Метаболізм залізобактерій

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

НАЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІНСТИТУТ ЕКОЛОГІЧНОЇ БЕЗПЕКИ

КАФЕДРА БІОТЕХНОЛОГІЇ

ДОМАШНЄ ЗАВДАННЯ

з дисципліни

" Загальна мікробіологія і вірусологія"

на тему:

"Метаболізм залізобактерій"

Виконала: студентка ІЕБ 210 групи, Уницька А.Ю.

Перевірила: к.с.-г.н., доцент кафедри біотехнології Ястремська Л.С.

Київ 2014



ЗМІСТ

ВСТУП

РОЗДІЛ 1.ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА

1.1 Морфологія залізних бактерій

1.2 Класифікація за дев'ятим виданням Визначника Бергі

РОЗДІЛ 2. МЕТАБОЛІЗМ ЗАЛІЗОБАКТЕРІЙ. ШЛЯХИ ТА ФЕРМЕНТИ

РОЗДІЛ 3. ВИКОРИСТАННЯ ЗАЛІЗНИХ БАКТЕРІЙ В БІОТЕХНОЛОГІЇ

3.1 Розроблення залізомодифікованої біотехнології очищення стічних

вод харчових виробництв з одержанням біодобрив

3.2 Перспективи вивчення залізобактерій та їх подальша роль в біотехнології

ВИСНОВКИ

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

метаболізм залізобактерія біотехнологія стічний



ВСТУП

Актуальність. Повсюдне поширення, швидке розмноження та особливості метаболізму мікроорганізмів має величезний вплив на життя всієї планети. Процеси, в яких беруть участь мікроорганізми, насамперед являються необхідними ланками кругообігу таких елементів як азот, фосфор, кисень, вуглекислий газ, сірка, залізо, а також інших важливих біогенних елементів. Без мікроорганізмів кругообіг в природі зупинився б, і життя на Землі стало б неможливим. Мікроорганізми перші поселяються на гірській природі та обумовлюють ґрунтоутворюючі процеси. Утворюючи в процесі життєдіяльності мінеральні та органічні кислоти, мікроорганізми прискорюють процеси розчинення та вивітрювання гірських порід, залучення звільнених мінералів в біологічний кругообіг. За участю бактерій відбувається колообіг речовин, утворюється грунт та підвищується його родючість, відбувається розкладання і мінералізація органічних решток.

Створення вчення про грунтові мікроорганізми нерозривно пов'язано з ім'ям видатного російського вченого С.Н.Виноградського (1856-1953). Виноградський вніс значний вклад в пізнання фізіологічного різноманіття мікроорганізмів. Він відкрив процес хемосинтезу, показав на прикладі нітрифікуючих бактерій, сіркобактерій, та залізобактерій, що в природі існують мікроорганізми, здатні синтезувати енергію при окисненні відновних неорганічних з'єднань. Також Виноградський довів , що автотрофні бактерії можуть рости на мінеральних середовищах , отримуючи необхідну для цього росту енергію шляхом окиснення відновних неорганічних з'єднань та використовуючи в якості джерела вуглецю вуглекислоту, таким чином ним був відкритий новий хемолітоавтотрофний тип живлення мікроорганізмів. Для виділення в лабораторних умовах бактерій з певними властивостями (певної фізіологічної групи) С.Н.Виноградський запропонував створювати специфічні (елективні) умови, які дають можливість розвитку даної групи мікроорганізмів , таким чином він розробив метод накопичувальних культур. Слід відмітити, що є великі можливості, засновані на застосуванні мікроорганізмів , для розширення та вдосконалення біотехнологічних процесів. Вирішення таких актуальних проблем як забезпечення людства продуктами харчування, лікарськими препаратами, поновлення енергетичних ресурсів, охорона навколишнього середовища так чи інакше буде пов'язано з використанням мікроорганізмів.

Таким чином, вивчення залізобактерій є актуальним для вирішення фундаментальних проблем, пов'язаних з виникненням та еволюцією метаболічних шляхів прокаріот, ймовірно, які мали термофільного попередника. Дослідження термофільних залізоредукторів важливі для розуміння функціонування біосфери, що характеризувалася підвищеними температурами і наявністю значних кількостей Fe (III), а також біогеохімічних процесів, що відбуваються в сучасних термальних екосистемах. Процеси, здійснювані залізоредукуючими термофілами, можуть бути використані при розробці нових природоохоронних технологій, а також для отримання біогенних мінералів з новими властивостями.



РОЗДІЛ 1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА

Залізобактерії одержують енергію за рахунок окиснення сполук двовалентного заліза до тривалентного. Вони беруть участь в утворенні покладів залізних руд. Процес хемосинтезу відкрив у 1887 році видатний український мікробіолог С.М.Виноградський. Хемосинтезуючі мікроорганізми відіграють виняткову роль у процесах перетворення хімічних елементів у біогеохімічних циклах. Біогеохімічні цикли (біогеохімічний колообіг речовин) -- це обмін речовинами та забезпечення потоку енергії між різними компонентами біосфери, внаслідок життєдіяльності різноманітних організмів, що має циклічний характер.

Вчені розробили спосіб вирощувати залізобактерії, використовуючи замість заліза електричний струм. Такий крок допоможе їм краще вивчити ці організми і колись дозволить використовувати їх для перетворення електрики у паливо. Метод, який назвали електрохімічною культивацією, підживлює ці бактерії постійним потоком електронів, які бактерія використовує для «дихання». Колись, завдяки цьому способу можна буде електричним струмом, отриманим від відновлювальних джерел, наповнити бактерії, які поєднають його із двоокисом вуглецю -- внаслідок цього буде створено біопаливо, де енергія знаходиться у вигляді корисної і придатної до збереження субстанції.

«Це новий спосіб вирощування мікроорганізмів, які дуже важко вивчати. Проте той факт, що ці організми можуть для своїх потреб синтезувати будь-що, використовуючи лише електричний струм, робить їх дуже цікавими»,-- каже Деніел Бонд (Daniel Bond) із Інституту біотехнологій в Мінесотському університеті. Він є співавтором зазначеної вище статті; серед інших авторів -- Зарат Самерс (Zarath Summers) та Джефрі Ґралнік (Jeffrey Gralnick).

Для «дихання» залізобактерії забирають електрони від розчиненого заліза Fe(II) -- унаслідок цього процесу створюється величезна кількість іржі Fe(III). Залізобактерії можна знайти у всіх куточках світу -- майже будь-де, де аеробне середовище зустрічається із анаеробним. Вони відіграють значну роль у глобальній циркуляції заліза та сприяють корозії сталевих трубопроводів, мостів, пірсів і кораблів, проте їхній стиль життя на стику двох дуже відмінних середовищ та нагромадження захопленого клітинами Fe(III) робить залізобактерії непростими до вирощення та вивчення у лабораторії. Вчені вважають, що ці бактерії мусять проводити окислення заліза на своїй поверхні. Якщо це так, розмірковує Бонд, то зовнішня поверхня бактерії має бути вкрита білками, що взаємодіють із Fe(II), тож якщо зуміти направити потік чистих електронів до зовнішньої поверхні бактерій -- вони зможуть рости і розмножуватися.

Бонд і його колеги помістили морські залізобактерії Mariprofundus ferrooxydans PV-1 і трохи поживного середовища на ретельно налаштований електрод, щоб дати електронам той же рівень енергії, або потенціал, який би вони отримали від Fe(II). Ідея полягала в тому, каже Бонд, щоб «обвести бактерію круг пальця і змусити її думати, що вона на найкращому в світі бенкеті із атомів Fe(II)». І це спрацювало. Бактерії розмножилися і утворили на електроді плівку, каже Бонд, і навіть змогли виростити M. Ferrooxydans у середовищі, де заліза не було взагалі, що підтверджує той факт, що бактерії живуть за рахунок електронів, які вони поглинають із електрода, для захоплювання двоокису водню та реплікації. І оскільки донор електронів -- тверда поверхня, кажуть автори, це вказує на те, що вся машинерія по збиранню електронів знаходиться на зовнішній мембрані клітини. Саме здатність уловлювати двоокис вуглецю може колись стати поштовхом до електрохімічної культивації та створення біопалива чи інших корисних продуктів, каже Бонд. «Бактерії -- експерти зі зв'язування двоокису вуглецю. Вони будують клітини та складові за допомогою вуглецю. Одного дня їх можна буде використовувати як мікроскопічні батарейки: бактерії, подібні до M. Ferrooxydans можуть уловлювати електричний струм від електроду, поєднувати його із двоокисом вуглецю та зберігати у стані багатого на вуглець компоненту, який ми зможемо використовувати як паливо. Це забиратиме енергію від електричного струму -- вона ефемерна -- і перетворюватиме у матеріальний продукт, який можна буде зберігати у відповідних резервуарах. Проте такому результатові передує ще багато роботи», - попереджає Бонд.

«Якщо для створення подібного треба сто кроків, то ми поки зробили лише перший»,-- каже він.

1.1 Морфологія залізних бактерій

Відомо значне число мікроорганізмів, які прямо або побічно беруть участь в окисленні заліза. Деякі з них були відкриті ще в середині минулого століття, але досі у вигляді чистих культур вдалося отримати лише деякі. Тому відомості про біологію більшості таких форм досить обмежені і засновані на вивченні або тільки природного матеріалу, або накопичувальних культур. На підставі наявних даних можна, однак, зробити висновок, що багато з них є гетеротрофами. До числа таких належать мікроорганізми, що окислюють комплексні органічні сполуки заліза. В результаті цього залізо у вигляді гідрату окису відкладається на поверхні клітин. Такі мікроорганізми зустрічаються й у водоймах, і в грунті. До числа водних форм відносяться Siderocapsa, Blastocaulis, Neumanniella, Ochrobium і деякі інші. У грунті в розкладанні гуматів заліза, беруть участь бактерії родів Hyphomicrobium, Pasteuria і Seliberia stellata. Описані також різноманітні по морфології мікроорганізми, які, судячи з низки даних, можуть окисляти неорганічні сполуки заліза в болотах, струмках, залізних джерелах, дренажних трубах, в озерах та інших водоймах з утворенням осадів. Саме такі форми були названі залізобактеріями. До них належать представники нитчастих бактерій Leptothrix, Toxothrix, Crenothrix, а також Gallionella, Siderococcus, Methallogenium.

Найбільш широко поширені нитчасті бактерії, звані Leptothrix ochracea. За описами, клітини цієї бактерії зібрані в ланцюжки і оточені чохлом, де відкладається гідрат окису заліза. Завдяки наявності джгутиків клітини здатні до руху і можуть залишати чохол. Зазвичай зустрічається в струмках, на виході залізних джерел на болотах, утворює скупчення у вигляді іржавих плям. Деякі з цих бактерій (Leptothrix ochraceae) вільно плавають у воді, не прикріплюючись до субстрату; інші прикріплюються до якогось твердого предмету у воді. Розмножуються нитчасті бактерії поперечним діленням клітин, утворюючи тільця, аналогічні конідіям, а також зооспорами та гонідіями (рухливими клітинами). Leptothrix окислює двохвалентне залізо FeCО3 до трьохвалентного Fe (СO3)3 з наступним гідролізом до Fe(OH)3:

4FeC03 + 6Н20 +O2 = 4Fe (0Н)3 + 4С02

Остаточно не вирішено навіть, є Leptothrix самостійним родом або це представники Sphaerotilus, гетеротрофної нитчастої бактерії, яка здатна відкладати навколо клітин оксиди заліза.

Інший організм, який давно привертає до себе увагу у зв'язку з особливостями морфології і фізіологічних властивостей, - це Gallionella. Виділяють кілька видів, найбільш відомий Gallionella ferruginea. Згідно з описами М. Г. Холодного, Gallionella складається з бобовидних окремих клітин, які виділяють з увігнутої сторони гідрат окису заліза, що утворює переплетені нитки. Наступні роботи з використанням електронної мікроскопії підтвердили, що в культурах Gallionella зустрічаються віброїдні клітини з джгутиками. Від таких клітин можуть відходити стеблинки у вигляді ниток, що складаються з окремих волокон. Виявлено також наявність на нитках розширень (мембранних мішків) і дрібних округлих тілець, схожих на нирки. Хімічні реакції доводять наявність в нитках білка. Все це говорить про те, що дані утворення не є чисто гідратом окису заліза, а, мабуть, мають «живі елементи». Роботи останніх років дозволяють припускати, що під назвою Gallionella описані комплексні культури, один з компонентів яких, мабуть, відноситься до мікоплазм. Очевидно, питання про природу Gallionella буде остаточно вирішене після виділення безсумнівно чистих культур. Поки таких немає, хоча накопичувальні культури одержати досить просто. Для цього використовують мінеральне середовище, що містить сульфід заліза або металеве залізо, і забезпечують постачання вуглекислотою. Той факт, що Gallionella росте на такому середовищі і фіксує С02, говорить про можливість її існування в автотрофних умовах. Але для остаточних висновків необхідні подальші дослідження.

Ще один представник, залізобактерія Thiobacillus ferrooxidans життєздатна при рН середовищі до 2,5, однак енергію вона отримує не тільки за рахунок окиснення відновних з'єднань сірки, але й за рахунок окиснення іонів Fe2 +. Ця залізобактерія мешкає в кислих рудах, які містять сульфіди різних металів , в тому числі пірит (FeS2). Реакції окиснення заліза цією бактерією можна описати наступними рівняннями:

4Fe2++4Н++6SO4+O2>2Fe2(SO4)3+2H2O

Fe2(SO2)3+6H2O>2Fe(OH)3+6H++3SO4

Окиснення закисного заліза дає малий вихід енергії, і для підтримки росту бактерії витрачають велику кількість заліза. Так, для утворення 1 г сирої біомаси клітин бактерії повинні окислити біля 500 г сірчанокислого заліза.

1.2 Класифікація за дев'ятим виданням Визначника Бергі

Залізні бактерії належать до філогенетичної групи Proteobacteria, є грамнегативними аеробними бактеріями. Вони відносяться до царства Procaryotae, відділу Gracilicutes, класу Oxyphotobacteria, групи 12: Аеробні хемолітотрофні бактерії і споріднені організми. Залізо- та марганець-окиснюючі або осаджуючі бактерії об'єднуються в родину Siderocapsaceae

Рис.1Gallionella Рис.2Leptospirillum Рис.3Siderocapsa

Висновки. Хемосинтез був відкритий у 1889 р. українським мікробіологом С. М. Виноградським. Процес хемосинтезу здійснюють хемоатотрофні бактерії. Залізобактерії одержують енергію за рахунок окиснення сполук двовалентного заліза до тривалентного. Вони беруть участь в утворенні покладів залізних руд. Вони грають значну роль у глобальній циркуляції заліза та сприяють корозії сталевих трубопроводів, мостів, пірсів і кораблів.

Мікроорганізми, здатні окислювати неорганічні сполуки заліза в болотах, струмках, залізних джерелах, озерах, дренажних трубах та інших водоймах з формуванням охристих осадів називають залізовідновлюючими бактеріями. Термофільні залізо відновні бактерії здатні ензиматично відновлювати токсичні і радіоактивні метали змінних валентностей. Систематика бактерій представлена у Визначнику бактерій Бергі. Це видання створено для швидкої ідентифікації бактерій за фенотиповими ознаками, містить концентровану інформацію про всі види бактерій. Залізобактерії відносяться до царства Procaryotae, відділу Gracilicutes, класу Oxyphotobacteria, групи 12: Аеробні хемолітотрофні бактерії і споріднені організми.



РОЗДІЛ 2. МЕТАБОЛІЗМ ЗАЛІЗОБАКТЕРІЙ. ШЛЯХИ ТА ФЕРМЕНТИ

Найважливішою ознакою живої матерії є постійний обмін речовин між організмом і середовищем. Сукупність процесів, які гармонійно поєднані і перебігають у клітині в певній послідовності, забезпечуючи відтворення її біомаси, називають обміном речовин, або метаболізмом.

Існують два напрями метаболізму: анаболізм, або конструктивний обмін, який об'єднує процеси синтезу складових частин тіла організму за рахунок надходження поживних речовин із довкілля, і катаболізм, або енергетичний обмін, що включає процеси розпаду органічних речовин із одночасним вивільненням енергії та акумуляцією її в АТФ та інші високоенергетичні сполуки. У мікроорганізмів розділяють дві форми катаболізму - дихання і бродіння.

Залізо належить до незамінних поживних елементів. Мікроорганізми використовують його в дуже малих кількостях. Однак нормальний розвиток їх без цього елемента неможливий, оскільки залізо входить до гемінового угруповання, яке є коферментом для низки важливих дихальних ферментів (цитохроми, цитохромоксидаза, каталаза, пероксидаза тощо).

Залізобактерії є хемолітоавтотрофами. Це порівняно невелика група прокаріот, які отримують відновні еквіваленти та енергію для синтезу АТФ шляхом окиснення неорганічних речовин, здатні до фіксації вуглекислого газу. В якості енергетичних субстратів можуть використовувати сірководень (Beggiatoa), сірку (Thiobacillus thiooxidans), аміак (Nitrosomonas), водень (Hydrogenomonas), залізо Fe2+ (Thiobacillus ferrooxidans), чадний газ (Pseudomonas carboxydohydrogena).

Енергетичний метаболізм хемолітоавтотрофів

Окислення відновлених мінеральних сполук азоту, сірки, заліза служить джерелом енергії для хемолітотрофних мікроорганізмів. Розподіл хемолітотрофних мікроорганізмів на групи грунтується на специфічності кожної групи по відношенню до окислюваного з'єднання. Розрізняють нітрифікуючі бактерії, залізобактерії, сіркобактерії.

Залізобактерії не являють собою єдиної таксономічної одиниці. Цим терміном об'єднують мікроорганізми, що окислюють відновлені сполуки заліза для отримання енергії:

4FеСО3 + O2 + 6Н2O > 4Fе (ОН) 3 + 4СО2 + 167 кДж / моль

У транспорті електронів від двовалентного заліза до кисню беруть участь хінони та цитохроми. Перенесення електронів пов'язане з таким шляхом, як фосфорилювання.

Ефективність використання енергії у цих бактерій настільки мала, що для синтезу 1 г клітинної речовини їм доводиться окисляти близько 500 г вуглекислого заліза. Механізм асиміляції СО2 в конструктивних цілях у всіх хемолітоавтотрофів схожий з таким як у фотосинтезуючих автотрофів, що використовують як донор водню воду. Основна відмінність полягає в тому, що в процесі хемосинтезу кисень не виділяється.

Процеси енергетичного обміну

У мікроорганізмів існує дві основні форми енергетичного обміну (катаболізму) - дихання і бродіння. Як під час дихання, так і під час бродіння відбуваються процеси розпаду поживних речовин, в основному, внаслідок реакції окислення.

Згідно з сучасними уявленнями, окислення будь-якої сполуки полягає у втрачанні нею електрона або електрона разом з воднем. Цей процес може відбуватися за одним із таких шляхів:

1. Безпосереднім втрачанням електрона, результатом якого є зміна валентності: Fe2+ - Fe3+ + ;

2. Вилученням із речовини водню (для перебігу цієї реакції необхідною є наявність у системі рецептора водню);

3. Безпосереднім приєднанням до речовин кисню;

4. У переважній кількості біологічних реакцій речовина, яка піддається окисленню попередньо гідратується, в результаті чого її здатність до окислення відчутно зростає.

У біологічних системах ці шляхи окислення пов'язані, до того ж в усіх випадках в основі окислення лежить втрата електрона речовиною, яка окислюється. Таке втрачання електрона, зазвичай, поєднується з одночасним втрачанням водню. Віддача електрона можлива тільки тоді, коли в клітині є речовина, здатна приєднати електрон. Інакше в живих організмах окислення будь-якої сполуки завжди поєднується з відновленням іншої.

Під час біологічного окислення перенесення електронів супроводжується вивільненням енергії, яка утилізується клітиною за допомогою відповідних сполук. У тварин цей процес відбувається в мітохондріях, а у бактерій - в мезосомах.

Клітина запасається енергією у формі сполук, які мають так звані макроенергетичні зв'язки. При гідролітичному розщепленні цих зв'язків енергія звільняється і може бути використана в різних процесах життєдіяльності мікробної клітини.

В залежності від джерел вуглецю, що використовуються для конструктивного обміну (анаболізму), розрізняють 2 типи живлення мікроорганізмів: автотрофний та гетеротрофний.

В більшості залізобактерій гетеротрофний тип живлення. Гетеротрофи позбавлені ряду ферментних систем, їх біосинтезуючі процеси виражені слабше, ніж в автотрофів, тому джерелом вуглецю для них є готові органічні речовини.

Висновки. Отже, залізобактерії є хемолітоавтотрофами. Джерелом енергії для них слугують окисно-відновні реакції, донором електронів виступають неорганічні сполуки (Н2, Н2S, NH3, Fe2+), джерелом вуглецю - вуглекислий газ та органічні сполуки.



РОЗДІЛ 3. ВИКОРИСТАННЯ ЗАЛІЗНИХ БАКТЕРІЙ В БІОТЕХНОЛОГІЇ

3.1 Розроблення залізомодифікованої біотехнології очищення стічних вод харчових виробництв з одержанням біодобрив

Охорона навколишнього природного середовища (довкілля) та забезпечення екологічної безпеки є одними з найважливіших проблем сучасності. У “Національній програмі екологічного оздоровлення басейну Дніпра та поліпшення якості питної води”, прийнятої Верховною Радою України від 27 лютого 1997 року, відмічено, що низька ефективність наявних очисних споруд веде до погіршення стану водних систем. При вирішенні цієї проблеми особливої уваги набувають біотехнологічні способи обробки стічних вод, які можуть забезпечити потрібний рівень очищення, є економічними, і можуть бути застосовані у широкому масштабі. Крім того, використання анаеробних способів очищення стічних вод дає змогу отримувати енергетично цінний біогаз. Розробка нових ефективних способів удосконалення існуючих біотехнологій очищення стічних вод, а також утилізація корисних речовин із стоків з метою їх подальшого застосування відповідає вимогам безпеки довкілля.

Цей пункт присвячений актуальним питанням підвищення якості процесу анаеробного очищення сульфатвмісних та фосфатвмісних стічних вод та видалення, з ціллю використання у народному господарстві як добрива, фосфатів із рідинної фракції анаеробного мулу міських очисних споруд завдяки використанню залізовідновлювальних бактерій та сполук тривалентного заліза.

Розроблено нові біотехнологічні способи анаеробного очищення сульфат- та фосфатовмісних стічних вод з використанням залізовідновлювальних бактерій (ЗВБ) та сполук тривалентного заліза. Виявлено, що у разі додавання Fe (III) та ЗВБ в анаеробний реактор під час очищення сульфатовмісних стічних вод відбувається зменшення сульфатредукції та утворення сульфіду, а також спостерігається покращення процесу видалення загального органічного вуглецю та утворення метану. Встановлена можливість використання залізовідновлювальних бактерій для видалення фосфату під час очищення стічних вод. З'ясовано, що оптимальне співвідношення кількості внесеного Fe (III) до фосфату під час анаеробного зброджування активного мулу складає 2:1, а ефективність видалення фосфату становить 95 % від початкового значення. Одержано накопичувальні та чисті культури ЗВБ. Визначено найближчу філогенетичну послідовність нуклеотидів для гену 16S pPHK ізольованих штамів, які є представниками видів Stenotrophomonas maltophilia та Brachymonas denitrificans. Вперше показано залізовідновлювальну активність S. maltophilia та денітрифікувальної бактерії B. denitrificans. Запропоновано технологію застосування залізовідновлювальних бактерій та внесення Fe (III) для анаеробного видалення фосфату з рідинної фракції анаеробного мулу міських споруд з очищення стічних вод з метою подальшого використання фосфат-залізного осаду (ФЗО) як фосфорного добрива у сільському господарстві. Виявлено, що додавання ФЗО до грунту збільшує суху вагу наземної частини рослин у 4 - 5 разів у порівнянні з контрольною групою. Розроблено апаратурну та технологічну схеми одержання ФЗО з рідинної фракції анаеробного мулу міських споруд з очищення стічних вод.

Використання одержаних результатів дозволяє підвищити ефективність процесу очищення сульфатвмісних стічних вод та видалити фосфати при очищенні фосфатвмісних стічних вод. Рекомендовано оптимальні співвідношення FeSO42- та FeРO43-, що дозволяють проводити анаеробне очищення стічних вод найбільш ефективно. Отриманий фосфат-залізний осад може бути застосовано як фосфорне добриво.

Запропонований новий біотехнологічний спосіб видалення фосфату з стічних вод, заснований на застосуванні залізовідновлювальних бактерій та тривалентного заліза, був позитивно оцінений фахівцями відділу техногенної безпеки і технологічної політики Інституту проблем національної безпеки України як вклад у розв'язування дуже важливих для України екологічних проблем.

Запропоновано використовувати взаємодію між анаеробними й аеробними біохімічними перетвореннями органічної матерії, азоту, сполук сірки, фосфору і заліза в процесі біологічного очищення стічних вод харчових виробництв. Внесення тривалентного заліза на анаеробній стадії очищення жиро-, білок-, фосфато- і сульфатвмісних стічних вод дозволяє підвищити метаногенну активність анаеробного мулу, вихід біогазу, зменшити вміст у біогазі токсичного сірководню; досягти більш повного розкладання органічних речовин стічних вод; поліпшити якість очищеної води. Співосадження амонійного азоту з тривалентним залізом на аеробній стадії дозволяє запобігти вторинному забрудненню навколишнього середовища токсичними з'єднаннями азоту й уникнути непродуктивних втрат цінної азотовмісної сировини.

Розвиток біотехнологічних методів очистки стічних вод, які вдало поєднують у собі технологічність і високі економічні показники, на сьогоднішній день значно відстає від темпів росту промисловості та збільшення кількості стічних вод. В той же час, крім розв'язання проблеми знешкодження стоків, анаеробно-аеробне перероблення промислових відходів дозволяє одержати цінний енергоносій - метан, що є актуальним в умовах виснаження енергетичних ресурсів Землі.

У програмних документах по охороні навколишнього середовища в Україні відмічено, що низька ефективність наявних очисних споруд веде до погіршення стану водних систем.

При вирішенні цих проблем особливої уваги набувають біотехнологічні способи обробки стоків, які можуть забезпечити потрібний рівень очищення, є економічними і можуть бути застосовані у широкому масштабі. Крім того, використання анаеробних способів очищення дають змогу отримувати біогаз, енергетичний еквівалент якого складає 1,7 кВт*ч/м3. Розроблення нових ефективних способів та удосконалення існуючих біотехнологій очищення стічних вод, а також утилізація корисних речовин із стоків з метою їх подальшого застосування відповідає вимогам безпеки довкілля.

В сучасних умовах особливо доцільною є інтеграція процесів очистки стічних вод, одержання горючого газу і утилізації продуктів, що були одержані, тому актуальним аспектом є отримання добрив на основі відходів харчових підприємств, які в значній кількості містять біогенні елементи та водночас не містять важких металів.

До переваг анаеробного метаногенного очищення стічних вод можна віднести можливість його використання для оброблення висококонцентрованих промислових відходів; утворення меншої кількості надлишкового мулу порівняно з аеробним процесом, можливість використання метаногенезу для біодеградації не тільки природних речовин, але і ксенобіотиків; корисний газ метан утворюється при анаеробному бродінні; акцептором електронів є СО2, таким чином немає необхідності в енергоємній аерації.

Суттєвим недоліком анаеробного методу очищення стічних вод є складність в напрацюванні біомаси анаеробного активного мулу й запуск анаеробних біореакторів. Крім того, для повного вилучення забруднень із стічних вод метанове бродіння застосовувати неможливо, оскільки в процесі очищення відбувається накопичення проміжних продуктів (ЛЖК, молочної кислоти тощо), що приводить до репресії метаногенезу. Отже, використання окремо анаеробної або аеробної системи обробки стічних вод не дозволяє досягнути бажаного ступеню очищення.

Можливим шляхом інтенсифікації анаеробної деградації складних субстратів з використанням процесу метаногенезу може бути штучне підвищення концентрації заліза в системі. Елементарне залізо, додане до анаеробної системи, може бути потенційним донором електронів для метаногенних бактерій. Утворення метану з водню та СО2 не пригнічується залізом. Залізо та деякі інші метали (алюміній та цинк) утворюють газоподібний водень при катодній деполяризації. Потім цей водень споживається метаногенами, таким чином стимулюючи окислення металів шляхом їх метаболічної активності. Всі ці реакції термодинамічно можливі, тобто, використання елементарного заліза може бути застосовано як можливий технологічний варіант для покращення анаеробного очищення стічних вод. Але більш доцільним, із нашої точки зору, є використання залізовмісних відходів виробництв (хлорид заліза, залізний брухт).

Залізо (ІІІ) при доданні його до анаеробної системи відновлюється до заліза (ІІ) та може сприяти відновленню СО2 та водню, таким чином активізуючи метаногенез. Додавання солей тривалентного заліза в стічну воду на стадії анаеробного очищення може сприяти утворенню нерозчинних солей та комплексів заліза з вищими жирними кислотами, тим самим знешкоджуючи їх пригнічуючий вплив на метаногенез. При цьому можлива також інтенсифікація процесу анаеробного очищення жировмісних стічних вод за рахунок анаеробної деградації сполук залізо-жирної кислоти (ЗЖК), що утворилась, біоценозом активного мулу.

Відомо, що додавання деяких металів в оброблювану стічну воду знижує активність сульфатвідновлювальних бактерій, і метаногенез стає основним фізіологічним процесом біоценозу. Особливий інтерес, в цьому плані, можуть мати солі дво- та тривалентного заліза.

Взаємозв'язок процесів метаногенезу, відновлення сульфатів та заліза має місце як в технічних системах, так і в природних спільнотах. Існують дані про залежність процесу мінералізації органічних речовин в природних анаеробних мікробних екосистемах від характеру взаємодії метаногенних, сульфат- та залізовідновлювальних мікроорганізмів. Так, присутність тривалентного заліза викликає конкуренцію за водень між сульфат- та залізовідновлювальними бактеріями. Вірогідно, що пригнічуючий вплив сульфатвідновлювальних мікроорганізмів на метаноутворення може при цьому зменшуватись. Крім того, додавання заліза в стічну воду, що оброблюється, може привести до зменшення концентрації токсичного для метаногенів сірководню в результаті утворення нерозчинних сполук із ним.

Результати досліджень довели, що використання сполук заліза при анаеробно-аеробному очищенні стічних вод харчових виробництв може інтенсифікувати метанову ферментацію важкодеградуючих компонентів стоків і дати можливість акумулювати цінні біогенні елементи стоків на аеробній стадії до очищення у вигляді комплексних сполук, які є потенційним біологічним добривом пролонгованої дії.

Внесення залiза (III) у воду, яка пiдлягає очищенню, знiмає пригнiчуючий вплив жирiв та жирних кислот на метаногенез за рахунок спiвосадження їх в нерозчиннi комплекснi сполуки та солi iз залiзом. При цьому зростає кiлькiсть метаноутворювальних бактерiй, пiдвищується здатність активного мулу до метаногенезу, що сприяє бiльш повному розкладанню органiчних речовин та пiдвищенню якостi проведення процесу анаеробного очищення стiчних вод.

Результати дослiджень процесу анаеробного очищення бiлоквмiсних стiчних вод свiдчать про позитивний вплив внесення тривалентного залiза в стiчну воду. Внесення залiза (III) на стадiї анаеробної обробки дозволило пiдвищити ступiнь очищення стiчних вод на 11,2 %.

Вивчення процесу метаногенезу при очищенні сульфатовмісних стічних вод показало значне підсилення утворення біогазу при внесенні у стічну воду, що піддається очищенню, хлориду тривалентного заліза. Сумарний об'єм біогазу, що виділився на шосту добу, в дослідному варіанті був у 1,5 рази вищий, ніж у контрольному.

Однією з причин, що обумовлюють пригнічення метаногенезу при зброджуванні стічних вод, що містять сульфати, може бути підвищена концентрація сіркводню. Аналіз складу біогазу на 6-у добу показав, що концентрація сірководню в газі була в 10 разів вищою при зброджуванні контрольного варіанту стічної води, до якої залізо не вносили, у порівнянні з дослідним, де залізо було присутнім.

Додавання в стiчну воду, що пiддається зброджуванню, солi залiза пригнiчувало життєдiяльнiсть сульфатвiдновлювальних бактерiй, кiлькiсть яких на 6-у добу в контрольному варiантi складала 108 кл/мл, тодi як у дослiдному -- 101 кл/мл. Встановлено за допомогою молекулярних проб, флуоресцентною in situ гібридизацією та проточною цитофлуорометрією, що мікробна популяція сульфатвідновлювальних бактерій була домінуючою на протязі анаеробної обробки сульфатвмісних стічних вод, але при додаванні гідроксиду заліза їх доля зменшувалася у 6 разів.

Для підвищення позитивного впливу іонів заліза на процеси анаеробного очищення стічних вод із високим вмістом сульфатів або фосфатів можливо використовувати як накопичувальні, так і чисті культури залізовідновлювальних бактерій. Ізольовано та ідентифіковано шляхом секвенування гену 16S рРНК штами видів Stenotrophomonas maltophilia та Brachymonas denitrificans. Залізовідновлювальна активність представників даних видів встановлена уперше.

Позитивний вплив на метаногенез iонiв залiза пiдтверджується даними аналiзу кiлькостi метаногенних мiкроорганiзмiв. На 6-у добу концентрацiя метаноутворювальних бактерiй в дослiдному варiантi складала 25,2*108 кл/мл, що майже в 4 рази перевищувало значення цього параметру в контролі.

Пошук недорогих джерел заліза для інтенсифікації анаеробно-аеробного очищення стічних вод харчових виробництв показав, що залізовмісна глина та залізна руда можуть використовуватися як дешеві та доступні джерела Fe (III). Додавання залізовмісної глини під час анаеробного оброблення жировмісних стічних вод у кількості, що відповідала 4-х кратній дозі стехіометрично необхідного заліза для повного зв'язування довголанцюгових жирних кислот, ефективність видалення ХСК становила 98 %, метаноутворення було на 60 % вищим, ніж у контролі, збільшувалася активність метаногенів.

Проведені дослідження можливості інтенсифікації анаеробного оброблення фосфатовмісних стічних вод показали, що додавання гідроксиду заліза при анаеробному зброджуванні активного мулу з високою концентрацією фосфатів обумовлювало утворення іонів двовалентного заліза, які преципітували фосфат. При співвідношенні кількостей внесеного Fe (III) до фосфату 2:1, ефективність видалення фосфату складала 95 % від початкового значення. Застосування залізовідновлювальних бактерій та додаткове внесення Fe (III) забезпечувало анаеробне видалення фосфату з рідинної фракції анаеробного мулу міських споруд по очищенню стічних вод. Оптимальним масовим співвідношенням внесеного Fe (III) дo початкового фосфату в рідинній фракції було 4:1. Співвідношення видаленого P дo утвореного Fe (II) було 0,17 г P/г Fe (II), що практично не відрізнялося від витрат тривалентного заліза при хімічній преципітації фосфору на діючих спорудах по очищенню стічної води.

Дослідження впливу присутності солей двовалентного заліза в стічній воді на процес аеробного доочищення показали: в контрольному варіанті відбувався звичайний процес нітрифікації, який супроводжувався накопиченням нітритів та нітратів; у дослідному, з додаванням заліза, бактеріальна нітрифікація була відсутньою. При цьому як у контрольному, так і в дослідному варіантах концентрація амонійного азоту знижувалася з 600 до 100 мг/л. У дослідному варіанті спостерігали утворення коричневого осаду, аналіз хімічного складу якого показав наявність амонію та заліза в молярному співвідношенні 1:1. Осад містив компоненти, відповідні складу (NH4)Fe (ОН)4. Кінцева концентрація тривалентного заліза в очищеній воді становила 0,05 мг/л при гранично допустимій концентрації його в стоках, що спрямовуються у водосховища господарчо-питного або рибогосподарського призначення, 0,5 мг/л. Таким чином, присутність іонів двовалентного заліза в стічній воді, що піддається аеробному доочищенню, призвела до сполученого окислення двовалентного заліза зі зв'язуванням амонійного азоту і, завдяки цьому, до виведення азоту з зони реакції. Це дозволило не лише уникнути повторного забруднення середовища токсичними продуктами окислення амонію -- нітритами та нітратами, але й акумулювати азот у вигляді комплексної залізоамонійної сполуки.

Одержаний залізо-амонійний осад та фосфат-залізний осад, отриманий з рідинної фракції анаеробного мулу міських очисних споруд можуть бути використані як добрива пролонгованої дії. Додавання цих добрив до ґрунту збільшувало суху вагу наземної частини рослин у 4 - 5 разів у порівнянні з контролем.

Отже, дослідники запропонували використовувати взаємодію між анаеробними та аеробними біохімічними перетвореннями органічного матеріалу, азоту, сполук сірки й заліза в процесі біологічного очищення стічних вод харчових виробництв. Сумарний ефект, що його надає внесення тривалентного заліза на анаеробну стадію очищення жировмісних, білоквмісних стічних вод, а також стоків з підвищеним вмістом сульфатів і фосфатів полягає в підвищенні метаногенної активності анаеробного мулу і, як наслідок цього, в збільшенні об'ємів біогазу; в зменшенні вмісту в біогазі токсичного сірководню; в досягненні більш повного розкладу органічних речовин стічних вод; в покращенні якості очищеної води.

Співосадження амонійного азоту з тривалентним залізом на аеробній стадії дозволяє запобігти вторинному забрудненню навколишнього середовища токсичними сполуками азоту та уникнути непродуктивних втрат цінної азотвмісної сировини. Залізо-амонійний осад, отриманий як побічний продукт, може використовуватися як добриво пролонгованої дії. Для інтенсифікації процесу відновлення заліза на анаеробній стадії та окиснення заліза на аеробній і співосадження амонію рекомендовано внесення інокуляту залізовідновлювальних та залізоокиснювальних бактерій, відповідно.



3.2 Перспективи вивчення залізобактерій та їх подальша роль в біотехнології

Вчені розробили спосіб вирощувати залізобактерії, використовуючи замість заліза електричний струм. Такий крок допоможе їм краще вивчити ці організми і колись дозволить використовувати їх для перетворення електрики у паливо. Метод, який назвали електрохімічною культивацією, підживлює ці бактерії постійним потоком електронів, які бактерія використовує для «дихання». Колись, завдяки цьому способу можна буде електричним струмом, отриманим від відновлювальних джерел, наповнити бактерії, які поєднають його із двоокисом вуглецю -- внаслідок цього буде створено біопаливо, де енергія знаходиться у вигляді корисної і придатної до збереження субстанції. Якщо вірити дослідженням вчених, то незабаром навколишнє середовище стане чистим, а люди відповідно здоровішими.

1.Залізовідновлювальні бактерії можуть застосовуватися для регуляції процесів анаеробної обробки стічних вод. Уперше запропоновано нові біотехнологічні способи очищення сульфатвмісних та фосфатвмісних стічних вод з використанням залізовідновлювальних бактерій та сполук тривалентного заліза.

2. В процесах очищення стічних вод із вмістом сульфатів або фосфатів можливо використовувати як накопичувальні, так і чисті культури залізовідновлювальних бактерій. Ізольовано та ідентифіковано шляхом сиквенування гену 16S рРНК штами видів Stenotrophomonas maltophilia таBrachymonas denitrificans. Залізовідновлювальна активність представників даних видів встановлена уперше.

3. Залізовмісна глина та залізна руда можуть використовуватися як дешеві та доступні джерела Fe(III). Додавання залізовмісної глини під час анаеробної обробки жировмісних стічних вод у кількості, що відповідала 4-х кратній дозі стехіометрично необхідного заліза для повного зв'язування довголанцюгових жирних кислот, ефективність видалення ХСК становила 98%, метаноутворення було на 60% вищим, ніж у контролі, збільшувалася активність метаногенів.

4. Додавання Fe(ІІІ) тa залізовідновлювальних бактерій під час анаеробної обробки сульфатвмісних стічних вод зменшувало сульфатредукцію і покращувало видалення загального органічного вуглецю тa утворення метану.

5. Встановлено за допомогою молекулярних проб флуоресцентною in situ гібридизацією та проточною цитофлуорометрією, що мікробна популяція сульфатвідновлювальних бактерій була домінуючою на протязі анаеробної обробки сульфатвмісних стічних вод, але при додаванні гідроксиду заліза їх доля зменшувалася у 6 разів.

6. Показана можливість використання залізовідновлювальних бактерій для видалення фосфату при очищенні стічних вод. Додавання гідроксиду заліза при анаеробному зброджуванні активного мулу з високою концентрацією фосфатів обумовлювало утворення іонів двовалентного заліза, які преципітували фосфат. При співвідношенні кількостей внесеного Fe (III) до фосфату 2:1, ефективність видалення фосфату складала 95% від початкового значення.

7. Застосування залізовідновлювальних бактерій та додаткове внесення Fe(III) забезпечувало анаеробне видалення фосфату з рідинної фракції анаеробного мулу міських споруд по очищенню стічних вод. Оптимальним масовим співвідношенням внесеного Fe(III) дo початкового фосфату в рідинній фракції було 4:1. Співвідношення видаленого P дo утвореного Fe(II) було 0,17 г P/г Fe(II), що практично не відрізнялося від витрат тривалентного заліза при хімічній преципітації фосфору на діючих спорудах по очищенню стічної води.

8. Отриманий з рідинної фракції анаеробного мулу міських очисних споруд фосфат-залізний осад (ФЗО) можливо застосовувати як фосфорне добриво. Додавання ФЗО як фосфорне добриво до ґрунту збільшувало суху вагу наземної частини рослин у 4 - 5 разів у порівнянні з контролем.

9. Поглиблене вивчення залізобактерій допомогло вченим зробити вагомий внесок у розвиток біотехнології. Припускають, що в майбутньому залізні бактерії зможуть «дати» людству біопаливо.



ВИСНОВКИ

В курсовій роботі я досліджувала класифікацію, метаболізм та використання залізних бактерій в пророді.

Залізобактерії - це хемосинтезуючі бактерії, які одержують енергію за рахунок окиснення сполук двовалентного заліза до тривалентного. Вони беруть участь в утворенні покладів залізних руд, сприяють корозії сталевих трубопроводів, мостів, пірсів і кораблів, проте їхній стиль життя на стику двох дуже відмінних середовищ та нагромадження захопленого клітинами Fe(III) робить залізобактерії непростими до вирощення та вивчення у лабораторії. Залізобактерії відносяться до царства Procaryotae, відділу Gracilicutes, класу Oxyphotobacteria, групи 12: Аеробні хемолітотрофні бактерії і споріднені організми. Найпоширеніші представники: Siderocapsa, Blastocaulis, Neumanniella, Ochrobium, Hyphomicrobium, Pasteuria, Seliberia stellata, Leptothrix, Toxothrix, Crenothrix, Gallionella, Siderococcus, Methallogenium.

Джерелом енергії для них слугують окисно-відновні реакції, донором електронів виступають неорганічні сполуки (Н2, Н2S, NH3, Fe2+), джерелом вуглецю - вуглекислий газ та органічні сполуки.

Можуть застосовуватися для регуляції процесів анаеробної обробки стічних вод. Уперше запропоновано нові біотехнологічні способи очищення сульфатвмісних та фосфатвмісних стічних вод з використанням залізовідновлювальних бактерій та сполук тривалентного заліза.

Вчені припускають , що в майбутньому залізні бактерії стануть для людства основним джерелом енергії, яку можна буде перетворити у біопаливо.



СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

Андріюк К.І., Козлова І.П., Коптєва Ж.П. та ін.; під ред. В.С.Підгорського. Мікробна корозія підземних споруд. - К. : Наукова думка, 2005. - С. 102-180.

Гусєв. Мікробіологія.

Лысак В.В. Микробиология. Минск. 2005.

Колешко О.И., Завезенова Т.В. - Микробиология с основами вирусологии (1999)

Вікірчик К.М Мікробіологія з основами вірусології: Підручник. К. «Либідь», 2001.-312 с.

Шлегель Г. Общая микробиология: Пер. с неметкого - М.:Мир, 1987.- 567с.

Пирог Т.П. Загальна мікробіологія: Підручник. - К.:НУХТ, 2004.-471 с.

Стабніков В.П., Красінько B.О., Решетняк Л.Р. Вплив гідроксиду заліза на анаеробне зброджування сульфатвмісних стічних вод // Наукові праці НУХТ.- 2004. - Додаток до № 15. - С. 34 - 35. (Здобувачем було самостійно вивчено вплив додавання залізовідновлювальних бактерій та тривалентного заліза на процес анаеробної обробки сульфатвмісних стічних вод, а саме на утворення сірководню у біогазі та розчині).

В. Н. Сюрін «Конструктивний метаболізм бактерій» / Практик / 2005р № 4 стор 12.

Размещено на Allbest.ru

...