Vispārīgā mikrobioloģija: Mikroorganismu metabolisms Prof. Uldis Kalnenieks
VIDES MIKROBIOLO Ģ IJA III daļa ŪDENS MIKROBIOLOĢIJA
description
Transcript of VIDES MIKROBIOLO Ģ IJA III daļa ŪDENS MIKROBIOLOĢIJA
VIDES MIKROBIOLOĢIJA
III daļaŪDENS MIKROBIOLOĢIJA
Vizma Nikolajeva
LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra
Mikroorganismu biotopi ūdenī
Planktona vide – brīvi peldoši organismi.
Nogulsnes (dūņas).
Mikroorganismu sakopojumi (pārslas, gļotas).
Bioplēves jeb biofilmas.
Planktons (brīvi peldoši organismi): 1) fitoplanktons – fotosintezējošie organismi (aļģes, ciānbaktērijas u.c. fototrofas baktērijas), 2) bakterioplanktons – heterotrofās baktērijas, 3) zooplanktons.
Bentoss (ūdenstilpes dibenā dzīvojošie organismi)
Fitoplanktons – primārais producents.Mikroorganismu biomasa – sekundārā produkcija.
1 g dūņu satur:
105-106 sulfātreducētāju (rada H2S) baktēriju
104-105 sēra baktēriju
103 nitrificējošo baktēriju
10-102 celulozes noārdītāju baktēriju
H2 un CH4 oksidētājas baktērijas
Ūdenī līdz 97 % bezsporu baktēriju,
dūņās pārsvarā sporu veidotājas baktērijas.
Vides faktori
Temperatūras režīms
pH
Redokspotenciāls
Aerācijas pakāpe
Hidrostatiskais spiediens
Gaisma
Ūdens kustība
Sāļu sastāvs
Ūdens biotopi
Atmosfēras (nokrišņu) ūdens: lietus, sniegs, krusa, ledus.
Virszemes ūdeņi (kontinentālās ūdenstilpes):
dabīgie – ezeri, upes, purvi,
mākslīgie – HES ūdenskrātuves, dīķi, kanāli.
Okeāni un jūras (sāļais ūdens).
Pazemes ūdeņi: avoti, minerālūdeņi, gruntsūdeņi, artēziskie ūdeņi.
Barības vielu spirālveida kustība upē
Saldūdenī vidēji 0,5 ‰. Latvijas ezeros parasti 100-250 mg/l (0,10-0,25 ‰), purvu ezeros – vēl mazāk.
Jūras ūdenī vidēji 35 ‰ (t.i., 35 g/l). Baltijas jūrā apmēram 5 ‰ (0,5 %).
Iesāļš ūdens upju grīvās: 10 - 32 ‰.
Promile (‰) – izšķīdušo neorganisko vielu masa g/kg jūras ūdens pēc tam, kad viss Br¯ un J¯ aizvietots ar ekvivalentu Cl¯ daudzumu un viss HCO3¯ un CO3
2 ¯
pārvērsts par oksīdu.
Ezeru zonas
Ezeru iedalījums pēc piesārņotības (barības vielu daudzuma, g/l)
Barības vielas
Ultra-oligotrofi
(distrofi)Oligotrofi Mezotrofi Eitrofi Hipertrofi
Fosfāti (summa)
< 4 4-10 10-35 35-100 > 100
Ortofosfāti < 2 < 2 2-5 5-100 > 100
Fotosintezējošo
pigmentu
absorbcijas spektri
Ciānbaktērijas Baltijas jūrā 2015. g. (foto no NASA satelīta)
Neistons
Neistons
Mikroorganismu fizioloģiskās grupas
Amonifikatori
Denitrifikatori
Nitrifikatori
Slāpekļa saistītāji
Sēra baktērijas
Sulfātreducētāji
Dzelzs baktērijas
Ogļhidrātu noārdītāji
Ogļūdeņražu noārdītāji
Ūdens slānī oligokarbofilas baktērijas: Pseudomonas, Micrococcus, Spirillum, Cladothrix, Sphaerotilus u.c.
Oligotrofās un eitrofās tilpēs: Bacillus, mikobaktērijas.
Tipiskas sēnes: Mucor, Fusarium.
Dūņu virsējā slānī: pavedienveida S un Fe baktērijas,
metāna un ūdeņraža oksidētāji;
ap 75 % sporu veidotāju baktēriju.
Dūņās: anaeroba celulozes, pektīna, olbaltumvielu noārdīšana,
metāna veidošana,
anaeroba slāpekļa saistīšana.
Anaerobās barības ķēdes posmi
BIOMASA
PolisaharīdiOlbaltumvielasTauki
H2, CO2
Acetāts
PropionātsButirātsSukcinātsSpirti
H2,CO2
Acetāts
CH4
CO2
Fermen-tējošās
baktērijas
Acetogēnāsbaktērijas
Metanogēnās baktērijas
Sulfīdus oksidējoša Thiomargarita namibiensis
no Rietumāfrikas ezeru dūņām
1999. g. atklāts pagaidām lielākais pazīstamais prokariots, diametrs ~750 m
Mērenās klimata joslas ezeru stratifikācija
vasaras – ziemas periodos
Ūdens pilnīgas sajaukšanās jeb konvekcijas periods – periods, kad visos ezera dziļumos ir vienāda temperatūra.
Tas ir pavasarī un rudenī.
Baktēriju vertikālais
sadalījums ezeros
Anoksigēni fototrofās baktērijas attīstās zem temperatūras robežšķirtnes,
oksigēni fototrofās – virs temperatūras robežšķirtnes.
Oligotrofs ezers Eitrofs ezers
Mikroorganismu vertikālais sadalījums ezeros
Sēru oksidējošo hemolitotrofo baktēriju
Beggiatoa spp. kultivēšana
GRADIENTA ORGANISMI
Ciānbaktēriju sintezētie toksīni
Toksīnu grupaSvarīgākie producenti
Iedarbība
Nosaukums Struktūra
Saksitoksīni Tricikliskas molekulas
Anabaena, Aphanizomenon, Cylindrospermopsis, Oscillatoria
Neirotoksīni
Anatoksīni Alkaloīdi Anabaena, Oscillatoria, Aphanizomenon
Neirotoksīni
Mikrocistīni Cikliski heptapeptīdi
Microcystis Hepatotoksīni
Nodularīni Cikliski heptapeptīdi
Lyngbia, Schizothrix, Oscillatoria Hepatotoksīni
Cilindrosper-mopsīni
Cikliski alkaloīdi
Cylindrospermopsis, Aphanizomenon, Umezakia
Hepatotoksīni
Purvi
Metānu jeb purvu gāzi veido metānveidotājas baktērijas, galvenokārt saraudzējot etiķskābi.
Etiķskābe (acetāts) rodas celulozes noārdīšanas procesā.
Metāns (CH4) un sērūdeņradis (H2S) vairumam organismu ir toksiski.
Īpatnības:
• Liels skābums
• Zema mineralizācijas pakāpe (nav tieša kontakta ar grunti)
• Piesātinājums ar metānu
Temperatūra, skābekļa un metāna koncentrācija purvā
(Aquat. Sci., 2003, 65, 36-46)
Baktēriju kopskaits un metanogēno baktēriju daudzums purvā
(Aquat. Sci., 2003, 65, 36-46)
Jūras un okeāniĪpatnības:
• sāļums
• zemas temperatūras
• augsts hidrostatiskais spiediens
• maza organisko vielu koncentrācija
Atklātos rajonos baktērijas 103-105 / ml.
Dziļumā baktērijas 10-102 / ml.
Biogēnie elementi jūras ūdenī
Elementi g/100 g organisma sausās masas (N)
g/m3 jūras ūdens (A)
A/N
Kālijs
Ogleklis
Silīcijs
Slāpeklis
Fosfors
Sērs
Dzelzs
Vanādijs
1
30
0,5
5,0
0,6
1
1
0,003
390
28
0,5
0,3
0,03
900
0,05
0,0003
390
1
1
0,06
0,05
900
0,05
0,1
Primārās produkcijas daudzumu nosaka biogēnie elementi, galvenokārt N un P sāļi.
Barības vielu vertikālais sadalījums okeānā
Biotopi jūras ūdenī
Neistons
Pelāģiskā zona - planktona organismi; iedala:
epipelāģiskā (iespīd gaisma)
mezopelāģiskā
batipelāģiskā
abisopelāģiskā
bentopelāģiskā (pie pamata)
Epibiotiskā zona – uz dažādām virsmām
Endobiotiskā zona – iekšā dažādos organismos
Epulopiscium fishelsoni. Izdalīts 1985. gadā no jūras zivju zarnām. Blakus četri vienšūņi Paramecium.
Līdz 1999. g. zināmais lielākais prokariots, 80 x 610 m.
Dziļūdens baltie un melnie skursteņi
Baltie skursteņi: 48-94 C, 200 atm spiediens, pH 5,2-7,0, NaCl 1-5 %, minerālvielas: Ba, Ca, Si u.c.
Dziļūdens “melnie skursteņi”
Pirmoreiz aprakstīti 1977. g.
104-106 baktērijas/ml, visvairāk 1 m attālumā
no krātera atveres
Metāna oksidēšana anaerobos apstākļos
sulfātreducētāji + metanotrofie arheji
CH4+SO42-→HCO3
-+HS-+H2O
Hidrostatiskais spiediens
Primāro produktivitāti nodrošinošo prokariotu grupasdziļūdens “melno skursteņu” rajonos
Prokarioti Elektronu donori
Elektronu akceptori
Sulfātoksidētājas baktērijas
Nitrificējošās baktērijas
Sulfātreducētājas baktērijas
Metanogēnās arhebaktērijas
Ūdeņradi oksidējošās baktērijas
Fe un Mn oksidējošās baktērijas
Metilotrofās baktērijas
HS- , S0, S2O32-
NH4+, NO2
-
H2
H2
H2
Fe2+, Mn2+
CH4, CO
O2, NO3-
O2
S0, SO42-
CO2
O2, NO3-
O2
O2
Velteniskie tārpi Riftia pachytila
ar hemolitotrofām baktērijām –
endosimbiontiem
Hemolitotrofās sēra oksidētājas baktērijas (diametrs 3-5 m)
tārpu trofosomas audos.
Mikroorganismu pārslas karstā avotā
Fosilās pārslas – stromatolīti (vecākie – 3,5 miljr. gadu veci).
Pārslas
Kriosfēra – biosfēras daļa
• >70 % saldūdens – ledus. ~20 % augsnes ekosistēmas – mūžīgais sasalums.
• Ledus – prokariotu slēptuve leduslaikmetos?
• Starp ledus kristāliem ir šauras spraugas ar šķidru ūdeni un sakoncentrētām vielām – mikrovide mikroorganismiem.
• Dominē Crenarchaeta – arhebaktērijas.
• Polārais ledus – modelis dzīvībai uz Marsa?
Pazemes ūdeņi un to horizonti Pazemes ūdeņi – Zemes
hidrosfēras daļa, kas piedalās kopējā ūdens aprites ciklā.
Gruntsūdeņi – pazemes ūdeņu augšējais slānis virs pirmā ūdeni aizturošā iežu horizonta, atrodas tuvāk zemes virskārtai.
Artēziskie jeb spiedienūdeņi – ūdeņi, kas veidojas starp diviem ūdeni aizturošiem iežu horizontiem, atrodas dziļāk nekā gruntsūdeņi.
Mikroorganismi nepiesārņotos pazemes ūdeņos
Artēziskie spiedienūdeņi Dabiskā kvalitāte:
praktiski mikrobioloģiski tīri līdz sterili; baktēriju sastopamība nejauša (ūdensgūtnē 0-4 kvv/
100 ml; dati par Latviju)
Mikrobioloģiskā piesārņojuma potenciālā riska faktori: spēcīgi punktveida piesārņojuma avoti (ķīmiskās un
jauktu atkritumu izgāztuves); sulfātu joni – sulfātreducējošās baktērijas – sērūdeņradis
Mikroorganismi gruntsūdeņos
Heterotrofie mikroorganismi sastopami reti un to skaits mazs (daži);
Augsnes hemolitotrofās baktērijas (dažas), atkarībā no oglekļa un enerģijas avota (CO2, organiskās skābes, sulfāti, amonija joni, dzelzs, magnijs, ūdeņraža joni); Nitrobacteriaceae, Thiobacillus, Methanobacterium, Desulfovibrio, Sphaerotilus, Leptothrix, Gallionella, Hydrogenomonas;
Micēlijsēnes – nav zināmi piemēri; Vienšūņi – praktiski visi atfiltrējas, nenokļūstot līdz
pazemes ūdeņu horizontiem; Tehnogēno organisko savienojumu (fenols, benzols,
toluols) mikrobioloģiskā degradācija.
Indikatororganismu un patogēno baktēriju dzīvotspējas saglabāšanās augsnē un pazemes
ūdenī
Organisms Ūdens/ augsne Izdzīvotība
Escherichia coli Pazemes ūdens 3-3,5 mēn.
Escherichia coli Smilšmāls, bagāts organiskām vielām
3,3 dienas (90 % samazināšanās )
Salmonella spp. Ūdens, filtrēts caur smilšu kolonu
44 dienas
Salmonella spp. Augsnes virskārta 40 dienas
Avoti: dominē fotosintezējošās baktērijas un aļģes, 102-108 / ml; heterotrofi 10-106 / ml.
Minerālūdens: nitrificētājas baktērijas rada HNO2 un HNO3;
sulfātreducētāji veic desulfatāciju – H2S veidošanu.
H2S tuvumā – S oksidētājas baktērijas, H2SO4 un sēra nogulsnes (piem., CaSO4); Fe baktērijas (gļotainos sakopojumos).
Ultratīrā ūdenī – Caulobacter spp., Pseudomonas fluorescens.
Zušu sēravots
Latvijas sēravoti
Linde E., Kalēja E. Ķemeru un Baldones sērūdeņu mikroflora un tās bioloģiskās īpašības. LPSR ZA izdevniecība, Rīga, 1960., 83 lpp.
• Sulfātu-hidrokarbonātu ūdeņi.• Aukstie minerālavoti (<20 °C); Baldonē vid. 7,1 °C.• Samērā zema H2S koncentrācija: - Ķemeros 18-26 mg/l; - Baldonē 5-10 mg/l.
Krāna ūdens kontaminanti: Sāļi Organiskās vielas Daļiņas / koloīdi Mikroorganismi Izšķīdušas gāzes (O2, N2, CO2)
Dzeramā ūdens kvalitāte
Dzeramā ūdens kvalitāte
Escherichia coli – zarnu nūjiņa
Ģintis:EscherichiaEnterobacter
KlebsiellaCitrobacter
Īpašības:Gramnegatīvas
Neveido endosporasNūjiņas
Fakultatīvi anaerobasFermentē laktozi
Veido skābi un gāzi 48 h 35 C
IndikatororganismiKoliformas jeb
zarnu nūjiņas grupas baktērijas
Fekālās koliformas
Inkubē 44,5 0,2 vai 45,0 0,2 oC 24 h selektīvā buljonā ar laktozi. Veidojas skābe un gāze.
Escherichia, Klebsiella spp.
Fekālie streptokoki
Enterococcus faecalis
Enterococcus faecium
Q grupas streptokoki
Streptococcus bovis
Streptococcus equinus
Streptococcus mitis
Streptococcus salivariusD
gru
pas
stre
ptok
oki
ente
roko
kivi
rida
ns
Fekālie enterokoki (streptokoki) – Lancefielda D grupas streptokoki
Fekālo koliformu (FC) un fekālo streptokoku (FS) daudzuma attiecība
FC/FS Piesārņojuma avoti
> 4,0
2,0 – 4,0
0,7 – 2,0
< 0,7
Cilvēka izcelsmes piesārņojums
Dominē cilvēka izcelsmes piesārņojums
Dominē dzīvnieku izcelsmes piesārņojums
Dzīvnieku izcelsmes piesārņojums
Ideāla indikatororganisma kritēriji
1. Organismam jābūt piemērotam visiem ūdens tipiem.
2. Organismam jābūt atrodamam tad, ja ir enteropatogēni.
3. Organismam jāizdzīvo ilgāk nekā visizturīgākajam enteropatogēnam.
4. Organisms nedrīkst vairoties ūdenī.
5. Analītiskai metodei jābūt vienkāršai.
6. Organisma koncentrācijai jābūt tiešā saistībā ar fekālā piesārņojuma pakāpi.
7. Organismam jābūt siltasiņu dzīvnieku zarnu mikrofloras sastāvā.
E. coli bioplēvēs 2400 reizes rezistentāka pret hloru nekā brīvā ūdenī.
Patogēnie enterovīrusi un protozoji izdzīvo ilgāk un ir rezistentāki nekā koliformas.
Koliformu noteikšanas metodes:
1) robežatšķaidījumu jeb visiespējamākā skaita metode (MPN);
2) membrānu filtru metode;
3) klātesamības analīze (P-A Test); nav kvantitatīva.
Baktērijas uz membrānu filtra
Koliformu baktēriju kolonijasKoliformu baktēriju kolonijas uz membrānu filtra un EMB uz membrānu filtra un EMB
(eozīna-metilēnzilā) agara (eozīna-metilēnzilā) agara
Koliformu klātesamības analīze
Inkubācija: laurilsulfāta – triptozes – laktozes barotnē (MPN)
Colilert sistēma
Koliformas sintezē -galaktozidāzi, kas hidrolizē
o-nitrofenil--D-galaktopiranozīdu (ONPG).
No koliformām tikai E. coli sintezē -glikuronidāzi, kas hidrolizē
4- metilumbelliferona glikuronīdu (MUG).
Heterotrofās baktērijas: Pseudomonas, Aeromonas, Flavobacterium, Serratia, Acinetobacter, Proteus, Alcaligenes, Moraxella, Stenotrophomonas u.c.
Dezinfektantu bojātas baktērijas – inkubē barotnē R2A.
Kolonijas veidojošo vienību noteikšana (kvv/ml).
“Dzeramā ūdens obligātās nekaitīguma un kvalitātes prasības, monitoringa un kontroles kārtība”
Ūdensvada ūdens
Maksimāli pieļaujamā norma:
1) Escherichia coli – 0/100 ml;
2) enterokoki – 0/100 ml.
Kontrolrādītāji monitoringam un korektīvai rīcībai:
1) koliformas baktērijas – 0/100 ml;
2) mikroorganismu koloniju skaits 22 °C – 1000/ml;
2) Clostridium perfringens – 0/100 ml (jāmērī, ja ūdens izcelsmes vietu iespaido virszemes ūdeņi).
“Dzeramā ūdens obligātās nekaitīguma un kvalitātes prasības, monitoringa un kontroles kārtība”
Ūdens, kas pildīts tirgošanai pudelēs vai citos traukosMaksimāli pieļaujamā norma: 1) mikroorganismu koloniju skaits 22 °C – 100/ml; 2) mikroorganismu koloniju skaits 37 °C – 20/ml; 3) Pseudomonas aeruginosa – 0/250 ml; 4) Escherichia coli – 0/250 ml; 5) enterokoki – 0/250 ml.
Kontrolrādītāji monitoringam un korektīvai rīcībai: 1) koliformas baktērijas – 0/250 ml; 2) mikroorganismu koloniju skaits 22 °C – 1000/ml; 2) Clostridium perfringens – 0/100 ml (jāmērī, ja ūdens izcelsmes vietu iespaido virszemes ūdeņi).
Dominē gramnegatīvās nūjiņas: Pseudomonas, Flavobacterium, Moraxella – Acinetobacter grupa.
Pseudomonas aeruginosa
Dabīgais minerālūdens un avota ūdens
Normas ieguves vietā:1) mikroorganismu koloniju skaits 20-22 °C, 72 h – 20/ml;2) mikroorganismu koloniju skaits 37 °C, 24 h – 5/ml.
Normas fasētā ūdenī (analīzi sāk 12 h laikā pēc fasēšanas, paraugus uzglabā 4±1 C):
1) mikroorganismu koloniju skaits 20-22 °C, 72 h – 100/ml;2) mikroorganismu koloniju skaits 37 °C, 24 h – 20/ml.
Ne ieguves vietā, ne izplatot tirdzniecībā nav pieļaujams:
1) parazīti un patogēnie mikroorganismi;
2) Escherichia coli un citas koliformas – 0/250 ml;
3) fekālie streptokoki – 0/250 ml;
3) sulfītreducējošie anaerobi (Clostridium) – 0/50 ml;
4) Pseudomonas aeruginosa – 0/250 ml.
Dabīgais minerālūdens un avota ūdens
Dzeramā ūdens apstrāde
1) Koagulēšana un flokulēšana (Al vai Fe sulfāti – adsorbējas organiskās vielas)
2) Izgulsnēšana
3) Filtrēšana (lēnā, ātrā).
Lēnā filtrēšana – 0,1-0,2 m/h caur upes smilti ar 0,25-0,35 mm diametra daļiņām.
Ātrā filrēšana 5-10 m/h, daļiņu diametrs 0,5-2,0 mm.
4) Dezinfekcija – apstrāde ar stipriem oksidētājiem (hlors, ozons)
Rīgas dzeramā ūdens apgādes plāns, patērētāji, kas saņem ŪAS „Daugava” ražotu dzeramo ūdeni
Ūdens attīrīšanas stacijas “Daugava” darbības tehniskā shēma
Ūdens apgādes avotu salīdzinājums
Kontaminanti Virszemes ūdeņi Gruntsūdeņi
Biogēnie materiāli daudz maz
Daļiņas daudz maz
Izšķīduši joni maz daudz
Ūdens apgāde
Gruntsūdeņi (akas) – bieži pietiek tikai ar dezinfekciju.
Virszemes ūdeņi (upes, ezeri, rezervuāri ) – koagulē, izgulsnē, filtrē, dezinficē.
Fe2+ un Mn2+ oksidē pirms izgulsnēšanas (ar permanganātu).
Filtrē caur granti un smalku smilšu slāni.
Rekontaminācijas novēršana – pēc dezinfekcijas ūdenī jāpaliek brīvam hloram.
Hlorēšanas trūkums: veidojas trihalometāna savienojumi.
Atdzelžošana
Ieplūdē 0,25-4 mg/l, izplūdē <0,06 mg/l. Izmantotie oksidētāji: gaiss (O2), Cl2, ClO2, KMnO4, O3.
Oksidēšana un filtrēšana.Max pieļaujamā Fe norma 0,2 mg/l.
(Juhna T., 2007)
Bioloģiskā atdzelžošana
(Juhna T., 2007)
Ūdenī ievada gaisu un tūlīt pēc tam filtrē caur smilts filtru; seko papildus aerācija (lai nesāktos anaerobi procesi).
Līdzīgi – Mn un amonija atdalīšana (demanganizācija un nitrifikācija).
Bioplēvju attīstību ūdens apgādes sistēmās ietekmē:
- temperatūra,
- ūdens cietība,
- pH,
- redokspotenciāls,
- biodegradējamo organisko vielu koncentrācija
TOC – kopējais organiskais ogleklis
AOC – asimilējamais organiskais ogleklis
Parasti AOC sastāda 0,1-9 % no TOC
- dezinfektanta atlikums,
- cauruļu materiāls,
- ūdens atrašanās laiks ūdens sadales sistēmā.
Salmonella spp. – ūdenī pusdzīves periods līdz 20 stundām.
Escherichia coli, Shigella spp. – ūdenī pusdzīves periods līdz 27 stundām.
Campylobacter jejuni – nehlorētā ūdenī 4 °C dzīvo 4 mēnešus.
Yersinia spp.
Vibrio spp.
Helicobacter pylori – saldūdenī izdzīvo vairākus mēnešus.
Legionella pneumophila – krāna un destilētā ūdenī izdzīvo vairākus mēnešus; aug 42 °C.
Patogēnās baktērijas ūdenī
Nosacīti patogēnās baktērijas
Mycobacterium avium komplekss (rezistentas pret hloru)
Pseudomonas aeruginosa
Acinetobacter spp.
Stenotrophomonas maltophilia
Aeromonas hydrophila
Legionella un Mycobacterium spp. – nosacīti intracelulāri amēbu parazīti.
Vienšūņi - parazīti
Giardia lamblia
Cryptosporidium parvum (kopš 1993. gada)
Entamoeba histolytica
Cyclospora cayetanesis (kopš 1996. gada)
Tricuris trichiura
Encephalitozoon spp. (mikrosporīdiji)
Protozoja
Giardia lamblia
attīstības cikls
Protozoja
Cryptosporidium
parvum
attīstības cikls
Oocistas 4-6 m.
Infekciozā deva 10-1000 šūnas.
Notekūdeņu attīrīšana
TOC (total organic carbon) – organiskā oglekļa daudzums.
BSP (BOD – biochemical oxygen demand) – bioloģiskais (bioķīmiskais) skābekļa patēriņš. Nosaka, piemēram, BSP5.
ĶSP (COD – chemical oxygen demand) – ķīmiskais skābekļa patēriņš. Skābekļa daudzums (mg/l), kas nepieciešams, lai pilnībā oksidētu visus organiskos oglekļa savienojumus un amoniju.
Notekūdeņiem normāli BOD/COD 0,5.
BOD/COD <0,3, ja paraugs satur daudz grūti noārdāmu organisko vielu.
Upes ūdens piesārņošana
Notekūdeņu attīrīšana
Dabiskos apstākļos: augsnes filtri, dīķi un lagūnas.
BSP samazinās par 90 %, fosfors un slāpeklis – par 25-80 %.
Mākslīgos apstākļos:
1) fizikālā (mehāniskā) attīrīšana – atdala cieto fāzi;
2) bioloģiskā oksidācija – biofiltru (aerofiltru) bioplēve;
– aerotenki ar homogēni suspendētām šūnām;
– anaerobi metāntenki, septiktenki, nostādinātāji.
BAS “DAUGAVGRĪVA”
Notekūdeņu attīrīšanas etapi
Komunālajiem ūdeņiem 1. etapā BSP samazinās par 30-40 %, 2. etapā – par 70-80 %.
Rotējošie biodiski
Bioplēvēm 2 slāņi: ārējais, aerobais, baltais (Beggiatoa),
iekšējais, anaerobais, melnais – FeS nogulsnes (Desulfovibrio).
(Man, Po-Keung, 2013)
Strūklas filtrs – bioloģiskās
attīrīšanas etaps
Izsmidzināšanas filtru bioplēve un
trofiskie līmeņi
Notekūdeņu attīrīšana. Notekūdeņu attīrīšana.
Aerobais process – Aerobais process – aktīvās dūņasaktīvās dūņas..
Dūņu izgulsnēšanās
Jaunievadītā notekūdenī dominē suspendētas baktērijas, vēlāk vairākums pārslās jeb agregātos.
Pārslas atdala izgulsnējot.
Pavedienveida baktēriju (Sphaerotilus, Beggiatoa, Thiothrix, Bacillus) un micēlijsēņu (Geotrichum, Cephalosporium, Cladosporium, Penicillium) savairošanās pasliktina dūņu izgulsnēšanos.
Vīrusi adsorbējas uz dūņu pārslām.
Protozoji (skropstaiņi) barojas ar suspendētāmbaktērijām. Aktīvās dūņās dominē skropstaiņi, mazaktīvās – vicaiņi.
Aktīvo dūņu biocenoze Baktērijas Vienšūņi
Vicaiņi Rāpojoši Stiebraini Brīvi peldoši
Amēbas Skropstaiņi
Virpotāji Nematodes Gauskāji Sēnes Aļģes
Dūņu indikatorsugas Baktērijas, aļģes un sīkie vicaiņi; Kailamēbas un čaulamēbas (sarkodīnu klase); Brīvi peldošie un piestiprinātie skropstaiņi; Infuzorijas; Virpotāji; Makrobionti (nematodes).
Čaulamēba Gromia neglecta – strauja savairošanās norāda uz toksiskumu 10-15 dienas pirms notekūdeņu attīrīšanās pasliktināšanās;
Brīvi peldošo un piestiprināto infuzoriju vienāds skaits – norāda uz dūņu cirkulācijas pasliktināšanos;
Virpotāju skaits – norāda uz nitrifikācijas procesa intensitāti: ja nenotiek nitrifikācija – virpotāju dūņās nav, jo aktīvāk norit nitrifikācija, jo virpotāju skaits lielāks.
Anaerobais noārdītājs jeb metāntenks
Izdalās gāzes CH4, CO2.
Biogāze.
Nesadalītā cietā fāze – raudzētās nogulsnes jeb septiskās dūņas.
Dūņās – bioloģiski nedegradējamas atliekas.
Anaerobā noārdīšana
ogļhidrāti olbaltumvielastauki
cukuri, taukskābes,
aminoskābes
organiskās skābes
etiķskābe
metāns, H2S
etiķskābeH2CO2
hidrolīzes fāze
skābšanas fāze
acetoģenēzes fāze
metanoģenēzes fāze
Fosfora atdalīšana no notekūdeņiem –
oksigēnu / anoksigēnu procesu maiņa.
Anaerobā zonā P izdalās no šūnām,
aerobā zonā izšķīdušo P uzņem baktērijas (uzkrāj polifosfātos).
Ja P >10 g/l, ūdenī var savairoties aļģes.
Slāpekļa atdalīšana no notekūdeņiem – papildus C avota (spirta) pievienošana, denitrifikācija anaerobos apstākļos.Piedalās 3 hemolitoautotrofo baktēriju grupas: 1) aerobās amonija oksidētājas (nitrifikācijas 1. fāze); 2) aerobās nitrītu oksidētājas (nitrifikācijas 2. fāze);
3) anaerobās amonija oksidētājas jeb anammox baktērijas (anaerobic ammonia oxidation).
Anammox: NH4+ + NO2
- N2 + 2H2OProcesu veic planktomicētu grupas baktērijas, t.sk., `Candidatus Brocadia anammoxidans`, `Candidatus Kuenenia stuttgartiensis`.
Schmidt I., Sliekers O. et al. (2003) New concepts of microbial treatment processes for the nitrogen removal in wastewater. FEMS Microbiol. Rev., 27: 481-492.
Bioloģiski nedegradējamā organiskā piesārņojuma un minerālo barības vielu atdalīšana
Atdala potenciāli toksiskās vielas (hlorfenolus, bifenilus u.c.).
Izmanto aktīvās ogles filtrus.
Fosfātus atdala, tos precipitējot Ca vai Fe fosfātu formā.
N atdala, hlorējot ar hipohlorskābi (izdalās N2) vai izgaisinot kā NH3 gāzi augstā pH.
Smagie metāli dūņās – problēma.
Dezinfekcija – ūdens attīrīšanas pēdējais etaps
Enteropatogēnās baktērijas un vīrusus iznīcina hlorējot.
Hlora gāze (Cl2) vai hipohlorīts [Ca(OCl2) vai NaOCl].
Cl2 + H2O HOCl + HCl hipohlorskābe
NaOCl + H2O HOCl + NaOHCl2 pievieno dzeramajam ūdenim 0,3 mg/l, notekūdenim 10-20 mg/l.
Organiskais hlora savienojums hloramīns. CH3- -SO2-N
Dezinfektants – hipohlorskābe vai hipohlorīta jons ClO¯.
Hlorēšanas trūkums – veidojas trihalometāna savienojumi (THM) (CHCl3 trihlormetāns jeb hloroforms).
Na
Cl
Tehnoloģiskā shēma lokālām attīrīšanas iekārtām
Krāna ūdens kontaminanti
Sāļi Organiskās vielas Daļiņas / koloīdi Mikroorganismi Izšķīdušas gāzes (O2, N2, CO2)
Jonu kontamināciju mērī +20 °C pēc vadītspējas (μS/cm) un/ vai pretestības (MΩ.cm).
Vadītspēja = 1 / pretestība.Teorētiski tīram ūdenim 0,055 μS/cm un 18,2 MΩ.cm.Dzeramajam ūdenim max 2500 μS/cm.
Speciāli attīrīta ūdens kvalitātes tipiRādītāji I tips II tips III tips
Pretestība, MΩ.cm (+25 °C)
>18,0 >1,0 >0,05
TOC, ppb <10 (100) <50 <200
Na, ppb <1 <5 <10
Cl, ppb <1 <5 <10
Baktērijas, kvv/ml
<10 <100 (1000) <10000 (1000)
Endotoksīni, U/ml
<0,03 <0,25 Nav jānosaka
ppb – part per billion
Laboratorijas ūdens attīrīšanas metodes
1. Destilācija
2. Dejonizācija
3. Reversā (apgriestā) osmoze
4. Ultrafiltrācija
5. Membrānu filtrācija
6. Aktīvā ogle
7. UV tehnoloģijas
Laboratorijas ūdens attīrīšanas metodesKontami-nanti
Destilā-cija
Dejoni-zācija
Reversā osmoze
Ultrafil-trācija
Membrā-nu filtrā-cija
Aktīvā ogle
Joni
Organiskās vielas
Daļiņas
Baktērijas, vīrusi
Gāzes
Palikušie kontaminanti
“FANEX” seminārs “Pure Water in the Laboratory”, Rīga, 2004)
Mikroorganismu veicināta korozija – biokorozija 1. Metālu korozija.
Anaerobas sulfātreducētājas baktērijas noārda organiskās vielas, kā elektronu akceptoru izmantojot sulfātus. Uz metālu virsmas veidojas bioplēves, kurās ir anaerobi mikrobiotopi.
2. Tērauda (metālu sakausējumu) korozija. Mikroorganismi izdala skābus metabolītus, pret kuriem
jutīgas tērauda saistvielas.
3. Betona (cementa izstrādājumu)
korozija
Sulfātreducējošās un sēru oksidējošās
baktērijas
Biokorozijas apkarošana:
1) virsmu pārklāšana ar baktericīdām vielām (ceturtējie amonija, fenola savienojumi, Cu u.c.);
2) bioplēvju noārdīšana (dezinfektanti, katjonu surfaktanti, mehāniska atdalīšana).