий.
В промышленных масштабах используют очистные сооружения с применением как аэробных, так и анаэробных способов очистки. Промышленные очистительные станции основаны
на применении активированного рециркулируемого ила и технологии принудительной аэрации. Процесс очистки состоит
из нескольких этапов. Начальный этап — механическая обработка, состоит в удалении твёрдых частиц с помощью осаждения. На первом этапе удаляется примерно 30 % загрязнений.
Второй этап — биологическая очистка с помощью активированного ила — сложного микробиологического сообщества, которое поддерживается в виде непрерывной культуры. Процесс
очистки проходит в специальных резервуарах (аэротенках),
где сточные воды смешиваются с активным илом и идёт постоянное перемешивание и продувка воздухом. Бактерии перерабатывают загрязнения и коагулируют их в рыхлые хлопья
размером в 1–2 мм. Микроорганизмы активированного ила
очень разнообразны и к настоящему времени идентифицировано не более 5 % участников этого сообщества. Образованию
хлопьев способствуют Zoogloea, Leucothrix, Thiothrix. Внутри
хлопьев встречаются Paracoccus, Pseudomonas, Caulobacter,
Hyphomicrobium, Nitrobacter, Acinetobacter, Sphaerotilus,
Aeromonas, Arthrobacter, Cytophaga, Flavobacterium,
Flexibacter, Corynebacterium, Nocardia, Rhodococcus и многие
5.4. исполЬзование микроорганизмов в очистке окрУжающей среды
другие. Активный ил практически не содержит патогенных
бактерий. На этой стадии удаляется до 99 % органических
веществ. Третий этап включает химическую очистку для удаления неорганических соединений. После аэротенка вода направляется в отстойник, где она находится до 12 часов, затем
из неё извлекаются ионы азота и фосфора. Азот удаляется
нитрификаторами и денитрификаторами. Удаление фосфора
также могут осуществлять бактерии, например, часто используется Acinetobacter, который активно накапливает в своих
клетках полифосфаты. В заключение очистки проводят обеззараживание путём хлорирования или озонирования.
Кроме того существуют способы анаэробной очистки
сточных вод. Наиболее эффективным является применение
взвешенного метаногенного ила с восходящим потоком очищаемых вод. Метаногенный ил сформирован плотными гранулами до 3 мм в диаметре из спонтанно агрегированных
сообществ метаногенов. В образовании гранул принимают
участие Methanothrix и Methanosarcina. Метанотенк (реактор
для анаэробной очистки) позволяет очищать очень сильно загрязнённую воду не только бытовых стоков, но промышленные сбросы с высокой степенью эффективности (до 90 %). Для
переработки полужидких отходов при смывной технологии
уборки на больших фермах используются специальные метанотенки разной ёмкости (от 1 до 2000 м3), имеющие системы
отвода метана, который используется для обогрева помещения
фермы. Твёрдые осадки превращаются в высококачественное
обеззараженное удобрение.
Разработаны специальные методы бактериальной очистки сильных или специализированных загрязнений с использованием отдельных культур микроорганизмов. Для удаления
соединений марганца из водных сред используют виды родов
Pseudomonas или Metallogenium, переводящие растворенные в водной среде катионы марганца в нерастворимый осадок. Виды рода Pseudomonas, Bacillus и ассоциацию родов
Arthrobacter и Bacillus используют для очистки сточных вод
от бензопирена, нефтесодержащих веществ, фенолов. Ассоциацию видов Pseudomonas и Acinetobacter используют для
удаления из воды летучих галогенорганических соединений,
нефтепродуктов, синтетических поверхностно-активных веществ. Использование микроорганизмов обеспечивает удале-
113
114
5. применение микроорганизмов
ние до 75 % содержащегося в сточных водах кадмия и ртути.
Для ликвидации нефтяных загрязнений с поверхности водоемов выделены нефтеокисляющие штаммы Pseudomonas putida,
вносимые с гидрофобным порошкообразным адсорбентом.
В зависимости от состава нефтепродуктов и степени загрязненности эффективность очистки воды составляет 40–95 %.
Ферментообогащенные культуры Pseudomonas используют
для удаления органических отложений в сливных коммуникациях. Применение биопрепаратов в отличие от традиционных методов очистки не вызывает коррозию труб, где образуется защитная биоферментная пленка, которая не позволяет
жиру откладываться на стенках и создавать жировые пробки.
Разрабатываются методы очистки сточных вод с использованием систем с биопленками.
Биологическая переработка твёрдых
органических отходов
Количество твёрдых бытовых отходов превышает 500 млн
тонн в год, из них более половины — органические вещества (25 % пищевые отходы и 40 % бумага). Для успешной промышленной переработки твердых отходов в первую очередь
должен быть налажен раздельный сбор мусора, что в больших городах сопряжено с трудностями, как в хранении, так
и в транспортировке.
Органическая составляющая отходов издавна перерабатывалась в компост. Аэробный процесс окисления органики
с помощью микроорганизмов, широко используемый в переработке навоза, позволяет утилизировать пищевые отходы,
растительные остатки, содержимое выгребных ям. При естественном компостировании в кучах процесс протекает медленно, но его можно интенсифицировать применением специальных бактериальных препаратов, а также обеспечивая доступ
воздуха к гниющему субстрату. Процесс компостирования
начинает использоваться сейчас и в промышленных масштабах. Измельчённые пищевые отходы помещаются в большие
цилиндрические ёмкости, где температура и воздушный режим поддерживаются автоматически, и где они постепенно
оседают и перерабатывается. От момента загрузки до выхода
готовой продукции проходит три недели и ещё десять дней
5.4. исполЬзование микроорганизмов в очистке окрУжающей среды
извлечённый перегной дозревает на открытом воздухе, после
чего он может быть реализован, например для удобрения
почв. Напервой стадии компостирования важную роль играют
грибы и мезофильные бактерии, затем с повышением температуры начинают преобладать термофильные бактерии. При
65–75 °С доминируют Bacillus subtilis, B. stearothermophilus,
Clostridium thermocellum, виды рода Thermus. Выделяющаяся
теплота способствует обеззараживанию материала.
В настоящее время в крупных промышленных населенных пунктах часть отходов сжигается, но основным способом
утилизации остается захоронение отходов на мусорных полигонах. В мусорных свалках происходит медленная спонтанная
анаэробная деградация органики микроорганизмами. Во многих странах на полигонах налажен процесс получения биогаза (60 % метана и 40 % углекислого газа). Для активизации
переработки отходов необходимо обеспечить герметизацию
площадки полигона от поверхностных грунтовых вод, равномерно и плотно укладывать отходы, пересыпая слои грунтом для создания анаэробные условий, благоприятных как
для метаногенов, но и для разрушителей полимеров и других
ксенобиотиков. Биогаз начинает выделяться примерно через
год, и это рукотворное «месторождение» будет функционировать в течение 30–40 лет. Технологии удаления газообразных
примесей, в том числе и ядовитых, уже давно разработаны
в газовой промышленности. Организация производства метана в промышленных масштабах из свалочного газа становится
всё более популярной в мире.
115
РЕКОМЕНДУЕМАЯ
ЛИТЕРАТУРА
Гусев М. В., Минеева Л. А. Микробиология. — 9-е изд. — М.,
Академия, 2010.
Добровольская Т. Г. Структура бактериальных сообществ
почв. — М., Академкнига, 2002.
Заварзин Г. А. Лекции по природоведческой микробиологии /
Г. А. Заварзин; Рос. акад. наук, Ин-т микробиологии. — М.:
Наука, 2003.
Заварзин Г. А. Бактерии и состав атмосферы. — М.: Наука,
1994.
Заварзин Г. А., Колот ил ова Н. Н. Введение в природоведческую микробиологию. — М., Университет, книжный дом,
2001.
Звягенцев Д. Г. Почва и микроорганизмы. — М.: МГУ, 1989.
Кожевин П. А. Микробные популяции в природе. — М.: МГУ,
1989.
Кондратьева Е. Н. Автотрофные прокариоты. — М.: Изд.
М Г У, 19 9 6 .
Емцев В. Т., Мишустин Е. Н. Микробиология: Учебник для вузов. — М.: Дрофа, 2005.
Нетрусов А. И., Кот ова И. Б. Микробиология. — 2-е изд.. —
М.: Академия, 2007.
Поздеев О. К. Медицинская микробиология. — М.: Гэотар-мед,
2001.
Промышленная микробиология / Под ред. Н. С. Егорова. —
М.: Высшая школа, 1989.
рекомендУемаЯ литератУра
Современная микробиология. Прокариоты / Под ред. Й. Ленгелера, Г. Древса, Г. Шлегеля. — Т. 1, 2. — М.: Мир, 2005.
Стейниер Р., Эдельберг Э., Ингрем Дж. Мир микробов. —
Т. 1, 2, 3. — М., Мир, 1979.
Экология микроорганизмов / Под ред. А. И. Нетрусова. — М.:
Академия, 2004.
117
КУРАНОВА Наталия Геннадиевна
КУПАТАДЗЕ Галина Александровна
МИКРОБИОЛОГИЯ
Часть 3
МИР ПРОКАРИОТ
Учебное пособие
Публикуется в авторской редакции
Дизайн обложки Середа Т.В.
Компьютерная верстка Осипова Е.В.
Подписано в печать 03.08.2020
Формат 60×84/16. Объем 7,375 п.л.
Тираж 500 экз. Заказ № 1202
Издательство «Прометей»
119002 Москва, ул. Арбат, д. 51, стр. 1
Тел.: +7 (495) 730-70-69
E-mail: info@prometej.su
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]