Алканотрофные микроорганизмы и их роль в процессах биологической очистки водных биоценозов от кадмия, свинца, цинка

АЛКАНОТРОФНЫЕ МИКРООРГАНИЗМЫ И ИХ РОЛЬ В ПРОЦЕССАХ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ ВОДНЫХ БИОЦЕНОЗОВ ОТ КАДМИЯ, СВИНЦА, ЦИНКА

Представлен способ решения задачи по разработке способа микробиологической очистки сточных вод промышленных предприятий от ионов тяжелых металлов: цинка, кадмия и свинца - как одних из приоритетных загрязнителей р. Урал.

Тяжелые металлы всегда присутствуют в биосфере. В водных бассейнах в результате антропогенного воздействия содержание отдельных металлов непрерывно возрастает. Одним из источников загрязнения водоемов, приводящих к ухудшению качества воды и нарушению гомеостаза водоема, являются сточные воды заводов, содержащих разбавленные растворы металлов, состав которых чрезвычайно разнообразен. По данным Мапег М. и Takino М. (1981) для зоопланктона и рыб токсичны концентрации (мг/дм3): Cu - 0,05-0,09; Pb - 0,050,1; Ni - 0,03-0,04; Zn - 0,06-0,3; Al - 0,2-1,49; Cd -0,02-0,03.

В проблеме чистой воды одним из перспективных направлений является использование природных факторов самоочищения, и особое место в сохранении чистой природной воды занимают родо-кокки, так как они обладают высоким деструктивным потенциалом, а поэтому становятся все более значительным объектом возможного их промышленного использования.

О способности родококков аккумулировать металлы из загрязненных естественных мест обитания отмечается в работах Tomioka et. al. (1994). В предложенном им способе извлечения металла цезия автор использует виды Rhodococcus erythropolis CS 98 и Rhodococcus sp. strein CS 402.

В связи с этим весьма актуальной была постановка и решение задачи по разработке способа микробиологической очистки сточных вод промышленных предприятий от ионов тяжелых металлов: цинка, кадмия и свинца как одних из приоритетных загрязнителей р. Урал.

Методика выращивания штаммов Rhodococcus ruber, используемых для очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов: Zn, Cd, Pb.

Объектами исследования были взяты алканот-рофные бактерии вида Rhodococcus ruber из профильной коллекции Института экологии и генетики микроорганизмов УрО РАН (Ившина И.Б., 1994).

1. На первом этапе выращивается суточная культура Rh. ruber на 1,5% мясо-пептонном агаре (МПА) без тяжелых металлов.

2. Затем взвесь выращенной культуры объемом

1 мл (исходной оптической плотности В540=0,6 при 370 С и длине оптического пути 10 мм на спектрофотометре СФ-46) добавляли в автоклавированную смесь Киевской среды, содержащей в г/дм3: MgSO4.7H2O - 0,2; К2НР04 - 1,0; КШ3 - 1,0; КН2Р04 - 1,0; №С1 - 1,0; СаС12.2Н20 - 0,02; FeCl3-0,001 и ацетата аммония в качестве источника углерода и энергии в концентрации 2 г/дм3 (Пешкур Т.А., 2000). В эту среду добавляли также соли металлов: ацетат Сё, ацетат Ъп, ацетат РЬ (в подборе соли исходили из того, что они хорошо растворимы в водной среде, а ацетат являлся дополнительным источником питания для родококков). Концентрации солей металлов (в мг/дм3) брали для кадмия в пределах 0,3-2,5; для цинка 0,5-2,5 и для свинца 0,5-2,5, что соответствовало максимальным концентрациям тяжелых металлов (Ъп, Сё, РЬ) в водоемах. В контроле брали Киевскую среду, ацетат аммония в концентрации 2 г/дм3 и взвесь культуры родококков (1 мл). С целью обеспечения оптимальных условий для жизнедеятельности бактерий рекомендовано выращивать их в стеклянных колбах Эрленмейера емкостью 250 мл, содержащих по 100 мл питательной среды, на орбитальных шейкерах (130 об/мин) при температуре 25-280 С.

Из приготовленных автоклавированных растворов без взвеси культуры берется 50 мл раствора на анализ исходного содержания металла.

3. Из опытных колб (т. е. культура + металл) и контроля делали контрольный посев на 1,5% МПА, с целью учета исходного содержания родококков (общее микробное число, ОМЧисх).

4. Опытные колбы культивировали при температуре 25-270 С в течение 72 часов, а через 72 часа отфильтровывали 50 мл культуральной жидкости через биофильтр с целью удаления микробной массы, а фильтрат анализировали на содержание тяжелых металлов с помощью атомно-адсорбционного спектрофотометра типа ASS1N.

5. О способности родококков к биоаккумуляции исследуемых металлов судили по степени исчезновения иона металла из культуральной жидкости.

6. Одновременно в процессе 72-часового культивирования проводили контроль состояния мик-

рофлоры путем высева культуральной взвеси на 1,5% МПА ОМЧисх в нулевой точке отсчета и затем через 18, 24, 48 и 72 часа.

В лабораторных условиях нами были подобраны условия выращивания отобранных культур для их использования в очистке сточных вод.

Оптимальными условиями, при которых происходит интенсивное (от 49 до 70%) извлечение металлов Zn, Cd, Pb из среды, оказались следующие: температура 25-280 С; рН 7,8-8,0; источник углерода - ацетат аммония; присутствие металлов (Pb, Zn или Cd) в концентрации от 0,29 до 2,47 мг/ дм3.

В результате проведенных исследований получены данные, что наиболее активными биоаккумуляторами Zn, Pb и Cd являются коллекционные штаммы Rh. ruber (ИЭГМ 219, ИЭГМ 220, ИЭГМ 221, ИЭГМ 222, ИЭГМ 338, ИЭГМ 347).

Создание предлагаемого способа стало возможным благодаря следующим установленным фактам - из 13 штаммов родококков 6 штаммов были способны аккумулировать металлы: Rh. ruber ИЭГМ 219 - Zn и Cd; Rh. ruber ИЭГМ 220 - Cd; Rh ruber ИЭГМ 221 - Zn; Rh. ruber ИЭГМ 222 - Pb и Cd; Rh. ruber ИЭГМ 338 - Pb и Cd; Rh. ruber ИЭГМ 347 - Zn и Pb.

На основании полученных данных была составлена бактериальная смесь для очистки сточных вод от металлов, в которую было введено разное количество предлагаемых культур родококков, так как соотношение взятых в смесь сообществ предлагаемых культур несущественно, поскольку при разных вариациях количественных соотношений этих культур в смеси процент убыли металла был сравнительно одинаков, что вполне объяснимо тем, что каждая из предлагаемых в смесь культур обладает способностью подвергать деструкции одновременно несколько металлов: Rhodococcus ruber ИЭГМ 219 - Zn и Cd; ИЭГМ 220 - Cd; ИЭГМ 221-Zn; ИЭГМ 222 - Pb и Cd; ИЭГМ 338 - Pb и Cd; ИЭГМ 347 - Zn и Pb. Поэтому при любом соотношении сообществ этих культур в смеси конечный результат убыли металлов был одинаков вследствие широкого комплекса стратегических возмож-

ОжЄ64 1. Ё9Ша1ёа ёi^ба^6бaбёё 6y^u6 iа6aёёїa (бё1ёй, ёaaiёy, naё^бa) a їбёn66n6aёё бй9шб Пи6п0а1ёё ё6ёй66б бїaїёiёёia, їбаaёaaaаiuб a шапй aёy Т+ёП6ёё n6Muб aia

Смесь сообществ родококков Rhodococcus ruber ИЭГМ АС Содержание металлов исх, мг/дм3 кон

219 220 221 222 338 347 Zn Cd Pb

Количество культуры родококков в смеси в колбе №1 (мл) 5 10 5 5 10 10 0,48 0,16 2,5 1,4 2,4 1,15

Убыль конц. металла, мг/дм3 % 0,32 66,7 1,10 44,0 1,25 52,1

Количество культуры родококков в смеси в колбе №1 (мл) 10 5 10 10 5 5 0,48 0,15 2,50 1,38 2,40 1,2

Убыль конц. металла, мг/дм3 % 0,33 68,8 1,12 44,8 1,20 50,0

ностей этих культур к биоаккумуляции разного спектра ионов тяжелых металлов.

Процесс очистки может осуществляться непрерывно в ходе работы биореакторов, в которые отобранные культуры Rhodococcus ruber (ИЭГМ 219, ИЭГМ 220, ИЭГМ 221, ИЭГМ 222, ИЭГМ 338 и ИЭГМ 347), в равных соотношениях предварительно выращенные в лаборатории по предложенной методике, вносятся в биореактор вместе с активным илом, в который поступают промышленные стоки. В качестве дополнительного источника питания добавляется небольшое количество углеводородов, содержащих компоненты, пригодные для питания используемых бактерий, но лишенные токсических веществ. Кроме того, широкий спектр углеводородов, поступающих со сточными водами, также является источником питания для развития этих микроорганизмов, так как родококки представляют собой организмы, способные использовать в качестве источника углерода широкий спектр органических веществ. Поэтому смешивание промышленных сточных вод, содержащих тяжелые металлы, с бытовыми стоками, содержащими органические вещества, оказывает стимулирующее влияние на развитие этих микроорганизмов, поскольку они могут использовать в качестве энергии и питания разнообразные органические соединения, а также аккумулировать тяжелые металлы. Предложенный способ запатентован (патент на изобретение №2216525 от 20 ноября 2003 г.).

Ni'erne ейїїеиуїааііїе ееоабаооби:

1. Maier M., Takino M. Avaliaczo Toxicologica de metals em aquars ars represadas do sudeste de Sao-Paulo, Brasil // Biol. Gnst. pesca.-1 8.-P. 119 - 129.

2. Tomioka N., Uchiyama H., Yagi O. Cesium accumulation and growth characteristics of Rhodococcus erythropolis CS98 and Rhodococcus sp. strain CS402 // Appl. Env. Microbiol. - 1994. - Vol.14, 12. - P. 283-290.

3. їаоебб O-A. Іїоеіаешиа опеїаеу уббаеоеаіїаї еуаеа+аіеу бауеу ааебабеуіе біаа Rhodococcus // Іббаіа їбебіай е уаїбїаиу +аеїааеа. - Ібаіабба 2000. - N. 50-52.

4. Еабаеїа обаііїа бааеїіаеиіїе їбїбееебїааіне еі ееаебее аееа і їббїбіиб іеебїїбааіеуіїа // їіа баа. Е.А. Еаоеіїе. Еі-б уеіеіаее е ааіабеее іеебїібааіеуііа^ ОбІ EAI. - 1.:^ Іабеа, 1994. - 163 п.

5. Меіаиб А.І., Озаеіаа А.Е., Еаоеіа Е.А., Еаеііаа А.Е. №'іпіа іеебіаеіеіае+апеіе і+епбее пбі+іиб аіа їбіійоеаііиб їбаа-їбеубее іб еіііа бужаейб іабаееіа: беіеа, еааіеу е Паеіба. їабаіб іа еуіабабаіеа 12216525, 20 ііуабу 2003 а. А^е. 132.