Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время многие водоемы мира утратили свое значение как источники рыбохозяйственного и санитарно-бытового водопользования из-за попадания в них сточных вод промышленных предприятий.
Одним из приоритетных видов загрязнений промышленных сточных вод является присутствие в них ионов тяжелых металлов (ТМ) - Cd, Ni, Cr, Zn, Cu, Fe и др. Эти загрязнения, особенно характерны для сточных вод машиностроительной, горнодобывающей отраслей промышленности, а также химической и нефтехимической промышленности (процессы с использованием металлических катализаторов, производство вискозы, свинцовых белил и пр.) и представляют собой угрозу экологическому равновесию природных экосистем и здоровью человека. Попадая в окружающую среду, они существенно влияют на численность, видовой состав и жизнедеятельность почвенной микробиоты, ингибируют процессы минерализации и синтеза различных веществ в почве, подавляют дыхание почвенных микроорганизмов, способствуют появлению мутаций у растений, произрастающих на загрязненных грунтах.
ТМ обладают общетоксическим, кумулятивным, аллергенным, тератогенным, канцерогенным и мутагенным действием на человека и животных, что приводит к изменению деятельности центральной и периферической нервной системы, кроветворения, внутренней секреции, способствует возникновению злокачественных новообразований и нарушению аппарата наследственности. Таким образом, очистка сточных вод от ТМ является одной из актуальных экологических проблем, как в нашей стране, так и за рубежом.
Очистку промышленных сточных вод от ионов ТМ обычно осуществляют путем гидроксидного или сульфидного осаждения, реже – гальванокоагуляцией. Сульфидное осаждение обычно эффективнее гидроксидного, но имеет ряд недостатков, связанных с токсичностью, дороговизной и сложностью хранения и транспортировки используемых реагентов. Перспективной альтернативой химическим и физико-химическим методам является применение для осаждения ТМ биогенного сероводорода – продукта жизнедеятельности сульфатвосстанавливающих бактерий (СВБ). В ходе культивирования специально адаптированных консорциумов микроорганизмов происходит процесс биохимической сульфатредукции, сопровождающийся одновременным окислением органических субстратов, присутствующих в стоках или специально вносимых в них. Параллельно с осаждением ТМ культивирование СВБ может решить проблему утилизации сульфатов, содержащихся в сточных водах химических и нефтехимических производств. На сегодняшний день разработаны различные биохимические технологии очистки промышленных сточных вод, основанные на процессе анаэробной сульфатредукции, однако за рубежом они применяются значительно чаще, чем в нашей стране.
Совершенствование процесса биохимической очистки стоков от ТМ и сульфатов является актуальной задачей. Этот процесс с использованием СВБ может быть интенсифицирован применительно к условиям конкретного предприятия путем адаптации консорциума микроорганизмов к различным факторам: типу органического субстрата, концентрации питательных веществ, наличию стимуляторов и ингибиторов процесса, температурному режиму и т.п., а также путем совершенствования аппаратурного оформления и технологической схемы биоочистки. Значительного повышения выхода биогенного сероводорода можно добиться за счет иммобилизации клеток СВБ на поверхности инертных носителей, а также за счет применения в малых количествах органических соединений, являющихся стимуляторами роста и развития СВБ.
Работа выполнена в рамках Программы «Старт» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (ФСРМФП в НТС) г. Москва, Государственный контракт №4547р/5375 «Разработка биотехнологического метода удаления тяжелых металлов из промышленных сточных вод» – 2007-2008гг., Государственный контракт №6329р/5375 «Разработка пакета проектно-технологической документации на биотехнологический метод удаления тяжелых металлов из промышленных сточных вод» – 2009г., а также Федеральной целевой программы "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009-2013 гг., в рамках реализации мероприятия 1.4 «Развитие внутрироссийской мобильности научных и научно-педагогических кадров путем выполнения научных исследований молодыми учеными и преподавателями в научно-образовательных центрах», Государственный контракт П1623 от 10 сентября 2009 г., Программы германской службы международных обменов DAAD «Михаил Ломоносов II» (проект «Разработка технологии очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов методом биохимической сульфатредукции») - 2010г. и Программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» («УМНИК») – 2011г..
Цель работы: разработка принципов и практических мер, направленных на совершенствование метода очистки сточных вод от ионов ТМ и сульфатов с использованием биогенного сероводорода – продукта жизнедеятельности СВБ.
В соответствии с поставленной целью целесообразно решить следующие задачи:
- выделение из природной среды, активизация и родовая идентификация природного консорциума СВБ;
- адаптация выделенного консорциума к росту на разных углеводородных субстратах и к различным условиям культивирования микроорганизмов, определение оптимальных и критических значений основных факторов, влияющих на жизнедеятельность СВБ и процесс сульфатредукции;
- синтез и исследование влияния на выход биогенного сероводорода органических биостимуляторов, а также иммобилизации клеток СВБ на инертных носителях;
- сравнение вариантов аппаратурного оформления процесса очистки сточных вод от ТМ, сульфатов и органических примесей, апробирование различных конструкций биореакторов и схем биохимической очистки, разработка автоматизированной установки очистки стоков.
- математическое моделирование биохимической сульфатредукции, интенсификация процесса очистки стоков от ионов тяжелых металлов в промышленных условиях.
Научная новизна.
Выделены из природной среды консорциумы СВБ. На основании данных по морфологии и с помощью молекулярно-генетических методов определено таксономическое положение основных штаммов консорциумов. Максимальную активность по накоплению сероводорода проявил новый изолированный штамм СВБ, последовательность генов 16S рРНК которого демонстрирует сходство с последовательностью Desulfovibrio oxamicus на 98%;
Осуществлено культивирование подобранного консорциума на глицеринсодержащих питательных средах. Выявлено, что содержание ионов цинка (Zn2+) 500 мг/л и железа (Fe2+/Fe3+) 1000 мг/л угнетает жизнедеятельность СВБ;
Определено влияние синтезированных фурилзамещенных 1,3-диоксациклоалканов и их ациклических производных на жизнедеятельность СВБ и выход биогенного сероводорода в процессе биохимической сульфатредукции;
Разработана автоматизированная установка очистки, предусматривающая разделение потоков сточных вод по содержанию ионов ТМ на концентрированные и разбавленные, что позволяет достичь высокой эффективности очистки стоков от ионов ТМ (свыше 99 %);
Предложена математическая модель кинетики утилизации глицерина и сульфатов, а также накопления биомассы в процессе биохимической сульфатредукции, осложненной метаногенезом.
Практическая значимость. Подобран природный консорциум микроорганизмов, на основе которого, путем культивирования СВБ, осуществлена генерация микроорганизмов в количестве, достаточном для использования на очистных сооружениях промышленных предприятий. Осуществлена адаптация выращенной культуры к росту на нетрадиционном органическом субстрате - глицерине. Проведено усовершенствование технологических схем биоочистки стоков за счет изменения конструкций анаэробных биореакторов, автоматизации процесса, использовании при культивировании СВБ инертного носителя и органических биостимуляторов. Результаты исследований рекомендованы к внедрению на ОАО «Учалинский горно-обогатительный комбинат (ГОК)» и ОАО «Полиэф».
Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на всероссийской заочной электронной конференции «Проблемы экологического мониторинга» (2007г.), III научной международной конференции «Актуальные проблемы науки и образования», (Куба, 2008 г.), научной международной конференции «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», (Италия, 2008 г.), VI международной конференции «Современное состояние микробиологии и биотехнологии» (Минск, 2008 г.), международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы технических, естественных и гуманитарных наук» (Уфа, 2009 г.), общероссийской научной конференции «Актуальные вопросы науки и образования», (Москва, 2009 г.), межрегиональной научно-практической конференции «Экология, образование, промышленность» (Уфа, 2009), VI международной конференции «Покрытия и обработка поверхности» (Москва, 2009 г.).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликованы 12 статей и тезисы 7 докладов.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, обсуждения результатов, экспериментальной части, выводов и списка литературы. Список литературы включает _121__ наименование. Объем работы составляет 165 страниц, в том числе __45___ рисунков и __21__ таблицу.
