Přednášky na bílém

Přehled přednášek Biotechnologie a technická mikrobiologie
I. Čistírenská mikrobiologie
Mikroorganismy:
Viry a bakteriofágy
Bakterie:
Vločkotvorné
Degradační a transformační
Vláknité
Biologické pěnění
Biologické problémy při separaci kalu
Houby
Prvoci
Eucarya
Způsob mikroskopické kontroly kalů
Metody zkoumání mikrobiálních procesů
v čistírenství (i v jiných prostředích)
Mikrobiální odstraňování dusíku
Mikrobiální odstraňování fosforu
Anaerobní procesy
Předčišťování OV s obsahem toxických látek
Výskyt parazitů v odpadních vodách a
kalech
II. Ostatní environmentální biotechnologie
Mikrobiální čištění odpadního vzduchu
Bioremediace půd a podzemních vod
Fytoremediace
Kompostování
Biosorpce, biomethylace
Desinfekce pitné vody
III. Mikrobiální rozklad nejvýznamnějších
polutantů
Mikrobiální rozložitelnost sloučenin - úvod
Uhlovodíky alifatické
Uhlovodíky aromatické
Chlorované organické látky
Plasty
IV. Aplikace imobilizovaných buněk
Mikroorganismy aktivovaných kalů
1. VIRY
Živočišné viry (rotaviry, enteroviry, viry hepatitidy A, HIV a.j.)
Bakteriofágy
2. BAKTERIE - Dominantní skupina mikroorganismů v AK
Vločkotvorné
Degradační
Transformační
Vláknité
3. HOUBY
4. PRVOCI
5. EUCARYA
(Zoogloea + mnohé další)
(rozklad organických látek na CO2 a vodu)
(nitrifikační, denitrifikační, poly-P baktérie aj.)
Tvorba mikrovloček buňkami bakterií
Barveno krystalickou violetí, zvětšení 1000 x
Vločky aktivovaného kalu, zvětšení 100 x
BIOFLOKULACE – proces tvorby vloček
Buňky mikroorganismů, nečistoty a nerozpuštěné částice jsou stmeleny
hmotou nazývanou matrix
Matrix je tvořena zejména - bakteriálními extracelulárními polymery
- biopolymery uvolněnými po rozpadu buněk
- polymery obsaženými v OV
Soudržnost vloček je dána (dle různých teorií):
- přitažlivými silami prostřednictvím různě nabitých složek
- gelovací schopností bakteriálních alginátů
- schopností bivalentních kationtů poutat dvě záporně nabité složky
Vločky rychle „vychytávají“ mikrobiální buňky z přitékající OV, rovněž mohou
poutat ionty (těžkých) kovů. Mají význam při ochraně bakteriálních buněk
vůči účinkům některých toxických látek.
Zoogloea
Význam vláken pro tvorbu vloček AK, zvětšení 200 x
fázový kontrast
PRINCIP FÁZOVÉHO
KONTRASTU
Objektiv
Fázová destička
Stolek s
preparátem
Čočka kondenzoru
Prstenčitá clona
Vláknité mikroorganismy AK
30 – 35 typů (mezinárodní klasifikace dle Eikelbooma)
Rozlišování na základě mikroskopických charakteristik:
- délka a průměr vlákna, větvení, tvar vlákna, tvar buněk
- viditelnost sept, pouzder a granulí
- růst epifytických bakterií, pohyblivost
- Gramovo a Neisserovo barvení
Nadměrný výskyt vláken:
- otvírání struktury vloček
- přemosťování vloček

Vláknité bytnění kalu
Vláknité mikroorganismy AK - vláknité bytnění
Vláknité mikroorganismy AK - vláknité bytnění
Vláknité mikroorganismy AK
Vlákna otevírající strukturu vloček:
Microthrix parvicella, Nostocoida limicola
Typ 0041, Typ 0675, Typ 0092, Typ 1701, Typ 1851
Vlákna přemosťující vločky:
Sphaerotillus natans, Typ 0041, Typ 021N, Typ 1701
Haliscomenobacter hydrossis, Microthrix parvicella a.j.
Vláknité mikroorganismy AK vlákna otevírající strukturu vloček
Vláknité mikroorganismy AK vlákna přemosťující vločky
Nejvýznamnější vláknité mikroorganismy v ČR
Microthrix parvicella
Nostocoida limicola I, II, III
Typ 0041, Typ 0675
Typ 0092, Typ 0803
Haliscomenobacter hydrossis
Typ 1851, Typ 021N
Typ 0961, Typ 1863
Aktinomycéty – NALO, GALO,
– PTLO
Sphaerotillus natans
Thiothrix
Microthrix parvicella
Vlákna 100 – 400 μm dlouhá
Šířka 0,5 – 0,8 μm
Septa nepozorovatelná (FK)
Gram +
Neisser granule +
Barvení dle Neissera, zvětšení 1000 x
Nostocoida limicola I
Vlákna 50 – 200 μm
dlouhá
Šířka 0,6 – 0,8 μm
Tvar vlákna stočený
Septa obvykle
nepozorovatelná FK
Gram + (buňky kokovité)
Neisser +
Gramovo barvení, 1000 x
Nostocoida limicola II
Vlákna 100 – 200 μm, šířka 1,0 – 1,4 μm
Tvar vlákna stočený, buňky kulovité, oválné až diskoidní
Gram variabilní (spíše -), Neisser variabilní (spíše +), septa často zřetelná FK
Barvení dle Neissera, zvětšení 1000 x
Fázový kontrast
Nostocoida limicola III
Vlákna 200 – 300 μm, Šířka 1,6 – 2,0 μm
Tvar vlákna stočený
Buňky často kulovité, ale i oválné až diskoidní (septa dobře viditelná FK)
Gram +
Neisser +
Barvení dle
Neissera
1200 x
Typ 0041, Typ 0675
(Typ 0041/0675)
Mírně prohnutá vlákna, Typ 0041 delší (až 400 μm) a silnější (1,0 – 1,9 μm)
Často epifytické nárosty
Gram + nebo gramlabilní
Neisser -
Fázový kontrast
Gramovo barvení, 1000 x
Typ 0092
Vlákna 50 – 100 μm, šířka 0,6 – 1,0 μm, často vyčnívají z vloček
Septa téměř nerozpoznatelná
Gram –
Neisser +
Preparáty dle Neissera, 1000 x
Haliscomenobacter hydrossis
Jemná vlákna dlouhá do 100 μm, šířka jen 0,35 – 0,45 μm
rovná nebo mírně zahnutá, vyčnívají z vloček
Septa obvykle nepozorovatelná FK
Gram Neisser -
Barvení dle Grama
1000 x
Typ 021N
Přímé světlo, 800 x
Typ 021N
Fázový kontrast
1000 x
Typ 0961
Vlákna přímá nebo prohnutá: 50 – 500 μm, šířka 0,8 – 1,5 μm
Buňky obdélníkové, septa pozorovatelná fázovým kontrastem
Gram Neisser -
Gramovo barvení
1000 x
Typ 1863
Vlákna do 150 μm, někdy stočená, šířka 0,8 – 1,5 μm, volně mezi vločkami
Buňky oválné, dobře viditelné
Gram - Neisser -
Gramovo barvení
1000 x
Aktinomycéty - NALO, GALO, PTLO
Vlákna s pravým větvením, často mycélia nebo chomáčky
Gram + Neisser – s granulemi často +
Fázový kontrast 200 x
Fázový kontrast 1000 x
Aktinomycéty - NALO, GALO, PTLO
Vlákna s pravým větvením, často mycélia nebo chomáčky
Gram + Neisser – s granulemi často +
Gramovo barvení, 1000 x
Gramovo barvení, 1400 x
Aktinomycéty - NALO, GALO, PTLO
Vlákna s pravým větvením s ostřejším úhlem, často mycélia nebo chomáčky
Gram + Neisser – s granulemi často +
Gram
1200 x
Sphaerotillus natans
Vlákna s nepravým větvením, 100 – 1000 μm, rovné nebo mírně prohnuté
Buňky tyčkovité se zaoblenými konci
Gram - Neisser -
Fázový kontrast, 1000 x
Fázový kontrast, 200 x
Thiothrix
Vlákna rovná nebo mírně prohnutá, buňky obdélníkové
Septa snadno viditelná
Přítomnost sirných granulí (FK), sirný test +
Gram – ( + při velkém množství granulí), Neisser -
Potlačení vláknitých organismů
Nespecifické zákroky
- desinfekce (chlór, peroxid vodíku, ozon)
- instalace selektorů
Specifické zákroky
- přídavek nutrientů, snížení koncentrace kalu
- změna koncentrace kyslíku
- změna stáří kalu (?), sběr flotující biomasy
- výměna kalu, přídavek koagulantů
Skupiny morfotypů vláknitých mikroorganismů
Mikroorganismy
Společné vlastnosti
Možnosti potlačení
Skupina I: Růst při nízké
koncentraci rozp. O2
S. natans, Typ 1701,
H. hydrossis
Využívají snadno
rozložitelné substráty.
Růst při různém stáří kalu.
Selektory s postupným tokem (AE, AN i
ANOX).
Zvýšení stáří kalu.
Zvýšení koncentrace kyslíku nad 1,5 mg/l
Skupina II: Růst v
aerobní mixotrofní zóně
Využívají snadno
rozložitelné substráty
(nižší org. kys.).
Tvoří ze sulfidů sirné
granule.
Růst při deficitu nutrientů.
Selektory s postupným tokem (AE, AN i
ANOX).
Dodávka nutrientů.
Omezení přísunu sulfidů a org. kyselin.
Využívají snadno
rozložitelné substráty.
Výskyt při středním až
vysokém stářím kalu.
Selektory s postupným tokem (AE, AN i
ANOX).
Snížení stáří kalu.
Rozšířené v systémech s
AE, ANOX i AN stupni.
Výskyt při vysokém stáří
kalu.
Možný růst na hydrofobních
substrátech.
Možnosti potlačení nejisté.
Doporučení:
- instalace zařízení pro sběr nerozpuštěných
substrátů (tukolapače)
- dodržení postupného toku v celém systému
- různé stupně (AE, AN, ANOX) dobře
definovat
- dodržet koncentraci O2 nad 1,5 mg/l
- dodržet nízkou koncentraci amonného
dusíku (pod 1 mg N / l)
Thiothrix sp.
Typ 021 N
Skupina III: Růst v
jiných aerobních zónách
Typ 1851
Nostocoida limicola
Skupina III: Růst v AE,
AN i ANOX zónách
M. parvicella,
Typ 0092,
Typ 0041/0675
Zdroj: Martins et al.: Filamentous bulking sludge – a critical review. Water Research, 38, (2004), 793 - 817
PĚNĚNÍ AKTIVOVANÉHO KALU
Nejčastější mikroorganismy působící tvorbu
biologických pěn:
Microthrix parvicella
NALO (Nocardia amarae – like organisms) = GALO (Gordona amarae)
PTLO (Pine Tree – like organisms), Skermania piniformis
Aktinomycéty, rhodokoky
Typ 1863
Nostocoida limicola
Separační problémy při čištění odpadních vod
● Vláknité bytnění
● Biologické pěny
● Dispersní růst
● Neusaditelné mikrovločky
● Viskósní bytnění
● Vzplývání kalu
Dispersní růst
Fázový kontrast
200 x
Neusaditelné mikrovločky
Přímé světlo
100 x
HOUBY
PRVOCI - PROTOZOA
Základní skupiny:
Bezbrví: Bičíkovci
Měňavky
Obrvení:
Nálevníci
Rournatky
Bičíkovci - Flagellata
Přímé světlo
100 x
Měňavky
Améby
Fázový kontrast
200 x
Nálevníci – Ciliata, Infusoria
Nálevníci plovoucí
Přímé světlo
100 x
Přímé světlo
200 x
Nálevníci – Ciliata, Infusoria
Nálevníci lezoucí
Fázový kontrast
200 x
Přímé světlo
200 x
Nálevníci – Ciliata, Infusoria
Nálevníci přisedlí – r. Vorticella
Nálevníci – Ciliata, Infusoria
Nálevníci přisedlí – koloniální
Přímé světlo
100 x
Fázový kontrast
200 x
Rournatky – Suctoria
Význam nálevníků pro kvalitu odtoku
Parametr odtoku
BSK
(mg/l)
CHSK
(mg/l)
Org. dusík (mg/l)
Zákal
(A 620)
Počet bakterií (CFU/ml)
Systém s nálevníky
7 – 24
134 – 142
7 – 10
0,23 – 0,34
103 – 104
Bez nálevníků
53 – 70
198 – 250
14 – 21
0,95 – 1,42
105
EUCARYA: Vířníci – Rotaria, Rotatoria
Přímé světlo
100 x
EUCARYA: Hlístice - Nematoda
EUCARYA: Máloštětinatci - Oligochaeta
EUCARYA: Želvušky - Tardigrada
EUCARYA: Rozsivky - Diatomae
ZÁKLADNÍ CÍLE MIKROSKOPICKÉ KONTROLY AK
● Charakterisace vloček kalu s ohledem na jejich separovatelnost
● Zjištění přítomnosti vláknitých mikroorganismů, jejich
kvantifikace, případně identifikace dominantních typů
● Zhodnocení různorodosti a četnosti protozoálního oživení a
výskytu mnohobuněčných organismů
● Posouzení možných příčin případné špatné separovatelnosti
● Posouzení výskytu PAO bakterií v systémech s biologickým
odstraňováním fosforu (Neisserovo barvení)
MIKROSKOPICKÝ OBRAZ ATIVOVANÉHO KALU
● Omezená přítomnost vláknité populace (do stupně 4 – 5)
● Výskyt pevných, nejlépe sférických vloček střední velikosti
● Absence dispersního růstu, absence částic v tekutině
● Absence nebo nízká četnost plovoucích nálevníků a bičíkovců
● Přítomnost lezoucích a přisedlých nálevníků nad 103 / ml
● Nepřítomnost hlístic a oligochét
BIOLOGICKÉ ODSTRAŇOVÁNÍ DUSÍKU
AMONIZACE
– proces uvolňování amoniaku a amonných solí při
rozkladu organických látek (amonizační bakterie)
NITRIFIKACE
– aerobní přeměna amoniaku a amonných solí na
dusitany a dusičnany (nitrifikační bakterie)
DENITRIFIKACE – anaerobní redukce dusitanů a dusičnanů na plynné
produkty: oxid dusný a dusík (denitrifikační bakterie:
Paracoccus, Pseudomonas, Alcaligenes, Bacillus aj.)
ANAMMOX – anaerobní oxidace amoniaku:
NH4+ + NO2- → N2 + 2 H2O
ANAMMOX
Mikrobiální proces objevený a popsaný v 90-tých letech 20. století,
v poloprovozním anaerobním bioreaktoru (publikováno Mulderem a kol.,1995).
Obdobné mikroorganismy se vyskytují v mořích, řekách, sedimentech aj.
Jde o unikátní skupinu bakterií z kmene Planctomycetes:
Brocadia
(B. anammoxidans)
Kuenenia
Scalindua
Jettenia
Anammoxoglobus
ANAMMOX – bakterie:
Jsou gramnegativní, anaerobní, relativně pomalu rostoucí, s řadou znaků
odlišných od ostatních bakterií (buněčná stěna proteinová, cytoplasma rozdělena
na
pariphoplasmu a riboplasmu, existence anamoxosomu, výskyt specifických lipidů, laderanů)
Jsou autotrofní, avšak s možností heterotrofního růstu.
Dusitany jsou akceptorem elektronů (a jsou využívány i při fixaci
CO2).
Buňka ANAMMOX - baktérií
DNA
Buněčná stěna
Cytoplasmatická
membrána
Anammoxosom
Membrána
anammoxosomu
Parifoplasma
Vnitřní
membrána
Riboplasma
ANAMMOX – využití
NH4+ + NO2- → N2 + 2 H2O
Je využitelný pro čištění OV s vysokým amoniakálním znečištěním a
nízkým organickým znečištěním.
Výhody: velmi nízká produkce kalu, menší energetické nároky, jen N2
Nevýhoda: dlouhá doba k získání kalu s ANAMMOX bakteriemi
(1. velkoobjemový reaktor v Rotterdamu: doba „náběhu“ 3,5 roku !)
Pro OV s vysokým amoniakálním znečištěním a s určitým organickým
znečištěním je ANAMMOX vhodný v kombinaci s částečnou nitrifikací.
(dvoukalový systém, tzv. SHARON – ANAMMOX proces)
Princip: cca polovina amoniakálního dusíku je v prvním stupni převedena
nitritací na dusitany, které pak slouží ve druhém stupni k anaerobní
oxidaci amoniaku.
Výhody: viz výše + menší prostorové nároky při výstavbě
ANAMMOX – využití
NH4+ + NO2- → N2 + 2 H2O
SHARON – ANAMMOX proces:
Princip: cca polovina amoniakálního dusíku je v prvním stupni převedena
nitritací na dusitany, které pak slouží ve druhém stupni k anaerobní
oxidaci amoniaku.
Nevýhoda: nutnost precizní regulace 1. stupně pro zabezpečení vzniku
dusitanů (tj. nitritace).
Zajištění průběhu nitritace:
- teplota nad 15°C
- koncentrace kyslíku max. 1 mg/l !!!
- pH kolem 8
- stáří kalu nižší než v nitrifikačních stupních ČOV
Dodržení uvedených parametrů umožňuje vypěstovat kal s obsahem nitritačních bakterií
60 – 70% (zjištěno pomocí FISH).
ANAMMOX – využití
NH4+ + NO2- → N2 + 2 H2O
CANON proces:
Je principiálně identický s procesem SHARON – ANAMMOX, avšak je
provozován jako jednokalový systém.
AOB se vyskytují na povrchu vloček (nebo v povrchových částech
biofilmu) a ANAMMOX – bakterie ve vnitřních částech.
Klíčové je dodržení zejména kyslíkového režimu a vstupní koncentrace
amoniaku.
ANAMMOX – využití
NH4+ + NO2- → N2 + 2 H2O
DEAMOX proces:
Jde o 2-kalový systém:
1. stupeň (jen polovina objemu OV): klasická nitrifikace
2. stupeň (+ druhá polovina OV): kombinace denitrifikace s ANAMMOXem
Výhoda: po technické stránce jednodušší než SHARON – ANAMMOX
Mikrobiální odstraňování fosforu
EBPR
(Enhanced Biological Phosphorus Removal)
Poly–P baktérie (PAO):
aerobní druhy, schopné za určitých podmínek zvýšené akumulace
polyfosfátů v buňkách
EBPR systém může vést k odstranění 80 – 85 % fosforu a může zajistit
výstupní koncentraci fosforu pod 0,1 mg / l.
Ani Poly–P baktérie (PAO), ani složitost celého systému však
nejsou ještě dokonale poznány !
Poly-P bakterie
Neisserovo barvení, 1000 x
Mikrobiální odstraňování fosforu
Poly–P baktérie (PAO): aerobní druhy, schopné za určitých podmínek
zvýšené akumulace polyfosfátů v buňkách
Význam anaerobní zóny:
* umožnit průběh kvasných procesů a tím tvorbu nižších mastných kyselin
* krátkodobě znemožnit poly-P bakteriím aerobní respiraci
* umožnit poly-P bakteriím tvorbu vnitrobuněčných zásob PHB
Význam aerobní nebo denitrifikační zóny:
* intenzívní množení poly-P bakterií při využití zásob PHB
* akumulace fosforu ve formě polyfosfátů poly-P bakteriemi
Význam recyklace kalu:
* zajistit přítomnost poly-P bakterií v anaerobní zóně
Mikrobiální odstraňování fosforu
OV
ANAEROBNÍ zóna
AEROBNÍ zóna
bakterie schopné kvašení
Poly-P bakterie (s PHB)
(denitrifikační zóna)
←P
←P
←P
←P
←P
←P
←P
Vratný kal
Přebytečný kal
Mikrobiální odstraňování fosforu
Poly–P baktérie (PAO): Acinetobacter sp. (?), Rhodocyclus sp. (?)
In situ hybridizace:
α – Proteobacteria
 - Proteobacteria
γ – Proteobacteria
Actinobacteria
Cytophaga-Flavobacterium
ANAEROBNÍ ZÓNA
11%
24%
5%
24%
9%
AEROBNÍ ZÓNA
9%
26%
10%
19%
8%
V jiných ČOV však byly zjištěny jiné skupiny bakterií coby dominantní
PAO organismy !!!
Mikrobiální odstraňování fosforu
Poly–P baktérie (PAO):
Rhodocyclus
Accumulibacter ( - Proteobacteria)
Dechloromonas
Microlunatus phosphovorus (Actinobacteria)
Tetrasphaera
Acinetobacter (γ – Proteobacteria)
Microlunatus phosphovorus: G+ koky, 65-66 mol% G+C,
akumuluje fosfor až do množství 23% hmotnosti sušiny buněk
Mikrobiální odstraňování fosforu
G bakterie (GAO): gramnegativní koky rostoucí v tetrádách
● konkurují poly-P bakteriím v anaerobní zóně
● neakumulují PHB, ale glykogen
● neakumulují polyfosfáty v aerobní zóně
● lze je mikroskopicky sledovat v preparátech dle Neissera
● mohou dominovat nad PAO při vyšším podílu sacharidických
substrátů v surové OV
● nízký poměr P/CHSK v surové OV preferuje GAO
vysoký poměr P/CHSK v surové OV preferuje PAO
● (teploty nad 30°C preferují GAO)
● pH 7,2 – 8,0 se jeví jako optimální pro preferenci PAO
Competibacter
Tetracoccus sp. (Proteobacteria)
Amaricoccus sp. (Proteobacteria)
G bakterie (GAO)
Neisserovo barvení, zvětšení 1000 x
Mikrobiální odstraňování fosforu
Neúplné znalosti o PAO, GAO i celkově o systému EBPR jsou
příčinou:
- nižší výkonnosti EBPR na některých ČOV
Celý systém EBPR je založen na společenstvech bakterií (konsorciích)
Žádná doposud isolovaná čistá kultura nesplňuje všechny vlastnosti PAO
bakterií !
Další výzkum by měl zodpovědět tyto otázky:
PAO = GAO ???
Jak jiné bakterie ovlivňují PAO a GAO ???
Je střídání AN/AE či AN/DEN opravdu nutné pro akumulaci fosforu ???
Jaké další skupiny bakterií či jaké další faktory ovlivňují PAO ???
Vztah PAO – GAO může být velmi složitý !
Anaerobní procesy s produkcí methanu
Využití:
● stabilizace (vyhnívání) čistírenských kalů
● čištění OV z potravinářského nebo papírenského průmyslu
● čištění průmyslových OV s obsahem látek, aerobně obtížně rozložitelných
● zpracování pevných organických odpadů z živočišné a/nebo rostlinné
výroby a potravinářství
Mikrobiální procesy při anaerobním rozkladu organické hmoty:
1. Hydrolysa vysokomolekulárních látek (bílkovin, PS, NK) a lipidů
2. Kvasné procesy přeměňující aminokyseliny, organické kyseliny, sacharidy
a ostatní nízkomolekulární sloučeniny
3. Anaerobní oxidace vyšších mastných kyselin a alkoholů
4. Anaerobní oxidace nižších mastných kyselin (kromě octové)
5. Přeměna octanů na methan
6. Přeměna vodíku a CO2 na methan
VÝZNAM KVASNÝCH PROCESŮ – ANAEROBNÍ ROZKLAD
ORGANICKÉ LÁTKY:
BÍLKOVINY
POLYSACHARIDY
NUKLEOVÉ KYS.
LIPIDY
A.J.
Depolymerace makromolekul
Kyseliny propionová,
mléčná, máselná, valerová,
alkoholy
Methanol, methylaminy
Kyselina
mravenčí
peptidy, aminokyseliny
oligo- a monosacharidy
organické kyseliny
glycerol, dusíkaté báze
a další nízkomolekulární látky
CO2 + H2
Kyselina
octová
Methanogenese – tvorba methanu
Skupiny anaerobních mikroorganismů v procesech s
produkcí methanu
● Hydrolytické bakterie
● Kyselinotvorné bakterie
● Acidogenní
● Acetogenní
● kvasné bakterie produkující kys. octovou, vodík a CO2 (OHPA)
● homoacetogenní bakterie tvořící kys. octovou z vodíku a CO2
● Methanogenní mikroorganismy (Archaea)
● Hydrogenotrofní druhy (tvoří methan z vodíku a CO2)
● Acetotrofní druhy (tvoří methan z octové kyseliny)
Syntrofní společenstva: OHPA + homoacetogenní bakterie
OHPA + methanogenní Archaea
Výskyt parazitů v odpadních vodách a kalech
Parazitičtí prvoci
Cryptosporidium parvum, Giardia intestinalis, Entamoeba histolytica
Parazitičtí bezobratlí (Helminti)
Nematoda (Hlístice):
Ascaris lumbricoides – škrkavka dětská
Enterobius vermicularis – roup dětský
Trichuris trichiura – tenkohlavec bičíkový
Cestoda (Tasemnice):
Taenia solium – tasemnice dlouhočlenná
Taenia saginata – tasemnice bezbranná
Hymenolepis nana – tasemnice dětská
Trematoda (Motolice)
Schistozoma sp.
ASCARIS LUMBRICOIDES – ŠKRKAVKA DĚTSKÁ
Zralé vajíčko
(rozměry 45-75 x 35-50 µm)
ENTEROBIUS VERMICULARIS –
ROUP DĚTSKÝ
Ascaris lumbricoides
škrkavka dětská
TASEMNICE DĚTSKÁ
- HYMENOLEPIS NANA
(vajíčko, rozměry 30-50 x 40-60 µm)
TASEMNICE DLOUHOČLENNÁ
- TAENIA SOLIUM
(rozměry 30-35 x 35-40 µm)
MIKROBIOLOGICKÁ KRITERIA PRO POUŽITÍ
ČISTÍRENSKÝCH KALŮ NA ZEMĚDĚLSKÉ PŮDY
Vyhláška MŽP č. 382 / 2001 Sb.
I. Kategorie:
- termotolerantní koliformní b.: < 103 KTJ / g sušiny
- enterokoky:
< 103 KTJ / g sušiny
- Salmonella sp.:
negativní / 50 g sušiny
II. Kategorie:
- termotolerantní koliformní b.: 103 – 106 KTJ / g sušiny
- enterokoky:
103 – 106 KTJ / g sušiny
MIKROBIÁLNÍ PŘEDČIŠŤOVÁNÍ TOXICKÝCH
PRŮMYSLOVÝCH VOD
Provádí se v případech výskytu toxických a/nebo špatně biologicky
rozložitelných sloučenin v OV.
Technické zařízení: mikrobiální kolony
Příklad (ČR):
Odpadní lázeň z chemické výroby:
 aceton 1 – 3 g/l
 acetonitril 100 – 200 mg/l
 kyanid draselný 50 – 100 mg/l
Používaná kultura: Fusarium proliferatum + Rhodococcus equi
METODY ZKOUMÁNÍ MIKROBIÁLNÍCH
PROCESŮ V ČISTÍRENSTVÍ
KLASICKÉ IZOLAČNÍ TECHNIKY - na živných agarech
MIKROMANIPULACE
FISH – fluorescenční in situ hybridizace
MAR – mikroautoradiografie
EXTRAKCE DNA + GEL. ELEKTROFORÉZA (DGGE, TGGE)
Kvantitativní PCR
FISH – fluorescenční in situ hybridizace
POLYMERÁZOVÁ ŘETĚZOVÁ REAKCE - PCR
Každý cyklus zmnožení (amplifikace) zahrnuje:
●
●
●
záhřev na 94°C (rozvláknění DNA)
snížení teploty na 50 - 60°C (vazba primerů)
zvýšení teploty na 72°C (reakční teplota TAQ-polymerasy)
Lze zmnožit úsek o velikosti až dvou tisíc nukleotidů, a to i z jediné molekuly DNA.
Během několika hodin lze pomocí thermocyklerů uskutečnit 20 – 40 cyklů, během
nichž dojde ke 106 – 108 násobnému zmnožení úseku DNA
Interakce mikroorganismů s (těžkými) kovy
1. Interakce mikrobiálních metabolitů s kovy
- produkce silných kyselin vede k rozpouštění minerálních látek (biometalurgie, průsaky z hald)
- produkce slabých kyselin vede k rozpouštění nebo komplexaci minerálních látek
- produkce amoniaku vede k vysrážení těžkých kovů na hydroxidy
- produkce sulfanu vede k vysrážení těžkých kovů na sulfidy
- extracelulární polysacharidy bakterií vedou ke komplexaci (těžkých) kovů
(vychytávání TK z vod kontaktorem)
2. Biomethylace
- methylace Hg2+ : Hg2+ → → CH3Hg+ → → (CH3)2Hg (dimethylrtuť)
- methylace Cd2+, Pb4+, As3+ a dalších kovů
- dopad na pohyb těžkých kovů v prostředí
- možnost mikrobiálního odstraňování methylovaných forem těžkých kovů
3. Biosorpce
Mikrobiální čištění odpadního vzduchu
Použití:
1. Rozklad těkavých organických sloučenin, zejména rozpouštědel
(lakovny, barvírny, chemické výroby apod.)
2. Transformace některých anorganických látek
(chemické výroby)
3. Záchyt, rozklad a přeměna směsí zapáchajících látek
(odstraňování pachů z rozkladných procesů, kafilerií, ČOV apod.)
Nejpoužívanější mikroorganismy:
Pseudomonas putida, Pseudomonas fluorescens, Rhodococcus sp.,
Corynebacterium sp., Nocardia sp., Hyphomicrobium sp.,
Thiobacillus sp., Acidithiobacillus sp.
Bioremediace půd a podzemních vod
● Postupy (mikro)biologické dekontaminace půd a podzemních vod
● Převážně aerobní procesy
● Odstraňování ropných látek, fenolických sloučenin
jen ojediněle pesticidů, PCB, chlorovaných rozpouštědel
Bioremediace
●
Stimulace přirozené mikroflory znečištěné lokality
- zabezpečení vhodných fysiologických podmínek + přívodu kyslíku
- přísun minerálních živin
- přísun organických živin
●
Intenzifikace specifickými zásahy
- aplikace degradačních mikroorganismů
- aplikace detergentů
- využití kometabolického rozkladu
Bioremediace půd a podzemních vod
Lokalizace bioremediací:
Bioremediace ex situ
- půdní hromady
- degradace v bioreaktorech
Bioremediace in situ
- bioventing (půdy)
- biostripping (podzemní vody)
- technologie „pump and treat“
Kompostování
Termofilní aerobní způsob zpracování pevných odpadních materiálů
- rostlinných zbytků
- organických odpadů z domácností, kuchyní, potravinářského průmyslu
- odpadů z živočišné výroby
Charakteristickým jevem je vznik humusu coby konečného produktu
Významné faktory při kompostování:
- surovinová skladba (poměr C:N, množství fosforu)
- dostatečné množství strukturního materiálu
- vzdušnění (přístup kyslíku)
- přítomnost mikroorganizmů
- vhodná vlhkost
Desinfekce vody (zejména pitné)
Základní požadavky na desinfekční prostředky:
Desinfekční účinek: činidlo musí usmrcovat či inaktivovat širokou škálu
patogenních mikroorganismů
Zacházení: snadná manipulace a aplikace, činidlo by mělo být bezpečné
Kontrola: dostupné analytické metody ke stanovení koncentrací včetně zbytkových
Zbytkový (residuální) účinek: činidlo by mělo v nízkých koncentracích přetrvávat
ve vodovodním řádu
Toxicita: činidlo by nemělo být toxické ani by nemělo produkovat toxické látky při
aplikaci
Desinfekce vody (zejména pitné)
Činidlo - způsob
Výhoda(y)
Nevýhoda(y)
Residuální úč.
Vedl. produkty
Chlor
několik
tvorba THM
ano
THM, radikály
Chloraminy
několik
dávkování
ano
--
Chlordioxid
ClO2
bez THM
dávkování
ano
--
Ozon
účinnost
nestabilní
ne
peroxidy
Peroxidy,
oxidanty
kombinace
složitost
ne
radikály kyslíku
Jód + jeho
sloučeniny
nekorozivní
slabší účinek
částečně
--
lokálně
nutno kombin.
ano
--
--
reaktivace
ne
radikály kyslíku
Záhřev
účinek
malé objemy
ne
--
Filtrace
účinek
náročné
ne
--
Elektrochemie
účinek
lokální použití
ne
--
Fotokatalýza
účinek
komplikované
ne
--
Kovy
UV záření
Mikrobiální rozklad sloučenin
Základní pojmy:
Xenobiotika
Rekalcitrantní (persistentní) látky
Degradace
Biodegradace Biotransformace
Dead-end produkt(y)
Mineralizace
Mikrobiální rozklad cizorodých látek
1. Využití organických látek jako zdrojů uhlíku a/nebo energie
2. Využití org. i anorg. látek jako zdrojů prvků (dusíku, síry)
3. Kometabolismus
4. Využití látek jako akceptorů elektronů při anaerobní respiraci
5. Náhodný rozklad bez jakéhokoliv zisku
Rozklad cizorodých látek směsnými mikrobiálními populacemi
- potřeba růstových faktorů (vitaminů, aminokyselin, koenzymů)
- odstraňování toxických meziproduktů
- společné (případně sekvenční) působení enzymů
PŘÍKLADY REKALCITRANTNÍCH XENOBIOTIK
•
•
•
•
DDT
PCB
TARTRAZIN
ABS – alkyl benzen sulfonát
PŘÍKLADY XENOBIOTIK
DDT
1,1,1-trichlor-2,2-bis(p-chlorofenyl)ethan
PCB
Tartrazin
ABS
Lineární alkyl benzen sulfonát
PŘÍKLADY
XENOBIOTIK II
O
C
Et
O
CH 2
CH
Bu-n
DEHP
C
O
O
CH 2
CH
Et
Bu-n
PŘÍKLADY
XENOBIOTIK III
Polyvinylalkohol a
polyethylenglykoly
― CH2 ― CH ―
PVA
|
OH
n
H ― O ― CH2 ― CH2 ― OH
n
PEG
Mikrobiální rozklad sloučenin
Základní pojmy:
Xenobiotika
Rekalcitrantní (persistentní) látky
Degradace
Biodegradace Biotransformace
Dead-end produkt(y)
Mineralizace
Mikrobiální rozklad cizorodých látek
1. Využití organických látek jako zdrojů uhlíku a energie
2. Využití org. i anorg. látek jako zdrojů prvků (dusíku, síry)
3. Kometabolismus
4. Využití látek jako akceptorů elektronů při anaerobní respiraci
5. Náhodný rozklad bez jakéhokoliv zisku
Rozklad cizorodých látek směsnými mikrobiálními populacemi
- potřeba růstových faktorů (vitaminů, aminokyselin, koenzymů)
- odstraňování toxických meziproduktů
- společné (případně sekvenční) působení enzymů
KOMETABOLICKÝ ROZKLAD POLUTANTŮ
● Podléhají mu jen některé látky (TCE, DCE, PCB, chloroform, dichlormethan,
vinylchlorid, některé PAH, MTBE, aj., včetně některých polymerních látek)
● Je založen na účinku inducibilních bakteriálních enzymů (většinou oxygenas)
● Tvorba enzymů v buňkách musí být vyvolána induktorem
● K degradaci polutantů dochází díky širší substrátové specificitě mnohých oxygenas
● Rychlost rozkladu polutantu je obvykle nejvyšší po spotřebování induktoru buňkami
(dáno afinitou enzymů)
● U přirozených bakteriálních kultur je schopnost kometabolického rozkladu relativně
krátkodobá, často ji však lze obnovit
● Konečné produkty kometabolického rozkladu musí být experimentálně zjištěny
případ od případu
BAKTERIÁLNÍ OXYGENASY
alkan-monooxygenasa + O2
R-CH2-CH2-CH3
R-CH2-CH2-CH2OH
NADPH + H+
NADP+ + H2O
BAKTERIÁLNÍ OXYGENASY – toluen dioxygenasa
TVORBA ATP - ANAEROBNÍ RESPIRACE
+ +
ATP-synthasa
+ +
++
2H+ + 2e+ NO3¯
- - - H2O
NO2¯
FAD
- -
ATP
Periplasmatický
prostor
FADH2
NAD
ADP+ Pi
Buněčná
stěna
NADH2
Cytoplasmatická
membrána
Vnitřní část buňky
DUSIČNANY,DUSITANY,SÍRANY
CHLOROVANÉ SLOUČENINY
ORGANICKÉ LÁTKY, H2
TESTOVÁNÍ BIODEGRADABILITY SLOUČENIN A
MATERIÁLŮ
a) Směsnými kulturami
- půdními
- kalů (aerobních, anaerobních)
- vod (říční, jezerní, mořské)
- kompostů
- sedimentů
b) Čistými či definovanými kulturami
- bakteriálními, plísňovými, kvasničnými …
- složenými
Faktory ovlivňující mikrobiální rozklad sloučenin
1.
2.
3.
4.
5.
Kontakt sloučeniny s enzymy
Fyzikální stav, rozpustnost, adsorpce sloučeniny na jiné částice
Náboj
Toxicita a koncentrace
Struktura organických molekul
- snadno metabolizovatelné struktury: obsahující esterové, amidové a
aminové vazby
- obtížně metabolizovatelné struktury: obsahující kvarterní uhlík
- nepřirozené či málo obvyklé struktury: uhlík – (poly)halogen,
nitroskupina, diazoskupina, aromatické sulfokyseliny
- stupeň větvení uhlíkatého řetězce
- charakter substituentů, jejich počet a poloha
6. Faktory ovlivňující mikrobiální činnost (teplota, pH, prvky, růst. faktory)
7. Přítomnost nebo absence kyslíku
8. Charakter prostředí
2,4-D
Terminální oxidace alifatických uhlovodíků
(Pseudomonas oleovorans)
alkan-monooxygenasa + O2
R-CH2-CH2-CH3
R-CH2-CH2-CH2OH
NADPH + H+
NADP+ + H2O
NAD+
alkohol-dehydrogenasa
NADH+H+
aldehyd-dehydrogenasa
R-CH2-CH2-COOH
R-CH2-CH2-CHO
NADH+H+
NAD+ + H2O
Utilizace aromatických uhlovodíků
benzaldehyd
kys. mandlová
anthracen
fenanthren
naftalen
o-kresol
kys. antranilová
toluen
bifenyl
kys. benzoová
kys. salicylová
benzen
fenol
OH
katechol
OH
ortho-štěpení
katechol-1,2-dioxygenasa
kys. jantarová + acetyl-koA
O2
O2
meta-štěpení
katechol-2,3-dioxygenasa
kys. mravenčí + kys. pyrohroznová
+ acetaldehyd
Bakteriální degradace chlorovaných sloučenin
Degradace v aerobním prostředí
1. Využití chlorovaných látek jako zdrojů uhlíku a energie
a) Hydrolytická dehalogenace
Xanthobacter, Rhodococcus, Pseudomonas, Sphingomonas, Agrobacterium, Ralstonia, Nocardia,
Mycobacterium aj., rozkládají:
kys. monochloroctovou, 4-chlorbenzoovou, mono- i dichlorpropionovou, 1,2-dichlorethan,
vinylchlorid, lindan, chloralkany, degradační produkty rozkladu mono- a dichlorfenolů aj.
Klíčové enzymy: různé typy dehalogenas (např. haloalkan dehalogenasa)
b) Thiolytická, dehydrohalogenační nebo reduktivní dehalogenace
utilizují dichlormethan
Sphingomonas paucimobilis: utilizuje lindan (dehydrohalogenasou a dehalogenasou)
Azotobacter chroococcum: utilizuje 2,4-D, odštěpuje Cl reduktivní cestou
Methylotrofní bakterie:
c) Oxidativní dehalogenace
Rozklad zahajují oxygenasy. Haloalifatické i haloaromatické sloučeniny.
Burkholderia sp.:
utilizuje 1,2,4,5-tetrachlorobenzen
Sphingomonas chlorphenolica, Mycobacterium chlorphenolicus: utilizují PCP (pomalu !)
Mycobacterium sp.: utilizuje vinylchlorid (klíčovým enzymem je ethen-monooxygenasa)
2. Kometabolický rozklad – bez užitku nebo s pranepatrným ziskem
TCE, PCB
Schéma rozkladu trichlorethylenu bakterií Ralstonia sp.
Cl
H
fenol-2-monooxygenasa
C = C
Cl
Cl
kyslík, NADPH
Cl
H
TCE-epoxid
C ─ C
Cl
Cl
O
Trichlorethylen
(TCE)
Spontánní hydrolysa
Kyselina glyoxylová
Kyselina mravenčí
CO
Cl‾
Bakteriální degradace bifenylů (včetně chlorovaných)
H
OH
Bifenyldioxygenasa
kyslík
OH
H
COOH
Kyselina
benzoová
H2C
CH ― CH
C ― COOH
OH
Bakteriální degradace chlorovaných sloučenin
Degradace v anaerobním prostředí
1. Využití chlorovaných látek jako zdrojů uhlíku a energie
Acetobacterium dehalogenans: utilizuje chloromethan, dichloromethan
Dehalobacterium formicoaceticum: utilizuje dichloromethan
2. Využití chlorovaných látek k anaerobní respiraci (halorespirace)
(PCB, trichlorfenoly, trichlorethan, tetrachlormethan, tetrachlorethylen,
hexachlorcyklohexan, hexachlorbenzen, 1,2-dichlorpropan, chloroaniliny, chlorofenoly,
pesticidy picloram a bromacil, některé PCDD, PCDF…)
Dehalococcoides ethenogenes: redukuje PCE až na ethen !
Dehalobacter sp.:
redukuje PCE na cis-DCE
3. Kometabolický rozklad při jiných AN respiracích
Řada anaerobních bakterií redukuje haloalkany (např. CCl4, PCE na TCE) bez užitku,
během jiných AN respirací. Tento proces je však velmi pomalý.
4. Neenzymová dechlorace
Tetrachlormethan může být redukován na chloroform, dichlormethan, monochlormethan a
methan za katalýzy hemem nebo deriváty kobalaminu.
Degradace (poly)chlorovaných sloučenin
v anaerobním prostředí - halorespirace
Cl
Cl
NADH2
NAD
Cl
C═C
Cl
H
C═C
Cl
Cl
HCl
Cl
TCE
PCE
+
NADH2
NAD
H
HCl
+
H
NAD
NADH2
H
C═C
H
H
+
C═C
Cl
Cl
Cl
DCE
HCl
Faktory ovlivňující mikrobiální rozklad polymerů
● Struktura polymeru:
- přítomnost hydrolyzovatelných skupin
- přítomnost heteroatomu(ů)
- větvení řetězce
● Molekulová hmotnost
● Krystalinita a morfologie, hydrofobita
● Prostředí
Biologicky téměř nedegradabilní plasty
polyethylen, polypropylen
polystyren
polyvinylchlorid
polyethylen tereftalát
Biodegradabilní plasty
polyhydroxyalkanoáty (PHAs)
poly-ε-kaprolakton
(PCL)
polymléčná kyselina (PLLA)
kopolymerní estery s tzv. BTA-strukturou
polyvinylalkohol
(PVA)
Bakteriální polyestery
R
O
|
||
― CH ― (CH2) ― C ― O ―
poly--hydroxyalkanoáty
(PHAs)
n
CH3
O
|
||
― CH ― (CH2) ― C ― O ―
poly--hydroxybutyrát
(PHB)
n
Bakteriální polyestery
poly--hydroxybutyrát-co-poly--hydroxyvalerát
PHB-co-PHV
(BIOPOL)
Syntetické alifatické polyestery I
O
||
― CH2 ― CH2 ― CH2 ― CH2 ― CH2 ― C ― O ―
poly--kaprolakton
(PCL)
n
CH3
CH
HO
O
||
C
O
C
||
O
CH
CH3
CH3
CH
O
n
OH
C
||
O
kys. polymléčná
(PL)
(PLLA)
Syntetické alifatické polyestery II
Kondenzáty diolů s organickými dikarboxylovými org. kyselinami:
― O ― (CH2)4 ― O ― C ― (CH2)4 ― C ―
||
||
O
O
n
Kopolymery alifatických a aromatických esterů:
BTA-struktura (butandiol, tereftalová kyselina, adipová
kyselina)
Aromatické polyestery
— C
O
C — O — CH2 — CH2 — O —
O
n
PET
Polyvinylalkohol a polyethylenglykoly
― CH2 ― CH ―
PVA
|
OH
n
H ― O ― CH2 ― CH2 ― OH
n
PEG
UPŘESNĚNÍ
BIOLOGICKY NEDEGRADABILNÍ PLASTY
- v běžných podmínkách vnějšího prostředí jsou rozkládány během
stovek až tisíců let
- tyto polymery však mohou být za určitých, velmi specifických podmínek
mikrobiálně degradovány výrazně rychleji (NAPŘ. V LABORATOŘÍCH)
BIODEGRADABILNÍ PLASTY
Jsou polymery mikrobiálně rozložitelné za všech běžných podmínek
vnějšího prostředí (např. bakteriální polyestery, zvl. BIOPOL)
Pokud toto nesplňují, neměly by být jako biodegradabilní označovány
nebo by měly být označeny za biodegradabilní jen v konkrétním typu
prostředí (např. v kompostech)