Микробиологическая
и физико-химическая характеристка
активного ила и биопленки
Выполнил:
Малик Алдияр
ХБТ114 р
Биопленка — это конгломерат
колоний микроорганизмов, которые погружены
во внеклеточный матрикс и прикреплены
к поверхности. Микроколонии занимают
примерно 15% от общей массы биопленки.
- Экстрацеллюлярный матрикс, состоящий из экзополисахаридов, выделяемый микробами и несущий важные функции в жизнедеятельности биопленки, занимает 85% массы биопленки. Несмотря на название биопленка не является однородной субстанцией, она гетерогенна в пространстве и во времени, сквозь биопленку проходят водные каналы, несущие питательные вещества и вымывающие продукты жизнедеятельности микроорганизмов.
Жизненный цикл биопленки: 1
– прикрепление бактерии к поверхности;
2-4 – рост колонии и продукция
межклеточного матрикса, формирование
биопленки; 5 – выход свободных бактерий
из колонии.
Физические свойства
биопленки:
- — Взаимодействующая общность разных типов микроорганизмов;
— Микроорганизмы собраны в микроколонии;
— Микроколонии окружены защитным матриксом;
— Внутри микроколоний — различная среда;
— Микроорганизмы имеют примитивную систему связи;
— Микроорганизмы в биопленке устойчивы к антибиотикам, антимикробным средствам и реакции организма хозяина.
Стадии
образования биопленки:
2 – необратимое
прикрепление
5 -распространение
3 – созревание
1 - первичное прикрепление
4 – стадия
полного созревания
1 стадия
- Сначала происходит первичное прикрепление микроорганизмов к поверхности (адгезия, сорбция) из окружающей среды (обычно жидкости). Эта стадия обратима.
- Адгезия – обязательное условие возникновения любого инфекционного процесса. Разные энтеробактерии обладают тропизмом только к определенным эпителиальным клеткам, поэтому прикрепляются только на определенном уровне ЖКТ. Адгезия идет в два этапа:
- 1) неспецифическая адгезия (приближение);
- 2) специфическая адгезия (в результате лиганд-специфического взаимодействия соответствующих структур энтеробактерий (ворсинок, фимбрий) и рецепторов плазмолеммы эпителиальных клеток).
- Началом развития биопленок является прикрепление бактерий к биотической или абиотической поверхности, и в этом переходе к биопленочному образу жизни большая роль принадлежит поверхностным органеллам –пилям.
- Чаще всего именно они определяют взаимодействие с различными поверхностями. Например, колонизация кишечника холерными вибрионами определяется Тср-пилями, а прикрепление к абиотическим поверхностям – пилями, кодируемые локусом msh, не относящиеся к факторам патогенности. Следует подчеркнуть также, что процесс перехода бактерий от планктонного существования к биопленочному инициируется сигналами, поступающими из окружающей среды, причем эти сигналы могут существенно отличаться не только для разных видов бактерий, но и штаммов. Например, штамм E.coli 0157:H7 образует биопленки только при недостатке питательных веществ, штаммы E.coli K12 способны образовывать биопленки только при добавлении в минимальную питательную среду аминокислот.
2 Стадия
- Окончательное (необратимое) прикрепление, иначе называемое фиксацией. На этой стадии микробы выделяют внеклеточные полимеры, обеспечивающие прочную адгезию.
- На этапе – стадия созревания 2 образуются кластеры микроколоний, достигающих максимальной плотности. Через 9 дней после начала образования биопленки структура кластеров изменяется и начинается последняя стадия – процесс дисперсии (распада), во время которого бактерии способны активно покидать биопленку. Р
3 Стадия
*Созревание. Клетки,
прикрепившиеся к поверхности, облегчают
прикрепление последующих клеток, внеклеточный
матрикс удерживает вместе всю колонию.
Накапливаются питательные вещества,
клетки начинают делиться.
4 Стадия
- Рост. Образована зрелая биопленка, и теперь она изменяет свой размер и форму. Внеклеточный матрикс служит защитой клеток от внешних угроз.
5 Стадия
- Дисперсия (выброс бактерий): в результате деления периодически от биопленки отрываются отдельные клетки, способные через некоторое время прикрепиться к поверхности и образовать новую колонию.
- Распад матрикса происходит под влиянием ферментов (например, полисахаридлиаз), секретируемых бактериями и активации функции подвижности. Цикл развития биопленки завершается тем, что бактерии выплывают через открытые каналы и вновь возвращаются к планктонному образу жизни
Активный ил
- Активный ил - это взвешенная в воде активная биомасса, осуществляющая процесс очистки сточных вод в аэробных биоокислителях (аэротенки, окситент и т.д.).
- Активный ил — сложное сообщество микроорганизмов различных систематических групп и некоторых многоклеточных животных. Активный ил биоокислителей формируется под влиянием химического состава обрабатываемой сточной воды, растворенного в ней кислорода, температуры, рН и окислительно-восстановительного потенциала. По внешнему виду активный ил представляет собой хлопья светло-серого, желтоватого или темно-коричневого цвета, густо заселенные микроорганизмами, заключенными в слизистую массу.
- Хлопьеобразование. Это объясняют накоплением на поверхности клеток внеклеточных полимеров (в основном полисахаридов и белков), имеющих анионоактивные и неионогенные группы и способных вести себя как полиэлектролиты. Взаимодействие высокомолекулярных полимеров приводит к возникновению между отдельными клетками связующих мостиков и образованию сложной структуры хлопьев активного ила.
- Способность активного ила образовывать хорошо оседающие хлопья — важнейшее его свойство, т.к. эффективность очистки сточных вод в аэротенках в значительной степени зависит от последующего процесса отделения активного ила от очищенной воды. Способность активного ила к оседанию характеризуется значением илового индекса. Образовывать хлопья способны многие роды бактерий. Благодаря очень развитой поверхности хлопьев активного ила (около 100 м на 1 г сухого вещества) на них сорбируются коллоидные и взвешенные вещества, в результате чего хлопья активного ил представляют собой сложную совокупность микроорганизмов, продуктов их жизнедеятельности и инертных частиц. Активному илу присуща способность удерживать большое количество воды в основном в связанном состоянии. С повышением концентрации активного ила в сточной воде доля связанной воды в нем увеличивается.
- Биохимическая активность активного ила — способность его к изъятию и окислению органических примесей сточных вод — оценивают по скорости потребления кислорода и по содержанию в нем ферментов. В том и другом случаях результат относят к 1 г беззольного вещества активного ила. При оценке биохимической активности активный ил по ферментам определяют содержание в нем отельных групп оксиредуктаз, каталаз, дегидрогеназ, цитохромов. Чаще определяют дегидрогеназную активность активного ила, по которой оценивают работу аэрационных сооружений, состояние активного ила, токсичность сточных вод. При этом учитывают, что яды блокируют активность дегидрогеназ.
- Активный ил аэротенков подвержен вспуханию, которое, связяно с развитием нитчатых бактерий и некоторых грибов. При вспухании структура хлопьев активного ила резко видоизменяется. Хлопья увеличиваются в размере, становятся рыхлыми. Вспухший активный ил, обладающий чрезвычайно развитой поверхностью, имеет повышенную окислительную способность, может интенсивно использовать углерод некоторых трудноокисляемых веществ.
- Использовать эти потенциальные преимущества вспухшего ила затруднительно. Пружинящие нити бактерий, пронизывая хлопья, препятствуют их осаждению. Вспухший активный ил выносится из вторичных отстойников, ухудшая качество очищенной воды. При вспухании очень сложно поддерживать необходимую дозу активного ила в аэротенке, что также влияет на качество очистки. Активный ил с развитой нитчатой микрофлорой выгодно использовать для очистки производственных сточных вод с недостаточным количеством биогенных элементов.
- Эффективная очистка будет при установке в аэротенке вертикальных сит, через которые проходит поток воды. Нитчатые организмы, закрепляясь на этих ситах, хорошо очищают воду. Ил, прошедший через сито, легко осаждается во вторичном отстойнике. Вспухание активного ила наблюдается при избытке углеводов в очищаемой воде или недостатке биогенных элементов, при уменьшении концентрации растворенного кислорода или резком изменении нагрузки на активный ил. В качестве одной из мер рекомендуется подщелачивание воды до рН 9...9,4.
- Химический состав активного ила обусловлен составом клеточного вещества микроорганизмов. Сухое вещество активного ила состоит из органической (беззольной) части и золы и представляет собой примеси, присутствовавшие в исходной сточной воде и трансформированные в биомассу, а также вещества, адсорбированные хлопьями активного ила. Элементный состав беззольной части активного ила (как и состав клеточного вещества) определяется основными органогенами: углеродом, кислородом, водородом, азотом. Соотношение этих элементов в беззольном веществе активного ила зависит от состава обрабатываемых сточных вод, технологического режима очистки и может существенно изменяться. В среднем на долю углерода приходится 50—52%, кислорода 29—33%, водорода 6—8%, азота 8—12%, беззольного вещества активного ила. Соотношение элементов в активном иле определено в 1952 и представлено в виде "формулы" клеточного вещества C5P7NO2. Эта формула используется для всех расчетов, связанных с кинетикой биохимических процессов очистки воды и синтезом клеточного вещества, точность ее для практических целей оказывается достаточной. Значение удельной ХПК активного ила с таким соотношением основных органогенов составляет 1,42 мг/мг.
Примерно 75—80% беззольного вещества активного ила приходится на долю белков, жиров и углеводов, остальные 20—-25% составляет негидролизуемый остаток. Более всего в активном иле белков, содержание которых колеблется в среднем от 40 до 60% (в расчете на беззольное вещество). Количество белков в активном иле не постоянно и зависит от его видового состава - и возраста. Углеводы составляют 3—20%, жиры 10—30%. Зольность активного ила колеблется в очень широких пределах — от 10 до 40%, для активного ила городских очистных станций она обычно составляет 25—30%. В зольной части активного ила обнаруживаются все элементы, присущие клеткам организмов (Р, S, К, Na, Ca, Mg, Fe и т.д.). Однако в активном иле по сравнению с клеточным веществом значительно возрастает содержание железа и кремния. При биологической очистке жесткой воды в хлопке активного ила обнаруживается нерастворимый фосфат кальция, увеличивающий плотность хлопьев.
Спасибо за внимание!