Aplicación de microorganismos en el tratamiento de aguas residuales
Resumen: Este artículo explica principalmente la aplicación de diversos microorganismos en diferentes tipos de aguas residuales y sus diferentes mecanismos de aplicación.
Palabras clave: microorganismos, aguas residuales domésticas, aguas residuales industriales, aguas residuales agrícolas, metales pesados, pesticidas
1. Estado actual de los recursos hídricos mundiales
La protección del medio ambiente es una política nacional básica de nuestro país. La práctica del desarrollo económico mundial demuestra que para lograr un desarrollo económico sostenido y estable, se debe resolver la contradicción entre desarrollo y protección ambiental.
La situación mundial de los recursos hídricos se está deteriorando rápidamente y la "crisis del agua" se está volviendo cada vez más grave. Según estimaciones de los hidrogeólogos, la cantidad total de recursos hídricos de la Tierra es de aproximadamente 1,38 mil millones de kilómetros cúbicos, de los cuales el 97,5% es agua de mar (1,345 mil millones de kilómetros cúbicos). El agua dulce sólo representa el 2,5%, la mayor parte de la cual es hielo polar, nieve, glaciares y aguas subterráneas, y sólo el 0,01% es apta para el consumo humano.
Después de la década de 1950, la población mundial creció rápidamente y la industria se desarrolló rápidamente. Por un lado, la demanda humana de recursos hídricos está aumentando a un ritmo alarmante; por otro, la contaminación cada vez más grave del agua ha erosionado una gran cantidad de recursos hídricos disponibles para el consumo; El Informe de Evaluación Mundial del Agua de las Naciones Unidas proporcionado por este Foro Mundial del Agua muestra que cada día se vierten alrededor de 200 toneladas de basura en ríos, lagos y arroyos de todo el mundo, y cada litro de aguas residuales contamina 8 litros de agua dulce de todos los ríos que fluyen a través de él; Las ciudades asiáticas están contaminadas: el 40% de las cuencas hidrográficas de Estados Unidos están contaminadas por desechos de alimentos procesados, metales, fertilizantes y pesticidas; sólo 5 de 55 ríos en Europa tienen una calidad de agua insatisfactoria.
En el siglo XX, la población mundial se triplicó, mientras que el uso humano del agua se quintuplicó. Muchos países de todo el mundo se enfrentan a una crisis del agua: 1.200 millones de personas sufren escasez de agua, 3.000 millones de personas carecen de instalaciones sanitarias y entre 3 y 4 millones de personas mueren cada año a causa de enfermedades relacionadas con el agua. Para 2025, la crisis del agua se extenderá a 48 países y 3.500 millones de personas quedarán atrapadas por el agua. El deterioro de los ecosistemas y la destrucción de la biodiversidad provocados por la crisis del agua también amenazarán gravemente la supervivencia humana.
La crisis del agua no sólo obstaculiza el desarrollo sostenible del mundo, sino que también amenaza la paz mundial. En los últimos 50 años, ha habido 507 conflictos causados por el agua, 37 de los cuales fueron de naturaleza violenta y 21 evolucionaron hacia conflictos militares. Los expertos advierten que la batalla por el agua se intensificará a medida que los recursos hídricos sean cada vez más escasos.
2. Clasificación de los métodos de tratamiento de aguas residuales
2.1 Método físico
Utilizar efectos físicos para separar los contaminantes suspendidos en las aguas residuales. Existen principalmente métodos de precipitación, métodos de filtración, métodos de separación centrífuga, métodos de adsorción, etc.
2.2 Método químico
Utilizar principios y métodos de reacción química para separar y recuperar contaminantes en aguas residuales, o cambiar las propiedades de los contaminantes para que cambien de nocivos a inofensivos. Existen principalmente métodos de coagulación química, métodos de neutralización, métodos redox y métodos de intercambio iónico.
2.3 Método biológico
Utiliza principalmente el proceso de actividad vital de los microorganismos para transferir y transformar contaminantes en las aguas residuales, purificando así las aguas residuales.
2.4.Introducción a los microorganismos
Microorganismos es el término general para los organismos que son invisibles o poco claros a simple vista. Incluyendo procariotas (bacterias, actinomicetos y cianobacterias), eucariotas (hongos y microalgas), organismos no celulares (virus). Los microorganismos tienen las características de tamaño pequeño, gran superficie y sorprendente fecundidad, y pueden intercambiar materiales de forma continua y rápida con el entorno que los rodea. Las aguas residuales tienen las condiciones para el crecimiento y la reproducción microbiana, por lo que los microorganismos pueden obtener nutrientes de las aguas residuales y simultáneamente degradar y utilizar sustancias nocivas, purificando así las aguas residuales. Por lo tanto, los microorganismos pueden usarse ampliamente en la purificación y el tratamiento de aguas residuales en beneficio de la humanidad.
La principal razón por la que los microorganismos pueden degradar y transformar contaminantes es que tienen las siguientes características: son de tamaño pequeño, tienen una gran superficie específica y tienen una tasa metabólica rápida; son diversos y ampliamente; distribuidos y tienen diversos tipos metabólicos; tienen una variedad de enzimas degradativas; se reproducen rápidamente, mutan fácilmente, tienen una gran adaptabilidad, etc.
3. Principio
El uso de microorganismos para tratar las aguas residuales es en realidad descomponer la materia orgánica en las aguas residuales a través de las actividades metabólicas de los microorganismos, logrando así el propósito de purificar las aguas residuales. Absorbe el azúcar de las aguas residuales, proteínas, grasas, almidón y otros compuestos de bajo peso molecular.
Hay dos tipos de metabolismo microbiano: aeróbico y anaeróbico, por lo que los métodos de purificación se dividen en purificación aeróbica y purificación anaeróbica.
3.1.Purificación aeróbica
Condiciones de existencia de oxígeno en el medio ambiente. Muchos microorganismos aeróbicos obtienen fuentes de C, fuentes de N, fuentes de P, S y energía en el proceso de descomposición oxidativa de la materia orgánica en CO2 y H2O a través del catabolismo, anabolismo y mineralización del material. La purificación aeróbica microbiana de aguas residuales es un método para simular los principios anteriores, colocar microorganismos en una determinada estructura para aireación y cultivo, y purificar aguas residuales de manera eficiente.
3.2 Purificación anaeróbica
En condiciones anaeróbicas estrictas, durante la fermentación o digestión de la materia orgánica por parte de microorganismos, la mayor parte de la materia orgánica se descompone en gases como H2, CO2, H2S y CH4. La purificación biológica anaeróbica de las aguas residuales se basa en el principio de que una vez purificadas las aguas residuales mediante fermentación anaeróbica, se obtiene bioenergía CH4. El aceptor de electrones para la transferencia de energía en las células de los microorganismos cambia del oxígeno molecular en condiciones aeróbicas a la materia orgánica en condiciones anaeróbicas. En condiciones anaeróbicas, los contaminantes orgánicos macromoleculares que son insolubles en agua y difíciles de descomponer se degradan en sustancias solubles por las enzimas extracelulares de los microorganismos y luego se degradan en ácidos y alcoholes de bajo peso molecular por las bacterias anaeróbicas productoras de metano y las bacterias productoras de hidrógeno. y liberan H2 y CO2, ácidos orgánicos y bacterias similares al metanógeno se degradan en H2, CO2 y CH4. Los metanógenos también pueden utilizar H2 para reducir el CO2 y formar CH4.
Proceso de purificación microbiana:
Ⅰ. La concentración de contaminantes orgánicos cambia de alta a baja.
Ⅱ Las bacterias heterótrofas oxidan y descomponen rápidamente los contaminantes orgánicos y se multiplican. luego hay un pico en el número de protozoos que se alimentan de bacterias, y luego hay un pico en el crecimiento de algas debido a la mineralización de la materia orgánica, que favorece el crecimiento de algas.
Ⅲ. La concentración de oxígeno disuelto se consume en grandes cantidades a medida que la materia orgánica es oxidada y descompuesta por los microorganismos, y cae rápidamente al punto más bajo, posteriormente, debido a la desorganización de la materia orgánica, se produce la fotosíntesis. de algas y la disminución del número de otros microorganismos aeróbicos, el oxígeno disuelto volvió a su nivel original.
De esta forma, tras una distancia considerable de la fuente de contaminación, el número de microorganismos, materia orgánica y contenido de materia inorgánica en el agua también descenderá al punto más bajo. Como resultado, el cuerpo de agua vuelve a su estado original.
Ventajas del tratamiento microbiano: los microorganismos tienen una amplia gama de fuentes, son fáciles de cultivar, se reproducen rápidamente, tienen una gran adaptabilidad al medio ambiente y son fáciles de mutar en producción, es más fácil recolectar bacterias. cepas para cultivo y reproducción, y en condiciones específicas adaptarlo domésticamente a diferentes condiciones del agua, inorganizando así la materia orgánica a través del metabolismo microbiano. Además, las condiciones de vida de los microorganismos son suaves y el metabolismo no requiere altas temperaturas ni altas presiones. No requiere la adición de catalizadores. El método biológico tiene las ventajas de una gran capacidad de tratamiento de aguas residuales, un amplio rango de tratamiento y un funcionamiento relativamente bajo. costos y requiere más mano de obra y recursos materiales que otros métodos. En el ecosistema artificial del tratamiento biológico de aguas residuales, la eficiencia de migración y transformación de sustancias es tan alta que no puede ser igualada por ningún ecosistema natural o agrícola.
4. Poblaciones microbianas importantes en el tratamiento de aguas residuales
4.1 Bacterias filamentosas
Las bacterias filamentosas pueden afectar significativamente las aguas residuales activadas por floculación en la sedimentación de lodos (expansión de lodos). puede provocar cambios en la biomasa y formación de espuma (espuma de lodos), afectando gravemente a la eficiencia del tratamiento de lodos activados. Tradicionalmente, las bacterias filamentosas se analizan e identifican mediante microscopía óptica, como reacciones de tinción de Gram y Neisser, características morfológicas típicas, etc. Sin embargo, utilizando la tecnología de ARNr de ciclo completo, se descubrió que muchas bacterias filamentosas en el lodo activado de las plantas depuradoras no se pueden encontrar mediante los métodos tradicionales de identificación morfológica.
La parte del árbol filogenético proporciona la relación filogenética de las bacterias filamentosas, pero algunos tipos filamentosos, como Eikelboom 1863 o Nostocoidalimicola, se ubican en grupos completamente no relacionados. Hoy en día, las sondas de oligonucleótidos diana de ARNr se pueden utilizar para identificar rápidamente la mayoría de las bacterias filamentosas, lo que demuestra que algunas bacterias filamentosas en el lodo activado exhiben polimorfismo. Kanagawa et al. (2000) aislaron 15 especies de bacterias filamentosas de lodos activados y las clasificaron como Eikelboom 21 N según su morfología. El análisis de la secuencia de ADNr 16S mostró que todas formaban un grupo monofilético (monofilético) con las bacterias filamentosas Thiothrix de la subclase. Grupo Proteobacteria). Las bacterias filamentosas Thiothrix suelen mostrar pluripotencia fisiológica en aguas residuales. Pueden combinarse con acetato o bicarbonato marcado en condiciones heterótrofas, facultativas y quimioautótrofas. Las bacterias filamentosas Thiothrix son activas en condiciones anaeróbicas (con o sin nitrato) y forman gránulos de azufre intracelulares al absorber tiosulfato y acetato.
Utilizando sondas FISH de bacterias filamentosas, se descubrió que Mircothrix parvicella tiene un consumo especial de lípidos, absorbiendo específicamente ácidos grasos de cadena larga (en lugar de ácidos grasos de cadena corta y glucosa) en condiciones anaeróbicas y, posteriormente, cuando se utilizan nitratos. O cuando el oxígeno está disponible como aceptor de electrones, utilizan el almacenamiento para completar el crecimiento. Sin embargo, en condiciones anaeróbicas, M. parvicella no puede absorber fósforo y no es adecuada para biorreactores con requisitos de eliminación de fósforo. La clasificación sistemática de bacterias filamentosas utilizando la tecnología FISH encontró que la mayoría de las bacterias filamentosas no descritas pertenecen a bacterias verdes sin azufre (Chloroflexi), que también pueden ser las bacterias filamentosas más abundantes en los sistemas biológicos de tratamiento de aguas residuales. Liao et al. (2004) desarrollaron un FISH cuantitativo para estudiar bacterias filamentosas en laboratorios y reactores de plantas de tratamiento de aguas residuales, estimulando la acumulación de lodos mediante el aumento de Sphaerotilus natans, y descubrieron que la flora Eikelboom 1851 (no la cepa de S. natans probada estaba estrechamente relacionada con el volumen). índice de lodo activado, y su longitud de hifas extensibles fue de aproximadamente 6×10. la,m/mL.
4.2 Bacterias importantes para la eliminación biológica de fósforo
La eliminación biológica de fósforo se puede completar en la vía microbiana de EBPR. Este proceso alterna procesos anaeróbicos y de eliminación de fósforo mediante lodos activados circulantes. oxígeno. Basado en la tecnología de cultivo puro de microorganismos, el género Acinetobacter de la subclase Proteobacteria se considera desde hace mucho tiempo el único PAO (organismo acumulador de polifosfatos). Pero, de hecho, aunque Acinetobacter puede acumular polifosfato, no tiene el metabolismo típico de la PAO. Wanger et al. (1994) utilizaron sondas objetivo de ARNr para realizar pruebas y concluyeron que el PAO principal debería ser el grupo Rhoclocyclus en la subclase Stoma, seguido por el grupo Planctomycete, Flexibacter, grupo CFB (Cytophaga-Flavobacterium) en la subclase Bacteroides). etc. Se utilizaron métodos sin cultivo, como la tinción con anticuerpos fluorescentes, la detección de quinona respiratoria y FISH con sondas específicas de género, para demostrar que en el sistema EBPR, la abundancia relativa de Acinetobacter aparentemente está sobreestimada debido al sesgo del cultivo, lo que indica que en realidad no es importante. al sistema EBPR Lo más importante es que otras bacterias aisladas son candidatas a la PAO. Sin embargo, se han aislado siete nuevas especies de Acinembacter a partir de lodos activados, lo que se espera que aclare aún más el papel y la importancia de este género en la desfosforización.
Microlunatus phosphovorus es una bacteria Gram-positiva con alto contenido de G+C. Se considera una bacteria aeróbica obligada y puede fermentar glucosa en ácido acético a través de la vía EMP sin poder crecer en condiciones anaeróbicas. Hay una conversión obvia de la absorción de glucosa y la secreción de ácido acético, lo que lleva a la acumulación de ácido acético intracelular; el ácido acético producido se consume en la fase aeróbica posterior; phosphovorus muestra una excelente capacidad para absorber y liberar fósforo. La tasa de liberación y absorción de fósforo puede ser tan alta como 3,34 mmol g/cell?h y 1,56 mmol g/cell?h respectivamente, que es más alta que Lampropedia spp. y Acinetobacterspp. Un orden de magnitud superior, la sonda específica demostró que podría representar el 2,7% del total de bacterias de la fábrica EB-PR.
Lampropedia también tiene las características metabólicas básicas de las bacterias que acumulan fósforo, pero la tasa de absorción de acetato y liberación de fosfato es mucho menor de lo predicho por el modelo EBPR. Se ha demostrado que los que se sugiere denominar "fosfatos de Candidatus Ac-cumulibacter" están significativamente presentes en el sistema EBPR. Saunders et al. (2003), después de probar seis plantas de tratamiento de aguas residuales en funcionamiento, concluyeron que los "fosfatos de Candidatus Accumulibacter" que probablemente eran "insignificantes" eran en realidad PAO importantes. Además, la observación microscópica in situ muestra que es probable que la levadura participe en la eliminación biológica del fósforo, y que muchas "bacterias acumuladoras de fósforo" probablemente sean esporas de levadura, pero su mecanismo de acción obviamente necesita más exploración.
4.3 Bacterias nitrificantes
El ciclo del nitrógeno es un proceso muy dependiente de la actividad y transformación microbiana. Este tipo de microorganismos desempeña un papel extremadamente importante en el tratamiento de aguas residuales, la agricultura y otros campos y, por lo tanto, se ha convertido en un tema candente en la investigación mundial en los últimos años. La subclase β de Proteobacteria casi se ha convertido en un sistema modelo de ecología microbiana. Kindaichi et al. (2004) realizaron análisis FISH en biopelículas nitrificantes autótrofas y mostraron que el 50% de las membranas pertenecían a bacterias nitrificantes y el 50% restante eran bacterias heterótrofas. La distribución fue del 23% de la subclase α de Proteobacteria y del 13% de. subclase г. Bacterias verdes sin azufre 9%, grupo CFB 2%, grupo indeterminado 3%. Este resultado muestra que las bacterias nitrificantes apoyan a las bacterias heterótrofas mediante la producción de productos solubles, y las bacterias heterótrofas también aseguran la estabilidad ecológica de la biopelícula desde aspectos como la diversidad metabólica. Desde el punto de vista del cultivo, las bacterias nitrificantes crecen extremadamente lentamente; debido a que la distribución de las bacterias nitrificantes es sensible al pH, la temperatura, etc., la nitrificación en las plantas depuradoras a menudo colapsa.
4.3.1 Bacterias oxidantes de amoníaco
Basado en el análisis de la secuencia del ADNr 16S, todas las bacterias oxidantes de amoníaco que se han aislado y descrito pertenecen a dos grupos monofiléticos de la clase Proteobacteria. ． Ni-trosococcusoceanus y N. halophilus pertenece a la subclase β de Proteobacteria, que incluye Nitrosomonas, Nitrosospira, Nitrosovibrio y Nitrosolobus, los últimos tres géneros están estrechamente relacionados y Nitrosococcus mobilis (en realidad, un miembro de Nitrosomonas) forma un grupo estrechamente relacionado en la subclase β;
4.3.2 Bacterias oxidantes de nitrito
Basándose en sus características ultramicroscópicas, las bacterias oxidantes de nitrito (NOB) cultivadas se dividen en cuatro tipos conocidos: Nitrobacter, Nitrospina, Nitrococcus y. Nhrospira. El análisis comparativo de las secuencias de ADNr 16S mostró que Nitrobacterium y sus tres especies pertenecen a la subclase α de Proteobacteria; Nitrospina y Nitrococcus tienen cada uno una especie, pertenecientes a las subclases δ y г de Proteobacteria, el género Nitrospira incluye moscoviensis y IV. rtarin. Tradicionalmente, Nitrobacter ha sido considerada la bacteria oxidante de nitrito más importante. Sin embargo, en las plantas de nitrificación de aguas residuales, el método FISH y el dot blot cuantitativo utilizando sondas objetivo encontraron que no se podía detectar Nitrobacter o que el número era muy bajo, destacando así la importancia de los NOB no Nitrobacter en el proceso de nitrificación. Egli et al. (2003) utilizaron diferentes reactores de inoculación de lodos y utilizaron métodos cuantitativos FISH y RFLP (polimorfismo de longitud de fragmentos de restricción) para detectar reactores de nitrificación estables y encontraron que todos los activos pertenecían al género Nitrospira J. El examen FISH de lodo activado utilizando una sonda de ARNr 16S específica desarrollada utilizando secuencias de Nitrospira mostró que bacterias similares a Nitrospira no cultivadas (Nitrospira-l
ike) existe en cantidades significativas (9% del recuento bacteriano total), y su importancia para la oxidación de nitritos ha sido confirmada mediante estudios de enriquecimiento de reactores. Nhrospira puede fijar CO y también puede usar piruvato para el crecimiento mixotrófico sin usar acetato, butirato ni propionato.
4.4 Bacterias desnitrificantes
La mayor parte de la identificación y enumeración de bacterias desnitrificantes se basa en métodos de cultivo. Se han aislado miembros de muchos géneros, como Alcaligenes, Pseudomonas, Mmethylobacteriurn, Paracoccus e Hyphornicrobiurrt, etc., que se producen a partir de aguas residuales como microorganismos desnitrificadores en plantas, pero rara vez se sabe si estos géneros bacterianos tienen actividad de desnitrificación in situ en plantas de aguas residuales. . En un filtro de arena de desnitrificación suplementado con metanol como carburo reductor, se detectó una gran cantidad de P. spp y H. spp; en el filtro de arena sin desnitrificación sin metanol adicional, el número de los dos géneros presentes fue inferior al 0,1% del total de células, lo que indirectamente demostró que las actividades de los dos géneros estaban involucradas en el proceso de desnitrificación.
5. Tipos y tratamiento de los contaminantes del agua
5.1 Aguas residuales domésticas
Las aguas residuales domésticas son una fuente importante de contaminación. Las aguas residuales domésticas contienen una gran cantidad de materia orgánica e inorgánica. Sustancias inorgánicas como cloruro, sulfato, fosfato y sodio, potasio, calcio, hierro y otros carbonatos, sustancias orgánicas como celulosa, almidón, grasas, proteínas y urea, etc. La descarga al medio ambiente promueve el crecimiento y la reproducción masiva del fitoplancton, formando mareas rojas y proliferación de algas.
El tratamiento de aguas residuales domésticas implica principalmente la descomposición de materia orgánica. Los principales métodos incluyen el método de lodos activados, el método de biopelícula y el método AB.
5.1.1 Método de lodos activados
El método de lodos activados es el principal método de tratamiento biológico de aguas residuales con lodos activados como cuerpo principal. El método de lodo activado consiste en introducir aire continuamente en las aguas residuales y, después de un cierto período de tiempo, se forma un flóculo similar a un lodo debido a la reproducción de microorganismos aeróbicos. Está habitado por microorganismos compuestos principalmente por grupos gelatinosos bacterianos, que tienen una gran capacidad para adsorber y oxidar materia orgánica.
5.1.2 Método de biopelícula
El método de biopelícula es un método de tratamiento de aguas residuales orgánicas que utiliza microorganismos (es decir, biopelículas) adheridos y creciendo en la superficie de ciertos objetos sólidos. El biofilm es un ecosistema compuesto por bacterias aerobias, anaerobias, facultativas, hongos, protozoos y algas, etc. de gran densidad. El medio sólido al que se adhiere se denomina material filtrante o portador. Desde el material filtrante hacia afuera, la biopelícula se puede dividir en una capa de aura, una capa de aura buena, una capa de agua adherida y una capa de agua en movimiento. El principio del método de la biopelícula es que la biopelícula primero adsorbe la materia orgánica en la capa de agua, la descompone mediante bacterias aeróbicas en la capa aeróbica y luego ingresa a la capa anaeróbica para la descomposición anaeróbica. La capa de agua que fluye elimina la biopelícula envejecida para que crezca. otros nuevos. La biopelícula se intercambia de esta manera para lograr el propósito de purificar las aguas residuales. El método de biopelícula tiene las siguientes características: (1) Gran adaptabilidad a los cambios en la cantidad de agua, la calidad del agua y la temperatura del agua (2) Buen efecto de tratamiento y buena función de nitrificación (3) Pequeño volumen de lodo (aproximadamente 3/3 del; método de lodo activado) 4) Y es fácil separar sólidos y líquidos (4) Se ahorra el costo de energía;
Método 5.1.3AB
El proceso del método AB fue desarrollado por primera vez por el profesor B0HUKE de Alemania. Este proceso divide el tanque de aireación en dos secciones, alta y baja carga, cada una con sistemas independientes de sedimentación y retorno de lodos. El tiempo de residencia de la sección A de la sección de alta carga es de aproximadamente 20 a 40 minutos. Está dominado por la biofloculación y la adsorción. Al mismo tiempo, se producen infinitas reacciones de oxidación. Los organismos son principalmente comunidades bacterianas de generación corta y la DBO. eliminado en más del 50%. La sección B es similar a los lodos activados convencionales, con menor carga y mayor edad del lodo.
5.2 Aguas residuales industriales
Las aguas residuales industriales son la principal fuente de contaminación del agua. Incluyendo aguas residuales de la industria siderúrgica, aguas residuales de la industria alimentaria, aguas residuales de impresión, aguas residuales químicas, etc. Con el desarrollo de la industrialización, se producen cada vez más aguas residuales que contienen iones de metales pesados. Los iones de metales pesados se han convertido en uno de los contaminantes más importantes y comunes. Debido a la acumulación, absorción y transformación de los metales pesados en los organismos vivos, dañan la salud humana a lo largo de la cadena alimentaria. Como carcinógenos, teratógenos, etc., es urgente hacer frente a la contaminación por metales pesados.
La aplicación de la tecnología de tratamiento microbiano en el tratamiento de aguas residuales domésticas ha sido muy madura y muy popular, pero todavía existen ciertos problemas técnicos en el tratamiento de aguas residuales industriales.
En comparación con las aguas residuales domésticas, la composición de las aguas residuales industriales es mucho más compleja. La mayoría de las aguas residuales industriales tienen un valor de DQO muy alto y una biodegradabilidad deficiente, lo que hace que el tratamiento microbiano sea muy difícil. Algunas aguas residuales industriales incluso tienen un alto índice de nitrógeno amoniacal que aumenta la dificultad del tratamiento microbiano. tratamiento. Sin embargo, las muchas ventajas de la tecnología microbiana están destinadas a ser un aspecto del tratamiento de aguas residuales industriales, y muchas industrias han comenzado a utilizar tecnología de tratamiento microbiana para aguas residuales industriales y han obtenido datos operativos estables.
Aquí hablamos principalmente del tratamiento de metales pesados en aguas residuales. Los métodos microbianos disponibles actualmente incluyen la biosorción, la purificación de bacterias reductoras de sulfato y el uso de transformación microbiana para eliminar metales pesados.
5.2.1 Método de biosorción
La biosorción es el uso de biomasa (como las bacterias restantes de la industria de la fermentación) para adsorber metales o absorberlos a través de las células y concentrar el ambiente mediante procesos físicos y Mecanismos químicos: debido a que los iones de metales pesados son tóxicos, si la concentración es demasiado alta, las células microbianas vivas morirán. Por tanto, se debe controlar la concentración de metales pesados en el agua tratada.
Por ejemplo, Chen Xiaoxia y otros utilizaron Chlorella para enriquecer iones de cromo. Las investigaciones muestran que el mecanismo de Chlorella para enriquecer iones de cromo se manifiesta principalmente en la adsorción superficial y el transporte activo. Durante las fases de crecimiento y estabilidad, el cromo enriquecido con Chlorella existe como cromo orgánico, mientras que durante la fase de declive, el cromo enriquecido con Chlorella existe como cromo inorgánico.
Las células de Bacillus o levaduras restantes después de la fermentación industrial se utilizan para adsorber metales pesados. El método específico consiste en tratar primero las células con álcali para aumentar su capacidad de absorber metales pesados. Luego, estas células se inmovilizan mediante entrecruzamiento químico. El Bacillus inmovilizado no es selectivo en su adsorción de metales pesados (los microorganismos muestran selectividad en la unión de contaminantes inorgánicos, más que la mayoría de los adsorbentes químicos sintéticos, y la adsorción de metales por microorganismos es selectiva). La acumulación depende principalmente de la selectividad de los diferentes pares de sitios de unión del ligando hacia los metales). Puede eliminar Cd, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb y Zn de aguas residuales con una tasa de eliminación de hasta el 99 %. Los metales pesados adsorbidos en las células se pueden eluir con ácido sulfúrico y luego se pueden recuperar mediante métodos químicos. Las células inmovilizadas después del tratamiento con álcali también se pueden reutilizar para adsorber metales pesados.
5.2.2 Método de purificación de bacterias reductoras de sulfato
Las bacterias reductoras de sulfato desulfovibrio son bacterias anaeróbicas y su mayor característica es que pueden sobrevivir en ausencia de oxígeno libre. en presencia de materia orgánica, se convierte en sulfuro de hidrógeno al reducir los radicales sulfato, y obtiene de él energía de crecimiento para reproducirse en grandes cantidades, el resultado de su reproducción es que el sulfato altamente soluble se convierte en sulfuro o sulfuro de hidrógeno extremadamente difícil de disolver; . Este tipo de bacteria está ampliamente distribuida y se puede encontrar en océanos, lagos, ríos y tierra. Puede crecer y reproducirse donde no hay oxígeno libre pero sí sulfato y materia orgánica. Su temperatura de crecimiento es de 25 a 35 grados Celsius y el valor del pH es de 6,2 a 7,5. La función de esta bacteria puede convertir los radicales de sulfato en las aguas residuales en sulfuro de hidrógeno. , los metales pesados Cu, Pb, Zn, etc. que se encuentran en concentraciones más altas en las aguas residuales se convierten en sulfuros y se precipitan, de modo que se puedan eliminar los iones de metales pesados de las aguas residuales.
5.2.3 Utilizar la transformación de microorganismos para eliminar metales pesados
Los microorganismos pueden eliminar metales pesados y compuestos de metales pesados mediante oxidación, reducción, metilación y desalquilación.
La cápsula extracelular o capa mucosa de las bacterias puede producir una variedad de polímeros extracelulares, que pueden adsorber metales pesados en condiciones naturales o en instalaciones de tratamiento de aguas residuales. Sus principales componentes son polisacáridos, proteínas y ácidos nucleicos.
La pared celular de los hongos contiene quitina, que junto con el polímero de N----acetilglucosamina es un biosorbente eficaz que une metales a radionúclidos. La quitina, el quitosano y otros ligandos de unión a metales expuestos por diversos hongos tratados con hidróxido forman una capa de hifas que puede eliminar eficazmente los metales pesados de las aguas residuales.
El cromo hexavalente es altamente tóxico, 100 veces más tóxico que el cromo trivalente, y puede precipitar en el cuerpo humano. Dado que el cromo hexavalente ingresa fácilmente a las células a través de la membrana celular y luego se reduce a cromo trivalente en el citoplasma, las mitocondrias y el núcleo, el cromo trivalente se combina con proteínas en la célula para formar una sustancia estable e interactúa con los ácidos nucleicos, mientras que el cromo trivalente fuera de la célula. El cromo valente no puede penetrar en las células. Las bacterias utilizan el NADH en las células como agente reductor para reducir el cromo hexavalente a cromo trivalente en condiciones anaeróbicas o aeróbicas.
Por ejemplo, Enterobacter cloacae es resistente a 10.000 mol/l de cromato y puede reducir el cromo hexavalente a cromo trivalente en condiciones anaeróbicas. El cromo trivalente se puede eliminar mediante separación del agua mediante una reacción de precipitación.
5.3 Aguas residuales agrícolas
Están muy extendidas, de gran volumen y dispersas. Los pesticidas se utilizan en tierras agrícolas. Los pesticidas químicos son principalmente sustancias xenobióticas biológicas sintetizadas artificialmente. Muchos pesticidas en sí mismos son tóxicos para los humanos y otros organismos, y muchos tipos son compuestos resistentes que no son fácilmente biodegradables. Los residuos de pesticidas son difíciles de degradar. Cuando las personas usan pesticidas para prevenir enfermedades, plagas de insectos y malezas, también hacen que los residuos de pesticidas en granos, verduras, frutas y otros productos excedan los estándares, causando al mismo tiempo una contaminación grave. a organismos no objetivo, provocando incidentes de intoxicación por pesticidas y accidentes laborales cada año. Los casos de intoxicación sexual están aumentando. Al mismo tiempo, las aguas residuales vertidas por las fábricas de pesticidas y los pesticidas aplicados a las tierras agrícolas también causan una grave contaminación del medio ambiente, destruyen el equilibrio ecológico, afectan el desarrollo sostenible de la agricultura y amenazan la salud física y mental de los seres humanos. El uso irrazonable y a gran escala de pesticidas ha causado consecuencias adversas cada vez más graves para los seres humanos y el medio ambiente ecológico. El problema de la contaminación por pesticidas se ha convertido en un foco de preocupación mundial. Por lo tanto, fortalecer la investigación sobre la biodegradación de pesticidas y resolver el problema de la contaminación por pesticidas en el medio ambiente y los alimentos es uno de los problemas actuales que los humanos necesitan resolver con urgencia.
5.3.1 Principales tipos de pesticidas utilizados en la producción agrícola
Los principales pesticidas compuestos orgánicos utilizados actualmente en la agricultura se muestran en la Tabla 1. Entre ellos, se ha prohibido el uso de algunos, como el 666, el DDT y otros pesticidas organoclorados, y el uso de otros se está eliminando gradualmente, como el metamidofos entre los organofosforados.
Tabla 1 Una breve lista de los tipos de pesticidas comúnmente utilizados en la producción agrícola
Tipos de pesticidas
Organofosforados: triclorfón, metamidofos, diclorvos, acetilmetilamida Fósforo, paratión, dimetoato, dimetoato, etc.
Pesticida orgánico nitrógeno: carbarilo, metiocarb, balsa, dimetoato, etc.
Organoclorados: 666, DDT, toxafeno, etc.
Acaricidas como mitarin, fenacet, triclofenaco, fenacetato, cloricida, difentan, etc.
Herbicidas 2,4-D, propanil, fenacet, atrazina, glifosato, piclocloro, etc.
Fungicidas sulfuro de metilarsénico, tiram, tiram, Dikesong, Kewen Powder, Daofengjing, Carbendazim, Yekujing, etc.
Reguladores de crecimiento Chlormequat, Jianzhuangsin, Zengchanling, giberelina, mediamina, etc.
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La gente ha descubierto que en los ecosistemas naturales hay una gran cantidad de microorganismos con diferentes tipos metabólicos y una gran adaptabilidad que pueden utilizar varios pesticidas orgánicos sintéticos como fuentes de carbono, fuentes de nitrógeno y fuentes de energía para crecer, y pueden mineralizarse por completo. o degradar los pesticidas orgánicos en otros componentes no tóxicos a través de diversas vías metabólicas, proporcionando las condiciones necesarias para que los humanos eliminen la contaminación por pesticidas y purifiquen el medio ambiente ecológico.
5.3.2 Grupos microbianos degradantes de pesticidas
Los microorganismos del suelo incluyen bacterias, hongos, actinomicetos, algas, etc. Algunos de ellos tienen funciones degradantes de pesticidas. Las bacterias desempeñan un papel importante en la degradación de los pesticidas debido a su diversa adaptabilidad bioquímica y su tendencia a inducir cepas mutantes. 1. En el suelo, las aguas residuales y los sistemas de compostaje a alta temperatura, las bacterias desempeñan un papel importante en la descomposición de los pesticidas. Esto está relacionado con el tipo de pesticidas, la capacidad de los microorganismos para degradarlos y las condiciones ambientales. sistemas de compostaje de temperatura, debido a la etapa de alta temperatura del sistema, cuando la temperatura es más alta (más de 50 ° C), sobreviven principalmente bacterias resistentes a altas temperaturas, y esta etapa es también el período en el que los pesticidas se degradan más rápido. Mediante la acción de los microorganismos, los contaminantes orgánicos del ambiente se convierten en otras sustancias no tóxicas, inofensivas o menos tóxicas como el CO2 y el H2O. Gracias al esfuerzo de muchos investigadores científicos, se ha aislado una gran cantidad de microorganismos que pueden degradar los pesticidas (ver Tabla 2). Diferentes grupos microbianos pueden tener diferentes mecanismos, vías y procesos para degradar los pesticidas. La siguiente es una breve introducción al mecanismo de degradación microbiana de los pesticidas.
5.3.3 Mecanismo de degradación microbiana de los pesticidas
En la actualidad, la investigación sobre la degradación microbiana de los pesticidas se centra principalmente en las bacterias, por lo que el mecanismo del metabolismo bacteriano de los pesticidas es relativamente claro.
Tabla 2 Microorganismos comunes que degradan pesticidas
Microorganismos que degradan pesticidas
Bacillus metamidofos, Aspergillus, Penicillium, Pseudomonas y levadura de botella
Atrazina (AT) Aspergillus fumigatus, Aspergillus pyrozoum, Rhizopus spp., Fusarium moniliforme, Fusarium pink, Fusarium oxysporum, Fusarium recumbens, Penicillium purpurogenum, Penicillium leucophylla, Penicillium glabrata, hongos de pudrición blanca, hongos micorrízicos, Pseudomonas, Rhodococcus, Nocardia
Hongo Urea nº3
Anti-muerte Alcaligenes
2,4-D Pseudomonas, Achromobacter, Arthrobacter, Corynebacterium, Flavobacterium, Sporogenous Cellulophorus, Streptomyces, Aspergillus, Bacterias Nocardia,
DDT Achromobacter, Aerobacter, Bacillus, Clostridium, Escherichia, Pseudomonas, Proteus, Streptococcus, Achromobacter, Xanthomonas, Erwinia, Clostridium pasteurella, Agrobacterium tumefaciens, Aerobacter aerogenes, Fusarium, Nocardia, Trichoderma viride, etc. .
Hongos de podredumbre blanca C-body 666, Clostridium Bacillus sp., Escherichia, Escherichia coli, Clostridium sporogenes, etc.
Paratión Escherichia coli, Bacillus
Bacillus heptacloro, Fusarium y Sporax, Nocardia, Aspergillus, Rhizopus, Streptococcus
Triclorfón Aspergillus, Fusarium
Dichlorvos Pseudomonas
Bacillus dieldrin, Pseudomonas
Fusarium aldrin, Penicillium
Dimetoato de Pseudomonas
2,4,5-T Achromobacter, Mycobacterium
La esencia de la degradación bacteriana de los pesticidas es una enzima reacción, es decir, el compuesto ingresa al cuerpo bacteriano de cierta manera y luego pasa por una serie de procesos bajo la acción de varias enzimas. Es una reacción fisiológica y bioquímica que finalmente degrada o descompone completamente los pesticidas en no tóxicos o menos tóxicos. compuestos con pesos moleculares más pequeños. Por ejemplo, la atrazina es la única fuente de carbono de las cepas de Pseudomonas ADP y tres enzimas participan en las primeras reacciones de degradación de la atrazina. La primera enzima es AtzA, que cataliza la reacción de hidrólisis y decloración de la atrazina para obtener hidroxiatrazina no tóxica. Esta enzima es la enzima clave para la biodegradación de la atrazina. La segunda enzima es AtzB, que cataliza la hidrólisis y la decloración de la atrazina. la reacción de decloraminación produce ácido N-isopropilcianúrico; la tercera enzima es AtzC, que cataliza el ácido N-isopropilcianúrico para producir ácido cianúrico e isopropilamina. Finalmente, la atrazina se degrada en CO2 y NH3. Algunos de los sistemas enzimáticos producidos por microorganismos son sistemas enzimáticos constituyentes, como la degradación y metabolismo de los pesticidas metamidina por Pseudomonas mendoza DR-8. Las enzimas producidas se distribuyen principalmente en los componentes de la pared celular y la membrana celular; como Wang Yongjie et al. obtuvieron las enzimas degradantes producidas por bacterias degradantes activas de amplio espectro de pesticidas organofosforados. Dado que las enzimas degradantes suelen tolerar mejor condiciones ambientales anormales que los microorganismos que las producen, la eficiencia de degradación de las enzimas es mucho mayor que la de los propios microorganismos, especialmente para los pesticidas de baja concentración. medios eficaces para purificar la contaminación por pesticidas. Sin embargo, las enzimas degradativas se inactivan fácilmente mediante degeneración abiótica, adsorción en el suelo, etc. en el suelo, y es difícil mantener la actividad de degradación durante mucho tiempo. Además, la movilidad de las enzimas en el suelo es deficiente, lo que limita la aplicación práctica de los degradantes. enzimas. Muchos experimentos han demostrado ahora que la mayoría de los genes que codifican y sintetizan estos sistemas enzimáticos se encuentran en plásmidos, como la biodegradación del 2,4-D, que está controlada por los genes transportados por los plásmidos. Mediante el efecto sinérgico de los genes sobre los plásmidos y los genes sobre los cromosomas, los pesticidas se degradan en los microorganismos. Por lo tanto, utilizando la tecnología de la biología molecular, se pueden construir artificialmente "bacterias diseñadas" para realizar mejor el deseo de la humanidad de utilizar microorganismos para degradar los pesticidas.