WWW.DISS.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
(Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)

 

На правах рукописи

ТРУХИНА АНАСТАСИЯ ИГОРЕВНА

ОПТИМИЗАЦИЯ DEAMOX-ПРОЦЕССА

И

МОЛЕКУЛЯРНО-БИОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ФОРМИРУЮЩИХСЯ КОНСОРЦИУМОВ МИКРООРГАНИЗМОВ

03.01.06 – биотехнология (в том числе бионанотехнологии)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Москва - 2011

Работа выполнена на кафедре химической энзимологии Химического факультета Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова

Научный руководитель:

доктор химических наук, профессор Калюжный Сергей Владимирович

Официальные оппоненты:

доктор химических наук, профессор Ямсков Игорь Александрович доктор биологических наук, профессор Ножевникова Алла Николаевна

Ведущая организация:

ОАО “МосводоканалНИИпроект”, Москва

Защита состоится « » марта 2011 года в 1500 час на заседании диссертационного совета Д 501.001.59 по химическим наукам при Московском государственном университете имени М.В.Ломоносова по адресу: 119991, Москва, Ленинские горы, МГУ, Химический факультет, кафедра химической энзимологии, аудитория 202.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Химического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова Автореферат разослан февраля 2011 года

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат химических наук Сакодынская И.К.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Наличие в водных системах азотных загрязнений оказывает токсическое воздействие не только на водные организмы, но и на здоровье людей. Так, присутствие в воде нитратов и нитритов вызывают у человека метгемоглобинемию, рак желудка, отрицательно влияет на нервную и сердечнососудистую системы, на развитие эмбрионов, а также является причиной возникновения некоторых смертельных заболеваний у младенцев. Существующие в России очистные сооружения технически устарели и не приспособлены для удаления азотных загрязнений из высококонцентрированных сточных вод до установленных значений ПДК в сбрасываемых обработанных стоках. Таким образом, развитие и совершенствование современных методов очистки сточных вод от азотных загрязнений является весьма актуальной задачей.





В последние годы процесс анаэробного окисления аммония (анаммокспроцесс) признан наиболее перспективным, экономически выгодным и эффективным способом удаления аммония из сточных вод. В этом процессе последний в присутствии анаммокс-бактерий окисляется до молекулярного азота, при этом нитрит используется в качестве акцептора электронов.

NH4+ + NO2- N2 + 2Н2О (1) Однако необходимый для протекания процесса окислитель (нитрит), как правило, отсутствует в исходных сточных водах. Для решения проблемы нитрита на кафедре Химической Энзимологии Химического факультета МГУ имени М.В.

Ломоносова был разработан новый процесс, получивший название DEAMOX (DEnitrifying AMmonium OXidation). В этом процессе специально селектированная смешанная микробная ассоциация последовательно осуществляет две реакции – конверсию нитрата, который является типичным компонентом сточных вод, в присутствии донора электронов до нитрита:

а затем анаммокс-реакцию (1). Для реакции (2) возможно применение как неорганического донора электронов – сульфида (S-DEAMOX), так и органического – ацетата (O-DEAMOX).

Цели исследования.

Низкая скорость роста анаммокс-бактерий, время удвоения которых составляет 11 сут, их относительная труднодоступность в природе и сравнительная малоизученность приводит к тому, что запуск и выведение на стабильный режим работы DEAMOX-реакторов занимает длительное время и пока не является стандартной практикой. Поэтому первой целью данной работы являлась разработка методологии получения активной микробной популяции (биогранул) для 2-х модификаций DEAMOX-процесса с использованием в качестве исходного инокулята биомассы с крайне низкой анаммокс-активностью.

Второй целью работы являлась оптимизация S- и O- модификаций DEAMOXпроцесса по отношению к ряду операционных параметров:

• концентрации ионов бикарбоната;

• нагрузка по соединениям азота (НСА) и способ ее достижения.

Несмотря на то, что ранее была показана возможность реализации DEAMOXпроцесса на реальных сточных водах, микробиологический анализ формирующихся сообществ микроорганизмов проведен не был. Таким образом, анализ микробного разнообразия DEAMOX-процесса с применением современных молекулярнобиологических методов (16S рРНК и FISH) являлся третьей целью данной работы.

Научная новизна работы. Впервые был проведен молекулярно-биологический анализ микробных сообществ, осуществляющих DEAMOX-процесс. Филогенетический анализ биогранул из S-DEAMOX процесса выявил наличие микроорганизмов, ответственных за автотрофную денитритацию (Thauera, Thiobacillus и Desulfuromonas sp.) и анаэробное окисление аммония (Planctomyces sp.). FISH-анализ S- и ODEAMOX биогранул подтвердил значительное присутствие анаммокс бактерий, среди которых были идентифицированы представители родов «Ca. Brocadia» и «Ca.

Kueninia»





Предложена методология получения активных биогранул для 2-х модификаций DEAMOX-процесса с использованием в качестве исходного инокулята биомассы с крайне низкой анаммокс-активностью. Обе модификации DEAMOX процесса оптимизированы по отношению к таким операционным параметрам, как pH, концентрация ионов бикарбоната, температура, нагрузка по соединениям азота и способ ее достижения.

Практическая значимость работы. Разработана методология запуска DEAMOXпроцесса, заключающаяся в предварительном культивировании неадаптированной биомассы в анаммокс-условиях с последующим переводом биогранул в соответствующие DEAMOX-условия.

Установлены оптимальные значения pH, концентрации ионов бикарбоната, температуры, при которых наблюдается наивысшая эффективность удаления азотных загрязнений. Показано, что наилучшая эффективность S-DEAMOX процесса при высоких нагрузках по азотным загрязнениям наблюдается при относительно коротких временах удерживания среды в реакторе () в отличие от O-DEAMOX процесса.

Определение кинетичеческих характеристик биогранул in situ по отношению к субстратам анаммокс-реакции показало, что максимальная скорость потребления субстратов снижается с увеличением диаметра биогранул.

Апробация работы. Результаты работы были представлены на следующих конференциях: XVI Международная Научная Конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов - 2009» (Москва, 2009); Международный Симпозиум «Environmental Science and Technology» (Шанхай, Китай, 2009); Международная Конференция «Biocatalysis - 2009: Fundamentals & Applications» (Архангельск, 2009);

Выставка инновационных проектов (Москва, 2009); Международная Конференция “Protection and Restoration of the Environment X” (Корфу, Греция, 2010); 2-ая Международная Конференция “Hazardous and Industrial Waste Management” (Крит, Греция, 2010).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из списка сокращений, введения, литературного обзора, экспериментальной части, результатов и обсуждения, выводов и списка литературы, содержащего 183 источников. Общий объем работы страниц, включая 35 рисунков и 19 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Традиционное микробиологическое удаление соединений азота из сточных вод основано на использовании процессов нитрификации и денитрификации и в связи с этим сопряжено с большими расходами на аэрацию (нитрификация) и подачу донора электронов (денитрификация).

В последние годы процесс анаэробного окисления аммония (анаммокс-процесс Ур.1) признан наиболее перспективным, экономически выгодным и эффективным способом удаления аммония из сточных вод. Так, анаммокс-процесс может быть эффективно применен для очистки фильтратов полигонов ТБО и возвратных вод метантенков после сбраживания первичного и вторичного осадков сточных вод, стоков после анаэробной обработки пищевых или животноводческих сточных вод и др. Однако для протекания процесса необходим нитрит, который, как правило, отсутствует в исходных сточных водах. В связи с этим все анаммокс-технологии включают дополнительную стадию для получения нитрита, токсичного уже при концентрации 100 мг/л и оказывающего значительный ингибирующий эффект на анаммокс микроорганизмы.

Впервые анаммокс-процесс (ANAMMOX - ANaerobic AMMonia OXidation) был отмечен в 1995г в Нидерландах на пилотной установке, обрабатывающей сточные воды дрожжевого производства. Позже бактерии, осуществляющие анаммоксреакцию, были обнаружены в природных экосистемах, и была доказана их важная денитрификации. К настоящему моменту все описанные бактерии, проводящие анаммокс-реакцию, относятся к пяти разным родам группы анаммокс-бактерий:

“Candidatus Brocadia”, “Candidatus Kuenenia”, “Candidatus Scalindua”, “Candidatus Anammoxoglobus” и “Candidatus Jettenia”, входящие в порядок Planctomycetales, отдел Planctomycetes, домен Bacteria.

На основе анаммокс-процесса был разработан процесс, получивший название DEAMOX (DEnitrifying AMmonium OXidation). Этот процесс включает в себя две стадии: денитратацию (образование нитрита из нитрата) и анаммокс-процесс (Ур. 1).

Стадия образования нитрита из нитрата может осуществляться как в присутствии неорганического донора электронов, например, сульфида, (Ур. 3), так и органического донора электронов, например, ацетата (Ур. 4). Образующийся нитрит сразу же вступает в анаммокс реакцию (Ур. 1).

Однако возможно дальнейшее окисление нитрита до молекулярного азота – процесс денитритации. В связи с этим, определение оптимальных условий (рН, концентрация ионов бикарбоната, температура, НСА и способ ее достижения) для эффективного удаления соединений азота при помощи двух модификаций процесса DEAMOX является важной задачей.

Филогенетический анализ автотрофного микробного сообщества, сформировавшегося в течение длительной работы автотрофного DEAMOX-реактора, был проведен молекулярно-биологический анализ генов 16S рРНК.

С использованием универсального праймера 8-27f-519r для домена Bacteria было получено и проанализировано 66 последовательностей бактериальных генов 16S рРНК. Все клоны были сгруппированы в 41 филотип, относящихся к 8 известным отделам: Proteobacteria, Bacteroidetes, Planctomycetes, Chloroflexi, Firmicutes, Verrucomicrobia, Lentisphaerae, Spirochaetales.

Большинство последовательностей 16S рРНК отдела Proteobacteria (18 из клонов) были наиболее близки к классу -Proteobacteria, среди которых 1 клон был наиболее близок к аммонийокисляющим бактериям (АОБ) рода Nitrosomonas, для которых в литературе показана возможность анаэробной конверсии аммония. Также были выявлены филотипы, относящиеся к родам Thauera и Thiobacillus класса Proteobacteria и к роду Desulfuromonas класса -Proteobacteria, способные осуществлять окисление сульфида как в аэробных, так и в анаэробных условиях (в процессе денитрификации).

С использованием универсального бактериального праймера было обнаружено всего 3 последовательности гена 16S рРНК, относящиеся к отделу Planctomycetes.

Последующие исследования со специфичными праймерами выявили значительное разнообразие представителей этого отдела в исследуемом сообществе (22 филотипа), среди которых был обнаружен клон, близкий к анаммокс-бактериям.

С использованием праймера для домена Archaea была получена последовательность генов 16S рРНК, которые были сгруппированы в 13 филотипов, принадлежащих к отделу Euryarchaeota. Большинство филотипов распределилось между порядками Methanomicrobiales, Methanosarcinales и Methanobacteriales, а также литературным данным, присутствие различных метаногенов объясняется их важной ролью в формировании гранул анаэробной биомассы.

Таким образом, проведенные молекулярно-биологические исследования выявили сложную структуру микробного сообщества автотрофного DEAMOX реактора.

Выявленные гены 16S рРНК микроорганизмов, способных осуществлять основные реакции цикла азота и серы в DEAMOX процессе, позволили составить общее представление о микробной трофической цепи в реакторе.

Поскольку задачей данной части работы являлось получение биогранул для запуска DEAMOX-процесса и чтобы смоделировать типичную ситуацию, встречающуюся на практике, то преднамеренно использовали образцы (всего 2) стартовой биомассы с низкой анаммокс-активностью и относительно высокими значениями денитрифицирующей и денитритирующей активностей (Табл. 1).

Таблица 1. Основные характеристики биогранул до и после обогащения.

Активность (донор электронов) Денитрифицирующая (сульфид), мг N-NO3-/ гБВБ/сут Денитритирующая (сульфид), мг N-NO2-/ гБВБ/сут Анаммокс, мгN-NH4+/гБВБ/сут 4,4±0,7 20,1±0,6 1,4±0,3 6,1±0, Учитывая то, что DEAMOX процесс состоит из 2-х последовательных стадий (денитратации и анаммокс), необходимо было сбалансировать скорости этих стадий, т.е. увеличить анаммокс-активность образцов стартовой биомассы. Для этого использовали реакторы непрерывного действия, функционирующие в оптимальных для роста анаммокс-бактерий условиях – pH ~ 7,8 и T = 35 0C. Минеральная среда содержала только необходимые субстраты для анаммокс-реакции - аммоний и нитрит.

Процесс обогащения проводили в несколько этапов, начиная с низких нагрузок по соединениям азота (НСА). На каждом из этапов НСА поднимали ступенчато, снижая время пребывания среды в реакторе (), во избежание накопления ингибирующей концентрации нитрита в среде последнего (Рис. 1 и 2).

Так, для получения анаммокс-активных биогранул №1 (Рис.1) НСА поэтапно повышали от 250 до 1050 мг N/л/сут. При достигнутой максимальной НСА эффективности удаления аммония и нитрита составили 85 и 84 %, соответственно.

При этом скорость удаления азота достигла 808 мг N/л/сут.

При получении анаммок-активных биогранул №2 (Рис.2) НСА поэтапно повышали с 340 до 1250 мг N/л/сут. На последнем режиме эффективности удаления аммония и нитрита составили 81 и 85 %, соответственно, а скорость удаления азота достигла 924 мг N/л/сут.

Об эффективности обогащения анаммокс-бактериями биогранул также свидетельствует измеренная анаммокс-активность, которая увеличилась примерно в 4,5 раза для обоих стартовых образцов биомассы (Табл. 1). Однако процесс получения анаммокс-активных биогранул №2, по сравнению с биогранулами №1 ( сут), происходил медленнее (126 сут) из-за более низкой начальной анаммоксактивности. Уменьшение масса биогранул №1 и 2 в реакторе связано с прошедшей сукцессией микроорганизмов в анаммокс-условиях. Денитрифицирующие бактерии (не имеющие донора электронов) частично вымывались из биогранул, о чем свидетельствуют незначительные изменения денитрифицирующей и денитритирующей активностей на различных донорах электронов (сульфид и ацетат).

Нагрузка по соединениям азота, мгN/л/сут Время пребывания среды в реакторе,сут Рис. 1. Получение анаммокс-активных биогранул № 1: (а) эффективности и (б) скорости удаления различных форм азота.

Рис. 2. Получение анаммокс-активных биогранул №2: (а) эффективности и (б) скорости удаления различных форм азота.

Запуск S-DEAMOX процесса В связи с тем, что применяемый в S-DEAMOX процессе донор электронов сульфид) при концентрации выше 30 мг S/л оказывает ингибирующее влияние на анаммокс-бактерии, а также во избежание накопления нитрита в реакторе, для запуска S-модификации использовали более анаммокс-активные биогранулы №1.

Запуск процесса (Рис. 3) начинали с низких НСА - 260 мг N/л/сут ( = 1,13 сут) и дальнейшее повышение НСА осуществляли, снижая, при этом входящие концентрации субстратов (аммоний и нитрат) и донора электронов не изменялись.

Запуск S-DEAMOX процесса завершили при НСА 390 мг N/л/сут ( = 0, 76 сут), при этом эффективности удаления аммония и окисленных форм азота составили 69 и 84%, соответственно (Рис. 3а). Cкорости удаления аммония и общего азота составляли 100 и 300 мг N/л/сут, соответственно (Рис. 3б). Общее время запуска составило 93 суток.

Время пребывания среды в реакторе,сут Рис. 3. Запуск S-DEAMOX процесса: (а) эффективности и (б) скорости удаления различных форм азота.

Запуск O-DEAMOX процесса В связи с тем, что ацетат в концентрации до 1500 мг ХПК/л не оказывает ингибирующего влияния на анаммокс-процесс, для запуска O-DEAMOX процесса использовали биогранулы №2 с более низкой анаммокс-активностью. Увеличение НСА с 290 до 420 мг N/л/сут осуществляли с помощью повышения входящих концентраций соединений азота и, соответственно, донора электронов (ацетата) при постоянном = 1 сут. При максимальной НСА 420 мг N/л/сут эффективности удаления аммония и окисленных форм составили 80 и 92%, соответственно, а скорости удаления аммония и общего азота - 140 и 370 мг N/л/сут, соответственно (Рис. 4). Общее время запуска O-DEAMOX составило 156 сут.

Время пребывания среды в реакторе,сут Рис. 4. Запуск O-DEAMOX процесса: (а) эффективности и (б) скорости удаления различных форм азота.

Влияние pH При проведении экспериментов по изучению влияния pH на эффективность S- и O-DEAMOX процессов, его значения контролировали как на входе при подаче субстратов, так и на выходе из реакторов.

Из Рис. 5 видно, что изменение значений pH оказало значительное влияние на эффективность удаления аммония и, как следствие, на удаление общего азота в реакторе.

Повышение значений pH в среде обоих реакторов было связано с тем, что в результате анаммокс-реакции (с учетом анаболизма) происходит потребление протонов.

NH4+ + 1,32NO2- + 0,066HCO3- + 0,13H+ Следует отметить более значительное повышение значений рН в среде ODEAMOX-реактора, что связано с образованием более слабой угольной кислоты из более сильной уксусной (Ур.4).

Рис. 5. Влияние pH на эффективности удаления различных форм азота: (а) SDEAMOX и (б) O-DEAMOX процесс.

В результате проведенных исследований наивысшие эффективности удаления аммония и общего азота для S-DEAMOX процесса наблюдались при значениях pHЭФФ в реакторе 7,58±0,05 и составили 69 и 79 %, соответственно (Рис. 5а). При этом значении pH наблюдалось примерно одинаковое распределение донора электронов – сульфида между процессами DEAMOX и нежелательной денитритацией.

Значение pHЭФФ в реакторе для O-DEAMOX, при котором наблюдались наивысшие эффективности удаления аммония - 73% и общего азота - 87% (Рис. 5б), составило 8,07±0,08.

Влияние концентрации ионов бикарбоната Из литературы известно, что ионы бикарбоната оказывает ингибирующее влияние на анаммокс-процесс. Для выяснения влияния ионов бикарбоната на эффективность варьировании концентрации ионов бикарбоната от 12 до 30 мМ. Во время экспериментов значения pH в реакторах поддерживалось в диапазоне оптимальных значений, установленных ранее: ~ 7,5 для S- и 8,1 для O-DEAMOX процессов.

Как видно из представленных данных (Рис. 6), при концентрации ионов бикарбоната более 24 мМ наблюдалось снижение эффективности удаления аммония с 70 до 45% в обоих случаях. При этом более 70% донора электронов уходило на нежелательную реакцию денитритации.

Рис. 6. Влияние концентрации ионов бикарбоната на эффективности удаления различных форм азота: (а) S-DEAMOX и (б) O-DEAMOX процесс.

Влияние температуры При проведении данных экспериментов условия в реакторе поддерживались в диапазоне оптимальных значений, исследованных выше: pH ~ 7,5 и 8,1 для S- и ODEAMOX, соответственно, входящая концентрация иона бикарбоната 24 мМ для обеих модификаций. Температуру поднимали поэтапно с 20 до 40 0С с шагом в 50С.

Из представленных данных (Рис.7а) видно, что для S-DEAMOX процесса наивысшие эффективности удаления аммония и общего азота наблюдались при 350С и составили 70 и 83 %, соответственно. Зависимость деамокс активности от температуры имеет вид колоколообразной кривой с максимумом при 350C, а минимальное значение (Рис. 7б). Отклонение от 350C сопровождалось ростом денитритирующей активности, что, как следствие, приводило к уменьшению деамокс активности.

Для O-DEAMOX процесса (Рис. 8а) максимальная эффективность удаления аммония (более 73%) и общего азота (более 87%) наблюдались в диапазоне температур 35 - 25 C. Однако максимальное значение деамокс-активности наблюдалось при 30 0C (Рис. 8б), при этом конкурирующая денитритирующая активность принимала минимальное значение.

Эффективность, % Рис. 7. Влияние температуры на S-DEAMOX процесс: (а) эффективности удаления различных форм азота и (б) основные активности.

Эффективность, % Рис. 8. Влияние температуры на O-DEAMOX процесс: (а) эффективности удаления различных форм азота и (б) основные активности.

Влияние НСА Как следует из Ур. 6 НСА прямо пропорционально зависит от концентрации всех входящих соединений азота и обратно пропорционально времени пребывания среды в реакторе ():

Нагрузка по соединениям азота, мг N/л/сут Время пребывания среды в реакторе,сут Нагрузка по соединениям азота, мг N/л/сут различных форм азота в S-DEAMOX концентраций субстратов; (б).

а эффективность удаления общего азота с 63 до 91% (Рис. 9б).

Дальнейшее увеличение НСА до 725 мг N/л/сут при фиксированном = 0,51 сут (Рис. 9в) привело улучшению удаления аммония до 84 %. Однако при повышении НСА до 820 мг N/л/сут оказало значительное снижение эффективностей удаления аммония и окисленных форм азота до 55 и 86 %, соответственно. При этом общее удаление азота снизилось с 93 до 73 %.

Таким образом, наилучшая эффективность S-DEAMOX процесса наблюдалась при относительно коротких среды в реакторе. При увеличении НСА с помощью повышения входящих концентраций субстратов необходимо строго контролировать содержание в реакторе донора электронов (сульфида) ниже 20 мг S-H2S/л.

Как и в предыдущем эксперименте, для O-DEAMOX процесса на первом этапе (Рис. 10а) НСА увеличивали с помощью повышения концентраций входящих субстратов при фиксированном = 0,73 сут. Как видно из Рис. 10а наивысшие эффективности удаления аммония (75%) и общего азота (88%) наблюдались при низких значениях НСА 267 мг N/л/сут. Дальнейшее повышение НСА до 1010 мг N/л/сут привело к снижению эффективностей удаления аммония и общего азота до 44 и 73%, соответственно. Однако до НСА 830 мг N/л/сут наблюдался рост скорости удаления аммония с 70 до 214 мг N/л/сут.

На втором этапе повышение НСА осуществляли с помощью поэтапного снижения с 0,73 до 0,44 сут, начиная с НСА 890 мг N/л/сут, при которой на первом этапе наблюдалось снижение скорости удаления аммония. Как видно из Рис 10б изменения не оказало значительного влияния на эффективность удаления аммония и общего азота, так они оставались в диапазоне значений 44 - 54 и 75 - 80 %, соответственно. При этом скорость удаления аммония увеличилась до 310 мг N/л/сут при наивысшей НСА 1500 мг N/л/сут. Однако повышение скорости потока при снижении сопровождалось высоким газообразованием, что приводило к всплытию биогранул и последующему их вымыванию из реактора.

Нагрузка по соединениям азота, мг N/л/сут Рис. 10. Эффективности удаления различных форм азота в O-DEAMOX процессе при увеличении НСА с помощью (а) входящих концентраций субстратов ( = 0,73 сут); (б) (N-NH4+ ИНФ – 280 мг N/л).

Чтобы иметь более полное представление о каталитической активности биогранул в реакторных условиях были определены их кинетические параметры in situ по отношению к аммонию и нитриту в анаммокс-условиях.

Как видно из данных Табл. 2, кажущаяся константа сродства к аммонию для SDEAMOX биогранул оказалась в 2,5 раза ниже, чем для O-DEAMOX гранул. В то время как кажущиеся константы сродства к нитриту для различных биогранул были близки по значениям. Различия между биогранулами прослеживались также и в морфологических характеристиках. Так, O-DEAMOX гранулы имели, в основном, диаметр 3-5 мм, в то время как S-DEAMOX гранулы - 1-2 мм (Рис. 11). В связи с тем, что анаммокс бактерии обычно располагаются в центральной части гранулы, субстратам необходимо преодолеть более длинный диффузионный путь в более крупных агрегатах, что и объясняет различия в кажущихся константах сродства к субстратам. Таким образом, скорость потребления субстратов анаммокс-процесса (аммония и нитрита) была выше в том случае, когда размер агрегатов был меньше.

Полученные данные (Табл. 2) позволили рассчитать удельные активности биогранул, показывающие максимально возможное количество субстрата, которое может минерализовать 1 г БВБ в сутки. Из Табл. 2 видно, что активность по отношению к аммонию и нитриту S-DEAMOX биогранул была выше в 2,7 и 3,6 раз, соответственно, чем O-DEAMOX биогранул. Параллельно также проводили измерения удельных активностей биомассы в периодических тестах (Табл. 3).

Следует отметить, что результаты анаммокс-активности биогранул, полученных с помощью различных методов, имеют достаточно хорошую сходимость.

Таблица 2. Кинетические характеристики биогранул-биокатализаторов.

S-DEAMOX (диаметр агрегатов 1-2 мм,Vреактора = 1,06 л, общий вес БВБ = 6,7 г) O-DEAMOX (диаметр агрегатов 3-5 мм, Vреактора = 0,97 л, общий вес БВБ = 10,8 г) O-DEAMOX Рис. 11. Фотографии (а) S-DEAMOX и (б) O-DEAMOX биогранул.

Как видно из Табл. 3 за время оптимизации работы S-DEAMOX процесса анаммокс-активность биогранул увеличилась с 20,1 до 42,7 мг N/г БВБ/сут, то есть более чем в два раза. При этом денитрифицирующая активность также увеличилась почти в 2 раза, а денитритирующая осталась на прежнем уровне. Масса биогранул увеличилась примерно на 30%.

За это же время анаммокс-активность O-DEAMOX биогранул процесса (Табл. 3) увеличилась в 2,7 раза с 6,1 до 16,6 мг N/г БВБ/сут. Денитрифицирующая активность увеличилась почти в 2 раза, в то время как денитритирующая снизилась в 1,5 раза.

Масса биогранул увеличилась на 64%. Более высокий рост биомассы для O-DEAMOX процесса, чем для S-DEAMOX, связан с тем, что коэффициент прироста органотрофной биомассы существенно выше, чем автотрофной биомассы, кроме того, также нельзя исключить ингибирующее влияние сульфида на рост анаммоксбактерии.

Таблица 3. Основные характеристики биогранул до и после оптимизации процессов.

Активность (донор электронов) Анаммокс, мгN-NH4+/гБВБ/сут 20,1±0,6 42,7±2,2 6,1±0,6 16,6±2, Деамокс, мгN-NH4+/гБВБ/сут определяемого определяемого FISH (Fluorescent In Situ Hybridization) анализ биогранул Для подтверждения присутствия анаммокс-бактерий в S- и O-DEAMOX микробных сообществах был проведен FISH-анализ соответствующих биогранул со специфическими праймерами.

На Рис.12 видно, что анаммокс-бактерий (зеленый цвет) являлись доминирующими в сформировавшихся микробных сообществах. Следует отметить, что применяемый праймер для домена Bacteria EUB 338 (синий цвет) не образует продукта гибридизации с 16S рРНК анаммокс-бактерий.

Рис. 12. Результаты FISH-анализа со специфическими праймерами на представителей домена Bacteria (синий цвет), группу анаммокс-бактерий (зеленый цвет) и отдел Proteobacteria (красный цвет): (а) S-DEAMOX (б) O-DEAMOX биогранул.

Рис. 13. Результаты FISH-анализа со специфическими праймерами на представителей домена Archea (красный), анаммокс-бактерии (зеленый) родов «Ca.Brocadia» и «Ca.Kueninia» и отдел -Proteobacteria (синий): (а) S-DEAMOX (б) O-DEAMOX биогранул.

Дальнейшие исследования с праймером AMX820 выявили присутствие анаммоксбактерий родов «Ca.Brocadia» и «Ca.Kueninia» (Рис. 13 зеленый цвет), которые являются типичными представителями микробных сообществ реакторов для обработки сточных вод.

Также были проведены исследования по определению АОБ отдела Proteobacteria (Рис 12 красный цвет), так как относящиеся к этому отделу бактерии рода Nitrosomonas способны осуществлять анаэробное окисление аммония и, возможно, они также могли принимать участие в процессе. Однако их было обнаружено незначительное количество, как и представителей другого отдела АОБ – -Proteobacteria (Рис. 13 синий цвет). Присутствие архей в микробных S- и ODEAMOX сообществах (Рис 13 красный цвет) объясняется важной ролью метаногенов в формировании гранул анаэробной биомассы.

ВЫВОДЫ

осуществляющего автотрофный DEAMOX процесс, подтвердил наличие бактерий, способных осуществлять основные реакции циклов азота и серы в DEAMOX процессе. Среди клонов отдела Planctomycetes были обнаружены нуклеотидные последовательности 16S рРНК, близкие к анаммокс-бактериям, а среди клонов отдела Proteobacteria – близкие к Nitrisomonas. Установленные бактерии родов Thiobacillus, Thauera и Desulfuromonas способны в анаэробных условиях проводить окисление серы.

2. Разработан метод получения активной микробной популяции (биогранул) для 2-х модификаций DEAMOX-процесса из исходной биомассы с низкой анаммоксактивностью. Метод заключается в предварительном культивировании посевной биомассы в анаммокс-условиях до достижения скорости удаления соединений соответствующие DEAMOX-условия. В результате время полного запуска SDEAMOX и О-DEAMOX процессов составило 93 и 156 сут, соответственно.

3. Исследовано влияние различных операционных параметров – pH, концентрации ионов бикарбоната, температуры, нагрузки по соединениям азота и способов ее достижения на эффективность обеих модификаций DEAMOX-процесса.

Установлено, что оптимальные значения pH для S- DEAMOX и O-DEAMOX процессов равны 7,58±0,05 и 8,07±0,08, соответственно. Показано, что оптимальная концентрация ионов бикарбоната для обеих модификаций не превышает 24 мМ. Оптимум температуры для S- DEAMOX процесса составил 35оС и отклонение от этого значения оказывало значительное влияние на эффективность процесса. Для O-DEAMOX процесса диапазон оптимальных температур составил 25 - 35 оС. В отличие от O-DEAMOX процесса наилучшая эффективность S-DEAMOX процесса наблюдалась при относительно коротких временах удерживания среды в реакторе.

4. Были определены кинетические характеристики биогранул по отношению к субстратам анаммокс-реакции. Было установлено, что максимальная скорость потребления субстратов анаммокс-процесса (аммония и нитрита) зависит от диаметра биогранул. Так, для S-DEAMOX гранул с диаметром 1-2 мм скорость потребления субстратов была примерно в два раза выше, чем для O-DEAMOX гранул с диаметром 3-5 мм.

5. Установлено, что за время оптимизации работы S-DEAMOX и O-DEAMOX процессов анаммокс-активность соответствующих биогранул увеличилась в 2 и раза, денитрифицирующая активность в обоих случаях увеличилась в 2 раза. При этом денитритирующая S-DEAMOX биогранул осталась на прежнем уровне, в то время как O-DEAMOX биогранул снизилась в 2,3 раза.

6. Проведенный FISH-анализ S-DEAMOX и O-DEAMOX биогранул выявил, что доминирующими микроорганизмами в сформировавшихся сообществах являются анаммокс-бактерии родов «Ca.Brocadia» и «Ca.Kueninia». АОБ, также способные в определенных условиях к анаэробному окислению аммония, были обнаружены в незначительных количествах. Присутствие микроорганизмов домена Archea объясняется участием метаногенов в формировании матрицы анаммокс-биогранул.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. С.В. Калюжный, Н. М. Шестакова, Т. П. Турова, А. Б. Полтараус, М. А Гладченко, А.И. Трухина, Т. Н. Назина. Филогенетический анализ микробного сообщества, осуществляющего анаэробное окисление аммонийного азота. Микробиология, 2010. Т.79, №2, стр. 260-269.

2. Трухина А. И., Гладченко М.А., Калюжный С.В. Реактивация биокатализаторов после длительного хранение и запуск DEAMOX процесса. Биотехнология. 2010.

№5. Стр. 68- 3. Trukhina A., Gladchenko M., Kalyuzhnyi S., Arnold Mulder, Bram Versprille. Start-up and optimization of the DEAMOX process after a long storage of sludge. In Progress in Environmental Science and Technology. Proceedings of the International Symposium ISEST. Shanghai, China. 2009. V.2. P. 1195-1203.

4. Трухина А. И., Гладченко М.А. Запуск и оптимизация процесса DEAMOX.

Материалы докладов XVI Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов - 2009», секция Химия – Наука о живом. Москва. Стр. 42.

5. Trukhina A., Gladchenko M., Kalyuzhnyi S. Optimization of new anaerobic process of biological nitrogen removal. In

Abstract

book of the International Conference Biocatalysis-2009: Fundamentals & Applications. Arkhangelsk, Russia. 2009. P. 36.

6. Трухина А. И., Гладченко М.А. DEAMOX – новый процесс удаления азотных загрязнений. Выставка инновационных проектов. МГУ Химический факультет.

Москва. 2009.

7. Trukhina A., Gladchenko M., Kalyuzhnyi S. The comparison of DEAMOX processes driven by inorganic (sulphide) or organic (VFA) donors with regard to sludge kinetic characteristics and ammonia removal rate. In Abstract book of the International Conference Protection and Restoration of the Environment X. Corfu, Greece. 2010. P.

8. Trukhina A., Gladchenko M., Kalyuzhnyi S. Influence of Nitrogen Loading Rate on impact of DEAMOX reaction for Sulphide and Organics DEAMOX processes. In Abstract book of the 2nd International Conference Hazardous and Industrial Waste Management. Crete, Greece. 2010. P. 79.



 
Похожие работы:

«Мамонтов Юрий Сергеевич ФЛОРА МОХОВИДНЫХ ОМСКОЙ ОБЛАСТИ 03.00.05 – Ботаника АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук Томск – 2007 Работа выполнена на кафедре ботаники, цитологии и генетики ГОУ ВПО Омский государственный педагогический университет Научный руководитель : доктор биологических наук, профессор Борис Фёдорович Свириденко Официальные оппоненты : доктор биологических наук, доцент Андрей Ильич Пяк кандидат биологических наук...»

«ТИХОБАЕВА ВИКТОРИЯ ЕВГЕНЬЕВНА ДНК-МАРКЕРЫ ДЛЯ ОЦЕНКИ ПОЛИМОРФИЗМА И СЕЛЕКЦИОННО ЦЕННЫХ ПРИЗНАКОВ ПОДСОЛНЕЧНИКА (HELIANTHUS L.) Специальность: 03.02.07 – Генетика АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук Санкт-Петербург – 2013 Работа выполнена на кафедре генетики, в НИИ биологии Южного федерального университета, в Донской опытной станции им. Л.А. Жданова ВНИИМК Россельхозакадемии в 2009-2013 гг. доктор биологических наук Научный...»

«Селина Екатерина Евгеньевна ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ТЕХНОГЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ НА СОСТОЯНИЕ РАСТЕНИЙ В ДОЛИНАХ МАЛЫХ РЕК 03.02.08 – экология АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата биологических наук Саратов – 2011 Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Пензенский государственный университет на кафедре Экология и безопасность жизнедеятельности Научный руководитель доктор биологических наук, профессор...»

«Долгополова Анастасия Александровна ФИКСАЦИЯ УГЛЕРОДА, НАКОПЛЕНИЕ КРАХМАЛА, ТРАНСПОРТ САХАРОЗЫ И НЕОРГАНИЧЕКОГО ФОСФАТА И ПЕРВИЧНЫЕ ПРОЦЕССЫ ФОТОСИНТЕЗА Специальность 03.00.02 – биофизика АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. МОСКВА 2004 Работа выполнена на кафедре биофизики физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова. Научный руководитель : доктор физико-математических наук, Кукушкин профессор Александр Константинович...»

«Кыргыс Чайзу Суван-ооловна Круговорот углерода в системе растение-почва в степях Убсунурской котловины Специальность 03.00.27 - почвоведение АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук Томск – 2004 1 Работа выполнена в Убсунурском Международном Центре биосферных исследований СО РАН. Научный руководитель : доктор биологических наук, профессор А.А. Титлянова Официальные оппоненты : доктор биологических наук, профессор М.И. Дергачева кандидат...»

«ШЕСТАКОВ Игорь Евгеньевич ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА г. ПЕРМИ 03.02.08 – экология (биология) Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата биологических наук Пермь – 2012 Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Пермский государственный национальный исследовательский университет. Научный руководитель : доктор биологических наук, профессор Ерёмченко Ольга Зиновьевна...»

«Шеметова Инна Сергеевна ЭКОЛОГО-БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ РАСТИТЕЛЬНЫХ ГАЗОНОВ В УСЛОВИЯХ ПРЕДБАЙКАЛЬЯ 03.02.08 - экология АВТОРЕФЕРАТ на соискание ученой степени кандидата биологических наук Улан-Удэ – 2011 1 Работа выполнена на кафедре сельскохозяйственной экологии ФГОУ ВПО Иркутской государственной сельскохозяйственной академии Научный руководитель : Доктор сельскохозяйственных наук, профессор Хуснидинов Шарифзян Кадирович Официальные оппоненты : Доктор биологических...»

«ТИМОФЕЕВА Галина Анатольевна МОРФОМЕТРИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА ПОПУЛЯЦИЙ ЖУЖЕЛИЦ (COLEOPTERA, CARABIDAE) В АНТРОПОГЕННЫХ ЛАНДШАФТАХ Специальность 03.02.08. – экология (биологические наук и) АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук Казань – 2010 Работа выполнена в ГБУ Институт проблем экологии и недропользования Академии наук Республики Татарстан кандидат биологических наук, Научный руководитель : старший научный сотрудник ИПЭН АН РТ...»

«Ибатуллина Римма Петровна ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРИМЕНЕНИЯ БИОПРЕПАРАТОВ В РЕСПУБЛИКЕ ТАТАРСТАН 03.02.08 - экология (биологические наук и) АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук Казань – 2011 2 Работа выполнена на кафедрах биохимии и микробиологии биолого-почвенного факультета ФГАОУВПО Казанский (Приволжский) федеральный университет и ООО НПИ Биопрепараты. Научный руководитель : доктор биологических наук, профессор Алимова Фарида...»

«ШУНЬКИНА ГАЛИНА ЛЕОНИДОВНА Биохимические аспекты диагностики нарушений функций почек у новорожденных детей, перенесших гипоксию 03.01.04 – биохимия Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук Нижний Новгород 2011 Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении Высшего профессионального образования Нижегородская государственная медицинская академия Научный руководитель : доктор биологических наук, профессор К.Н. Конторщикова...»

«Чистякова Наталья Сергеевна ОСОБЕННОСТИ АДАПТАЦИИ ПОПУЛЯЦИЙ ДИКОРАСТУЩИХ ЗЛАКОВ ВОСТОЧНОГО ЗАБАЙКАЛЬЯ НА НАЧАЛЬНЫХ ЭТАПАХ ОНТОГЕНЕЗА (Leymus chinensis, Stipa krylovii, Zizania latifolia) 03.00.05 – Ботаника Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук Улан-Удэ – 2009 Работа выполнена в ФГОУ ВПО Иркутской государственной сельскохозяйственной академии Научный руководитель : доктор биологических наук, профессор Илли Иван Экидиусович...»

«УЛЬЯНОВА Вера Владимировна ЭКСПРЕССИЯ ГЕНОВ ГУАНИЛСПЕЦИФИЧНЫХ РИБОНУКЛЕАЗ БАЦИЛЛ В УСЛОВИЯХ ФОСФАТНОГО ГОЛОДАНИЯ 03.00.07 – микробиология Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук Казань – 2009 Работа выполнена на кафедре микробиологии Казанского государственного университета им. В. И. Ульянова-Ленина Научный руководитель : кандидат биологических наук, доцент Вершинина Валентина Ивановна Официальные оппоненты : доктор биологических наук,...»

«ФРОЛОВ Даниил Анатольевич ФЛОРА БАССЕЙНА РЕКИ СВИЯГИ 03.02.01 – Ботаника АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата биологических наук Сыктывкар 2011 Работа выполнена на кафедре ботаники ГОУ ВПО Ульяновский государственный педагогический университет имени И.Н. Ульянова Научный руководитель : кандидат биологических наук, доцент Масленников Андрей Викторович Официальные оппоненты : доктор биологических наук, старший научный сотрудник Мартыненко Вера Антоновна...»

«ЛОБАНОВ КОНСТАНТИН ВЛАДИМИРОВИЧ РОЛЬ СЕНСОРНЫХ РНК В РЕГУЛЯЦИИ ПУРИНОВОГО МЕТАБОЛИЗМА У BACILLUS SUBTILIS 03.02.07 – Генетика АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук Москва 2011 Работа выполнена в лаборатории биохимической генетики Федерального государственного унитарного предприятия Государственный научноисследовательский институт генетики и селекции промышленных микроорганизмов (ФГУП ГосНИИгенетика) Научный руководитель : доктор...»

«АВТУХ АЛЕКСАНДР НИКОЛАЕВИЧ СИСТЕМАТИКА АКТИНОМИЦЕТОВ РОДА KRIBBELLA 03.02.03 Микробиология АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук Пущино – 2012 Работа выполнена в отделе Всероссийская коллекция микроорганизмов Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К. Скрябина РАН. Научный руководитель : доктор биологических наук Евтушенко Людмила Ивановна Научный консультант :...»

«Логинов Дмитрий Сергеевич СРАВНИТЕЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА НАТИВНОГО И РЕКОМБИНАНТНОГО ЛИГНОЛИТИЧЕСКОГО ФЕРМЕНТА – ЛАККАЗЫ Специальность 03.01.04 – биохимия АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата биологических наук МОСКВА 2010 Работа выполнена в лаборатории молекулярных основ биотрансформации Учреждения Российской академии наук Института биохимии им. А.Н. Баха РАН Научный руководитель : доктор биологических наук, профессор О.В. Королева Официальные...»

«Синицына Марина Вячеславовна ЭКОЛОГО-БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ФЛОРЫ МАЛЫХ ИСКУССТВЕННЫХ ВОДОЕМОВ САРАТОВСКОЙ ОБЛАСТИ 03.02.01 – ботаника 03.02.08 – экология (биология) Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук Саратов – 2013 Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского на кафедре ботаники и экологии...»

«УДК 504.064: 504.064.47 РАВЗИЕВА ГУЛЬНАРА МУСТАКИМОВНА РАНЖИРОВАНИЕ ОПАСНОСТИ ОСАДКОВ СТОЧНЫХ ВОД ДЛЯ ОРГАНИЗМОВ РАЗЛИЧНОГО УРОВНЯ ОРГАНИЗАЦИИ 03.00.16-Экология Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата биологических наук КАЗАНЬ -2003 2 Работа выполнена на кафедре прикладной экологии Казанского государственного университета им. В. И. Ульянова-Ленина Научные руководители: доктор химических наук, профессор Латьшова В.З., кандидат биологических наук,...»

«ПЕТРОВА Ирина Олеговна ЭЛЕКТРОГЕННЫЕ РЕАКЦИИ ПЕРЕНОСА ЗАРЯДОВ В ЯДЕРНЫХ КОМПЛЕКСАХ ФОТОСИСТЕМЫ 2 С РАЗРУШЕННЫМИ И РЕКОНСТРУИРОВАННЫМИ КИСЛОРОД-ВЫДЕЛЯЮЩИМИ КОМПЛЕКСАМИ 03.01.02 – биофизика АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук Москва-2014 Работа выполнена в Научно-исследовательском институте физико-химической биологии имени А.Н. Белозерского Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального...»

«МИЧУКОВА МАРИНА ВАЛЕНТИНОВНА ИСПОЛЬЗОВАНИЕ DAPHNIA MAGNA STRAUS, 1826 В БИОИНДИКАЦИИ, УЛУЧШЕНИИ БИОПРОДУКТИВНОСТИ И КАЧЕСТВА ВОДЫ ВОДОЕМОВ 03. 00. 16 – Экология Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук Казань - 2008 Работа выполнена на кафедре Пищевая биотехнология Казанского Государственного технологического университета Научный руководитель доктор технических наук, профессор Канарский Альберт Владимирович Официальные оппоненты доктор...»






 
© 2013 www.diss.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, Диссертации, Монографии, Методички, учебные программы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.