Материал: Комплексные проблемы техносферной безопасности. материалы Международной научно-практической конференции. Колодяжный С.А., Небольсин В.А

УДК 628.35

И.В. Соколова, Е.А. Кочеткова, А.О. Павлова

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОТРЕБНОСТЕЙ В ИСТОЧНИКАХ МАКРО- И МИКРОЭЛЕМЕНТОВ ДЛЯ ШТАММА-ДЕСТРУКТОРА. ОСНОВЫ БИОПРЕПАРАТА ДЛЯ ОЧИСТКИ

ОТ ФЕНОЛЬНЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ

В качестве изучаемого объекта выбран штамм, обладающий активностью по отношению к фенолу, как единственному источнику углерода. Данный штамм был выделен в ходе мониторинга вод Северного Каспия и отнесен к роду Rhodococcus sp., перспективен для использования в качестве деструктора для очистки фенольных загрязнений производственных вод. В ходе серии экспериментов определен оптимальный состав питательной среды для культивирования исследуемого штамма в стационарных условиях, изучено влияние микроэлементов на прирост биомассы

Ключевые слова: фенол, микроорганизм-деструктор, штамм, сточные воды, источники питания, условия культиви-

рования

Фенол является одним из наиболее распространенных загрязнений, поступающих в поверхностные воды со стоками предприятий нефтеперерабатывающей, сланцеперерабатывающей, лесохимической, коксохимической, анилинокрасочной промышленности, а также со стоками гидролизной промышленности (переработка непищевого растительного сырья цел- люлозно-бумажной и отчасти текстильной промышленности). Как следствие загрязнения водных источников возникает проблема качественной подготовки питьевой воды. В связи с этим актуальна разработка технологий, позволяющих снизить негативную нагрузку на окружающую среду и, как следствие, на организм людей [1]. В сточных водах фенолы могут находиться в растворенном состоянии в виде фенолятов, фенолят анионов и свободных фенолов [2].

Обезвреживание жидких стоков производственных предприятий все чаще проводится с помощью биологических методов [3].

По сравнению с физико-химическими методами, метод биодеградации обычно более предпочтителен, поскольку не требует высоких затрат на очистку, применяется более простое аппаратурное оформление, а так же обеспечивает возможностью удаления из сточных вод разнообразных соединений, находящиеся в воде в растворенном, коллоидном и нерастворенном состоянии. В этом случае биологическая очистка вод, загрязнѐнных фенолом и его гомологами, получила широкое распространение и большое количество видов микроор- ганизмов-деструкторов фенола были выделены и охарактеризованы на физиологическом и генетическом уровне.

Целью исследования являлось изучение свойств и подбор оптимального температурного режима и состава среды для штамма, обладающего активностью по отношению к фенолу в сточных водах и утилизирующего его практически на 100 % в стационарных условиях.

Объектом исследования являлся бактериальный штамм, выделенный из донных отложений Каспийского моря и использующий фенол в качества источника углерода в концентрации 1,5 г/л. Представляет собой неправильной формы, ветвящиеся подвижные палочки, грамположительные, спорообразующие, кислотоустойчивые. Проведенные ранее исследования позволили отнести данный штамм к семейству Actinomycetaceae, роду Rhodococcus sp. [4].

Также были проведены исследования по подбору оптимальной температуры, что позволило отнести данный штамм к мезофильным микроорганизмам с наиболее благоприятной температурой для культивирования и накопления биомассы 30 0С [5, 6].

Следующим этапом определения оптимальных условий культивирования являлся подбор состава питательной среды для штамма-деструктора ВГТУ-13. Для этого провели изучение влияния макро и микроэлементов на интенсивность роста биомассы бактериального штамма. Для проведения эксперимента использовали питательные среды следующего состава: полная среда (№1, использовали для определения оптимальной температуры): среда

161

без фосфора (№2); среда без калия (№3); среда без серы (№4); среда без магния (№5); среда без железа (№6); среда с добавлением 0,01 %, ZnSO4 (№7); среда с добавлением 0,01 % MnSO4 (№8); среда с добавлением 0,5 % NaCl (№9), среда с добавлением 0,01 % CaCl2 [5]. Посев 0,1 мл бактериальной взвеси с концентрацией 109 КОЕ/мл в 5 мл соответствующей среды осуществляли при температуре 30 ºС в трех повторностях. Сравнение проводили с контролем без бактериальной взвеси. Результаты определены через 24 часа с помощью фотоколориметрического метода (λ=540 нм, чувствительность 2).

Для оценки потребности исследуемого штамма в источниках питания и микроэлементах рассчитывали коэффициент прироста оптической плотности бактериальной суспензии по формуле (1):

(1)

где Dоп. - разность оптических плотностей суточной суспензии бактериальных клеток в экспериментальной питательной среде и исходной (незасеянной) питательной среды, усл. ед.; Dконтр. - разность оптических плотностей суточной суспензии бактериальных клеток в контрольной (полной) питательной и исходной (незасеянной) полной питательных средах, усл. ед. [5].

Значение К свыше 100 % свидетельствует о более благоприятном для роста бактерий составе питательной среды. Результаты приведены в табл. 1. Полученные данные свидетельствуют о том, что исследуемые микроорганизмы для роста и накопления биомассы нуждаются в присутствии в составе питательной среды калия, серы, магния. Фосфор и железо в исследуемых концентрациях (0,05 % и 0,01 % соответственно) существенно замедляют процессы накопления биомассы бактерий, а цинк и марганец тормозят ростовые процессы исследуемого штамма [3].

Для подтверждения полученных данных провели сравнение роста культивирования штамма ВГТУ-13 на среде без фосфора и железа одновременно (№11), сравнив значения оптической плотности с аналогичными на средах №2 и №6 . Состав среды №11: глюкоза - 1

%, пептон - 1%, NH4NO3 - 0,3 %, KСl - 0,1 %, MgSO4 - 0,05 %, Na2SO4 - 0,01 % . Полученные результаты представлены на рис. 1. Для определения содержания источников питания (углерода и азота) в среде для наращивания биомассы исследуемых микроорганизмов осуществляли посев суточных культур в жидкие питательные среды, содержащие источники углерода (глюкоза) и пептон (источник азота) в разных соотношениях. Возможность роста и интенсивность накопления биомассы оценивали визуально по мутности бактериальной суспензии после культивирования в течение 24 ч. Соотношение компонентов и нумерация сред представлены в табл. 2.

Таблица 1 Значения коэффициентов прироста биомассы ВГТУ-13 на питательных средах различного

состава

Рис. 1. Результаты сравнения подобранной среды №11 для штамма ВГТУ-13 с исходными средами

Таблица 2 Содержание глюкозы и пептона в питательных средах для штамма ВГТУ-13

Для исследования ростовых характеристик изучаемого штамма в подготовленные пробирки по 5 мл питательные среды засевали по 0,1 мл суспензии суточной культуры микроорганизма с концентрацией 109 м.к./мл. Далее культивировали при оптимальной для каждого штамма температуре в течение 24 ч. и определяли оптическую плотность культуральной жидкости, используя в качестве контроля незасеянную бактериями среду. Результаты эксперимента по исследованию зависимости интенсивности роста изучаемого штамма от концентраций глюкозы и пептона в питательной среде приведены на рис. 2.

Данные, представленные в табл. 1, 2 и рис. 1, свидетельствуют о том, что оптимальным соотношением источников углерода и азота в питательной среде является 1 % глюкозы и 1 % пептона. Кроме того, интенсивный рост исследуемых микроорганизмов отмечен на мясопептонном бульоне. Изучили также влияние на рост биомассы различных микроэлементов. В среду № 11 добавляли цинк, марганец, кальций и хлорид натрия. В качестве контрольной среды взяли среду без фосфора и железа (№11). Результаты эксперимента показаны в табл. 3.

Рис. 2. Результаты культивирования штамма ВГТУ-13 на средах с различной концентрацией пептона и глюкозы

Небольшой прирост наблюдали на среде с добавлением марганца. Остальные добавленные компоненты тормозили нарастание биомассы штамма ВГТУ-13. Наибольшее отрицательное влияние оказывает добавление ZnSO4. Чтобы оценить влияние марганца (давшего положительный прирост на среде № 11) на рост биомассы штамма ВГТУ-13, провели эксперимент на среде № 11 с различным процентным содержанием данного элемента (0,01 %, 0,02

163

%, 0,03 %). Результаты представлены на рис. 3.

Таблица 3 Значения коэффициентов прироста биомассы ВГТУ-13 на питательной среде без фосфора

и железа с добавлением микроэлементов

Рис. 3. Результаты культивирования штамма ВГТУ-13 на среде №11 с содержанием марганца

0,01 %, 0,02 %, 0,03 %.

На рис. 3 видно, что добавление марганца в количестве 0,01-0,03 % снижает нарастание биомассы по сравнению с контрольной средой на 10-30 %.

Анализируя полученные данные, можно сделать следующие выводы:

1.Определены оптимальные температурные условия лабораторного культивирования штамма - деструктора ВГТУ-13 фенольных загрязнений сточных вод. Исследуемый бактери-

альный штамм является мезофильным, дающим максимальный прирост биомассы при температуре 30 0С.

2.Подобран состав питательной среды для культивирования бактериального штамма ВГТУ-13, содержащий 1 % глюкозы, 1 % пептона, 0,3 % NH4NO3, 0,1 % KCl, 0,05 % MgSO4 и

0,01 % Na2SO4.

3. Изучено влияние микроэлементов на скорость нарастания биомассы штамма ВГТУ13 - добавление марганца и цинка, а также кальция не стимулирует ростовую активность, а наоборот, уменьшает накопление биомассы, поэтому добавление микроэлементов для культивирования в среде выше указанного состава не рекомендовано.

Литература

1.Whiteley, A.S., Bailey, M.J. Bacterial community structure and physiological state within an industrial phenol bioremediation system / A.S. Whiteley, M.J. Bailey // Appl. Environ. Microbiol., 2000. - Vol. 66.- P. 2400-2407.

2.Arutchelvan, V., Kanakasabai, V., Nagarajan, S., Muralikrishnan, V. Isolation and identification of novel high strength phenol degrading bacterial strains from phenol-formaldehyde resin manufacturing industrial wastewater / V. Arutchelvan, V. Kanakasabai, S. Nagarajan, V. Muralikrishnan // J. Hazard.Mater. - 2003. - Vol. 127. - P. 238-243.

3.Соколова И.В. Выделение, идентификация и подбор условий культивирования мик- роорганизмов-деструкторов фенольных загрязнений производственных сточных вод [Электронный ресурс] /И.В. Соколова, Е.А. Кочеткова [и др.] // Научные труды Кубанского гос. технол. ун-та (Научные труды КубГТУ): электрон. сетевой политематический журнал. - 2017. - № 7 [по матер. I междунар. науч.-практ. конф. «Безопасность и ресурсосбережение в техносфере» (г. Красно-

164

дар, 6-7 апреля 2017 г.)]. - С. 2633. - Режим доступа: http://ntk.kubstu.ru/file/1779.

4.Соколова И.В. Использование микроорганизмовдеструкторов для биоремедиации от загрязнений фенолами / Е.А. Кочеткова, И.В. Соколова [и др.] // Инновационные технологии и технические средства для АПК: материалы межд. научно-практ. конф. молодых ученых

испециалистов; под общей ред Н.И. Бухтояров, Н.М. Дерканосова, А.В. Дедов - Воронеж: Изд-во «Воронежский госуд. аграрный ун-т им. Императора Петра I», 2016. - Ч.II. - 236 с. - С.

15-19.

5.Колотова О.В., Соколова И.В., Владимцева И.В., Орлова С.Н., Анненко А.И. Выделение, идентификация и культивирование бактериального штамма, обладающего липолитической активностью / О.В. Колотова, И.В. Соколова, И.В. Владимцева, С.Н. Орлова, А.И. Анненко // Естественные и технические науки. - М.: Изд-во «ООО «Издательство «Спутник+», 2016. - № 2(92). - C. 11-16.

6.Владимцева И.В. Подбор температурного режима культивирования бактериальных деструкторов органических загрязнений сточных вод / И.В. Владимцева, О.В. Колотова, И.В. Соколова [и др.] // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. - Оренбург: Изд-во «Оренбургский госуд. аграрный ун-т», 2017. - №3(65). - С. 205-207.

ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный технический университет»

I.V. Sokolova, E.A. Kochetkova, A.O. Pavlova

STUDY OF THE NEEDS IN MACRO - AND MICROELEMENTS

FOR STRAIN-DESTRUCRTOR. THE BIOPREPARATION BASE FOR PURIFICATION

FROM PHENOL POLLUTIONS

The studied object in the research – the bacterial strain with activity to phenol as the only carbon source. This strain was isolated during The Northern Caspian sea monitoring and identified as Rhodococcus sp., it’s perspective for using as the phenol pollution wastewater destructor. During the experiments the optimum growth medium composition has been chosen for cultivating of the studied microorganisms in the stationary conditions, studied the impact of microelements at the biomass growth

Key words: phenol, microorganism-destructor, strain, wastewaters, power supplies, cultivating conditions

Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «The Volgograd State

Technical University»

УДК 628.3

А.А. Тихонова, И.В. Владимцева

РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩАЯ ТЕХНОЛОГИЯ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД С ПЕРЕРАБОТКОЙ ИЛОВОГО ОСАДКА ФЕРМЕНТНО-КАВИТАЦИОННЫМ МЕТОДОМ

Предложена ресурсосберегающая технология биологической очистки сточных вод в башенных биореакторах с ферментно-кавитационной обработкой, позволяющей обеззаразить иловый осадок путѐм использования кавитации низкой интенсивности с числом кавитации 0,01-0,05. При этом происходит интенсификация роста и ферментативной активности микроорганизмов, осуществляющих биодеградацию органических загрязнений, что дает возможность подавать возвратный активный ил без потери окислительной мощности сооружений. Метод позволяет улучшить качество очищенной воды и сократить количество образующихся твѐрдых отходов

Ключевые слова: биологическая очистка, башенные аэротенки, кавитация низкой интенсивности, обеззараживание илового осадка

Ресурсосберегающие технологии сегодня весьма востребованы в различных сферах и очистка сточных вод не является исключением. Для уменьшения воздействия на окружающую среду необходимо разрабатывать и внедрять технологии, позволяющие улучшить качество очищенной воды, а так же уменьшить количество твѐрдых отходов - илового осадка.

165