СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 6
ВВЕДЕНИЕ 7
ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 9
3.1. Источники загрязнений азокрасителями и ароматическими аминами 9
3.2. Токсичность азокрасителей и ароматических аминов 12
3.3. Основные методы удаления азокрасителей и ароматических аминов из сточных вод
3.3.1. Физико-механические методы удаления азокрасителей и ароматических аминов
3.3.2. Химические методы удаления азокрасителей и ароматических аминов
3.3.3. Биологические методы удаления азокрасителей и ароматических аминов
3.4 Биологическое обесцвечивание азокрасителей. Аэробные условия 18
3.5 Биологическое обесцвечивание азокрасителей. Анаэробные условия 20
3.5.1. Микроорганизмы, обеспечивающие разложение азокрасителей в анаэробных условиях
3.5.2. Механизмы восстановления азокрасителей в анаэробных условиях
3.5.2.1. Ферментативное восстановление красителей 22
3.5.2.2. Непрямое биологическое восстановление азокрасителей с помощью окислительно-восстановительных медиаторов
3.5.2.3. Химическое восстановление азокрасителей 25
3.5.2.4. Непрямое химическое восстановление азокрасителей с помощью окислительно-восстановительных медиаторов
3.5.3. Кинетика обесцвечивания азокрасителей в анаэробных условиях 26
3.5.4. Условия, влияющие на разложение азокрасителей в анаэробных условиях
3.5.4.1. Температура и значение рН 29
3.5.4.2. Присутствие дополнительных доноров и акцепторов электронов
3.5.4.3. Присутствие окислительно-восстановительных медиаторов
3.6. Биодеградация ароматических аминов в аэробных условиях 31
3.7. Биодеградация ароматических аминов в анаэробных условиях 33
3.8 Анаэробно/аэробная минерализация азокрасителей 37
3.8.1. Последовательная анаэробно/аэробная система обработки 37
3.8.2. Интегрированная анаэробно/аэробная система обработки 38
3.8.3. Анаэробно/аэробная система обработки в SBR реакторах 39
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 42
4.1. Объекты исследования 42
4.1.1. N-замещенные ароматические субстраты 42
4.1.2. Источник биомассы 45
4.2 Среды и условия культивирования 45
4.3. Аналитические методы 47
4.3.1. Спектрофотометрическое определение концентрации ароматических веществ
4.3.2. Высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ) 47
4.3.3. Определение концентрации метана, СО2 и водорода 48
4.3.4. Определение концентрации летучих жирных кислот и спиртов 48
4.3.5. Определение концентрации аммония методом Фосетта и Скотта 49
4.3.6. Определение концентрации нитрат-ионов 49
4.3.7. Определение концентрации нитрит-ионов 50
4.3.8. Определение концентрации сульфид-ионов 50
4.3.9. Определение показателя общего химического потребления кислорода
4.3.10. Определение количества беззольного вещества биомассы 52
4.3.11. Электрохимические измерения 52
4.4 Микроскопические методы 53
4.4.1. Световая микроскопия 53
4.4.2. Сканирующая электронная микроскопия 53
4.5. Условия проведения основных экспериментов 53
4.5.1. Определение токсичности азокрасителей и ароматических аминов в анаэробных условиях
4.5.2. Определение биоразлагаемости азокрасителей и ароматических аминов под действием анаэробного метаногенного консорциума
4.5.3. Определение возможного восстановления азокрасителей продуктами метаболизма анаэробного метаногенного консорциума
4.5.4. Химическое восстановление азокрасителей под действием сульфида
4.5.5. Химическое восстановление азокрасителей под действием НАДН
4.5.6. Определение биоразлагаемости азокрасителей и ароматических аминов под действием аэробного консорциума
4.5.7. Определение биоразлагаемости азокрасителей под действием аэробного консорциума в анаэробных условиях
5. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ 58
5.1. Биоразлагаемость азокрасителей в аэробных условиях 58
5.2. Токсичность азокрасителей по отношению к анаэробному консорциуму 59
5.3. Биоразлагаемость азокрасителей в анаэробных условиях 62
5.4. Механизм обесцвечивания азокрасителей в анаэробных условиях 68
5.5. Факторы, влияющие на скорость восстановления азокрасителей в анаэробных условиях
5.5.1. Электрохимический потенциал восстановления азокрасителей 74
5.5.2. Окислительно-восстановительный потенциал среды и присутствие ко-субстрата
5.5.3. Концентрация азокрасителя 80
5.5.4. Концентрация анаэробного инокулята 82
5.5.5. Температура инкубации 83
5.5.6. Значение рН 85
5.6. Влияние азокрасителей на состояние анаэробного микробного сообщества
5.6.1. Морфологические особенности исходного метаногенного сообщества микроорганизмов
5.6.2. Морфологические особенности анаэробного микробного 90 сообщества, разлагающего азокрасители
5.7. Биоразлагаемость ароматических аминов в аэробных условиях 95
5.8. Токсичность ароматических аминов по отношению к анаэробному консорциуму
5.9. Биоразлагаемость ароматических аминов в анаэробных условиях 98
5.10. Влияние ароматических аминов на состояние анаэробного микробного сообщества
5.10.1. Морфологические особенности анаэробного микробного сообщества разлагающего, ароматические амины
5.10.2. Сравнение состояния анаэробных микробных сообществ, разлагающих азокрасители и ароматические амины
6. ВЫВОДЫ 116
7. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 117
Развитие современной цивилизации влечет как возникновение новых технологий, так и рост народонаселения планеты. Оба этих фактора сопровождаются, в том числе, и увеличением количества отходов, которые сбрасываются в окружающую среду в виде сточных вод, газовых выбросов и твердых осадков. Увеличение количества топлива, промышленных химикатов, удобрений, пестицидов, лекарственных средств способствует улучшению качества жизни всего человечества. Однако образующиеся в результате загрязнения могут серьёзно повлиять как на животный и растительный мир, так и на здоровье людей.
Химическая и нефтехимическая промышленность является основным источником токсичных устойчивых к биоразложению загрязнений. Химическое производство использует разнообразное исходное сырье и синтезирует огромное количество продуктов различной природы. Сейчас химическая промышленность производит около 100 тыс. химических веществ, при этом ароматические вещества составляют треть от 91 млн. т основных химикатов, производимых ежегодно в США [1]. В настоящее время большое внимание исследователей привлекает влияние на окружающую среду углеводородов и хлорароматических веществ [2-6]. Менее изучены в этом контексте N-замещённые ароматические вещества, которые играют очень важную роль в химической промышленности.
Азо- и аминозамещённые ароматические соединения широко используются в производстве красителей, полимерных материалов, взрывчатых веществ, пестицидов и т.д. [7]. Хотя в сравнении с остальными классами органических соединений азокрасители составляют относительно небольшую часть (3-4%) загрязнений [8], попадающих в окружающую среду, существует несколько причин, по которым азокрасители считаются опасными поллютантами. Во-первых, азокрасители и продукты их разложения, в зависимости от концентрации и времени воздействия, могут оказывать ярковыраженное токсичное и/или канцерогенное влияние на живые организмы. Во-вторых, азокрасители способны окрашивать сточные воды, что вызывает негативный эстетический эффект (видимость азокрасителей зависит от их цвета, молярного коэффициента поглощения и прозрачности воды, но в среднем человеческий глаз способен различить присутствие азокрасителя в концентрации до 1 мг-л ). И, в-третьих, азокрасители поглощают солнечный свет и тем самым снижают эффективность фотосинтеза водных организмов. Следовательно, соответствующие сточные воды должны быть очищены перед сбросом в природные водоемы. Недавние исследования подтвердили возможность полной минерализации ряда N-замещенных ароматических соединений под действием микроорганизмов в анаэробных условиях [1, 7, 9, 10]. Однако механизмы биодеградации подобных соединений остаются в значительной степени невыясненными, поэтому в рамках данной работы были исследованы механизм и кинетические закономерности биодеградации азокрасителей и продуктов их восстановления (ароматических аминов) в анаэробных условиях. Для сравнения в работе также изучены некоторые закономерности их аэробной биодеградации.
