up
Search      menu
علم و تکنولوژی :: مقاله بيوفيلم و حذف آلودگي PDF
QR code - بيوفيلم و حذف آلودگي

بيوفيلم و حذف آلودگي

استفاده از بيوفيلم ها در حذف آلودگي

توانايي باکتريها براي چسبيدن به سطوح، به ويژه در ارگانيسم هاي پاتوژن که از اين خاصيت براي شروع بيماري استفاده مي کنند. به عنوان يک پديده مهم ، شناخته شده است.
• اصطلاح بيوفيلم به سلولهايي گفته مي شود که روي يک سطح تثبيت شده و عموما” بوسيله يک ماتريکس از مواد پليمري آلي ، با منشاء ميکروبي احاطه شده اند. بيوفيلم مي تواند از يک گونه و يا مخلوطي از چند گونه تشکيل شده باشد. بيوفيلم در مکانهاي مختلفي تشکيل مي شود ولي تشکيل آن در صنايع معمولا” باعث آسِب و کاهش راندمان مي شود.اصولا” باکتريها به علت داشتن پيلي بخصوص در يک محيط آبي تمايل براي چسبيدن به سطوح مختلفي دارند.در بعضي سيستم ها مانند صنايع غذايي، تصفيه پساب بيوفيلم به عنوان يک عامل مهم در سيستم مي باشد ولي در صنايع مرتبط با نفت، برج هاي خنک کننده وبدنه کشتي بيوفيلم يک مشکل مهم و جدي مي باشد. اگر تک تک باکتريهاي تشکيل دهنده بيوفيلم جداسازي شوند وحساسيت آنها بر روي مواد ميکروب کش نيز مطالعه گردد ولي به علت وجود روابط سي نرژيسم و همزيستي در بيوفيلم معمولا” مواد ضد ميکروبي کمتر در بيوفيلم موثر مي باشد.
• اصولا”باکتريها وقتي تشکيل بيوفيلم مي دهند مقاومت آنها نسبت به شرايط نامساعد محيطي و بيوسايدها زياد مي شوند و از طرف ديگردر بيوفيلم مواد را نگه داري و تغليظ مي نمايند واز مواد متابوليکي يکديگر مصرف مِي کنند.در يک بيوفيلم ممکن است جذب مواد آلي و تغذيه کمتر از زماني باشد که باکتريها آزاد هستند ولي پايداري ژنتيکي در آنها بيشتر است و پلاسميدها در بيوفيلم پايدارترمي باشند.(ميکروبيولوژي و کنترل آلودگي آب، هوا و پساب) تشکيل بيوفيلم باکتريها را نسبت به مواد ضد باکتري مقاومتر مي سازد. نتايج به دست آمده نشان داده است که شرايط استرس سبب افزايش چسبيدن باکتريايي مي شود در حاليکه ، توانايي چسبيدن به سويه باکتريايي ارتباط دارد ولي متناسب با غلظت ماده غذايي نيست.در طبيعت ميکروارگانيسم ها ، اغلب در ارتباط نزديک با سطوح جامد رشد مي کنند،که اين سطوح ممکن است بافتهاي نرم زنده ، يا سطوح غير زنده، مواد غوطه ور و يا ذرات خاک باشد ارتباط و پيوستگي با سطوح جامد منجر به تشکيل بيوفيلم ميکروبي مي شود که به صورت مجموعه اي از ميکروارگانيسم ها در درون اگزوپليمر گسترده گليکوکاليکس ديده مي شود.بيوفيلم ها يي که توسط يک نوع باکتري به وجود مي آيد monoculture و بيوفيلم هاي تشکيل شده بر روي سطوح مخاطي مثل روده اغلب حاوي مخلوطي از گونه هاي مختلف باکتري مي باشند و عموما باکتريهاي محيطي، با اتصال به قارچها و جلبک ها و پروتوزوئرها تشکيل يک توده نا متجانس واقعي را مي دهند. سلولها در بخش هاي مختلف بيوفيلم ، احتمالا از نظر دسترسي به مواد غذايي و شرايط فيزيکوشيميايي در وضعيت هاي متفاوتي قرار مي گيرند. بنابراين بيوفيلم ها نه تنها غالبا مخلوط و حاوي گونه هاي مختلف هستند بلکه از فنوتيپ هاي متفاوت از يک گونه تشکيل شده اند. ميزان رشد ، احتمالا در اعماق بيوفيلم کند است وبا شيب غلظت غذايي افزايش مي يابد. تشکيل بيوفيلم تصور مي شود که منافع زيادي براي ارگانيسم هاي متشکله دارد از جمله حفاظت آنها در برابر سيستم ايمني ميزبان در invivo ، مقاومت در برابر آنتي بيوتيک ها همچنين حفظ و نگهداري محيط فيزيکوشيميايي مناسب براي رشد و بقا، بنابراين آنها قادرند در شرايط نامسائد محيطي مقاومت کرده و به حيات خود ادامه دهند . به علاوه الياف پلي ساکاريدي در ماتريکس پليمري که عموما بار منفي دارند، مولکولهاي معدني و آلي و ذرات غوطه ور در سوسپانسيون مجاور بيوفيلم را به دام مي اندازند و از آنجائيکه ميکروفلور درون بيوفيلم بسيار متغير است. موادي که به دام مي افتند مي توانند بوسيله ميکروبها متابوليزه شوند و به اين ترتيب به تصفيه محيط هاي آبي کمک مي کنند، از اين ويژگيها دربيورآکتورها براي تصفيه فاضلاب و انواع وسيعي از آلودگيهاي مزاحم و ضايعات سمي استفاده مي شوند ولي از طرف ديگر بيوفيلم ها در پزشکي، صنايع غذايي سيستم هاي تصفيه آب و صنعت نفت مي توانند مشکل آفرين باشند.بيوفيلم هايي که بر روي بدنه کشتي ها ايجاد مي شوند، از دياتومه ها، جلبکهاي تک سلولي و باکتريها تشکيل شده اند، اين بيوفيلم ها حرکت کشتي را کند و مصرف سوخت را افزايش مي دهند تشکيل کلني ميکروبي، همچنين کارآيي پريسکوپ ها و وسايل زيردريايي را پايين مي آورد، شبکه هاي آبرساني هم مستعد تشکيل بيوفيلم هستند و بيوفيلم بوجود آمده حتي با مقادير بالاي کلر هم حذف نمي شوند، در سيستم هاي تصفيه، مشاهده شده که گاهي ضخامت بيوفيلم ها به بيش از۵۰۰ ميکرو متر مي رسد ودر نتيجه نفوذ پذيري غشاء ها به ميزان زيادي کاهش مي يابد.چسبيدن باکتريها به تکيه گاه مسئله مهمي در اکولوژي، بيوتکنولوژي، آلودگيهاي زيستي (biofouling) وتيمار فاضلاب است اولين بار در سال ۱۹۱۳ ،Sohngen گزارش کرد که وجود يک فاز جامد مي تواند بر روي پديده هاي باکتريايي مختلف مثل تثبيت نيتروژن، اکسيداسيون الکل، نيتريفيکاسيون و دنيتريفيکاسيون اثر گذارد. با گذشت زمان، اطلاعات دقيق تري در مورد ميان کنش بين باکتريها و سطوح جامد به دست آمد.دانشمندان نشان دادند که فعاليت باکتريايي در صورت وجود سطوح شيشه اي به ويژه وقتي که تراکم ماده غذايي پايين باشد، افزايش مي يابد. در سال ۱۹۷۰، محققين دريافتند که اين پديده اغلب در محيط هاي طبيعي وجود دارد، در سال ۱۹۷۱، مارشال وقايع اوليه اي را که در هنگام اتصال باکتريهاي دريايي به سطوح صورت مي گيرد مورد بررسي قرار داد.
●مراحل تشکيل بيوفيلم :
به دليل اهميت بيوفيلم در بيوتکنولوژي، تيمار آب هاي زائد، عفونت هاي باکتريايي و آلودگيهاي صنعتي، درک فاکتورهايي که بر چسبيدن و تشکيل بيوفيلم وميکروکلني موثر است، براي کنترل و استفاده از چنين فرايندهايي ضروري است. پديده تشکيل کلني بر روي سطح را مي توان به صورت ۶ مرحله متوالي در نظر گرفت:
۱) وقايعي که ارگانيسم را به نزديک سطح مي آورد.
۲) اتصال برگشت پذير به سطح
۳) اتصال برگشت نا پذير به سطح
۴) چسبيدن(Attachment)
۵) رشد و تقسيم ارگانيسم چسبيده به سطح و تشکيل ميکروکلني و بيوفيلم
۶) فاز تفرق ، اين مرحله ، در صورتيکه عمل چسبيدن، با تشکيل کلني بر روي سطوح تازه و دست نخورده همراه شود، در نظر گرفته مي شود.
●مدلهاي آزمايشگاهي توليد بيوفيلم :
• مدلهاي کشت بسته:
ساده ترين روش براي تشکيل بيوفيلم استفاده از محيط هاي جامد يا مايع مي باشد. در اين حالت يا جامد مستقيما سطح لازم براي چسبيدن را ايجاد مي کند يا اينکه يک پايه و زمينه اي در تماس مستقيم با محيط مايع قرار داده مي شود.
• مدل کشت مداومcontinuous
با توجه به اينکه کشت هاي بسته، نشانگر بعضي از اکوسيستم هاي طبيعي که در آنها به طور دائم منابع تازه مواد غذايي وارد مي شوند نيست ، بنابراين بسياري از محققين از فرمانتور ها براي کنترل ميزان رشد تحت شرايط غذايي مورد نظر استفاده مي کنند. يک پديده جديد در اين رابطه ، شامل استفاده از ذرات و قطعات معلق در يک کموستات و نشان دادن جمعيت هاي چسبيده است.تکنيک هاي مطالعه امروزه اين تکنيک ها توسعه يافته و براي مطالعه بيوفيلم ااز ميکروسکوپ هاي ليزري وروشهاي اسپکتروشيميايي و الکتروشيميايي استفاده مي گردد.مثلا” براي مطالعه جمعيت آرشي باکتر در بيوفيلم مي توان از کوآنزيم ۴۲۰F استفاده کرد و يا براي فعاليت بيوفيلم مي توان از اکسيد و احياء شدنNAD و يا توليدATP استفاده کرد.با استفاده از بيوسنسورها مي توان فعاليت موجود دربيوفيلم را بدون جداسازي و کندن آنها از سطح فلزات مورد مطالعه قرار دارد.
• دربيوسنسورهاي آمونياک با قرار دادن نيتريفيکاتورها روي يک غشاء سلولزي تثبيت شده مي توان ميزان اکسيداسيون آمونياک و NO۲ توسط باکتريها را از روي مصرف اکسيژن اندازه گيري کرد.
• براي اندازه گيري ميزان آمونياک ←حسگر بيولوژيکي آمونياک و نيتروزوموناس
• ميزان نيتريت ←حسگر بيولوژيکي نيتريت و نيتروباکتر
• تشخيص گاز متان←حسگر بيولوژيکي متيله موناس فلاژلاتا
• حداقل ميزان اندازه گيري توسط حس گر بيولوژيکي
• حداقل اندازه گيري و آزمايش
• ۳ppm
• ۰.۱ N
• ۰.۶*۱۰ ۴ M
• ۱۳ M
• ۰.۰۱ mM • BOD
• آمونياک
• سولفيت
• متان
• دي اکسيدنيتروژن
با استفاده از ميکروسکوپ ليزري بيوفيلم را داخل لوله که از ميکروکلني و مواد متراکم شده آن تشکيل يافته را مي توان مطالعه نمود.(ميکروبيولوژي و کنترل آلودگي آب ، هوا و پساب)برکه هاي اختياري در جاهائيکه زمين با قيمت مناسب وجود دارد، کاربرد وسيعي را در تصفيه فاضلاب به صورت اقتصادي پيدا نموده اند. در مقالات، فرضيات و روش هاي مختلفي براي طراحي برکه هاي اختياري در دسترس مي باشد. بيشترين تحقيقات تنها در ارتباط با توده هاي بيولوژيکي معلق بوده است و اين توده ها را به عنوان گروه اصلي توده هاي بيولوژيکي که عامل حذف مواد مي باشند قلمداد نموده اند. اما ديواره هاي جانبي و کف برکه اختياري مي تواند محلي براي رشد توده بيولوژيکي چسبيده يا بيوفيلم فراهم آورند که آنها نيز به تخريب مواد آلي کمک مي کنند. اين مطالعه ويژگي رشد توده بيولوژيکي بيوفيلم را روي ديواره و کف اين استخربر مصرف مواد آلي نشان مي دهد. مدلي براي مصرف مواد آلي در برکه هاي اختياري پيشنهاد شده که بر اساس واکنش هاي درجه اول براي هر دو توده بيولوژيکي معلق و بيوفيلم تعيين مي شود. فعاليت بيوفيلم با مدل نفوذ توصيف مي شود و در مورد هيدروليک برکه از مدل جريان پراکنده استفاده شده تا شامل محدوده وسيعي از ابعاد برکه و شرايط عملکرد باشد. مدل پيشنهاد شده که با داده هاي گرفته شده از دو برکه اختياري واقع در بانکوک، تايلند و مکزيکوي ايالات متحده ارزيابي گرديده، و به خوبي قادر به تخمين غلظت BOD۵ خروجي از اين دو برکه است.اکثر مقالات در زمينه برکه هاي اختياري تنها در ارتباط با ميکروارگانيسم هاي معلق بوده اند وآنها را به عنوان گروه اصلي توده هاي بيولوژيکي مسئول تجزيه مواد آلي در نظر مي گيرند. اما مطالعات جديد صورت گرفته پتانسيل توده بيولوژيکي بيوفيلم که بر روي سطح موانع(Baffles) غوطه ور در آب برکه رشد مي کنند را بر روي پايدار سازي مواد آلي مشخص کرده است. اما احتمالا به خاطر تشکيل لايه کفاب، برکه هاي داراي مانع نسبت به برکه هاي بدون مانع راندمان کمتري نشان دادند. برخي تحقيقات قبلي بر روي خودپالايي(Self purification) در نهر هاي باريک و رودخانه ها نشان داده است که توده بيولوژيکي بيوفيلم که در بستر کانال هاي باز رشد مي نمايند. در تخريب بيولوژيکي ترکيبات آلي کربن دار مؤثر هستند. مطالعات اخير نشان مي دهد که توده بيولوژيکي بيوفيلم که بر روي سطوح رشد چسبيده(Attached growth media) قرار داده شده در آب برکه رشد مي کنند، در حذف ترکيبات آلي نيتروژني سودمند هستند.گزارش کرده اند که برکه هاي تثبيت فاضلابي که در آنها مانع نصب شده است، عملکرد تصفيه بهتري نسبت به برکه هاي بدون مانع دارند. اگرچه آنها اين بهبود راندمان را به کاهش عدد پراکندگي نسبت دادند اما توده بيولوژيکي بيوفيلم که احتمالا روي سطح موانع رشد کرده است، مي توانسته همراه با توده بيولوژيکي معلق در تخريب موادآلي شرکت کند.به علت آنکه سرعت جريان معمولا در برکه هاي تثبيت فاضلاب کم اما نرخ بارگذاري مواد آلي در آنها نسبت به رودخانه ها و نهر ها زيادتر است، رشد توده بيولوژيکي بيوفيلم روي ديواره هاي جانبي و کف برکه ها مورد انتظار است. بر اين اساس، فرض آنکه در محيط برکه اين توده هاي بيولوژيکي بيوفيلم مي توانند توده هاي بيولوژيکي معلق را در تخريب بيولوژيکي مواد آلي ورودي ياري دهند، معقول مي نمايد. اين مطالعه با هدف کلي پيشنهاد مدلي که مشارکت هر دو توده بيولوژيکي معلق و بيوفيلم در تخريب بيولوژيکي مواد آلي را در برکه هاي اختياري در بر گيرد، انجام گرديد. هدف هاي ويژه اين مطالعه عبارتند از:
۱) بسط يک مدل رياضي براي تخريب بيولوژيکي مواد آلي در برکه هاي اختياري که شامل فعاليت توده بيولوژيکي بيوفيلم و معلق باشد.
۲) تعيين برخي ثوابت سينتيک رشد بيوفيلم در برکه اختياري و مشارکت نسبي فعاليت بيوفيلم در حذف مواد آلي.
مدل پيشنهاد شده با اطلاعات دو استخر اختياري با اندازه واقعي در نيومکزيکوي ايالات متحده و بانکوک تايلند ارزيابي گرديد. آزمايشهايي نيز به صورت آزمايشگاهي براي تعيين ضرايب سينتيک توده بيولوژيکي بيوفيلم برکه اختياري انجام شد.
●بسط مدل
شماي فرضي مدل برکه اختياري در شکل نشان داده شده است. مدل شامل موازنه جرم مواد در جريان توده مايع و در بيوفيلم با گذر مواد از لايه زيرين که اين دو را به هم پيوند مي دهد، مي باشد.براي حذف مواد توسط بيوفيلم، مدل نوعي فرايند نفوذ را توصيف مي نمايد که در آن ماده بخاطر اختلاف غلظت موجود انتقال مي يابد. وقتي که ماده به سطح بيوفيلم مي رسد غلظت آن با ترم نفوذ و ترم واکنش تعيين مي شود. در جريان توده مايع غلظت توسط يک ترم جابجايي، يک ترم پراکندگي و يک ترم واکنش تعيين مي شود. انتقال ماده در جريان توده مايع بوسيله نفوذ در مقايسه با پراکندگي و جابجايي قابل صرف نظر کردن مي باشد.رشد بيوفيلم روي ديواره هاي جانبي و کف برکه به صورت بيوفيلم ايده آل با ضخامت و دانسيته ثابت فرض مي گردد. فرض مي شود که در داخل بيوفيلم، نفوذ و مصرف مواد به صورت همزمان اتفاق بيفتد.انتقال به صورت جابجايي در بيوفيلم قابل صرف نظرکردن در نظر گرفته مي شود. به علاوه ثوابت سينتيک و نفوذ در طول برکه ثابت فرض مي شود.موازنه جرم ماده در حجم کنترل برکه ( توده مايع و بيوفيلم ) به صورت زير مي تواند نوشته شود:
●ميزان ازبين رفته دراثرواکنش ها+ تجمع= جريان خروجي جريان ورودي
• ميزان نيتروژن در آبهاي شيرين مشتق شده از سه منبع کليدي:(۱) کشاورزي (۲) فاضلاب هاي خانگي و صنعتي (۳) بارش.
• در ايرلند شمالي، با ورود زياد مشتقات N از طريق کشاورزي به محيط هاي آبي، که ميزان غلظت هاي بالايي از NO۲را گزارش کرده اند، معتقدند که براي گياهان و جانوران آبزي سمي مي باشند. غلظت هايي از NO۲ ، بوسيله باکتريها به عنوان واسطه اي در مسيرهاي اکسيد کننده و احيا کننده واقع مي شوند.
• دو substrate اصلي براي توليد NO۲ :
• NH۴+بواسطه nitrification
• NO۳ از طريق يک سري مسيرهاي احيا کننده NO۳ مي باشد. (Effect of carbon substrates on nitrite accumulation in freshwater sediments )
• ميزان معرفي و تعيين امروزه يكي از شاخصهاي توسعه در جوامع انساني شناخته ميشود. يكي از منابع مهم پروتئيني آبزيان و فرآوردهاي مربوط به آنهاست .
بيوفيلم منابع با ارزشي از کربن و اسيدهاي آمينه ضروري را براي پلانکتونها و ماهيان پلانکتونخوار فراهم مي کنند.
• جمعيت زئوپلانکتون هاي استخر که غذاي اصلي ماهيان مي باشند ارتباط نزديکي با جمعيت فيتوپلانکتونها دارد.
• در حضور بيوفيلم رشد ماهي کپور ۴۷ ۱۴ درصد افزايش
• جمعيت Daphnia magna ←۴ برابر
از آنجائيکه ميزان رشد در درون بيوفيلم به ميزان قابل توجهي کمتر از ارگانيسم هايي است که به صورت پلانکتونيک در درون محيط شناورند، بنابراين گزارش مي شود که بيوفيلم ها کمتر حساس هستند.
• با توجه به اين نتايج مي توان فهميد که با استفاده از بيوفيلم توليد بيشتر با هزينه کم را به دنبال دارد چرا که اغلب مواد مصرفي به عنوان سوبستر محصولات زراعي با ارزش اقتصادي پائين است.
(بررسي اثرات استفاده از بيوفيلم در استخرهاي پرورشي در جهت کاهش آمونياک و افزايش رشد آنها _ مرکز تحقيقات شيلات مازندران_ ۱۳۷۹_۱۳۸۰ )

آلودگي آب - Water Pollution آلودگي آب مشکل بزرگي است. به طوري که نتايج پژوهش پيرامون آن از صدها بلکه هزاران مقاله ، مجله و کتاب تجاوز مي‌کند. بنظر شما ...

چند بار تا به حال دوده خفه کننده ماشين ها را در خيابان ديده ايد؟ چرا در روز روشن آسمان آبي را نمي بينيد؟ فوران دوده از کارخانجات صنعتي چه فوايدي دارد؟ ...

● بي توجهي بشر به طبيعت بشر ، اين هوشمند کيهان ، با پيشرفتهاي علمي و متمدن شدن ، به طبيعت آسيب مي رساند. گياهان و درختان را به دلايل مختلف از بين مي ب ...

ازن که جز اصلي مه دود است، گازي است که از ترکيب اکسيد نيتروژن و هيدروکربنها در حضور نور آفتاب بوجود مي آيد. در اتمسفر ، ازن بطور طبيعي به صورت لايه اي ...

MTBE (متيل ترسيو – بوتيل اتر) يک ماده آلي اکسيژن دار است که امروزه در ايران و برخي کشورهاي جهان به صورت گسترده در بنزين بدون سرب استفاده مي شود در ابت ...

فرآورده هاي نفتي از پرمصرف ترين مواد شيميايي در دنياي مدرن امروز محسوب مي شوند. با توجه به حجم عظيم سوختي که براي توليد نيرو در اتومبيل ها و ايجاد حرا ...

ايران در کمربند خورشيدي واقع شده و داراي زمينهاي بلااستفاده بسيار در اين مسير است، مي توان از آنها براي ساخت نيروگاه هاي خورشيدي استفاده کرد. نيروگاه ...

تصور جهان پيشرفته کنوني بدون وجود مواد پليمري مشکل مي باشد. امروزه اين مواد جزيي از زندگي ما شده اند و در ساخت اشياي مختلف ، از وسايل زندگي و مورد مصر ...

دانلود نسخه PDF - بيوفيلم و حذف آلودگي