UNIVERSITATEA BUCURETI FACULTATEA DE BIOLOGIE

DIVERSITATEA MICROORGANISME CU DE LA STAIA

TAXONOMIC DE DIN

I DINAMICA DE AERARE

POPULAIILOR NMOL

BAZINELE ACTIVAT

DE TRATARE

APE REZIDUALE

CONSTANA - SUD

-

REZUMAT TEZ -

Doctorand: Petroanu Mihaela

Conducator tiinific: prof. Dr. Toma Nicolae

BUCURESTI 2008 INTRODUCERE Apa reprezint substana mineral fundamental pentru existena tuturor organismelor din biosfer. Prezena ca i puritatea ei este o necesitate absolut pentru toate ecosistemele Terrei. Obligativitatea construirii staiilor de epurare i interdicia de deversare a apelor uzate reprezint msuri eficiente de protecie a apei. Fr a diminua cu nimic valoarea curativ a staiilor de epurare, trebuie sa menionm c eficiena lor este, cel puin n unele cazuri, numai relativ. Aceast stare se datoreaz, n principal, cunotiinelor nc insuficiente referitoare la taxonomia , dinamica, potenialul i rolul ecofiziologic al populaiilor de microorganisme din bazine de epurare (n cazul epurarii biologice cu nmol activat ). n consecin, cercetarea biologic complex a acestor bazine reprezint o tem de mare acualitate n condiiile n care cunotinele curente sunt destul de lacunare, iar factorii poluani tot mai numeroi i mai agresivi. Tema tezei noastre de doctorat se circumscrie acestui domeniu de cercetare i vizeaz cunoaterea diversitii i dinamicii populaiilor de microorganisme din bazinele de aerare cu nmol activat . Structura tezei : PARTEA I STUDIU 1. 2. EPURAREA DE LITERATUR CU NMOL ACTIVAT APELE REZIDUALE - CARACTERIZARE GENERAL BIOLOGIC

3. DIRECII DE CERCETARE APLICATE N SCOPUL OPTIMIZRII PROCESULUI DE EPURARE CU NMOL ACTIVAT PARTEA II CONTRIBUI I 4. 6. 7. 8. 5. MATERIALE I METODE REZULTATE I DISCUII CONCLUZII GENERALE PROIECT DE MSURI PRIVIND OPTIMIZAREA PROCESULUI BIBLIOGRAFIE ORIGINALE ALEGERII TEMEI SCOPUL, OBIECTIVELE I MOTIVAIA

DE CONTROL AL DINAMICII MICROORGANISMELOR

JUSTIFICARE :

Demersul nostru tiinific vine n ntmpinarea unui deziderat major al societii contemporane protecia mediului nconjurtor prin conservarea puritii apei de pe Terra.

Scopul fundamental al cercetrilor - creterea performanelor proceselor tehnologice ale staiei de tratare ape reziduale Constana-Sud prin modelarea structurii microbiotei bazinele de aerare i implicit, reducerea ncrcturii poluante a Mrii Negre. Partea I . Studiu de literatur.

APELE REZIDUALE : caracterizare general

Definiie : Apa se ncarc de materii poluante, devenind ap rezidual (uzat) prin utilizarea ei de catre om, n cele mai diverse scopuri practice dar i prin contactul apelor meteorice ( ploaie, zpad ) cu produse ale activitii umane.

Provenien: substane de provenien urban i substane de origine industrial. Caracterizare fizico-chimic : particulariti fizice i chimice.

Particulariti fizice : miros, culoare, turbiditate, temperatur. Particulariti chimice : pH, temperatura, oxigen dizolvat, fosfor total, amoniu, azotai, azotii, indice de sedimentare al nmolului activat.

Caracterizare biologic - o multitudine de ageni biologici (bacterii, virusuri, parazii i

oule acestora ). EPURAREA BIOLOGIC CU NMOL ACTIVAT Consideraii generale

nmolul activat ( flocoane de namol activat) - definiie - rolEpurarea biologic cu nmol activat influentul ce conine de

impuriti organice dizolvate i / sau dispersate coloidal, este pus n contact cu aerul insuflat mecanic, ntr-un bazin de aerare, cu o cultur mixt de

microorganisme nmol activat care consum impuritile degradabile biologic din apa uzat. Apa epurat se separ apoi gravitaional de nmolul activat n construcii numite decantoare secundare (fig.1).

Fig.1. Schema tipic a epurrii biologice cu nmol activatLegenda : raw water = apa reziduala, aeration tank = bazin de aerare, clarifier settler = decantor pentru sedimentabilitate (decantor secundar), waste sludge = namol in exces , recycle sludge = namol recirculat.

Diversitatea taxonomic a microorganismelor activat (tabel nr.1)- regn Monera - regn Protoctista - regn Fungi - regn Animalia

din

nmolul

Tabel nr.1. Diversitatea taxonomica a microorganismelor din bazinele de aerare Regn Monera Filum Eubacteria Cianobacteria Protoctista Sarcodina Ciliophora Mastigophora Chrysophyta Fungi Oomycota Zygomycota Ascomycota Animalia Nemathelmintes Annelida Arthropoda Clasa dominanta Proteobacteria, Firmicutes, Actinobacteria Rhizopoda Cilliata Phytomastigophora Zoomastigophora Oomycetes Zygomycetes Plectomycetes Nematoda, Rotifera, Gastrotricha Oligochaeta Crustacee

Influena

unor

factori

eco-fiziologici asupra

populaiilor

de

microorganisme din nmolul activatTratamentul optim al apelor uzate prin procedeul cu nmol activat dezvoltarea echilibrat a speciilor microbiene din constituia nmolului activat. n linii mari, factorii ce influeneaz procesul de epurare biologic sunt :

concentraia oxigenului dizolvat concentratia nutrienilor (fosfor, amoniu, compui organici cu carbon, nitrai, nitrii) pH ul apei temperatura apei

indicele de sedimentare al nmolului activat

Microbiologia nmolului activat : aspecte particulareCreterea dispersat : definiie,cauze, consecine Umflarea nmolului : definiie; cauze, consecine Spumarea nmolului : definiie; cauze, consecine

Direcii de cercetare aplicate n scopul optimizrii procesului de- Utilizarea fungilor n procesele de epurare biologic - ndeprtarea compuilor fosforului din ap - ndeprtarea compuilor azotului din ap - Biotransformarea i bioacumularea ionilor metalici din apele - Deficitul n oxigen al apelor reziduale: cauze, consecine - Deficitul de nutrieni - Biodegradarea xenobioticelor - Tehnici de dezinfecie / sterilizare a apei epurate uzate

epurare cu nmol activat:

Partea a-II-a. Contribuii originale. DIVERSITATEA TAXONOMIC I DINAMICA MICROORGANISMELOR DIN BAZINELE DE AERARE CU NMOL ACTIVAT DE LA STAIA DE TRATARE APE REZIDUALE CONSTANA SUD

Motivaie, scop protecia mediului nconjurtor, a biodiversitii din Marea Neagr; Obiectiv fundamental - cunoaterea diversitii taxonomice i dinamicii populaiilor de

microorganisme din bazinele de aerare cu nmol activat de la Staia de tratare ape reziduale Constana Sud .

Obiective operaionale :

- diversitatatea (taxonomic i fiziologic) i abundena bacteriilor filamentoase; - diversitatatea i abundena bacteriilor zoogleale ; - relaiile ce se stabilesc ntre cele dou grupe bacteriene de umflare, spumare a nmolului ; - morfologia flocoanelor de nmol activat ; - determinarea cantitativ n efluent, n bazinul de aerare i n influentul staiei de tratare, a unor grupe fiziologice microbiene ; - diversitatea taxonomic i structura comunitilor de protozoare i animale nevertebrate din nmolul activat; - dinamica temporal a abundenei unor populaii de protozoare i animale nevertebrate din nmolul activat; - influena unor indici ecologici asupra structurii i dinamicii microbiotei din nmolul activat MATERIALE I METODE - prezentare general ( filamentoase/zoogleale) i fenomenele

Staia de tratare ape reziduale Constana - Sud

Metode de lucru :

Cercetrile au avut un caracter complex - taxonomic, ecologic, chmic . - au fost utilizate protocoale elaborate care au inclus activiti att de teren ct i de laborator. Activiti de teren:-

prelevarea probelor: de ap i biologice (suspensie nmol activat ap rezidual) conservarea probelor - la + 40C (frigider); n formol, alcool, glutaraldehid. determinarea periodic a unor parametri fizico-chimici ( t0, pH, oxigen dizolvat, consum suspensie prin utilizarea de

din: influent, bazin de aerare, efluent-

Activiti de laborator :

chimic de oxigen, fosfor total, azot amoniacal, nitrii, nitrai, concentraia nmolului activat, indice de sedimentare) ai apei reziduale cu nmol activat n metode standardizate promovate de literatura de specialitate;

cultura n vitro a unor grupe taxonomice de organisme din nmolul activat : inocul primar

inocul secundar medii de cultur

identificarea taxonilor din microbiota nmolului activat : prin metode clasice, folosind

determinatoare, culturi in vitro i consultarea specialistilor n domeniu; monitorizarea dinamicii principalelor grupe de microorganisme din nmolul activat :

- evaluat pe baza determinrilor cantitative i a densitii acestora la anumite intervale de timp, prin diverse procedee n funcie de tipul de microorganism : - bacterii libere numarare direct (1000X cf.) - bacterii filamentoase - numarare direct (100X cf. ),scala subiectiv de cuantificare - mase zoogleale colorare cu nigrozin - bacterii amilolitice, proteolitice, lipolitice (UFC/ml) - bacterii amonificatoare, nitrificatoare, denitrificatoare (MPN/ml) - levuri, micromicete miceliene (UFC/ml) - protozoare, metazoare (metoda semicantitativ Madoni)

determinarea influenei unor parametri fizico - chimici ai apei din bazinele de aerare - analiza statistic - programe computerizate ( Image Tool v.128, Image Focus v. 123)

asupra diversitii i dinamicii speciilor de microorganisme din nmolul activat

REZULTATE I DISCUII

Diversitatea taxonomic a populaiilor de microorganisme din bazinele de aerare

Diversitatea taxonomic a eubacteriiloro Bacterii filamentoase dominante : Sphaerotilus natans, Nostocoida limicola, Tip Eikelboom

0041, Haliscomenobacter hydrossis.o

Bacterii zoogleale Zoogloea ramigera este principalul microorganism cu rol Grupe fiziologice de bacterii :

esenial n formarea flocoanelor de nmolo

-

bacterii amilolitice : genurile Cellulomonas, Pseudomonas

bacterii proteolitice : genurile Bacillus, Cellulosimicrobium, Ornithinococcus bacterii lipolitice : genurile Alcaligenes, Achromobacter, Sarcina, Vibrio , Serratia bacterii amonificatoare : genurile Proteus, Klebsiella nitrit i nitrat-bacterii : genurile Nitrosomonas, Nitrosocystis , Nitrosospira , bacterii denitrificatoare : Pseudomonas sp. germeni coliformi Diversitatea taxonomic a cianobacteriilor din nmolul activat Diversitatea protozoarelor din nmolul activat indentificate peste 20 de specii de protiste; cele 10 genuri reprezentative ncadrate n: 3 Diversitatea microfaunei din nmolul activat Nitrosolobus /

Nitrobacter , Nitrococcus , Nitrospira

- identificate ca dominante : Oscillatoria , Nostoc . -

filumuri, 3 clase i 6 ordine - regnul Animalia - cel mai slab reprezentat - dominante clase ce aparin filumului Nemathelmintes Diversitatea taxonomic a fungilor

Micromicete miceliene - 2 filumuri, 7 genuri de micromicete miceliene Levuri - 7 genuri i 4 specii; cele mai frecvente au fost drojdiile metilotrofe -

Microorganisme eucariote fotoautotrofe din nmolul activat reprezentate de 2 filumuri, ncadrate n 3 clase, 4 ordine si 6 genuri

Dinamica populaiilor de microorganisme din bazinele de aerare Dinamica populaiilor bacterieneo -

Bacterii zoogleale i filamentoase :

abundena i dimensiunea flocoanelor de nmol vs. abundena organismelor filamentoaseo

i zoogleale i influena acestor parametri asupra indicelui de sedimentare al nmolului Dinamica populaiilor unor grupe fiziologice bacteriene : Dinamica densitii coliformilor totali Dinamica densitii heterotrofelor cultivabile Dinamica densitii actinomicetelor Dinamica densitii bacteriilor lipolitice i proteolitice

Dinamica densitii bacteriilor amilolitice i amonificatoare Dinamica densitii bacteriilor nitrificatoare Dinamica densitii bacteriilor denitrificatoare

Dinamica micromicetelor miceliene, levurilor, microalgelor Dinamica protozoarelor Dinamica microfaunei

INFLUENA UNOR FACTORI ECO-FIZIOLOGICI ASUPRA DINAMICII POPULAIILOR DE MICROORGANISME DIN BAZINELE DE AERARE o o o o

Influena parametrilor fizico-chimici ai apei reziduale asupra: morfologiei flocoanelor de nmol activat bacteriilor zoogleale bacteriilor filamentoase Proprieti optime nmol activat abundena ridicat Zooglea ramigera Fosforul total (r+) indice de sedimentare umflarea nmolului Concentraia nitrailor (r-) mrimea flocoanelor Concentraia oxigenului dizolvat bacteriile filamentoase

- concentraii sczute: Sphaerotilus natans, Haliscomenobacter hydrossis; - concentraii ridicate : Nostocoida limicola; - concentraii variabile : Tip Eikelboom 0041o

corelaie pozitiv ntre conc. oxigen dizolvat / conc. nmolului activat ai apei reziduale asupra dinamicii unor

Influena unor parametri fizico-chimici

reprezentani ai protozoarelor i microfaunei concentraia nmolului activat dinamica numeric a protozoarelor i microfaunei mai puin abundente la conc. sczute ale nmolului activat ca urmare a scderii numarului speciilor prad (bacteriile)

indicele de sedimentare este influenat de fluctuaiile numerice ale protozoarelor : ex. concentraia oxigenului dizolvat factor major ce a influenat abundena numeric a

Trachellopyllum sp. (r-) , Vorticela sp. (r-). protozoarelor i microfaunei

relaie pozitiv: concentraia oxigenului / abundena amibelor nude, Arcella sp., rotifere, unor parametri fizico-chimici ai apei reziduale asupra dinamicii

Aspidisca sp., Vorticella sp., Trachellopyllum sp.

Influena

micromicetelor, actinomicetelor i a unor grupe fiziologice bacteriene :

relaie negativ ntre

CCO n efluent abundena levurilor

datorit unor factori toxici,

nedegradai n bazinele de aerare relaie pozitiv ntre abundena micromicetelor miceliene i a actinomicetelor ncrcarea dinamica bacteriilor amilolitice, proteolitice, lipolitice controlat de factori independeni densitatea bacteriilor ce realizeaz denitrificarea incomplet este stimulat de valorile crescute efluentului final n N-NH4

ale CCO din apa uzat ce intr n sistem (r=+), iar grupul care realizeaz denitrificarea complet, ntr-o msur mai redus (r=+); intrrile de nitrii, nitrai , dei reprezint substraturi, nu influeneaz activitatea acestor bacterii.

Concluzii generaleAnaliza rezultatelor nregistate au relevat urmtoarele :

Microbiota apelor uzate din bazinele de aerare este relativ puin diversificat din punct de fitoflagelate, alge verzi (unicelulare i pluricelulare), micromicete (mucegaiuri

vedere taxonomic; aceasta este dominat de bacterii (eubacterii i cianobacterii), alturi de care coexist unele

miceliene i levuri), protozoare i nevertebrate (viermi cilindrici). n contrast cu eubacteriile, care domin microbiota nmolului activat din bazinele de aerare, att prin diversitate taxonomic ct i prin dimensiunea populaiilor, cianobacteriile sunt slab reprezentate i anume doar prin dou genuri Oscillatoria i Nostoc.

Zoogloea ramigera este organismul cu rol esenial n formarea flocoanelor de nmol Bacteriile filamentoase Sphaerotilus natans, Eikelboom 0041, Haliscomenobacter hydrossis

activat.

i Nostocoida limicola au dominat cantitativ comunitatea de microorganisme din constituia flocoanelor, dezvoltarea lor excesiv fiind factorul principal care induce umflarea nmolului i modific substanial indicele de sedimentare al acestuia.

Abundena microalgelor i micromicetelor, ca i diversitatea lor au fost slabe n influent,

bazin de aerare i efluent, subliniind faptul c ele joaca un rol minor n procesele de degradare a substanelor organice.

Populaiile de microorganisme

sunt destul de diversificate din punct de vedere eco-

fiziologic; coexist la un loc speciile heterotrofe (saprotrofe i/sau parazite) cu cele autotrofe (fototrofe), speciile oxibionte obligate alturi de cele anoxibionte (obligate sau facultative), speciile acidofile alturi de cele neutrofile sau bazifile etc; toate ns manifest un anumit grad de toxitoleran.

nsuirile fizico-chimice a apelor uzate se modific relativ rapid att din punct de vedere fidel reflectate de dinamica unor specii din

calitativ ct i cantitativ; aceste fluctuaii sunt nmolului activat.

componena microbiotei apelor uzate din bazinele de aerare n general i n special a celeia din Dintre factorii chimici ambientali, concentraia oxigenului dizolvat, natura substanelor

organice i ncrctura cu substane toxice s-au dovedit a fi cei mai influeni asupra structurii microbiotei bazinelor de aerare ale staiei de epurare ; concentraia nmolului activat ca i temperatura

pot influena, de asemenea, prezena i abundena (densitatea) unor populaii de

microorganisme i prin aceasta structura microbiocenozelor bazinelor de aerare. Umflarea nmolului, cauzat de dezvoltarea excesiv a bacteriilor filamentoase, poate avea loc la o variaie larg a cantitii de oxigen dizolvat ; de aceea, controlul umflrii nmolului presupune, ntr-o prim etap, monitorizarea mai atent a concentraiei oxigenului dizolvat n tancurile de aerare, msur care ar reduce multiplicarea unor grupe taxonomice microorganisme, permind instituirea unor msuri adecvate pe termen lung.

de

Indicele de sedimentare al nmolului, este influenat de abundena ridicat a flocoanelor cu

diametrul peste 100 m; creterea dimensiunii acestora este favorizat de cantitile mari de fosfai prezente n apele reziduale.

O proporie relativ nsemnat din tulpinile de E. coli izolate i testate s-au dovedit a fi

rezistente la unul sau mai multe antibiotice; ca urmare exist posibilitatea eliberrii n mediu a microorganismelor cu rezisten multipl la antibiotice, cu un risc potenial crescut pentru sntatea vieuitoarelor mplicit a oamenilor.

Monitorizarea i modelarea unora din factorii

fizico-chimici i biologici, corelate cu

perfecionarea unor parametri tehnologici reprezint o cale sigur de urmat n tentativa de eficientizare a proceselor tehnologice de epurare biologic a apelor reziduale .

Proiect de msuri privind optimizarea procesului de control al dinamicii microorganismelorLimite i incoveniente n funcionarea staiei :

a) oxigenarea relativ slab n bazinele de aerare cu nmol activat b) dezvolatarea excesiv a bacteriilor filamentoase n nmolul activat i predispoziia acestuia la umflare c) prezena unor cantiti mari de azot amoniacal, azotai, azotii, fosfor, suspensii d) ncrcare bacterian mare n efluentul evacuat e) ncrcare organic a nmolului ridicat n majoritatea cazurilor din perioada derulrii cercetrilor n vederea optimizrii msuri : mbuntirea nivelului de oxigen dizolvat din bazinele de aerare, inclusiv prin nlocuirea dispozitivelor actuale de oxigenare; modernizarea modului de construcie al staiei prin introducerea unui selector, dup treapta mecanic, care s stimuleze dezvoltarea bacteriilor formatoare de flocoane tip Zoogloea; dezvoltarea bazei materiale a laboratorului de bacteriologie al staiei prin dotarea cu o logistic modern care s permit cercetarea mai amnunit din punct de vedere microbiologic, a procesului de epurare biologic ; activitii de epurare a staiei se propun a fi luate o serie de