Streptomyces chromogenes S. G. 0832 биофлокулянт для очистки сточных вод мясной промышленности

IIP

ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ I Очистка сточных вод

Streptomyces сЬнютодепеБ s.g. 0832

биофлокулянт для очистки сточных вод мясной промышленности

Л.В. Брындина, канд. техн. наук,

Воронежская государственная лесотехническая академия,

К.К. Полянский, доктор техн. наук,

Воронежский государственный аграрный университет.

Вода - один из наиболее распространенных компонентов в мясной отрасли. Но после использования в технологическом цикле представляет серьезную экологическую опасность. Поэтому сокращение потребления воды и уменьшение сброса сточных вод в водоемы является одним из основных направлений охраны водных источников от загрязнений.

^ Однако выбор оптимальных технологических схем очистки воды - достаточно сложная задача, что обусловлено преимущественным многообразием находящихся в воде примесей и высокими требованиями, предъявляемыми к качеству очистки воды. В последнее время наиболее перспективным направлением является применение флокулянтов и, в частности, биофлокулянтов.

Каждый из флокулянтов, представляющих определенную группу, имеет как положительные, так и отрицательные стороны. Например, флокулянты природного происхождения, как правило, нетоксичны, но из-за невысокой молекулярной массы в сравнении с известными полимерами, проявляют худшие флокулирующие свойства. Последние - как правило, токсичны.

Решение проблемы заключается в поиске новых флокулянтов, совмещающих в себе положительные стороны тех и других. В настоящее время широкое развитие получили биотехнологические методы производства флокулянтов. В качестве биофлокулянтов, например, в виде клеток микроорганизмов и продуктов их метаболизма могут быть использованы активный ил, образующийся при биологической очистке производ-

ственных сточных вод в различных отраслях промышленности - химической, микробиологической, пищевой [1].

Для протекания процесса с наилучшим эффектом необходимо иметь специфичную микрофлору, содержащую ферментные системы, необходимые для деградации загрязнений, поверхность с сильной адсорбционной способностью, возможность образовывать стабильные флокулы, легко осаждаемые при отстаивании [4]. Все эти условия присутствуют в биосорбционном процессе, который можно рассматривать как совокупность нескольких процессов, тесно переплетающихся между собой. В результате биосорбцион-ной обработки стоков происходят адсорбция загрязнений на поверхности клеток микроорганизма, не исключается и биологическое окисление загрязняющих веществ микроорганизмами, в свою очередь возможна агрегация клеток на поверхности отработанной биомассы.

По литературным данным видно, что среди биофлокулянтов наибольшее применение нашли бактерии родов Pseudomonas, Bacillus, а также микроскопические грибы Pénicillium, Aspergillus. Актиномицеты в этом направлении изучены недостаточно. Несмотря на то, что в состав актив-

ного ила входят актиномицеты, их сорбционные свойства, а также возможность использования в качестве самостоятельного флокули-рующего агента остаются до настоящего времени практически неисследованными.

Актиномицеты представляют особую группу грамположитель-ных бактерий со сложным онтогенезом. Изучением водных актино-мицетов занимаются многие иностранные ученые: Okami Y., Okasaki T., Minser T., Moran M. и другие. Согласно их данным существенной и неотъемлемой частью микробного сообщества любой водной экоситемы являются актиномицеты рода Streptomyces. Это наиболее доминирующая и распространенная группа, обитающая в донных осадках [6], однако, она также встречается в воде. Моран М. доказал водное происхождение рода Streptomyces [7]. Благодаря лабильности ферментативного аппарата, представители рода Strep-tomyces легко приспосабливаются к изменяющимся условиям среды обитания, а высокая антагонистическая активность позволяет им подавлять или полностью угнетать жизнедеятельность других бактерий [7]. Обладая этими свойствами, актиномицеты оказывают влияние на экологию всего микробного сообщества, на его состав

44

ВСЁ О МЯСЕ № 4 август 2012

Очистка сточных вод / ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ

ЁР

Рис.1 Эффективность очистки сточных вод

кж - культуральная жидкость микроорганизма Str. chromogenes s.g. 0832;

852 ВС - флокулянт фирмы Праестол-Маркен; ПАА - полиакриламид; ОГТАС - отходы

гальванического травления алюминиевых сплавов.

и видовое разнообразие. В результате изменяется природа и скорость трансформации биогеохимических веществ, что влияет на круговорот органического вещества в целом. Преимущество представителей рода Streptomyces заключается в том, что они способны минерализовать весьма устойчивые и труднодоступные для других микроорганизмов органические вещества, такие как хитин, целлюлоза, гемицеллюлоза, лигнин, водный гумус, фенольные соединения, фибриллярные белки (кератин, коллаген) [2], которые попадают в водоем из окружающей среды или образуются при отмирании фитопланктона и высшей водной растительности [3]. Известно, что представители рода Streptomyces способны расти на очень бедных по содержанию органического вещества средах, то есть являются олигокарбофилами. Кроме того, эти актиномицеты жизнеспособны в низкотемпературных условиях, а их споры устойчивы к высокому давлению кислорода. Поэтому, большой интерес представляет изучение рода Streptomyces как биофлоку-лянта в очистке сточных вод. Многие актиномицеты выделяют вещества, способствующие агрегированию их клеток. Нередко обнаруживаются участки мицелия и отдельные гифы, окруженные толстым слоем аморфного материала. Иммунологические исследования дали основание предположить, что в течение роста актиномицетов происходит экскрекция мембранного комплекса, содержащего му-

кополисахариды и фосфолипиды. Клетки многих микобактерий покрывает так называемый микозид-ный слой, содержащий ряд компонентов (специфические глико-липиды, пептидогликолипиды), характерных для клеточной стенки этих организмов. Экстрацеллю-лярный слой клеток микобактерий может быть достаточно мощным и хорошо структурированным. Эта особенность также может рассматриваться как условие, улучшающее процесс биофлокуляции.

Авторами проведены исследования по выбору актиномицета, обладающего высокой флокулирующей способностью. Были иссле- дованы 50 штаммов актиномицетов и установлено, что наилучшими характеристиками обладает актиномицет Str. chromogenes s.g. 0832.

Сравнительная оценка флоку-лирующей способности данного микроорганизма и широко применяемых флокулянтов: 852 ВС фирмы Праестол-Маркен, ПАА (полиакриламида), ОГТАС (отходов гальванического травления алюминиевых сплавов) показала, что он вполне конкурентоспособен (рис.1). На рисунке представлены результаты очистки стоков флокулянтами в отдельности и совместно с культуральной жидкостью актиномицета Str. chromo-genes s.g. 0832, которые вносили в сток в соотношении 3:100 и через 10 минут определяли ХПК (химический показатель кислорода) по [4], а также другие показатели, характеризующие качество очистки сточной воды.

Совместное применение дан-

ного микроорганизма и синтетических флокулянтов во всех случаях улучшало очистку стоков на 4

- 9 %. При этом наблюдалось значительное улучшение качества сточной воды по всем основным показателям, характеризующим сток.

В целях создания биофлоку-лянта широкого круга действия была проведена модификация питательной среды. Ряд зарубежных ученых [8, 9, 10] отмечает, что внесение в среду культивирования микроорганизмов, коагулянтов и синтетических флокулянтов улучшает очистку стоков.

Культивирование Str. chromo-genes s.g. 0832 проводили в оптимальных условиях при добавлении полиакриламида (ПАА) и отходов гальванического травления алюминиевых сплавов (ОГТАС) в количестве 0,003% на питательной среде состава, (г/дм3): картофельный крахмал - 50; соевая мука - 5; измельченное перо - 10; КН2РО4

- 0,8; СаСО3 - 4,0; FeSO4 - 0,01; ZnSO4 - 0,02; начальное значение величины рН культивирования 11,0; продолжительность культивирования 48 часов при температуре 28-300С.

Через 48 часов культуральную жидкость вносили в сток в соотношении 3:100 и через 10 мин. определяли показатели, характеризующие качество очистки сточной воды (табл. 1).

Из данных, представленных в табл. 1, видно что дополнительное внесение в среду культивирования полиакриламида и ОГТАС улучшают эффект очистки по всем рассмотренным показателям. Так при культивировании с ОГТАС степень очистки стока по ХПК на 20%, а при культивировании с ПАА - на 45% выше, чем при очистке культурой микроорганизма, выращенной на традиционной питательной среде. Можно предположить, что в процессе роста ак-тиномицета формируется пространство между клетками микроорганизма и молекулами ПАА и ОГТАС с образованием «биоматрицы». В этой матрице концентрируются и хранятся питательные вещества, а так же внеклеточные ферменты. Как следствие увеличивается общая молекулярная масса.

При этом формирование ад-

№ 4 август 2012 ВСЁ О МЯСЕ

45

0

НОРМАТИВНАЯ БАЗА / Управление безопасностью

Таблица 1. Очистка сточной воды модифицированным биофлокулянтом Str. chromogenes s.g. 0832

Литература

Показатели Исходный КЖ + сток Культивирова- Культивирова-

сток ние с ОГТАС + сток ние с ПАА + сток

ХПК, мг 1500 ± 45,12 200 ± 6,07 160 ± 3,48 110 ± 3,32

О2/дм3

Мутность, мг/дм3 4,2 ± 0,11 1,3 ± 0,01 1,1 ± 0,01 0,4 ± 0,01

Общее железо, 1,15 ± 0,01 0,27 ± 0,01 0,21 ± 0,01 0,15 ± 0,001

мг/дм3

^-потенциал кле- +17,8 -28,60 -43,40 -53,20

ток, мВ

Общий азот, 160 ± 2,03 52,3 ± 1,01 41,7 ± 0,59 32,1 ± 0,47

мг/дм3

Степень очистки 0 87 89 93

по ХПК,%

сорбционного слоя полиэлектролита происходит непосредственно на клеточной поверхности актино-мицета. Макроионы ПАА и ОГТАС образуют с компонентами культуральной жидкости сложные соединения, которые входят в состав агрегатов, формирующихся при биофлокуляции.

Адсорбция катионных полиэлектролитов приводит к снижению уровня ^-потенциала клеток, при которой происходит максимальное снижение агрегативной устойчивости системы. На этом основании можно предположить, что наиболее вероятным механизмом флокуляции в данном случае является образование «мостич-ных» связей между клетками через адсорбированный полимер.

На основании проведенного анализа можно отметить, что использование клеток актиномице-тов в качестве биофлокулянта является перспективным направлением по следующим причинам:

1. Актиномицеты в отличие от других представителей микроорганизмов могут достаточно быстро приспосабливаться к изменившимся условиям внешней среды.

2. Клеточные стенки актино-мицетов состоят в основном из гликопептида, тейховых кислот и полисахаридов, что может усиливать флоккулирующий эффект.

3. Структура мицелия актино-мицетов, также позволяет предположить о возможности хорошей флокулирующей способности

4. Актиномицеты образуют амицелиальные структуры, которые повышают устойчивость кле-

ток к неблагоприятным воздействиям, а также выделяют вещества, способствующие агрегированию клеток.

5. Многие актиномицеты устойчивы к неблагоприятным воздействиям.

6. Биофлокуляция (биосорбция) - перспективное направление в очистке сточных вод, т. к. требует меньших затрат на осуществление процесса и гармонично вписывается в экосистему стока.

7. При сравнении с известными флокулянтами природного происхождения актиномицеты имеют преимущество, выражающееся в более высокой молекулярной массе, которая непосредственно влияет на эффект очистки.

8. При сравнении с распространенными искусственными флокулянтами преимущество выражается в нетоксичности био-флокулянтов при практически одинаковой молекулярной массе.

9. Наряду с процессами сорбции клетками актиномицета осуществляется и биологическое окисление загрязняющих веществ, а также предлагаемый микроорганизм проявляет специфическую протеолитическую активность (стоки мясокомбинатов содержат труднорастворимые фибриллярные белки). Благодаря наличию специфичных протеиназ в ферментативном комплексе предлагаемого актиномицета повышается возможность гидролиза труднорастворимых белковых фракций и общий эффект очистки значительно увеличится.

1. Алещенкова З.М., Самсонова А. С., Семочкина Н.Ф. Влияние микроорганизмов-деструкторов на очистку в активном иле сточных вод производства лавсана // Прикл.биохимия и микробиология. - 1999. - Т. 35, №4. -С. 448-451.

2. Брындина Л.В., Корнеева О.С. Перов С.Н. Очистка сточных вод мясокомбинатов биосорбционным способом // Мясная индустрия, 2005. - №9. -С.36-38.

3. Зенова Г.М, Звягинцева Д.Г. Разнообразие актиномицетов в наземных экосистемах. - М.: МГУ. - 2002. - 132с.

4. Калюжный С.В. Биотехнология защиты окружающей среды: единство биокаталитических и инженерных подходов // Известия Академии наук. Серия химическая. - 2001. - №10. -С. 1735-1742.

5.Лурье Ю.Ю. Аналитическая химия промышленных сточных вод. - М.: Химия, 1984. - 448с.

6. Jensen P., Dwight R., Fenical W. Distribution of actinomycetes in near-shore tropical marine sediments // Appl. Environ. Microbiol. 1991. - V.54. - P. 11021108.

7. Moran M., Rutherford L. T., Hodson R.E. Evidence for indigenous Streptomyces populations in a marine environment determined with a 165rRNA probe // Appl. Environ. Microbiol. 1995. - V. 61.

- P. 3695-3700.

8. Tybussek R., Linz F., Mozes N. Comparison of the continuous flotation performances of Saccharomyces cere-visiae LBG H620 and DSM 2155 strains // Appl. Microbiol. Biotechnol. - 1998. -V. 41. - P. 13-22.

9. Yang Z. H., Tao R., Zery G.M., Xiao Y., Deng E. J. Culture medium and grading culture technics for bioflocculant production by Paenibacillius polymyxa GAJ // Huan Jing Ke Xue. - 2006. - V. 27, No 7. - P. 1444 - 1449.

10. Yassin A.F., Rainey F.A., Steiner U. Nocardia ignorata species nov. // Int. J.Syst. Evol. Microbiol. - 2001. - V. 51.

- P. 2127-2131

Контакты:

Лариса Васильевна Брындина, тел. +7(910)343-71-19, e-mail: lara.bryndina@yandex.ru, Константин Константинович Полянский тел. +7(905)051-07-65;

46

ВСЁ 0 МЯСЕ № 4 август 2012