Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Исследование микробной деструкции некоторых бактерицидных веществ-загрязнителей сточных вод

ВАК РФ 03.00.07, Микробиология

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Давыдкина, Людмила Емельяновнаа

1. ВВЕДЕНИЕ

2. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

2.1. Обоснование метода очистки промышленных сточных вод от органических бактерицидных веществ

2.1.1. Необходимость очистки производственных стоков

2.1.2. Выбор метода очистки промышленных сточных вод

2.1.3. Микробная деструкция некоторых органических веществ

2.2. Особенности деградации органических бактерицидных веществ микроорганизмами

2.2.1. Основные закономерности культивирования и инактивирования микроорганизмов

2.2.2. Факторы, определяющие процесс культивирования микроорганизмов

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

3.1. Материалы и методы исследований

3.1.1. Методы культивирования микроорганизмов

3.1.2. Аппаратурное оформление и описание процесса деградации бактерицидных органических веществ микроорганизмами

3.1.3. Методические приемы оценки результатов исследований

3.2. Разработка методического подхода к изучению деградации органических бактерицидных веществ микроорганизмами

3.3. Изыскание и выбор микроорганизмов, деградирующих фенолеодержащие вещества

3.3.1. Выделение и идентификация микроорганизмов

3.3.2. Исследования деградирующей способности микроорганизмов в различных условиях

3.3.3. Изучение деградации бактерицидных веществ смешанными культурами микроорганизмов

3.4. Изучение возможности деградации фенолсодержащих веществ культурой s^z-///// s № в условиях, имитирующих очистные сооружения

3.4.1. Исследование процесса деградации фенолсодержащих веществ культурой S^fc-t/Je.^ sis///<?;sll> 3 в аэротенках периодического действия

3.4.2. Изучение возможности деструкции фенолсодержащих веществ штаммом ^///¿v's в биофильтрах и аэротенках непрерывного действия

3.4.3. Обоснование возможности обеспечения нормативных показателей при очистке сточных вод от фенолсодержащих веществ

4. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

5. ВЫВОДЫ

Введение Диссертация по биологии, на тему "Исследование микробной деструкции некоторых бактерицидных веществ-загрязнителей сточных вод"

Охрана окружающей среды от загрязнения - проблема, которая приобрела в настоящее время мировое'значение. Рост научно-технического прогресса и индустриализация, химизация всех аспектов жизнедеятельности человека создали предпосылки для постоянно возрастающего загрязнения окружающей среды. В СССР этой проблеме уделяется большое внимание, что нашло отражение в ряде постановлений правительства и в решениях ХХУ и ХХУ1 съездов КПСС.

Широко распространенными загрязнителями промышленных сточных вод являются органические соединения, обладающие бактерицидными свойствами, в частности фенол- и формальдегидсодержащие вещества.

Фенол и формальдегид входят в состав дезинфицирующих препаратов, применяемых в различных технологических процессах. Кроме того, фенол является побочным продуктом гидролиза растительного сырья, а также содержится в стоках микробиологических производств и целого ряда отраслей народного хозяйства.

Как известно, фенол и формальдегид - высокотоксичные вещества, вредные как для человека, так и для окружающей среды, о чем свидетельствуют низкие значения их предельно допустимых концентраций.

Являясь трудноразлагаемыми соединениями, они сохраняются продолжительное время в сточных водах и при их сбрасывании в водоемы, оказывают токсическое действие на отдельные звенья природных экосистем. В связи с этим, необходима очистка промышленных сточных вод, содержащих эти вещества.

Особенно важен правильный выбор метода очистки. Для сточных вод различных отраслей промышленности, содержащих фенол и формальдегид в концентрациях, не превышающих 2000мг/л, целесообразно использовать биохимический метод, как наиболее органичный и ведущий к полной минерализации указанных веществ. Вместе с тем,биологическая очистка промышленных стоков с помощью полей фильтрации и полей орошения мало эффективна, а также предсталяет определенную эпидемиологическую угрозу для населения. Поэтому применяются специальные очистные сооружения - биофильтры и аэротенки. Для обеспечения эффективной биологической очистки используют микробный метод и специально сформированные микробные ценозы. Это обуславливает необходимость поиска бактерий-деградантов, в частности, штаммов, способных утилизировать фенол и формальдегид. Штаммы-деграданты, найден-^ ные ранее и используемые в настоящее время при очистке от фенола и формальдегида сточных вод предприятий различных отраслей промыш ленности, обладают рядом недостатков: требовательностью к составу питательных сред, невысокой скоростью деградации, неспособностью к I утилизации повышенных концентраций указанных веществ и тд. Поэтому, необходимо изыскание новых высокоактивных микроорганизмов, а также детальное изучение процессов деструкции. В связи с этим, основной, ( целью настоящей работы являлось изучение процесса микробной деструк-| ции некоторых органических бактерицидных веществ, часта встречающихся в промышленных сточных водах в качестве загрязнителей. / Новизна и актуальность исследований заключается в рассмотрении I деструкции указанных веществ как процесса культивирования микроорганизмов при использовании органических бактерицидных веществ в качестве субстрата, в подборе параметров, всесторонне характеризующих изучаемый процесс и применении их для описания деструкции фенол-содержащих веществ новым штаммом бактерий. ^ На защиту выносятся сформулированные лично автором следующие основные положения, заключающиеся в том, что: во-первых, деструкция исследуемых органических бактерицидных веществ микроорганизмами рассматривается как один из вариантов их взаимодействия, когда концентрация дезагента уже находится у порогового (допустимого) зна чения, но еще не оказывает ингибирующего влияния на микрофлору; во-вторых, разработан методический подход к изучению деградации органических бактерицидных веществ микроорганизмами, заключающийся в использовании ряда параметров, что позволяет характеризовать как конечные результаты, так и динамику процесса деструкции, при этом установлена математическая зависимость, отражающая связь скорости разбавления сточных вод и исходной концентрации в них исследуемого вещества при непрерывном процессе деградации. "

Основные результаты проделанной работы заключаются в следующем:

- автором идентифицирован новый бактериальный штамм (биохимический вариант ВааНиБ ), способный утилизировать фенол в концентрациях до 3000мг/л, что значительно превышает возможности ранее использованных для этих целей штаммов. Штамм защищен авторским свидетельством; - теоретически обоснована и экспериментально подтверждена разработанная и предложенная автором методика оценки результатов исследований по деградации бактерицидных органических веществ различными микроорганизмами; - изучены режимы утилизации фенолсодержащих веществ новым штаммом ъм^к&ъ № 3 в условиях лаборатории при различных температурных режимах (от 18° до 60°С), различных исходных концентрациях источника углерода - фенола (до 2000мг/л, лизола до 1500мг/л), на средах различного состава при различных значениях рН (от 6,8 до 7,4);

- экспериментально показана на моделях биофильтра и аэротенков как периодического, так и непрерывного действия возможность использования вновь выделенного штамма № 3 для очистки сточных вод, содержащих фенол в условиях, имитирующих очистные сооружения;

- установлена высокая адаптивная способность изучаемой культуры: штамм деградирует фенол в концентрации до ЗОООмг/л на различных средах и сточной воде, содержащей отходы микробиологических производств (в концентрации, соответствующей ХПК=1000мг 0£/л) в составе активного ила, сформированного на основе фенолдеградирующего штамма

Ваыбёиъ Щ и в сочетании с активным илом действующих очистных сооружений.

Результаты проделанной работы доложены на I и II научно-технических конференциях молодых ученых и специалистов ВНИИ БП, на заседании Секции охраны окружающей среды Научно-технического совета Главного управления микробиологической промышленности при Совете Министров СССР, а также представлены в научных отчетах ВНИИ БП (Инв.№1205, 1364) и одной научной статье. По результатам исследований получено авторское свидетельство на изобретение: "Штамм, вариант №3 используемый для очистки промышленных сточных вод от фенолсодержаших соединений ("871527, 1981г.

Разработка теоретических положений выполнена лично автором под руководством С.А.Дйарылгасова и А.Н.Божко. Экспериментальные исследования выполнены автором совместно с сотрудниками лаборатории Л.С.Наумовым и М.Н.Григорьевой, а также при участии Л.А.Сергуниной и О.И.Астаховой, которым автор приносит свою благодарность.

Автор считает своим приятным долглм выразить глубокую благодарность директору института, кандидату технических наук В.Н.Злобину, а также научным руководителям: доктору медицинских наук, заслуженному деятелю науки и техники РСФСР С.А.Джарылгасову и кандидату био/ логических наук А.Н.Божко за предоставленную возможность оформления настоящей работы, постоянное внимание и помощь в период написания диссертации.

Заключение Диссертация по теме "Микробиология", Давыдкина, Людмила Емельяновнаа

ВЫВОДЫ

1. Выделен, идентифицирован и защищен авторским свидетельством новый бактериальный штамм ^¿''■¿'•¿^'З № 3 (биохимический вариант Вя^/Л^ь ) с высокой деградирующей способностью по отношению к фенолу (утилизирует фенол в концентрации до 2000мг/л при температуре 55-60°С в течение 72 часов).

2. Предложен, теоретически и экспериментально обоснован новый методический подход к изучению процесса микробной деструкции бактерицидных органических веществ (в частности 5 феноля), основанный на использовании комплекса параметров, характеризующих как конечные результаты, так и динамику процесса, что позволяет целенаправленно отбирать наиболее активные микроорганизмы-деграданты указанных веществ, а также оптимизировать процесс микробной деструкции в стерильных и натурных условиях. На основе разработанного методического подхода составлены методические рекомендации.

3. Экспериментально выявлены оптимальные режимы деструкции токсических трудноразрушаемых фенольных соединений исследуемой культурой ( № з) в лабораторных условиях. Показано, что наиболее эффективно процесс осуществляется при исходной концентрации бактериальных клеток I х Ю^кл/мл на синтетической минеральной среде, содержащей фенол в концентрации 2000мг/л, температуре 55-бО°С и соответствующем режиме аэрации (до 100см3/мин).

4. В опытах на микробной тест-системе экспериментально показано отсутствие вторичных токсических метаболитов после деградации фенола исследуемой культурой, что дает основание рекомендовать ее для биохимической очистки сточных вод от токсических фенолсодержа-щих соединений.

5. Показана практическая возможность осуществления деградации фенола в концентрации до ЗОООмг/л штаммом Вйа^^з ъм/АЖь № 3 в присутствии активного ила, сформировавшегося при проведении процесса в нестерильных условиях, а также исследуемым штаммом бактерий в сочетании с активным илом действующих очистных сооружений, что позволяет повысить эффективность очистки фенолсодержащих сточны> вод.

6. Установлена экспериментально высокая адаптивная способность фенолдеградирующего штамма £¿-/-///-//5 № 3: осуществление процесса возможно в широком диапазоне температур (20-60°С), на средах различного состава (на синтетической среде в присутствии лизола, в воде, содержащей биогенные соли и в сточной воде с амилосубтилином), как в чистой культуре, так и в присутствии посторонней микрофлоры, что является одним из преимуществ исследуемого штамма по сравнению с известными ранее фенолдеградирующими микроорганизмами.

7. Экспериментально показана возможность использования штамма Вые-;ъиЖЖъ № 3 для деградации фенола в аппаратах периодического и непрерывного действия (аэротенки, биофильтр ) в условиях, приближенных к реальным, что позволяет считать его пригодным для очистки фенолсодержащих стоков.

Соискатель:

Научные руиоВсн^ители:

Библиография Диссертация по биологии, кандидата биологических наук, Давыдкина, Людмила Емельяновнаа, Москва

1. Wheathy J., Hardeman Т. Effect of dressing and cooking on DDT concentration in certain fish from lake Michigan. J.Pish. Res. Can., 1965,^525-529.

2. Sacmanloa M., Palwasara D., Szokolay A. Contribution to the study of drinking water Danube and biocenose contanination with chlorinated insecticides. Water Res., 1977,^11 ,£>.551-553.

3. Engelhardt J., Rast H., Walnofer IT. Bacterial metabolism of substituted phenols. Arch. Microbiol., 1977,/Н14,p.25-33*

4. Herbess S., Schvra.ll L., Willianes T. Rate of microbiol transformation of polycyclic aromatic Hydrocarbons: a chromatographic quantification. J. Appl. Bacter., 1978,^4^/1,^.67-72.

5. Грушко Я.M. Вредные органические соединения в промышленных сточных водах. Л., "Химия", 1976,-127с.

6. Ротмистров М.Н., Гвоздяк П.И., Ставская С.С. Микробиология очистки воды. К., "Наукова думка", 1978,-268с.

7. Сутокская И.В. Биодеградация и биотрансформация химических водных загрязнений под действием микроорганизмов (научный обзор), экспресс-информ. Гигиена внешней среды, 1976, №5,-20с.

8. Скрябин Г.К., Головлева Л.А. Использование микроорганизмов в органическом синтезе. М., "Наука", 1976,-335с.

9. Производственная санитария в микробиологической промышленности. Под ред. Падалкина В.П., М., "Лесная промышленность", 1980,~200с.

10. Васильев Н.Н., Амбросов В.А., Складнев А.А. Моделирование процессов микробилогического синтеза. "Лесная пром.", 1975,-344с.

11. Кальченко К.И., Колло P.M. Аллергизация организма и носительство дрожжеподобных грибов из рабочих дрожжевых цехов гидролизных заводов. В кн.: Научн. Труды Иркутского мед. инс-та. 1970, вып.98,с.101-104.

12. Dimmick R.L. Laboratory hazards from accidentally produced air-bornmicrobes. Develop. Ind. Microbiol. ,1974^15,/>44-47.

13. Wilkinson G.R., Baker L.C., Modem trends in stream sterilizatic Prog. Ind, Microbiol., 1964,/V5,/3.234-282.

14. Арбузова H.A., Рябченко В.A., Гольдин В.A., Меццельсон Э.Л.

15. К оценке эффективности обеззараживания сточных вод радиационнымметодом. Гигиена и санитария» 1976» 1*5,с.103-105.

16. Oliver В.G., Carey J.H. A scale- up investigation of ultaviolet desinfection as alternative to chlorination forsewage effluents. Can. J. Chem. Eng. ,1975,v.53,/v6,£.711-712.

17. Применение дезинфектантов в виде аэрозолей для обеззараживания. Алексеева М.И., Мальков О.С., Савельева А.Р., Цетлин В.М. В кн. "Материалы международного симпозиума по дезинфекции и стерилизации". М., "Медицина", 1972, с.52-53.

18. Опыт обеззараживания производственных помещений аэрозольным методом. Борисова Т.А., Мальков О.С., Мартищин М.Е., Боченин Ю.И. Тр. ВНИИдезинфекции и стерилизации. M., 1967, чЛ, вып. 18,с.163-165.

19. Виснапуу Л.Ю., Ленцнер Х.П., Сийрдс Т.Э. Пневматический генератор электроаэрозолей для дезинфекции глилых помещений. Уч. зап. Тартусского Гос. Университета, 1971, вып.283, с.129-149.

20. Тихомиров В.К. Пены. Теория и практика их получения и разрушения. М., Химия, 1975,-268с.

21. Вашков В.И., Истомина Т.И., Погодина Л.Н., Полежаев В.Г., Тимонин О.П. Справочник по дезинфекции, дезинсекции и дератизации. М., Мед.литература, 1962,-166с.

22. Правила техники безопасности, производственной санитарии и санитарно-противоэпидемического режима для предприятий по производству бактерийных и вирусных препаратов Мин.здрав СССР M., 1967,-Юс.

23. Руководство по обеспечению биологической безопасности в национальных институтах здравоохранения США. Вашингтон, 1974,-159с.

24. Лазарев Н.В. Химически вредные вещества в промышленности. Л.М., Госхимиздат, 1951, ч.1,-236с.

25. Жуков А.И., Демидов Л.Г., Монгейт И.Л., и др. Канализация промышленных предприятий. Очистка промышленных сточных вод. Изд. 4-е,-М., Стройиздат, 1969,-370с.

26. Канализация. Наружные сети и сооружения СНиП П-32-74. ч.2. Нормы проектирования. М. Гос. Комитет Совета Министров СССР по делам строительства (Госстрой), 1974,-17с.

27. Когановский A.M., Кульский Л.А., Сотникова Е.В., Шмарук В.Л. Очистка промышленных сточных вод. К., Техника, 1974,-257с.

28. Скирдов И.В. и др. Научные исследования в области механической и биологической очистки сточных вод. Труды В0ДГЕ0, М.,1979, с.135-145.

29. Калининский B.C., Богатых Е.В. 0 методах обеззараживания фенол-.содержащих вод. Водные ресурсы, 1977, JM, с.31-35.

30. Meinik F., Stoff Н., Kohlsetütter Н. Industrie-Abroasser. 4 Auff. Stuttgart. Fischer., 1968, XIII,-714S.

31. Жуков А.И. Производственные сточные воды. М. Медицина, 1948,-35Яс.

32. Щеголев К.В. Об использовании шлака и золы для очистки промышленных стоков. Гигиена и санитария, 1952^17, с.94-99.

33. Голин,Драбен, Глушко, Носек, Птичек. Очистка фенольных сточных вод на шлаковых фильтрах. В0ДГЕ0 научные сообщения. Очистка промышленных сточных вод. 1963, с.143-150.

34. Алексеева В.А. Химия и технология топлив и масел, 1965, №8, с.27

35. Микрякова Т.Ф., Клайн Н.П. Влияние различных факторов на распад фенола. Труды института биологии внутренних вод АН СССР1975, вып.30 (33), с.135-139.

36. Henson Е. Occup. medicine. 1959,Vil ,/^2,^457-462.

37. Роговская Ц.И. Биохимический метод очистки промышленных сточных вод. М. Стройиздат, 1967,-140с.

38. Микробиология загрязненных вод. Под ред.Митчелла М."Медицина",1976,-323с.

39. Воронкевич И.В. Выживаемость фитопатогенных бактерий в почвепо современным представлениям. Журнал общ.биол., 1973, 34, №5, с.666-676.

40. Затула Д.Г., Резник С.Р. Влияние метаболитов споровых сапрофитных бактерий на организм человека и животных. К., "Наук.думка", 1973,-120с.

41. Голубовская Э.К. Биологические основы очистки воды. М. "Высшая школа", 1978,-268с.

42. Мген В.А., Сухомлинов Б.П., Костенко В.Ф. "Одноступенчатая очистка фенольных сточных вод с применением активного ила ".Вин.: Микробиологические методы борьбы с загрязнением окружающей среды. Тезисы докладов АН СССР.,. Пущино, 1975/., с.30-33.

43. Hansen D., Egan J.W., Cobb H.D. A delicated function biodégradation system for traetment of piont-source phenolic waste water. Abstr. 79th Annu. Meet. Amer. Soc. Microbiol., Los Angeles,Calif, 1979, Washington. D.C., 197^/э.234-2?6.

44. Предельно-допустимые концентрации вредных веществ в воздухеи в воде. Справочное пособие для выбора и гигиенической оценки методов обезвреживания промышленных отходов. М. "Химия", 1975,-74<

45. Radkhakrishnan J., Sinha Ray А.К. Activated sludge studies with phénol bacteria. J. Water Poil. Controll. Ped., 1974y46,yb2393-2399.

46. Романдина E.C. Направленное действие микроорганизмов- одиниз путей повышения эффективности биологической очистки сточных вод. Сб. "Биологическое самоочищение и формирование качества воды". М. "Наука", 1975, с.ПО-112.

47. Левин И.Ш. и др. Интесификация биологической очистки стоков. М. "Бумажная промышленность", 1976, №2, с.32-38.

48. Хапус Мойла, Кирсо Чуве и др. Кинетика совместного биохимического окисления 3,4-бензпирена и фенолов на адаптированных илах Изв. АН Эст. ССР "Химия. Геология", 1975 , 24, Ш,с.240-242.

49. Гриценко C.B., Газиева A.M., Филиппов Н.А.Очистка сточных вод производства синтетических жирозаменителей адаптированной микрофлорой. Микробиологические методы борьбы с загрязнением окружающей среды. Тезисы докладов. Пущино, 1979г., с.44-46.

50. Wilkinson T.G.,Hamer С. The microbiol oxidation of mixturesof methanol, phenol, aceton and isopropanol with referenceto effluent purification. J.Chem. Technol.and Biotecnol.,1Э7ЭуЛ Др56-67.

51. Ludberg J.E.,Nicks G.D. Phenols and thiocyanate removed from cc ke plants effluents. Water. E.-Sew. Works, 1969,Vl 16^570-574.

52. Newfeld R.D.,Waliknec T. Inhibition of phenol biodégradation by thiocyanate. J.Water Pollution Control.Fed., 19797V„ 51/^2283-2291.

53. Путилина H.Т., Квитницкая H.H., Костовецкий Я.И. Микробный метод обесфеноливания сточных вод. К. "Здоров'я", 1964,-86с.

54. Iiobayashi M., Tehan V.T. Treatment of industrial waetjsolution and production of usefull by-products using photosynthetic bacterial method. Wastes Res., 197^к7/8,^.119-1129.

55. Ono H., Kanekov T.,Tonomuta K.Purification of Iindustrial wastes by microbiol methods. In:Biochemical and Industrial

56. Aspects of Fertilisation, 1971;/>297-328.

57. Ставская С.С., Волченкова 0.А.'Использование микроорганизмовдля очистки загрязненных вод. Вод. ресурсы., 1979, №3, с.151-160

58. Юровская Е.М. Экспериментальное изучение обесфеноливания сточных вод газогенераторных станций фенолразрушающими бактериями Авторореферат, Харьков, 1964,-15с.

59. Юровская Е.М. Микробиологическая очистка сточных вод предприятий черной металлургщ.А««Микробиологические методы борьбы с загрязнением окружающей среды. Тезисы докладов АН СССР, Пущино, 1979,с.57-59 .

60. Юровская Е.М. Методические указания по применению микробов для обесфеноливания в аэротенках сточных вод газогенераторных станций и коксохимических заводов. Киев. НИИ Коммунальной гигиены 1962,-57с.

61. Микрякова Т.Ф., Клайн Н.П. Влияние различных факторов на распад фенола. Труды ин-та биологии внутренних вод АН СССР, 1975, вып.30/33, с.135-139.

62. Костяев В.А., Баронкин Л.А. Распад фенола в различных средах. Труды ин-та биологии внутренних вод АН СССР, 1973, вып.24/27, с.178-183.

63. Костяев В.М. Некоторые закономерности разрушения фенола в р.Волге и ее притоках. Труды ин-та биологии внутренних вод АН СССР, 1973, вып.24/27, с.205-211.

64. Лаптева Н.А., Микрякова Т.Ф. и др. Распад фенола в искусственных водоемах. Труды ин-та биологии внутренних вод АН СССР, 1973, вып.24 (27), с.159-166.

65. Eberpacher J., Hang S. et al. Breakdown of the herbicide

66. Pyramine by microorganisms of the siol, Z , Bacter. Hyg. Abt. Ori1976,^162 ,/345-148.

67. Патент Великобритания. МКИ C02 5/10 №1429145, 1976- Способочистки промышленных сточных вод от перхлоратов и хлоратов.

68. Патент. Франция, МКИ СО 25/10. №2277045, 1976г. Способ очисткисточных вод для удаления из них перхлоратов и хлоратов. 57# Alexander М.Environmental and microbiological problems arising arising from ucalitrant molecules. Microbiol. Ecol.,1975,2,1,17-24.

69. Горбаль H.C., Петренко М.Б., Матвиенко Е.Л. и др.Микроорганизмы как основной фактор трансформации пестицидов. Сб. "Круговорот вещества и энергии в водоемах", 1977, с.179-180.

70. Finn R, Use of semi-pure cultures for pretreatment industrial wastor water. 5-th Int. Ferment,Symp, 4-th Int. Sp. Symp.Yeasts., Berlin, 1976 ,-334