Wykład 1 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 08.10.2014
Podstawy biologiczne
Rola mikroorganizmów
Negatywna
Uzdatnianie wody do picia na potrzeby gospodarcze (dezynfekcja)
Lekooporność / chorobotwórczość
Legionella (w wodzie ciepłej)
Toksyny sinicowe
„Obrosty” w sieci wodociągowej
W sieci tworzy się biofilm („obrosty”) zawierający mikroorganizmy (również lekoodporne).
Problemy : zapach wody, nanocząsteczki używane w uzdatnianiu wody.
Układy wentylacyjno-klimatyzacyjne budynków
Jakość powietrza atmosferycznego
Zasiedlanie filtrów i kanałów wentylacyjnych drobnoustrojami
Rozwój bakterii i grzybów w zbiornikach wody (klimatyzacja)
Powietrze wewnątrz pomieszczeń - toksyny bakteryjne i mykotoksyny
Problem: woda
Materiały
Korozja metali, betonu
Niszczenie szkła, gumy, skóry, farb, papieru, syntetyki
Rozkład paliw i cieczy eksploatacyjnych (chłodziwa, ciecze hydrauliczne)
Pozytywna
Biotechnologia w ochronie środowiska
Biologiczne oczyszczanie wody
Filtry węglowe / ozon
Filtry piaskowe powolne
Biologiczne oczyszczanie ścieków
Metody konwencjonalne
Metody zintegrowanego usuwania zanieczyszczeń organicznych oraz N i P
Inne rozwiązania
Biosorpcja metali ze ścieków
Ługowanie metali z ubogich rud, odpadowych koncentratów i osadów ściekowych
Odzysk metali
Biologiczne oczyszczanie gazów odlotowych
Mikrobiologiczne oczyszczanie gruntów z produktów naftowych
Kompostowanie odpadków
Nowe źródła energii
Biosensory
Mikroorganizmy:
Autotrofy
Źródło węgla: CO2 (atmosferyczny + węglany)
Źródło energii: światło - fotosynteza bakterii, fotosynteza glonów i roślin
Utlenianie związków nieorganicznych np.:
Fe (II) -> Fe (III)
H2S -> H2SO4
Nitryfikacja -> NH4 -> HNO2 -> HNO3
CO -> CO2
H2 -> H2O
Heterotrofy
Źródło węgla: związki organiczne
Źródło energii: światło - fotosynteza bakterii
Utlenianie związków organicznych np.:
Glukoza -> glikoliza -> cykl Krebsa -> łańcuch oddechowy -> O2
Oddychanie beztlenowe np.:
Redukcja
Azotanów -> N2 (denitryfikacja)
Siarczanów -> H2S
Węglanów -> CH4
Fermentacje z wytworzeniem kwasów, alkoholi, CO2, H2
W procesie uzdatniania wody stosuje się filtrację pospieszną (praktycznie biorąc nie należy do metod biologicznych) oraz filtry powolne, które działają przy prędkości przepływu wody od 0,1 do 1 m/h przy średnicy ziaren poniżej 0,5 mm. Na powierzchni filtrów wytwarza się błona biologiczna - tzw. mada (2 - 3 cm) - w niej znajdują się rożne organizmy auto- i heterotroficzne, które produkują polimery zewnątrzkomórkowe (EPS) - powodują one zlepianie się komórek. W madzie występują także pierwotniaki, skorupiaki i larwy owadów Złoże jest okresowo czyszczone przez zdjęcie mady - płukane i z powrotem wkładane do złoża.
Do uzdatniania wody stosuje się także granulowany węgiel aktywny (GWA). Na powierzchni GWA także tworzy się błona biologiczna złożona z organizmów jw., przy czym filtry te działają jako sorbent chemiczny. Często filtracja ta połączona jest z ozonowaniem wody (wstępne, pośrednie, końcowe).
Ozonowanie wstępne - usuwanie złożonych związków organicznych
Ozonowanie pośrednie - ułatwia dostęp do związków organicznych mikroorganizmów
Ozonowanie końcowe - dezynfekcja
Skład gatunków mikroorganizmów rozwijających się w GWA zależy od rodzaju zanieczyszczeń występujących w wodzie, a efektywność wzrostu błony zależy od czynników abiotycznych, głównie od ilości tlenu rozpuszczonego. Spośród drobnoustrojów stwierdza się obecność bakterii heterotroficznych z rodzajów Pseudomonas, Actinobacter, Arthobacter, Flavobacterium, Bacillus i autotroficznych-nitryfikacyjnych. Występowanie żelaza i manganu w wodzie sprzyja rozwojowi mikroorganizmów utleniających te pierwiastki, auto- i hetero- i miksotrofów, m.in. z rodzajów Thiobacillus, Siderocapsa, Hyphomicrobium, Gallionella, Leptothrix, Crenothrix, Toxothrix. Grzyby mikroskopowe reprezentowane są przez alternaria, Cladosporium, Aspergillus, Geotrichum, Penicillium, Candida, Cryptococcus, Rhodotorula.
Efekt biodegradacji związków organicznych zależy nie tylko od zawartości tlenu ale i od temperatury, czasu kontaktu. Do oceny sorpcji i biodegradacji w GWA może służyć wskaźnik Eberhardta, Madsena i Southeimera, uwzględniajacy spadek ChZT i ubytek tlenu rozpuszczonego.:
EMS = d ChZT / d O2
Jeśli EMS = 1 to sorpcja i biodegradacja zachodzą z tą samą szybkością, przy EMS > 1 - procesy sorpcji dominują nad biodegradacją, EMS < 1 - biodegradacja zachodzi szybciej niż sorpcja, EMS = 0 - wskazuje na brak obu procesów.
Na powierzchni GWA znajdują się mikro- i mezospory o wymiarach odpowiednio poniżej 1 nm i od 1 do 25 nm oraz makropory o wymiarach powyżej 25 nm. Rozwój mikroflory w filtrach węglowych zachodzi dzięki:
Zjawiskom sorpcji związków organicznych jako substratów pokarmowych
Obecności porów, zabezpieczających przed siłami ścinającymi
Występowaniu grup funkcyjnych w węglu - hydroksylowych, karboksylowych, laktonowych, aminowych, nitrylowych umożliwiających adhezję komórek
Neutralizacji czynników stresogennych dla drobnoustrojów
Badania biologiczne zawiesiny błony zmytej z ziaren węgla obejmują oznaczenie:
Liczebności mikroorganizmów na ogólnych i selektywnych podłożach stałych lub bezpośrednio w preparatach mikroskopowych
Zawartości składników komórkowych
Aktywności enzymatycznej drobnoustrojów
Mikroskopowe biocenozy ze szczególnym uwzględnieniem mikrofauny i glonów zatrzymanych w złożu
Identyfikacji mikroorganizmów z użyciem metod standardowych oraz techniki PCR (techniki molekularne)
Usuwanie zanieczyszczeń organicznych na GWA ma zabezpieczać przed rozwojem mikroorganizmów w sieci wodociągowej. Jednak należy liczyć się ze zjawiskiem wypłukiwania drobnoustrojów z filtrów i przechodzenia komórek do sieci dystrybucji wody. Zjawisko to występuje niezależnie od podobnych konsekwencji pojawiających się przy płukaniu filtrów. Płukanie stosuje się celem usunięcia depozytów zatykających złoże i nadmiaru błony biologicznej. Płukanie (fluidyzację filtru) przeprowadza się z użyciem wody, powietrza lub wody i powietrza.
Ochrona sieci wodociągowej przed przedostawaniem się mikroorganizmów wypłukanych z GWA wymaga kontroli ilościowej wody odpływającej ze złoża węglowego. Przyjmuje się, że jedna komórka bakterii zawiera 20*10^-15 g C, a liczba wypłukanych bakterii może sięgać 10^5 JTK/ml. Uważa się, że ilość węgla powyżej 10 ug C/l może wywoływać wtórne zanieczyszczenie sieci wodociągowej. Jednocześnie wykazano, że pył węglowy z GWA chroni mikroorganizmy przed działaniem środków dezynfekcyjnych
Rysunek - Działanie promieniowania UV na łańcuch DNA
Rysunek - Dimer tyminy
Dezynfekcja - ma za zadanie usunięcie wegetatywnych form przetrwalnikowych / komórek chorobotwórczych. Spory bakterii i … grzybów.
Biofilm to heterogenna śluzowata materia złożona z mikroorganizmów, polimerów (egzopolisacharydy - EPS) i innych substancj ichemicznych, w tym niewielkich cząstek. Zawiera 90% wody (% masowy), a jej właściwości zalezą od czynników biologicznych, chemicznych i fizycznych (hydrodynamiki i warunków cieplnych). Warstwa biofilmu od 10u do 1 mm, zawartość komórem 10^7 - 10^9 / cm2, a EPS to > 50%. Błony wys tępują w wymiennikach ciepła, wieżach chłodniczych, zaworach, przewodach, powierzchniach kadłubów statków.
Wanna nawilżająca w klimatyzacji…
Wykład 3 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 22.10.2014
Toksyny
Glony oraz sinice (Cyanobacter) produkują różnego rodzaju toksyny, które mogą się dostawać do wody (pitnej). Najbardziej znane są toksyny sinicowe. Nitrocystyny - produkowane są przez sinice z rodzaju Nitrocistis. Nitrocystyny powodują uszkodzenia wątroby (hepatotoksyny), swoją toksycznością przewyższają arszenik (1 μg na litr). Inna grupa Afanotyksyny - są to toksyny powodujące uszkodzenia układu nerwowego. Cytotoksyny - uszkadzające komórki.
Toksyny sinicowe nie ulegają biodegradacji w środowisku - są oporne na pH, a więc odczyn kwasu żołądkowego. Są termostabilne i nie ulegają rozkładowi przy gotowaniu wody. Zalew Sulejowski - zbiornik zaopatrujący w wodę Łódź. Zbiornik Dobczyce.
Jak unieszkodliwiać - SUW w Sulejowie wprowadził ozonowanie wody i filtrację przez węgiel aktywny.
Nanocząstki
Nanocząstki - cząstki o wymiarach poniżej 100 nm (mniejsze niż niektóre wirusy i bakterie).
Nanocząstki inżynierskie - cząstki produkowane przez człowieka:
Nanometale (Au, Ag, Fe)
Nanotlenki (TiO2, ZnO, ZrO2, CeO2 i inne)
Polimery
Surfaktanty (SPC)
Barwniki / pigmenty, fulereny, nanorurki węglowe
Zastosowanie:
Budownictwo
Lotnictwo
Przemysł samochodowy
Przemysł włókienniczy
Przemysł elektroniczny
Przemysł chemiczny
Właściwości nanocząstek:
Wysoki stosunek powierzchni do objętości
Duża reaktywność chemiczna
Tworzą agregaty (kumulują się w wodzie w postaci grudek i plam)
Bardzo szybko dyfundują do innych układów
Możliwość zmiany charakteru z hydrofobowego na hydrofilowy (tworzenie wodnych układów koloidalnych - np. w przypadku nanorurek węglowych)
Duża wytrzymałość mechaniczna
Nanocząsteczka |
Zastosowanie |
Występowanie w środowisku |
Ag |
Składnik antybakteryjny (środki czyszczące, farby, tekstylia, tworzywa, membrany filtracyjne)
|
Występowanie w środowisku: uwalnianie nanocząstek i Ag+
|
TiO2, ZnO |
Farby, cement, kosmetyki samochodowe, katalizatory, powłoki przeciw UV, baterie, membrany |
Uwalnianie TiO2 do ścieków i ze składowanych odpadów |
Nanorurki węglowe |
Elektronika, dodatek do opon i środków smarnych, adsorbenty zanieczyszczeń (m.in. z wody)
|
Emisja podczas składowania, uwalnianie z materiałów sorpcyjnych |
Pt |
Katalizatory
|
Emisja aerozoli
|
SiO2
|
Szkło, ceramika, elektronika, produkty farmaceutyczne |
Emisja aerozoli i uwalnianie do ścieków
|
Fe2O3
|
Dodatek do cementu |
Emisja do atmosfery |
Fe2O4 |
Adsorbent zanieczyszczeń |
Uwalnianie do ścieków
|
Kompozyty Fe/Ni, Fe / Co, Fe / Pd, SiO2 / TiO2
|
Usuwanie szkodliwych składników m.in. z wody |
Uwalnianie do ścieków
|
Al2O3
|
Baterie, środki przeciwogniowe, sorbenty
|
Uwalnianie do ścieków |
Działanie nanocząstek na organizmy
Osadzanie w układzie oddechowym
Penetracja przez skórę
Gromadzenie w reticulum endoplazma tycznym, lizosomach, aparacie Golgiego
Dysfunkcja organelli komórkowych wskutek powstawania wolnych rodników (uszkodzenia DNA, błon, białek)
Stymulacja wytwarzania związków genotoksycznych
Hamowanie oddychania komórkowego
Przechodzenie prze bariery ochronne np. krew / mózg
Przyspieszenie nerkozy i apoptozy komórek
Efekty toksyczne nanocząstek
Nanosrebro
Przenikanie przez skórę i przenoszenie przez układ krwionośny do organelli i jądra komórkowego
Stres oksydacyjny
Wiązanie w skrzelach - uszkodzenie wymiany jonowej
Hamowanie oddychania w mitochondriach
Zwiększenie nekrozy (martwica) i przyspieszenie apoptozy komórek
Kumulacja w mózgu i układzie nerwowym we krwii
TiO2
Stany zapalne komórek u ciężarnych samic
Zmiany w ekspresji genów rozwój centralnego układu nerwowego potomstwa
Obniżanie wagi ciała
Obniżenie ilości komórek Sertoliego (kontrolujących proces spermatogenezy)
Spadek żywotności komórek Leydiga (odpowiedzialnych za produkcję testosteronu w jądrach)
Kancerogen
Nanocząstki glinu
Wzrost apoptozy komórek
Nanocząstki molibdenu Mo3
Wzorst apoptozy i zahamowanie funkcji mitochondriom
Nanocząstki CoCr
Uszkodzenie DNA fibroblastów
Nanocząstki krzemu
Uszkodzenia komórek embrionów
Fulereny
Śmierć embrionów
Embriotoksyczność i tetrogenność
Kumulacja w macicy i mleku
Nanorurki krzemowe
Platformy dla leków
Reakcja Fentona?
Drogi rozprzestrzeniania się nanocząstek
Wiążą się z substancjami organicznymi w ściekach (i w wodach)
Hamują biologiczne oczyszczanie ścieków.
Hamują procesy beztlenowe w osadach, hamują produkcję metanu
Proces koagulacji glinem wody. Usuwane jest od 20% do 60% - 80% nanocząstek tlenów metali.
EPS obecne w biofilmach zwiększają depozycję nanocząstek.
Hamują filtrację wody przez membrany wskutek obrostów.
Ograniczenia wykorzystania nanotechnologii w oczyszczaniu wody
Konieczność zatrzymania nanocząstek w procesie uzdatniania wody
Stwierdzana szkodliwość nanocząstek dla człowieka i środowiska
Możliwość sorpcji nanocząstek na biofilmach s przewodach (EPS ograniczają ich toksyczny wpływ na bakterie biofilmu)
Brak walidowanych metod oznaczenia nanocząstek w wodach
Brak wystarczających ilości badań toksykologicznych do oceny ryzyka
Prawo Amara
Wykład 4 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 22.10.2014
Zapach wody i powiązania z mikroorganizmami
Źródła związków zapachowych w wodzie
Cykl rozwojowy organizmów (głównie cyjanobakterii i glonów)
Metabolity powstające podczas rozkładu biomasy
Składniki ścieków przemysłowych i produkty mikrobiologicznego ich rozkładu
Uboczne produkty dezynfekcji wody
Kierunki badań
Oznaczenia chemiczne związków odo ryzujących i określenie ich biosyntezy
…
Grupy związków zapachowych
Składniki terpenowe:
Limonen
Geosmina
2-Metyloizoborneol
1,8 Cineol
Mycren
Geraniol
Nerol
Gamma-Kadinen
Germakren
Kwasy:
Dodekanowy
Heksadekanowy
Tetradekanowy
Alkohole
Pentadekanol
Oktadekanol
Heksanol
Oktanol
Ketony:
2-dekanon
2-undekanon
Estry:
Benzoproponian etylu
Pentadekanon metylu
Ftalan di butylu
Węglowodory
Teradekan
Pentadekan
Oktadekan
Aldehydy:
Trans, trans 2,4-nonadieral
Związki siarki
Disulfid di metylu
…
Związki azotu
…
Podział według żywotności komórek na grupy:
Składniki syntetyzowane podczas wzrostu komórek i obecne wewnątrz komórek lub wydzielanie poza komórkę (terpeny i ich pochodne, produkty fermentacji, metabolity przemian)
Składniki wytwarzane po zniszczeniu komórek podczas zachowanej aktywności lipooksygenaz i oksygenaz karotenowych
Jakie rodzaju zapachy są produkowane przez glony i sinice?
Jaki jest poziom (zakres) zapachu? (stężenia)
Geosmina (GE)
Stężynia toksyczne - 16,6 mg /l
Poziom zapachu - 4 ng / l
MIB
Stężenie toksyczne - 66,9 mg /l
Poziom zapachu - 15 ng / l
Wpływ warunków środowiska na produkcję związków zapachowych
mg P / l 0,003 - 0,016
mg NNO3 / l 0,05
N:P - 10 - 20
Światło 1000 lx 5,9 g/l GE
40 dni hodowli Oscillatoria 338 g / l MIB
Biomasa często brak kolrelacji
Stymulacja wzrostu glonów geosmina stymuluje rozwój zielenic
Jakość wody pod względem zapachu zależy od jakości wody powierzchniowej. Należy kontrolować wzrost glonów i sinic w pobliżu ujęć wody, na złożach infiltracyjnych. Należy badać wnętrza przewodów ze złoża infiltracyjnego do SUW.
Wykład 5 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 29.10.2014
Bioaerozole
Składniki bioaerozoli:
wirusy
bakterie (promieniowce)
grzyby (mikroskopowe)
spory i konidia
endotoksyny bakteryjne
mykotoksyny
glukany
enzymy
fragmenty ścian komórkowych cząstek roślin i zwierząt
W fazie rozpraszającej, która stanowi powietrze mogą występować krople wody lub innych cieczy, pyły przemysłowe, pyły doglebowe, różnego rodzaju włókna itp. Wielkość cząstek pochodzenia biologicznego wynosi zazwyczaj poniżej 100 um.
Oddziaływanie:
Infekcje drobnoustrojami patogennymi
alergiczne
toksyczne (np. toksyny grzybowe)
mutagenne - patulina (Penicillum Patulum)
teratogenne (uszkodzenia płodów w czasie ciąży - potworkowatość) - toksyna T2 (Fuzarium Nirale)
kancerogenne
cytotoksyczne
hamujące aktywność enzymów
neurotoksyczne
nefrotoksyczne
immunologiczne
trawienie - emodyna
hepatoksyczne - sporidesmina
Efekty zdrowotne:
SBS - sick building syndrome
ODTS - organic dust toxic syndrome
CF-LS - chronic fatique-like syndrome
SWS - sewage workers syndrome
Efekty niszczenia materiałów:
Korozja metali, betonu
Niszczenie szkła, skóry, papieru, tkanin, drewna, syntetyków
Miejsce występowania zanieczyszczeń mikrobiologicznych:
Pomieszczenia mieszkalne i biurowe
Szpitale
Obiekty hodowli zwierząt i weteranyjne
Oczyszczalnie ścieków
Składowiska odpadów
Agrotechnika (elewatory, roszarnie lnu, punkty omłotu zbóż, paczkarnie nasion (ziół), stodoły
Zakłady obróbki powierzchniowej metali
Zakłady włókiennicze i garbarskie
Zakłady farmaceutyczne
Obiekty biotechnologiczne
Liczebność drobnoustrojów - przykłady
Ściany gipsowe zawilgocone - grzyby
Urządzenia wentylacyjne - grzyby, bakterie
Systemy chłodziw - ciecze emulsyjne, powietrze, grzyby
Czyszczenie lnu / omłoty zbóż - grzyby
Szpitale (dane z Niemiec)
Infekcje szpitalne
Ryzyko infekcji po operacji czystych (np. operacja tarczycy) sięga około 5%.
Po operacjach lekko zanieczyszczających powietrze (np. resekcja płuc) ryzyko sięga 11%.
Po operacjach zanieczyszczających powietrze (np. operacja jelit) ryzyko sięga 16%.
Po operacjach brudnych (np. perforacje jelit, wrzody) sięga 40%.
Eschericha Coli, drożdżaki…
…wewnątrz przewodów może osiągać 6000 jednostek tworzących kolonie na gram pyłu, a bakterii 5000 jednostek tworzących kolonie.
Woda stosowana w systemach klimatyzacji zawiera liczne mikroorganizmy w tym gronkowce i bakterie Legionella.
Liczba grzybów w pomieszczeniach nie powinna przekraczać 150 JTK / m3 (grzybów nieprodukujących toksyn). Liczba bakterii 300 - 500 JTK / m3.
Układ wentylacyjne powinien chodzić całą dobę, nie powinno być wyłączeń nocnych (nie powinno być przestojów) - filtry najlepiej żeby były zgrubne oraz dokładne (2). Powinny być często wymieniane.
Kanały powinny być czyszczone. Woda powinna być kontrolowana na zawartość mikroorganizmów. W przypadku stwierdzonych zanieczyszczeń (nawet na oko), należy osady usunąć mechanicznie, umyć przy udziale detergentów, wypłukać czystą wodą, wtedy można zastosować chlor do odkażenia urządzenia. Parowniki także nie zabezpieczają przed dostawaniem się do wentylacji.
Niszczenie materiałów
Mikrobiologiczne niszczenie materiałów użytkowych:
drewno, tapety papierowe;
tekstylia z włókien roślinnych (len, bawełna) i zwierzęcych (wełna, jedwab);
szkło, skóra (surowa, solona, garbowana);
kamienie naturalne (wapienie, piaskowce, marmur, granit);
materiały budowlane (cement-beton, płyty gipsowe, zaprawy murarskie);
materiały wykańczające (kleje farby);
materiały syntetyczne (polietylen, polipropylen, polistyren, poliuretany, poliamidy);
gumy naturalne i syntetyczne;
metale i ich stopy.
Najłatwiej rozkładalna jest hemiceluloza (oraz celuloza) - do prostych cukrów. Bardzo trudno rozkładalne są ligniny (jednostki fenylopropanu). Ligninę stosunkowo prosto rozkładają grzyby białej zgnilizny drewna (grzyby typu huby, opieńki, boczniaki). Grzyby te posiadają 3 różne grupy enzymów (w tym lakazy) w tym takie które działają w sposób zbliżony do reakcji wolnorodnikowych (reakcja Fentona) - produkują wodę utlenioną i wolne rodniki.
Mikrobiologiczne niszczenie kamieni budowlanych poprzez:
korozja w środowisku kwaśnym (kwasy tworzone z zanieczyszczeń atmosferycznych oraz działalności mikroorganizmów - siarkowy, azotanowy, szczawiowy, fumarowy, cytrynowy);
korozja w środowisku zasadowym (pH > 9);
zmiana porowatości, wskutek biofilmu tworzonego na powierzchni;
zmiany dyfuzji gazów (wywołana otoczkami bakterii i wytwarzanymi SPC), zmienne warunki tlenowości;
przebarwienia (chlorofil i inne pigmenty);
zwiększona adsorpcja zanieczyszczeń z powietrza, powstawanie nalotów i złogów;
migracja soli wgłąb kamieni.
Korozja betonu, która zachodzi wskutek reakcji kwasów lub ditlenku węgla z wodorowęglanem wapnia (wapno gaszone) i węglanem wapnia. Kwas i CO2 produkowane są przez mikroorganizmy.
CO2 + kwas mlekowy + H2O -> mleczan wapnia *H2O
Ca(OH)2 + 2CH3COOH ->
W obecności bakterii utleniających związki siarki powstaje gips:, który reaguje z minerałami zawierającymi glin i tworzy się etryngit (sól Candlota) . Sól ta zwiększa objętość 1,7 krotnie, wywołując tzw. korozję pęczniejącą. W konstrukcjach żelbetowych dodatkowo zachodzi korozja mikrobiologiczna stali.
Bakterie redukujące siarczany obecne w ściekach wydzielają siarkowodór. Na sklepieniu (w miejscach korozji) kanału żyją bakterie utleniające siarkowodór do kwasu siarkowego (z użyciem ditlenku węgla).
Tworzywa oporne na działanie mikroorganizmów
Folia polietylenowa - 42 dni UV + grzyby fuzarium (10 lat) - ubytek polietylenu o 8%
Polistyren + UV + 5% ketonu winylowego - ubytek o 1%
Polietylen, polistyren w glebie - 32 lata - niewielki ubytek polietylenu
Poliamidy (nylony) są łatwo rozkładalne przez mikroorganizmy (bakterie i grzyby) np. nylon6 lub nylon 11. Związki te zawierają grupy aminowe i są stosowane do wyrobu ubrań i odzieży sportowej, dywanów, skóry sztucznej.
Poliuretany są szeroko stosowane do wyrobu pianek, gum, skóry syntetycznej, farb i włókien.
Wielu autorów stwierdziło, że poliuretany (PU) typu poliestrów sa rozkładane przez grzyby z większą efektywnością aniżeli typu polieterów. Wprowadzenie takich elementów polepsza biodegradację.
Aby polepszyć rozkładalność syntetyków wprowadza się skrobię w łańcuch (do 20%), co polepsza rozkładalność, ponieważ bakterie i grzyby atakują miejsce, w którym znajduje się skrobia.
Guma naturalna łatwo ulega rozkładowi, ponieważ ulega i chłonie wodę. Guma wulkanizowana także ulega biodegradacji, ale łatwiej aniżeli naturalna. Do wzmocnienia gumy stosuje się dodatki (takie jakie butan i silikony).
Wilgotność względną, przy której zachodzi rozwój mikroorganizmów na materiałach:
Drewno - 65%
Tapety - 56%
Szkło - 75-90%
Tekstylia > 65% (24% wzrost grzybów)
Zaprawa murarska z farbą emulsyjną 5 - 9%
Przy 0,5% wilgotności bakterie mnożą się na filtrach powietrza w klimatyzacji.
Biocydów nie powinno dawkować się do benzyny. Można je dodawać do paliwa lotniczego lub do paliwa dla okrętów wojennych.
Wykład 6 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 05.11.2014
Korozja mikrobiologiczna jest odmianą korozji elektrochemicznej metali
Wodorotlenek żelaza (II) rozpuszcza się w wodzie. Wodorotlenek żelaza (III) nie rozpuszcza się w wodzie.
Najczęściej do korozji dochodzi tam gdzie tworzą się biofilny.
Grupy drobnoustrojów biorące udział w procesie korozji:
redukujące siarczany - produkują siarkowodór - siarkowodór jest słabym kwasem rozpuszczającym metale
utleniające żelazo / mangan - np. żelazo (II) do żelaza (III)
redukujące żelazo / mangan
wytwarzające kwasy - fermentacje, nadmiar kwasów - np. cyklu Krebsa (przemiana jednych kwasów w drugie), utlenianie związków siarki
Przy korozji elektrochemicznej, przy obecności tlenu następuje depolaryzacja tlenowa, co daje produkt korozji w postaci strontu. Produkt korozji tworzy warstwę pasywacyjną (produkty korozji chronią powierzchnię metalu przed dalszą korozją).
W warunkach beztlenowych zachodzi depolaryzacja wodorowa - tworzą się siarczki, które pasywują powierzchnię.
W przypadku korozji mikrobiologicznej nie zachodzi pasywacja - korozja zachodzi cały czas. Bakterie utleniają żelazo (II) do żelaza (III).
Korozja mikrobiologiczna są przyczyną niszczenia zbiorników paliwa.
Mechanizmy mikrobiologicznie indukowanej korozji (MIC)
Zróżnicowanie obszarów natlenienia w układzie woda-biofilm-metal (ogniwo tlenowe)
Współzależności pomiędzy grupami bakterii w konsorcjum
Inaktywacja (niszczenie) inhibitorów korozji
Korozja mikrobiologiczna - w zbiornikach i w przewodach. Bakterie uodparniają się na działanie inhibitorów, przez co inhibitory staja się dodatkowym źródłem „pożywienia”
Metody badań korozji:
badania ilościowe ubytku metalu (g/cm2/d, mm/r);
badania mikrobiologiczne ilościowe i jakościowe, badania molekularne;
badania fizyczne:
EDS (energy dispersive spectroscopy) - sprzężony z mikroskopem skaningowym ;
XRD (x-ray diffraction).
Inaktywacja (niszczenie) inhibitorów korozji:
Biodegradacja biocydów rozpuszczonych w wodzie;
Nitryfikacja azotynów (azotyny do azotanów);
Rozwój bakterii na stopach np. Ni i Zn.
Metody hamowania korozji
1) Interakcje biochemiczne (usuwanie czynników korozji)
Denitryfikatory konkurują o substraty (LKT) z bakteriami redukującymi siarczany. Azotyny hamują rozwój BRZ, ponieważ hamują reduktazę siarczynową (redukcja siarczynu do H2S i siarczków). Inne, które utleniają…
2) Tworzenie warstwy ochronnej - warstwa EPS tworzy barierę i wiąże metale (w tej warstwie zachodzą rożnego rodzaju procesy)
3) Wytwarzanie związków hamujących proces - produkcja antybiotyków lub inhibitorów jak poliglutaminian (B. licheniformis)
4) produkcja biosurfaktantów - biosurfaktanty tworzą barierę, obniżają zawartość tlenu
5) bakteriofagi - bakteriofagi (wirusy bakterii) niszczą komórki bakterii.
Korozja mikrobiologiczna pojawia się wszędzie tam gdzie są metal, woda i tlen.
Przy przekroczeniu czasu zatrzymania osadu następuje faza endogennej respiracji (oddychanie wewnątrzkomórkowe) - bakterie zużywają wszystkie zapasy z komórek (kolejno: węglowodany, tłuszcze, białka) i następuje śmierć (rozkład komórki). Spada ilość osadu czynnego i pojawia się duża ilość wrotek (najwięcej), nicieni. Efekt oczyszczania spada.
Czynniki wpływające na osad czynny:
czas zatrzymania - niedopuszczenie do wyczerpania węgla i endogennej respiracji;
zbiornik wyrównujący (zbiornik uśredniający) ścieki;
obciążenie osadu ładunkiem zanieczyszczeń (mg BZT5 / ChZT/mg s.m. osadu∙doba);
indeks objętościowy (ml/g - objętość jaką zajmuje gram osadu czynnego).
Wykrywa się od 2 do 20% bakterii obecnych w osadzie czynnym. Można też używać sond.
Procesy biochemiczne zachodzące w procesach rozkładu ścieków:
W warunkach tlenowych:
Białka (CHNOS(P)) - bakterie wytwarzają zewnątrz komórkowe enzymy (proteazy), ścinające białka do polipeptydów, peptydów (min. 3 aminokwasy), a następnie aminokwasów.
Bakterie patogenne
Zawartość bakterii patogennych
Rodzaj / gatunek |
Zawartość komórek na gram fekalia (dawka infekcyjna) |
Przeżywalność w formie wirulentnej 20-30 °C (miesiące) |
Enterowirusy |
10^7 |
3 |
Wirus Hepatitis A |
10^6 |
3 |
Salmonella typhi |
10^8 |
2,4 |
Salmonella spp |
10^8 |
3 |
Vibro Cholerae |
10^7 |
1 |
Escherichia coli |
10^8 |
3 |
Campylobacter jejuni |
10^7 |
0,3 |
Giardia labla (nicień) |
10^5 |
0,8 |
Entamoeba histolyca (ameba) |
10^5 |
0,8 |
Ancytostoma dudenale |
10^2 |
3 |
Trichuris trichura |
10^3 |
9 |
Taenia saginata |
10^4 |
9 |
Atcaris lumbricoides |
10^4 |
12 |
Te patogeny przechodzą przez oczyszczalnie ścieków - może być zatrzymane ok. 2%. Mogą trafić do osadów fermentowanych.