38.Микробиологические и биохимические аспекты очистки сточных и промышленных вод. Формирование и состав микробных сообществ и консорциумов.

Очистное сооружение в принципе представляет собой проточный водоем, в котором при участии грибов и бактерий (аэробных и анаэробных) происходит разложение органических веществ. Загрязнения в сточных водах могут быть различного рода в зависимости от того, что сбрасывается, - только фекалии и бытовые отходы или также навоз, сточные воды боен или другие промышленные отходы. Во многих случаях сточные воды содержат тяжелые металлы или устойчивые органические соединения. Цель очистки сточных вод состоит в освобождении их от твердых и жидких минеральных и органических веществ, прежде чем эти воды попадут в ручьи и реки. Особые усилия требуются для минерализации органического материала микробиологическим путем.

Содержание органических веществ, разлагаемых микробами, оценивают по так называемому «биологическому потреблению кислорода» (БПК). Это количество кислорода, необходимое микроорганизмам для окисления органического материала в процессе дыхания. Например, БПК 5-это количество кислорода (мг), которое будет потреблено микроорганизмами в процессе разложения органических веществ за 5 дней. «Химическое потребление кислорода» (ХПК) означает количество кислорода, необходимое для полного химического окисления тех же веществ до СО2 и Н2О.

Для очистки сточных вод в очистных системах используются раз личные технические приемы, однако при этом осуществляются в принципе одни и те же основные этапы:

1) удаление относительно легко осаждаемых твердых частиц в пескоуловителе и в первичном отстойнике;

2) микробиологическое окисление растворенных органических веществ с применением активного ила либо с использованием биофильтра;

3) инкубация осадка, удаленного из первичного и вторичного отстойников, в анаэробных условиях в метантенке, где в результате образуется метан и выпадает осадок. После обезвоживания из этого осадка можно получать компост и использовать его в качестве удобрения или сжигать

Затем очищенная, осветленная вода сбрасывается в реки - непосредственно или через водоприемник. Эта вода еще содержит продукты минерализации - ионы фосфата, нитрата, аммония и другие. В результате ее сброса в реке может создаться такой избыток питательных веществ, что это вызовет увеличение первичной продукции. Для того чтобы избежать такой эвтрофизации водоемов, можно либо использовать очищенные сточные воды для орошения полей или удобрения лесных почв, либо добавить к обычной процедуре еще один этап очистки и путем денитрификации освобождать сточные воды хотя бы от связанного азота. Дополнительно их можно очищать путем химического осветления, а именно осаждения ионов фосфата с помощью солей железа. Возможно проведение и других мероприятий по очистке сточных вод.

Микробные сообщества существуют в разных условиях и в зависимости от этого сильно различаются. Тем не менее трофические взаимоотношения между разными группировками микроорганизмов сходны в общих чертах.

В планктонном сообществе организмы развиваются одиночно или в небольших агрегатах. В ископаемое состояние они переходят в виде донных осадков или береговых штормовых выбросов, где особенно благоприятны условия захоронения. Но эти тафоценозы не отражают пространственной структуры сообщества в естественном состоянии.

В природных условиях микроорганизмы практически всегда взаимодействуют прежде всего с другими микроорганизмами, являясь компонентами микробного сообщества. Микробное сообщество – это совокупность функционально различных микроорганизмов, взаимодействующих между собой в течение длительного времени и локализованных в определенном месте. Микробное сообщество характеризуется определенным видовым разнообразием, а количественные соотношения членов сообщества могут меняться во времени в зависимости от складывающихся условий. При изменении условий будет происходить сукцессия сообщества, т.е. его изменение во времени, сопровождающееся сменой доминирующих видов, колебаниями численности микроорганизмов разных групп и даже изменением состава членов сообщества. Среди функциональных дублеров будут численно преобладать те группы, физиологические параметры которых наиболее подходят к данным конкретным условиям существования сообщества.

Основой взаимодействия в любом сообществе являются трофические связи, обеспечивающие потоки вещества и энергии внутри него. В микробном сообществе преобладают кооперативные взаимодействия при использовании питательного субстрата, когда продукты метаболизма одной группы являются питательными веществами для другой. Каждая стадия цепи последовательно проводимых химических реакций окисления начального питательного субстрата в сообществе должна обеспечивать необходимой энергией осуществляющую ее группу микроорганизмов. Внутри микробного сообщества взаимоотношения регулируются различными способами и на разных уровнях. Ассоциации микроорганизмов, оформленные структурно, называются консорциумами.

Примером тесных трофических связей может служить анаэробное сообщество, разлагающее биологические полимеры, например, целлюлозу. Полимеры расщепляются экзогидролазами микроорганизмов-бродильщиков I стадии (очень часто это клостридии). Образовавшиеся мономеры сбраживаются микроорганизмами, осуществляющими разные виды брожений, до органических кислот, спиртов и газов. На II стадии жирные кислоты с более чем двумя атомами углерода, и спирты с больше, чем одним атомом углерода, превращаются в ацетат и молекулярный водород. Такие реакции термодинамически не выгодны и для своего протекания обязательно требуют отвода Н2. Микроорганизмы, выделяющие молекулярный водород, нуждаются в присутствии микроорганизмов, способных его эффективно потреблять. В пресноводных местообитаниях эту функцию выполняют метаногенные археи, в морских – сульфат- и серуредукторы. При этом осуществляется межвидовой перенос водорода (иногда формиата, ацетата) и возникает синтрофия – полная взаимозависимость микроорганизмов друг от друга в пищевых потребностях. В таких сообществах синтрофами являются облигатные восстановители Н+, выделяющие молекулярный водород. Они не могут существовать без микроорганизмов, удаляющих его из зоны реакции. Всегда присутствующие представители группы гомоацетогенных бактерий также способны использовать Н2, но их вклад в подобных ассоциациях, как правило, невелик.