استفاده از بیوفیلم ها در حذف آلودگی

توانایی باکتریها برای چسبیدن به سطوح، به ویژه در ارگانیسم های پاتوژنکه از این خاصیت برای شروع بیماری استفاده می کنند. به عنوان یک پدیده مهم، شناخته شده است.
• اصطلاح بیوفیلم به سلولهایی گفته می شود که روی یک سطح تثبیت شده وعموما” بوسیله یک ماتریکس از مواد پلیمری آلی ، با منشاء میکروبی احاطهشده اند. بیوفیلم می تواند از یک گونه و یا مخلوطی از چند گونه تشکیل شدهباشد. بیوفیلم در مکانهای مختلفی تشکیل می شود ولی تشکیل آن در صنایعمعمولا” باعث آسِب و کاهش راندمان می شود.اصولا” باکتریها به علت داشتنپیلی بخصوص در یک محیط آبی تمایل برای چسبیدن به سطوح مختلفی دارند.دربعضی سیستم ها مانند صنایع غذایی، تصفیه پساب بیوفیلم به عنوان یک عاملمهم در سیستم می باشد ولی در صنایع مرتبط با نفت، برج های خنک کننده وبدنهکشتی بیوفیلم یک مشکل مهم و جدی می باشد. اگر تک تک باکتریهای تشکیل دهندهبیوفیلم جداسازی شوند وحساسیت آنها بر روی مواد میکروب کش نیز مطالعه گرددولی به علت وجود روابط سی نرژیسم و همزیستی در بیوفیلم معمولا” مواد ضدمیکروبی کمتر در بیوفیلم موثر می باشد.
• اصولا”باکتریها وقتی تشکیل بیوفیلم می دهند مقاومت آنها نسبت به شرایطنامساعد محیطی و بیوسایدها زیاد می شوند و از طرف دیگردر بیوفیلم مواد رانگه داری و تغلیظ می نمایند واز مواد متابولیکی یکدیگر مصرف مِی کنند.دریک بیوفیلم ممکن است جذب مواد آلی و تغذیه کمتر از زمانی باشد که باکتریهاآزاد هستند ولی پایداری ژنتیکی در آنها بیشتر است و پلاسمیدها در بیوفیلمپایدارترمی باشند.(میکروبیولوژی و کنترل آلودگی آب، هوا و پساب) تشکیلبیوفیلم باکتریها را نسبت به مواد ضد باکتری مقاومتر می سازد. نتایج بهدست آمده نشان داده است که شرایط استرس سبب افزایش چسبیدن باکتریایی میشود در حالیکه ، توانایی چسبیدن به سویه باکتریایی ارتباط دارد ولی متناسببا غلظت ماده غذایی نیست.در طبیعت میکروارگانیسم ها ، اغلب در ارتباطنزدیک با سطوح جامد رشد می کنند،که این سطوح ممکن است بافتهای نرم زنده ،یا سطوح غیر زنده، مواد غوطه ور و یا ذرات خاک باشد ارتباط و پیوستگی باسطوح جامد منجر به تشکیل بیوفیلم میکروبی می شود که به صورت مجموعه ای ازمیکروارگانیسم ها در درون اگزوپلیمر گسترده گلیکوکالیکس دیده میشود.بیوفیلم ها یی که توسط یک نوع باکتری به وجود می آید monoculture وبیوفیلم های تشکیل شده بر روی سطوح مخاطی مـثل روده اغلب حاوی مخلوطی ازگونه های مختلف باکتری می باشند و عموما" باکتریهای محیطی، با اتصال بهقارچها و جلبک ها و پروتوزوئرها تشکیل یک توده نا متجانس واقعی را میدهند. سلولها در بخش های مختلف بیوفیلم ، احتمالا" از نظر دسترسی به موادغذایی و شرایط فیزیکوشیمیایی در وضعیت های متفاوتی قرار می گیرند.بنابراین بیوفیلم ها نه تنها غالبا" مخلوط و حاوی گونه های مختلف هستندبلکه از فنوتیپ های متفاوت از یک گونه تشکیل شده اند. میزان رشد ،احتمالا" در اعماق بیوفیلم کند است وبا شیب غلظت غذایی افزایش می یابد.تشکیل بیوفیلم تصور می شود که منافع زیادی برای ارگانیسم های متشکله دارداز جمله حفاظت آنها در برابر سیستم ایمنی میزبان در invivo ، مقاومت دربرابر آنتی بیوتیک ها همچنین حفظ و نگهداری محیط فیزیکوشیمیایی مناسب برایرشد و بقا، بنابراین آنها قادرند در شرایط نامسائد محیطی مقاومت کرده و بهحیات خود ادامه دهند . به علاوه الیاف پلی ساکاریدی در ماتریکس پلیمری کهعموما" بار منفی دارند، مولکولهای معدنی و آلی و ذرات غوطه ور درسوسپانسیون مجاور بیوفیلم را به دام می اندازند و از آنجائیکه میکروفلوردرون بیوفیلم بسیار متغیر است. موادی که به دام می افتند می توانند بوسیلهمیکروبها متابولیزه شوند و به این ترتیب به تصفیه محیط های آبی کمک میکنند، از این ویژگیها دربیورآکتورها برای تصفیه فاضلاب و انواع وسیعی ازآلودگیهای مزاحم و ضایعات سمی استفاده می شوند ولی از طرف دیگر بیوفیلم هادر پزشکی، صنایع غذایی سیستم های تصفیه آب و صنعت نفت می توانند مشکلآفرین باشند.بیوفیلم هایی که بر روی بدنه کشتی ها ایجاد می شوند، ازدیاتومه ها، جلبکهای تک سلولی و باکتریها تشکیل شده اند، این بیوفیلم هاحرکت کشتی را کند و مصرف سوخت را افزایش می دهند تشکیل کلنی میکروبی،همچنین کارآیی پریسکوپ ها و وسایل زیردریایی را پایین می آورد، شبکه هایآبرسانی هم مستعد تشکیل بیوفیلم هستند و بیوفیلم بوجود آمده حتی با مقادیربالای کلر هم حذف نمی شوند، در سیستم های تصفیه، مشاهده شده که گاهی ضخامتبیوفیلم ها به بیش از۵۰۰ میکرو متر می رسد ودر نتیجه نفوذ پذیری غشاء هابه میزان زیادی کاهش می یابد.چسبیدن باکتریها به تکیه گاه مسئله مهمی دراکولوژی، بیوتکنولوژی، آلودگیهای زیستی (biofouling) وتیمار فاضلاب استاولین بار در سال ۱۹۱۳ ،Sohngen گزارش کرد که وجود یک فاز جامد می تواندبر روی پدیده های باکتریایی مختلف مثل تثبیت نیتروژن، اکسیداسیون الکل،نیتریفیکاسیون و دنیتریفیکاسیون اثر گذارد. با گذشت زمان، اطلاعات دقیقتری در مورد میان کنش بین باکتریها و سطوح جامد به دست آمد.دانشمندان نشاندادند که فعالیت باکتریایی در صورت وجود سطوح شیشه ای به ویژه وقتی کهتراکم ماده غذایی پایین باشد، افزایش می یابد. در سال ۱۹۷۰، محققیندریافتند که این پدیده اغلب در محیط های طبیعی وجود دارد، در سال ۱۹۷۱،مارشال وقایع اولیه ای را که در هنگام اتصال باکتریهای دریایی به سطوحصورت می گیرد مورد بررسی قرار داد.
●مراحل تشکیل بیوفیلم :
به دلیل اهمیت بیوفیلم در بیوتکنولوژی، تیمار آب های زائد، عفونت هایباکتریایی و آلودگیهای صنعتی، درک فاکتورهایی که بر چسبیدن و تشکیلبیوفیلم ومیکروکلنی موثر است، برای کنترل و استفاده از چنین فرایندهاییضروری است. پدیده تشکیل کلنی بر روی سطح را می توان به صورت ۶ مرحلهمتوالی در نظر گرفت:
۱) وقایعی که ارگانیسم را به نزدیک سطح می آورد.
۲) اتصال برگشت پذیر به سطح
۳) اتصال برگشت نا پذیر به سطح
۴) چسبیدن(Attachment)
۵) رشد و تقسیم ارگانیسم چسبیده به سطح و تشکیل میکروکلنی و بیوفیلم
۶) فاز تفرق ، این مرحله ، در صورتیکه عمل چسبیدن، با تشکیل کلنی بر روی سطوح تازه و دست نخورده همراه شود، در نظر گرفته می شود.
●مدلهای آزمایشگاهی تولید بیوفیلم :
• مدلهای کشت بسته:
ساده ترین روش برای تشکیل بیوفیلم استفاده از محیط های جامد یا مایع میباشد. در این حالت یا جامد مستقیما" سطح لازم برای چسبیدن را ایجاد می کندیا اینکه یک پایه و زمینه ای در تماس مستقیم با محیط مایع قرار داده میشود.
• مدل کشت مداومcontinuous
با توجه به اینکه کشت های بسته، نشانگر بعضی از اکوسیستم های طبیعی که درآنها به طور دائم منابع تازه مواد غذایی وارد می شوند نیست ، بنابراینبسیاری از محققین از فرمانتور ها برای کنترل میزان رشد تحت شرایط غذاییمورد نظر استفاده می کنند. یک پدیده جدید در این رابطه ، شامل استفاده ازذرات و قطعات معلق در یک کموستات و نشان دادن جمعیت های چسبیده است.تکنیکهای مطالعه امروزه این تکنیک ها توسعه یافته و برای مطالعه بیوفیلم اازمیکروسکوپ های لیزری وروشهای اسپکتروشیمیایی و الکتروشیمیایی استفاده میگردد.مثلا” برای مطالعه جمعیت آرشی باکتر در بیوفیلم می توان از کوآنزیم۴۲۰F استفاده کرد و یا برای فعالیت بیوفیلم می توان از اکسید و احیاءشدنNAD و یا تولیدATP استفاده کرد.با استفاده از بیوسنسورها می توانفعالیت موجود دربیوفیلم را بدون جداسازی و کندن آنها از سطح فلزات موردمطالعه قرار دارد.
• دربیوسنسورهای آمونیاک با قرار دادن نیتریفیکاتورها روی یک غشاء سلولزیتثبیت شده می توان میزان اکسیداسیون آمونیاک و NO۲ توسط باکتریها را ازروی مصرف اکسیژن اندازه گیری کرد.
• برای اندازه گیری میزان آمونیاک ←حسگر بیولوژیکی آمونیاک و نیتروزوموناس
• میزان نیتریت ←حسگر بیولوژیکی نیتریت و نیتروباکتر
• تشخیص گاز متان←حسگر بیولوژیکی متیله موناس فلاژلاتا
• حداقل میزان اندازه گیری توسط حس گر بیولوژیکی
• حداقل اندازه گیری و آزمایش
• ۳ppm
• ۰.۱ N
• ۰.۶*۱۰-۴ M
• ۱۳ - M
• ۰.۰۱ mM • BOD
• آمونیاک
• سولفیت
• متان
• دی اکسیدنیتروژنبا استفاده از میکروسکوپ لیزری بیوفیلم را داخل لوله کهاز میکروکلنی و مواد متراکم شده آن تشکیل یافته را می توان مطالعهنمود.(میکروبیولوژی و کنترل آلودگی آب ، هوا و پساب)برکه های اختیاری درجاهائیکه زمین با قیمت مناسب وجود دارد، کاربرد وسیعی را در تصفیه فاضلاببه صورت اقتصادی پیدا نموده اند. در مقالات، فرضیات و روش های مختلفی برایطراحی برکه های اختیاری در دسترس می باشد. بیشترین تحقیقات تنها در ارتباطبا توده های بیولوژیکی معلق بوده است و این توده ها را به عنوان گروه اصلیتوده های بیولوژیکی که عامل حذف مواد می باشند قلمداد نموده اند. امادیواره های جانبی و کف برکه اختیاری می تواند محلی برای رشد تودهبیولوژیکی چسبیده یا بیوفیلم فراهم آورند که آنها نیز به تخریب مواد آلیکمک می کنند. این مطالعه ویژگی رشد توده بیولوژیکی بیوفیلم را روی دیوارهو کف این استخربر مصرف مواد آلی نشان می دهد. مدلی برای مصرف مواد آلی دربرکه های اختیاری پیشنهاد شده که بر اساس واکنش های درجه اول برای هر دوتوده بیولوژیکی معلق و بیوفیلم تعیین می شود. فعالیت بیوفیلم با مدل نفوذتوصیف می شود و در مورد هیدرولیک برکه از مدل جریان پراکنده استفاده شدهتا شامل محدوده وسیعی از ابعاد برکه و شرایط عملکرد باشد. مدل پیشنهاد شدهکه با داده های گرفته شده از دو برکه اختیاری واقع در بانکوک، تایلند ومکزیکوی ایالات متحده ارزیابی گردیده، و به خوبی قادر به تخمین غلظت BOD۵خروجی از این دو برکه است.اکثر مقالات در زمینه برکه های اختیاری تنها درارتباط با میکروارگانیسم های معلق بوده اند وآنها را به عنوان گروه اصلیتوده های بیولوژیکی مسئول تجزیه مواد آلی در نظر می گیرند. اما مطالعاتجدید صورت گرفته پتانسیل توده بیولوژیکی بیوفیلم که بر روی سطحموانع(Baffles) غوطه ور در آب برکه رشد می کنند را بر روی پایدار سازیمواد آلی مشخص کرده است. اما احتمالا" به خاطر تشکیل لایه کفاب، برکه هایدارای مانع نسبت به برکه های بدون مانع راندمان کمتری نشان دادند. برخیتحقیقات قبلی بر روی خودپالایی(Self-purification) در نهر های باریک ورودخانه ها نشان داده است که توده بیولوژیکی بیوفیلم که در بستر کانال هایباز رشد می نمایند. در تخریب بیولوژیکی ترکیبات آلی کربن دار مؤثر هستند.مطالعات اخیر نشان می دهد که توده بیولوژیکی بیوفیلم که بر روی سطوح رشدچسبیده(Attached-growth media) قرار داده شده در آب برکه رشد می کنند، درحذف ترکیبات آلی نیتروژنی سودمند هستند.گزارش کرده اند که برکه های تثبیتفاضلابی که در آنها مانع نصب شده است، عملکرد تصفیه بهتری نسبت به برکههای بدون مانع دارند. اگرچه آنها این بهبود راندمان را به کاهش عددپراکندگی نسبت دادند اما توده بیولوژیکی بیوفیلم که احتمالا" روی سطحموانع رشد کرده است، می توانسته همراه با توده بیولوژیکی معلق در تخریبموادآلی شرکت کند.به علت آنکه سرعت جریان معمولا" در برکه های تثبیتفاضلاب کم اما نرخ بارگذاری مواد آلی در آنها نسبت به رودخانه ها و نهر هازیادتر است، رشد توده بیولوژیکی بیوفیلم روی دیواره های جانبی و کف برکهها مورد انتظار است. بر این اساس، فرض آنکه در محیط برکه این توده هایبیولوژیکی بیوفیلم می توانند توده های بیولوژیکی معلق را در تخریببیولوژیکی مواد آلی ورودی یاری دهند، معقول می نماید. این مطالعه با هدفکلی پیشنهاد مدلی که مشارکت هر دو توده بیولوژیکی معلق و بیوفیلم در تخریببیولوژیکی مواد آلی را در برکه های اختیاری در بر گیرد، انجام گردید. هدفهای ویژه این مطالعه عبارتند از:
۱) بسط یک مدل ریاضی برای تخریب بیولوژیکی مواد آلی در برکه های اختیاری که شامل فعالیت توده بیولوژیکی بیوفیلم و معلق باشد.
۲) تعیین برخی ثوابت سینتیک رشد بیوفیلم در برکه اختیاری و مشارکت نسبی فعالیت بیوفیلم در حذف مواد آلی.
مدل پیشنهاد شده با اطلاعات دو استخر اختیاری با اندازه واقعی درنیومکزیکوی ایالات متحده و بانکوک تایلند ارزیابی گردید. آزمایشهایی نیزبه صورت آزمایشگاهی برای تعیین ضرایب سینتیک توده بیولوژیکی بیوفیلم برکهاختیاری انجام شد.
●بسط مدل
شمای فرضی مدل برکه اختیاری در شکل نشان داده شده است. مدل شامل موازنهجرم مواد در جریان توده مایع و در بیوفیلم با گذر مواد از لایه زیرین کهاین دو را به هم پیوند می دهد، می باشد.برای حذف مواد توسط بیوفیلم، مدلنوعی فرایند نفوذ را توصیف می نماید که در آن ماده بخاطر اختلاف غلظتموجود انتقال می یابد. وقتی که ماده به سطح بیوفیلم می رسد غلظت آن با ترمنفوذ و ترم واکنش تعیین می شود. در جریان توده مایع غلظت توسط یک ترمجابجایی، یک ترم پراکندگی و یک ترم واکنش تعیین می شود. انتقال ماده درجریان توده مایع بوسیله نفوذ در مقایسه با پراکندگی و جابجایی قابل صرفنظر کردن می باشد.رشد بیوفیلم روی دیواره های جانبی و کف برکه به صورتبیوفیلم ایده آل با ضخامت و دانسیته ثابت فرض می گردد. فرض می شود که درداخل بیوفیلم، نفوذ و مصرف مواد به صورت همزمان اتفاق بیفتد.انتقال بهصورت جابجایی در بیوفیلم قابل صرف نظرکردن در نظر گرفته می شود. به علاوهثوابت سینتیک و نفوذ در طول برکه ثابت فرض می شود.موازنه جرم ماده در حجمکنترل برکه ( توده مایع و بیوفیلم ) به صورت زیر می تواند نوشته شود:
●میزان ازبین رفته دراثرواکنش ها+ تجمع= جریان خروجی- جریان ورودی
• میزان نیتروژن در آبهای شیرین مشتق شده از سه منبع کلیدی:(۱) کشاورزی (۲) فاضلاب های خانگی و صنعتی (۳) بارش.
• در ایرلند شمالی، با ورود زیاد مشتقات N از طریق کشاورزی به محیط هایآبی، که میزان غلظت های بالایی از -NO۲را گزارش کرده اند، معتقدند که برایگیاهان و جانوران آبزی سمی می باشند. غلظت هایی از NO۲- ، بوسیله باکتریهابه عنوان واسطه ای در مسیرهای اکسید کننده و احیا کننده واقع می شوند.
• دو substrate اصلی برای تولید NO۲- :
• NH۴+بواسطه nitrification
• NO۳- از طریق یک سری مسیرهای احیا کننده NO۳- می باشد. (Effect ofcarbon substrates on nitrite accumulation in freshwater sediments )
• میزان معرفی و تعیین امروزه یكی از شاخصهای توسعه در جوامع انسانیشناخته میشود. یكی از منابع مهم پروتئینی آبزیان و فرآوردهای مربوط بهآنهاست .
• بیوفیلم منابع با ارزشی از کربن و اسیدهای آمینه ضروری را برای پلانکتونها و ماهیان پلانکتونخوار فراهم می کنند.
• جمعیت زئوپلانکتون های استخر که غذای اصلی ماهیان می باشند ارتباط نزدیکی با جمعیت فیتوپلانکتونها دارد.
• در حضور بیوفیلم رشد ماهی کپور ۴۷/۱۴ درصد افزایش
• جمعیت Daphnia magna ←۴ برابر
از آنجائیکه میزان رشد در درون بیوفیلم به میزان قابل توجهی کمتر ازارگانیسم هایی است که به صورت پلانکتونیک در درون محیط شناورند، بنابراینگزارش می شود که بیوفیلم ها کمتر حساس هستند.
• با توجه به این نتایج می توان فهمید که با استفاده از بیوفیلم تولیدبیشتر با هزینه کم را به دنبال دارد چرا که اغلب مواد مصرفی به عنوانسوبستر محصولات زراعی با ارزش اقتصادی پائین است.
(بررسی اثرات استفاده از بیوفیلم در استخرهای پرورشی در جهت کاهش آمونیاکو افزایش رشد آنها _ مرکز تحقیقات شیلات مازندران_ ۱۳۷۹_۱۳۸۰ )
مهشید جلیلی
jalili_mahshid@yahoo.com
كارشناس پژوهشی مركز ملی اقیانوس شناسی
دانشجوی كارشناسی ارشد رشته بیولوژی دریا
منابع:
میکروبیولوژی و کنترل آلودگی آب ، هوا و پساب
پایان نامه کارشناسی ارشد.بررسی اثر عوامل محیطی بر ویژگیهای پروتئوس هلیکوباکتر پیلوری به خالت پلانکتونی و بیوفیلم- سهیلا جهانتاب
مجله آب و فاضلاب _ شماره ۲۱_صفخه ۳۹-۴۶
Effect of carbon substrates on nitrite accumulation in freshwater sediments
بررسی اثرات استفاده از بیوفیلم در استخرهای پرورشی در جهت کاهش آمونیاک و افزایش رشد آنها _ مرکز تحقیقات شیلات مازندران_ ۱۳۷۹_۱۳۸۰

پایگاه اطلاع رسانی شیلات ایران

اتوکلاو - یکشنبه بیست و نهم اسفند 1389
دانلود کتاب هیدرولیک سدها و سازه های رودخانه ای - شنبه بیست و هشتم اسفند 1389
ميكروسكوپ و طرز كار آن - شنبه بیست و هشتم اسفند 1389
هیدرولیک - شنبه بیست و هشتم اسفند 1389
آلودگی آبهای سطحی با مواد رنگزای آلی - شنبه بیست و هشتم اسفند 1389
تصفیه خانه های فاضلاب در ایران - شنبه بیست و هشتم اسفند 1389
34درصد جمعيت شهري کشور از شبکه فاضلاب بهره مند هستند - شنبه بیست و هشتم اسفند 1389
لجن - شنبه بیست و هشتم اسفند 1389
واحد های تصفیه فاضلاب صنعتی - شنبه بیست و هشتم اسفند 1389
حذف سرب از فاضلاب با خاک اره و خاکستر - جمعه بیست و هفتم اسفند 1389
مشکلات زیست محیطی ناشی از دترجنتها - جمعه بیست و هفتم اسفند 1389
کشت باکتری و روشهای متداول آن - جمعه بیست و هفتم اسفند 1389
روش رنگ آمیزی گرم - پنجشنبه بیست و ششم اسفند 1389
سیستم و تفکر سیستمی در منابع آب - پنجشنبه بیست و ششم اسفند 1389
ضوابط انتخاب نوع و موقعیت شیر آلات صنعت آب - پنجشنبه بیست و ششم اسفند 1389
آب معدنی و سرچشمه های آن - چهارشنبه بیست و پنجم اسفند 1389
آب های زیرزمینی - چهارشنبه بیست و پنجم اسفند 1389
چشمه - چهارشنبه بیست و پنجم اسفند

برچسب: نویسنده: امیرحسین ستوده بیدختی تاريخ: يکشنبه 11 13 ساعت: 0:50

درباره سایت

آخرین مطالب

امکانات وب

استفاده از بیوفیلم ها در حذف آلودگی

صفحه بندی

آرشیو مطالب

پيوندهای روزانه

لینک دوستان

خبرنامه