بررسي قابليت زيست افزايي لجن گرانوله هوازي براي تجزيه 4-كلروفنل و بنزيل الكل

نويسنده: محمد طايفه رفيعي
استاد راهنما: عليرضا مصداقي نيا، محمد حسين قهرماني
استاد مشاور: سيمين ناصري، رامين نبي زاده، جواد حامدي
تاريخ دفاع: 1391/07/01
مدرك: دكتري تخصصي بهداشت محيط
دانشگاه: علوم پزشكي وخدمات بهداشتي درماني تهران، بهداشت، مهندسي بهداشت محيط
چكيده: تركيبات كلروفنل از مهمترين آلاينده هاي اولويت دار مي‌باشند. وجه مشخصه اين تركيبات سميت و پايداري بالاي آنها و نيز كاربرد گسترده آنها در فعاليت‌هاي صنعتي و كشاورزي است. همچنين كلروفنلها بدليل پايداري بالا و سميت ذاتي خود براي ميكروارگانيسمها كمتر تحت تاثير فعاليت‌هاي تجزيه‌اي آنها قرار مي‌گيرند. لذا قابليت ميكروارگانيسمها در تجزيه اين تركيبات زيست ستيز بدليل پايداري زيست محيطي و سميت اين تركيبات توجهات زيادي را معطوف خود ساخته است. در طي ساليان اخير فرآيند گرانولاسيون هوازي توجه محققاني كه در زمينه تصفيه بيولوژيكي فاضلاب كار مي‌كنند را به خود جلب كرده است. شرايط ديناميك موجود در بهره برداري سيستم هاي ناپيوسته نظير راكتور ناپيوسته متوالي (SBR) با القاء توليد آنزيمهاي مورد نياز، مسيرهاي تجزيه‌اي دخيل در تجزيه بسياري از آلاينده‌هاي آلي را فراهم مي‌آورد. در اين مطالعه زيست افزايي لجن گرانوله هوازي در تجزيه 4-كلروفنل مورد بررسي قرار گرفت. همچنين اثر سينرژيستي يا آنتاگونيستي ساير تركيبات آلي كه در پساب هاي صنايع مختلف وجود دارند با بررسي حضور همزمان 4-كلروفنل و بنزيل الكل بعنوان يك تركيب زيست ستيز مدل مورد مطالعه قرار گرفت.
دو راكتور SBR ستوني شكل هر كدام به حجم 2 ليتر در دماي oC 25 براي بررسي بازدارندگي لخته‌هاي لجن فعال و بيومس گرانوله هوازي در نسبت هاي مختلف COD4CP/CODTotal در دامنه 1-0 مورد استفاده قرار گرفت. نسبت H/D در هر دو راكتور مورد استفاده برابر با 20 بوده است. از چهار سنگ هوا براي هوادهي و نيز اختلاط مايع مخلوط با نرخ هوادهي تا حداكثر l/min4 استفاده شد. هر سيكل كاري SBR، 6 ساعت بوده و از مايع مخلوط برداشته شده از تصفيه خانه فاضلاب شهري بدليل تنوع جمعيت ميكروبي آن براي تلقيح راكتور استفاده شد. حداكثر نرخ مصرف سوبسترا (qmax)، نرخ ويژه جذب اكسيژن (SOUR) و همچنين راندمان حذف 4CP و COD براي ارزيابي بازدارندگي 4CP مورد توجه قرار گرفت. براي شبيه سازي هرچه بيشتر فاضلاب هاي صنعتي و نيز اطمينان از داشتن بار آلي مورد نياز براي ايجاد گرانولهاي هوازي از مونواتيلن گليكول (MEG) بعنوان سوبستراي بيولوژيك استفاده شد. بعد از دستيابي به شرايط پايدار، با تغيير شرايط بهره برداري نظير زمان ته نشيني، نرخ هوادهي، نسبت جابجايي حجمي، رژيم تغذيه و... در راكتور GSBR گرانول‌هاي هوازي محكم، گرد و پايدار (mm 81/12 = Davg) بعد از 16 هفته كاري ايجاد گرديد.
با حفظ COD كل mg/L 1000، بيومس به تدريج با غلظت هاي افزايشي در دامنه mg4CP/L 620 آداپته شده و متغيرهاي بهره برداري نظير عملكرد راكتور، قابليت ته نشيني لجن، پايداري گرانول و پارامترهاي سينتيكي براي هر غلظت و پس از دستيابي به شرايط پايدار مورد بررسي قرار گرفت. نتايج نشان داد كه زمان تجزيه با پيشروي فرآيند خوگيري كاهش مي‌يابد. افزايش غلظت اوليه 4CP افزايش بسيار اندك زمان تجزيه توسط بيومس آداپته شده را بدنبال داشت. همچنين با پيشروي فرآيند خوگيري توليد متابوليت واسطه كاهش يافته و قابليت ته نشيني لجن بهبود يافت. مقادير بالاتر متابوليت در ابتداي فرآيند خوگيري ملاحظه گرديد، اما با آداپته شدن باكتريها به استفاده از سوبستراي بازدارنده توليد متابوليت سمي نيز كاهش يافت. GSBR عملكرد مطلوبي را در حذف 4CP و COD تا رسيدن به غلظت mg/L 620 از خود نشان داد در حاليكه عملكرد FSBR در غلظت‌هاي 200 و mg/L 550 بدليل اثرات بازدارندگي 4CP متوقف گرديد. تزريق دوز بالاي 4CP و نيز نداشتن زمان كافي براي تجزيه و خوگيري به تجمع تركيب بازدارنده منجر گرديد. در چنين غلظت هاي بازدارنده اي، تنها يك تجزيه نسبي بر روي 4CP صورت گرفته و تجمع متابوليت واسطه 5- كلرو 2- هيدروكسي موكونيك سمي آلدئيد (CHMS) در سيستم را درپي داشت. بدنبال اين تجمع، توليد يك رنگ تيره هم در مايع مخلوط و هم در بيومس مورد ملاحظه قرار گرفت كه علت آنرا مي‌توان به پليمريزاسيون غير بيولوژيكي متابوليت‌هاي تجمع يافته نسبت داد. حذف 4CP و جذب آن بر روي بيومس، تحت شرايط بهره برداري مطلوب FSBR ناچيز بوده اما اين جذب در GSBR و نيز در شرايطي كه عملكرد FSBR دچار توقف شده بود قابل ملاحظه بود. ظهور و ناپديد شدن رنگ تحت شرايط متوالي فراواني ـ قطحي بعد از متوقف شدن عملكرد FSBR و در شرايطي كه تزريق 4CP به راكتور صورت نمي‌گرفت بر نقش حياتي حضور يك تركيب قابل تجزيه بيولوژيك در حذف 4CP تاكيد داشت. روند افزايشي qmax نه تنها با پيشروي سيكل ها در هر غلظت مشخصي از 4CP بلكه با افزايش نسبت 4CP/CODTotal در هر دو راكتور مشاهده شد. در مقايسه با FSBR، مقادير بالاتر qmax در GSBR تنها بعد از خوگيري بيومس مشاهده شد كه مي‌تواند بر محدوديت انتشار سوبسترا در بيوراكتور گرانوله دلالت داشته باشد. مشاهدات ميكروسكوپي صورت گرفته نشان داد كه جانداران عالي‌تر نظير پروتوزوئرها و روتيفرها سطح خارجي گرانولهاي هوازي بدون تماس با ماده سمي را كاملاً مي‌پوشاند. غلظت‌هاي بسيار پائين TSS در پساب خروجي نيز به وفور اين جانداران نسبت داده شد در حاليكه در طي فرآيند خوگيري اين جانداران از بين رفتند و سطح گرانول را باكتريهاي مرده و مواد پليمري خارج سلولي پوشانده است. بررسي ساختار داخلي گرانولهاي هوازي نشان داد كه اين ساختار يكنواخت نبوده بلكه يك ساختار هتروژن متشكل از چندين لايه است كه هسته مركزي به رنگ آجري شفاف و بخش بيروني لايه اي مات به رنگ زرد مي‌باشد. لذا به نظر مي‌رسد ساختار گرانول هوازي متشكل از چندين ناحيه هوازي، آنوكسيك و بيهوازي باشد.
زيست افزايي جمعيت ميكروبي مخلوط با رالستونيا پيكتي PKO1 كه از ظرفيت تجزيه چندين تركيب زيست ستيز از جمله آروماتيك‌هاي كلرينه و بنزيل الكل برخوردار است تشديد تجزيه را بدنبال داشت. علاوه بر اين، در مقايسه با راكتور شاهد و نيز راكتور زيست افزايي شده FSBR، پايداري فرآيند در بارگذاريهاي شوك 4CP در راكتور زيست افزايي شده GSBR تحت تاثير قرار نگرفت. نشاندار كردن PKO1 به ژنهاي فلورسنت سبز براي پايش پايداري آن بدليل نداشتن پروموتر در باكتري وحشي و لذا عدم بيان اين ژن در آن موفقيت آميز نبود. اما عليرغم بيان نشدن ژن، استخراج آنزيمي پلاسميد حاوي اين ژن فلورسنت در پايان آزمايشات نشان دهنده حضور اين پلاسميد در راكتور GSBR بود. پايداري PKO1 در GSBR را مي‌توان به متابوليسم هيپوكسيك اين باكتري و نيز قابليت لخته سازي آن كه امكان تلفيق آن با باكتريهاي موجود در لايه هاي داخلي گرانول هوازي را فراهم آورده و از شكار شدن آن توسط پروتوزوئرها و يا شسته شدن آن به خارج از سيستم توسط پساب خروجي جلوگيري ميكند نسبت داد. همچنين ديناميك جمعيت ميكروبي در طول فرآيند خودهي با تكنيك PCR-DGGE مورد مطالعه قرار گرفت. نتايج تعيين توالي نمونه هاي ارسال شده نشان داد كه جنس‌هاي باكتريايي پسودوموناس (پسودوموناس پوتيدا و پسودوموناس فلورسنس)، آرتروباكتر، كوماموناس، رالستونيا و كريزوباكتريوم ايندولوژنز باكتري هاي غالب تجزيه كننده 4CP هستند.
در اين مطالعه نشان داده شد كه چگونه تلفيق خصوصيات بيولوژيكي سويه تلقيح شده (رالستونيا پيكتي PKO1) از جمله قابليت آن در تجزيه طيف وسيعي از آلاينده هاي زيست ستيز، توانايي لخته سازي، متابوليسم هيپوكسيك و عدم بيماريزايي با ويژگيهاي منحصر بفرد گرانولهاي هوازي كه زيست محيط نسبتاً امني را براي گونه تلقيح شده فراهم مي‌آورد مي‌تواند به زيست افزايي موفق بيانجامد. بنابراين، تصور بر اين است كه در سيستمهاي تصفيه فاضلاب نيز كه معمولاً مجهز به تجهيزات گندزدايي بوده و مي‌توانند از نقاط قابل قبول براي آزاد شدن ميكروارگانيسمهاي وحشي يا مهندسي ژنتيك شده باشند با در نظر گرفتن دو فاكتور خيلي مهم «انتخاب سويه تلقيحي» و «انتخاب فرايند تصفيه» مي‌توان با نگاه اميدوار كننده‌اي به زيست افزايي نگريست.
كلمات كليدي: