Сельскохозяйственная биология, 2011, № 3, с. 108-111.

УДК 636:628.54:579.64:576

МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ ЖИВОТНОВОДСТВА

И.А. АРХИПЧЕНКО

Описан биоценоз активного ила аэротенков очистных сооружений свинооткормочных комплексов, который представлен бактериальной флорой и фауной простейших. Из бактерий доминирующее положение занимают нокардиоформы (50-80 % выделенных штаммов). Инфузории в основном представлены родами Opercularia, Vorticella, Epistylis, жгутиконосцы — родами Bodo, Monas, Oicomonas. Изученный биоценоз представляет собой экологическую систему, которая при нормальном режиме работы сооружений не зависит от колебаний природных факторов.

Ключевые слова: бактерии, микроорганизмы, инфузория, активный ил, сточные воды, аэротенки.

Биологическая очистка сточных вод свинооткормочных комплексов происходит в системе аэротенков очистных сооружений. Эффективность процесса определяется активностью микроорганизмов, спонтанно развивающихся на сточных водах и участвующих в окислении сточной жидкости (СЖ). Эта ассоциация микроорганизмов носит название активный ил. Характерная особенность сточных вод свинокомплексов — высокая концентрация органических веществ (до 8000 мг/л по химическому потреблению кислорода — ХПК). В хозяйственно-бытовых сточных водах этот показатель составляет 250-500 мг/л по ХПК, в сточных водах пищевой промышленности — 150-400 мг/л. Химическим составом стока определяется специфический набор микроорганизмов и структура биоценоза активного ила. Однако до настоящего времени нет работ по его комплексному исследованию, хотя в литературе имеются сведения о микрофауне активного ила (1, 2). Данные по составу и численности прокариотических микроорганизмов ограничены: в основном исследовали микрофлору навоза, систем анаэробной переработки жидких отходов или сточные воды (3, 4). При изучении микробиологических процессов в активных илах свиноферм идентификацию бактериального состава не проводили. В то же время очевидно, что только знание особенностей биологии микроорганизмов активного ила, видового состава и структуры микробных сообществ, складывающихся в аэротенках, позволит экологически грамотно осуществлять строительство и эксплуатацию очистных сооружений.
Биомассу активного ила, богатую азотом, фосфором, калием, микроэлементами, микробным белком, ферментами, можно использовать как сырье для производства удобрений и биологически активных веществ. Для этого необходимы сведения о составе компонентов активного ила и их стабильности. Изучение активного ила важно и с позиций фундаментальной микробиологии: все чаще в промышленных системах используются не чистые культуры, а ассоциации микроорганизмов, однако экология промышленных микробов изучена недостаточно, неясно и то, как складываются взаимоотношения между видами в условиях техногенной нагрузки, насколько изменяются свойства организмов.
Цель настоящего исследования — выявление и идентификация основных организмов, формирующих биоценоз активного ила аэротенков свинокомплексов в системе аэробной очистки.
Методика. Объектом изучения служил активный ил из промышленных аэротенков (объем 1600 м³) очистных сооружений на свинооткормочном комплексе «Восточный» (Ленинградская обл.). СЖ поступала в аэротенки со скоростью 25 м³/ч. Объем возвращаемого ила составлял 37 м³/ч, коэффициент его рециркуляции — 1,5, содержание биомассы микроорганизмов в аэротенках — 5-6 г/л. Пробы активного ила для количественной оценки микрофлоры и исследования таксономического состава отбирали ежеквартально в течение 4 лет. Взвесь активного ила (10 мл) центрифугировали, дважды промывали стерильной водой, суспендировали и обрабатывали в ручном поршневом гомогенизаторе (3,5 тыс. об/мин). Из полученной суспензии готовили серийные разведения. Чистые культуры выделяли стандартными методами на триптон-соевом агаре. После отбора и выделения доминирующих культур их идентифицировали по составу клеточных жирных кислот. В некоторых случаях использовали мясопептонный агар (МПА), на котором оценивали рост чистых культур в присутствии сточной жидкости. Микрофауну изучали методом световой микроскопии (МБИ-15, «ЛОМО», СССР) при увеличении x600-800.
Результаты. Закономерности формирования биоценоза активного ила в открытых промышленных системах мы проанализировали на основе эколого-физиологической характеристики идентифицированной микрофауны. В биоценозе ила были выявлены представители не менее 14 родов бактерий. Их численность колебалась от 1,0x10⁸ до 2,5x10¹⁰ КОЕ/мл. В основном это аэробные бактерии с окислительным типом метаболизма — аэробы и микроаэрофилы (только Streptococcus и Enterobacter обладают бродильным метаболизмом). Среди исследованных штаммов превалировали грамположительные бактерии, однако численность бацилл оказалась на три-четыре порядка ниже, чем у других бактерий. Доминирующее положение занимали нокардиоподобные микроорганизмы (50-80 % всех выделенных штаммов) (табл. 1).

Согласно определителю Берджи (6), к нокардиоподобным относят микроорганизмы порядка Actinomycetales, образующие типичный мицелий и размножающиеся с помощью его фрагментов. Постоянная фрагментация первичного мицелия на неравномерные палочковидные и кокковидные элементы — главный признак, объединяющий эти организмы в одну группу. Как показали Н.С. Паников с соавт. (7), их точный состав не установлен, группа нокардиоформ сложна в систематическом отношении. Для решения вопросов таксономии этих микроорганизмов наиболее надежны хемо- и генотаксономические признаки.
Из числа аэробных грамотрицательных палочек в незначительном количестве были обнаружены представители родов Pseudomonas, Alcaligenes, Proteus, Enterobacter. По сравнению с микрофлорой очистных сооружений органических производств, где эти виды составляют 60-70 % общего числа бактериальной флоры, доминируют нокардиоформы, а псевдомонады присутствуют в единичных экземплярах. Анализ роста чистых культур Serratia marcescens и Ps. aeruginosa на среде МПА с включением сегментов агаризованного стока показал, что сточная жидкость свинокомплексов содержит соединения, ингибирующие рост этих микроорганизмов, особенно Ps. aeruginosa, когда агаризованный столбик содержал 75 % СЖ. Снижение концентрации СЖ в агаризованных столбиках до 50 и 25 % уменьшало ингибирующее воздействие на рост опытных культур. В том случае, когда СЖ стерилизовали, ингибирования роста не наблюдали, что свидетельствует о летучей природе ингибирующих соединений. Согласно данным канадских исследователей, изучавших химический состав стоков свиноферм, такими соединениями могут быть фенолы, П-крезолы, летучие жирные кислоты, индолы, скатолы. Таким образом, присутствие этих компонентов обусловливает жесткий естественный отбор в биоценозе ила наиболее устойчивых бактериальных видов, большая часть которых относится к нокардиоформам. Особенность их влияния заключается в наличии мощных ферментных систем, что имеет особое значение для разложения трудноокисляемых органических соединений сточной жидкости в аэротенках. Кроме того, нокардии способны выделять ростовые вещества типа гиббереллинов или ауксинов и эффективно стимулировать рост многих растений (7). Последнее свойство существенно повышает ценность активного ила при использовании его в качестве удобрений.
Наибольшее разнообразие видов отмечали в переходные сезоны — весной и осенью, когда доля нокардиоформ снижалась до 50-60 % и в биоценозе появлялись роды Caulobacter, Alcaligenes, Neisseria (зимой и летом их не выявляли). В течение всего года стабильно присутствовали грамположительные кокки родов Micrococcus, Streptococcus и споровые бактерии рода Bacillus. Грамотрицательные палочки — псевдомонады, протеи и энтеробактерии, активно развивающиеся в большинстве илов органических производств и представляющие собой доминирующую группу, в биоценозе активного ила свинокомплексов встречались в единичных экземплярах, так как их ингибировали летучие компоненты СЖ.
Изученный микробоценоз характеризуется постоянством таксономического состава: даже изменение такого физиологически важного фактора, как содержание растворенного кислорода в иловой смеси, на него существенно не влияло. Сообщество включало значительное число активных микроорганизмов, биомассу которых можно использовать в биотехнологической промышленности для создания удобрений и биодобавок. При достаточном постоянстве микробоценоза условия среды обитания, складывающиеся в аэротенках обусловливают наибольшую конкурентоспособность нокардиоподобных бактерий. Подобную структуру микробного сообщества следует ожидать в активных илах свинокомплексов на территории не только северо-запада России, но и, возможно, всего умеренного пояса.
Косвенно это подтверждают данные по микрофауне. В активном иле аэротенков выявлено более 30 видов простейших — инфузорий, жгутиконосцев и саркодовых (табл. 2). Их таксономический состав и численность зависели от количества и консистенции иловой массы, которые, в свою очередь, связаны с составом и концентрацией органических веществ в стоке. Среда аэротенков наиболее благоприятна для развития инфузорий и ряда жгутиконосцев: она обеспечивает практически неограниченное количество пищи, а многие определяющие экологические факторы (концентрация кислорода, кислотность, температура) постоянны и поддерживаются на оптимальном уровне.

Простейшие микрофауны подразделялись на две группы — встречающиеся почти регулярно круглый год и сопутствующие виды, которые появляются спорадически, некоторое время задерживаются в аэротенке и затем исчезают. Постоянно присутствовали в активном иле инфузории Opercularia coarctata (сидячие колониальные формы), Pseudoglaucoma muscorum, Spathidium sp. (неприкрепленные одиночные формы) и жгутиконосцы Bodosp.,Monassp. Их наличие не зависело от сезона, причем период усиленного размножения двух наиболее постоянных членов биоценоза (Opercularia coarctata, Pseudoglaucoma muscorum) приходился не на весну, что характерно для естественных мест обитания, а на декабрь—январь, то есть период наиболее стабильной работы аэротенков. Встречающиеся спорадически виды инфузорий появлялись в пробах главным образом в марте, апреле, мае. . Это Anophrys sarcopgada, прикрепленные формы Opercularia curvicaula, Opercularia sp.,Epistylis dimargimata,Epistylis plicatilis,Vorticella nutans и свободноплавающие Aspidisca costata, Aspidisca turrita,Strombidium sp. Богатство видового состава инфузорий весной связано, вероятно, с оживлением фауны природных водоемов, то есть представляет собой результат воздействия сезонных факторов. Подобная динамика наблюдалась в очистных сооружениях бытовых стоков (2, 3). Определение видового состава жгутиконосцев при общем анализе микрофауны иловой смеси затруднено из-за их мелких размеров, быстрого движения и значительной внутривидовой изменчивости. Преобладали представители родов Bodo и Monas, присутствующие постоянно и в значительном количестве. Кроме того, с мая по октябрь отмечены Oicomonas socialis и в ноябре — Pleuromonas jaculans(см. табл. 2). Между численностью жгутиконосцев и доминирующих в активном иле видов инфузорий имелась обратная корреляция.
Следует отметить чуткую реакцию биоценоза простейших на условия обитания, а именно на большее влияние технологического режима аэротенков свинокомплексов, чем очищающих бытовые и смешанные стоки. В последних ясно прослеживаются пики разнообразия и численности микрофауны весной и осенью, связанные с природным оживлением фауны. В исследованных аэротенках обогащения фауны осенью не наблюдалось, а весенний пик был значительно сглажен, что обусловлено более жестким технологическим режимом, оказывающим элиминирующее воздействие на микрофауну.

Ресничная инфузория рода Oxytrichia (а), прикрепленная инфузория рода Operculariacoarctata и зооглейные скопления (б) в активном иле свинокомплекса «Восточный» (Ленинградская обл.). Увеличение x600. Основу структуры любой экологической системы составляют трофические связи. Активный ил аэротенков свинокомплексов представляет собой устойчивую экосистему, которая характеризуется наличием двух основных трофических звеньев. Первое представлено бактериями и жгу-

тиконосцами родов Bodo, Monas, для которых свойствен сапрозойный тип питания. Второе составляют инфузории (бактериофаги) — как свободноплавающие из рода Pseudoglaucoma, так и прикрепленные, среди которых доминируют роды Opercularia (рис.) и Vorticella, характеризующиеся голозойным типом питания.
В биоценозе активного ила свинокомплексов в отличие от природных экосистем и активных илов, очищающих бытовые и смешанные стоки, отсутствуют организмы с автотрофным типом питания (фотосинтезирующие виды) и хищники. Хищники обычно представлены сосущими инфузориями (Suctoria) и фауной многоклеточных (Rotatoria, Oligochaeta, Nematoda).
Итак, в аэротенках очистных сооружений свинокомплексов формируется новый тип микробного сообщества. Выявленное нами постоянство состава микрофлоры и микрофауны в биоценозе ила, а также доминирование в нем нокардиоформ и коринебактерий, среди которых много стимуляторов роста растений, подтверждает целесообразность использования биомассы ила в качестве микробного удобрения.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. А р х и п ч е н к о  И.А.,  Б а н и н а  Н.Н. Биоценоз активного ила свинооткормочных комплексов. Изв. РАН, сер. биол., 1995, 1: 97-104.
2. Б а н и н а  Н.Н. Экология инфузорий активного ила. В сб.: Экология свободнодвижущихся морских и пресноводных простейших. Л., 1990: 143-153.
3. Б а л ы к и н  А.В. Микроорганизмы в загрязненной среде. Фрунзе, 1990.
4. K a k i i c h i  N.,  I s h i z a k i  Y.,  T o m i t a  S. e.a. Denitrifying bacterial isolation from activated sludge of swine waste water treatment and sourse temperature demanded for denitrification. Animal Sci. Technol., 1992, 63(1): 38-46.
5. M a e k a v a  T.,  L i a o  C.M.,  F e n g  X.D. Nitrogen and phosphorus removal for swine wasterwater using intermittent aeration bach reactor followed by ammonium crystallization process. Water Res., 1995, 29(12): 2643-2650.
6. Bergey’s manual of determinative bacteriology. 9th ed. Baltimore, 1986.
7. П а н и к о в  Н.С.,  Д о б р о в о л ь с к а я  Т.Г.,  Л ы с а к  Л.В. Экология коринеподобных бактерий. В сб.: Успехи микробиологии. Т. 23. М., 1989: 51-91.

MICROBIOLOGICAL ASPECTS OF PROCESSING THE LIVESTOCK WASTES

I.A. Arkhipchenko

The aeration tank sludge biocenosis of the pig-farm sewage disposal system is desсribed. This biocenosis is composed of bacterial flora and protozoan fauna. The bacterial fraction of the active sludge biocenosis is dominated by nocardioforms, which make up 50-80 % of all isolates. Infusoria are represented mainly by the genera Opercularia, Vorticella and Epistylis; flagellula are represented by the genera Bodo, Monas and Oicomonas. The described biocenosis is a harmonious ecological complex, which is almost independent of the external environment under the normal functioning conditions of the sewage disposal system.

Keywords: bacteria, microorganisms, infusoria, active sludge, sewage water, aerotanks.

Оформление электронного оттиска