Podstawy biologiczne – zaliczenie 2014

1. Podział mikroorganizmów ze względu na źródła pozyskiwania węgla i energii (Asia)

Mikroorganizmy dzielimy na autotrofy(bakterie samożywne) i heterotrofy(bakterie cudzożywne).

AUTOTROFY:

źródło węgla: utlenione związki węgla(zw nieorganicznych) np. CO2, węglany źródło energii: światło (fotosynteza bakterii, fotosynteza roślin i glonów)

Utlenienie związków nieorganicznych: np. Fe(II)Fe(III)

H2SH2SO4

Nitryfikacja: NH4HNO4HNO3

COCO2

H2H2O

HETEROTROFY:

źródło węgla: związki organiczne np. cukry, kwasy tłuszczowe, alkohole 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

1. Podaj końcowe produkty utleniania białek, węglowodanów i tłuszczy. (Aga)

PO₄^3-

• Białka -> polipeptydy (PP) -> peptydy (P) -> aminokwasy (An) -> NH₃ NO₃

• Węglowodany -> dwucukry -> cukry proste CO₂ ,H₂O, PO₄^3-

• Tłuszcze -> wyższe kwasy tłuszczowe ( glicerol) CO₂ ,H₂O, PO₄^3-

3. Wymień urządzenia w których zachodzi proces biologicznego oczyszczania wody (Ola)

Proces biologicznego oczyszczania wody zachodzi na:

• Filtrach węglowych (GWA – granulowany węgiel aktywny)

• Filtrach piaskowych powolnych

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).

4. Podaj cechy GWA 

GWA (granulowany węgiel aktywny)- na powierzchni GWA także tworzy się błona biologiczna złożona z organizmów jw., przy czym filtry te działają jako sorbent chemiczny. 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. Występowanie żelaza i manganu w wodzie sprzyja rozwojowi mikroorganizmów utleniających te pierwiastki, auto- i hetero- i miksotrofów. Efekt biodegradacji związków organicznych zależy nie tylko od zawartości tlenu ale i od temperatury, czasu kontaktu.
Są jeszcze określone wskaźniki które określają efektywność ale chyba w tym pytaniu są zbędne?

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

Usuwanie zanieczyszczeń organicznych na GWA ma zabezpieczać przed rozwojem mikroorganizmów w sieci wodociągowej. Jednocześnie wykazano, że pył węglowy z GWA chroni mikroorganizmy przed działaniem środków dezynfekcyjnych.

5. Podaj fazy rozwoju biofilmu i opisz jego strukturę. (Ola)

Fazy rozwoju biofilmu:

- tworzenie chemofilmu (z piasku i gliny) – cienka warstwa, złożona z cząstek organicznych i nieorganicznych gromadzących się na powierzchni poprzez adhezję

- transport mikroorganizmów na powierzchnię ich przyczepienie i wzrost

-transport substratów do wnętrza biofilmu, ich zużycie przez mikroorganizmy zasiedlające aktywną część błony

-transfer produktów reakcji z biofilmu do cieczy

-odrywanie się części biofilmu w skutek obumierania, migracji, ścierania

- tworzenie się grudek materiału biologicznego, zawierającego komórki i wydzielającego polimery

- zapełnianie porów kanałów przez ciecz zajmującą wolne przestrzenie między grudkami.

Struktura fizyczna błony zmienia się w czasie. W starszych błonach biopolimery tworzą mostki pomiędzy grupkami i zwiększają gęstość biomasy, stabilizują adhezję komórek. Głownym mechanizmem transportu substratów z cieczy do biofilmu są procesy dyfuzji molekularnej( w warunkach stagnacji lub przepływu laminarnego) lub dyfuzji wirowej ( w turbulentnych). Ubytki starej biomasy są uzupełniane nowymi komórkami.

Struktura biofilmu:

Biofilm może być jedno- lub wielowarstwowy, wytworzony przez jeden gatunek lub wiele gatunków mikroorganizmów. Architektura biofilmu uzależniona jest od wielu czynników, takich jak warunki hydrodynamiczne, zawartość substancji odżywczych, ruchliwość bakterii, komunikacja międzykomórkowa, zawartość egzopolisacharydów czy białek. Dojrzała postać biofilmu składa się z wielu mikrokolonii tworzących specyficzne zgrupowania.

Wyróżniamy trzy podstawowe typy budowy błon biologicznych tworzących biofilm – płaski (dwuwymiarowy),kolumnowy oraz tzw. model grzyba. 

Komórki mikroorganizmów w biofilmie połączone są ze sobą pozakomórkową substancją polimeryczną (EPS), której składniki pełnią ważne role w tworzeniu i funkcjonowaniu biofilmu. 

6. Na czym polega lekoodporność bakterii? (Pat)

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).

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

Mechanizmy przekazywania lekooporności:

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

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

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

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.

7. Na czym polega obniżona wrażliwość na dezynfekanty bakterii lekoodpornych? (Pat)

Obniżona wrażliwość na dezynfekcję zachodzi poprzez:

1. Ograniczenie dyfuzji związków hydrofilowych.

• obecność LPS w ścianie komórkowej (LPS – lipopolisacharydy)

• produkcja peptydoglikanu, kwasów motylkowych, peptydów, arabinogolaktanów

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

• charakter hydrofobowy (odpychają cząsteczki wody) 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)

8. Wymień przyczyny powstawania zapachu w wodzie. Podaj związki chemiczne powodujące zapach. (Blaszka)

Taki tam cytacik na wstępie z czyichś notatek: 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. Ok, to teraz konkrety.

PRZYCZYNY (z opracowań i notatek)

Wyróżniamy następujące źródła związków zapachowych w wodzie:

- cykl rozwojowy organizmów (głównie cyjanobakterii i glonów);

- metabolity powstające podczas rozkładu biomasy;

- składniki ścieków przemysłowych i produkty ich mikrobiologicznego rozkładu;

- robocze produkty dezynfekcji wody (np. dwutlenkiem chloru)

ZWIĄZKI CHEMICZNE POWODUJĄCE ZAPACH (materiał z wykładu)

Tabelka od prowadzącej.

9. Rodzaje zapachów, podaj poziom stężeń powodujących zmianę zapachu. (Blaszka)

RODZAJE ZAPACHÓW (z opracowań i notatek)

Grupy związków zapachowych:

• Składniki terpenowe: Zimonen, 1,8 Cineol, Myrcen, Geraniol, Nerol, Geosmina, Germakren, γ-kadinen, 2-metyloizoborneol;

• Inne lotne związki: kwasy (pochodne węglowodorów), alkohole, ketony, estry, węglowodory, aldehydy, związki siarki (disulfid dimetylu) i azotu (2-izopropyl, 3-metyloksypirazyna).

Dodatkowo rodzaje zapachów wymienione są w tabelce, którą za chwilę ujrzysz, Drogi Studencie. Pozdro!

POZIOMY STĘŻEŃ POWODUJĄCE ZMIANĘ ZAPACHU (materiał z wykładu)

Tabelka od prowadzącej: Metabolity glonów i stężenia progowe zapachów

10. Opisz zjawisko korozji mikrobiologicznej i jej przyczyny. (Asia)

Korozja mikrobiologiczna jest odmianą korozji elektrochemicznej metali.
Jeśli nastąpi z jakiś przyczyn uszkodzenie metalu to wokół niego tworzy się obszar wody gdzie jon Fe2+ w obecności tlenu tworzy się OH- (katoda?). Reakcja metalu z obszaru anody Fe2+ dalsze utlenienie do Fe3+(strąt). Tworzą się tlenki pełniące rolę elektrochemiczną.

Najczęściej do korozji dochodzi tam gdzie tworzą się biofilmy.

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 pasywacji (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.

Korozja mikrobiologiczna są przyczyną niszczenia zbiorników paliwa.

11. Opisz zjawisko korozji materiałów budowlanych na podstawie cementu (Gruszka)

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.

12. Podaj końcowe produkty beztlenowego rozkładu białek, węglowodanów i tłuszczy.

Z cukrów:

• kwasy organiczne ( mlekowy, octowy, masłowy, propionowy, mrówkowy)

• alkohole (etanol, metanol, propanol, butanol),

• ketony - aceton

• wodór i CO₂

Z białek:

• amoniak (NH₃ )

• siarkowodór (H₂S),

• dwutlenek węgla (CO₂)

Z tłuszczów:

• niższe kwasy tłuszczowe,

• glicerol,

• CO₂, wodór

13. Scharakteryzuj 4 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 zewnątrzkomórkowych takich jak: celulazy, amylazy, proteinazy i lipazy.

Produkty hydrolizy:

• białka proste $\frac{H2O}{\text{enzymy}} \rightarrow \ $ aminokwasy

• węglowodany $\frac{H2O}{\text{enzymy}} \rightarrow$ monosacharydy (cukry proste)

• lipidy $\frac{H2O}{\text{enzymy}} \rightarrow$alkohole i wyższe kwasy tłuszczowe

1. Acidogeneza (kwasotwórcza) – przemiana produktów hydrolizy (aminokwasy, cukry proste, wyższe kwasy tłuszczowe) w metabolity pośrednie – kwasy karboksylowe: kwas walerianowy, mrówkowy, propionowy itp.

2. Acetogeneza (octanogeneza) – powstaje octan produkowany przez:

• heterotrofy z glukozy

• autotrofy z dwutlenku węgla i wodoru

1. Metanogeneza – wytwarzanie metanu, przeprowadzana przez bakterie:

• 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)

14. Podaj warunki technologiczne fermentacji metanowej. 

-temperatura i czas procesu

- psychrofilna: 2÷25°C, zwykle 20°C (temp. otoczenia), trwa min.70 dni

- mezofilna: 30÷40°C, zwykle 33°C, 30 dni

- termofilna: 45-60°C, zwykle 55°C, 15÷20 dni

- brak wahań temperaturowych

- pH w fazie kwaśnej: 5,2÷6,3, w fazie metanogennej 6,8÷7,2

- mieszanie żeby w całej objętości była taka sama temperatura i odczyn

- środowisko beztlenowe

- brak związków toksycznych

- stosunek C:N 10:1 ÷ 25:1

- ChZT:N 400:7 ÷ 1000:7

- zawartość suchej masy wsadu 12-15%

- N 1,7 gN/100g biomasy

- stosunek osadów surowych do przefermentowanych 1:1 lub 1:2 (2 przefermentowanego) w przeliczeniu na zawartość związków organicznych <- tego nie znalazłam nigdzie indziej, tylko w jednym przodku więc nie wiem czy jest dobrze

15. Wymień parametry technologiczne niezbędne do prawidłowego przebiegu procesu biol oczyszczania ścieków.

-odpowiednio dobrany zbiornik wyrównujący skład ścieków aby zapewnić optymalne V/Q

-obciążenie osadu ładunkiem zanieczyszczeń kgBZT₅/kg s.m. d

-indeks objętościowy osadu- opadalność osadu. Ile ml ma osad po 0,5 h sedymentacji

16. Zasada funkcjonowania oczyszczalni gruntowo-korzeniowej 

Zasada działania:

Wykorzystanie mikroorganizmów porastających strefę korzeniową roślin wodnych nasadzonych w złożu żwirowo gruntowym.
jak funkcjonuje takie złoże:
złoże jest tak dobrane aby był grunt i żwir, bo proces jest tlenowy. Nasadzone rośliny wodne ( trzcina, tatarak, sitowie, pałka wodna, lokalne rośliny które dobrze żyją na podłożu mocno uwodnionym) w strefie korzeniowej tych roślin gromadzą się mikroorganizmy i prowadzą procesy tlenowego rozkładu ścieków organicznych

Zasada takiej oczyszczalni:
punkt zlewny rozcieńczanie ścieków trójkomorowy osadnik wahadłowe rozdzielacze ścieków pola filtracyjne (biologiczna część oczyszczalni ścieków) rów odfosforyzujący staw doczyszczający (zbiornik wody użytkowej) odbiornik (rzeka , rów)

17. Wyjaśnij zasadę działania oczyszczalni chińskiej.

Oczyszczalnie „chińskie” – Imitacja łańcucha pokarmowego

Elementy:

1) zbiornik wyrównawczy

2) komora beztlenowa (spadek BZT)

3) tlenowe złoże biologiczne

4) zbiornik fitoplanktonu (glonu z gatunku Ankistrodesmus, scenedesmus,chlorella)

5) zbiornik zooplanktonu (daphnia, ceriodaphnia,pierwotniaki,wrotki)

6a) staw(hodowla ryb i roślin tropikalnych i szwedzkich)

6b) staw (hodowla roślin i ryb)

7) rurociągi i hodowla krzewów i drzew

8) staw do hodowli ryb