Карабинцева Фармацевтическая технология методички / Экологическая биотехнология

Организменный уровень наиболее чувствительный с точки зрения быстроты развития отклика на загрязнитель. Это связано с тем, что индивидуальная реакция гидробионтов более оперативна. Организм, на который воздействуют угнетающие факторы, практически мгновеннореагируетизменениемформытела,быстротыдвижения,пищевой активности и т. д., но только до тех пор, пока величина влияния не превысит порог адаптации, после чего организм погибает. В ответ на воздействие токсикантов организмы активного ила реагируют изменением состояния ресничного и коловращательного аппарата, образованием цист и характерными поведенческими реакциями, указывающими на ухудшение условий окружающей их среды.

Рис. 19. Характер изменений активного ила на разных уровнях биоценоза

Например, при «металлическом» стрессе у свободноплавающих и брюхоресничных инфузорий активного ила на первой стадии стрессирования повышается двигательная активность, изменяется форма тела (выпячивание эндоплазмы, шарообразность, вакуолизация, затем сжатие и деформация), замедляется движение (сохраняется только движение ресничек), потом полностью прекращается, и при сильном воздействии инфузории лизируются. У прикрепленных инфузорий быстро раздуваются и отрываются зооиды, закрываются ресничные диски и крышки у домиков, интенсивно сокращаются мионемы

81

у оставшихся без зооидов стебельков. У коловраток тело сжимается, собирается в комок, прекращают работать коловращательный аппарат и челюсти. Панцирные коловратки теряют панцирь. Черви на первых стадиях стресса энергично извиваются, затем вытягиваются, обездвиживаются и постепенно лизируются. Первыми при воздействии тяжелых металлов проявляют максимальную чувствительность к стрессирующему воздействию и исчезают из биоценоза активного ила более сложно организованные простейшие и многоклеточные. Жгутиковые, даже при чрезвычайно сильном воздействии, обездвиживаются, инцистируются, но сохраняются. Таким образом, при токсическом процессе, вызванном избытком тяжелых металлов, наблюдается значительная потеря видового разнообразия, сильное снижение продуктивности флокулообразующих бактерий, замена их на наиболее примитивные хламидо- и цианобактерии с последующим развитием вспухания ила.

Биоценотические изменения под воздействием стрессоров будут происходить только после того, как перейдена граница адаптационной способности и система стала нестабильной. Интенсивность поражения токсикантами активного ила можно определить по степени разрушения звена флокулообразующих бактерий (сокращению их численности) и (или) по нарастанию численности устойчивых к токсикантам популяций.

Выделяют три последовательные стадии изменений в биоцено-

зе при нарастающем токсическом воздействии на активный ил вследствие аварийных сбросов промышленных токсикантов. Отклик выражается в структурной перестройке и переходе от условной нормы к состоянию риска (существенных, но обратимых изменений); затемсостояниекризиса(системапереходитнанаиболеепримитивный уровень развития) и далее состояние депрессии или разрушения.

Явления, указывающие на деградацию биоценоза активного ила (при продолжающемся усилении антропогенного воздействия):

•упрощение структуры биоценоза, обеднение его качественного состава до минимума;

•максимальное сокращение суммарной биомассы флокулообразующих активных бактерий и соответственно полное прекращение продуцирования ими биополимерного геля;

•прекращение накопления новых устойчивых видов в биоценозе.

82

Самовосстановление активного ила после стадии кризиса и разрушения, как правило, невозможно, требуется проведение рекультивационных мероприятий. В случае самопроизвольного восстановления требуется длительный период — более месяца, в течение которого происходит первичное наращивание активного ила, при этом на первой стадии восстановления сокращается численность нитчатых хламидоили цианобактерий, появляются бесцветные жгутиконосцы, мелкие голые и раковинные амебы, бактерии рода Zoogloea. Затем происходит последовательное, прогрессирующее развитие биоценоза, когда усложняется экологическая структура, повышается таксономическое разнообразие и постепенно снижается численность организмов с высокой толерантностью к неблагоприятным факторам (нитчатые бактерии, не связанные с хлопьями ила, патогенные бактерии, бесцветные жгутиконосцы, крупные формы свободноплавающих инфузорий и т. д.). Появление в биоценозе брюхоресничных инфузорий свидетельствует о восстановлении способности ила к флокуляции, образовании хлопьев активного ила и улучшении его очищающих свойств.

В активном аэробном иле находятся внеклеточные ферменты (гидролазы, протеазы, целлюлазы, пероксидазы, катализирующие окисление субстратов при участии пероксида водорода, каталазы, разлагающие Н2О2). В анаэробном иле активность пероксидаз и каталаз не проявляется.

4.5. Биохимические процессы, происходящие при очистке воды

Процесс биохимического превращения органических загрязняющих веществ, присутствующих в сточных водах, является многостадийным, последовательным и мультибактериальным. После смешения сточных вод с активным илом частички загрязняющих веществ включаютсявхлопьяактивногоила,врезультатечегопроисходитнесколько процессов:

•адсорбция взвешенных и коллоидных веществ на поверхности хлопьев;

•осмос растворенных биодеградируемых соединений организмами ила;

83

•аккумулирование низкомолекулярных органических веществ и биодеградируемых соединений и ассимиляция их активным илом;

•сорбция высокомолекулярных растворимых органических веществ и их последующее окисление в процессе гидролиза;

•сорбция веществ, инертных к биодеградации (металлы, пестициды, органические поллютанты), и накопление их в активном иле.

Процессы бактериальной деструкции азотсодержащих соединений в условиях сооружений биологической очистки включают стадии нитрификации, денитрификации (рис. 20).

Рис. 20. Процессы бактериальной деструкции азотсодержащих соединений

84

Нитрификация — сложный многоступенчатый процесс. Первая стадия нитрификации — окисление солей аммония в нитриты — протекает по уравнению:

NH4+ + 1,5O2 = 2H+ + 2NO2 + H2O.

Процесс нитрификации осуществляют нитрифицирующие бактерии, которые являются хемосинтезирующими автотрофами. Для них характерны низкие скорости роста, что связано с малым энергетическим выходом реакций окисления аммиака и нитрита, угнетение роста при недостатке растворенного кислорода в иловой смеси. Медленный рост нитрификаторов — основная проблема при нитрификации на станциях биологической очистки стоков.

Вторая стадия нитрификации — окисление образовавшихся солей азотистой кислоты в соли азотной кислоты — начинается только после завершения первой, поскольку избыток аммиака тормозит развитие возбудителей второй стадии и протекает в соответствии с уравнением:

2NO2– + O2 = 2NO3–.

Окисление аммония до нитрита происходит в несколько стадий, окисление нитрита до нитрата — одностадийная реакция.

Процесс денитрификации позволяет освобождать воду от окисленных форм азота, а сочетанием процессов нитрификации и денитрификации можно снижать содержание неорганического азота на 90 % и общего азота на 80–95 %. Денитрификация при обычной схеме очистки происходит в основном во вторичных отстойниках и сопровождается значительным выносом хлопьев активного ила, что обусловлено образующимся газообразным азотом в иловой массе на дне вторичных отстойников. Свободный азот, появляющийся внутри хлопьев, разрывает их, измельчает, и вынос взвешенных веществ еще более усугубляется.

Процессы трансформации соединений фосфора представле-

ны на рис. 21. Полифосфаты и ортофосфаты, поступающие в аэротенк, усваиваются организмами активного ила, а растворенные формы органического фосфора минерализуются в ортофосфаты при по-

мощи бактерий Moraxella, Artrobacter, Bacillus и т. п. Некоторые бак-

терии способны к внутриклеточному накоплению фосфора в зер-

нах волютина: Acinetobacter, Pseudomonas, Aerobacter, Beggiatoa,

85

E. coli, Aeromonas, Zoogloea ramigera и др. Нитрифицирующие бак-

терии могут накапливать полифосфаты в составе метахроматиновых гранул.

Процессы нитрификации и дефосфотации противопоставлены друг другу: чем интенсивнее нитрификация, тем больше фосфатов накопится в клетках бактерий и тем больше бактерии их отдадут в очищенную воду в анаэробных условиях вторичных отстойников.

Рис. 21. Схема процессов трансформации соединений фосфора

В аэротенках при наличии ионов Са2+, Mg2+, Fe3+, Al3+ и при определенных значениях рН происходит процесс дополнительного изъятия фосфора, путем образования нерастворимых компонентов

Са10(РО4)6(ОН)2; Fe(PO4)2 · 8H2О;A1PО4 · 2Н2О и др. Иногда содержание фосфатов в очищенных водах возрастает за счет разрушения кле-

ток активного ила (в илоуплотнителях, при голодании и самоокислении активного ила), выноса активного ила, в хлопьях которого и внутри клеток сорбирован фосфор.

86

Серосодержащие соединения, поступающие в первичные отстойники, вступают в реакции с железом и образуют его сульфид, придающий осадку черный цвет. Трансформация серы, происходящая на станциях биологической очистки, включает сложные аэробноанаэробные процессы ферментативного окисления и редукции, тесно переплетенные с химическим окислением в аэротенках.

Образование сероводорода, меркаптанов (гниение серосодержащих веществ в канализации) происходит благодаря сапрофитным бактериям родов Pseudomonas, Chromobacterium, Bacterium и др.

Сульфатредукция (восстановление сульфатов) с образованием сульфидов, сероводорода и элементарной серы осуществляется бакте-

риями родов Desulfovibrio, Clostridium, Desulfotomaculum пo уравне-

нию, которое можно представить в общем виде так:

SO42– + органические компоненты сточных вод >

> S2– + Н2О + СО2 > S2– + 2Н+ > H2S.

Фототрофные бактерии (пурпурные, зеленые), присутствующие в верхних слоях воды отстойников, осуществляют на свету анаэробный фотосинтез, в процессе которого происходит накопление внутри клеток частиц серы:

H2S + 2СО2 + 2Н2О > H2SO4 + 2CH2О (образующиеся органические вещества).

Бесцветные нитчатые серобактерии Beggiatoa, Thiotrix, Thioploca, Thiospira, ненитчатые серобактерии Thiobacillus, Desulfovibrio, типичные гетеротрофные микроорганизмы Bacillus, Pseudomonas, Achromobacter, Sphaerotilus окисляют восстановленные соединения серы до элементарной серы:

2H2S + О2 > 2Н2О + 2S0.

Конечнымипродуктамиокислениясерыиеевосстановленныхсоединений являются сульфаты:

H2S > HS– (сульфиды) > S2– > RS– (меркаптаны) >

> S0 (сера элементарная) > S2O32– (тиосульфат) > S4O62– (тетратионат) >

> HSO3– (сернистая кислота) > SO32– (сульфит) >

> H2SО4 (серная кислота) > SO42– (сульфаты).

Поступающие со сточными водами тяжелые металлы практически не подвергаются окислению и извлекаются путем сорбции

87

илом. В течение первых 15 мин контакта с иловой смесью сорбируется 79–90 % металлов. Наиболее устойчивыми организмами активного ила в отношении тяжелых металлов являются нитчатые бактерии

иZoogloea ramigera. Накопление металлов микроорганизмами происходит за счет связывания органическими веществами (комплексообразования с белками, ферментами) и биополимерным гелем, обволакивающими клетки. С одной стороны, в результате этого процесса происходит накопление тяжелых металлов в осадках и удаление, с другой — ил, содержащий металлы, с возвратным потоком снова и снова попадает в систему очистки, что увеличивает токсическую нагрузку на биоценоз и снижает качество очищаемой воды.

При аварийных выбросах тяжелых металлов применяют внесение известкового молока (суспензии гидроксида кальция в воде), нейтрализующего или снижающего токсичность сточных вод, содержащих соли тяжелых металлов (меди, цинка, олова, железа и др.), фторидов

идругих соединений. В присутствии в водах аммония, фенола, хлора наблюдается усиление токсического действия металлов. В сточных водах могут подвергаться биоактивации (переводу из нерастворимого состояния в растворимое, метилированию) ртуть, мышьяк, олово, галлий, кобальт, свинец, хром, цинк, медь.

Втрансформации нефтепродуктов, попавших в сточные воды,

принимают участие углеводородокисляющие микроорганизмамы. Чем меньше молекулярная масса и проще молекулярная структура углеводородных компонентов нефти, тем менее токсичны эти соединения для активного ила и более восприимчивы к биодеструкции.

Впервичных отстойниках нефтепродукты образуют поверхностную пленку, накапливаются в сыром осадке в виде твердых вязких частиц и осаждаются на стенках отстойников, трубопроводах в виде агрегатов, комков, утолщенной пленки (от 1 мм до 10 см), подвергаются физико-химическому разрушению, фотолизу. В аэротенках происходит испарение, хемоокисление, биодеструкция растворимых углеводородов, биосорбция нерастворимых компонентов на активном иле. Некоторые растворимые, но трудноразлагаемые соединения (например, бенз(а)пирен), не претерпевая изменений, транзитом проходят через очистные сооружения и остаются в очищенной воде, для их удаления требуется третичная очистка на сорбентах, которая почти не применяется на городских станциях очистки стоков.

Врезультате процессов биодеструкции на очистных сооружени-

ях происходит очищение сточных вод от фенолов, СПАВ и других

88

5 МИКРОБИОЛОГИЧЕСКАЯ ПЕРЕРАБОТКА ТВЕРДЫХ ОТХОДОВ

5.1. Разложение основных природных полимеров

Природные органические полимеры (биополимеры) составляют основу всех животных и растительных организмов. В растительном мире широко распространены полисахариды (целлюлоза, крахмал и т. п.) и полиизопрены (натуральный каучук, гуттаперча, фрагменты липидов и т. п.).

Как известно, растительная ткань состоит главным образом из целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина. Лигнин — природный полимер, входит в состав почти всех наземных растений и по распространенности среди природных высокомолекулярных соединений уступает только полисахаридам. В древесине хвойных пород содержится 23–38 % лигнина, в лиственных породах — 14–25, в соломе злаков — 12–20 % от их массы. Лигнин расположен в клеточных стенках и межклеточном пространстве растений и скрепляет целлюлозные волокна. Вместе с гемицеллюлозами он определяет механическую прочность стволов и стеблей. Лигнин обеспечивает герметичность клеточных стенок (для воды и питательных веществ) и благодаря содержащимся в нем красителям определяет цвет одревесневшей ткани. Лигнин выделяется в больших количествах как побочный продукт в основных лесохимических производствах — целлюлозном и гидролизном.

Гемицеллюлозы — это высокомолекулярные гетерополисахариды. Встречаются в значительном количестве (от 6 до 27 %) в одревесневших частях растений (соломе, семенах, орехах, древесине) вместе с целлюлозой и в отличие от нее легко гидролизуются разбавленными минеральными кислотами с образованием галактозы, ксилозы, арабинозы и уроновых кислот.

90