Особенности развития микробиоценоза биопленки в процессе обезвреживания сточных вод производства нитратов целлюлозы

Full Paper _____________________________ Yo.V. Kobeleva, A.S. Sirotkin, R.Z. Agzamov, and T.V. Vdovina

Размещено на http://www.allbest.ru/

46 ______________ http://butlerov.com/ ______________ ©--Butlerov Communications. 2016. Vol.48. No.11. P.45-50.

Thematic Section: Biochemical Research. ____________________________________________________ Full Paper

Subsection: Specificity of Microbiocenoses. Reference Object Identifier - ROI: jbc-02/16-48-11-45

Kazan. The Republic of Tatarstan. Russia. _________ © Butlerov Communications. 2016. Vol.48. No.11. ________ 45

Казанский национальный исследовательский технологический университет

Факультет пищевых технологий

Кафедра промышленной биотехнологии

Особенности развития микробиоценоза биопленки в процессе обезвреживания сточных вод производства нитратов целлюлозы

Кобелева Йолдыз Витальевна, Сироткин Александр Семенович,

Агзамов Раушан Зуфарович, Вдовина Татьяна Владимировна

Аннотация

В статье отражены особенности развития микробиоценоза биопленки в процессе биофильтрации сточных вод производства нитратов целлюлозы. В связи с тем, что сточные воды производства нитратов целлюлозы характеризуются непостоянством своего состава, инокуляцию проводили специализированным консорциумом (КТ). Данный консорциум был предоставлен Институтом биохимии и генетики Уфимского научного центра РАН и рекомендован в качестве универсального микробного сообщества для очистки сточных вод с широким спектром загрязнений. Для оценки вклада данного консорциума в разнообразие микробиоценоза биопленки в процессе биофильтрации стоков производства нитратов целлюлозы проводилось периодическое культивирование микроорганизмов консорциума в реальной сточной воде, а также в стерильных модельном растворе и сточной воде. В ходе исследования было проанализировано развитие гетеротрофных микроорганизмов, дрожжей, молочнокислых, а также сероокисляющих и сульфатредуцирующих бактерий. Для анализа развития микроорганизмов биопленки в различных средах культивирования проводился посев микроорганизмов на селективные среды, а также определялась ферментативная активность микроорганизмов в каждой среде. В процессе исследования была определена роль консорциума КТ и микроорганизмов в составе сточных вод в формировании микробиоценоза биофильтрационной системы очистки сточных вод призводства нитратов целлюлозы. Выявлено соотношение гетеротрофных микроорганизмов, дрожжей, молочно-кислых и сульфатредуцирующих микроорганизмов в составе консорциума КТ. Из полученных результатов можно сделать вывод о том, что основной вклад в формирование микробиоценоза биофильтрационной системы вносят микроорганизмы, входящие в состав реальных сточных вод производства нитратов целлюлозы, поступающих на очистку. Консорциум КТ формирует микробио-ценоз на начальном этапе процесса очистки в пусковой период его работы.

Ключевые слова: сточные воды, производство нитратов целлюлозы, биофильтрация, активность микробиоценоза.

Abstract

Features of biofilm microbiocenosis in the treatment of waste water from production of cellulose nitrate

Yoldyz V. Kobeleva, Alexander S. Sirotkin, Raushan Z. Agzamov, Tatiana V. Vdovina

The article describes the features of the biofilm microbiocenosis development during process of nitrate cellulose's production wastewater biofiltration. Due to the fact that the waste waters of nitrate cellulose's production are characterized by variability of their composition, inoculation was carried out with help of specialized consortium. The consortium KT was produced by the Institute of Biochemistry and Genetics, Ufa Scientific Center, Russian Academy of Sciences and was recommended as an universal microbial community for treatment wastewaters with a wide range of contaminants. The periodic cultivation of consortium's microorganisms on real waste water, sterile real waste water and sterile model solution of waste water was carried out for estimation the consortium role in diversity of microorganisms community of biofilms during processes of nitrates cellulose's production waste waters biofiltration. The development of heterotrophic microorganisms, yeast, lactic bacteria, sulfur-oxidizing and sulfate-reducing bacteria was analyzed. The bacteria was seeding on selective mediums and their enzymatic activity was determinated to analyze the growth of the biofilm microorganisms in a different conditions of cultivation. The participation of consortium within biofilm microbiocenosis during process of real wastewater and its model solution biofiltration was estimated. Revealed the ratio of heterotrophic microorganisms, yeast, lactobacterium and sulphate-reducing microorganisms within the consortium KT. On the base of results we can conclude that the main contribution to the microbiocenosis of biofiltration systems formation make the microorganisms of real waste waters which influent to the treatment plant from the nitrates cellulose production. Consortium KT forms microbiocenosis at the early stage of treatment process in the starting period of its operation. In the process of industrial waste water influent to the system microorganisms of consortium KT gradually displaced from the biocenosis by the aborigine microorganisms of real wastewaters due to the not optimal composition of the wastewater as a nutrient medium for the cultivation of specific microorganisms of the consortium KT.

Keywords: wastewaters, nitrates cellulose production, biofiltration, microbiocenosis activity.

Введение

Сточные воды производства нитратов целлюлозы содержат в своем составе большое количество растворенных органических и неорганических (сульфаты, сульфиты, тиосульфаты, нитраты, нитриты, аммонийный азот) веществ, образовавшихся в процессе получения целевого продукта. При этом сточные воды вышеуказанных производств отличаются низким значением рН [1].

Процессы нейтрализации и отстаивания, применяемые для обезвреживания стоков, являются недостаточными для сброса в водоемы или повторного использования в технологическом процессе.

В качестве основной ступени очистки сточных вод на промышленном объекте производства нитратов целлюлозы предлагается биологическая очистка с использованием аэрируемых биофильтров. Основанием для этого является возможность комплексного удаления растворенных и коллоидных примесей большим количеством биомассы, накопленной в иммобилизованном виде на поверхности загрузочного материала биофильтра [2, 3]. В плотном слое загрузки развиваются различные группы микроорганизмов, участвующие в процессах удаления примесей органических веществ, превращениях неорганических соединений азота и серы из сточной воды [4]. Таким образом, с научно-прикладной точки зрения исследование микробных сообществ, участвующих в процессе биологической очистки сточных вод производства нитратов целлюлозы, является актуальным.

Целью работы являлось исследование особенностей развития различных групп микроорганизмов, участвующих в процессе очистки сточных вод производства нитратов целлюлозы.

Экспериментальная часть

Запуск биофильтрационной установки всегда сопровождается пусковым периодом накопления биомассы на поверхности загрузочного материала. Поскольку стоки производства нитратов целю-лозы отличаются непостоянством состава и большим диапазоном загрязняющих веществ, инокуляцию проводили консорциумом КТ, рекомендуемым в качестве универсального микробного сообщества для очистки сточных вод с широким спектром загрязнений [2, 5]. Консорциум КТ был предоставлен Институтом биохимии и генетики Уфимского научного центра РАН. Согласно паспортным данным, в состав микробного консорциума КТ входят, в частности, Bifidobacterium animalis, Lactobacillus casei, Streptococcus lactis, Rhodopseudomonas palustris, Rhodobacter sphaeroides, Saccharomyces сerevisiae, Candida utilis, Streptomyces albus, Streptomyces griseus, Aspergillus oryzae, Mucor hiemalis.

Табл. 1. Характеристика сточных вод производства НЦ

Табл. 2. Характеристика модельного раствора сточной воды

Для оценки вклада данного консорциума в разнообразие микробиоценоза биопленки в процессе биофильтрации стоков производства НЦ проводилось периодическое культивирование микроорганизмов консорциума в реальной сточной воде и стерильных модельном растворе и сточной воде.

В колбы вносили по 100 мл питательной среды, в качестве которой использовались сточная вода производства нитроцеллюлозы (табл. 1), стерильная сточная вода производства нитроцеллюлозы и ее стерильный модельный раствор (табл. 2).

Инокулят вносили в объеме 10% объема среды. Процесс периодического культивирования продолжался в течение 2 суток на перемешивающем устройстве при скорости вращения 120 об/мин и температуре 30 оС.

Для оценки ферментативной активности биомассы, а также идентификации микроорганизмов в ее составе периодически отбирались образцы биопленок путем смывов с загрузочного материала. Микроорганизмы идентифицировали путем их высева на селективные среды.

Результаты и их обсуждение

Результаты высева КТ на селективные среды позволили выявить соотношение гетеротрофных микроорганизмов, дрожжей, молочно-кислых и сульфатредуцирующих бактерий в его составе (рис. 1).

Полученные результаты свидетельствуют о преобладании дрожжевых клеток в составе инокулята (рис. 1). Следует отметить, что в составе инокулята также присутствуют сульфатре-дуцирующие бактерии в количестве около 950 КОЕ/1 мл.

Для выявления роли консорциума КТ и микроорганизмов в составе сточных вод проводились дополнительные исследования активности микроорганизмов в условиях периодического культивирования консорциума КТ в сточной воде производства нитроцеллюлозы, стерильной сточной воде и стерильном модельном растворе сточной воды. Результаты высевов образцов суспензий на МПА представлены на рис. 2.

Рис. 1. Количество микроорганизмов в консорциуме КТ

Рис. 2. Количество гетеротрофных микроорганизмов в различных средах культивирования

Согласно полученным данным, количество гетеротрофных микроорганизмов, выросших в процессе культивирования консорциума КТ в стерильных средах, а именно, в сточной воде и ее модельном растворе, практически одинаково (рис. 2). При этом дегидрогеназная актив-ность микроорганизмов при культивировании в стерильном модельном растворе оказалась в 1.3 раза большей, чем в системе культивирования консорциума КТ в стерильной сточной воде (рис. 3). Данный факт связан с тем, что, в составе модельного раствора присутствует легко-доступный субстрат, что обусловливает более высокую ферментативную активность микро-организмов по сравнению с их активностью в стерильной сточной воде.

Наибольшее количество гетеротрофных микроорганизмов, отличающихся максималь-ной дегидрогеназной активностью, было зафиксировано при культивировании в реальной сточной воде. Так, в этом случае дегидрогеназная активность микроорганизмов в 1.8 раз превышала таковую для условий культивирования в стерильных средах и больше чем в 4.6 раз - исходного консорциума (рис. 2).

Очевидно, что в среде культивирования КТ в реальной сточной воде микробиоценоз формируется не только гетеротрофными микроорганизмами, входящими в состав консорциума КТ, но и микроорганизмами, входящими в состав сточных вод производства нитроцеллюлозы. Высокая ферментативная активность микроорганизмов в данной среде при выявленной низкой ферментативной активности консорциума КТ в стерильном модельном растворе сточной воды определена, прежде всего, высокой дегидрогеназной активностью микроорганизмов сообщества сточных вод, поскольку последний сформирован составом этих сточных вод и адаптирован к ним.

Учитывая наличие в составе консорциума КТ дрожжей, молочно-кислых бактерий и сульфатредуцирующих бактерий, были оценены количества этих микроорганизмов в процессе культивирования в различных средах. Результаты высевов микроорганизмов на селективные питательные среды представлены на рис. 4, 5.

Рис. 3. Дегидрогеназная активность микроорганизмов в различных средах культивирования

Рис. 4. Количество молочнокислых бактерий и дрожжей в различных средах культивирования

Рис. 5. Количество сульфатредуцирующих микроорганизмов в различных средах культивирования

Согласно полученным данным наибольшее количество дрожжей, молочно-кислых и сульфатредуцирующих бактерий аналогично общему количеству гетеротрофной биомассы обнаружено в среде культивирования «КТ + сточная вода». При этом в условиях культивирования КТ в стерильном модельном растворе сточной воды наблюдается большее количество этих микроорганизмов, чем в условиях культивирования КТ в стерильной сточной воде. Так, количество дрожжевых клеток в модельном растворе больше, чем в стерильной сточной воде в 2.1 раза (рис. 4). Очевидно, что стерильная сточная вода не является оптимальной средой для развития дрожжевых культур. Согласно литературным данным дрожжи активно развиваются в сточных водах, богатых углеводами, углеводородами и органическими кислотами [6]. Учитывая, что в состав модельного раствора сточных вод входят такие углеводы, как сахароза и крахмал, можно говорить о благоприятных условиях развития дрожжей в этой среде в сравнении с реальными сточными водами.

Рис. 6. Изменение концентрации сульфатов-ионов в различных средах культивирования

Количество молочнокислых бактерий в модельном растворе больше количества клеток в стерильной сточной воде в 1.4 раз (рис. 4). Это связано с тем, что в модельном растворе содержатся углеводы, обусловливающие благоприятные условия для развития молочно-кислых бактерий [7].

Аналогичным образом, наибольшее количество сульфатредуцирующих бактерий обнаружено при культивировании в нестерильной сточной воде (рис. 5). При этом количество сульфатредуцирующих бактерий в стерильном модельном растворе больше количества микроорганизмов в стерильной сточной воде в 1.3 раза.

Результаты изменения концентрации сульфатов в процессе периодического культивирования свидетельствуют о наименьшей активности сульфатредуцирующих бактерий в среде «КТ+стерильная сточная вода» (рис. 6), что коррелирует с их меньшим количеством в этой среде (рис. 5).

Выводы

микроорганизм очистка сточный культивирование

Основной вклад в формирование микробиоценоза биофильтрационной системы вносят микроорганизмы, входящие в состав реальных сточных вод, поступающих на очистку. Консорциум КТ формирует микробиоценоз на начальном этапе процесса очистки в пусковой период его работы. По мере поступления на очистку производственных сточных вод микроорганизмы консорциума КТ постепенно вытесняются из биоценоза аборигенными микроорганизмами сточных вод вследствие неоптимальности состава сточной воды как среды для культивирования специфических представителей консорциума КТ.

Литература

[1] Кобелева Й.В., Сироткин А.С., Кирилина Т.В., Агзамов Р.З. Анализ микробных сообществ в процессе биофильтрации сточных вод производства нитроцеллюлозы. Изв. Самарского науч.центра РАН. 2014. Т.16. №1-6. С.1761-1769.

[2] Агзамов Р.З., Сироткин А.С., Братилова О.Б., Петров С.Е., Хацринов А.И., Михайлов Ю.М. Биологические методы утилизации отходов производства нитроцеллюлозы. Вестник каз. техн. ун-та. 2012. Т.15. №20. С.172-175.

[3] Сироткин А.С., Абитаева И.У., Лапшина Т.В., Кирилина Т.В., Агзамов Р.З. Оценка эффективности процесса биофильтрации сточных вод производства нитроцеллюлозы. Вестник каз. техн. ун-та. 2013. Т.16. №6. С.124-127.

[4] Кирилина Т.В., Сироткин А.С., Денеке М. Пространственное распределение азоттрансформирующих микроорганизмов в процессе биофильтрации сточных вод. Вода: химия и экология. 2012. №5. С.60-65.

[5] Яхкинд М.И., Таранцева К.Р. Подбор микроорганизмов для утилизации некоторых видов отходов. XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. 2013. Т.2. №9 (13). С.194-200.

[6] Кузнецов А.Е. Научные основы экобиотехнологии. учебное пособие. М.: Мир. 2006. 504с.

[7] Минеева Л.А., Гусев М.В. Микробиология. 4-е изд. М.: Академия. 2003. 464с.

Размещено на Allbest.ru