1. ZASADA TESTU BIODEGRADACJI

Badania biodegradacji polegają na ocenie podatności na biochemiczny rozkład związków org. wchodzących w skład ścieków lub do certyfikacji pojedynczych zw. chemicznych. Zasadą testów jest wprowadzenie badanego związku lub związków do podłoża mineralnego jako jedynych źródeł węgla i energii. Czas badań w zależności od testu przeprowadza się od 5 – 28 dni. Jako zaszczepienie próbek stosuje się mikroorganizmy pobrane ze ścieków po mechanicznym oczyszczaniu lub osad czynny. Ilość mikroorganizmów powinna wynosić 10⁶ jtk/ml (jednostki tworzące kolonie) lub 30 mg s.m.o.cz/l. Spadek zawartości zw. org. Ocenia się na podstawie spadku BZT, ChZT, RBO (rozpuszczony węgiel organiczny).

Biodegradacja zachodzi:

>70 % substancja łatworozkładalna

50-70% substancja rozkładalna

<50% substancja trudnorozkładalna

Do 20% oporna na rozkład w warunkach testu

1. KRYTERIA TOKSYCZNOŚĆI ŚCIEKÓW wg. EPA, CNC i CCC

2. OCENA RYZYKA wg. WARTOŚCI PEC/PNEC

$$WSPOLCZYNNIK\ RYZYKA = \frac{\text{PEC}}{\text{PNEC}}$$

gdzie:

PEC – (predicted environmental concentration), przewiduje stężenie w środowisku,

PNEC – (predicted environmental no effect conctration), przewiduje stężenie, które nie wywołuje efektów w środowisku.

jeżeli:

$$\frac{\text{PEC}}{\text{PNEC}} < 1\ \rightarrow niewielkie\ ryzyko\ lub\ go\ nie\ ma$$

$$\frac{\text{PEC}}{\text{PNEC}} > 1\ \rightarrow ryzyko\ duze\ dla\ srodowiska$$

1. PODZIAŁ MIKROORGANIZMÓW ZE WZGLĘDU NA ŹRÓDŁA WĘGLA I ENERGII

	AUTOTROFY (CO2)	HETEROTROFY (zw. organiczne)
rośliny:	FOTOAUTOTROFY (źródło energii – światło)	FOTOHETEROTROFY (źródło energii – światło)
bakterie:	CHEMOAUTOTROFY NH^3NO3^− H2H2O COCO2 Fe(II)Fe(III) H2SSO4^2− – samożywne, zdolne do wytwarzania materii organicznej z subst. nieorganicznych, – organizmy te czerpią energię w procesie utleniania zw. nieorganicznych.	CHEMOHETEROTROFY zw. orgzw. posrednie (oddychanie)O2 zw. orgzw. posrednie (fermentacja) redukcja zw. nieorganicznych w procesie oddychania. do wytwarzania energii wykorzystują procesy: – denitryfikacja: NO3^− → N2 ∖ n– redukcja siarczanów: SO4^2− → H2S – redukcja węglanów: CO3^2− → CH4

1. PODAĆ PRODUKTY TLENNOWEGO ROZKŁADU BIAŁEK, WĘGLI I TŁUSZCZY

Rozkład białek: białka rozkładają się na PP, P, An – to do NH₃ na drodze amonifikacji a NH₃ do NO₃ na drodze nitryfikacji. An rozkładają się również do SO₄ i CO₂,

Rozkład węglowodanów: węglowodany rozkładają się na cukry proste, wodę i dwutlenek węgla

Rozkład tłuszczy: tłuszcze rozkładają się na wyższe kwasy tłuszczowe, glicerol, wodę i dwutlenek węgla

1. PODAĆ PRODUKTY BEZTLENNOWEGO ROZKŁADU BIAŁEK, WĘGLI I TŁUSZCZY

2. FAZY ROZWOJU BIOCENOZY OSADU CZYNNEGO

Faza I: Pierwszy okres wzrostu biomasy. Wzrost liczebności bakterii, warunki tlenowe, substancje organiczne służą jako pokarm dla bakterii. Wiciowce i zarodziowce (pierwotniaki) konkurują z bakteriami.

Faza II: Pojawiają się orzęski i rozpoczynają odżywianie się bakteriami. Pod wpływem napowietrzania bakterie wydzielają substancje śluzowe. Rozpoczyna się zlepianie. Bakterie wytwarzają otoczki. Jeżeli spotykają się dwie takie to tworzą się kłaczki. Wielkość kłaczka zwiększa się, bakterie znajdują się w środku.

FAZA III: Na kłaczkach osiadają orzęski osiadłe i odżywiają się drobną zawiesiną koloidalną. Proces kłaczkowania bardzo szybki. Jeżeli ścieki są „dobre” to po kilku godzinach można już obserwować powstałe kłaczki. Tworzą się produkty końcowe rozkładu.

FAZA IV: Wtórna dyspersja (faza głodu, utlenianie wewnątrzkomórkowe). Brak pokarmu, bakterie oddychają rezerwami a następnie obumierają. Osad czynny zanika w komorze napowietrzania. Gwałtownie rozwijają się robaki należące do grupy wrotków.

1. ZASAD DZIAŁANIA OCZYSZCZALNI GRUNTOWO-KORZENIOWEJ

• Są to złoża wypełnione żwirem i gruboziarnistym piaskiem z dodatkiem gleby, w którym to złożu nasadzone rośliny (najczęściej rośliny wodne).

• Przepływ ścieków przez złoże może być pionowy, poziomy lub mieszany.

• Mikroorganizmy zasiedlają strefę korzeniową roślin i prowadzą proces rozkładu ścieków, głównie w warunkach tlenowych. Należy zaznaczyć, że w złożu mogą wystąpić warunki beztlenowe.

• Tlen dostaje się do złoża w wyniku dyfuzji oraz z korzeni powietrznych zasadzonych roślin. W zależności od gatunku rośliny, korzenie mogą wydzielać do ryzosfery od 100-400 mgO₂/m²·h. (Ryzosfera, strefa korzeniowa – strefa pierwotnego oddziaływania korzeni w glebie o zasięgu zmiennym w czasie i przestrzeni).

• Jako rośliny stosuje się: trzcinę, pałkę wodną, mannę. (Manna, gatunek rośliny należący do rodziny wiechlinowatych. Nazywana jest też manną wodną, manną dużą, manną wielką. Gatunek rodzimy pospolity)

• Trzcina jest najczęściej używaną rośliną w tego typu oczyszczalniach. Łodyga dochodzi do 5m, kłącze 1m w głąb podłoża. Kłącze żyje do 6 lat, w tempie 1m/rok. Bardzo dobrze znosi sezonowe wahania wody.

• Problemy z tymi oczyszczalniami: zeschnięte liście mogą kolmatować w złoże. Kolmatacja (ang. colmatage) – osadzanie się w przestrzeni porowej ośrodka porowatego drobnych cząstek stałych unoszonych przez przepływający płyn.

Rys. 2 Schemat ideowy oczyszczalni ścieków.

Charakterystyka ścieków odpływających z oczyszczalni korzeniowej, system prof. Kichutka:

BZT: 5-8 mgO₂/dm³

Zawiesiny: 15-22 mg/dm³

ChZT: 60 mgO₂/dm³

P_og: 4-0,2 mgP/dm³

N_og: 36-11 mgN/dm³

1. OPISZ DZIAŁANIE OCZYSZCZALNI „CHIŃSKIEJ”

Oczyszczalnia „chińska” jest imitacją łańcucha pokarmowego. W skład takiej oczyszczalni wchodzą:

– zbiornik wyrównawczy,

– komora beztlenowa (spadek BZT),

– tlenowe złoże biologiczne,

– zbiornik fitoplanktonu (glony z gatunku Ankistrodesnus, scenesmus, chlorella)

– zbiornik zooplanktonu (pierwotniaki, wrotki, daphia),

– staw z hodowlą ryb i roślin tropikalnych i szwedzkich,

– rurociągi i hodowla krzewów i drzew,

– staw do hodowli ryb,

1. FAZY FERMENTACJI METANOWEJ

1. Hydroliza – w tym etapie zachodzi rozkład polimerycznych związków organicznych nierozpuszczalnych w wodzie do związków prostszych, rozpuszczalnych w wodzie. Rozkład zachodzi pod wpływem enzymów zewnątrz komórkowych takich jak: celulazy, amylazy, proteinazy i lipazy.

Produkty hydrolizy:

• białka proste →(H2O i enzymy) → aminokwasy

• węglowodany →(H2O i enzymy) → cukry proste

• lipidy →(H2O i enzymy) → wyższe kwasy tłuszczowe

1. Acidogeneza (kwasotwórcza) – aminokwasy, cukry proste, wyższe kwasy tłuszczowe ulegają fermentacji przez bakterie beztlenowe i powstają metabolity pośrednie (kwasy: propianowy, maślan, mrówcza itp.)

2. Acenogeneza (octanogeneza) – przemiana kwasów organicznych, alkoholi, aldehydów w kwas octowy. W tym procesie powstaje również CO₂ i H₂O.

3. Metanogeneza – wytwarzanie metanu, przeprowadzana przez bakterie.

Produkty hydrolizy:

• Metan może powstawać w wyniku procesu oddychania beztlenowego (z tego procesu powstaje 70% metanu).

• Przez bakterie metanogenne autotroficzne, które energię uzyskują z utleniania wodoru i redukują CO₂ do metanu. Jest to autotroficzny proces tworzenia metanu (z tego procesu powstaje 30% metanu)

1. ZASAD PROCESU KOMPOSTOWANIA

Kompostowanie – tradycyjny mikrobiologiczny proces przeróbki, unieszkodliwiania odpadów organicznych, zachodzący w warunkach tlenowych prowadzący do częściowej mineralizacji i humifikacji materii organicznej. Proces kompostowania prowadzi się w pryzmach, stosach napowietrzanych, reaktorach.

Proces kompostowania przebiega w 3 fazach:

Faza I: samoczynny wzrost temperatury do ok 70°C; jej czas trwania wynosi 10÷14 dni, w tym czasie następuje rozwój biomasy (szczególnie bakterii termofilnych); substancje białkowe, węglowodany, tłuszcze, kwasy org. Ulegają utlenieniu; wysoka temp. powoduje niszczenie jaj robaków, poczwarek owadów i przeważającej części bakterii grupy Coli.

Faza II: charakteryzuje się zróżnicowanym czasem trwania (7÷20 dni) w zależności od zastosowania metody kompostowania:

• temp. w granicach 40-60°C,

• postępujące procesy mineralizacji i humifikacji nadają materiałowi kompostowemu cechy próchnicy,

• kompost przestaje być szkodliwy dla otoczenia, ponieważ organizmy chorobotwórcze oraz ich formy przetrwalnikowe zostają zniszczone,

• na skutek rozwoju grzybów rozpoczyna się mineralizacja zw. trudno rozkładalnych.

Faza III: powolny spadek temperatury złoża kompostowego do temperatury otoczenia. Jest to czas tzw. dojrzewania kompostu (10÷30 dni), w 3 fazie następuje:

bakterie termofilowe zastępowane są przez mezofilowe,

w masie kompostowej pojawiają się azotany

osiągnięcie stosunku C:N do minimum 16:1 i C:P do 100:1 jest miernikiem zakończenia procesu.

1. BIOLOGICZNE CZYSZCZENIE WODY (FILTRY POWOLNE I WĘGLOWE)

2. CHARAKTERYSTYKA BIOFILMU ROZWIJAJĄCEGO SIĘ W PRZEWODACH

Biofilm jest to heterogenna, śluzowata materia złożona z mikroorganizmów, polimerów (EPS – egzopolisacharydy) i innych substancji chemicznych, w tym niewielkich cząstek. Zawiera więcej niż 90% wody a jego właściwości zależą od czynników biologicznych, chemicznych i fizycznych (hydrodynamiki i warunków cieplnych). Biofilm ma grubość od 1 mikrometra do 1mm, zawiera od 10⁷÷10⁹/cm².

EPS stanowią więcej niż 50% ogólnej zawartości zw. organicznych błony.

Biofilm występuje w wymiennikach ciepła, węzłach chłodniczych, zaworach, przewodach, powierzchniach kadłubów statków.

Struktura biofilmu: Materiał biologiczny tworzy grudki zawierające komórki i wydzielane polimery, a pory i kanały wypełnia ciecz zajmująca wolne przestrzenie pomiędzy grudkami. Każda grudka zawiera warstwy z różnych mikroorganizmów. W starszych biofilmach, biopolimery tworzą mostki pomiędzy grudkami i zwiększają gęstość biomasy oraz stabilizują adhezję komórek. Transport substratów do powierzchni biofilmu to procesy dyfuzji molekularnej.

1. CZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA FORMOWANIE BIOFILMU W SIECI WODOCIĄGOWEJ

– skład i szorstkość materiału tworzącego powierzchnię,

– skład cieczy (biologiczny i chemiczny)

– odczyn,

– temperatura,

– siła jonowa,

Ubocznym czynnikiem jest hydrodynamika cieczy, a więc:

Szybkość przepływu wody, przy dużym zapotrzebowaniu na wodę powoduje duży dopływ nutrientów (nutrienty, biopierwiastki, pierwiastki biogenne, bioelementy, pierwiastki niezbędne do życia, wykorzystywane do budowy struktury organizmów lub w procesach metabolicznych; dzielą się na mikroelementy i makroelementy), większy dopływ dezynfektantów i ścieranie biofilmu z powierzchni. Odwrotny przepływ wody z obszarów o niskim zapotrzebowaniu do obszarów o wyższym, ścina biofilm i zwiększa ilość bakterioplanktonu w wodzie. Niezależnie od przepływu wody w przewodach zawsze występuje biofilm.

1. PRZENOSZENIE CECHY LEKOOPORNOŚCI + LEKOOPORNOŚĆ

Cecha lekooporności jest przekazywana z komórek opornych na wrażliwe działanie w obrębie nie tylko tego samego gatunku, ale także pomiędzy bakteriami należącymi do różnych rodzajów (na drodze tzw. transferu horyzontalnego).

Mechanizmy przekazywania lekooporności:

– koniugacja, polegająca na przenoszeniu plazmidów R (R – resistance), bądź fragmentu chromosomu dawcy na wrażliwego biorcę,

– transdukcja, podczas której materiał genetyczny przenoszony jest przez łagodnego bakteriofaga,

– transformacja, jest to pobieranie materiału genetycznego (DNA) uwalnianego poprzez analizę komórek opornych na leki przez komórki wrażliwe.

Podstawowym źródłem bakterii lekoopornych są ścieki szpitalne i ścieki z hodowli zwierząt.

Lekooporność drobnoustrojów pojawia się m.in. w:

– wytwarzanie enzymów unieczynniających antybiotyk lub modyfikujących jego budowę,

– modyfikacja miejsc docelowych leków,

– zmianach w budowie błony zewnętrznej hamujących transport antybiotyku do komórki,

– wytwarzanie substancji wiążących leki,

– aktywnym usuwaniu chemioterapeutyku z komórki.

1. NA CZYM POLEGA OBNIŻENIE WRAŻLIWOŚCI BAKT. LEKOOPORNYCH NA DEZYNFEKCJĘ

Obniżona wrażliwość na dezynfekcję zachodzi poprzez:

1. Ograniczenie dyfuzji związków hydrofilowych.

• obecność LPS w ścianie komórkowej (LPS – lipopolisacharyd)

• produkcja peptydoglikanu, kwasów motylkowych, peptydów, orabinogolaktanów,

• wytwarzanie otoczek o zmienionym składzie (więcej fosfolipidów i białek, aniżeli cukrów)

• charakter hydrofobowy wyżej wymienionych produktów

1. Obecność enzymów rozkładających niektóre utleniacze np. katalazy w stosunku do H₂O₂.

2. Zwiększenie stężenia zredukowanego glutationu (zmiatacza wolnych rodników, antyutleniacza)

3. Tworzenie biofilmów zawierających egzopolimery (biofilmy stanowią 95% biomasy występującej w przewodach wodociągowych)

• obniżenie szybkości wzrostu mikroorganizmów i zmniejszenie wymiarów komórek

1. Obecność bakterii w ciałach innych organizmów (legionella, mycobacterium w ciałach pierwotniaków)

2. Obecność pozostałości leków w wodzie powierzchniowej i ujmowanej do uzdatniania)

1. ŹRÓDŁA I RODZAJE ZWIĄZKÓW ZAPACHOWYCH W WODZIE PITNEJ

Źródła zw. zapachowych w wodzie:

– cykl rozwojowy organizmów (głównie cyjanobakterii i glonów)

– metabolity powstające podczas rozkładu biomasy,

– składniki ścieków przemysłowych i produkty ich mikrobiologicznego rozkładu

– uboczne produkty dezynfekcji wody,

Grupy związków zapachowych:

• Składniki terpenowe: zimonen, 1,8 Cineol, Myrcen, Geraniol, Nerd, Geosmina, Germakren

• Inne lotne związki: kwasy (pochodne węglowodorów), alkohole, ketony, estry, węglowodory, aldehydy, związki siarki i azotu.

1. SKŁADNIKI BIOAEROZOLU

Bioaerozole są to różnej wielkości związki i organizmy. W skład bioaerozoli wchodzą:

– wirusy, bakterie (promieniowce) i grzyby,

– spory i konidia,

– endotoksyny bakteryjne,

– mykotoksyny (toksyny grzybiczne),

– glukany,

– enzymy,

– fragmenty ścian komórkowych oraz cząstek roślin i zwierząt.

1. NEGATYWNA ROLA BAKTERII W TECHNICE

Uzdatnianie wody do picia i na potrzeby gospodarcze (dezynfekcja):

– lekooporność (chorobotwórczość),

– legionella,

– toksyny sinicowe,

– „obrosty” w sieci wodociągowej

Układy wentylacyjno – klimatyzacyjne budynków:

– jakość powietrza atmosferycznego,

– zasiedlanie filtrów i kanałów wentylacyjnych drobnoustrojami,

– rozwój bakterii i grzybów w zbiornikach wody (klimatyzacja)

– powietrze wewnątrz pomieszczeń,

Materiały:

– korozja metali, betonu,

– niszczenie szkła, gumy, skóry, farb, papieru, syntetyki,

– rozkład paliw i cieczy eksploatacyjnych (chłodziwa, ciecze hydrauliczne).

1. KOROZJA MIKROBIOLOGICZNA

Korozja materiałów budowlanych

Korozja metalu z zachodzi wskutek reakcji kwasów lub CO₂ z Ca(OH)₂ i CaCO₃, w których powstają sole rozpuszczone w wodzie. Kwasy i CO₂ produkowane są przez mikroorganizmy.

Ca(OH)₂ + 2C₂H₄(OH)COOH +3H₂O -> Ca[C₂H₄(OH)COO]₂ x 5H₂O

Ca(OH)₂ + 2CH₃COOH -> Ca(CH₃COO)2H₂O + H₂O

Ca(OH)₂ + 2CO₂ -> Ca(HCO₃)₂

CaCO₃ + CO₂ + H₂O -> Ca(HCO₃)₂

W obecności bakterii utleniających związki siarki, powstaje gips,

H₂S + 2O₂ -> H₂SO₄

Ca(OH)₂ + H₂SO₄ -> CaSO₄ x 2H₂O

Który w betonie reaguje z minerałami zawierającymi glin i tworzy się etryngit sól Candlota 3CaO x Al₂O₃ x 3CaSO₄ x 32H₂O. Sól ta zwiększa objętość 1,7 krotnie wywołując tzw. korozję pęczniejącą. W konstrukcjach żelbetowych dodatkowo zachodzi korozja mikrobiologiczna stali.

Spośród tworzyw sztucznych oporność na biodegradację wykazuje polietylen i polistyren. Najłatwiej rozkładalne są poliamidy (nylon) np.

Polietylen + 42 dni UV+ Fusarium w okresie 10 lat- 8% ubytek

Polistyren+ UV+ 5% ketonu winylowego w okresie 2 miesięcy- 1%

Polietylen, polistyren w glebie w okresie 32 lat- niewielki polietylenu

Obecnie do polimerów z tworzyw sztucznych dodaje się elementów łatwo rozkładalnych np. skrobi po to by bakterie rozcinały materiał w miejscu łatwo rozkładalnego cukru (skrobi)

Poliamidy (nylony) są łatwo rozkładalne przez bakterie i grzyby np. nylon G-NH(CH₂)₅ CO lub nylon11-NH(CH)₁₀CO. Związki te zawierają grupy aminowe i są stosowane do wyrobu ubrań i odzieży sportowej, dywanów, skóry sztucznej. Jako przykład można podać kaprolaktam, który ulega biodegradacji przez bakterie rodzaju Pseudomonas oraz liczne grzyby. Poliuretany są szeroko stosowane do wyrobu pianek, gum, skóry syntetycznej, farbi włókien.

1. NISZCZENIE MATERIAŁÓW BUDOWLANYCH PRZEZ MIKROORGANIZMY

Mikrobiologiczne niszczenie materiałów budowlanych:

• Drewno, tapety papierowe

• Tekstylia z włókien roślinnych (len, bawełna) i zwierzęcych (wełna, jedwab)

• Szkło optyczne, skóra(surowa, solona, garbowana)

• Kamienie naturalne (wapienie, piaskowce, marmur, granit)

• Materiały budowlana (cement, beton, płyty gipsowe, zaprawy murarski)

• Materiały wykańczające (kleje, farby)

• Materiały syntetyczne (polietylen, polipropylen, polistyren, poliuretany, poliamidy, alkohol poliwinylowy)

• Gumy syntetyczne i naturalne

• Metale i ich stopy

Drewno składa się z celulozy, hemicelulozy i ligniny Najlepiej rozkładalna jest hemiceluloza (do glukozy), celuloza także, oporna na rozkład mikrobiologiczny jest lignina. Tworzą ją jednostki fenylopropanu, niepodatne n biodegradację. Często trzeba ligninę najpierw zakwasić , doprowadzić do obojętnego pH. To co powstanie jest rozkładalne.

Wilgotność względna przy której zachodzi rozwój mikroorganizmów na materiałach:

Dewno > 65%

Tapety – 56%

Szkło- 75-90%

Tekstylia >65% (25% wzrost grzybów)

Np. na filtrach z urządzeń wentylacyjnych zaobserwowano wzrost mikroorganizmów przy wilgotności 1% i poniżej. Rozwój mikroorganizmów może zachodzić nawet przy niskiej wilgotności.

Skóra zarówno naturalna jak i solona oraz garbowana (chromem i taminami) ulega biodegradacji.

Mikrobiologiczne niszczenie kamieni budowlanych

• Korozja w środowisku kwaśnym (kwasy tworzone z zanieczyszczeń atmosferycznych oraz działalności mikroorganizmów- siarkowy, azotowy, szczawiowy, cytrynowy)

• Korozja w środowisku zasadowym pH > 9

• Zmiana porowatości wskutek biofilmu tworzonego na powierzchni

• Zmiany dyfuzji gazów (wywołane otoczkami bakterii i wytworzonymi SPC, zmienne warunki tlenowe)

• Przebarwienia (chlorofil i inne pigmenty)

• Zwiększona adsorpcja zanieczyszczeń z powietrza, powstawanie nalotów i złogów

• Migracje soli wgłąb kamieni