استفاده از بیوفیلم ها در حذف آلودگی

توانایی باکتریها برای چسبیدن به سطوح، به ویژه در ارگانیسم های پاتوژن که 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 و عموما” بوسیله یک ماتریکس از مواد پلیمری آلی ، با منشاء میکروبی احاطه شده اند. بیوفیلم می تواند از یک گونه و یا مخلوطی از چند گونه تشکیل شده باشد. بیوفیلم در مکانهای مختلفی تشکیل می شود ولی تشکیل آن در صنایع معمولا” باعث آسِب و کاهش راندمان می شود.اصولا” باکتریها به علت داشتن پیلی بخصوص در یک محیط آبی تمایل برای چسبیدن به سطوح مختلفی دارند.در بعضی سیستم ها مانند صنایع غذایی، تصفیه پساب بیوفیلم به عنوان یک عامل مهم در سیستم می باشد ولی در صنایع مرتبط با نفت، برج های خنک کننده وبدنه کشتی بیوفیلم یک مشکل مهم و جدی می باشد. اگر تک تک باکتریهای تشکیل دهنده بیوفیلم جداسازی شوند وحساسیت آنها بر روی مواد میکروب کش نیز مطالعه گردد ولی به علت وجود روابط سی نرژیسم و همزیستی در بیوفیلم معمولا” مواد ضد میکروبی کمتر در بیوفیلم موثر می باشد.
• اصولا”باکتریها وقتی تشکیل بیوفیلم می دهند مقاومت آنها نسبت به شرایط نامساعد محیطی و بیوسایدها زیاد می شوند و از طرف دیگردر بیوفیلم مواد را نگه داری و تغلیظ می نمایند واز مواد متابولیکی یکدیگر مصرف مِی کنند.در یک بیوفیلم ممکن است جذب مواد آلی و تغذیه کمتر از زمانی باشد که باکتریها آزاد هستند ولی پایداری ژنتیکی در آنها بیشتر است و پلاسمیدها در بیوفیلم پایدارترمی باشند.(میکروبیولوژی و کنترل آلودگی آب، هوا و پساب) تشکیل بیوفیلم باکتریها را نسبت به مواد ضد باکتری مقاومتر می سازد. نتایج به دست آمده نشان داده است که شرایط استرس سبب افزایش چسبیدن باکتریایی می شود در حالیکه ، توانایی چسبیدن به سویه باکتریایی ارتباط دارد ولی متناسب با غلظت ماده غذایی نیست.در طبیعت میکروارگانیسم ها ، اغلب در ارتباط نزدیک 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 با سطوح جامد منجر به تشکیل بیوفیلم میکروبی می شود که به صورت مجموعه ای از میکروارگانیسم ها در درون اگزوپلیمر گسترده گلیکوکالیکس دیده می شود.بیوفیلم ها یی که توسط یک نوع باکتری به وجود می آید monoculture و بیوفیلم های تشکیل شده بر روی سطوح مخاطی مـثل روده اغلب حاوی مخلوطی از گونه های مختلف باکتری می باشند و عموما" باکتریهای محیطی، با اتصال به قارچها و جلبک ها و پروتوزوئرها تشکیل یک توده نا متجانس واقعی را می دهند. سلولها در بخش های مختلف بیوفیلم ، احتمالا" از نظر دسترسی به مواد غذایی و شرایط فیزیکوشیمیایی در وضعیت های متفاوتی قرار می گیرند. بنابراین بیوفیلم ها نه تنها غالبا" مخلوط و حاوی گونه های مختلف هستند بلکه 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 دارد از جمله حفاظت آنها در برابر سیستم ایمنی میزبان در invivo ، مقاومت در برابر آنتی بیوتیک ها همچنین حفظ و نگهداری محیط فیزیکوشیمیایی مناسب برای رشد و بقا، بنابراین آنها قادرند در شرایط نامسائد محیطی مقاومت کرده و به حیات خود ادامه دهند . به علاوه الیاف پلی ساکاریدی در ماتریکس پلیمری که عموما" بار منفی دارند، مولکولهای معدنی و آلی و ذرات غوطه ور در سوسپانسیون مجاور بیوفیلم را به دام می اندازند و از آنجائیکه میکروفلور درون بیوفیلم بسیار متغیر است. موادی که به دام می افتند می توانند بوسیله میکروبها متابولیزه شوند و به این ترتیب به تصفیه محیط های آبی کمک می کنند، از این ویژگیها دربیورآکتورها برای تصفیه فاضلاب و انواع وسیعی از آلودگیهای مزاحم و ضایعات سمی استفاده می شوند ولی از طرف دیگر بیوفیلم ها در پزشکی، صنایع غذایی سیستم های تصفیه آب و صنعت نفت می توانند مشکل آفرین باشند.بیوفیلم هایی که بر روی بدنه کشتی ها ایجاد می شوند، از دیاتومه ها، جلبکهای تک سلولی و باکتریها تشکیل شده اند، این بیوفیلم ها حرکت 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 های آبرسانی هم مستعد تشکیل بیوفیلم هستند و بیوفیلم بوجود آمده حتی با مقادیر بالای کلر هم حذف نمی شوند، در سیستم های تصفیه، مشاهده شده که گاهی ضخامت بیوفیلم ها به بیش از۵۰۰ میکرو متر می رسد ودر نتیجه نفوذ پذیری غشاء ها به میزان زیادی کاهش می یابد.چسبیدن باکتریها به تکیه گاه مسئله مهمی در اکولوژی، بیوتکنولوژی، آلودگیهای زیستی (biofouling) وتیمار فاضلاب است اولین بار در سال ۱۹۱۳ ،Sohngen گزارش کرد که وجود یک فاز جامد می تواند بر روی پدیده های باکتریایی مختلف مثل تثبیت نیتروژن، اکسیداسیون الکل، نیتریفیکاسیون و دنیتریفیکاسیون اثر گذارد. با گذشت زمان، اطلاعات دقیق تری در مورد میان کنش بین باکتریها و سطوح جامد به دست آمد.دانشمندان نشان دادند که فعالیت باکتریایی در صورت وجود سطوح شیشه ای به ویژه وقتی که تراکم ماده غذایی پایین باشد، افزایش می یابد. در سال ۱۹۷۰، محققین دریافتند 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 سطوح صورت می گیرد مورد بررسی قرار داد.
●مراحل تشکیل بیوفیلم :
به دلیل اهمیت بیوفیلم در بیوتکنولوژی، تیمار آب های زائد، عفونت های باکتریایی و آلودگیهای صنعتی، درک فاکتورهایی که بر چسبیدن و تشکیل بیوفیلم ومیکروکلنی موثر است، برای کنترل و استفاده از چنین فرایندهایی ضروری است. پدیده تشکیل کلنی بر روی سطح را می توان به صورت ۶ مرحله متوالی 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 می باشد. در این حالت یا جامد مستقیما" سطح لازم برای چسبیدن را ایجاد می کند یا اینکه یک پایه و زمینه ای در تماس مستقیم با محیط مایع قرار داده می شود.
• مدل کشت مداومcontinuous
با توجه به اینکه کشت های بسته، نشانگر بعضی از اکوسیستم های طبیعی که در آنها به طور دائم منابع تازه مواد غذایی وارد می شوند نیست ، بنابراین بسیاری از محققین از فرمانتور ها برای کنترل میزان رشد تحت شرایط غذایی مورد نظر استفاده می کنند. یک پدیده جدید در این رابطه ، شامل استفاده از ذرات و قطعات معلق در یک کموستات و نشان دادن جمعیت های چسبیده است.تکنیک های مطالعه امروزه این تکنیک ها توسعه یافته و برای مطالعه بیوفیلم ااز میکروسکوپ های لیزری وروشهای اسپکتروشیمیایی و الکتروشیمیایی استفاده می گردد.مثلا” برای مطالعه جمعیت آرشی باکتر در بیوفیلم می توان از کوآنزیم ۴۲۰F استفاده کرد و یا برای فعالیت بیوفیلم می توان از اکسید و احیاء شدنNAD و یا تولیدATP استفاده کرد.با استفاده از بیوسنسورها می توان فعالیت موجود دربیوفیلم را بدون جداسازی و کندن آنها از سطح فلزات مورد مطالعه قرار دارد.
• دربیوسنسورهای آمونیاک با قرار دادن نیتریفیکاتورها روی یک غشاء سلولزی تثبیت شده می توان میزان اکسیداسیون آمونیاک و NO۲ توسط باکتریها را از روی 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 که از میکروکلنی و مواد متراکم شده آن تشکیل یافته را می توان مطالعه نمود.(میکروبیولوژی و کنترل آلودگی آب ، هوا و پساب)برکه های اختیاری در جاهائیکه زمین با قیمت مناسب وجود دارد، کاربرد وسیعی را در تصفیه فاضلاب به صورت اقتصادی پیدا نموده اند. در مقالات، فرضیات و روش های مختلفی برای طراحی برکه های اختیاری در دسترس می باشد. بیشترین تحقیقات تنها در ارتباط با توده های بیولوژیکی معلق بوده است و این توده ها را به عنوان گروه اصلی توده های بیولوژیکی که عامل حذف مواد می باشند قلمداد نموده اند. اما دیواره های جانبی و کف برکه اختیاری می تواند محلی برای رشد توده بیولوژیکی چسبیده یا بیوفیلم فراهم آورند که آنها نیز به تخریب مواد آلی کمک می کنند. این مطالعه ویژگی رشد توده بیولوژیکی بیوفیلم را روی دیواره و کف این استخربر مصرف مواد آلی نشان می دهد. مدلی برای مصرف مواد آلی در برکه های اختیاری پیشنهاد شده که بر اساس واکنش های درجه اول برای هر دو توده بیولوژیکی معلق و بیوفیلم تعیین می شود. فعالیت بیوفیلم با مدل نفوذ توصیف می شود و در مورد هیدرولیک برکه از مدل جریان پراکنده استفاده شده تا شامل محدوده وسیعی از ابعاد برکه و شرایط عملکرد باشد. مدل پیشنهاد شده که با داده های گرفته شده از دو برکه اختیاری واقع در بانکوک، تایلند و مکزیکوی ایالات متحده ارزیابی گردیده، و به خوبی قادر به تخمین غلظت BOD۵ خروجی از این دو برکه است.اکثر مقالات در زمینه برکه های اختیاری تنها در ارتباط با میکروارگانیسم های معلق بوده اند وآنها را به عنوان گروه اصلی توده های بیولوژیکی مسئول تجزیه مواد آلی در نظر می گیرند. اما مطالعات جدید صورت گرفته پتانسیل توده بیولوژیکی بیوفیلم که بر روی سطح موانع(Baffles) غوطه ور در آب برکه رشد می کنند را بر روی پایدار سازی مواد آلی مشخص کرده است. اما احتمالا" به خاطر تشکیل لایه کفاب، برکه های دارای مانع نسبت به برکه های بدون مانع راندمان کمتری نشان دادند. برخی تحقیقات قبلی بر روی خودپالایی(Self-purification) در نهر های باریک و رودخانه ها نشان داده است که توده بیولوژیکی بیوفیلم که در بستر کانال های باز 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 رشد چسبیده(Attached-growth media) قرار داده شده در آب برکه رشد می کنند، در حذف ترکیبات آلی نیتروژنی سودمند هستند.گزارش کرده اند که برکه های تثبیت فاضلابی که در آنها مانع نصب شده است، عملکرد تصفیه بهتری نسبت به برکه های بدون مانع دارند. اگرچه آنها این بهبود راندمان را به کاهش عدد پراکندگی نسبت دادند اما توده بیولوژیکی بیوفیلم که احتمالا" روی سطح موانع رشد کرده است، می توانسته همراه با توده بیولوژیکی معلق در تخریب موادآلی شرکت کند.به علت آنکه سرعت جریان معمولا" در برکه های تثبیت فاضلاب کم اما نرخ بارگذاری مواد آلی در آنها نسبت به رودخانه ها و نهر ها زیادتر است، رشد توده بیولوژیکی بیوفیلم روی دیواره های جانبی و کف برکه ها مورد انتظار است. بر این اساس، فرض آنکه در محیط برکه این توده های بیولوژیکی بیوفیلم می توانند توده های بیولوژیکی معلق را در تخریب بیولوژیکی مواد آلی ورودی یاری دهند، معقول می نماید. این مطالعه با هدف کلی پیشنهاد مدلی که مشارکت هر دو توده بیولوژیکی معلق و بیوفیلم در تخریب بیولوژیکی مواد آلی را در برکه های اختیاری در بر گیرد، انجام گردید. هدف های 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 در نیومکزیکوی ایالات متحده و بانکوک تایلند ارزیابی گردید. آزمایشهایی نیز به صورت آزمایشگاهی برای تعیین ضرایب سینتیک توده بیولوژیکی بیوفیلم برکه اختیاری انجام شد.
●بسط مدل
شمای فرضی مدل برکه اختیاری در شکل نشان داده شده است. مدل شامل موازنه جرم مواد در جریان توده مایع و در بیوفیلم با گذر مواد از لایه زیرین که این دو را به هم پیوند می دهد، می باشد.برای حذف مواد توسط بیوفیلم، مدل نوعی فرایند نفوذ را توصیف می نماید که در آن ماده بخاطر اختلاف غلظت موجود انتقال می یابد. وقتی که ماده به سطح بیوفیلم می رسد غلظت آن با ترم نفوذ و ترم واکنش تعیین می شود. در جریان توده مایع غلظت توسط یک ترم جابجایی، یک ترم پراکندگی و یک ترم واکنش تعیین می شود. انتقال ماده در جریان توده مایع بوسیله نفوذ در مقایسه با پراکندگی و جابجایی قابل صرف نظر کردن می باشد.رشد بیوفیلم روی دیواره های جانبی و کف برکه به صورت بیوفیلم ایده آل با ضخامت و دانسیته ثابت فرض می گردد. فرض می شود که در داخل بیوفیلم، نفوذ و مصرف مواد به صورت همزمان اتفاق بیفتد.انتقال به صورت جابجایی در بیوفیلم قابل صرف نظرکردن در نظر گرفته می شود. به علاوه ثوابت سینتیک و نفوذ در طول برکه ثابت فرض می شود.موازنه جرم ماده در حجم کنترل 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 های آبی، که میزان غلظت های بالایی از -NO۲را گزارش کرده اند، معتقدند که برای گیاهان و جانوران آبزی سمی می باشند. غلظت هایی از NO۲- ، بوسیله باکتریها به 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 of carbon substrates on nitrite accumulation in freshwater sediments )
• میزان معرفی و تعیین امروزه یكی از شاخصهای توسعه در جوامع انسانی شناخته میشود. یكی از منابع مهم پروتئینی آبزیان و فرآوردهای مربوط به آنهاست .
• 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 از ارگانیسم هایی است که به صورت پلانکتونیک در درون محیط شناورند، بنابراین گزارش می شود که بیوفیلم ها کمتر حساس هستند.
• با توجه به این نتایج می توان فهمید که با استفاده از بیوفیلم تولید بیشتر با هزینه کم را به دنبال دارد چرا که اغلب مواد مصرفی به عنوان سوبستر محصولات زراعی با ارزش اقتصادی پائین است.
(بررسی اثرات استفاده از بیوفیلم در استخرهای پرورشی در جهت کاهش آمونیاک و افزایش رشد آنها _ مرکز تحقیقات شیلات مازندران_ ۱۳۷۹_۱۳۸۰ )
مهشید جلیلی
[e-mail]
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

منبع : پایگاه اطلاع رسانی شیلات ایران