Микробиологические превращения соединений фосфора и металлов в природных и сточных водах Банникова, Ольга Михайловна

Введение к работе

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; Илялетдшгов, 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; Андрсюк, 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-носньгх 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 фактического использования фосфатаккумулирующих, сульфатвосстанавливающих и тионовых железобактерий для совместного удаления из сточных вод соединений металлов, фосфора и других биогенных элементов.

Основные положения, выносимые на защиту:

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

5. 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 тионовых бактерий.

3. Ацидофильные железобактерии Thiobacillus ferrooxidans 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 Acinetobacter caJcoaceticus 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 60-68% 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% сб.).

Общие закономерности распространения фосфатаккумулирующих, сульфатвосстанавливаюших 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-вде.станавливающих бактерий (при рН 6.8-7.2) или ацидофильных железобактерий (при рН 2.8-6.7).

Практическая значимость работы определяется тем, что разработаны: ,, ,г экономичный способ получения биокоагулянта с Fe³⁺ из металлической стружки мягкой нелегированной стали с использованием тионовой железобактерии Thiobacillus ferrooxidans, пригодный для удаления фосфора и металлов из сточных вод;

- технологическая схема для реконструкции БОС г.Перми, которая позволяет повысить эффективность удаления из сточных вод соединений 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-98" (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. (N государственной регистрации 029. 30 003361); тема, на-1,994-2000 гг. "Изучение гидрохимических и микробиологических процессов биогеохимических циклов биогенных элементов в водных экосистемах" (N 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).