Автореферат и диссертация по ветеринарии (16.00.03) на тему:Доминирующие микробные сообщества активного ила и их роль в очистке сточных вод



Всероссийский научно-исследовательский институт ветеринарной санитарии, гигиены и экологии

Банникова Дарья Андреевна

ДОМИНИРУЮЩИЕ МИКРОБНЫЕ СООБЩЕСТВА АКТИВНОГО ИЛА И ИХ РОЛЬ В ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД

16.00.03 - ветеринарная микробиология, вирусология, эпизоотология,

микология и иммунология

на правах рукописи

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата ветеринарных наук

Научные руководители:

кандидат медицинских наук Павлова И.Б.,

доктор биологических наук Денисов A.A.

Москва 1999

СОДЕРЖАНИЕ

Введение................................................................................................ 4

Обзор литературы................................................................................ 8

Глава 1. Биологическая очистка сточных вод активным илом...... 8

1.1. Технологический процесс при периодическом полунепрерывном режиме очистки сточных вод................... 8

1.2. Характеристика биоценозов активного ила при аэробной биологической очистке сточных вод...............10

Глава 2. Организация бактерий в популяциях................................ 13

2.1. Существование бактерий в колониях............................ 13

2.2. L-формы как проявление гетероморфного роста бактерий.......................................................................... 15

Собственные исследования

Глава 3. Материалы и методы исследований..................................21

3.1. Выделение микроорганизмов из проб активного ила

и сточных вод..................................................................22

3.2. Методика изучения взаимодействий Z.ramigera с микрофлорой сточных вод..............................................24

3.3. Методика изучения популяций бактерий в водной среде (in vitro)..................................................................26

3.4. Методики определения гемолитической и ДНК-азной активности стафилококков........................26

3.5. Методы изучения взаимодействия инфузорий с бактериями сточных вод................................................27

3.5.1. Микробиологический метод оценки влияния инфузорий на численность микробной популяции.........28

3.5.2. Разработка метода изучения взаимодействия инфузорий с меченными культурами бактерий............29

3.6. Химические методы анализа проб сточных вод............29

3.7. Приготовление препаратов для световой и сканирующей электронной микроскопии.......................................30

Глава 4. Культурально-морфологические свойства бактерий,

выделенных из проб активного ила и сточных вод...........32

Глава 5. Формирование доминирующих микробных сообществ активного ила на разных этапах биологической

очистки..................................................................................43

Глава 6. Межпопуляционные взаимодействия Z.ramigera с

патогенными бактериями in vitro.......................................58

Глава 7. Морфология популяций бактерий в водной среде

in vitro..................................................................................67

Глава 8. Межпопуляционные взаимодействия бактерий с

инфузориями in vitro...........................................................75

Эбсуждение.............................................................................................80

Выводы.................................................................................................. 91

Список литературы............................................................................... 93

1риложение..........................................................................................107

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Защита и улучшение -природной среды является в наши дни одной из глобальных проблем человечества. В общем объеме мер по охране окружающей среды значительную область составляет защита водоемов от загрязнения отходами агропромышленного производства, в том числе животноводческими сточными водами. К экологически чистым биотехнологиям относят аэротенки различных типов. В нашей стране ведутся исследования по разработке и усовершенствованию биологической очистки сточных вод активным илом (11, 16, 21, 24, 25, 41, 44). Развитие этого направления идет по пути использования экологически безопасных технологий на основе естественных природных процессов.

Активный ил очистных сооружений является живым консорциумом, который имеет сложную структуру, состоящую в основном из микроорганизмов, связанных трофическими и метаболитными процессами, в результате которых происходит очистка сточных вод.

Смена управляемых смешанных культур микроорганизмов, способных развиваться в условиях длительных непрерывных процессов, является одним из перспективных путей более полного использования биологической активности микроорганизмов (1, 60). Изучение кинетики роста и отмирания смешанных микробных популяций в активном иле является актуальной задачей, решение которой может обеспечить наиболее полную и экономичную очистку сточных вод и утилизацию избыточного содержания активного ила в технологической цепи. Направленное регулирование жизнедеятельности отдельных микробных популяций позволит

снизить патогенную микрофлору сточных вод до санитарно-показательных норм и получить максимальное разложение органической части стоков.

Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы явилось выявление доминирующих микробных сообществ активного ила и изучение закономерностей формирования биоценоза при аэробной биологической очистке сточных вод свиноводческих комплексов.

Для решения этой проблемы были поставлены следующие задачи:

1. Выделить из активного ила бактерии, составляющие основу его биоценоза.

2. Изучить морфологию и структурно-функциональные особенности бактерий, участвующих в биоценозе активного ила.

3. Определить роль наиболее значимых микробных популяций в процессах биологической очистки сточных вод на различных участках технологической цепи очистных сооружений.

4. Изучить роль флокулирующей бактерии 2оо§1оеа гап^ега в снижении численности патогенных бактерий сточных вод.

5. Изучить влияние водной среды на морфологию популяций бактерий сточных вод.

6. Подобрать и разработать методики, позволяющие выявлять внутрипопуляционные взаимоотношения бактерий активного ила с другими членами водных сообществ.

4. Выделить и определить роль в биоценозе активного ила других обитателей водных экосистем.

Научная новизна. Проведены исследования по изучению состава смешанных бактериальных популяций, участвующих в биоценозе

активного ила при аэробной очистке сточных вод свиноводческих комплексов.

Определена роль и изучена с использованием методов сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) морфология наиболее значимых микробных популяций активного ила (нитчатых, флокулирующих и простековых бактерий).

Показано, что в биоценозах очистных сооружений в зависимости от степени очистки стоковимеет место феномен сукцессии -последовательной смены доминирующих видов микроорганизмов.

Исследования особенностей поведения популяций бактерий в водной среде показали, что воздействие биотических и абиотических факторов внешней среды приводит к гетероморфному росту бактерий с разнообразием морфологических проявлений, которые могут рассматриваться как один из этапов Ь-трансформации бактериальных клеток.

Предложены методики изучения внутрипопуляционных взаимодействий некоторых патогенных бактерий с другими членами водных экосистем.

Практическая ценность. Выполненная работа является теоретическим ' обоснованием к проектированию сооружений биологической очистки, основанным на выявлении сути микробиологических процессов, происходящих на всем протяжении технологической цепи. Проведенный микробиологический анализ, основанный на изучении трофических уровней биоценоза аэротенков, позволил составить схему доминирующих микробных сообществ, определенное соотношение которых обеспечивает оптимальную очистку сточных вод от химических и бактериальных загрязнений.

На основании проведенных исследований разработана и утверждена Департаментом ветеринарии Министерства сельского хозяйства и продовольствия РФ "Технология формирования доминирующих микробных сообществ активного ила при аэробной биологической очистки сточных вод в условиях продленной аэрации". Технология предназначена для использования при проектировании новых и реконструкции существующих сооружений аэробной биологической очистки сточных вод свиноводческих комплексов.

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

ГЛАВА 1. БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД АКТИВНЫМ ИЛОМ

1.1. Технологический процесс при периодическом полунепрерывном

режиме очистки сточных вод.

Аэробная биологическая очистка сточных вод активным илом осуществляется в комплексе сооружений, включающем аэротенки и вторичный отстойник. Существуют два вида аэротенков - аэротенк-смеситель и аэротенк-вытеснитель (16, 27, 41, 49). Сточная вода, подлежащая очистке, поступает сначала в аэротенк-смеситель, куда также подается иловая смесь путем рециркуляции из вторичного отстойника. Для нормальной работы аэротенка необходима достаточная концентрация микроорганизмов активного ила (77). Иногда для инициации технологического цикла аэротенка в него вносят "закваску" из специально подобранных штаммов бактерий (26, 80, 85). Основным типом аэротенка-смесителя является проточный аэротенк непрерывного действия, имеющий практически равные пропорции длины и ширины. Исходная сточная вода подается в него непрерывно и путем интенсивного перемешивания немедленно распределяется по всему объему аэротенка. Высокая интенсивность перемешивания в аэротенках-смесителях осуществляется за счет аэрации, необходимой для быстрой гомогенизации стоков и насыщения микроорганизмов активного ила кислородом. В этих условиях происходят два процесса - биологическое окисление органических примесей и синтез новых клеток бактерий активного ила (25).

Из аэротенка-смесителя смесь сточной воды и активного ила поступает в аэротенк-вытеснитель. Конструктивной особенностью его является значительная разница в отношении длины и ширины, а также секционирование путем установки поперечных проницаемых перегородок (схема технологической линии биологической очистки приведена в приложении к "Технологии"). Продольное перемешивание в таких аэротенках отсутствует, устанавливается гидравлический режим потока, определяемый как режим вытеснения (или режим поршневого типа).

Из аэротенка-вытеснителя смесь активного ила и очищенной сточной воды поступает в отстойник (осветлитель), где активный ил путем осаждения выделяется из очищенной воды и накапливается в

и ТЧ Ч-»

виде осадка в нижнеи части. В верхней части отстоиника накапливается осветленная вода. Слив осветленной воды прекращается, когда уровень воды в реакторе находится несколько выше поверхности раздела между осветленной водой и осевшим активным илом. По окончании слива осевший активный ил нагнетается обратно в аэротенк-смеситель и весь процесс очистки вновь поступившей сточной воды может быть при необходимости повторен. Продолжительность операций каждого цикла очистки сточных вод устанавливается индивидуально для каждого конкретного случая при проектировании очистных сооружений на основании предварительных исследований сточных вод, подлежащих очистке, но обычно весь процесс очистки занимает не более 48 часов.

Такой режим очистки сточных вод получил название периодический полунепрерывный (25). Он особенно хорошо подходит для случаев малых расходов сточных вод, подвергаемых очистке, при неравномерном режиме поступления сточных вод и широко используется в настоящее время в агропромышленном секторе (24, 66).

1.2. Характеристика биоценозов активного ила при аэробной очистке сточных вод.

Любое сооружение, предназначенное для биологического разрушения органических веществ, представляет собой своеобразную экологическую систему, ограниченную в пространстве, с определенными условиями и характерным для нее сложившимся биоценозом (77). Экологические системы очистных сооружений существенно отличаются от природных экстремальными условиями существования биоценозов, проявляющимися в высокой концентрации органических веществ и высокой плотностью бионаселения, а также возможностью искусственно поддерживать в них оптимальные условия жизнедеятельности микроорганизмов.

Биоценоз аэротенков принято называть активным илом. По внешнему виду активный ил представляет собой хлопьевидную массу от светло-серого до темно-коричневого цвета. Хлопья состоят из густых скоплений микроорганизмов, включенных в слизистый матрикс полисахаридной природы, вырабатываемый некоторыми бактериями активного ила. Состав популяций микроорганизмов активного ила весьма сложен. Он включает ряд групп микроорганизмов, в которые входят бактерии, грибы, вирусы, простейшие, водоросли, некоторые многоклеточные организмы. Складываются биоценозы очистных сооружений под влиянием экологических факторов, к которым относятся химический состав и концентрация обрабатываемых сточных вод, концентрация растворенного кислорода, температура, pH и могут изменяется в широких пределах в зависимости от режима работы очистных сооружений и многих других факторов.

Бактерии, присутствующие в илах очистных сооружений, относятся к родам Pseudomonas, Zoogloea, Bacillus, Flavobacterium,

Achromobacter, Alcaligenes, Caulobacter, Hyphomicrobium, Bdellovibrio, Sphaerotilus, Nocardia и некоторые другие ( 4, 8, 16, 22, 46, 91, 97, 101, 107, 132).

Бактерии активного ила относят к разным физиологическим группам. Каждая такая группа объединяет организмы с одинаковыми пищевыми потребностями. В активном иле присутствуют аммонифицирующие, целлюлозоразлагающие, нитрифицирующие, жирорасщепляющие, денитрифицирующие бактерии. В специфических активных илах, очищающих сточные воды некоторых производств, преимущественное развитие получают бактерии, потребляющие основной компонент состава сточных вод: в нефтесодержащих сточных водах - бактерии, разлагающие углеводы, в фенолсодержащих стоках -феноразлагающие и т.д. ( 3, 13, 15, 85, 128). Кроме физиологических групп в активном иле различают экологические группы, объединяющие бактерии с определенным отношением к температуре и концентрации растворенного кислорода. Обычно в активных илах доминируют факультативные психрофилы и мезофилы. В условиях аэрации в аэротенках преобладают аэробы, но наряду с ними могут присутствовать и факультативные анаэробы. Иногда внутри хлопьев активного ила, когда их размер и плотность по каким-либо причинам увеличивается, возникают микрозоны с пониженным содержанием кислорода, в которых возможно развитие облигатных анаэробов (77).

В активном иле практически всегда присутствуют актиномицеты, обнаруживаются и грибы, особенно их присутствие желательно в некоторых специфических сточных водах, содержащих трудноокисляемые и токсичные соединения (81, 86).

Из животного населения активного ила наиболее многочисленны простейшие, представленные в основном инфузориями и саркодовыми. Функции простейших в активном иле разнообразны. Питаясь

бактериями, они регулируют их численность в илах, а также выполняют санитарные функции, поедая наряду с сапрофитными бактериями и патогенные (46, 73, 74, 77). Важнейшая функция простейших - осветление ими воды. Пропуская через свой организм мелкие взвешенные в воде частицы, простейшие склеивают их и выбрасывают обратно в воду уже в виде сравнительно крупных, легко оседающих комочков.

Хорошо известна роль водорослей в процессах очистки и доочистки сточных вод (31, 71, 72, 122). Считается, что в присутствии некоторых водорослей бактерии легче усваивают трудноокисляемые вещества за счет увеличения ими содержания в воде молекулярного кислорода, их присутствие также используется для дезодорации сточных вод животноводческих хозяйств (31). В настоящее время практикуется разведение водорослей (в основном зеленых и диатомовых) в системах очистки воды и биопрудах (71, 72,).

Резкое изменение численности организмов в пределах одного какого-либо трофического уровня вызывает изменение численности других организмов на других уровнях, что, вероятно, может служить индикатором изменений качества очистки сточных вод во всей технологической цепи.

ГЛАВА 2. ОРГАНИЗАЦИЯ БАКТЕРИЙ В ПОПУЛЯЦИЯХ

2.1. Существование бактерий в колониях.

В последние десятилетия в научной литературе накапливаются сведения о том, что отдельно взятая бактерия - это не автономно живущее одноклеточное существо, а во многом отношении аналогична клетке, входящей в состав многоклеточного организма. Бактерии образуют сложные собщества, совместно питаясь и секретируя сигнальные химические соединения, служащие указателями для направленного перемещения многих тысяч особей (78). Еще в начале века С.Н.Виноградский, изучая почвенные бактерии, обнаружил, что большинство бактерий существуют группами, прикрепленными к частицам почвы. Подобное групповое поведение хорошо известно в лабораторной практике - бактерии образуют отдельные колонии в чашках Петри на агаровой среде или формируют организованные популяции на стенках сосудов для культивирования.

В настоящее время накопилось достаточное количество примеров тому, что бактерии ведут жизнь многоклеточных существ. Так, некоторые сложные биохимическое процессы, осущес