Микроорганизм клеткаларының иммобилизациясы
Әл-Фараби атындағы Қазақ ұлттық университеті
Биология факультеті
Микробиология кафедрасы
БІТІРУ ЖҰМЫСЫ
МИКРООРГАНИЗМДЕРДІҢ КӨМІРТЕКТЕНДІРІЛГЕН ЖҮЗІМ ДӘНЕКТЕРІНЕ ИММОБИЛИЗДЕНУІНЕ
рН-ТЫҢ ӘСЕРІН ЗЕРТТЕУ
Орындаған:
4 курс студенті
Арбаканова Д.С.
Ғылыми жетекшісі:
б.ғ.к.
Уалиева П.С.
_____________2008ж
Нормобақылаушы:
Ибраимова М.Ж.
_____________2008ж
Қорғауға жіберілді
кафедра меңгерушісі
б.ғ.д., профессор
Жұбанова А.А.
Алматы 2008
РЕФЕРАТ
Бітіру жұмысы 41 беттен, 4 кестеден, 9 суреттен тұрады, 57 әдебиет
пайдаланылды.
Кілтті сөздер: иммобилизация, сорбция, сорбенттер, активті көмір,
карбонизация, жүзім дәнектері, көмірсутектотықтырушы микроорганизмдер,
биоремедиация.
Берілген жұмыста көміртектендірілген жүзім дәнектеріне
көмірсутектотықтырушы бактериялардың иммобилизациясы және иммобилизацияға
рН-тың әсері анықталды.
Pseudomonas pseudoalkoligenes KR7 және Pseudomonas alkoligenes KR17
штамдары 600°С салыстырғанда, 700°С көміртектендірілген жүзім дәнектерінде
жоғары сорбцияны көрсетті. Көмірсутектотықтырушы бактериялардың
иммобилизациясы рН 4 мәнінде белсенді жүретіні дәлелденді.
ЖОСПАР
КІРІСПЕ 4
1 ӘДЕБИЕТТЕРГЕ ШОЛУ 5
1.1 Микроорганизм клеткаларының иммобилизациясы 5
1.2 Мұнай және мұнай өнімдерімен ластанған экожүйелерді тазалау12
2 ЗЕРТТЕУ ОБЪЕКТІЛЕРІ МЕН ӘДІСТЕРІ 25
2.1 Зерттеу объектілері 25
2.2 Зерттеу әдістері 25
2.2.1Иммобилизация әдістері 25
2.2.2Иммобилизденген клеткалардың өмір сүру қабілетін тексеру 26
2.2.3Иммобилизацияға рН-тың әсерін тексеру 26
2.2.4Клеткалардың гидрофильді-гидрофобты қасиеттерін зерттеу 26
2.2.5Үлгілерді карбониздеу әдістері 26
2.2.6Электронды-микроскопиялық зерттеу әдістері 27
3 АЛЫНҒАН НӘТИЖЕЛЕРДІ ТАЛҚЫЛАУ 28
3.1 Бактерия клеткаларының көміртектендірілген жүзім 28
дәнектеріне иммобилизациясын анықтау
3.2 Иммобилизденген клеткалардың өмір сүру қабілетін тексеру 30
3.3 Иммобилизацияға рН-тың әсерін тексеру 31
3.4 Клеткалардың гидрофильді-гидрофобты қасиеттерін зерттеу 34
ҚОРЫТЫНДЫ 36
ҚОЛДАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ 37
ТҮЙІН 41
КІРІСПЕ
Қазақстан Республикасында мұнай және мұнай өнімдерінің қарқынды
өндірісіне байланысты елімізде су және топырақ көздері ластануда. Мұнаймен
ластанған экожүйелердің табиғи қалпына келу процесі ұзақ, сондықтан
қоршаған ортаны тазалаудың тиімді жолдары (яғни экономикалық шығыны төмен,
ластаушы заттардың ыдырау жылдамдығы жоғары) іздестірілуде. Мұнай және
мұнай өнімдерін ыдыратудың механикалық, физикалық және химиялық әдістері
қолданылады. Алайда бұл тәсілдердің тиімділігі төмен. Соңғы жылдары
ластанған топырақ пен су қоймаларын тазалауда көміртегі көзі ретінде мұнай
көмірсутектерін қолданатын микроорганизмдерге негізделген биологиялық
әдістер қолданылып келеді. Ластанған экожүйлерді тазалауда иммобилизденген
биосорбенттерді қолданып, биоремедиация тиімділігін жоғарлатуға болады.
Иммобилизденген микрофлора арқылы су қоймаларын мұнай мен мұнай өнімдерінен
тазалаудың тиімділігі жоғары екені белгілі.
Соңғы кездері арзан сорбенттердi алуда ауыл шаруашылық қалдықтары, грек
жаңғағының қабығы, күріш қауызы және жеміс дәндері, мысалы сары өрік, жүзім
дәнектері негiзгi шикiзат көзi болып табылады. Ауыл шаруашылық қалдықтары
негiзiнде алынған сорбенттер арзан, кеуектiлiгi үлкен, құрамындағы
минералды қоспалар аз, қолайлы болып келедi. Олар экологиялық таза және тез
қалпына келетiн сорбенттер қатарына жатады. Иммобилизденген микроорганизм
клеткаларын пайдалана отырып, активті көмір негізіндегі сорбенттерді
қолдану тиімді болып табылады.
Әдебиеттерде микроорганизмдердің иммобилизациясына температура, ортаның
реакциясы, тұздардың концентрациясының әсері туралы мәліметтер кездеседі.
Адсорбцияланған клеткалардың мөлшері адсорбент және клетка бетіндегі
ионогенді топтардың саны мен мөлшеріне, сонымен қатар ионогенді топтардың
диссоциация деңгейіне, ортаның рН-на және ортадағы тұздардың
концентрациясына байланысты. рН бактерия клеткасы мен сорбенттің бетіндегі
әр түрлі функциональды топтарының өзара әрекеттесуіне әсер етеді. Осыған
байланысты иммобилизацияға әр түрлі факторлардың әсерін зерттеу қызушылық
тудырады.
1 ӘДЕБИЕТТЕРГЕ ШОЛУ
1.1 Микроорганизм клеткаларының иммобилизациясы
Қазіргі кезде экологиялық биотехнологияда қоршаған ортаны ластаушы
заттардан тазалау үшін иммобилизденген микрофлораға негізделген әдістер жиі
қолданады. Иммобилизация (ағылшынша immobilize) – таңып тастау, орнықтыру,
қозғалысын шектеу, байланыстыру деген мағыналарды білдіреді 1, 2.
Иммобилизденген микроорганизмдер көмегімен экзополисахаридтер, органикалық
қышқылдар, аминқышқылдары, антибиотиктер, стероидтар, спирттер және т.б.
құнды өнімдерді алу үшін пайдаланады. Сонымен қатар, ластанған суларды
тазалауда, ауыл шаруашылық және өндірістік қалдықтарды өңдеуде кең қолданыс
тапты 3, 4, 5, 6. Иммобилизденген ашытқылар шарап, шампан өндірісінде
қолданылады. Микроорганизм клеткаларын иммобилиздеу күрделі көпсатылы
процестерді жүзеге асыруға; клеткаларды жағымсыз факторлардан қорғану
дәрежесін көтеруге; реактордағы клеткалардың жоғары концентрациясын
қамтамасыз етуге мүмкіндік береді 7, 8, 9. Иммобилизденген
микроорганизмдер көптеген жылдар бойы қолданылып келеді. 150 астам жыл
бұрын сіркен қышқылын тез алу үшін аққайың ағашының жоңқасына
адсорбцияланған клеткалар пайдаланды 10.
Иммобилизденген микроорганизмдердің иммобилизденген ферменттер мен бос
клеткалардан бірқатар артықшылықтары бар:
- реакция өнімдерін бөліп алу мен тазалау шығындарының болмауы;
- жоғары белсенділік пен тұрақтылық;
- үздіксіз және жартылай үздіксіз автоматталған процестерді жүзеге асыру
мүмкіндігі;
- клеткалар барлық тіршілікті қамтамасыз ету жүйелерін, соның ішінде
кофактор регенерациясының ферменттік сатыларын сақтап қалады. Нәтижесінде
күрделі тізбекті реакцияларды, көп сатылы процестерді жүргізуге болады 11,
12.
Иммобилизденген микроорганизм жүйелерін қолданудың маңызды артықшылығы –
клеткалардың гидравликалық қысымға және ластаушы заттардың жоғары
концентрациясына төзімділігі. Сонымен қатар, иммобилизация қосылыстардың
тотығуын жоғарлатады және ластанған суларды өңдеу уақытын қысқартады 13,
14.
Ластанған суларды биологиялық тазалау жолдарын құрастыру екі жағдайды
талап етеді: біріншісі – суды ластаушы заттардан босату; екіншісі – суды
микроорганизмдер суспензиясынан босату. Иммобилизденген микрофлораны
қолдану арқылы осы екі мәселені тиімді шешуге болады. Әртүрлі су
организмдерін иммобилиздеу – ластанған суларды биологиялық тазалаудың әрі
тиімді, әрі сенімді жолы 3.
Иммобилизденген микроорганизмдерді биотехнологиялық процестерде
қолданудың бірқатар артықшылықтары бар:
• иммобилизденген микроорганизмдердің сыртқы ортаның кері
факторларына (температура, қышқылдық, электролиттердің және
токсинді заттардың концентрациясы т.б.) төзімділігі артады;
• иммобилизденген микроорганизмдердің өмір сүру қабілеті және
белсенділігі жоғарлайды;
• клеткалардың сұйықтықтан жеңіл бөлініп алынуы;
• клеткаларды қайталап қолдану мүмкіндігі;
• деструктор-микроорганизмдер қауымдастығын иммобилиздеу
ластаушы заттарды биоыдыратушылар аймағын кеңейтеді;
• ластаушы түрлердің шайылып кетуі нәтижесінде культураның
тазалығын сақтап қалуы, бұл жұмысты залалсыз емес жағдайларда
жүргізуге мүмкіндік береді 8, 12.
Бекітілген клеткалардың жоғары физиологиялық тұрақтылығы және ластаушы
микрофлораның суспензия күйінде болуы барлық микробиологиялық процестерді
залалсыз емес жағдайда өткізуге болады 11.
Суларды тазалауда микробты препараттарды қолдануын тежейтін факторлар –
клеткалардың шайылып кетуі және жергілікті микрофлорамен ығыстырылуы. Осы
мәселелерді шешуде деструктор-микроорганизмдердің жоғары концентрациясын
алу үшін түрлі тасушыларға бекіту жұмыстары жүргізілуде 9.
Табиғи жағдайларда көптеген микроорганизмдер топырақтың, су қоймалары
тұнбаларының, өсімдіктің минералды бөлшектеріне, өсімдік тамырына немесе
жер үсті мүшелеріне, жануарлардың ас-қорыту жүйесінде бекінген түрінде
тіршілік етеді, көбейеді және түрлі биохимиялық белсенділік көрсете алады.
Бос күйіндегі микроорганизмдерге қарағанда иммобилизденген клеткалардың
тағы бір маңызды артықшылығы бар – бірнеше рет қолданғанның өзінде
бактериялардың ұзақ уақыт бойы тотықтыру қасиетін сақтап қалуы.
Алайда бос клеткалармен салыстырғанда иммобилизденген микроорганизмдердің
кемшіліктері де бар:
• күрделі құрылысты биореакторлар керек;
• клеткалардың биохимиясы мен физиологиясында өзгерістер өтуі мүмкін,
оның нәтижесінде өнімділігі төмендейді;
• тасушыларды дайындау қажет 11.
Микроорганизмдерді тасушыларға иммобилиздеудің ғылыми және технологиялық
құрастыруларына арналған зерттеулер ХХ ғасырдың 70-жылдарында қарқынды
жүргізіле басталды. Бұған иммобилизденген ферменттерді қолдану жұмыстарының
кең етек жайғаны себеп болды.
Иммобилизденген ферменттерді өндірістік жағдайда ең бірінші рет қолдану
1974 жылы Жапонияда аспарагин қышқылын алу мақсатымен жүргізілді 12.
Технологиялық бағытта иммобилизденген микрорганизмдерді иммобилизденген
ферменттерге қарағанда қолдану тиімдірек. Микроорганизмдер ұзақ уақыт бойы
өзінің биохимиялық белсенділігін сақтап тұра алады. Өндірістің залалсыз
емес, кейде тіпті экстремальды ортасында иммобилизденген ферменттер жеңіл
бұзыла алады және белокты тегіне байланысты бактериялардың әсеріне қарсы
тұра алмайды 9,11.
Иммобилизденген микрофлораны алудың бірнеше әдістері бар: химиялық
(бифункциональды реагенттермен байланыстыру); механикалық (микроб
клеткаларын әртүрлі гельдерге және мембраналарға енгізуге негізделген);
физикалық (адсорбция және агрегация) әдістер. Өндірістік қалдық суларды
ластаушы заттардан тазартуда ең тиімдісі және қарапайымдысы – адсорбциялық
әдіс. Сонымен қатар бұл әдіс биокатализ және биодеградация тиімділігін
арттырады. Көптеген жұмыстарда тасушы матрицасына (негізінен полимерлі
материалдарға) енгізуге негізделген иммобилизация адсорбциялық әдістерге
қарағанда, күрделі жүргізілетіні анықталды 15, 16.
Саңырауқұлақ мицелийлерінің иммобилизденуіне тоқталсақ, онда
иммобилизация микроорганизмді токсиканттың жоғары концентрациясының тежеуші
әрекетінен қорғайды. Мысалы, егер 1,3 гл концентрациядағы фенол үздіксіз
дақылдау жағдайында Fusarium flocciferum саңырауқұлағының өсуін толығымен
тежесе, ал пенополиуретанға бекіту немесе енгізу арқылы иммобилизденген
культура сәйкесінше 2,5 және 4,0 гл концентрациясындағы фенолды белсенді
ыдыратады. Клеткалардың белсенділігі екі айдан астам уақытта байқалды
17.
Бірқатар жұмыстарда микроорганизмдерді иммобилизденген соң, клетканың
сыртқы қабаты мен мембранасының өткізгіштігі өзгереді. Авторлар бойынша
субстраттарға клетка өткізгіштігінің артуы иммобилизденген
микроорганизмдердің белсенділігіне әсер етеді 9.
Фенол, хлор сияқты токсинді субстраттарды ыдырату үшін иммобилизденген
микроорганизмдерді қолдану үлкен жетістіктерге жетті. Микроорганизмдердің
бекінген аралас дақылдарын ластанған суларды цианид пен фенол, нафталин мен
фенол, фенол, 2-хлорфенол, 2,4-дихлофенол, 2,4,6-үшхлорфенол,
пентахлорфенол, 2-нитрофенол, диэтилфталаттан тазалау үшін қолдану
тиімділігін зерттеу жұмыстары жүргізілген.
Тасушының материалы мен формасы бекінетін клеткалардың мөлшеріне әсерін
тигізеді. Илялетдинов және Алиева бактериялардың адсорбциясын каучук,
поролон, шыны материал, шыны моншақтар және шыны талшықтарға жүргізіп,
мынадай қорытындыға келді: каучук клеткаларды нашар сорбциялайды және
олардың өсуін тежейді, поролонға клеткалардың 85%, шыны моншақтарға 52%,
шыны талшықтарға 65%, шыны материалға 75% бекінеді.
Белсенді тұнбаның шыны талшықтарға, капронды корд және капронды талшыққа
6 сағаттағы иммобилизациясының эффективтігі мынадай көрсеткіштерге тең
болды: шыны талшықтарда – 30%, капронды кордта – 40-45%, капронды талшықта
– 80%.
Алайда, ұзақ қолданыста (екі айдан астам) шыны материал бүтіндігі
бұзылды, ал эмульгацияланған заттармен ластанған суларды тазалау үшін шыны
талшықтар мен поролонды пайдаланғанда, тасушылар тез арада майланып,
ыдыраған 17.
Микробалдырлардың иммобилизациясына арналған жұмыстар да кездеседі.
Кальций альгинатына иммобилизденген Chlorella vulgaris 1 сағатта 10 мгл
төмен концентрациядағы металдарды қоспалардан толығымен жоя алатыны
анықталды 18.
Rhodococcus erythropolis HL PM-1 бактериялық клеткалармен 2,4-
динитрофенолдың (2,4-ДНФ) деградациясы анықталды. Клеткаларды агарлы
гельге енгізу арқылы иммобилизациялау микроорганизмнің белсенділігін
төмендетті: бос және иммобилизденген клеткалармен 2,4-ДНФ деградациясының
ең жоғарғы көрсеткіштері сәйкесінше 10,0 және 5,4 нмоль·мин-1·мг-1 клеткаға
тең болды 19.
Иммобилизденген клеткалардың белсенділігіне иммобилизация әдісі ықпал
етеді. Мысалы, талшықты тасушылардың бетіне бекіту немесе
триацетатцеллюлозаға енгізу арқылы иммобилизденген клеткалар көмегімен
ағынды суларды фенол және 1-нафтил N-метилкарбаматтан тазалауда гельге
енгізу әдісінің тиімділігі анықталды. Алайда гельдер клеткалардың өмір сүру
қабілетіне кері әсерін тигізеді 20.
Баяу тотығатын және токсинді заттардан ластанған суларды биологиялық
тазалау тәсілдерін қарқындатудың тиімді жолы – биосорбциялық әдіс. Бұл
әдісті ұнтақтанған немесе түйіршіктенген активті көмірді аэрация аймағына
қосу арқылы жүргізеді. Мұндай материал екі түрлі функцияны атқарады:
біріншіден, иммобилизденген микроорганизмдер үшін тасушы болып табылады;
екіншіден үлкен сорбциялық сыйымдылығына байланысты токсинді субстраттың
тез адсорбциясын қамтамасыз етеді.
Соңғы жылдары көптеген зерттеулер активті деструктор-микроорганизмдер
ағынның жоғары жылдамдығынан шайылып кететіні анықталды, сондықтан оларды
биоценоз құрамында сақтаудың тек бір жолы бар – тасушыға бекіту арқылы
жүргізілетін иммобилизация. Мысалы, Fusarium flocciferum саңырауқұлағының
бос және пенополиуретанға иммобилизденген клеткаларын салыстырмалы ретінде
1,0 гл мөлшерде фенолы бар ортада, хемостат жағдайында өсірді. Екеуінде де
фенолдың толық ыдырауы байқалды. Алайда су ағынының жылдамдығын
жоғарлатқанда, бос клеткалары бар қондырғыда биомассаның шайылып кетуі
байқалды; ал иммобилизденген клеткалар төрт ай бойы фенолды толығымен
қолданды.
Микроорганизмдердің адгезиясына капронды талшықтарды қолдану нәтижесінде
зертханалық аэротенктегі биомасса концентрациясы 0,3-тен 3,0 гл дейін
жетті және ластанған суларды тазалау уақыты 36 сағаттан 6 сағатқа дейін
қысқарды, ал фенолдың концентрациясы 660-тан 10 мгл азайды. Микрофлораның
тасушысы ретінде металды торларды қолданғанда, аэротенктегі биомасса
концентрациясы 0,3-тен 1,2-1,5 гл дейін өсті, ластанған суды тазалау
уақыты 36 сағаттан 8-10 сағатқа дейін қысқарды және фенолдың мөлшері 600-
ден 20 мгл дейін төмендеді.
Әртүрлі тасушыларға (шыны талшықтар, капронды корд) иммобилизденген және
бос күйіндегі белсенді тұнбалардың көмірсутектерді ыдыратуы салыстырмалы
түрде зерттелді. Мынадай нәтижелер алынды: иммобилизденген белсенді тұнба
20 сағатта 907 мгл мөлшерде мұнай өнімдері бар ортада көмірсутектердің
89,6%, ал бекітілмеген микроорганизмдер тек 25% ғана ыдыратты.
Иммобилизация штамдардың белсенділігін төмендетпейді, сонымен қатар
ксенобиотиктердің тотығу жылдамдығын жоғарлатады. Мысалы, тат баспайтын
болатқа иммобилизденген Pseudomonas putida ATCC 11172 штамы фенолды
сағатына 0,72 гл мөлшерде ыдыратса, иммобилизденбеген клеткаларының
тотықтыру жылдамдығы үш есе төмен болды.
Ксенобиотиктердің тотығу жылдамдығы ластанған сулардың құрамына,
қолданылатын микроорганизмдеріне және тасушының материалына тәуелді.
Мысалы, асбестті талшыққа бекінген Aureobasidium pullulans клеткаларының
фенолды сағатына 50 мгл, ал активті көмірге адсорбцияланған Pseudomonas
putida P8 штамы сағатына 360 мгл мөлшерде ыдыратты. Сондай-ақ, саңылаулы
шыныға иммобилизденген Cryptococcus elinovii аралас дақылы сағатына 270
мгл фенолды деградациялады.
Тасушы ретінде шыны талшықтарды қолдану жұмыстары үлкен нәтижелерге
жетті. Бұл сорбент ағынды дақылдау жағдайындағы Pseudomonas және Bacillus
бактерияларының беттік активті заттар мен бояғыштарды биоыдыратуында
қолданылды.
Аэробты және анаэробты жағдайларда микроорганизмдердің иммобилизденген
дақылдары ағынды сулардағы түрлі органикалық қосылыстардың көп мөлшерін
ыдыратады. Мысал ретінде альгинат гелінде иммобилизденген Thiobacillus
denitrificans аутотрофты бактерияларының ластанған сулардағы сульфидтерді
сульфатқа дейін ыдыратуын келтіруге болады. Процесс анаэробты биофильтрде
өткізілді. Сонымен қатар гельге буферлікті қалыптастыру үшін СаСО2 және
беріктілік үшін Са2+ иондары қосылды. Мұндай жүйе 12 тәулікте ерітіндідегі
сульфидтердің ыдырауын қамтамасыз етеді 17.
Ластанған сулардан көмірсутектерді тазалаудың бір жолы – мұнай және мұнай
өнімдерін көміртегі мен энергия көзі ретінде пайдаланатын
микроорганизмдерді қолдану. Суды мұнай мен мұнай өнімдерінен тазалауда
иммобилизденген микроорганизмдерді қолдану арқылы тазалау эффектілігін
артуға болады. Берілген жұмыста A. calcoaceticus K-4, N. vaceinii K-8,
R.erythropolis ЭК-1 штамдары қолданылды. Ұсақталған керамзит (бөлшектердің
мөлшері 2-3 мм) колонкаларға салынып, құбыр суымен шайылды және 1 сағат
бойы 121°С стерилизацияланды. Кейінгі жұмыстарда керамзитке иммобилизденген
мұнайтотықтырғыш бактериялар залалсыз емес жағдайларда, 18-20°С
температурада, арнайы зертханалық нұсқалық қондырғыда өсірілді. Клеткаларды
иммобилиздеу алдында керамзитті қабаттың үстіне мұнай құйылды. Ол үшін
жеңіл мұнай қолданылды, тығыздығы – 0,85 гсм3. Колонка арқылы 100-500 мгл
мөлшерде мұнайы бар суды өткізіп отырды. Әрбір 4 сағат сайын судың
сынақтары алынды. Мұнайдың мөлшері өлшеу әдісімен анықталынды. 24-36
сағатта колонкалардағы мұнайдың мөлшері 30-50 мгл дейін арта бастады.
Уақыт өткен сайын мұнайдың мөлшері жоғарылай берді. Бұл ағын сулардағы
мұнай концентрациясының төмендеуін көрсетеді 21.
Микроорганизмдердің сорбциясына бірқатар факторлар әсер етеді: 1)
сорбцияланатын микроорганизмдердің физиологиялық-биохимиялық ерекшеліктері;
2) сорбенттің табиғаты мен қасиеті; 3) сыртқы орта жағдайлардың физико-
химиялық қасиеттері. Сорбцияның көлемі адсорбенттің бетіне байланысты.
Клеткалардың мөлшері мен формасы бекінуге ешқандай әсер етпейді.
Микроорганизмдердің сорбциясына әсер ететін маңызды фактордың бірі –
сорбенттің табиғаты 10, 11, 22.
Адсорбенттер ретінде органикалық және бейорганикалық тасушылар – түрлі
полимерлер, керамика, саз т.б. тасушылар қолданылады. Соңғы кездері ірі
саңылаулы тасушыларға үлкен көңіл бөлінуде.
Ғылыми-зерттеу бағытында микроорганизмдерді сорбциялау үшін өсімдік
материалдарына, теңіз балдырларына, полисахаридтер-альгинаттарға
негізделген тасушылар өзін жақсы жақтан көрсете алды. Ал технологиялық
жағдайда, яғни ағынды суларды тазалағанда мықты материалды сорбент қажет.
Кальций альгинаты және т.б. полимерлер бактерия клеткаларына эффективті
сорбент болғанымен, қалдық сулардағы химиялық заттардың жоғары
концентрацияларына және гидродинамикалық қысымға тұрақсыз болып келеді.
Сондықтан ұсақталған мықты сорбенттер жиі қолданылады.
Өндірістік жағдайлар бактерияларды бекітуге арналған материалдарға
өзіндік шарттарды талап етеді. Ғылыми-зерттеу жұмыстарында органикалық
полимерлер негізіндегі жұмсақ сорбенттер (полиакриламид, кариагенон, т.б.)
қолданылғанымен, технологиялық қатаң режимінде олар тез бұзылып, ыдырайды.
Осыған байланысты шыны талшықтар, поролон т.с.с. мықты материалдар
пайдалану тиімді 9.
Микроорганизмдерді иммобилиздеу үшін қолданылатын тасушылар (сорбенттер)
аймағы кең. Тасушы материал ретінде құм, керамзит, күл, көмір, графит және
оның өзгертілген түрлері, диатомды жер, шыны шарлар, шыны материалдар, шыны
талшықтар, базальтты талшық, металды торлар, Рашиг сақиналары т.б., яғни
жүктеу бетінің ауданын жоғарлатуды қамтамасыз ететін тасушылар пайдаланады.
Сонымен қатар, өңделетін судың тығыздығынан жоғары немесе төмен тығыздығы
бар материалдар (пенополиуретан, көпірген пластмасса, саңылаулы шынылар,
кокс және т.б.) қолданылады. Әртүрлі табиғи және синтетикалық
материалдардан (нейлон, полиэфир, поливинилхлорид, капрон, пенополиуретан
талшықтар) жасалған торлы құрылымды, жалпақ түрдегі тасушылар белгілі.
Сондай-ақ, клеткаларды полимерлерге енгізу арқылы жүргізілетін
иммобилизациясы үшін агар, каррагинан, альгинат, пенополиуретан,
полиакриламид, целлюлоза гельдері пайдаланады. Анаэробты бактерияларға
арналған тасушылар ретінде кокс, тасты көмір, керамика сияқты саңылаулы
материалдар қолданылады 23, 24, 25, 26.
Мұнай мен мұнай өнімдерін жинауда әр түрлі пішіндегі сорбенттер
қолданылады. Мысалы, түйіршікті түрдегі материалдар су бетіндегі мұнайды
тазалау үшін пайдаланады. Ал, толығымен ластанған суларды мата түрінде
жасалған сорбенттер көмегімен тазалайды 27.
Мұнай ластаушыларды жою мақсатында органикалық (көміртекті және
көміртекті емес), целлюлозалы (лигнин, ағаш ұнтағы), шым тезек, өсімдік
пен жануар текті заттар және биосорбенттер пайдаланылады. Сорбенттер
ретінде активті көмірлер кең қолданыс тапты. Олар ретсіз орналасқан
графиттің микрокристалдарынан тұрады. Бұл кристалдар көміртекті
шикізатты қыздырғанда, көміртегі атомдарының орналасуының нәтижесінде
пайда болады. Активті көмірлердің негізі көміртегі – 96%-ға дейін
жетеді. Активті көмірдің массасына шаққанда үлкен аумағы (580-1400м3г)
болады және саңылаулы құрылымды болып келеді 28. Сонымен қатар,
жоғары химиялық және биологиялық тұрақтылығы, механикалық беріктілігі
бар, технологиялық жағдайда қолдануда ыңғайлы формалары болады 29.
Көмірдің осындай сипаттамалары оны көптеген қоспалардан қоршаған ортаны
тазалау мүмкіндігін жоғарлатады. Активті көмірлер мұнай өндіруші, шарап
пен май өндіру және өндірістің т.б. салаларында, сонымен қатар
медицинада қолданылады 30. Активті көмірлер микро-, мезо- және
макросаңылаулардан тұрады. Активті көмір өндірісі келесі сатылардан
тұрады: шикізатты дайындау (ұсақтау, бөлшектеу, пішіндендіру),
карбонизация және активация 31.
Қазіргі кезде өндірісте көміртекті сорбенттер газдардан да,
ерітінділерден де түрлі заттарды сіңіру қабілеттеріне байланысты кең
қолданылуда. Көміртекті тасушылар ағаштан, әр түрлі көмірлерден, кокос,
грек жаңғағының қабығынан және жеміс дәнектерінен жасалады. Бірнеше жылдар
бойы көміртекті сорбенттер Қазақстанға шетелдерден әкелінді. Алайда
көміртекті материалдар бағасының артуына байланысты арзан шикізат көздері
іздестірілуде. Ондай шикізат ретінде ауыл шаруашылық қалдықтары, мысалы
жүзім дәнектері болуы мүмкін 32.
Әдебиеттерде микроорганизмдердің иммобилизациясына температура, ортаның
реакциясы, тұздардың концентрациясының әсері туралы мәліметтер кездеседі.
Көп жағдайда клетка қабырғасының беті теріс зарядқа ие болады.
Адсорбцияланған клеткалардың мөлшері адсорбент және клетка бетіндегі
ионогенді топтардың саны мен мөлшеріне, сонымен қатар ионогенді топтардың
диссоциация деңгейіне, ортаның рН-на және ортадағы тұздардың
концентрациясына байланысты 15. рН – судағы сутегінің бос иондарының
концентрациясын сипаттайтын сутекті көрсеткіш. рН көлемі судың
диссоциациясы кезінде түзілетін Н+ және ОН- иондары мөлшерінің
арақатынасымен анықталады. Егер ОН- бос иондарымен салыстырғанда Н+
иондарының мөлшері төмен болса (рН7), судың сілтілі, ал Н+ иондары көп
болған жағдайда (рН7) қышқылды реакциясы болады. Таза дистилденген суда
бұл иондар тепе-тең, яғни мұндай су бейтарап (рН=7). Суда әр түрлі химиялық
заттар ерігенде бұл тепе-теңдік бұзылады, сәйкесінше рН деңгейін өзгертеді
33. рН көрсеткіштері микроорганизмдердің иммобилизациясына әр түрлі әсер
етеді. Кейбір микроорганизмдер тасушыға рН-тың төмен мәндерінде бекінсе,
кейбіреулері рН-тың жоғары мәндерінде жоғары адсорбциялық белсенділік
көрсетеді. Мысалы, Acinetobacter calcoceticticus клеткаларының цеолитке
адсорбциясы рН деңгейімен анықталады 3. Төменгі рН деңгейлері жоғары
мәндеріне қарағанда иммобилизация үшін тиімді болып табылады. Pseudomonas
aureofaciens өсуіне ортаның рН 8,0-ден 7,0-ге дейін төмендеуі әсер етпейді,
ал мәні 9,0 тең болғанда, бос күйіндегі және капронды талшықтарға
бекітілген дақылдың өсуі тоқтаған 34.
Сазды материалдарға микроорганизмдер сорбциясының рН деңгейіне
тәуелділігі анықталды. Тәжірибеде E. сoli және Streptococcus faecalis
клеткалары қолданылды. Иммобилизацияның жоғары деңгейі төменгі рН
мәндерінде, яғни клеткалар изоэлектрлік жағдайда немесе оң зарядталған
кезде байқалады. Клеткалар теріс зарядталғанда – сілтілі ортада
иммобилизация тиімділігі төмен болды. Ал, клеткалардың керамзитке
адсорбциясы керісінше өтеді. Мұнда сорбция қышқылды ортаға қарағанда (5,0),
сілтілі ортада (8,0) жақсы жүреді. Bacillus mycoides бактерияларының шыныға
иммобилизденуіне орта қышқылдығының оптималды мәні 4,6 тең болды.
Әдебиеттердегі мәлеметтер бойынша 10 сағатта микроорганизмдердің 100% шыны
бетіне адсорбцияланған 9.
1.2 Мұнай және мұнай өнімдерімен ластанған экожүйелерді тазалау
Мұнай өндірісінің қалдықтарымен ластанған топырақ пен су қоймаларын
тазалау экологияның өзекті мәселелеріне айналуда. Мұнай көмірсутектері
биологиялық активтілігіне байланысты жоғары токсинді, қауіпті ластаушы
заттарға жатады. Дүние жүзінде жыл сайын 50 млн тоннадай мұнай қоршаған
ортаға түсіп отырады 35. Американдық зерттеушілердің мәліметтері бойынша,
ірі мұнай өндіруші зауыттарда (тәулігіне 15-16 мың т) жылына 40 мың т қатты
немесе паста тәрізді мұнай қалдықтары жиналады 36. Ғарыштық түсірілім
нәтижесінде Дүниежүзілік мұхит бетінің шамамен 30%-ын мұнайлы қабат жауып
тұрғаны анықталды 37. Мамандардың мәліметтері бойынша қазіргі уақытта
мұнайдың қоры 200 млрд т құрайды. Дүниежүзілік мұнай қорының 1,5%
Қазақстанға келеді 38.
Мұнай – шамамен 3000 әр түрлі құрылымы және молекулалық массасы бар
көмірсутекті компоненттерден тұратын күрделі жиынтық, олардың көбі жеңіл
тотыға алады 36. Сондықтан мұнай мен мұнай өнімдері өсімдіктер мен тірі
организмдер үшін жоғары токсинді болып табылады 39. Мұнайдың құрамындағы
элементтердің үлесі мынадай: 80-85% көміртегі, 10-11,5% сутегі, 0,2-0,5%
азот, 0,2-4% оттегі, 0,5-7% күкірт және металдар (никель, ванадий, темір,
натрий) 40. Мұнайды бұрғылау, игеру, тасымалдау және өңдеу кезінде
апаттық жағдайлар болуы мүмкін, соның салдарынан мұнай мен мұнай
өнімдерінің көп мөлшері сыртқы ортаға түседі. Осыған байланысты мұнайлы
көлдер, мұнай сіңген жердің үлкен алқаптары немесе су бетіндегі мұнай
қабаттары пайда болады. Мұнай кен орындарында мұнайдың төгілуі нәтижесінде
көптеген мұнай көлдері жиналды, онда миллиондаған тонна мұнай өнімдері бар.
Сондай-ақ мұнаймен араласқан топырақ, яғни мұнай қалдықтары түзіледі 36.
Қазақстанда жыл сайын 50 мың тоннадан астам мұнай қалдықтары және 200 мың
гектардан астам мұнаймен ластанған топырақ түзіліп отырады 35.
Мұнай мен оның компоненттері қоршаған орта – ауаға, суға немесе топыраққа
түсіп, олардың физикалық, химиялық және биологиялық қасиеттерін өзгертеді,
табиғи биохимиялық процестердің өтуін бұзады. Мұнай көмірсутектерінің
трансформациясы нәтижесінде токсинді қосылыстар пайда болуы мүмкін, олар
тірі организм үшін өте қауіпті.
Апаттық жағдайларда, қалдықтарды көмгенде немесе ағынды сулар арқылы
жерге төгілген мұнай топырақтың терең қабаттарына еніп, бетіне жайылады.
Ластану деңгейі өте жоғары аймақтарда тірі ағзалардың тіршілігі толығымен
жойылады. Мұнай мен мұнай өнімдерімен ластану топырақтың морфологиялық
қасиеттерінде үлкен өзгерістер тудырады. Төгілген мұнай өнімдері анық
ажыратылатын 4 күйде болады:
• бос күйде – төгілген мұнай өнімдері су қоймаларының бетінде қалқып
жүреді немесе топырақ қабаттарынан өтіп, жер асты суларының
бетінде қабат түзеді;
• еріген – мұнай өнімдері жер үсті және жер асты суларда ериді;
• адсорбцияланған – мұнай өнімдері топырақ түйіршіктеріне бекінеді;
• буланған – су немесе топырақ бетінен буланған мұнай өнімдері және
олардың булары 36.
Мұнай және мұнай өнімдері – ішкі су қоймаларының, Дүниежүзілік мұхит
теңіздері мен суларының негізгі ластаушылары – әр түрлі ластау түрлерін
түзеді: судың бетінде қалқып жүретін мұнай қабаты және су қоймаларының
түбіне шөгетін ауыр фракциялары. Теңіз бетіне төгілген мұнай судың терең
қабаттарына да жете алады. Мұнайдың белгілі бір мөлшері суда ериді, басқа
бөлігі судың бетіне жиналады, ал қалғаны су түбіне шөгеді. Су токсикалық
қасиеттерге ие болып, барлық тіршілік иелеріне қауіп тудырады: мұнайдың 12
г 1 т суды қолдануға жарамсыз етеді. Мұнайдың 800 мгм3 астам
концентрациясы фитопланктонның тіршілігін жояды, балдырлардың оттегіні
түзілу процесін төмендетеді 41.
Экологиялық жағдайды жақсарту мақсатында мұнайлы ластаушының себебін,
табиғатын және деңгейін, сонымен қатар оның таралу механизмі мен жағымсыз
әсерін анықтауда ғылыми-зерттеу жұмыстарын жүргізу қажет. Мұнайдың
көмірсутекті бөлігінің химиялық құрамын, құрылысын және қасиеттерін терең
зерттеу нәтижесінде қалдықтың токсиндік қасиеттерін анықтауға, ластаушы
заттарды өңдеу және тазалау мүмкіндіктері туралы түсініктер қалыптасады
42.
Табиғи ортаның мұнай және мұнай өнімдерімен ластанудың жоғары деңгейі
тиімді және экономикалық жағынан тиімді тазалау әдістерін талап етеді.
Мұнай қалдықтарын өңдеу – күрделі техникалық және технологиялық процесс.
Осы бағытта қолданылатын әдістер механикалық, физикалық, химиялық,
биологиялық және фитомелиоративті болып бөлінеді.
Механикалық әдісте тұндыру, центрифугалау т.б. қолданылады, сондай-ақ бұл
тәсіл арнайы техниканы қажет етеді. Өткізілетін жұмысқа қосымша қаражат
қолдануға тура келеді. Мамандардың мәліметтері бойынша 1 т ластанған
топырақты немесе қалдықты бөліп алуға, тасымалдауға және көмуге шамамен 350
доллар кетеді.
Физикалық әдістердің ішіндегі ең кең таралғаны және қарапайымдысы –
жандыру. Алайда қоршаған ортаның токсинді заттармен ластану қаупі туады. 1
т ластанған топырақты немесе қалдықты жандыру (арнайы қондырғыларды
санамағанда) 250 долларға тең.
Химиялық әдістер мұнай көмірсутектерінің тотығуын туғызатын реагенттерді
қолдануға негізделеді. Химиялық заттар мен ыдырау нәтижесінде түзілген
өнімдер (бензопирендер, фенолдар, полициклді көмірсутектер және т.б. зиянды
қосылыстар) бастапқы ластаушы заттарға қарағанда токсинділігі жоғары
болады. Химиялық заттар биоценоздарда қайтымсыз мутациялар және
құрылымдарында өзгерістер туғызуы мүмкін. Экологиялық мақсаттарда химиялық
әдістерді қолдану тиімсіз болып табылады.
Фитомелиоративті әдістер топырақ ластануының төменгі деңгейлерінде,
тазалаудың ақырғы сатысы ретінде қолданылады. Бұл тәсіл өсімдіктердің
белгілі бір сорттарын егуге негізделеді. Олардың дамуы барысында топырақ
микрофлорасы активтеніп, мұнай көмірсутектерінің минерализациясы жүреді
35.
Су қоймалары мен топырақты көптеген ластаушы заттардан, оның ішінде мұнай
көмірсутектерінен тазалаудың ең тиімді және перспективті жолы –
биоремедиация тәсілдері 43. Ол биологиялық объектілердің, әсіресе
бактериялар, ашытқылар мен саңырауқұлақтардың моно- және полидақылдары
микроорганизмдерінің биохимиялық қасиеттеріне негізделеді. А.М.Боронин
анықтамасы бойынша, биоремедиация – бұл поллютанттарды деградациялау мен
детоксикациялау үшін жергілікті, бейімделген және модификацияланған
биологиялық жүйелердің (ең алдымен микроорганизмдердің) биохимиялық
қасиеттерін қолданудың ғылыми құрастырулары мен технологияларының жиынтығы.
Биоремедиацияның қоршаған орта ластануының алдын алуда және ластаушы
заттардан тазартуда үлкен мүмкіндіктері бар. Табиғи ортаны ластаушылардан
тазалаудың басқа әдістеріне қарағанда, in situ биоремедиация экономикалық
жағынан тиімдірек болып табылады. Химиялық әдістермен салыстырғанда,
биологиялық тазалаудың артықшылығы – қоршаған ортада жаңа ластаушы агент
пайда болмайды.
Биоремедиацияның негізгі 2 түрі бар:
• биостимуляция (биогенді элементтерді, оттегіні т.б. қосу
нәтижесінде жергілікті микрофлораның деградациялық
қабілеттіліктерін белсендіру);
• биоқосу (табиғи немесе ген-инженерлік штамм-деструкторларды қосу).
Биостимуляция өз кезегінде екіге бөлінеді:
1) Табиғи микрофлораны биостимулдеу. Бұл әдіс ластанған су қоймалары мен
топырақта кездесетін, ластаушы заттарды ыдырата алатын, бірақ негізгі
биогенді элементтердің (азот, фосфор, калий, т.б. қосылыстары)
жетіспеушілігінен белсенділіктері төмен табиғи микрофлораның өсуін
белсендіруге негізделген.
2) Активті штамдарды қосу негізіндегі биостимуляция. Бұл әдістің
ерекшелігі бар, ластанған су қоймалары мен топырақтың табиғи
микрофлорасын биостимуляциясы алдымен зертханалық немесе өндірістік
жағдайларда жүргізіледі. Мұнда ластаушы затты тиімді ыдырата алатын
микроорганизмдерді сұрыптап алады. Белсендірілген микрофлораны тағы
басқа ластаушыларды ыдырату деңгейін жоғарлататын қосымша заттармен
бірге ластанған объектіге қосады 35, 39, 44.
Көмірсутектерді биологиялық тазалау жолдары негізінен топырақта
көмірсутектің мөлшері топырақ салмағының 5-10% тең болғанда қолданылады.
Топырақтың бетінде және қалыңдығы бойымен мұнайдың ыдырауы бірнеше сатыда
өтеді, олардың әрқайсысында түрлі табиғи механизмдер және мұнай
элементтерінің құрылымдары қатысады.
Алғашқы сатысы (ұзақтығы 1-1,5 жыл) мұнай компоненттерінің топырақта
жайылуы, булануы, шайылуы, ультракүлгін сәулелері т.с.с. физико-химиялық
процестердің өтуімен жүреді. Жоғары молекулалы заттар топырақтың беткі
қабатына жиналады. Жеңіл төмен молекулалы қосылыстар топырақтың терең
қабаттарына өтіп, жерасты суларын ластайды. Осы сатыда мұнайдың тотығуында
абиотикалық факторлардың ішінде негізгі рөлді ультракүлгін сәулелері
атқарады. Сәулелер С12-С16 n–алкандарына қарқынды әсер етеді. Фотохимиялық
процестер тұрақты полициклді көмірсутектерді де ыдырата алады.
Микроорганизмдер, топырақ омыртқасыздары, жоғары өсімдіктер бөлетін
ферменттер т.б. катализаторлардың белсенділігі көмірсутектерінің оттегімен
әрекеттесу процесін жеделдетеді.
Одан кейін топырақтың өздігінен тазаланудың екінші сатысы жүреді. Бұл
сатыда мұнай көмірсутектерінің тотығуының биохимиялық процестері өтеді,
нәтижесінде су мен көмірқышқыл газы түзіледі. Бастапқы мұнайдың
көмірсутектері өзгерістерге ұшырайды. Бұл ең алдымен ароматты құрылымдардың
ыдырауымен байланысты. Ластанған топырақтағы мұнайдың шайырлы-асфальтты
компоненттерінің мөлшері артады.
Үшінші сатының басы қалдық өнімде бастапқы және екіншілік (метанды
көмірсутектер, биодеградация нәтижесінде түзілген күрделі қосылыстар)
парафиндердің жоғалуымен анықталады.
Мұнай тотықтырушы жергілікті микрофлораны белсендіру үшін агротехникалық
және агрохимиялық жұмыстар жүргізілуде.
Приборсервис ООО НТО топырақтың жергілікті микробты бірлестіктерінің
белсенділігін максималды стимулдеуге негізделген мұнаймен ластанған
топырақты биоремедиациялау технологиясы қолданылады. Ол үшін оптималды
мөлшерде органоминералды тыңайтқыштар және микроэлементтер жиынтығымен
байытылған цеолиттер қолданылады.
Е.В.Плешакова мен әріптестері көмірсутектерді ыдыратушы микрофлораны
стимулдеу үшін минералды қосылыстар мен синтетикалық жуғыш заттарды
қолданды.
Мұнаймен ластанған топырақты қайта қалпына келтірудің тиімді жолдарының
бірі – оны таза топырақпен араластыру.
Мұнаймен ластанған топырақ микрорганизмдерінің қызметін арттыру үшін
субстратты механикалық араластыру, яғни қопсыту қолданылады, өйткені мұнай
көмірсутектерін ыдыратушы микроорганизмдердің көбі аэробтар болып табылады.
Мұнайдың биодеградациясын жеделдету мақсатында ластанған топырақтарды
сидерат, сабан, ағаш ұнтақтары, биогумус және қарашірік сияқты
тыңайтқыштармен өңдейді.
Германияда ластанған топырақтарды тазалау үшін инженерлік технология
пайдаланады. Оның негізі – табиғи көмірсутектерді ыдыратушы
микробиоценоздардың дамуына оптималдық жағдайларды жасау, азот-фосфорлы
тыңайтқыштар қолданылады, аэрация жүргізіледі және т.б. Осындай жағдайларда
белсенді көмірсутектерді ыдыратушы бактерияларының селекциясы өтеді.
Өздігінен тазалану табиғи процесін белсендіру мақсатында полиароматты
көмірсутектер мен циклопарафиндер т.с.с. қиын ыдырайтын көмірсутектердің
бұзылуына жағымды жағдайлар орнатылады. Осындай заттар таза дақылдарға
қарағанда, микроорганизмдер қауымдастығымен жақсы ыдыратылады.
Төмен концентрациядағы мұнай топырақ микрофлорасының өсуін стимулдейді,
себебі көмірсутектер көптеген микроорганизмдер үшін энергетикалық субстрат
болып табылады. Топырақ көп мөлшерде мұнаймен ластанған кезде мұнай барлық
тірі организмдерге токсинді әсер етеді.
Мұнайлы ластаушылар аумақты жерлерді алған жағдайда топыраққа мұнай
ыдыратушы биопрепараттарды енгізу негізгі әдіс болып табылады 30.
Табиғатта кездесетін көмірсутектерді тотықтырушы микрофлораның негізгі
туыстары: бактериялар Pseudomonas, Rhodococcus, Corynebacterium, Nocardia,
Arthrobacter, Acinetobacter, Micrococcus, Aeromonas, Morasella, Vibrio,
Cytophaga, Mycobacterium; ашытқылар Candida, Rhodotorula, Torulopsis,
Trichosporon, Cryptococcus, Sporobolomyces; саңырауқұлақтар Penicilinum,
Aspergillus, Fusarium, Graphium, Paecylomyces, Trichoderma 45.
Мұнай тотықтырушы микроорганизмдер мұнаймен ластанған топырақ пен су
қоймалары микрофлорасының арасынан іздестіріледі 46, 47.
Табиғатта мұнай тотықтырушы бактериялардың ішінде ең көп кездесетіндері
Pseudomonas туысының бактериялары. Осы туыстың 50-дан астам түрі мұнайдың
биоыдыратылуына қатысады. Белсенді мұнайды тотықтыру қабілеті Ps.
aerugenoza, Ps. putida, Ps. fluorescens байқалады. Топырақтан, тұщы және
теңіз суларынан т.б. жерден табылуы Ps. fluorescens түрінің кең таралуын
көрсетеді. Пседомонадалардың жоғары көмірсутекті ыдыратушы активтілігі,
эмульгациялаушы қасиеттері, көмірсутектерді аэробты да, оттегі жетіспейтін
жағдайда да ыдырату қабілеттері, мұнаймен ластанған су мен топырақты
тазалауда осы туыстың ең белсенді штамдарын қолдануға үлкен мүмкіндіктер
береді 35, 18, 49, 50. В.Г.Грищинков пен әріптестері мазутпен ластанған
топырақтан бөліп алған микроорганизм штамдарының 75% Pseudomonas туыстарына
келеді. Тюмен облысының мұнаймен ластанған топырақтан бөлініп алынған
активті биодеструкторлар да осы туысқа жатады. Қатаң климаттық жағдайдағы
мұнай және мұнай өнімдерімен ластанған су қоймалары мен құрлықтардың
биологиялық қайта қалпына келу процесін зерттеуге арналған жұмыстар ерекше
қызушылық туғызады. Мұндай жағдайларда, Н.И.Белоусова т.б. жұмыстарында
көрсетілгендей, мұнай көмірсутектерінің деструкциясында Pseudomonas-
Rhodococcus туыстарының бактериялары маңызды рөл атқаратыны анықталды.
Rhodococcus sp. DS-07, DS-21 және Pseudomonas sp. DS-09, DS-22 штамдарының
4-6°С мұнай, мазут, майлар, бензолды және этанол-бензолды шайырларды
деструкциялау қабілеттілігі анықталды. Мазут пен этанол-бензолды
шайырлардың ең жоғары ыдырау дәрежесі Pseudomonas sp. DS-22 байқалды және
17,2 и 5,2%; ал майлар мен бензолды шайырлардың - Rhodococcus sp. DS-07
штамында сәйкесінше 40 пен 16,6% құрады. Зерттелген штамдар негізінде
биопрепарат құрастырып, оны суық климаттық жағдайларда мұнайлы
ластаушылардың биоремедиациясы үшін қолдануға болады 51. А.И.Марченко мен
әріптестері қара топырақтан Pseudomonas stutzeri MEV-Sl бөліп алды. Бұл
штамм мұнайды, мазутты, дизельді отынды, полициклді ароматты
көмірсутектерді, фенолды ыдырата алады, сонымен қатар ауыр металдардың
иондарына төзімді және биологиялық беттік белсенді заттарды (биосурфактант)
бөледі. Pseudomonas stutzeri MEV-Sl биообъектілерді мұнай мен мұнай
өнімдерінен және металдардан тазалау үшін қолдануға ұсынылды. Осы авторлар
Pseudomonas alcaligenes MEV штамын бөліп алды, ол мұнайды, мазутты,
дизельді отынды, 2-ден 4-ке дейін бензолды сақиналары бар полициклді
ароматты көмірсутектерді: нафталин, фенантрен, антраценді белсенді
деградациялады, ауыр металдардың иондарына төзімді және биосурфактантты
бөледі. И.Ф.Пунтус пен әріптестері Pseudomonas putida және Pseudomonas sp.
штамдарының жаңа коллекцияларын құрды. Бактериялар мұнай өндірісінің
компоненттерін – нафталин, фенантрен, м-крезолды белсенді ыдыратады.
Бөлініп алынған дақылдар қоршаған ортаны полициклді ароматты
көмірсутектерден тазалауға ұсынылды.
Биодеградацияға Rhodococcus туысының түрлері белсенді қатысады 35.
Rhodococcus туысының бактериялары аминқышқылдары, ферменттер, витаминдер,
биологиялық беттік белсенді заттардың продуценттері мен органикалық
ластаушылардың деструкторлары ретінде үлкен қызушылық туғызуда.
Метаболизденетін субстраттарының кең спектрі, эндогенді тыныс алуының төмен
деңгейі, сыртқы ортаның экстремальды жағдайларына төзімділігі сияқты
родококкалардың қасиеттері, оларды өндірісте қолдануының маңыздылығын
көрсетеді. Керамикаға иммобилизденген Rh. еrythropolis клеткалары фенол
және формальдегидпен ластанған ағынды суларды тазалауда қолданылады.
Иммобилизденген родококкалар альдегид, этилацетат, толуол, нафталин т.б.
токсинді заттары бар газды ластаушыларды 80%-ына дейін тазалайды 52.
Rhodococcus sp (ruber)1418 мен Rhodococcus sp (R.erythropolis)1715
штамдарының бірлестігі мұнай мен оның ауыр фракцияларын (шайыр,
асфальтендер, мазут) көміртегі мен энергияның жалғыз көзі ретінде
қолданады. Жүргізілген жұмыстарда осы бірлестік 11 тәуліктің ішінде
мұнайдың концентрациясын 5%–дан 1,25% дейін төмендетті.
Мұнаймен ластанған топырақты азотпен байыту үшін минералды азотты емес,
топырақ диаазотрофтарды енгізу идеясын микробиологтар ұсынған еді.
Азотрофтар азотты фиксациялап қана қоймай, мұнайдың кейбір компоненттерін
ыдырата алды, сонымен қатар көмірсутектерді ыдыратушы микроорганизмдерді
белсендірді.
Azotobacter туысының түрлеріне жататын бактерияларды мұнаймен ластанған
топыраққа енгізгенде, топырақтың өздігінен тазалану процесінің жылдамдығы
артқан. Бактериялар мұнайдың көмірсутектерін көміртегі мен энергияның
жалғыз көзі ретінде байланысқан азот бар ортада да азотфиксация барысында
да сіңіре алады. Деворойл препаратының құрамындағы Azotobacter
choroococcum көмірсутегі ыдыратушы бактерияларының өсуін белсендіреді.
Azospirillum туысының бірлестік ризобактериялары кейбір штамдарында
мұнайды деградациялау қабілеттіліктері анықталды.
Мұнай деградацияға әр түрлі төзімділік деңгейлері бар көмірсутектердің
қоспасынан тұрады, сондықтан бірқатар бактериялар, ашытқылар мен
микробалдырлардан тұратын микроорганизмдер қауымдастығын қолдану тиімді
болып саналады 35.
Микроорганизмдердегі көмірсутектердің метаболизмі негізінен клетка ішінде
жүреді. Сондықтан көмірсутектердің тотығуы олардың клеткаға түсуімен тығыз
байланысты.
Сұйық көмірсутектер микроорганизм клеткаларына жеңіл тасымалданады, ал
қатты көмірсутектер сумен жаман эмульгациялануына байланысты төмен
жылдамдықпен өтеді. Заттар клеткаға активті және пассивті тасымалдау арқылы
өтеді. Көмірсутектердің микробтық клеткаларындағы активті тасымалдануына
жауапты ферменттер осы күнге дейін табылмады.
Микроорганизмдермен көмірсутектерді сіңірудің бірнеше тәсілдері бар.
Бірінші тәсілде көмірсутек суда еріп, басқа заттар сияқты клеткаға өтеді.
10-нан астам көміртегі атомы бар көмірсутектер суда ерімейді, сондықтан
тасымалдаудың осындай механизмі көптеген көмірсутектердің енуін қамтамасыз
ете алмайды.
Екінші әдіс бойынша, көмірсутегі клетканың ішіне микротамшылар арқылы
енеді. Ол үшін клеткалар көмірсутектердің дисперсиялануына жауапты беттік
белсенді заттар бөледі.
Үшінші әдісте көмірсутегі липофильді қабатта ериді де, оның ішкі жағына
жылжып, онда арнайы ферменттер қатысуымен тасылманданады. Көмірсутектерді
активті диффузды сіңірілуі процесінде клетканың сыртқы қабаттарының
липидтері үлкен рөл атқарады. Осыған байланысты көмірсутегі ыдыратушы
бактерияларының клеткаларында липидтері болады және көміртегі бар ортада
өскенде олардың саны артып отырады. Нокардиялар, микобактериялар,
коринебактериялар, родококкалардың клетка қабырғалары басқа бактерияларға
ұқсамайтын мықты липофильді құрылымды болып келеді. Осы бактериялардың
клетка қабырғаларының спецификалық және маңызды компоненті – миколды
қышқылдар. Родококкалардың R–формалары, клетка қабырғасындағы липидтердің
максималды мөлшеріне байланысты М-формаларына қарағанда көмірсутектерді
жылдам сіңіреді және активті тотықтырады.
Көмірсутектер бар ортада өскен Arthrobacter туысының өкілдерінің клетка
қабырғалары липополисахаридтермен толтырылады, ол біртіндеп клетка сыртына
шығып, көмірсутектермен қатынасқа түседі және олардың липидте еруіне себеп
болады. Ет-пептонды қоректік ортада өскенде осындай түзілімдер болмайды.
Candida ашытқысында көмірсутектерді өткізу кезінде электрон-тығыз заттармен
толықтырылған каналдар пайда болады. Псевдомонадаларда көмірсутектерді
сіңірудің клетка сыртылық механизмі өзгеше. Олар гидрофобты әрекеттесу
нәтижесінде көміртегі молекулаларымен байланысатын пептидогликолипидті
сыртқы ортаға бөледі.
Сөйтіп, көмірсутектер микроорганизм клеткасының бүкіл бетімен сіңіріледі
немесе клетка қабырғасының липофильді аймақтары, яғни липополисахаридті
каналдар арқылы өтеді. Ал коринебактерияларда микол қышқылдарының ұзын
алифаттық тізбектері клетка қабырғасындағы липофильді аймақтары болып
табылады.
Клетка қабырғасында ерекше каналдар түзіледі, олар арқылы көмірсутектер
пиноцитоз жолымен цитоплазмаға енеді. Көмірсутекті ортада өсірілген
бактериялардың кейбір түрлерінің клеткаларында фимбриялар түзіледі.
Көмірсутегі ыдыратушы ашытқылар клеткаларының ультражіңішке құрылымының
ерекшелігі – пероксисомалардың (микроденешіктер) түзілуі. Көптеген
авторлардың зерттеулері бойынша көмірсутектер тотығуының ферменттік
жүйелері осы денешіктермен тығыз байланысты. Пероксисомалар ядроның және
эндоплазмалық тор мембраналарының қасында орналасады 45.
Көмірсутектердің микробиологиялық метаболизмі аэробты жағдайда қарқынды
жүреді. Көмірсутектердің тотығу механизмі және микробты айналымның соңғы
өнімдері микроорганизмнің түріне байланысты болады. Псевдомонадалар аралық
өнімдерді жинақтамайды және ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Биология факультеті
Микробиология кафедрасы
БІТІРУ ЖҰМЫСЫ
МИКРООРГАНИЗМДЕРДІҢ КӨМІРТЕКТЕНДІРІЛГЕН ЖҮЗІМ ДӘНЕКТЕРІНЕ ИММОБИЛИЗДЕНУІНЕ
рН-ТЫҢ ӘСЕРІН ЗЕРТТЕУ
Орындаған:
4 курс студенті
Арбаканова Д.С.
Ғылыми жетекшісі:
б.ғ.к.
Уалиева П.С.
_____________2008ж
Нормобақылаушы:
Ибраимова М.Ж.
_____________2008ж
Қорғауға жіберілді
кафедра меңгерушісі
б.ғ.д., профессор
Жұбанова А.А.
Алматы 2008
РЕФЕРАТ
Бітіру жұмысы 41 беттен, 4 кестеден, 9 суреттен тұрады, 57 әдебиет
пайдаланылды.
Кілтті сөздер: иммобилизация, сорбция, сорбенттер, активті көмір,
карбонизация, жүзім дәнектері, көмірсутектотықтырушы микроорганизмдер,
биоремедиация.
Берілген жұмыста көміртектендірілген жүзім дәнектеріне
көмірсутектотықтырушы бактериялардың иммобилизациясы және иммобилизацияға
рН-тың әсері анықталды.
Pseudomonas pseudoalkoligenes KR7 және Pseudomonas alkoligenes KR17
штамдары 600°С салыстырғанда, 700°С көміртектендірілген жүзім дәнектерінде
жоғары сорбцияны көрсетті. Көмірсутектотықтырушы бактериялардың
иммобилизациясы рН 4 мәнінде белсенді жүретіні дәлелденді.
ЖОСПАР
КІРІСПЕ 4
1 ӘДЕБИЕТТЕРГЕ ШОЛУ 5
1.1 Микроорганизм клеткаларының иммобилизациясы 5
1.2 Мұнай және мұнай өнімдерімен ластанған экожүйелерді тазалау12
2 ЗЕРТТЕУ ОБЪЕКТІЛЕРІ МЕН ӘДІСТЕРІ 25
2.1 Зерттеу объектілері 25
2.2 Зерттеу әдістері 25
2.2.1Иммобилизация әдістері 25
2.2.2Иммобилизденген клеткалардың өмір сүру қабілетін тексеру 26
2.2.3Иммобилизацияға рН-тың әсерін тексеру 26
2.2.4Клеткалардың гидрофильді-гидрофобты қасиеттерін зерттеу 26
2.2.5Үлгілерді карбониздеу әдістері 26
2.2.6Электронды-микроскопиялық зерттеу әдістері 27
3 АЛЫНҒАН НӘТИЖЕЛЕРДІ ТАЛҚЫЛАУ 28
3.1 Бактерия клеткаларының көміртектендірілген жүзім 28
дәнектеріне иммобилизациясын анықтау
3.2 Иммобилизденген клеткалардың өмір сүру қабілетін тексеру 30
3.3 Иммобилизацияға рН-тың әсерін тексеру 31
3.4 Клеткалардың гидрофильді-гидрофобты қасиеттерін зерттеу 34
ҚОРЫТЫНДЫ 36
ҚОЛДАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ 37
ТҮЙІН 41
КІРІСПЕ
Қазақстан Республикасында мұнай және мұнай өнімдерінің қарқынды
өндірісіне байланысты елімізде су және топырақ көздері ластануда. Мұнаймен
ластанған экожүйелердің табиғи қалпына келу процесі ұзақ, сондықтан
қоршаған ортаны тазалаудың тиімді жолдары (яғни экономикалық шығыны төмен,
ластаушы заттардың ыдырау жылдамдығы жоғары) іздестірілуде. Мұнай және
мұнай өнімдерін ыдыратудың механикалық, физикалық және химиялық әдістері
қолданылады. Алайда бұл тәсілдердің тиімділігі төмен. Соңғы жылдары
ластанған топырақ пен су қоймаларын тазалауда көміртегі көзі ретінде мұнай
көмірсутектерін қолданатын микроорганизмдерге негізделген биологиялық
әдістер қолданылып келеді. Ластанған экожүйлерді тазалауда иммобилизденген
биосорбенттерді қолданып, биоремедиация тиімділігін жоғарлатуға болады.
Иммобилизденген микрофлора арқылы су қоймаларын мұнай мен мұнай өнімдерінен
тазалаудың тиімділігі жоғары екені белгілі.
Соңғы кездері арзан сорбенттердi алуда ауыл шаруашылық қалдықтары, грек
жаңғағының қабығы, күріш қауызы және жеміс дәндері, мысалы сары өрік, жүзім
дәнектері негiзгi шикiзат көзi болып табылады. Ауыл шаруашылық қалдықтары
негiзiнде алынған сорбенттер арзан, кеуектiлiгi үлкен, құрамындағы
минералды қоспалар аз, қолайлы болып келедi. Олар экологиялық таза және тез
қалпына келетiн сорбенттер қатарына жатады. Иммобилизденген микроорганизм
клеткаларын пайдалана отырып, активті көмір негізіндегі сорбенттерді
қолдану тиімді болып табылады.
Әдебиеттерде микроорганизмдердің иммобилизациясына температура, ортаның
реакциясы, тұздардың концентрациясының әсері туралы мәліметтер кездеседі.
Адсорбцияланған клеткалардың мөлшері адсорбент және клетка бетіндегі
ионогенді топтардың саны мен мөлшеріне, сонымен қатар ионогенді топтардың
диссоциация деңгейіне, ортаның рН-на және ортадағы тұздардың
концентрациясына байланысты. рН бактерия клеткасы мен сорбенттің бетіндегі
әр түрлі функциональды топтарының өзара әрекеттесуіне әсер етеді. Осыған
байланысты иммобилизацияға әр түрлі факторлардың әсерін зерттеу қызушылық
тудырады.
1 ӘДЕБИЕТТЕРГЕ ШОЛУ
1.1 Микроорганизм клеткаларының иммобилизациясы
Қазіргі кезде экологиялық биотехнологияда қоршаған ортаны ластаушы
заттардан тазалау үшін иммобилизденген микрофлораға негізделген әдістер жиі
қолданады. Иммобилизация (ағылшынша immobilize) – таңып тастау, орнықтыру,
қозғалысын шектеу, байланыстыру деген мағыналарды білдіреді 1, 2.
Иммобилизденген микроорганизмдер көмегімен экзополисахаридтер, органикалық
қышқылдар, аминқышқылдары, антибиотиктер, стероидтар, спирттер және т.б.
құнды өнімдерді алу үшін пайдаланады. Сонымен қатар, ластанған суларды
тазалауда, ауыл шаруашылық және өндірістік қалдықтарды өңдеуде кең қолданыс
тапты 3, 4, 5, 6. Иммобилизденген ашытқылар шарап, шампан өндірісінде
қолданылады. Микроорганизм клеткаларын иммобилиздеу күрделі көпсатылы
процестерді жүзеге асыруға; клеткаларды жағымсыз факторлардан қорғану
дәрежесін көтеруге; реактордағы клеткалардың жоғары концентрациясын
қамтамасыз етуге мүмкіндік береді 7, 8, 9. Иммобилизденген
микроорганизмдер көптеген жылдар бойы қолданылып келеді. 150 астам жыл
бұрын сіркен қышқылын тез алу үшін аққайың ағашының жоңқасына
адсорбцияланған клеткалар пайдаланды 10.
Иммобилизденген микроорганизмдердің иммобилизденген ферменттер мен бос
клеткалардан бірқатар артықшылықтары бар:
- реакция өнімдерін бөліп алу мен тазалау шығындарының болмауы;
- жоғары белсенділік пен тұрақтылық;
- үздіксіз және жартылай үздіксіз автоматталған процестерді жүзеге асыру
мүмкіндігі;
- клеткалар барлық тіршілікті қамтамасыз ету жүйелерін, соның ішінде
кофактор регенерациясының ферменттік сатыларын сақтап қалады. Нәтижесінде
күрделі тізбекті реакцияларды, көп сатылы процестерді жүргізуге болады 11,
12.
Иммобилизденген микроорганизм жүйелерін қолданудың маңызды артықшылығы –
клеткалардың гидравликалық қысымға және ластаушы заттардың жоғары
концентрациясына төзімділігі. Сонымен қатар, иммобилизация қосылыстардың
тотығуын жоғарлатады және ластанған суларды өңдеу уақытын қысқартады 13,
14.
Ластанған суларды биологиялық тазалау жолдарын құрастыру екі жағдайды
талап етеді: біріншісі – суды ластаушы заттардан босату; екіншісі – суды
микроорганизмдер суспензиясынан босату. Иммобилизденген микрофлораны
қолдану арқылы осы екі мәселені тиімді шешуге болады. Әртүрлі су
организмдерін иммобилиздеу – ластанған суларды биологиялық тазалаудың әрі
тиімді, әрі сенімді жолы 3.
Иммобилизденген микроорганизмдерді биотехнологиялық процестерде
қолданудың бірқатар артықшылықтары бар:
• иммобилизденген микроорганизмдердің сыртқы ортаның кері
факторларына (температура, қышқылдық, электролиттердің және
токсинді заттардың концентрациясы т.б.) төзімділігі артады;
• иммобилизденген микроорганизмдердің өмір сүру қабілеті және
белсенділігі жоғарлайды;
• клеткалардың сұйықтықтан жеңіл бөлініп алынуы;
• клеткаларды қайталап қолдану мүмкіндігі;
• деструктор-микроорганизмдер қауымдастығын иммобилиздеу
ластаушы заттарды биоыдыратушылар аймағын кеңейтеді;
• ластаушы түрлердің шайылып кетуі нәтижесінде культураның
тазалығын сақтап қалуы, бұл жұмысты залалсыз емес жағдайларда
жүргізуге мүмкіндік береді 8, 12.
Бекітілген клеткалардың жоғары физиологиялық тұрақтылығы және ластаушы
микрофлораның суспензия күйінде болуы барлық микробиологиялық процестерді
залалсыз емес жағдайда өткізуге болады 11.
Суларды тазалауда микробты препараттарды қолдануын тежейтін факторлар –
клеткалардың шайылып кетуі және жергілікті микрофлорамен ығыстырылуы. Осы
мәселелерді шешуде деструктор-микроорганизмдердің жоғары концентрациясын
алу үшін түрлі тасушыларға бекіту жұмыстары жүргізілуде 9.
Табиғи жағдайларда көптеген микроорганизмдер топырақтың, су қоймалары
тұнбаларының, өсімдіктің минералды бөлшектеріне, өсімдік тамырына немесе
жер үсті мүшелеріне, жануарлардың ас-қорыту жүйесінде бекінген түрінде
тіршілік етеді, көбейеді және түрлі биохимиялық белсенділік көрсете алады.
Бос күйіндегі микроорганизмдерге қарағанда иммобилизденген клеткалардың
тағы бір маңызды артықшылығы бар – бірнеше рет қолданғанның өзінде
бактериялардың ұзақ уақыт бойы тотықтыру қасиетін сақтап қалуы.
Алайда бос клеткалармен салыстырғанда иммобилизденген микроорганизмдердің
кемшіліктері де бар:
• күрделі құрылысты биореакторлар керек;
• клеткалардың биохимиясы мен физиологиясында өзгерістер өтуі мүмкін,
оның нәтижесінде өнімділігі төмендейді;
• тасушыларды дайындау қажет 11.
Микроорганизмдерді тасушыларға иммобилиздеудің ғылыми және технологиялық
құрастыруларына арналған зерттеулер ХХ ғасырдың 70-жылдарында қарқынды
жүргізіле басталды. Бұған иммобилизденген ферменттерді қолдану жұмыстарының
кең етек жайғаны себеп болды.
Иммобилизденген ферменттерді өндірістік жағдайда ең бірінші рет қолдану
1974 жылы Жапонияда аспарагин қышқылын алу мақсатымен жүргізілді 12.
Технологиялық бағытта иммобилизденген микрорганизмдерді иммобилизденген
ферменттерге қарағанда қолдану тиімдірек. Микроорганизмдер ұзақ уақыт бойы
өзінің биохимиялық белсенділігін сақтап тұра алады. Өндірістің залалсыз
емес, кейде тіпті экстремальды ортасында иммобилизденген ферменттер жеңіл
бұзыла алады және белокты тегіне байланысты бактериялардың әсеріне қарсы
тұра алмайды 9,11.
Иммобилизденген микрофлораны алудың бірнеше әдістері бар: химиялық
(бифункциональды реагенттермен байланыстыру); механикалық (микроб
клеткаларын әртүрлі гельдерге және мембраналарға енгізуге негізделген);
физикалық (адсорбция және агрегация) әдістер. Өндірістік қалдық суларды
ластаушы заттардан тазартуда ең тиімдісі және қарапайымдысы – адсорбциялық
әдіс. Сонымен қатар бұл әдіс биокатализ және биодеградация тиімділігін
арттырады. Көптеген жұмыстарда тасушы матрицасына (негізінен полимерлі
материалдарға) енгізуге негізделген иммобилизация адсорбциялық әдістерге
қарағанда, күрделі жүргізілетіні анықталды 15, 16.
Саңырауқұлақ мицелийлерінің иммобилизденуіне тоқталсақ, онда
иммобилизация микроорганизмді токсиканттың жоғары концентрациясының тежеуші
әрекетінен қорғайды. Мысалы, егер 1,3 гл концентрациядағы фенол үздіксіз
дақылдау жағдайында Fusarium flocciferum саңырауқұлағының өсуін толығымен
тежесе, ал пенополиуретанға бекіту немесе енгізу арқылы иммобилизденген
культура сәйкесінше 2,5 және 4,0 гл концентрациясындағы фенолды белсенді
ыдыратады. Клеткалардың белсенділігі екі айдан астам уақытта байқалды
17.
Бірқатар жұмыстарда микроорганизмдерді иммобилизденген соң, клетканың
сыртқы қабаты мен мембранасының өткізгіштігі өзгереді. Авторлар бойынша
субстраттарға клетка өткізгіштігінің артуы иммобилизденген
микроорганизмдердің белсенділігіне әсер етеді 9.
Фенол, хлор сияқты токсинді субстраттарды ыдырату үшін иммобилизденген
микроорганизмдерді қолдану үлкен жетістіктерге жетті. Микроорганизмдердің
бекінген аралас дақылдарын ластанған суларды цианид пен фенол, нафталин мен
фенол, фенол, 2-хлорфенол, 2,4-дихлофенол, 2,4,6-үшхлорфенол,
пентахлорфенол, 2-нитрофенол, диэтилфталаттан тазалау үшін қолдану
тиімділігін зерттеу жұмыстары жүргізілген.
Тасушының материалы мен формасы бекінетін клеткалардың мөлшеріне әсерін
тигізеді. Илялетдинов және Алиева бактериялардың адсорбциясын каучук,
поролон, шыны материал, шыны моншақтар және шыны талшықтарға жүргізіп,
мынадай қорытындыға келді: каучук клеткаларды нашар сорбциялайды және
олардың өсуін тежейді, поролонға клеткалардың 85%, шыны моншақтарға 52%,
шыны талшықтарға 65%, шыны материалға 75% бекінеді.
Белсенді тұнбаның шыны талшықтарға, капронды корд және капронды талшыққа
6 сағаттағы иммобилизациясының эффективтігі мынадай көрсеткіштерге тең
болды: шыны талшықтарда – 30%, капронды кордта – 40-45%, капронды талшықта
– 80%.
Алайда, ұзақ қолданыста (екі айдан астам) шыны материал бүтіндігі
бұзылды, ал эмульгацияланған заттармен ластанған суларды тазалау үшін шыны
талшықтар мен поролонды пайдаланғанда, тасушылар тез арада майланып,
ыдыраған 17.
Микробалдырлардың иммобилизациясына арналған жұмыстар да кездеседі.
Кальций альгинатына иммобилизденген Chlorella vulgaris 1 сағатта 10 мгл
төмен концентрациядағы металдарды қоспалардан толығымен жоя алатыны
анықталды 18.
Rhodococcus erythropolis HL PM-1 бактериялық клеткалармен 2,4-
динитрофенолдың (2,4-ДНФ) деградациясы анықталды. Клеткаларды агарлы
гельге енгізу арқылы иммобилизациялау микроорганизмнің белсенділігін
төмендетті: бос және иммобилизденген клеткалармен 2,4-ДНФ деградациясының
ең жоғарғы көрсеткіштері сәйкесінше 10,0 және 5,4 нмоль·мин-1·мг-1 клеткаға
тең болды 19.
Иммобилизденген клеткалардың белсенділігіне иммобилизация әдісі ықпал
етеді. Мысалы, талшықты тасушылардың бетіне бекіту немесе
триацетатцеллюлозаға енгізу арқылы иммобилизденген клеткалар көмегімен
ағынды суларды фенол және 1-нафтил N-метилкарбаматтан тазалауда гельге
енгізу әдісінің тиімділігі анықталды. Алайда гельдер клеткалардың өмір сүру
қабілетіне кері әсерін тигізеді 20.
Баяу тотығатын және токсинді заттардан ластанған суларды биологиялық
тазалау тәсілдерін қарқындатудың тиімді жолы – биосорбциялық әдіс. Бұл
әдісті ұнтақтанған немесе түйіршіктенген активті көмірді аэрация аймағына
қосу арқылы жүргізеді. Мұндай материал екі түрлі функцияны атқарады:
біріншіден, иммобилизденген микроорганизмдер үшін тасушы болып табылады;
екіншіден үлкен сорбциялық сыйымдылығына байланысты токсинді субстраттың
тез адсорбциясын қамтамасыз етеді.
Соңғы жылдары көптеген зерттеулер активті деструктор-микроорганизмдер
ағынның жоғары жылдамдығынан шайылып кететіні анықталды, сондықтан оларды
биоценоз құрамында сақтаудың тек бір жолы бар – тасушыға бекіту арқылы
жүргізілетін иммобилизация. Мысалы, Fusarium flocciferum саңырауқұлағының
бос және пенополиуретанға иммобилизденген клеткаларын салыстырмалы ретінде
1,0 гл мөлшерде фенолы бар ортада, хемостат жағдайында өсірді. Екеуінде де
фенолдың толық ыдырауы байқалды. Алайда су ағынының жылдамдығын
жоғарлатқанда, бос клеткалары бар қондырғыда биомассаның шайылып кетуі
байқалды; ал иммобилизденген клеткалар төрт ай бойы фенолды толығымен
қолданды.
Микроорганизмдердің адгезиясына капронды талшықтарды қолдану нәтижесінде
зертханалық аэротенктегі биомасса концентрациясы 0,3-тен 3,0 гл дейін
жетті және ластанған суларды тазалау уақыты 36 сағаттан 6 сағатқа дейін
қысқарды, ал фенолдың концентрациясы 660-тан 10 мгл азайды. Микрофлораның
тасушысы ретінде металды торларды қолданғанда, аэротенктегі биомасса
концентрациясы 0,3-тен 1,2-1,5 гл дейін өсті, ластанған суды тазалау
уақыты 36 сағаттан 8-10 сағатқа дейін қысқарды және фенолдың мөлшері 600-
ден 20 мгл дейін төмендеді.
Әртүрлі тасушыларға (шыны талшықтар, капронды корд) иммобилизденген және
бос күйіндегі белсенді тұнбалардың көмірсутектерді ыдыратуы салыстырмалы
түрде зерттелді. Мынадай нәтижелер алынды: иммобилизденген белсенді тұнба
20 сағатта 907 мгл мөлшерде мұнай өнімдері бар ортада көмірсутектердің
89,6%, ал бекітілмеген микроорганизмдер тек 25% ғана ыдыратты.
Иммобилизация штамдардың белсенділігін төмендетпейді, сонымен қатар
ксенобиотиктердің тотығу жылдамдығын жоғарлатады. Мысалы, тат баспайтын
болатқа иммобилизденген Pseudomonas putida ATCC 11172 штамы фенолды
сағатына 0,72 гл мөлшерде ыдыратса, иммобилизденбеген клеткаларының
тотықтыру жылдамдығы үш есе төмен болды.
Ксенобиотиктердің тотығу жылдамдығы ластанған сулардың құрамына,
қолданылатын микроорганизмдеріне және тасушының материалына тәуелді.
Мысалы, асбестті талшыққа бекінген Aureobasidium pullulans клеткаларының
фенолды сағатына 50 мгл, ал активті көмірге адсорбцияланған Pseudomonas
putida P8 штамы сағатына 360 мгл мөлшерде ыдыратты. Сондай-ақ, саңылаулы
шыныға иммобилизденген Cryptococcus elinovii аралас дақылы сағатына 270
мгл фенолды деградациялады.
Тасушы ретінде шыны талшықтарды қолдану жұмыстары үлкен нәтижелерге
жетті. Бұл сорбент ағынды дақылдау жағдайындағы Pseudomonas және Bacillus
бактерияларының беттік активті заттар мен бояғыштарды биоыдыратуында
қолданылды.
Аэробты және анаэробты жағдайларда микроорганизмдердің иммобилизденген
дақылдары ағынды сулардағы түрлі органикалық қосылыстардың көп мөлшерін
ыдыратады. Мысал ретінде альгинат гелінде иммобилизденген Thiobacillus
denitrificans аутотрофты бактерияларының ластанған сулардағы сульфидтерді
сульфатқа дейін ыдыратуын келтіруге болады. Процесс анаэробты биофильтрде
өткізілді. Сонымен қатар гельге буферлікті қалыптастыру үшін СаСО2 және
беріктілік үшін Са2+ иондары қосылды. Мұндай жүйе 12 тәулікте ерітіндідегі
сульфидтердің ыдырауын қамтамасыз етеді 17.
Ластанған сулардан көмірсутектерді тазалаудың бір жолы – мұнай және мұнай
өнімдерін көміртегі мен энергия көзі ретінде пайдаланатын
микроорганизмдерді қолдану. Суды мұнай мен мұнай өнімдерінен тазалауда
иммобилизденген микроорганизмдерді қолдану арқылы тазалау эффектілігін
артуға болады. Берілген жұмыста A. calcoaceticus K-4, N. vaceinii K-8,
R.erythropolis ЭК-1 штамдары қолданылды. Ұсақталған керамзит (бөлшектердің
мөлшері 2-3 мм) колонкаларға салынып, құбыр суымен шайылды және 1 сағат
бойы 121°С стерилизацияланды. Кейінгі жұмыстарда керамзитке иммобилизденген
мұнайтотықтырғыш бактериялар залалсыз емес жағдайларда, 18-20°С
температурада, арнайы зертханалық нұсқалық қондырғыда өсірілді. Клеткаларды
иммобилиздеу алдында керамзитті қабаттың үстіне мұнай құйылды. Ол үшін
жеңіл мұнай қолданылды, тығыздығы – 0,85 гсм3. Колонка арқылы 100-500 мгл
мөлшерде мұнайы бар суды өткізіп отырды. Әрбір 4 сағат сайын судың
сынақтары алынды. Мұнайдың мөлшері өлшеу әдісімен анықталынды. 24-36
сағатта колонкалардағы мұнайдың мөлшері 30-50 мгл дейін арта бастады.
Уақыт өткен сайын мұнайдың мөлшері жоғарылай берді. Бұл ағын сулардағы
мұнай концентрациясының төмендеуін көрсетеді 21.
Микроорганизмдердің сорбциясына бірқатар факторлар әсер етеді: 1)
сорбцияланатын микроорганизмдердің физиологиялық-биохимиялық ерекшеліктері;
2) сорбенттің табиғаты мен қасиеті; 3) сыртқы орта жағдайлардың физико-
химиялық қасиеттері. Сорбцияның көлемі адсорбенттің бетіне байланысты.
Клеткалардың мөлшері мен формасы бекінуге ешқандай әсер етпейді.
Микроорганизмдердің сорбциясына әсер ететін маңызды фактордың бірі –
сорбенттің табиғаты 10, 11, 22.
Адсорбенттер ретінде органикалық және бейорганикалық тасушылар – түрлі
полимерлер, керамика, саз т.б. тасушылар қолданылады. Соңғы кездері ірі
саңылаулы тасушыларға үлкен көңіл бөлінуде.
Ғылыми-зерттеу бағытында микроорганизмдерді сорбциялау үшін өсімдік
материалдарына, теңіз балдырларына, полисахаридтер-альгинаттарға
негізделген тасушылар өзін жақсы жақтан көрсете алды. Ал технологиялық
жағдайда, яғни ағынды суларды тазалағанда мықты материалды сорбент қажет.
Кальций альгинаты және т.б. полимерлер бактерия клеткаларына эффективті
сорбент болғанымен, қалдық сулардағы химиялық заттардың жоғары
концентрацияларына және гидродинамикалық қысымға тұрақсыз болып келеді.
Сондықтан ұсақталған мықты сорбенттер жиі қолданылады.
Өндірістік жағдайлар бактерияларды бекітуге арналған материалдарға
өзіндік шарттарды талап етеді. Ғылыми-зерттеу жұмыстарында органикалық
полимерлер негізіндегі жұмсақ сорбенттер (полиакриламид, кариагенон, т.б.)
қолданылғанымен, технологиялық қатаң режимінде олар тез бұзылып, ыдырайды.
Осыған байланысты шыны талшықтар, поролон т.с.с. мықты материалдар
пайдалану тиімді 9.
Микроорганизмдерді иммобилиздеу үшін қолданылатын тасушылар (сорбенттер)
аймағы кең. Тасушы материал ретінде құм, керамзит, күл, көмір, графит және
оның өзгертілген түрлері, диатомды жер, шыны шарлар, шыны материалдар, шыны
талшықтар, базальтты талшық, металды торлар, Рашиг сақиналары т.б., яғни
жүктеу бетінің ауданын жоғарлатуды қамтамасыз ететін тасушылар пайдаланады.
Сонымен қатар, өңделетін судың тығыздығынан жоғары немесе төмен тығыздығы
бар материалдар (пенополиуретан, көпірген пластмасса, саңылаулы шынылар,
кокс және т.б.) қолданылады. Әртүрлі табиғи және синтетикалық
материалдардан (нейлон, полиэфир, поливинилхлорид, капрон, пенополиуретан
талшықтар) жасалған торлы құрылымды, жалпақ түрдегі тасушылар белгілі.
Сондай-ақ, клеткаларды полимерлерге енгізу арқылы жүргізілетін
иммобилизациясы үшін агар, каррагинан, альгинат, пенополиуретан,
полиакриламид, целлюлоза гельдері пайдаланады. Анаэробты бактерияларға
арналған тасушылар ретінде кокс, тасты көмір, керамика сияқты саңылаулы
материалдар қолданылады 23, 24, 25, 26.
Мұнай мен мұнай өнімдерін жинауда әр түрлі пішіндегі сорбенттер
қолданылады. Мысалы, түйіршікті түрдегі материалдар су бетіндегі мұнайды
тазалау үшін пайдаланады. Ал, толығымен ластанған суларды мата түрінде
жасалған сорбенттер көмегімен тазалайды 27.
Мұнай ластаушыларды жою мақсатында органикалық (көміртекті және
көміртекті емес), целлюлозалы (лигнин, ағаш ұнтағы), шым тезек, өсімдік
пен жануар текті заттар және биосорбенттер пайдаланылады. Сорбенттер
ретінде активті көмірлер кең қолданыс тапты. Олар ретсіз орналасқан
графиттің микрокристалдарынан тұрады. Бұл кристалдар көміртекті
шикізатты қыздырғанда, көміртегі атомдарының орналасуының нәтижесінде
пайда болады. Активті көмірлердің негізі көміртегі – 96%-ға дейін
жетеді. Активті көмірдің массасына шаққанда үлкен аумағы (580-1400м3г)
болады және саңылаулы құрылымды болып келеді 28. Сонымен қатар,
жоғары химиялық және биологиялық тұрақтылығы, механикалық беріктілігі
бар, технологиялық жағдайда қолдануда ыңғайлы формалары болады 29.
Көмірдің осындай сипаттамалары оны көптеген қоспалардан қоршаған ортаны
тазалау мүмкіндігін жоғарлатады. Активті көмірлер мұнай өндіруші, шарап
пен май өндіру және өндірістің т.б. салаларында, сонымен қатар
медицинада қолданылады 30. Активті көмірлер микро-, мезо- және
макросаңылаулардан тұрады. Активті көмір өндірісі келесі сатылардан
тұрады: шикізатты дайындау (ұсақтау, бөлшектеу, пішіндендіру),
карбонизация және активация 31.
Қазіргі кезде өндірісте көміртекті сорбенттер газдардан да,
ерітінділерден де түрлі заттарды сіңіру қабілеттеріне байланысты кең
қолданылуда. Көміртекті тасушылар ағаштан, әр түрлі көмірлерден, кокос,
грек жаңғағының қабығынан және жеміс дәнектерінен жасалады. Бірнеше жылдар
бойы көміртекті сорбенттер Қазақстанға шетелдерден әкелінді. Алайда
көміртекті материалдар бағасының артуына байланысты арзан шикізат көздері
іздестірілуде. Ондай шикізат ретінде ауыл шаруашылық қалдықтары, мысалы
жүзім дәнектері болуы мүмкін 32.
Әдебиеттерде микроорганизмдердің иммобилизациясына температура, ортаның
реакциясы, тұздардың концентрациясының әсері туралы мәліметтер кездеседі.
Көп жағдайда клетка қабырғасының беті теріс зарядқа ие болады.
Адсорбцияланған клеткалардың мөлшері адсорбент және клетка бетіндегі
ионогенді топтардың саны мен мөлшеріне, сонымен қатар ионогенді топтардың
диссоциация деңгейіне, ортаның рН-на және ортадағы тұздардың
концентрациясына байланысты 15. рН – судағы сутегінің бос иондарының
концентрациясын сипаттайтын сутекті көрсеткіш. рН көлемі судың
диссоциациясы кезінде түзілетін Н+ және ОН- иондары мөлшерінің
арақатынасымен анықталады. Егер ОН- бос иондарымен салыстырғанда Н+
иондарының мөлшері төмен болса (рН7), судың сілтілі, ал Н+ иондары көп
болған жағдайда (рН7) қышқылды реакциясы болады. Таза дистилденген суда
бұл иондар тепе-тең, яғни мұндай су бейтарап (рН=7). Суда әр түрлі химиялық
заттар ерігенде бұл тепе-теңдік бұзылады, сәйкесінше рН деңгейін өзгертеді
33. рН көрсеткіштері микроорганизмдердің иммобилизациясына әр түрлі әсер
етеді. Кейбір микроорганизмдер тасушыға рН-тың төмен мәндерінде бекінсе,
кейбіреулері рН-тың жоғары мәндерінде жоғары адсорбциялық белсенділік
көрсетеді. Мысалы, Acinetobacter calcoceticticus клеткаларының цеолитке
адсорбциясы рН деңгейімен анықталады 3. Төменгі рН деңгейлері жоғары
мәндеріне қарағанда иммобилизация үшін тиімді болып табылады. Pseudomonas
aureofaciens өсуіне ортаның рН 8,0-ден 7,0-ге дейін төмендеуі әсер етпейді,
ал мәні 9,0 тең болғанда, бос күйіндегі және капронды талшықтарға
бекітілген дақылдың өсуі тоқтаған 34.
Сазды материалдарға микроорганизмдер сорбциясының рН деңгейіне
тәуелділігі анықталды. Тәжірибеде E. сoli және Streptococcus faecalis
клеткалары қолданылды. Иммобилизацияның жоғары деңгейі төменгі рН
мәндерінде, яғни клеткалар изоэлектрлік жағдайда немесе оң зарядталған
кезде байқалады. Клеткалар теріс зарядталғанда – сілтілі ортада
иммобилизация тиімділігі төмен болды. Ал, клеткалардың керамзитке
адсорбциясы керісінше өтеді. Мұнда сорбция қышқылды ортаға қарағанда (5,0),
сілтілі ортада (8,0) жақсы жүреді. Bacillus mycoides бактерияларының шыныға
иммобилизденуіне орта қышқылдығының оптималды мәні 4,6 тең болды.
Әдебиеттердегі мәлеметтер бойынша 10 сағатта микроорганизмдердің 100% шыны
бетіне адсорбцияланған 9.
1.2 Мұнай және мұнай өнімдерімен ластанған экожүйелерді тазалау
Мұнай өндірісінің қалдықтарымен ластанған топырақ пен су қоймаларын
тазалау экологияның өзекті мәселелеріне айналуда. Мұнай көмірсутектері
биологиялық активтілігіне байланысты жоғары токсинді, қауіпті ластаушы
заттарға жатады. Дүние жүзінде жыл сайын 50 млн тоннадай мұнай қоршаған
ортаға түсіп отырады 35. Американдық зерттеушілердің мәліметтері бойынша,
ірі мұнай өндіруші зауыттарда (тәулігіне 15-16 мың т) жылына 40 мың т қатты
немесе паста тәрізді мұнай қалдықтары жиналады 36. Ғарыштық түсірілім
нәтижесінде Дүниежүзілік мұхит бетінің шамамен 30%-ын мұнайлы қабат жауып
тұрғаны анықталды 37. Мамандардың мәліметтері бойынша қазіргі уақытта
мұнайдың қоры 200 млрд т құрайды. Дүниежүзілік мұнай қорының 1,5%
Қазақстанға келеді 38.
Мұнай – шамамен 3000 әр түрлі құрылымы және молекулалық массасы бар
көмірсутекті компоненттерден тұратын күрделі жиынтық, олардың көбі жеңіл
тотыға алады 36. Сондықтан мұнай мен мұнай өнімдері өсімдіктер мен тірі
организмдер үшін жоғары токсинді болып табылады 39. Мұнайдың құрамындағы
элементтердің үлесі мынадай: 80-85% көміртегі, 10-11,5% сутегі, 0,2-0,5%
азот, 0,2-4% оттегі, 0,5-7% күкірт және металдар (никель, ванадий, темір,
натрий) 40. Мұнайды бұрғылау, игеру, тасымалдау және өңдеу кезінде
апаттық жағдайлар болуы мүмкін, соның салдарынан мұнай мен мұнай
өнімдерінің көп мөлшері сыртқы ортаға түседі. Осыған байланысты мұнайлы
көлдер, мұнай сіңген жердің үлкен алқаптары немесе су бетіндегі мұнай
қабаттары пайда болады. Мұнай кен орындарында мұнайдың төгілуі нәтижесінде
көптеген мұнай көлдері жиналды, онда миллиондаған тонна мұнай өнімдері бар.
Сондай-ақ мұнаймен араласқан топырақ, яғни мұнай қалдықтары түзіледі 36.
Қазақстанда жыл сайын 50 мың тоннадан астам мұнай қалдықтары және 200 мың
гектардан астам мұнаймен ластанған топырақ түзіліп отырады 35.
Мұнай мен оның компоненттері қоршаған орта – ауаға, суға немесе топыраққа
түсіп, олардың физикалық, химиялық және биологиялық қасиеттерін өзгертеді,
табиғи биохимиялық процестердің өтуін бұзады. Мұнай көмірсутектерінің
трансформациясы нәтижесінде токсинді қосылыстар пайда болуы мүмкін, олар
тірі организм үшін өте қауіпті.
Апаттық жағдайларда, қалдықтарды көмгенде немесе ағынды сулар арқылы
жерге төгілген мұнай топырақтың терең қабаттарына еніп, бетіне жайылады.
Ластану деңгейі өте жоғары аймақтарда тірі ағзалардың тіршілігі толығымен
жойылады. Мұнай мен мұнай өнімдерімен ластану топырақтың морфологиялық
қасиеттерінде үлкен өзгерістер тудырады. Төгілген мұнай өнімдері анық
ажыратылатын 4 күйде болады:
• бос күйде – төгілген мұнай өнімдері су қоймаларының бетінде қалқып
жүреді немесе топырақ қабаттарынан өтіп, жер асты суларының
бетінде қабат түзеді;
• еріген – мұнай өнімдері жер үсті және жер асты суларда ериді;
• адсорбцияланған – мұнай өнімдері топырақ түйіршіктеріне бекінеді;
• буланған – су немесе топырақ бетінен буланған мұнай өнімдері және
олардың булары 36.
Мұнай және мұнай өнімдері – ішкі су қоймаларының, Дүниежүзілік мұхит
теңіздері мен суларының негізгі ластаушылары – әр түрлі ластау түрлерін
түзеді: судың бетінде қалқып жүретін мұнай қабаты және су қоймаларының
түбіне шөгетін ауыр фракциялары. Теңіз бетіне төгілген мұнай судың терең
қабаттарына да жете алады. Мұнайдың белгілі бір мөлшері суда ериді, басқа
бөлігі судың бетіне жиналады, ал қалғаны су түбіне шөгеді. Су токсикалық
қасиеттерге ие болып, барлық тіршілік иелеріне қауіп тудырады: мұнайдың 12
г 1 т суды қолдануға жарамсыз етеді. Мұнайдың 800 мгм3 астам
концентрациясы фитопланктонның тіршілігін жояды, балдырлардың оттегіні
түзілу процесін төмендетеді 41.
Экологиялық жағдайды жақсарту мақсатында мұнайлы ластаушының себебін,
табиғатын және деңгейін, сонымен қатар оның таралу механизмі мен жағымсыз
әсерін анықтауда ғылыми-зерттеу жұмыстарын жүргізу қажет. Мұнайдың
көмірсутекті бөлігінің химиялық құрамын, құрылысын және қасиеттерін терең
зерттеу нәтижесінде қалдықтың токсиндік қасиеттерін анықтауға, ластаушы
заттарды өңдеу және тазалау мүмкіндіктері туралы түсініктер қалыптасады
42.
Табиғи ортаның мұнай және мұнай өнімдерімен ластанудың жоғары деңгейі
тиімді және экономикалық жағынан тиімді тазалау әдістерін талап етеді.
Мұнай қалдықтарын өңдеу – күрделі техникалық және технологиялық процесс.
Осы бағытта қолданылатын әдістер механикалық, физикалық, химиялық,
биологиялық және фитомелиоративті болып бөлінеді.
Механикалық әдісте тұндыру, центрифугалау т.б. қолданылады, сондай-ақ бұл
тәсіл арнайы техниканы қажет етеді. Өткізілетін жұмысқа қосымша қаражат
қолдануға тура келеді. Мамандардың мәліметтері бойынша 1 т ластанған
топырақты немесе қалдықты бөліп алуға, тасымалдауға және көмуге шамамен 350
доллар кетеді.
Физикалық әдістердің ішіндегі ең кең таралғаны және қарапайымдысы –
жандыру. Алайда қоршаған ортаның токсинді заттармен ластану қаупі туады. 1
т ластанған топырақты немесе қалдықты жандыру (арнайы қондырғыларды
санамағанда) 250 долларға тең.
Химиялық әдістер мұнай көмірсутектерінің тотығуын туғызатын реагенттерді
қолдануға негізделеді. Химиялық заттар мен ыдырау нәтижесінде түзілген
өнімдер (бензопирендер, фенолдар, полициклді көмірсутектер және т.б. зиянды
қосылыстар) бастапқы ластаушы заттарға қарағанда токсинділігі жоғары
болады. Химиялық заттар биоценоздарда қайтымсыз мутациялар және
құрылымдарында өзгерістер туғызуы мүмкін. Экологиялық мақсаттарда химиялық
әдістерді қолдану тиімсіз болып табылады.
Фитомелиоративті әдістер топырақ ластануының төменгі деңгейлерінде,
тазалаудың ақырғы сатысы ретінде қолданылады. Бұл тәсіл өсімдіктердің
белгілі бір сорттарын егуге негізделеді. Олардың дамуы барысында топырақ
микрофлорасы активтеніп, мұнай көмірсутектерінің минерализациясы жүреді
35.
Су қоймалары мен топырақты көптеген ластаушы заттардан, оның ішінде мұнай
көмірсутектерінен тазалаудың ең тиімді және перспективті жолы –
биоремедиация тәсілдері 43. Ол биологиялық объектілердің, әсіресе
бактериялар, ашытқылар мен саңырауқұлақтардың моно- және полидақылдары
микроорганизмдерінің биохимиялық қасиеттеріне негізделеді. А.М.Боронин
анықтамасы бойынша, биоремедиация – бұл поллютанттарды деградациялау мен
детоксикациялау үшін жергілікті, бейімделген және модификацияланған
биологиялық жүйелердің (ең алдымен микроорганизмдердің) биохимиялық
қасиеттерін қолданудың ғылыми құрастырулары мен технологияларының жиынтығы.
Биоремедиацияның қоршаған орта ластануының алдын алуда және ластаушы
заттардан тазартуда үлкен мүмкіндіктері бар. Табиғи ортаны ластаушылардан
тазалаудың басқа әдістеріне қарағанда, in situ биоремедиация экономикалық
жағынан тиімдірек болып табылады. Химиялық әдістермен салыстырғанда,
биологиялық тазалаудың артықшылығы – қоршаған ортада жаңа ластаушы агент
пайда болмайды.
Биоремедиацияның негізгі 2 түрі бар:
• биостимуляция (биогенді элементтерді, оттегіні т.б. қосу
нәтижесінде жергілікті микрофлораның деградациялық
қабілеттіліктерін белсендіру);
• биоқосу (табиғи немесе ген-инженерлік штамм-деструкторларды қосу).
Биостимуляция өз кезегінде екіге бөлінеді:
1) Табиғи микрофлораны биостимулдеу. Бұл әдіс ластанған су қоймалары мен
топырақта кездесетін, ластаушы заттарды ыдырата алатын, бірақ негізгі
биогенді элементтердің (азот, фосфор, калий, т.б. қосылыстары)
жетіспеушілігінен белсенділіктері төмен табиғи микрофлораның өсуін
белсендіруге негізделген.
2) Активті штамдарды қосу негізіндегі биостимуляция. Бұл әдістің
ерекшелігі бар, ластанған су қоймалары мен топырақтың табиғи
микрофлорасын биостимуляциясы алдымен зертханалық немесе өндірістік
жағдайларда жүргізіледі. Мұнда ластаушы затты тиімді ыдырата алатын
микроорганизмдерді сұрыптап алады. Белсендірілген микрофлораны тағы
басқа ластаушыларды ыдырату деңгейін жоғарлататын қосымша заттармен
бірге ластанған объектіге қосады 35, 39, 44.
Көмірсутектерді биологиялық тазалау жолдары негізінен топырақта
көмірсутектің мөлшері топырақ салмағының 5-10% тең болғанда қолданылады.
Топырақтың бетінде және қалыңдығы бойымен мұнайдың ыдырауы бірнеше сатыда
өтеді, олардың әрқайсысында түрлі табиғи механизмдер және мұнай
элементтерінің құрылымдары қатысады.
Алғашқы сатысы (ұзақтығы 1-1,5 жыл) мұнай компоненттерінің топырақта
жайылуы, булануы, шайылуы, ультракүлгін сәулелері т.с.с. физико-химиялық
процестердің өтуімен жүреді. Жоғары молекулалы заттар топырақтың беткі
қабатына жиналады. Жеңіл төмен молекулалы қосылыстар топырақтың терең
қабаттарына өтіп, жерасты суларын ластайды. Осы сатыда мұнайдың тотығуында
абиотикалық факторлардың ішінде негізгі рөлді ультракүлгін сәулелері
атқарады. Сәулелер С12-С16 n–алкандарына қарқынды әсер етеді. Фотохимиялық
процестер тұрақты полициклді көмірсутектерді де ыдырата алады.
Микроорганизмдер, топырақ омыртқасыздары, жоғары өсімдіктер бөлетін
ферменттер т.б. катализаторлардың белсенділігі көмірсутектерінің оттегімен
әрекеттесу процесін жеделдетеді.
Одан кейін топырақтың өздігінен тазаланудың екінші сатысы жүреді. Бұл
сатыда мұнай көмірсутектерінің тотығуының биохимиялық процестері өтеді,
нәтижесінде су мен көмірқышқыл газы түзіледі. Бастапқы мұнайдың
көмірсутектері өзгерістерге ұшырайды. Бұл ең алдымен ароматты құрылымдардың
ыдырауымен байланысты. Ластанған топырақтағы мұнайдың шайырлы-асфальтты
компоненттерінің мөлшері артады.
Үшінші сатының басы қалдық өнімде бастапқы және екіншілік (метанды
көмірсутектер, биодеградация нәтижесінде түзілген күрделі қосылыстар)
парафиндердің жоғалуымен анықталады.
Мұнай тотықтырушы жергілікті микрофлораны белсендіру үшін агротехникалық
және агрохимиялық жұмыстар жүргізілуде.
Приборсервис ООО НТО топырақтың жергілікті микробты бірлестіктерінің
белсенділігін максималды стимулдеуге негізделген мұнаймен ластанған
топырақты биоремедиациялау технологиясы қолданылады. Ол үшін оптималды
мөлшерде органоминералды тыңайтқыштар және микроэлементтер жиынтығымен
байытылған цеолиттер қолданылады.
Е.В.Плешакова мен әріптестері көмірсутектерді ыдыратушы микрофлораны
стимулдеу үшін минералды қосылыстар мен синтетикалық жуғыш заттарды
қолданды.
Мұнаймен ластанған топырақты қайта қалпына келтірудің тиімді жолдарының
бірі – оны таза топырақпен араластыру.
Мұнаймен ластанған топырақ микрорганизмдерінің қызметін арттыру үшін
субстратты механикалық араластыру, яғни қопсыту қолданылады, өйткені мұнай
көмірсутектерін ыдыратушы микроорганизмдердің көбі аэробтар болып табылады.
Мұнайдың биодеградациясын жеделдету мақсатында ластанған топырақтарды
сидерат, сабан, ағаш ұнтақтары, биогумус және қарашірік сияқты
тыңайтқыштармен өңдейді.
Германияда ластанған топырақтарды тазалау үшін инженерлік технология
пайдаланады. Оның негізі – табиғи көмірсутектерді ыдыратушы
микробиоценоздардың дамуына оптималдық жағдайларды жасау, азот-фосфорлы
тыңайтқыштар қолданылады, аэрация жүргізіледі және т.б. Осындай жағдайларда
белсенді көмірсутектерді ыдыратушы бактерияларының селекциясы өтеді.
Өздігінен тазалану табиғи процесін белсендіру мақсатында полиароматты
көмірсутектер мен циклопарафиндер т.с.с. қиын ыдырайтын көмірсутектердің
бұзылуына жағымды жағдайлар орнатылады. Осындай заттар таза дақылдарға
қарағанда, микроорганизмдер қауымдастығымен жақсы ыдыратылады.
Төмен концентрациядағы мұнай топырақ микрофлорасының өсуін стимулдейді,
себебі көмірсутектер көптеген микроорганизмдер үшін энергетикалық субстрат
болып табылады. Топырақ көп мөлшерде мұнаймен ластанған кезде мұнай барлық
тірі организмдерге токсинді әсер етеді.
Мұнайлы ластаушылар аумақты жерлерді алған жағдайда топыраққа мұнай
ыдыратушы биопрепараттарды енгізу негізгі әдіс болып табылады 30.
Табиғатта кездесетін көмірсутектерді тотықтырушы микрофлораның негізгі
туыстары: бактериялар Pseudomonas, Rhodococcus, Corynebacterium, Nocardia,
Arthrobacter, Acinetobacter, Micrococcus, Aeromonas, Morasella, Vibrio,
Cytophaga, Mycobacterium; ашытқылар Candida, Rhodotorula, Torulopsis,
Trichosporon, Cryptococcus, Sporobolomyces; саңырауқұлақтар Penicilinum,
Aspergillus, Fusarium, Graphium, Paecylomyces, Trichoderma 45.
Мұнай тотықтырушы микроорганизмдер мұнаймен ластанған топырақ пен су
қоймалары микрофлорасының арасынан іздестіріледі 46, 47.
Табиғатта мұнай тотықтырушы бактериялардың ішінде ең көп кездесетіндері
Pseudomonas туысының бактериялары. Осы туыстың 50-дан астам түрі мұнайдың
биоыдыратылуына қатысады. Белсенді мұнайды тотықтыру қабілеті Ps.
aerugenoza, Ps. putida, Ps. fluorescens байқалады. Топырақтан, тұщы және
теңіз суларынан т.б. жерден табылуы Ps. fluorescens түрінің кең таралуын
көрсетеді. Пседомонадалардың жоғары көмірсутекті ыдыратушы активтілігі,
эмульгациялаушы қасиеттері, көмірсутектерді аэробты да, оттегі жетіспейтін
жағдайда да ыдырату қабілеттері, мұнаймен ластанған су мен топырақты
тазалауда осы туыстың ең белсенді штамдарын қолдануға үлкен мүмкіндіктер
береді 35, 18, 49, 50. В.Г.Грищинков пен әріптестері мазутпен ластанған
топырақтан бөліп алған микроорганизм штамдарының 75% Pseudomonas туыстарына
келеді. Тюмен облысының мұнаймен ластанған топырақтан бөлініп алынған
активті биодеструкторлар да осы туысқа жатады. Қатаң климаттық жағдайдағы
мұнай және мұнай өнімдерімен ластанған су қоймалары мен құрлықтардың
биологиялық қайта қалпына келу процесін зерттеуге арналған жұмыстар ерекше
қызушылық туғызады. Мұндай жағдайларда, Н.И.Белоусова т.б. жұмыстарында
көрсетілгендей, мұнай көмірсутектерінің деструкциясында Pseudomonas-
Rhodococcus туыстарының бактериялары маңызды рөл атқаратыны анықталды.
Rhodococcus sp. DS-07, DS-21 және Pseudomonas sp. DS-09, DS-22 штамдарының
4-6°С мұнай, мазут, майлар, бензолды және этанол-бензолды шайырларды
деструкциялау қабілеттілігі анықталды. Мазут пен этанол-бензолды
шайырлардың ең жоғары ыдырау дәрежесі Pseudomonas sp. DS-22 байқалды және
17,2 и 5,2%; ал майлар мен бензолды шайырлардың - Rhodococcus sp. DS-07
штамында сәйкесінше 40 пен 16,6% құрады. Зерттелген штамдар негізінде
биопрепарат құрастырып, оны суық климаттық жағдайларда мұнайлы
ластаушылардың биоремедиациясы үшін қолдануға болады 51. А.И.Марченко мен
әріптестері қара топырақтан Pseudomonas stutzeri MEV-Sl бөліп алды. Бұл
штамм мұнайды, мазутты, дизельді отынды, полициклді ароматты
көмірсутектерді, фенолды ыдырата алады, сонымен қатар ауыр металдардың
иондарына төзімді және биологиялық беттік белсенді заттарды (биосурфактант)
бөледі. Pseudomonas stutzeri MEV-Sl биообъектілерді мұнай мен мұнай
өнімдерінен және металдардан тазалау үшін қолдануға ұсынылды. Осы авторлар
Pseudomonas alcaligenes MEV штамын бөліп алды, ол мұнайды, мазутты,
дизельді отынды, 2-ден 4-ке дейін бензолды сақиналары бар полициклді
ароматты көмірсутектерді: нафталин, фенантрен, антраценді белсенді
деградациялады, ауыр металдардың иондарына төзімді және биосурфактантты
бөледі. И.Ф.Пунтус пен әріптестері Pseudomonas putida және Pseudomonas sp.
штамдарының жаңа коллекцияларын құрды. Бактериялар мұнай өндірісінің
компоненттерін – нафталин, фенантрен, м-крезолды белсенді ыдыратады.
Бөлініп алынған дақылдар қоршаған ортаны полициклді ароматты
көмірсутектерден тазалауға ұсынылды.
Биодеградацияға Rhodococcus туысының түрлері белсенді қатысады 35.
Rhodococcus туысының бактериялары аминқышқылдары, ферменттер, витаминдер,
биологиялық беттік белсенді заттардың продуценттері мен органикалық
ластаушылардың деструкторлары ретінде үлкен қызушылық туғызуда.
Метаболизденетін субстраттарының кең спектрі, эндогенді тыныс алуының төмен
деңгейі, сыртқы ортаның экстремальды жағдайларына төзімділігі сияқты
родококкалардың қасиеттері, оларды өндірісте қолдануының маңыздылығын
көрсетеді. Керамикаға иммобилизденген Rh. еrythropolis клеткалары фенол
және формальдегидпен ластанған ағынды суларды тазалауда қолданылады.
Иммобилизденген родококкалар альдегид, этилацетат, толуол, нафталин т.б.
токсинді заттары бар газды ластаушыларды 80%-ына дейін тазалайды 52.
Rhodococcus sp (ruber)1418 мен Rhodococcus sp (R.erythropolis)1715
штамдарының бірлестігі мұнай мен оның ауыр фракцияларын (шайыр,
асфальтендер, мазут) көміртегі мен энергияның жалғыз көзі ретінде
қолданады. Жүргізілген жұмыстарда осы бірлестік 11 тәуліктің ішінде
мұнайдың концентрациясын 5%–дан 1,25% дейін төмендетті.
Мұнаймен ластанған топырақты азотпен байыту үшін минералды азотты емес,
топырақ диаазотрофтарды енгізу идеясын микробиологтар ұсынған еді.
Азотрофтар азотты фиксациялап қана қоймай, мұнайдың кейбір компоненттерін
ыдырата алды, сонымен қатар көмірсутектерді ыдыратушы микроорганизмдерді
белсендірді.
Azotobacter туысының түрлеріне жататын бактерияларды мұнаймен ластанған
топыраққа енгізгенде, топырақтың өздігінен тазалану процесінің жылдамдығы
артқан. Бактериялар мұнайдың көмірсутектерін көміртегі мен энергияның
жалғыз көзі ретінде байланысқан азот бар ортада да азотфиксация барысында
да сіңіре алады. Деворойл препаратының құрамындағы Azotobacter
choroococcum көмірсутегі ыдыратушы бактерияларының өсуін белсендіреді.
Azospirillum туысының бірлестік ризобактериялары кейбір штамдарында
мұнайды деградациялау қабілеттіліктері анықталды.
Мұнай деградацияға әр түрлі төзімділік деңгейлері бар көмірсутектердің
қоспасынан тұрады, сондықтан бірқатар бактериялар, ашытқылар мен
микробалдырлардан тұратын микроорганизмдер қауымдастығын қолдану тиімді
болып саналады 35.
Микроорганизмдердегі көмірсутектердің метаболизмі негізінен клетка ішінде
жүреді. Сондықтан көмірсутектердің тотығуы олардың клеткаға түсуімен тығыз
байланысты.
Сұйық көмірсутектер микроорганизм клеткаларына жеңіл тасымалданады, ал
қатты көмірсутектер сумен жаман эмульгациялануына байланысты төмен
жылдамдықпен өтеді. Заттар клеткаға активті және пассивті тасымалдау арқылы
өтеді. Көмірсутектердің микробтық клеткаларындағы активті тасымалдануына
жауапты ферменттер осы күнге дейін табылмады.
Микроорганизмдермен көмірсутектерді сіңірудің бірнеше тәсілдері бар.
Бірінші тәсілде көмірсутек суда еріп, басқа заттар сияқты клеткаға өтеді.
10-нан астам көміртегі атомы бар көмірсутектер суда ерімейді, сондықтан
тасымалдаудың осындай механизмі көптеген көмірсутектердің енуін қамтамасыз
ете алмайды.
Екінші әдіс бойынша, көмірсутегі клетканың ішіне микротамшылар арқылы
енеді. Ол үшін клеткалар көмірсутектердің дисперсиялануына жауапты беттік
белсенді заттар бөледі.
Үшінші әдісте көмірсутегі липофильді қабатта ериді де, оның ішкі жағына
жылжып, онда арнайы ферменттер қатысуымен тасылманданады. Көмірсутектерді
активті диффузды сіңірілуі процесінде клетканың сыртқы қабаттарының
липидтері үлкен рөл атқарады. Осыған байланысты көмірсутегі ыдыратушы
бактерияларының клеткаларында липидтері болады және көміртегі бар ортада
өскенде олардың саны артып отырады. Нокардиялар, микобактериялар,
коринебактериялар, родококкалардың клетка қабырғалары басқа бактерияларға
ұқсамайтын мықты липофильді құрылымды болып келеді. Осы бактериялардың
клетка қабырғаларының спецификалық және маңызды компоненті – миколды
қышқылдар. Родококкалардың R–формалары, клетка қабырғасындағы липидтердің
максималды мөлшеріне байланысты М-формаларына қарағанда көмірсутектерді
жылдам сіңіреді және активті тотықтырады.
Көмірсутектер бар ортада өскен Arthrobacter туысының өкілдерінің клетка
қабырғалары липополисахаридтермен толтырылады, ол біртіндеп клетка сыртына
шығып, көмірсутектермен қатынасқа түседі және олардың липидте еруіне себеп
болады. Ет-пептонды қоректік ортада өскенде осындай түзілімдер болмайды.
Candida ашытқысында көмірсутектерді өткізу кезінде электрон-тығыз заттармен
толықтырылған каналдар пайда болады. Псевдомонадаларда көмірсутектерді
сіңірудің клетка сыртылық механизмі өзгеше. Олар гидрофобты әрекеттесу
нәтижесінде көміртегі молекулаларымен байланысатын пептидогликолипидті
сыртқы ортаға бөледі.
Сөйтіп, көмірсутектер микроорганизм клеткасының бүкіл бетімен сіңіріледі
немесе клетка қабырғасының липофильді аймақтары, яғни липополисахаридті
каналдар арқылы өтеді. Ал коринебактерияларда микол қышқылдарының ұзын
алифаттық тізбектері клетка қабырғасындағы липофильді аймақтары болып
табылады.
Клетка қабырғасында ерекше каналдар түзіледі, олар арқылы көмірсутектер
пиноцитоз жолымен цитоплазмаға енеді. Көмірсутекті ортада өсірілген
бактериялардың кейбір түрлерінің клеткаларында фимбриялар түзіледі.
Көмірсутегі ыдыратушы ашытқылар клеткаларының ультражіңішке құрылымының
ерекшелігі – пероксисомалардың (микроденешіктер) түзілуі. Көптеген
авторлардың зерттеулері бойынша көмірсутектер тотығуының ферменттік
жүйелері осы денешіктермен тығыз байланысты. Пероксисомалар ядроның және
эндоплазмалық тор мембраналарының қасында орналасады 45.
Көмірсутектердің микробиологиялық метаболизмі аэробты жағдайда қарқынды
жүреді. Көмірсутектердің тотығу механизмі және микробты айналымның соңғы
өнімдері микроорганизмнің түріне байланысты болады. Псевдомонадалар аралық
өнімдерді жинақтамайды және ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Ұқсас жұмыстар
Пәндер
- Іс жүргізу
- Автоматтандыру, Техника
- Алғашқы әскери дайындық
- Астрономия
- Ауыл шаруашылығы
- Банк ісі
- Бизнесті бағалау
- Биология
- Бухгалтерлік іс
- Валеология
- Ветеринария
- География
- Геология, Геофизика, Геодезия
- Дін
- Ет, сүт, шарап өнімдері
- Жалпы тарих
- Жер кадастрі, Жылжымайтын мүлік
- Журналистика
- Информатика
- Кеден ісі
- Маркетинг
- Математика, Геометрия
- Медицина
- Мемлекеттік басқару
- Менеджмент
- Мұнай, Газ
- Мұрағат ісі
- Мәдениеттану
- ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности)
- Педагогика
- Полиграфия
- Психология
- Салық
- Саясаттану
- Сақтандыру
- Сертификаттау, стандарттау
- Социология, Демография
- Спорт
- Статистика
- Тілтану, Филология
- Тарихи тұлғалар
- Тау-кен ісі
- Транспорт
- Туризм
- Физика
- Философия
- Халықаралық қатынастар
- Химия
- Экология, Қоршаған ортаны қорғау
- Экономика
- Экономикалық география
- Электротехника
- Қазақстан тарихы
- Қаржы
- Құрылыс
- Құқық, Криминалистика
- Әдебиет
- Өнер, музыка
- Өнеркәсіп, Өндіріс
Қазақ тілінде жазылған рефераттар, курстық жұмыстар, дипломдық жұмыстар бойынша біздің қор #1 болып табылады.
Ақпарат
Қосымша
Email: info@stud.kz