logo Uniwersytet Warszawski


Autoreferat rozprawy doktorskiej Pani mgr Agnieszki Chojeckiej Drukuj
czwartek, 26 listopada 2009 17:46

„Aktywność proteolityczna, lipolityczna i sacharolityczna mikroorganizmów w ściekach i osadzie czynnym w procesie biologicznego oczyszczania ścieków komunalnych”

Zakład Ekologii Mikroorganizmów, Wydział Biologii, Uniwersytet Warszawski

Praca doktorska wykonana pod kierunkiem prof. dr hab. Ryszarda J. Chrósta

Recenzenci:
dr hab. Aleksandra Skłodowska (Pracownia Analizy Skażeń Środowiska, Wydział Biologii, Uniwersytet Warszawski)
dr hab. Irena Wojnowska–Baryła (Katedra Biotechnologii w Ochronie Środowiska, Wydział Ochrony Środowiska i Rybactwa, Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie)

Jednym z podstawowych mechanizmów umożliwiających bakteriom wykorzystanie wielkocząsteczkowej rozpuszczonej materii organicznej jest jej enzymatyczna hydroliza. Związki wielkocząsteczkowe takie jak białka, węglowodany i tłuszcze stanowią najczęściej główne zanieczyszczenie organiczne w ściekach komunalnych. Enzymy katalizujące proces hydrolizy tych związków są zaliczane do ektoenzymów, enzymów związanych ze strukturami powierzchniowymi komórek bakterii. Aktywność enzymów hydrolitycznych w procesie oczyszczania biologicznego jest niezwykle istotna. Ektoenzymy nie tylko odgrywają kluczową rolę w hydrolizie wielkocząsteczkowych zanieczyszczeń organicznych, ale także warunkują dostępność niskocząsteczkowych produktów hydrolizy do procesów ich całkowitej mineralizacji. Aktywność i różnorodność funkcjonalna ektoenzymów stanowi ważny wskaźnik właściwości metabolicznych populacji mikroorganizmów biorących udział w procesach oczyszczania ścieków.

Nadrzędnym celem niniejszej rozprawy była charakterystyka aktywności hydrolitycznej wybranych enzymów (leucyno-aminopeptydazy, ß-glukozydazy, lipazy) bezpośrednio w ciągu technologicznym oczyszczalni miejskiej (oczyszczalnia ścieków dla m.st. Warszawy „Czajka”) oraz zbadanie wpływu parametrów technologicznych w ciągu biologicznego oczyszczania ścieków komunalnych (zmiennego obciążenia hydraulicznego i substratowego na aktywność hydrolityczną badanych enzymów mikroorganizmów osadu czynnego).

Przeprowadzone badania wykazały, że rozmieszczenie aktywności wybranych hydrolaz w ciągu technologicznym oczyszczalni biologicznej było wyraźnie zróżnicowane. Najwyższą aktywność badanych enzymów odnotowano w komorach napowietrzania osadu czynnego, natomiast aktywność tych enzymów w nieoczyszczonych i oczyszczonych ściekach komunalnych była znacznie niższa.

Stwierdzono, że reakcje hydrolityczne prowadzące do rozkładu węglowodanów zachodzą już w ściekach nieoczyszczonych pobranych po osadnikach wstępnych. Natomiast najwyższa aktywność leucyno-aminopeptydazy oraz najkrótszy czas obrotu substratu w przypadku tego enzymu w komorach napowietrzania osadu czynnego wskazywały na intensywny przebieg procesów proteolitycznych w osadzie czynnym. Nie odnotowano zależności pomiędzy aktywnością leucyno-aminopeptydazy w osadzie czynnym, a zawartością rozpuszczonej materii organicznej w dopływających ściekach komunalnych, co sugeruje, że wysoka aktywność tego enzymu może wynikać z lizy obumarłych komórek bakteryjnych przez mikroorganizmy osadu czynnego. W przeciwieństwie do leucyno-aminopeptydazy odnotowano istotną zależność pomiędzy aktywnością ß-glukozydazy w osadzie czynnym, a stężeniem rozpuszczonej materii organicznej w dopływających ściekach komunalnych. Wyniki powyższych badań wykazały znaczne zróżnicowanie właściwości biochemicznych zespołów bakterii heterotroficznych oraz odmienne preferencje substratowe bakterii zasiedlających ścieki komunalne i osad czynny.

Badania prowadzone w układach modelowych dotyczące wpływu zwiększonego obciążenia hydraulicznego na aktywność i powinowactwo enzym – substrat badanych hydrolaz jednoznacznie wykazały, że dwu i czterokrotnie zintensyfikowany przepływ ścieków przez komory napowietrzania osadu czynnego nie powodował znaczących zmian w aktywności badanych enzymów oraz efektywności oczyszczania ścieków. Wykazano natomiast wzrost powinowactwa enzym – substrat w przypadku leucyno-aminopeptydazy i lipazy w układach o czterokrotnie zwiększonym przepływie ścieków, co może sugerować, że zwiększony przepływ ścieków selekcjonuje mikroorganizmy zdolne do produkcji enzymów o zróżnicowanym powinowactwie substratowym jako efekt ich przystosowania do zmiennych warunków technologicznych w procesie oczyszczania biologicznego.

W przeprowadzonych badaniach zwiększone obciążenie hydrauliczne osadu czynnego w bioreaktorach modelowych nie obniżało wydajności usuwania materii organicznej ze ścieków komunalnych. Zarówno w układach modelowych, w których obciążenie hydrauliczne zwiększono dwu- jak i czterokrotnie wydajność oczyszczania ścieków wzrastała wprost proporcjonalnie do obciążenia hydraulicznego. Z powyższych wniosków wynika, że proces usuwania materii organicznej z badanych ścieków komunalnych mógłby przebiegać przy krótszym czasie retencji hydraulicznej niż stosowany w oczyszczalni 24-godzinny czas zatrzymania.

Badania dotyczące porównania aktywności hydrolitycznej i wewnątrzkomórkowej osadu czynnego w procesie oczyszczania biologicznego ścieków komunalnych wykazały, wzrost aktywności dehydrogenaz w bioreaktorach osadu czynnego o wzrastającym obciążeniu hydraulicznym. Aktywność sacharolityczna badanych osadów czynnych malała wraz z wzrastającym obciążeniem hydraulicznym. Nie odnotowano istotnych różnic w tempie przyrostu produkcji biomasy bakterii w badanych osadach czynnych w stosunku do układu kontrolnego, co świadczyło również o tym, że zwiększone obciążenie hydrauliczne promowało procesy respiracji endogennej w badanych osadach czynnych.

Wykazano, że skład substratowy rozpuszczonej materii organicznej w ściekach komunalnych decyduje o ich jakości jako substratu w przemianach biochemicznych w procesie oczyszczania biologicznego. Porównanie aktywności specyficznej badanych hydrolaz z tempem produkcji biomasy bakterii w osadach czynnych zasilanych ściekami komunalnymi wzbogaconymi w związki wielko- i/lub niskocząsteczkowe wykazało, że obecność związków wielkocząsteczkowych w ściekach komunalnych może w rezultacie minimalizować przyrosty biomasy bakterii osadu czynnego, natomiast powstałe w procesach hydrolizy związki niskocząsteczkowe są bezpośrednio zużywane w procesach utleniania, co zapewniało wysoką efektywność procesu oczyszczania biologicznego.

Podsumowując badanie aktywności enzymatycznej wybranych hydrolaz w niniejszej rozprawie wykazało, że procesy hydrolityczne zachodzące w ściekach komunalnych i osadzie czynnym są istotnym parametrem decydującym o rozkładzie wielkocząsteczkowych zanieczyszczeń organicznych, a produkty ich reakcji mogą kształtować tempo wzrostu mikroorganizmów w osadzie czynnym i tym samym wpływać na wydajność oczyszczania ścieków.

Jednym z ważnych aplikacyjnych aspektów niniejszych badań było stwierdzenie i eksperymentalne przetestowanie możliwości znacznego skrócenia (min. o połowę lub krócej) czasu retencji oczyszczanych ścieków w oczyszczalni „Czajka” bez obniżenia efektywności ich oczyszczania. Wprowadzenie tej modyfikacji w technologii oczyszczania ścieków w oczyszczalni „Czajka” doprowadzi do znacznych oszczędności inwestycyjnych i obniży wydatnie koszt jednostkowy oczyszczania ścieków komunalnych.

Publikacja

A.Chojecka, H. Kurlanda, R. J. Chróst (2009). The influence of modified municipal wastewater composition on activity and growth of activated sludge heterotrophic bacteria and effectiveness of wastewater treatment. Environmental Science & Technology (w recenzji)

 


logo HR