Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Микробиологические превращения соединений фосфора и металлов в природных и сточных водах

ВАК РФ 03.00.07, Микробиология

Автореферат диссертации по теме "Микробиологические превращения соединений фосфора и металлов в природных и сточных водах"

ртв

2 3 На правах рукописи

БАННИКОВА Ольга Михайловна

'зёь^

МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ СОЕДИНЕНИЙ ФОСФОРА И МЕТАЛЛОВ В ПРИРОДНЫХ И СТОЧНЫХ ВОДАХ

03.00.07 - микробиология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Пермь -1998

Работа выполнена в Институте экологии и генетики микроорганизмов Уральского отделения РАН, г. Пермь

Научные руководители:

доктор биологических наук А.И.Саралов, доктор технических наук В.А.Горшков

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, профессор Г.Н.Соловых, кандидат биологических наук Т.И.Карпуннна

Ведущая организация'- Институт Микробиологии РАН, г. Москва

/; .

Защита состоится "16" декабря 1998 г., в 14.00 часов на заседании диссертационного совета К 200.46.01 Института экологии и генетики микроорганизмов УрО РАН по адресу: 614081, г.Пермь, ул. Голева, 13.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института экологии и генетики микроорганизмов УрО РАН.

Автореферат разослан "16" ноября 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор биологических наук, старший научный сотрудник

И.Б.Ившипа

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В проблеме чистой воды особо пристальное внимание уделяется изучению источников поступления в континентальные водоемы соединений фосфора и металлов, а также процессов их удаления из природных и сточных вод. Внешнюю нагрузку по фосфору относят к важнейшим показателям антропогенного эвтрофирования водоемов разного типа, а тяжелые металлы рассматривают как представляющие значительную опасность для гидробионтов и человека (Vollenweider, 1975; Илялетдинов, 1979). Выявлена существенная роль тионовых и сульфатвосстанавливающих бактерий в трансформации сульфидных минералов, в образований кислых шахтных вод, в окислении и восстановлении железа, в биокоррозии металлических конструкций, в регулировании выноса фосфора из донных отложений, в осаждении фосфора и металлов из природных и сточных вод (Booth, 1971; Андреюк, Козлова, 1989; Илялетдинов, Алиева, 1990; Горшков, 1995). За последние десятилетия значительно обогатились наши знания о разнообразии метаболических возможностей фосфатаккумулирующих бактерий (ФАБ) и их роли в совместном удалении соединений углерода, фосфора и металлов из природных и сточных вод (Кулаев, 1975; Wood, Clark, 1988). Не вполне ясны взаимосвязи ФАБ с микроорганизмами цикла железа и серы, которые известны своей геохимической деятельностью и потому ранее представлялись перспективными при разработке технологических схем для биологических очистных сооружений (БОС). Явно недостаточно сведений по физиологии и экологии ФАБ в поверхностных и подземных водах разного генезиса. Оказались практически неизученными закономерности распространения ФАБ в фосфо-ритоносных породах и сопредельных грунтовых водах.

Целью данной работы являлось изучение взаимосвязанных микробиологических процессов превращения соединений фосфора и металлов в сточных и природных водах разного генезиса.

Основные задачи исследований:

1. Изучить ряд поверхностных, прдземных и сточных вод, фосфорито-носных пород Западного Приуралья и определить экологические условия, благоприятствующие распространению ФАБ.

2. Провести сравнительное исследование динамики накопления полифосфатов металлов по стадиям роста чистых культур ФАБ.

3. Выявить возможные пути практического использования фосфатаккумулирующих, сульфатвосстанавливающих и тионовых железобактерий для совместного удаления из сточных вод соединений металлов, фосфора и других биогенных элементов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Acinetobacter calcoaceticus ИЭГМ ВТ 548 обладает способностью к "сверхнакоплению" внутриклеточных полифосфатов в начальный период роста и стационарной фазе.

2. Для естественных.сообществ микроорганизмов сульфаты сами по себе не являются препятствием для накопления внутриклеточных полифосфатов,

особенно если при дефиците органического вещества не происходит образования и накопления сероводорода с участием сульфатвосстанавли-вающих бактерий или железа с участием ацидофильных -пионовых бактерий.

3. Ацидофильные железобактерии ТЫоЬасШш /еггоохМат перспективны для получения биокоагулянта из мягких марок сталей.

4. Эффективность работы БОС можно повысить путем оптимизации условий для накопления в микрофлоре активного ила внутриклеточных полифосфатов металлов.

Научная новизна работы. Впервые показано, что грамотрицательная бактерия Асте1оЪаШг сакоасеИсш ИЭГМ ВТ 54Е в условиях замедленного роста на несбалансированных средах с ацетатом, бутиратом, додеканом и н-гексадеканом обладает способностью к "сверхнакоплению" внутриклеточных полифосфатов и фосфатов металлов на поверхности клеток и в среде. Аномально высокий уровень накопления биоминералов (до 60-68% от сухой биомассы) достигнут в период лаг-фазы длительностью более 5 ч после пребывания голодающих клеток в анаэробных условиях. Максимальный выход биомассы периодических культур ФАБ в стационарной фазе (до 10 г с.б./л) достигается в сбалансированной среде после накопления в клетках начальной фазы необходимого резерва ПФ (10-20% с.б.).

Общие закономерности распространения фосфатаккумулирующих, сульфатвосстанавливающих и тионовых железобактерий в природных и сточных водах, фосфоритоносных породах Западного Приуралья обусловлены тесным сопряжением физико-химических и биологических факторов, причем одним из основных экологичесикх факторов является концентрация растворенных ионов водорода (значение рН среды). Интенсивного накопления внутриклеточных полифосфатов металлов не происходит при доминировании в естественных сообществах микроорганизмов сульфат-вос.станавливающих бактерий (при рН 6.8-7.2) или ацидофильных железобактерий (при рН 2.8-6.7).

Практическая значимость работы определяется тем, что разработаны: ,. экономичный способ получения биокоагулянта с Бе3+ из металлической стружки мягкой нелегированной стали с использованием тионовой железобактерии ТЫоЬасШш /еггоохШат, пригодный для удаления фосфора и металлов из сточных вод;

- технологическая схема Для реконструкции БОС г.Перми, которая позволяет повысить эффективность удаления из сточных вод'соедошений азота, фосфора и металлов и сократить избыточную продукцию активного ила.

Апробация работы и публикации. Материалы диссертации были представлены на Международной конференции по загрязнению окружающей среды (Санкт-Петербург, 1995); региональной научно-технической конференции "Экологическая безопасность населения в зонах градопромышленных агломераций Урала" (Пермь, 1995); Международной конференции "Микробное разнообразие: состояние, стратегия сохранения, экологические проблемы" (Пермь, 1996); Международной конференции "Перспективы раз-

вития естественных наук на Западном Урале" (Пермь, 1996); Международном симпозиуме "Чистая вода России-97" (Екатеринбург, 1997); Международной конференции "Проблемы загрязнения окружающей среды-9В" (Москва, 1998). По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ.

Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 114 страницах машинописного текста и состоит из введения, обзора литературы в двух главах с заключением, экспериментальной части в четырех главах, заключения и выводов. Работа иллюстрирована 17 рисунками и 11 таблицами. Список литературы включает 138 наименований отечественных (90) и зарубежных (48) авторов.

Представленный экспериментальный материал был получен в рамках двух госбюджетных тем: "Разработка и освоение безотходной экотехнологии очистки промышленных сточных вод металлургических и машиностроительных.производств" на 1991-1994 гг. (И государственной регистрации 029. 30 003361); тема, на-1,994-2000 гг. "Изучение гидрохимических и микробиологических процессов биогеохимических циклов биогенных элементов в водных экосистемах" (М государственной регистрации 01. 9. 70005278) и в рамках проекта РФФИ на 1996-1998 гг. "Микробиологическое и гидрохимическое исследование процессов вторичного загрязнения природных и сточных вод Пермского промузла" (грант N 96-04-51043).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

В работе изучали породы месторождений фосфоритных руд, поверхностные и подземные воды разного генезиса ряда районов Пермской, Челябинской и Кировской областей. В 1994-1996 гг. изучали пробы воды и активного ила биологических очистных сооружений (БОС) г.Перми со сбросом очищаемых вод через систему буферных прудов в р.Каму и дренажные воды, р, участков складирования и трансформации избыточного ила, городской кислотный пруд-илоприемник БОС на 600 тыс. м3.

В июле-августе 1997 г. изучали водные массы Нытвенского и Очерского водохранилищ на территории Пермского промузла, подземные воды родников, колодцев и скважин хозяйственно-питьевого назначения в прибрежной зоне водохранилищ на окраине небольших промышленных городов Нытва и Очер, а также БОС г.Ныгва и металлургического завода со стоком очищаемых вод в р.Нытву и водные массы угольной шахты Скальная Чусовского района из штреков с естественным и искусственно затрудненным водообменом со сливом их в р.Глухая.

В октябре 1997 г. изучали смесь конкреций апатита и кальцита с землистыми осадочными горными породами на месторождении фосфоритоь в г.Аша Челябинской области, поверхностные воды р.Сим в 0.5 км ниже г.Аша, подземные воды их колодца и скважины хозяйственно-питьевого назначения, расположенных вдоль Холодного ручья в ущелье у подножия горы с фосфатными рудами. В апреле 1998 г. исследовали фракции влажных

пород из промышленного разреза на глубине от 14 до 15м Вятско-Камского месторождения фосфоритов в карьере на заболоченных землях южнее п.Рудничный Кировской области (Геология месторождений фосфоритов 1980), грунтовую воду второго водоносного горизонта между разрабатываемым фосслоем и подстилающим его водоупорным пластом известковистой глины, а также подземные воды из колодца и хозяйственно-питьевой скважины в п.Рудничный.

В середине мая 1998 г. изучали подземные воды гипсового карста в гротах Кунгурской ледяной пещеры на берегу р.Сылва (Пермская область) в период наиболее интенсивного влияния на них речных паводковых и инфильтрационных грунтовых вод (Кунхурская ледяная пещера, 1990). Пробы инфильтрационных вод отбирали из потока по уступам органной трубы в гроте Эфирный, имеющего сток по дну пещеры в Большое подземное озеро в грот Дружбы народов. Речные воды отбирали в 8 км ниже г.Кунгура, после слияния р.Сылвы с ее основными притоками (pp. Ирень, Шаква и Бабка).

Объектами лабораторных исследований служили чистые культуры Acinetobacter calcoaceticus ИЭГМ ВТ 548, выделенная нами из аэротенка КОС п.Висапшас (Литва) и Dietzia (Rhodococcus) maris 44, выде-

ленная из пластовых вод нефтяного месторождения Пермского Прикамья и описанная ранее (Бердичевская и др., 1984; Саранов и др., 1995), а также чистая культура Thiobacillus ferrooxidans ВКМ-4-458, любезно предоставленная нам Г.И.Каравайко (ИНМИ РАН, г.Москва) и накопительная культура Desulfovibrio desulfuricans, выделенная нами из р.Егошиха, г.Пермь (Горшков, Банникова и др., 1991). Штаммы A.calcoaceticus и D.maris поддерживали на мясопептонном агаре (МПА) и хранили при 4°С. Культуру Т. ferrooxidans выращивали и поддерживали на среде 9К (среда Сильвермана и Люндерена), сульфатвосстанавливающие бактерии - на среде Постгейта "В" (Романенко, Кузнецов, 1974).

В природных образцах и на очистных комплексах выявление и учет численности микроорганизмов, растворяющих фосфаты кальция (на среде Ново-грудского с фосфоритовой мукой), растущих на МПА, ацетате, глюкозе и н-гексадекане, проводили на жидких и агаризованных средах по методу 10-кратных предельных разведений (Родина, 1965; Кузнецов, Дубинина, 1989). Общую численность бактерий и количество клеток с волютиновыми гранулами определяли методом прямого счета на мембранных фильтрах с диамет-ром.пор 0.23 мкм, прокрашенных в течение 1.5 суток толуидиновым синим.

Гидрохимические анализы выполняли по общепринятым методикам аналитической химии промышленных сточных вод (Лурье, 1984). Содержание аммонийного азота в пробах определяли по интенсивности желтой окраски с реактивом Несслера, тяжелые металлы, калий, натрий и хром в пробах - методом атомно-абсорбционной спектроскопии с полным разложением ор-гано-минеральных комплексов концентрированной азотной кислотой, нефтепродукты - спектрометрическим методом на анализаторе АН-1, кальций и магний - тшрометрическим методом с этилендиаминтетраацетатом натрия и

мурексидом при высоком значении рН раствора, содержание растворенного в воде кислорода - по методу Винклера, сульфаты — титрометрическим методом с солями бария, гидрокарбонаты - титрованием 0.1 н НС1, общее железо - по окраске ортофенантролинового комплекса после иерсульфатного разложения на КФК-2 при длине волны 490 нм, фосфаты -спектрофотометрически с молибдатом аммония и сурьмяно-винно-кислым калием в присутствии аскорбиновой кислоты по интенсивности синей окраски на КФК-2 при длине волны 590 нм.

При изучении динамики накопления соединений фосфора по стадиям роста чистых культур полифосфаты вместе с биоминералами отделяли от среды центрифугированием и гидролизовали до Ф„ в растворе 112804 (2%) при 100°С в течение 30 мин. Для получения количествешгого содержания ФПф из найденного значения Фн вычитали значение Фортофосфатое- Полный гидролиз органических и конденсированных соединений фосфора (Ф0бщ) проводили в растворе Н2804 (2%) с персульфатом калия (0.1 г/10 мл) при 100°С в течение 1 часа. Содержание полифосфатов (ПФ) и фосфатов металлов в илах и взвеси определяли после фильтрации через плотный бумажный фильтр, промывки осадка горячим раствором Н28С>4 (2%) и кипячением фильтрата в течение 30 мин.

Корреляционный анализ полученных экспериментальных данных проводили на персональном компьютере с использованием пакета программ йзйса фирмы 81а1зой, ША.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

1. Экспериментальные исследования сульфатвосстанавлпвающнх, тионовых, фосфатаккумулирующпх бактерий и активного ила

Сульфатвосстанавливакнцие бактерии (СВБ) и сероводород способствуют осаждению металлов в виде сульфидов, что позволяет использовать их для очистки природных и сточных вод от взвешенных веществ и металлов (Кузнецов,1 1970; Катаева, 1975). В лаборатории промышленной экологии нашего Института под руководством В.А.Горшкова была разработана биотехнология очистки кислых шахтных вод с использованием СВБ, которая после лабораторных испытаний была опробована в опытно-промышленных условиях на примере шахты Скальная Кизеловского угольного бассейна.

Было установлено, что поддержание скорости подачи питательной среды в промышленные ферментеры на 600 л в диапазоне 10-26 л/ч позволило достичь необходимого уровня биосинтеза сероводорода сульфатвосстанавли-вающими бактериями в интервале значений рН 7.5-7.8 (рис.1). Обращено внимание на тот факт, что наибольший выход сероводорода в культуральной жидкости с добавками разнокачественных сточных вод (192 мг/л) достигался при рН 7.6. Именно при рН 7.6 менее всего сказывалось ингибирующее влияние сероводорода на продукцию биомассы Ве$иЦо\пЪгю с!е.^и1/ипсап^ и других сопутствующих СВБ.

к г/л 200

100

7,5

7,?

7,9 рН

Рис.1. Зависимость продукции сероводорода от рН среды в культураль-ной жидкости проточного ферментера в режиме хемостата (ЕЬ=-55 мв; 1=28°С) Скорость протока: 1-10 л/ч; 2-26 л/ч

Тионовые железобактерии ТЫоЬасШш /гггоохгАапз используют для окисления двухвалентного железа при очистке загрязненных металлами и фосфором промышленных и дренажных вод сульфидных месторождений (Илялетдинов, Алиева, 1990). Нами предлагается более экономичный способ получения биокоагулянта с применением Т. ^ггоохгйат из отходов производства.

В работе использовали металлическую стружку различных марок стали: мягкую ст.20 и легированные, в частности, хромированную ст.30 ХГСА (0.9% Сг). Наилучшей растворимостью в кислой культуральной среде Т. /ег-гоох'и1ап5 с рН 2.0 и высоким ОВП (Еь = 700 мВ) обладала мягкая сталь с наименьшим содержанием легирующих элементов (хрома, меди, цинка и марганца). На третьи сутки растворения ст.20 содержание Рс3+ достигало 58 г/л, а других сталей или их смесей - 10-15 г/л (рис.2). В то время как содержание Бе2+ повышалось лишь в первые сутки, затем убывало в результате микробиологического окисления до ре3+. При этом культуральная среда действует на металлическую стружку как растворитель.

Ре, СТ"20 СТ.МХГСА СТ]20:СТ.ЗОХГСА (1:1)'

Рис. 2. Динамика растворимости различных марок стали в культуре ТЫоЬасШш Геггоох1(1ал8

В результате бактериального растворения металлической стружки был получен более концентрированный биокоагулянт с трехвалентным железом, который пригоден для эффективного осаждения фосфора и металлов, в частности, хрома и меди из сточных вод. Тогда как коагулянт, полученный при продолжительном растворении металлической стружки в серной кислоте при рН 2.0, не позволяет достичь уровня ПДК загрязняющих веществ.

Активный ил БОС г.Перми проявляет ярко выраженную способность отдавать МП^, Фобщ и металлы в течение первых 3-5 суток отстаивания в анаэробных условиях (табл.1). На первых этапах биодеградации биополимеров в анаэробных условиях осуществляется их гидролиз до мономеров и сбраживание мономеров с образованием ряда более простых соединений типа низших кислот, спиртов. При этом имеющиеся нитраты превращаются денитрифицирующей микрофлорой в газообразные продукты. На поздней стадии анаэробного распада органических веществ восстановленные продукты брожений, включая Н2, в значительной мере превращаются в ацетат, что сопровождается закислением среды до рН 6.8. Учитывая полную очистку анаэробного ила от нитратов в первые 2-3 дня, завершение аммонификации в основном в течение 6 суток, развитие процесса сбраживания с образованием кислых продуктов через 6-8 дней, оптимальный срок созревания анаэробного ила БОС г.Перми определен нами в 7 дней.

Таблица 1

Концентрирование соединений азота, фосфора и тяжелых металлов (мг/л) в иадиловой воде и в поверхностном слое 50-сантиметровой колонки активного ила БОС г.Перми после 3 сут отстаивания

Проба Фоб« FCugu, СЗфбщ МПдбш СГобщ Си2* Zn2* NH4+

Исходная сточная вода 4.9 8 55 2.7 0.21 0.09 0.26 1.6

Надиловая вода после

отстаивания 3 сут 8.4 17 60 4-2 0.06 0.05 0.17 5.8

Исходный ил 174 177 134 16.9- 11.0 6.8 9.7 4.1

Поверхностный слой ила после отстаивания 512 248 195 59.3 30.5 23.0 12.6 7.6

После перевода активного ила в режим усиленной аэрации микрофлора очень быстро и эффективно может .поглощать загрязняющие вещества особенно на фоне добавок щелочных солей кальция при рН 8.2-8.4 (табл.2). Совместное внесение в аэрируемую сточную жидкость свежесброженного ила и Са2+ в форме Са(ОН)2 позволяет за 3 ч удалить ортофосфаты на 97.6% и дополнительно соосадить (по сравнению с контролем без добавок) Сг не менее 80%, Си2+ - 70%, Zn2+ - 58%, Feo6c, - 30%.

Таблица 2

Влияние добавок активного ила (10 г/л), выдержаппого в анаэробных условиях 3 сут, и Са2+ в форме Са(ОН)2 (20 мг/л) на динамику и полноту удаления ортофосфатов из аэрируемых сточных вод БОС г.Перми

Добавки к очищаемой воде рН Соде ржание Ф„, мг/л

0ч 1 ч 2ч 3ч

Активный ил Са2+ Активный ил и Са2+ 6.8 8.4 8.2 "2.1 2.1 2.1 1.15 0.95 0.30 0.65 0.28 0.25 , 0.55 0.25 0.05

Результаты серии модельных экспериментов с активным илом использованы для разработки биотехнологической схемы реконструкции БОС г.Перми с целью повышения эффективности совместного удаления загрязняющих веществ из городских сточных вод.

Исследование динамики накопления полифосфатов и биоминералов по стадиям роста чистых культур грамположительной углеводородокисляю-щей бактерии й.тат и грамотрицательной ацетатокисляющей бактерии А.са1соасеИсш показали, что оба изученных штамма в начальный период роста и в стационарной фазе замедленного роста могут накапливать внутриклеточные полифосфаты (ПФ), а фосфаты металлов - на поверхности клеток

и в среде. Ацинетобактер наиболее активно накапливает внутриклеточные ПФ на несбалансированной среде с ацетатом, бутиратом, додеканом и н-гексадеканом. Тогда как мясо-пептонный бульон и благоприятные условия (для быстрого достижения максимальной скорости роста) не способствуют накоплению ПФ в клетках. В расчете на сухую биомассу аномально высокий уровень ''сверхнакопления" биоминералов и ПФ (до 60-68% с.б.) получен в период длительной лаг-фазы (долее 5 ч) Л. са1соасеИст (рис.3). Так, последовательное внесение экзогенных добавок глюкозы и Са в лимитированную по N и Б слабощелочную среду с ацетатом позволяет клеткам после пребывания в анаэробных условиях аккумулировать в течение 6 ч лаг-фазы аномально большое количество Фобщи ПФ, соответственно 750 и 680 мг/г с.б.

Рис. 3. Стимулирующее влияние последовательного внесения добавок глюкозы (10 мг С/л) и кальция (28 мг/л) на динамику накопления в лаг-фазе Фобщ (1) и ПФ (2) клетками АстйоЬа^ег са1-соасейсиБ из анаэробных условий в среде с 10 г/л ацетата натрия, с удвоенным содержанием микроэлементов и дефицитом N и Б

Для достижения уровня "сверхнакопления" ПФ необходима продолжительная начальная фаза роста периодической культуры. Для этого нами был применен засев аэрируемой питательной среды малой дозой инокулята. Ино-кулят предварительно инкубировали З'сут в анаэробных условиях. При ис-ключешш доступа воздуха старые клетки А.са1соасеМсш постепенно используют растворенный в среде кислород и резервные ПФ, значительно увеличивают свои размеры от (1-2 х 2-3) мкм до (2-4 х 6-10) мкм.

Максимальный выход биомассы периодических культур ФАБ в стационарной фазе (до 10 г с.б./л) достигается в сбалансированной среде после накопления в клетках начальной фазы необходимого резерва ПФ 10-20% с.б (рис.4). В случае же "сверхнакопления" в основном высокомолекулярной фракции ПФ (до 60% с.б.) во время длительного лаг-периода на несбалансированной среде конечная продукция бактериальной биомассы ФАБ не превышает 2 г с.б./л. Быстрое же достижение максимальной скорости роста статической культуры на МПА сопровождается резким падением резерва Ф„бЩ и

Фпф, мг/г а.с.б

Рис. 4. Зависимость урожая биомассы фосфатаккумулирующих бактерий в стационарной фазе роста от уровня накопления ПФ в лаг-фазе

лабильной фракции ПФ в клетках, что, в конечном итоге, значительно снижает выход биомассы в стационарной фазе (с 10 до 2 г с.б./л) и приближает фазу отмирания. Поэтому для повышения продукции бактериальной биомассы следует контролировать накопление ПФ в клетках: не допускать их "сверхнакопления" или быстрого и полного исчезновения при умеренной скорости роста в экспоненциальной фазе. Эту зависимость урожая ФАБ от уровня накопления внутриклеточных ПФ в начальной фазе роста необходимо учитывать в биотехнологиях получения максимального выхода биомассы

микроорганизмов и ценных для народного хозяйства продуктов их жизнедеятельности.

2. Распространение фосфатаккумулируннцих, тиоповмх и сульфат-восстанавливагощпх бактерий в природных и сточных водах

На БОС г.Пермн основная часть фосфора сточных вод аккумулируется в биомассе активного ила и сырых осадках в аэротенках и отстойниках в форме ПФ и фосфатов металлов (табл.3). Причем в возвратном иле вторичного и третичного отстойников их содержание может достигать 95-98% от Ф0бт- Тогда как в очищаемой воде перед выходом с БОС их содержание не превышает 8%. Для возвратного ила характерно высокое содержание микроорганизмов с внутриклеточными полифосфатами металлов и ацетатокис-ляющих бактерий, агрегированных с иловыми частицами. Тогда как в поверхностных слоях воды отстойников они уступают по численности свободноплавающим углеводородокисляющим и сапрофитным бактериям. В активном иле эффективно работающих БОС г.Перми, где постоянно поддерживается высокий уровень численности клеток с волютином, ни сульфатвосста-навливающие, ни тионовые бактерии массового распространения не получают. Среди накопительных культур ФАБ, доминирующих в сырых осадках и активном иле БОС г.Перми, нами выделены представители грамположитель-ных бактерий родов Rhodococcus, Nocardia и Corynebacterium, а также гетеротрофных грамотрицателышх бактерий родов Pseudomonas и Acinetobacter.

Таблица 3

Изменения содержания соединений фосфора и численпости бактерий на БОС г.Перми (июль, 1994 г.)

Показатели Вторичный отстойник Третичный отстойник

вода с поверхности возвратный ил вода с поверхности возвратный ил

Фобщ, мг/л 1.36 18.86 1.08 18.80

Полифосфаты и фосфаты металлов, % от Ф06Щ 66.2 97.9 7.4 94.7

Общая численность бактерий, млн. кл/мл 6 557 5 ■ 277

Численность бактерий, (% от общего числа):

С волютином 29.3 30.3

Ацетатокисляющие 3.33 3.77 1.20 1.32

Углеводородокисляюшие 8.33 0.57 1.52 0.28

Сапрофитные 3.83 0.36 2.00 0.94

На БОС г.Нытвы, неудовлетворительно работающих из-за двойной или тройной перегрузки, распад органического вещества идет при активном участии СВБ с образованием и накоплением сероводорода (табл.4). Дефицит растворенного в воде кислорода и высокая концентрация сероводорода особенно негативно отражаются на работе аэрофильтров, где в биомассе верхне-

го слоя загрузки при рН 6.8 явно доминируют СВБ (35% от 144 млн.кл/мл), но количество клеток с волютином понижено (всего 6%). Поэтому интегральный показатель эффективности очистки городских сточных вод — химическое потребление (ХПК) снижается лишь в 1.5-2.5 раза и в течение года колеблется в зависимости от состава очищаемых вод, то есть они проходят лишь стадию предварительной очистки. Более того, в летний период прослеживается негативное влияние процессов вторичного загрязнения очищаемых вод по сульфатам (с 58 до 216 мг/л) и фосфору (с 3.4 до 3.9-5.8 мг/л).

Таблица 4

Распределение содержания веществ (мг/л) и микроорганизмов на БОС г.Нытва (июль, 1997 г.)

Показатели Вход на БОС После первичных отстойников Биопленка аэрофильтра После вторичных отстойников

рН 6.9 7.2 6.8 7.3

Растворенный Ог 1.3 0.1 5.3

Сероводород 5.3 5.8 12.4 1.0

ХПК 153.3 102.5 94.9

Сульфаты 58.4 216.0

Фосфор 3.4 3.9 5.8 3.9

Железо 2.4 1.3

Общее число бактерий (млн. кл/мл) 89 60 144 16

Количество бактерий (% от общего числа):

С волютином 3 19 6 10

Сульфатвосстанавливающие 0.6 0.8 34.7 0.02

На примере Кнзеловского угольного бассейна ранее была показана важная роль тионовых бактерий в возникновении кислых шахтных вод с рН 2.0-5.5 (Хорошавин, 1973; Горшков, 1995). Они загрязнены соединениями серы, железа и взвешенными веществами.

По нашим данным, в аэрируемых кислых водах угольной шахты Скальная и на сливе их в р.Глухая повышено общее количество бактерий, в сообществе микроорганизмов доминируют ацидофильные тиобациллы, преимущественно Т. /еггоох1с1а№ (табл.5). Напротив, в шахтных водах'штрека с искусственно затрудненным водообменом тионовых замещают СВБ, резко падает концентрация железа и сульфатов, среда подщелачивается с рН 2.8-3.1 до 7.6. В этих условиях существенно повышается содержание фосфора (с 0.03 до 0.70 мг/л) и клеток с волютином, 18% от общего числа бактерий. В аэрируемых же кислых водах, перегруженных железом и сульфатами, бактериальные клетки с волютином практически отсутствуют.

Таблица 5

Характеристика подземных вод угольной шахты Скальная (июль, 1997 г.)

Шахтный слив в р.Глухая - Шахтные воды из штрека

Показатели состава вод зона аэрации и активного на глубине 400 м - зона

водообмена затрудненного водообмена

рН 3.13 7.6

Содержание веществ (мг/л):

Фосфор 0.03 0.70

Железо 141.3 0.1

Сульфаты 480.3 57.6

Численность бактерий (тыс.кл/мл):

Обшее число 47000 940

С волютином 0 170

Тионовые 10 0

Сульфатвосстанавливающие 0 1

Сапрофитные 0.01 3

В Кунгурской ледяной пещере, где подземные инфильтрационные и озерные сульфатно-кальциевые воды бедны органическим веществом и хорошо аэрированы, тионовые и СВБ отсутствуют (табл.6). По сравнению с речными водами Сылвы они бедны железом и имеют щелочную реакцию среды с рН 7.5-8.3.'Характерной особенностью этих подземных вод и придонных слоев водных масс в р.Сылве является повышенное количество клеток с волютином и бактерий, растворяющих фосфаты кальция. Эти данные показывают, что сульфаты сами по себе не являются препятствием для накопления внутриклеточных; полифосфатов, особенно если нет СВБ и тионовых бактерий, в частности, в аэрируемых щелочных сульфатно-кальциевых водах Кунгурской ледяной пещеры, бедных железом.

Таблица б

Изменения гидрохимических п -микробиологических характеристик подземных вод Купгурской ледяной пещеры под влиянием ипфпльтра-циоппых и паводковых вод р.Сылвы (поверхностная/ прпдонпая пробы) (18 мая 1998 г.)

Показатели состава вод р.Сылва, 8 км ниже Кунгура Большое подземное озеро Ияфшктрационные воды (капель) в гроте Эфирный

рН 7.4/7.4 8.1 /7.6 . 8.3

Содержание веществ(мг/л):

Растворенный Ог 9.6/ 8.8 9.2 / 9.0 11.2

Сульфаты 10/57 1320 1420

Кальций 26/46 520 520

Фосфор 0.30/0.74 0.03/0.48 0.07

Железо 0.83/1.05 0.05/0.50 0.05

Общая численность бактерий (млн. кл/мл) 9.9/13.3 0.34 / 8.25 6.2

Численность бактерий (% от общего числа):

-С волютином 7.0/ 33.0 22.1 /20.0 40.5

Растворяющие фосфаты кальция 14.4/25.9 0.10/0.05 0.50

Сапрофитные 5.1/0.8 0.44/0.01 0.40

3. Распространение фосфатаккумулирующих бактерий в районах месторождений фосфоритов

Микроорганизмы с внутриклеточными полифосфатами практически отсутствуют в плотных твердых желваках фосфоритов на окраине г.Аша Челябинской области, представляющих собой обезвоженную смесь апатита и кальцита (табл.7). Они появляются и могут достигать высокой численности (18% в общем числе 2.7 млрд. кл/г) в пористых хрупких желваках с рН 7.6 (вместо рН 8.8 у водной вытяжки плотных твердых желваков). Исключительно велика численность ФАБ при рН 7.4 во влажной песчано-глинистой фракции среди желваков конкреций апатита и кальцита с лесной растительностью, образующей в поверхностном горизонте грунта почвенную лесную подстилку. Поэтому здесь на фоне максимальной общей численности бактерий (37 млрд. кл/г) широкое распространение получают сапрофитные и глюкозоокисляхощие бактерии, растворяющие фосфаты кальция из фосфоритовой муки.

Таблица 7

Характеристика фракций осадочных пород на вершине горы с фосфоритовыми рудами в г.Аша Челябинской области (октябрь, 1997 г.)

Показатели Плотные твердые желваки Пористые хрупкие желваки Рыхлая песчано-глинистая фракция фосфорита

рН (водной вытяжки) > 8.8 7.6 7.4

Влажность, % 0.7 1.7 20.0

Содержание веществ (мг/г):

Фосфор 112 133 . 84

Кальций 380 350 270

Железо 0.5 1.2 2.3

Сульфаты 1.2 1.3 0.1

Общая численность бактерий (млрд. кл/г) 0.1 2.7 37.0

Численность бактерий (% от общего числа):

С волютином 0 18.2 25.7

Глюкозоокисляющие, растворяющие

фосфаты кальция 0.01 6.30 3.24

Сапрофитные 0.01 0.07 5.41

Микроорганизмы, солюбилизирующие фосфаты из фосфоритовых руд, довольно многочисленны и в промышленном пласте на глубине 14-15 м Вятско-Камского месторождения Кировской области, особенно в нижнем его ярусе (табл.8). Примерно такую же численность и сходное распределение по слоям имеют сапрофитные бактерии. По-видимому, именно эти эколого-трофические группы гетеротрофных бактерий обусловливают массовое распространение здесь бактериальных клеток с волютином (26-52% от общего числа 1.2-3.7 млрд. кл/г). Наибольшее их количество приурочено к базальному горизонту сверху и снизу фосфоритоносного пласта, сцементированного в плиту, несколько меньше в перекрывающем слое глауконитового песка и подстилающем слое известковой глины.

Таблица 8

Характеристика рыхлых фракций из фосфорнтоносного разреза на глубине 14-15 м Вятско-Камского месторождения у п.Рудпнчпын Кировской области (апрель, 1998 г.)

Показатели Перекрывающий слой Назальный горизонт Подстилающий слой

Глаукокитовый песок Песок среди желваков Фосплита Волжский ярус Известковая глина

рН (водной вытяжки) 8.3 8.35 8.45 8.5 8.6

Содержание вешеств (мг/г):

Фосфор 71 87 126 100 67

Кальций 190 255 320 280 315

Общая численность

бактерий (млрд. кл/г) 1.22 2.43 2.59 3.69 2.17

Численность бактерий (% от

общего числа):

С волютином 43.4 51.9 35.1 39.0 25.8

Глюкозоокисляющие, рас-

творяющие фосфаты кальция 0.30 0.08 0.03 2.25 1.71

Сапрофитные 0.25 0.08 0.12 0.33 1.38

Основной движущей силой микробиологических процессов солюби-лизации фосфатов на месторождениях апатита и последующего накопления их в бактериальных клетках в виде ПФ является органическое вещество. На Вятско-Камском месторождении его поступление в глубинные слои к фосфоритным рудам явно связано со структурно-гидрогеологическими особенностями района (Геология месторождений фосфоритов ..., 1980). Оно расположено на равнинной заболоченной местности, грунтовые воды первого от поверхности земли водоносного горизонта имеют слабокислую реакцию с повышенным содержанием ОВ, типичного для лесисто-болотных комплексов, что оказывает существенное влияние на генезис состава пластово-поровых вод второго водоносного горизонта и на динамику микробиологических процессов выветривания данного месторождения фосфоритов. Поэтому грунтовая вода под фосслоем подщелачивается зимой лишь до рН 7.7, содержит много общего фосфора и ортофосфатов (по сравнению с железом), повышенное количество сапрофитных и ацетатокисляющих бактерий и клеток с волютином, 15% из общего числа 14.7 млн. кл/мл. Близкие гидрохимические и микробиологические показателиимеют пробы грунтовых вод колодца глубиной 6 м, но из-за избытка железа они совершешю иные для подземных вод затрудненного водообмена под кровлей водонепрошщаемых пород из скважины глубиной 185 м (2.8% клеток с волютином от общей численности 0.25 млн. кл/мл).

Эти данные позволяют полагать, что рыхлые фосфоритоносные породы являются исключительно благоприятной средой для накопления внутриклеточных полифосфатов многочисленными здесь гетеротрофными микроорганизмами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Обобщение материалов многолетних комплексных исследований позволяет заключить, что хотя общие закономерности распространения ФАБ в природных и сточных водах обусловлены тесным сопряжением физико-химических и биологических факторов, но одним из основных экологических факторов, по-видимому, следует считать рН окружающей среды. Накопление волютина клетками подавляется повышенными концентрациями железа в кислой среде и усиливается в нейтрально-щелочной среде по мере осаждения железа в виде гидроокиси (рис.5). В природных экосистемах численность ФАБ повсеместно низка при нейтральных значениях рН среды, быстро возрастает с повышением рН до 7.4-7.6 в придонных слоях водохранилищ с зарегулированным стоком и в грунтовых водах, подверженных сезонным колебаниям уровня и дебита (рис.6). Наблюдаются резкие колебания численности ФАБ в узком интервале пониженных значений рН 7.2-7.5 в быстро текущих речных водах. Напротив, в подземных водах под кровлей водонепроницаемых пород с крайне слабым поступлением органического вещества прослеживается тенденция постепенного возрастания удельной численности ФАБ при значениях рН от 7.5 до 9.4. В сульфатно-кальциевых водах Кунгур-ской ледяной пещеры и рыхлых осадочных породах среди фосфоритовых руд выявлен четко выраженный второй максимум ФАБ при рН 8.4-8.6. Иными словами, процессы накопления волютина в бактериальных клетках обычно наблюдаются во взвешенных в нейтрально-щелочных водах фосфор- и железосодержащих органо-минеральных частицах, свежих осадках и активных илах БОС.

35АВД от

Рис. 5. Зависимость изменения содержания общего железа и фосфат-аккумулирующих бактерий от рН в поверхностных и подземных водах, фосфоритоносных породах Западного Приуралья

водохранилища с зарегулированным стоком; реки с быстрым течением;

грунтовые воды, подверженные сезонным колебаниям уровня и дебита, фосфорнтоносные породы;

подземные воды затрудненного водообмена

Полученные нами результаты лабораторных и полевых исследований позволили разработать биотехнологическую схему совместного удаления соединений биогенных элементов и тяжелых металлов из сточных вод Пермского промузла, которая для простоты восприятия приведена в сокращенном виде (рис.7). Ее прототипом служит французская пилотная установка на БОС г.Мец - побратиме г.Перми, в которой приемы повышения эффективности удаления азота и фосфора сводятся к чередованию аэробно-анаэробных процессов, к увеличению части рециркулируемого активного ила и очищаемой жидкости на предшествующие ступени БОС (Аиугау е? а!., 1992). Большие объемы рециркулируемых масс требуют значительных эксплуатационных затрат, что ограничивает применение современных биотехнологий для крупных очистных комплексов типа БОС г.Перми.

Первичный

Исходааяг вода-

Анротанв- Вторящий

емкость—реактор . яля удаления Осадок яа._ фосфора из .нашла захоронение путей аэрация е' известкованием рН 8.1*8,3. • ..

Г/3 £ЫСота\.Огвод ^ойоросдерзащего I иаояточного ила

Йдонакодидеяь- ' дэнитрифиыатор

сброженного ютнцзнтрированйого : ила

Рис. 7. Новая технологическая схема совместного удаления азота, фосфора и тяжелых металлов на БОС г. Перми

Предлагаемая нами новая технологическая схема от прототипа отличается тем, что в ней предусмотрены следующие приемы:

1. Специальная подготовка активного ила для рециркуляции сравнительно небольшими объемами в рабочие коридоры аэротенков для очистки вновь поступающих сточных вод перебродившим илом из нижней части дополнительного блока илонакопителя-денитрификатора, сходного по конструкции с простаивающими на БОС г.Перми метантешсами. Здесь ил отстаивается в анаэробных условиях, при этом клетки ФАБ увеличивают свои размеры, освобождаются от заласиых веществ, приобретают способность к усиленной аккумуляции ортофосфатов и катионов двухвалентных металлов в случае закачки в аэротенки. По мере уплотнения активного ила во время отстаивания и понижения окислительно-восстановительного потенциала в нижних слоях микрофлора разлагает ОВ с образованием ценных кислых продуктов, полностью переводит азот нитратов в газообразную форму, усиливает выделение фосфатов и тяжелых металлов в наилок и надиловую воду.

2. Предусмотрена дополнительная обработка высоко-конце!ггрирован-ной фосфатами и тяжелыми металлами надиловой жидкости с наилком в интенсивно аэрируемом автономном блоке илоотделителе с внесением Са(ОН)2 для создания рН 8.1-8.3. Сдвиг значений рН в щелочную сторону приостанавливает высокие скорости наращивания бактериальной биомассы активного ила и усиливает накопление в клетках загрязняющих веществ.

Предлагаемая схема позволяет повысить эффективность и ускорить процессы совместного удаления из сточных вод соединений азота, фосфора и металлов, сократить избыточную продукцию активного ила.

ВЫВОДЫ

1. Acinetobacter calcoaceticus ИЭГМ ВТ 548 и Dietzia maris 44 в начальный период роста и в стационарной фазе могут накапливать внутриклеточные полифосфаты и фосфаты металлов на поверхности клеток и в среде. Аномально высокий уровень накопления биоминералов и полифосфатов (до 60-68% от сухой биомассы) получен в период длительной лаг-фазы (более 5 ч) A. calcoaceticus после пребывания голодающих клеток в анаэробных условиях^

2. Повышенное количество бактериальных клеток с волютином обнаружено во влажных рыхлых фракциях осадочных пород Ашанского (Челябинская область) и Вятско-Камского (Кировская область) месторождений фосфоритов (26-52% от общего числа бактерий 1.2-37 млрд. кл/г). Эти фракции имеют щелочную реакцию водной вытяжки с рН 7.4-8.6, богаты фосфором и кальцием, но бедны железом и сульфатами.

3. Сульфаты сами по себе не являются препятствием для накопления внутриклеточных полифосфатов, особенно если при дефиците органического вещества не происходит образования и накопления сероводорода с участием СВБ (при рН 6.8-7.2), или железа с участием ацидофильных тионовых бактерий (при рН 2.8-6.7).

4. Разработана новая технологическая схема для реконструкции крупных БОС гЛерми, предусматривающая введете анаэробной стадии подготовки биомассы активного ила с целью освобождения! клеток ФАБ от избытка полифосфатов металлов перед рециркуляцией в аэротенки со свежими стоками.

5. Разработан экономичный способ получения биокоагулянта с трехвалентным железом из отходов производства металлической стружки с использованием Thiobacillns ferrooxidans, который пригоден для осаждения фосфора и металлов из промышленных сточных вод.

Список основных работ, опубликованных по теме диссертации

1. Горшков В.А., Банникова О.М., Бродников Ю.И., Иларионова С.Ю., Казакова E.H., Фролова С.И., Сычев Д.И., Хазов Б.О. Испытание биологической технологии очистки кислой шахтной воды шахты "Скальная" ПО "Кизелуголь" // Экология и генетика микроорганизмов. Пермь, 1991. С.80-83.

2. Горшков В.А., Банникова О.М., Казакова E.H., Иларионова С.Ю. Использование сульфатредуцирующих бактерий для очистки кислых шахтных вод // Матер, республ. конф. "Естественные науки в решении экологических проблем народного хозяйства". 4.1. Пермь, 1991. С.225-227.

3. Bannikova О., Kozlova G. Sewage treatment from hcayy metals and phosphorus using biocoagulant and utilization of forming sediment // Abstr. Int. Co-Conf. "Environmental pollution and Environment"; 17-24 July 1995. St.Peterburg. P.3.

4. Саралов А.И., Бердичевская M.B., Банникова O.M., Чикин С.М. Накопление полифосфатов в начальной фазе роста Acinetobacter calcoaceticus и Rhodococcus maris П Микробиология. 1995. Т.64. N 4. С.446-452.

5. Банникова О.М., Козлова Г.А. Очистка промышленных сточных вод с помощью биокоагулянта // Тез. докл. регион, конф. "Экологическая безопасность населения в зонах градопромышленных агломераций Урала." 111 У. Пермь. 1997. С. 15-16.

6. Банникова О.М., Соломенный А.П., Чуракова Г.А., Чикин С.М. Роль отдельных представителей микрофлоры в работе комплекса биологических очистных сооружений // Тез. Междунар. конф. "Перспективы развития естественных наук на Западном Урале". Пермь, 1996. Т.2. Экология. С. 111112.

7. Козлова Г.А., Банникова О.М., Ходяшев Н.Б. Очистка промышленных сточных вод от ионов некоторых тяжелых металлов продуктами метаболизма бактерий // Тез. докл. Междунар. конф. "Микробное разнообразие: состояние, стратегия сохранения, экологические проблемы." Пермь. 1996. С.46-47.

8. Саралов А.И., Шишкин М.А., Чикин С.М., Соломенный А.П., Банникова О.М., Гусев В.А. Acinetobacter calcoaceticus и другие микроорганизмы, аккумулирующие внутриклеточные полифосфаты металлов, природных и

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Банникова, Ольга Михайловна, Пермь

л

/

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УРАЛЬСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ЭКОЛОГИИ И ГЕНЕТИКИ МИКРООРГАНИЗМОВ

На правах рукописи

БАННИКОВА Ольга Михайловна

МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ СОЕДИНЕНИЙ

ФОСФОРА И МЕТАЛЛОВ В ПРИРОДНЫХ И СТОЧНЫХ ВОДАХ

03.00.07 - микробиология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

НАУЧНЫЕ РУКОВОДИТЕЛИ: доктор биологических наук А Л1 Capa.fi ов

доктор технических наук В. А. Горшков

ПЕРМЬ - 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ....... ..... ..... ....... . . 3

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

ГЛАВА 1. Очистка сточных вод от соединений фосфора и металлов ........................ 8

ГЛАВА 2. Взаимосвязанные микробиологические превращения соединений углерода, фосфора, серы и металлов в природных

и техногенных системах ............... 18

Заключение по обзору литературы и формулировка задач диссертационной работы.........,.............43

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

ГЛАВА 3. Объекты и методы исследований

3.1. Объекты исследований.............48

3.2. Методы исследований ....... ...... 49

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования сульфатвосстанавливаю-щих, тионовых, фосфатаккумулирующих бактерий и актив- .

ного ила БОС ....................55

ГЛАВА 5. Распространение фосфатаккумулирующих, тионовых и суль-фатвосстанавливающих бактерий в природных и сточных

водах.......................77

ГЛАВА 6. Распространение фосфатаккумулирующих бактерий в

районах месторождений фосфоритов ......... 87

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ............................92

ВЫВОДЫ ......................... 99

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.....................100

ВВЕДЕНИЕ

В актуальной проблеме чистой воды особо пристальное внимание уделяется .изучению источников поступления в континентальные водоемы соединений фосфора и металлов, а также процессов их удаления из природных и сточных вод. Внешнюю нагрузку по фосфору относят к важнейшим показателям антропогенного эвтрофирования водоемов разного типа, а тяжелые металлы рассматривают как представляющие значительную опасность для гидробионтов и человека (voiienweider, 1975; Илялет-динов, 1979).• Выявлена существенная роль тионовых и сульфатвосста-навливающих бактерий в трансформации сульфидных минералов, в образовании кислых шахтных вод, в окислении и восстановлении железа, в биокоррозии металлических конструкций, в регулировании выноса фосфора из донных отложений, в осаждении фосфора и металлов из природных и сточных вод ( Booth, 1971; Андреюк, Козлова, 1989; -Илялетдинов, Алиева, 1990; Горшков, 1995). За последние десятилетия значительно обогатились наши знания о разнообразии метаболических возможностей фосфатаккумулирующих бактерий (МБ) и их роли в совместном удалении соединений углерода, фосфора и металлов из природных и сточных вод (Кулаев, 1975; wood/ ciark , 1988). Не вполне ясны взаимосвязи ФАБ с микроорганизмами цикла железа и серы, которые известны своей геохимической деятельностью и потому ранее представлялись перспективными при разработке технологических схем для биологических очистных сооружений. Явно недостаточно сведений по физиологии и экологии ФАБ в поверхностных и подземных водах разного генезиса. Оказались практически неизученными закономерности распространения. ФАБ в фосфо-ритоносных породах и сопредельных грунтовых водах. Назрела необходимость сравнительного исследования эколого-физиологических особенностей ФАБ и микроорганизмов биогеохимических циклов железа и серы, выявить возможные пути их практического использования для очистки сточных вод.

Целью данной работы______являлось изучение взаимосвязанных микробиологических процессов превращения соединений фосфора и металлов в сточных и природных водах разного генезиса.

Основные положения, выносимые на защиту:

1.Ас1пеЬоЬасЬег саХсоасе^сиБ МЭГМ ВТ 548 обладает СПОСОбнОСТЬЮ К "сверхнакоплению" внутриклеточных полифосфатов в начальный период роста и стационарной фазе.

2.Для естественных сообществ микроорганизмов сульфаты сами по себе не являются препятствием для накопления внутриклеточных полифосфатов, особенно если при дефиците органического вещества не происходит образования и накопления сероводорода с участием сульфатвосстанзвливающих бактерий или железа с участием ацидофильных тионовых бактерий.

3.Ацидофильные железобактерии ть1оЬас111иэ £еггоох1<Запз перспективны для получения биокоагулянта из мягких марок сталей.

4.Эффективность работы БОС можно повысить путем оптимизации условий для накопления в микрофлоре активного ила внутриклеточных полифосфатов металлов.

Научная новизна и практическая значимость работы.

Впервые показано,что гоамотрицательная бактерия Ас1пеЬоЬасЬег са1соасеь1сиз ИЭГМ ВТ 548 в условиях замедленного роста на несбалансированных средах с ацетатом,бутиратом,додеканом и н-гексадеканом обладает способностью к "сверхнакоплению" внутриклеточных полифосфатов и фосфатов металлов на поверхности клеток и в среде.Аномально высокий уровень накопления биоминералов (до 60-63% от сухой биомассы) достигнут в период лаг-фазы длительностью более 5ч после пребывания голодающих клеток в анаэробных условиях.Максимальный выход биомассы периодических культур 5АБ в стационарной фазе (до 10 г с.б./л) достигается в сбалансированной среде после накопления в клетках начальной фазы необходимого резерва ПФ ( 10-20% с.б.),что необходимо учитывать в биотехнологиях получения биомассы микроорганизмов и ценных продуктов их жизнедеятельности.

Установлено, что общие закономерности распространения фосфатак-кумулирующих (ФАБ)» сульфатвосстанавливающих (СВБ) и тионовых железобактерий в природных и сточных водах, фосфоритоносных породах Западного Приуралья обусловлены тесным сопряжением физико-химических и биологических факторов, причем одним из основных экологических факторов является концентрация растворенных ионов водорода (значение рН среды).

Выявлено, что повышенное количество ФАБ обнаружено во влажных рыхлых фракциях осадочных пород Ашанского (Челябинская'область) и Вятско-Камского (Кировская область) месторождений фосфоритов (2652% от общего числа бактерий 1.2-37 млрд.кл/г). Эти фракции имеют щелочную реакцию водной вытяжки с рН 7.4-8.6, богаты фосфором и кальцием, но бедны железом и сульфатами. ФАБ практически отсутствуют (0-0.01% обшего числа) в перегруженных железом и сульфатами кислых, в частности, шахтных водах Кизеловского угольного бассейна с рН 2.8-4.6, где в сообществе микроорганизмов доминируют не гетеротрофные, а ацидофильные тионовые железобактерии.

На основании полученных данных сделан вывод, что сульфаты сами по себе не являются препятствием для массового распространения ФАБ, особенно если при дефиците органического вещества не происходит образования и накопления сероводорода с участием СВБ, в частности, в щелочных сульфатно-кальциевых водах Кунгурской ледяной пещеры при рН 7.5-8.3 (18-41 % ФАБ от 0.2-8.3 млн.кл/мл). В случае массового развития СВБ в активном иле, например, на работающих с двойной нагрузкой БОС г.Нытвы ФАБ должного распространения не получают и тогда сточные воды проходят лишь предварительную очистку.

Практическое значение имеют,в частности, следующие результаты диссертационной работы.Разработана новая технологическая схема для реконструкции крупных БОС г.Перми, предусматривающая введение ана-

эробной стадии подготовки биомассы активного ила с целью освобождения клеток ФАБ от избытка полифосфатов металлов перед рециркуляцией в аэротенки со свежими стоками. Разработан экономичный способ получения биокоагулянта с трехвалентным железом из отходов производства -металлической стружки с использованием Thiobacillus ferrooxi.-dans /Который пригоден для осаждения фосфора и металлов из промышленных сточных вод.

Апробация работы и публикации. Материалы диссертаций были представлены на Международной конференции по загрязнению окружающей среды (Санкт-Петербург, 1995) региональной научно-технической конференции "Экологическая безопасность населения в зонах градопромыш-ленных агломераций Урала" (Пермь, 1995); Международной конференции "Микробное разнообразие: состояние, стратегия сохранения, экологические проблемы" (Пермь, 1996); Международной конференции "Перспективы развития естественных наук на Западном Урале" (Пермь, 1996); Международном симпозиуме "Чистая вода России-9?" (Екатеринбург, 1997); Международной конференции "Проблемы загрязнения окружающей среды-98" (Москва, 1998). По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ.

Объем и структура, диссертации. Диссертация изложена на 114 страницах печатного текста и состоит из введения, обзора литературы в двух главах с заключением, экспериментальной части в четырех главах, заключения и выводов. Работа иллюстрирована 1? рисунками и 11 таблицами. Список литературы включает '138 наименований отечественных (90) и зарубежных (48) авторов.

Представленный экспериментальный материал был получен в рамках двух госбюджетных тем: "Разработка и освоение безотходной экотехно-логии очистки промышленных сточных вод металлургических и машиностроительных производств" на 1991-1994гг. (№ государственной регист-

рации 029.30 003361); тема на 1994-2000гг. "Изучение гидрохимических и микробиологическихх процессов биогеохимических циклов биогенных элементов в водных экосистемах".(№ государственной регистрации 01.9.70005278) и в рамках проекта РФФИ на 1996-1998гг. "Микробиологическое и гидрохимическое исследование процессов вторичного загрязнения природных и сточных вод Пермского промузла" (грант № 96-0451043).

В заключение приношу сердечную благодарность за научное руководство и доброжелательную помощь в работе доктору биологических наук Александру Ивановичу Саралову, доктору технических наук Василию Андреевичу Горшкову. Выражаю глубокую признательность коллегам и соавторам совместных работ Сергею Михайловичу Чикину, Александру Петровичу Соломенному, Галине Аркадьевне Козловой, Сильве Ивановне Петуниной, а также сотрудникам Института, оказавшим помощь и содействие в сборе и оформлении материала^Михаилу Андреевичу Шишкину, Владимиру Анатольевичу Гусеву, Елене Григорьевне Мульменко.

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ГЛАВА 1. Очистка сточных вод от соединений фосфора и металлов Одна из важнейших проблем загрязнения внутренних вод связана с обогащением их металлами, фосфором и другими биогенными веществами сточных вод, сопровождаемым массовым развитием водорослей, увеличением продуктивности водоемов и снижением качества природных вод. Нагрузку по фосфору или его поступление в водоем в различные по продолжительности временные периоды принято использовать в качестве важнейшего показателя процесса эвтрофирования континентальных вод (vol* lenweideri 1975). Среди загрязняющих веществ значительную опасность для гидробионтов, животных и человека представляют тяжелые металлы (Илялетдинов, 1984, 1989). Поэтому удалению соединений фосфора и металлов из сточных вод уделяется особо пристальное внимание.

Токсическое действие ряда металлов на живые организмы различно по своим проявлениям в зависимости от вида организма, физико-химических условий и состава среды. В ряду тяжелых металлов наиболее токсичны ртуть, серебро, медь, кадмий, цинк, свинец, хром, никель, кобальт (Илялетдинов, 1984). Ртуть поражает центральную нервную систему, нарушает слух, зрение и координацию движений. Отравления ионами тяжелых металлов растительных клеток (особенно си2+) является следствием потери калия и прекращения фотосинтеза. Необыкновенной кумулятивной токсичностью по отношению к живым организмам обладает кадмий, который прочно связывается с низкомолекулярными белками тканей животных (Howard, Nickiey, 1975). Ионы серебра нарушают функции цитоплазматической мембраны микроорганизмов. Кальций понижает токсичность металлов, известным антагонистом токсических веществ является раствор хлористого кальция. Снижение токсичности металлов под влиянием растворов высокой жесткости обычно происходит за счет комп-

лексообразования и осаждения металлов в составе карбонатов или гидроокисей. Порядок токсичности тяжелых металлов может меняться под влиянием микроорганизмов, особенно играющих значительную роль во взаимосвязанных биогеохимических циклах (Каравайко, 1989; ва1сН,1994).

Токсичность ряда веществ, содержащих металлоиды, снижается в присутствии! фосфатов. Так, способность грибов расти на средах с ар-сенатом значительно увеличивается при добавлении в культуральную среду большого количества фосфата, что обусловлено конкуренцией его с арсенатом (фосфатным аналогом) в процессе транспорта в клетки. Конкуренция при транспорте в клетку четко выражена между фосфат-ионами

р

и высокотоксичными теллурит-оксианионами (ТеОд ) у фосфатаккумулиру-ющей бактерии (ФАБ) Ас^пеьоЬас^ег саХсоасе^сиэ (Соломенный, 1998).

Токсичность металлов и неметаллов, входящих в состав комплексных солей или хелатных соединений, зависит от стабильности этих веществ, от их способности к диссоциации и отщеплению элементов в ионной форме. Так, фосфорорганические и селенорганические соединения имеют различный спектр биологического действия, поэтому уделяется пристальное внимание изучению токсичности, этих классов препаратов. Испытания нами ряда новых препаратов селена и производных фосфоновой кислоты в Пермском государственном университете показало, что все они не обладают бактериостатическим действием, но могут увеличивать мышечную силу у животных и устранять некоторые функциональные расстройства, выполняя роль катализаторов многих ферментативных реакций (Обвинце-ва и др.^ 1976, 1978). Тогда как под влиянием высоких концентраций селена у животных изменяются многие биохимические процессы из-за нарушения обмена серы, вытесняя ее из ряда биологически активных соединений.

Технология очистки стоков от ионов металлов микробиологическим способом базируется на двух принципах: окислительно-восстановитель-

ных превращениях металлов с переменной валентностью и иммобилизации металлов на микробной биомассе (Илялетдинов, 1989; Илялетдинов, Алиева, 1990). Например, микроорганизмы, окисляя арсенит до арсената, способствуют получению труднорастворимых солей мышьяка и удалению этого элемента из раствора. Напротив, восстановление шестивалентного хрома до трехвалентного состояния используется для очистки стоков от этого металла. Тогда как наиболее приемлемым способом удаления ртути из раствора служит его адсорбция на микробной биомассе активного ила.

Одним из важнейших факторов устойчивости к металлам и их поглощения микроорганизмами является синтез внеклеточных полимеров на поверхности клетки; эти экзополимеры отрицательно заряжены, поэтому активно участвуют в поглощении металлов микробной клеткой. Синтез метадл-адсорбирующих веществ микробной клеткой во многом зависит от соотношения отдельных компонентов питания в среде; лимитирование по фосфату вызывает изменение природы веществ и распределения поверхностных участков связывания металлов. Адсорбция металлов активным илом обусловлена структурой хлопьев, в которой многочисленные функциональные группы способны удерживать ионы с помощью самых разнообразных химических связей. Степень извлечения металлов в значительной мере зависит от содержания в растворе внеклеточных полимеров. Нежизнеспособный ил лучше аккумулирует ионы металлов, чем с живыми клетками (Lester/ Sterritt, 1985).

В США, Японии, Германии и других странах Западной Европы за последние два десятилетия внедряются прогрессивные биотехнологические схемы Phoredox, Phostrip И Bardenpho, В КОТОРЫХ приемы повышения эффективности удаления загрязняющих веществ сводятся к чередованию аэробно-анаэробных стадий очистки, увеличению объемов рециркулируе-мого активного ила и очищаемых сточных вод переменного состава, к регулированию и управлению работой очистного комплекса с наращивани-

ем биомассы, поглощающих фосфор и металлы, микроорганизмов (Залето-ва, Исаева, 1988; Лукиных и др., 1989; Appeidoorn et ai., 1989; Auvray et ai., 1992). Прогресс в разработке перспективных биотехнологий связывают с установлением специфических особенностей обновления и закрепления биомассы микроорганизмов в системах биологических очистных сооружений (БОС), с обнаружением способности фосфатаккумулирую-щих бактерий (ФАБ) накапливать внутриклеточные полифосфаты металлов (Кулаев, 1975; Harold, 1966; Deinema et al., 1985; Wood, Clark, 1988; Vogt, Jahn, 1989). Исторически эти успехи связывают, в частности, с биотехнологическими достижениями в производственных условиях, когда культивирование специфической микрофлоры активного ила первоначально в анаэробной зоне для удаления азота в режиме денитрификато-ра привело, в конечном итоге, к эффективному удалению фосфора на аэробных стадиях ОЧИСТКИ ( Levin et ai., 1972). При этом концентрация растворенного кислорода представляется одним из основных технологических параметров на городских очистных комплексах. Так, проектную эффективность удаления фосф