Введение к работе
Актуальность проблемы. В результате научно-технического прогресса и, в частности, развития химических отраслей промышленности, происходит интенсивное загрязнение окружающей среды синтетическими органическими соединениями. Значительная роль в деградации этих соединений принадлежит микроорганизмам. Обитая в различных экологических нишах, они обладают способностью включать в свой метаболизм неприродные органические соединения.
Состояние вопроса. Фундаментальные исследования в области анаэробной деградации органических соединений до метана микроорганизмами явились основой для создания современных технологий очистки бытовых и промышленных сточных вод. Одним из примеров высокоэффективных технологий очистки является реактор с восходящим потоком сточных вод (UASB), в котором формируется гранулированная биомасса. В то время как анаэробная биологическая очистка сточных вод имеет длительную историю, процессы с гранулированной биомассой получили развитие только в последнее время. В настоящее время UASB реакторы широко применяются за рубежом для очистки сточных вод пищевых и целлюлозно-бумажных производств (Lettinga et al, 1983). К настоящему моменту получен большой объем информации о механизме гранулообразования, микробном составе гранул, о тонких взаимоотношениях бактерий в сообществах в процессе метаболизма органических соединений (Lettinga et al, 1988; Калюжный и др., 1991; Lowe et al, 1993). Однако имеется ряд проблем, которые ограничивают применение данной технологии. Одной из них является проблема запуска процесса на новых сточных водах, с компонентами которых гранулированный ил ранее не контактировал. Это особенно актуально для очистки сточных вод химической промышленности, т.к. сток каждого производства содержит в большом количестве специфические компоненты. Для расширения сферы применения данной технологии необходимо решить ряд фундаментальных и прикладных задач, а именно, получение новых гранул на реальных сточных водах или изменение активности микрофлоры имеющихся гранул в желаемом направлении.
Удобной моделью в таких исследованиях явились сточные воды (мет)акрилатных производств, включающие в себя простые соединения, способные вовлекаться анаэробными бактериями в их метаболизм. Имеется ограниченное количество публикаций по анаэробной очистке сточных вод, содержащих (мет)акрилатные компоненты (Сухарев и др, 1987; Dohanyos et al, 1988). Все они носят технологический характер и не содержат данных о микрофлоре участвующей в процессе очистки. Учитывая то, что сточные воды определенных производств всегда имеют специфический состав органических загрязнителей, изучение процесса их деградации позволяет выявлять как общие закономерности, так и индивидуальные особенности.
Цель и задачи работы. Цель настоящей работы состояла в изучении процессов анаэробного разложения органических веществ микроорганизмами гранулированного ила на примере компонентов сточных вод (мет)акрилатных производств. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
изучить пути деградации органических компонентов сточных вод (мет)акрилатных производств сообществами анаэробных микроорганизмов;
выделить и охарактеризовать специфическую анаэробную микрофлору, инициирующую процесс деградации (мет)акриловых кислот;
инициировать процесс деградации (мет)акриловых кислот модификацией гранулированного ила специфической микрофлорой;
сравнить активность гранул, разрушающих метакриловую кислоту, выращенных на реальных сточных водах и модифицированных специфической микрофлорой;
изучить некоторые физиологические особенности культивирования гранулированного ила на индивидуальных субстратах: ацетате, пропионате, бутирате и изобутирате.
Научная новизна. Изучен путь деградации метакриловой кислоты до метана в анаэробных условиях. Показана роль специфической анаэробной микрофлоры в осуществлении начальной стадии процесса деградации (мет)акриловых кислот. Выделена и изучена чистая культура анаэробной бактерии, осуществляющая реакцию трансформации метакриловой кислоты до изомасляной за счет окисления ацетата. Данная реакция является новой для анаэробных бактерий, и в ряде случаев может представлять собой терминальную стадию деградации органических веществ, наряду с нитрат-, сульфат-, серо- и железоредукцией, а также метаногенезом.
Впервые продемонстрированы различные подходы к изменению активности микроорганизмов, входящих в гранулированный консорциум. Показано, что наиболее эффективным оказалось сочетание специфической микрофлоры, инициирующей процесс деградации (мет)акриловых кислот, с гранулированным илом, адаптированным к низшим жирным кислотам (изобутирату или пропионату).
В лабораторной модели UASB реактора получены значения рН оптимумов для гранулированного ила при культивировании на ацетате, пропионате, бутирате и изобутирате.
Практическая значимость исследования. Изучены пути деградации основных компонентов сточных вод (мет)акрилатных производств. Подробно исследована трансформация метакриловой кислоты до изомасляной чистой культурой АМ-1. Выделенный штамм АМ-1 может быть предложен как деструктор метакриловой кислоты и ацетата для анаэробной очистки сточных вод (мет)акрилатных производств. Изученные подходы по изменению микробиологической активности гранул на примере акриловой и метакриловой кислот могут служить методическими рекомендациями при выборе способа запуска UASB реактора на новых сточных водах. Изоляты метаногенных бактерий -DGAC и PRF, которые способны образовывать агрегаты, могут быть использованы в качестве исходных культур для внесения в UASB реактор при получении новых гранул.
Апробация работы. Материалы диссертации были сообщены на Всесоюзных конференциях (г. Пущино, 1988; г. Рига, 1988; г. Алма-Ата, 1991), на Всесоюзном симпозиуме " Микробиология охраны биосферы в регионах Урала и Северного Прикаспия" (г. Оренбург, 1991).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 работ, две работы находятся в печати.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, глав,