نوشته‌ها

منحنی رشد باکتری های فاضلاب

منحنی رشد باکتری های فاضلاب

در توضيح متابوليسم منحنی رشد باکتری های فاضلاب ، همزمان با مصرف سوبسترا توسـط ميكروارگانيـسمهـا و انجـام واكنش هاي اكسيد و احياء ، رشد با توليد سلولهاي اضافي اتفاق مي افتد. بنـابراين در تـصفيه فاضـلاب همزمان با اينكه سوبسترا در فاضلاب مصرف و تجزيه بيولوژيكي مي شود جرم سـلولي بطـور پيوسـته توليد مي شود. 

باكتريها مي توانند بصورت تقسيم دوتايي، شكل غير جنسي يا با جوانه زدن تكثيـر پيدا كنند. بطور معمول آنها به روش تقسيم دوتايي تكثير مي يابند؛ بطوريكه سلول اوليه به دو ارگانيسم جديد تبديل مي شود. زمان مورد نياز براي هر تقسيم كه تحت عنوان زمان تكثير نام دارد، مـي توانـد از چند روز تا كمتر از 20دقيقه متفاوت باشد. براي مثال اگر زمان تكثير 30دقيقه باشد، يك باكتري بعد از 12ساعت تبديل به  16777216 (بعبارتي 224) عدد باكتري مي شود. وزن يك سلول بـا فـرض باكتري كروي شكل با قطر 1 ميكرون  است. جرم بـاكتري در طول 12ساعت تقريباٌ  8.4ميكروگرم مي شود. بنابراين تعداد سلولها در مقايسه با جـرم
آنها نسبتاً زياد است. اين تغيير سرعت در جرم سلولي بـا گذشـت زمـان يـك مثـال فرضـي اسـت. منحنی رشد باکتری های فاضلاب در سيستم هاي تصفيه بيولوژيكي، بدليل محدوديت هاي محيطي مانند در دسترس نبودن سوبسترا و مواد مغذي، بصورت نامحدود به تكثير ادامه نمي دهد.

منحنی رشد باکتری های فاضلاب

همانطور كه در شكل بالا نشان داده شده است، رشد باكتري در راكتـور منقطـع ، بوسـيله فازهـاي مشخص تقسيم بندي ميشود. منحني هاي نشان داده شده در شكل بالا بيـانگر ايـن اسـت كـه چـه اتفاقي در يك راكتور منقطع صورت مي گيرد. در زمان صفر، سوبسترا و مـواد مغـذي بـه مقـدار زيـاد وجود دارد و فقط جمعيت كمي از جرم سلولي وجود دارد . همزمان با مصرف شـدن سوبـسترا، 4فـاز مشخص رشد بصورت متوالي ايجاد ميشود :

  1. فاز رشد تـأخيري : در منحنی رشد باکتری های فاضلاب ، فـاز تـأخيري تـا زمـان اضـافه شـدن بيـومس بيـانگر زمـان مـورد نيـاز بـراي ميكروارگانيسم ها در تطبيق با محيط جديد خود مي باشد . اين فـاز قبـل از انجـام تقـسيم سـلولي و توليد بيومس است. در حين فاز تأخيري ، القاء آنزيم ممكن است انجام شود و يـا سـلولها بـا تغييـرات شوري ، pH يا دما انطباق پيدا كنند . افزايش مقدار ظاهري فاز تاخيري ممكـن اسـت بـدليل غلظـت بيومس كم در شروع فعاليت تكثير باشد.
  2. فاز رشد لگاريتمي :در حين فاز رشد لگاريتمي، سلولهاي باكتري با سـرعت مـاكزيمم تكثيـر مـي يابند ؛ زيرا هيچ محدوديتي ناشي از ميزان سوبسترا و مواد مغـذي وجـود نـدارد. منحنـي رشـد جـرم سلولي در اين فاز بصورت لگاريتمي افزايش مي يابد. در حضور سوبسترا و مواد مغذي نامحدود ، تنهـا عاملي كه بر رشد لگاريتمي تأثير دارد، دما مي باشد.
  3. فاز ثابت: در طول اين فاز، غلظت جرم سلولي بطور نسبي با گذشت زمان ثابـت مـي مانـد. در ايـن فاز، رشد باكتري از حالت لگاريتمي طولاني تر نيست و ميزان رشد بوسيله مرگ سـلولها متـوازن مـي شود.
  4. فاز مرگ و مير: سوبسترا در فاز مرگ و مير كاهش يافته است؛ بطوريكه هـيچ رشـدي اتفـاق نمـي افتد و تغيير در غلظت جرم سلولي بدليل مرگ سلولي است. كاهش لگاريتمي در غلظت جرم سـلولي، اغلب مشاهده ميشود؛ بطوريكه بخش تقريباً ثابتي از غلظت جرم سلولي باقيمانـده روزانه كـاهش مـي يابد.

رشد باكتريايي و بازده بيومس

در فرآيندهاي تصفيه بيولوژيكي ، رشد سـلولي همـانطور كـه در منحنی رشد باکتری های فاضلاب توضـيح داده شـد ، همزمـان بـا اكسيداسيون تركيبات آلي و غير آلي اتفاق مي افتد. نسبت حجم بيومس توليدي به حجم سوبـستراي مصرفي (گرم بيومس به گرم سوبسترا) بعنوان بازده بيومس تعريف مي شود و معمولاً به صورت دهنده الكترون مورد استفاده ، تعريف مي شود :

(سوبستراي مصرف شده بر گرم) / (جرم سلولي توليدي برحسب گرم) = Y

براي مثال بازده در واكنش هاي هتروتروفيك هوازي با سوبستراي آلـي بـصورت جـرم سـلولي توليـدي برحسب گرم به سوبسترا آلي تعريف مي شود و در نيتريفيكاسيون ، بازده بصورت جرم سلولي (گـرم) به نيتروژن آمونياكي (گرم) تعريف مي شود و در تجزيه اسيدهاي چرب فرار براي توليـد متـان بـه روش بي هوازي، بازده برابر VFAمصرفي (گرم)/ جرم سلولي(گرم)است. در محلهايي كه تركيبات خاصي مانند آمونياك ، اندازه گيري و شناسايي شده است، بازده بصورت حجم تركيـب مـورد اسـتفاده انـدازه  گيري مي شود.

براي تصفيه هوازي يا بـي هـوازي فاضـلاب شـهري و صـنعتي حـاوي مقـدار زيـادي تركيبات آلي، بازده براساس پارامترهاي قابل اندازه گيري منعكس كننـده مـصرف تركيـب آلـي كلـي مانند COD يا BOD تعيين ميشود. بنابراين، بازده برابـر جـرم سـلولي توليـدي برحـسب گـرم بـه COD حذف شده يا جرم سلولي توليدي بر حسب گرم به BODحذف شده خواهد بود.

 

باکتری های تصفیه فاضلاب

باکتری های تصفیه فاضلاب

باکتری های تصفیه فاضلاب ، شامل جمعيت مخلوطي از ميكروارگانيسم ها بـا تنـوع گـسترده است و فقط باکتری ها عمل تصفیه را انجام نمی دهند بلکه باكتري ها ، پروتوزوئر ها ، قارچ ها ، روتيفرها و احتمالاً جلبك ها نیز درگیـرتصفیه هستند.اساس طراحي فرآيندهاي تصفيه بيولوژيكي يا انتخاب نوع فرآيند بيولـوژيكي مـورد اسـتفاده بـه فهـم فعاليتهاي بيو شيميايي ميكروارگانيسم ها وابسته است. تقسيم بندي ميكروارگانيسم ها بر اساس منبـع كربن سلولي، دهنده الكترون، پذيرنده الكترون و محصولات نهايي در جدول زیر خلاصه شـده اسـت.

باکتری های تصفیه فاضلاب


ميكروارگانيسم هاي مختلف مي تواننـد محـدوده وسـيعي از گيرنـده هـاي الكتـرون شـامل اكـسيژن، نيتريت، نيترات، آهن سه ظرفيتي، سولفات و تركيبات آلي و دي اكسيد كربن را استفاده كننـد. طـرح كلي برخي از انواع متداول متابوليسم باكتريايي در شكل زیر آمده است كه نشان دهنده منبـع كـربن سلول و منبع توليد انرژي مي باشد.

باکتری های تصفیه فاضلاب

دو موضوع مهم كه در اين قسمت به آن توجه شده است، عبارتند از:

  1. نيازهاي مواد غذايي عمومي ميكروارگانيسم هايي كه بطور معمـول در تـصفيه فاضـلاب كـاربرد دارد.
  2. طبيعت متابوليسم ميكروبي بر اساس نياز به اكسيژن مولكولي

منبع كربن و انرژي براي رشد ميكروبي

يك ارگانيسم به منظور تكثير و عملكرد مناسب بايد منبع انرژي، كربن براي سنتز مواد سلولي جديـد و عناصر غير آلي(مغذي) مانند نيتروژن، فسفر، سولفور، پتاسيم، كلسيم و منيزيم داشـته باشـد. مـواد مغذي آلي نيز(عوامل رشد) ممكن است براي سنتز سـلولي مـصرف شـود. منبـع كـربن و انـرژي كـه معمولاً بعنوان سوبسترا مطرح ميشوند و نيازهاي غذايي و عوامل رشد براي انواع مختلف ارگانيسم ها است.

منابع كربن: ميكروارگانيسم ها، كربن را براي رشد سلولي از مواد آلي يا دي اكسيد كربن بدست مـي آورند. ارگانيسم هايي كه از كربن آلي براي تشكيل سـلولهاي جديـد اسـتفاده مـي كننـد، هتروتـروف ناميده مي شود؛ در حاليكه ارگانيسم هايي كه كربن سلولي را از دي اكسيد كربن مي گيرند، اتـوتروف نام دارد. تبديل دي اكسيد كربن به تركيبات كربن سلولي نياز به فرآيند احياء دارد كه نيازمند مصرف انرژي است. بنابراين ارگانيسم هاي اتوتروف نسبت به هتروتروف ها بايـد بيـشتر انـرژي خـود را بـراي سنتز مصرف كنند كه در نتيجه معمولاً بازده پايين تري در توليد جرم سلولي و سرعتهاي رشد دارند.

منابع انرژي باکتری های تصفیه فاضلاب :

انرژي مورد نياز براي سنتز سلولي ممكـن اسـت از طريـق نـور خورشـيد و يـا واكـنش اكسيداسيون شيميايي تهيه شود.باكتريها براي كسب انرژي، مواد آلي يا معدني را اكـسيد مـيكننـد. ارگانيسم هايي كه قادر به استفاده نور بعنوان منبـع انـرژي مـي باشـند، فتـوتروف ناميـده مـي شـود. ارگانيسم هاي فتوتروف ممكن است هتروتروف(مانند باكتري احياء كننده گوگردي SRB ) يا اتوتروف (آلگ و باكتري فتوسنتتيك) باشند. باکتری های تصفیه فاضلاب و ارگانيسمهايي موجود در سیستم تصفیه كه انرژي خود را از واكنشهاي شيميايي بدست مي آورند، تحت عنوان شيميوتروف ها شناخته مي شوند. فتوتروف ها مانند شيميوتروف ها نيز ممكن اسـت هتروتروف (مانند پروتزوئر، قارچ و بيشتر باكتريها) و يا اتـوتروف (ماننـد باكتريهـاي نيتريفـاير) باشـند.

شيميواتوتروف ها، انرژي را از اكسيداسيون تركيبات غير آلي احيـاء شـده ماننـد آمونيـاك ، نيتريـت ، آهن فروس و سولفيد بدست مي آورند. شـيميوهتروتروف هـا معمـولاً انـرژي خـود را از اكـسيداسيون تركيبات آلي بدست مي آورند. واكنش هاي شيميايي توليـد كننـده انـرژي در شـيميوتروفها، واكـنش هاي اكسيد و احياء مي باشد كه شامل انتقال الكترون از يك دهنده الكترون به يك گيرنـده الكتـرون است. دهنده الكترون اكسيد و گيرنده الكترون احياء مي شود. گيرنده و دهنده الكتـرون بـا توجـه بـه ميكروارگانيسم مي تواند تركيبات آلي يا غير آلي باشد. گيرنده الكترون ممكن اسـت در داخـل سـلول در حين متابوليـسم (آنـدوژنز) قابـل اسـتفاده باشـد و يـا از بيـرون سـلول (ماننـد اكـسيژن محلـول)باشد. اگزوژنز، ارگانيسم هايي كه توليد انرژي در آنها با انتقال الكترون به يك گيرنده الكترون خارجي توسط يك آنزيم صورت ميگيرد، در اصـطلاح متابوليـسم تنفـسي دارنـد. هنگاميكـه از يـك گيرنـدهالكترون داخلي استفاده شود، فرآيند را متابوليسم تخميري مينامند كـه بـازده انـرژي مـوثر كمتـري
نسبت به فرآيند تنفسي دارد. ارگانيسم هاي هتروتروف كه بطور كامل تخميـر كننـده هـستند، بـازده سلولي و سرعتهاي رشد كمتري نسبت به هتروتروفهاي تنفسي دارد.

هنگاميكه باکتری های تصفیه فاضلاب ، اكسيژن را بعنوان گيرنده الكترون استفاده می کنند، واكنش هوازي ناميده مي شود و واكنـشهايي كه شامل ساير گيرنده هاي الكترون است ، بعنوان بي هوازي مطرح شده اند. عبـارت انوكـسيك بـراي متمايز كردن استفاده از نيترات يا نيتريت بعنوان گيرنده نهايي الكترون از ساير مواد تحت شـرايط بـي هوازي بكاربرده مي شود . احياء نيتريت يا نيترات تحت شرايط انوكسيك به گـاز نيتـروژن انجـام مـي شود و اين واكنش تحت عنوان دنيتريفيكاسيون بيولوژيكي نيز عنوان شده است. باکتری های تصفیه فاضلاب و ارگانيـسم هـايي كـه نيازهاي انرژي خود را فقط با اكسيژن بدست مي آورند ، ميكروارگانيسم هاي هوازي اجباري نام دارند. تعدادي از باكتريها مي توانند از اكسيژن يا هنگامي كه اكسيژن در دسترس نباشد، از نيتريت / نيترات بعنوان گيرنده الكترون استفاده كنند. اين باکتری های تصفیه فاضلاب را باكتري هوازي اختياري ناميده مي شود. ارگانيـسم هايي كه انرژي را از طريق تخمير توليد مي كنند و فقط در محـيط فاقـد اكـسيژن وجـود دارنـد، بـي
هوازي اجباري مي باشد . بي هوازيهاي اختياري توانايي رشد در حضور و يا غياب اكـسيژن مولكـولي را دارند و بر اساس توانايي متابوليكي آنها به دو زير گروه تقسيم مي شوند. بي هوازيهاي اختياري واقعـي كه با توجه به حضور يا غياب اكسيژن مولكولي مي تواننـد از حالـت اختيـاري بـه متابوليـسم تنفـسي هوازي تغيير پيدا كنند. بي هوازيهاي آئروتولرانت ،
متابوليسم كاملاً تخميـري دارنـد؛ ولـي بـه حـضور اكسيژن مولكولي نسبتاً غير حساس مي باشند.