Проектирование аппарата для очистки сточных вод от фенола и нефтепродуктов (стр. 3 из 14)
Модификация указанных методов заключается в том, что иммобилизацию проводят в гравитационном поле, когда статический способ реализуют в центрифуге, существенно ускоряя таким образом осаждение суспензии клеток на адсорбенте. Осаждение клеток на поверхности адсорбента осуществляют иногда при вакуумировании системы или при охлаждении, например до 4 °С.
Кроме того, если адсорбент имеет макрогеометрическую форму (палочки, пластинки, ерши и т.д.), его погружают на определенное время в концентрированную (густую) суспензию клеток, после чего адсорбент вынимают, промывают и помещают в реактор, в котором в дальнейшем предполагается использование иммобилизованного биокатализатора.
2.1.5 Выделение и культивирование микроорганизмов
Существует ряд требований к производственным микробиологическим штаммам:
1. распространенность в окружающей среде,
2. простота методики выделения и культивирования,
3. возможность иммобилизации несколькими методами,
4. удобные для лабораторной работы условия роста,
5. простота методики определения жизнеспособности,
6. возможность простого определения количества клеток в иммобилизованном состоянии.
7. рост на дешевых субстратах,
Также бактерии должны:
1. обладать высокой скоростью роста или давать высокий выход продукта за короткое время;
2. проявлять синтетическую активность, направленную в сторону получения желаемого продукта, образование побочных продуктов должно быть низким;
3. образовывать максимально высокую концентрацию целевого продукта, чтобы затраты на его выделение были экономически оправданы;
4. быть устойчивыми к различным типам инфекций;
5. не быть токсичными для людей и окружающей природы.
Исходя из этих требований, для очистки сточных вод из активного ила очистных сооружений г. Перми были выделены микроорганизмы, обладающие наибольшей скоростью роста на среде с фенолом.
Фенол и его производные (особенно галоген-производные, диоксины) являются крайне токсичными соединениями. Их ПДК составляют тысячные доли миллиграмма на литр (для фенола – 0,001мг/л). Бактерии разлагают фенол в соответствии со следующей схемой:
Фенол очень медленно разлагается в природных условиях, так как обладает антибактериальными свойствами, поэтому для селекции микроорганизмов применяли среды с большим содержанием фенола. При концентрации фенола 0,1 г/л выживают и размножаются только те микроорганизмы, которые способны к эффективной утилизации фенола и использовании его в качестве единственного источника углерода и энергии.
Выделение и культивирование микроорганизмов проводили на минеральной среде Е, состав которой представлен в таблице №1, с добавлением фенола.
Для выделения бактерий был произведен отбор пробы ила из аэротенка очистных сооружений г. Перми. Затем 10 мл пробы ила инокулировали в 100 мл среды Е с добавлением фенола до концентрации 0,1 г/л и поставили колбу со средой на качалку на 5дней.
Таблица 1. Состав среды Е.
| Формула вещества и концентрация раствора | Объем раствора, мл |
| 8,7 г/л KH2PO4 | 994 |
| 5М NH4Cl | 1 |
| 0,1М Na2SO4 | 1 |
| 62мМ MgCl2 | 1 |
| 1 мМ CaCl2 | 1 |
| 0,005мМ (NH4)6MoO24·4H2O | 1 |
| Раствор микроэлементов | 1 |
| pH | 7.0 |
| Состав раствора микроэлементов | В 10% -ной HCl, (г/л) |
| ZnO | 0.41 |
| MnCl2·4H2O | 2.00 |
| CoCl2·6H2O | 0.48 |
| FeCl2·6H2O | 5.4 |
| CuCl2·2H2O | 0.17 |
| H3BO3 | 0.06 |
После появления бактериальной мути 1 мл полученной накопительной культуры был перенесен с помощью пипетки в стерильную чашку Петри, на 2/3 заполненную гелем агар-агара (среда Е +0,1г/л фенола +2% агар-агара).
Смесь была распределена по поверхности геля шпателем Дригальского. Остатки жидкости на шпателе были последовательно распределены по поверхности геля в шести аналогичных чашках Петри. Далее чашки пронумеровывались и термостатировались в течение 5 дней при температуре 370С. Для дальнейших экспериментов были выбраны наиболее крупные бактериальные колонии, то есть обладающие наибольшей скоростью роста на среде с фенолом.
Затем, при помощи пипетки Пастера выбранные бактерии были пересеяны в стерильные пробирки со скошенным агар-агаром и термостатированы при Т=370С. Через 5 дней методом смыва чистые культуры из пробирок были пересеяны в колбу с жидкой средой Е (на 100 мл среды 10 мл инокулята), содержащей 0,01г/л фенола.
Колба со средой ставится на лабораторную качалку на 3-5 дней. Полученную накопительную культуру использовали в дальнейшем для иммобилизации.
2.1.6 Иммобилизация микроорганизмов
 |
Сначала нами была проведена работа по иммобилизации клеток микроорганизмов на слоистых двойных гидроксидах. В качестве исходной матрицы для иммобилизации был выбран двойной гидроксид железа-магния, структура которого показана на рис. 1:
Рис. 1. Структура слоистого двойного гидроксида состава [Mg4Fe(OH)8]Cl3·2H2O.
Материалы на основе двойного слоистого гидроксида железа-магния были выбраны в качестве носителя потому, что при изменении их состава и условий получения можно добиться изменения свойств материала в широких пределах.
В частности, можно увеличивать межслоевые пространства при замещении одних анионов другими, более крупными. Кроме того, меняя степень окисления железа можно влиять на поверхностный заряд матрицы носителя в процессе ее формирования. Таким образом, отрицательно заряженные клетки притягиваются к положительно заряженной матрице, увеличивая степень связывания клеток с носителем.
Существуют следующие способы иммобилизации микроорганизмов на матрице двойных гидроксидов Mg-Fe:
1) Соосаждением гидроксидов с микроорганизмами,
2) Осаждением гидроксидов в присутствии крупных органических анионов с последующим их замещением в структуре гидроксидов микробными клетками,
3) Интеркаляцией клеток в структуру гидроксидов на стадии окисления ионов в составе гидроксидов.
Эксперимент был направлен на выбор способа интеркаляции, определение условий ее осуществления и оценку полученных результатов.
Первым был испытан метод соосаждения двойного гидроксида Mg-Fe с микроорганизмами. Установлено, что в ходе осаждения гидроксида Fe(II)-Mg возможно повышение рН среды до 10,5, что может снижать жизнеспособность большинства видов микроорганизмов. Фенол – разлагающие микроорганизмы живут при рН от 5 до 8 с оптимумом при рН=5,5, поэтому данный способ иммобилизации не подходит.
Для реализации метода иммобилизации микроорганизмов, основанного на замещении анионов в составе двойного гидроксида, были предложены следующие органические анионы: оксалат-ион, ацетат-ион, бензоат-ион, терефталат-ион и стеарат-ион. Однако последние три иона обладают антимикробными свойствами, поэтому их применение нежелательно. Органические ионы с длинной углеродной цепью (стеарат-ион) слишком прочно связываются с матрицей носителя, поэтому их применение также ограничено. Соответственно, для практической реализации метода были рекомендованы оксалат-ион и ацетат-ион.
Известно, что межслоевые пространства способны изменять свой размер при замещении в их объеме одних ионов другими, более крупными. Возможность расширения межслоевых пространств за счет интеркаляции ионов на примере двойного гидроксида [ZnII(1-x)AlIIIx(OH)2]Clx показаны на рис. 2 (по данным [12]).
Рис. 2. Изменение межслоевых пространств двойного гидроксида в ходе обмена анионов.
 |
Подобный метод увеличения межслоевого расстояния применены для иммобилизации микроорганизмов. Процесс иммобилизации можно представить следующими уравнениями:
 |
где
-отрицательно заряженные клетки Bacillussp.