SUBSTANTIATION OF THE RESULTS OF NATURAL MINERAL COMPONENTS INFLUENCE ON BIOPREPARATION

Герман Н.В.¹, Севрюкова Г.А.², Картушина Ю.Н.³, Гречишникова Ю.В.⁴

¹кандидат биологических наук, Волгоградский государственный университет, ²ORCID: 0000-0002-7933-3523, доктор биологических наук, ³кандидат геолого-минералогических наук, ⁴соискатель, ^{2, 3, 4}Волгоградский государственный технический университет

ОБОСНОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ВЛИЯНИЯ ПРИРОДНЫХ МИНЕРАЛЬНЫХ КОМПОНЕНТОВ НА БИОПРЕПАРАТ

Аннотация

Данные материалы поясняют необходимость использования минеральных добавок на основе бишофита, солевой рапы озера Эльтон и солей Мертвого моря с целью ускорения роста бактериального штамма B. subtilis ВГТУ5 и перспективы его внедрения в технологический процесс биологической очистки сточных вод. Математическое моделирование экспериментальных данных проводилось на основе регрессионного анализа с использованием метода наименьших квадратов. Данные регрессионного анализа свидетельствуют об адекватности математической модели; наличии прямой высокой зависимости и достоверности, повторяемости результатов эксперимента.

Ключевые слова: B. subtilis ВГТУ5, минеральные добавки, биологическая очистка, бишофит, солевая рапа озера Эльтон, соли Мертвого моря.

Herman N.V.¹, Sevriukova G.A.², Kartushina Yu.N.³, Grechishnikova Yu.V.⁴

¹PhD in Biology, Volgograd State University, ²ORCID: 0000-0002-7933-3523, PhD in Biology, ³PhD in Geology and Mineralogy, ⁴Postgraduate student, ^2,3,4Volgograd State Technical University

SUBSTANTIATION OF THE RESULTS OF NATURAL MINERAL COMPONENTS INFLUENCE ON BIOPREPARATION

Abstract

The materials of the paper explain the necessity to use mineral additives based on bischofite, salt bittern of Lake Elton and salts of the Dead Sea in order to accelerate the growth of bacterial strain B. subtilis VGTU5 and outline the prospects of their introduction into the technological process of biological wastewater treatment. Mathematical modeling of the experimental data was carried out on the basis of regression analysis with the help of the least squares method. The data of the regression analysis testify to the adequacy of the mathematical model as well as the presence of direct high dependence and reliability, and repeatability of the experimental results.

Keywords: B. subtilis VGTU5, mineral additives, biological cleansing, bischofite, salt bittern of Lake Elton, salts of the Dead Sea.

Введение. В настоящее время активно используются методы биологической очистки с целью решения экологических задач очистки загрязненных сред и восстановления нарушенных экосистем. Биологическая очистка сточных вод применяется на большинстве очистных сооружений и по объему перерабатываемых стоков является самой крупнотоннажной технологией [2, С. 49].

Главным звеном биологической очистки являются микроорганизмы, которые используют в качестве питательных веществ и источника энергии, растворенные органические и минеральные соединения, содержащиеся в сточных водах [4, С. 4]. Из остатков разрушенных молекул органических загрязнений микробы поглощают вещества, необходимые для их размножения и увеличения биомассы, активного ила и биопленки. Микробы разлагают органические вещества до углекислого газа и воды и создают в процессе минерализации соли азотистой, азотной кислот и другие соединения. Органические примеси сточных вод при их аэробной биологической очистке окисляются активным илом и биопленкой. Активный ил разрушает органические соединения в специальных сооружениях – аэротенках в условиях аэрации сточной жидкости и ила, находящегося под влиянием барботажа во взвешенном состоянии. Биопленка, прикрепленная к наполнителю биофильтров, постоянно соприкасается с воздухом и сточными водами [3, С. 29].

Целью исследования является математическое моделирование роста биопрепарата Bacillus subtilis ВГТУ5 с повышенными ростовыми характеристиками в изучаемых экспериментальных условиях (минерализация среды).

Материалы и методы исследования. Необходимость элементов для роста бактерий определяли на синтетических средах, исключая один из источников питания из состава питательной среды. В качестве контрольной (полноценной) среды использовали жидкую питательную среду следующего состава (г/л): глюкоза – 80; нитрат аммония – 2,4; фосфат калия однозамещенный – 1,6; сульфат магния (II) – 0,4; сульфат железа (II) – 0,08.

В экспериментальных образцах питательных сред отсутствовали источники наиболее важных минеральных элементов – фосфора (P), калия (K) или магния (Mg).

Динамику роста штамма B. subtilis ВГТУ5 определяли путем лабораторного моделирования биологической очистки в условиях глубинного аппаратного культивирования в биореакторе BIOTEC 1607 POLYFERM (фирма LKB, Швеция) с использованием минеральных добавок: бишофита, солевой рапы озера Эльтон, солей Мертвого моря. Интенсивность роста и накопление биомассы бактериальных штаммов оценивали оптическим методом с помощью прибора КФК-2-УХЛ-4.2 в кюветах с длиной оптического пути 5,065 мм, при длине волны 670 нм.

PH питательных сред и культуральных жидкостей определяли с использованием рН-метра Hi2215 (HANNA Hinstruments Германия).

Математическое моделирование экспериментальных данных проводилось на основе регрессионного анализа с использованием метода наименьших квадратов [1, С. 36].

Результаты и обсуждение.

По данным нашего исследования наиболее значимым для культуры B.subtilis ВГТУ5 минеральным элементом является магний. Его отсутствие уменьшает продуктивность культуры на 58 %. Полученные результаты позволили предположить возможность интенсификации роста штамма B.subtilis ВГТУ5 путем добавления в питательную среду богатых солями магния минеральных компонентов, находящихся в природных средах. В качестве минеральных добавок использовали раствор бишофита Приволжской моноклинали, солевую рапу озера Эльтон и соль Мертвого моря.

Основное вещество бишофита – хлорид магния – выпадает из насыщенного раствора в виде кристаллогидрата . Поскольку экспериментальным путем было установлено, что магний необходим для роста выделенного нами бактериального штамма, бишофит может выступать в качестве «интенсификатора» роста культуры.

Рапа – это насыщенный соляной раствор, вода лиманов и соленых озер. Рапой считается вода с соленостью более 50 промилле, что примерно в 1,5 раза выше, чем соленость воды мирового океана. Минерализация и солевой состав рапы озера Эльтон претерпевают существенные сезонные и многолетние циклические изменения. В обычные по водности годы минерализация меняется от 250-270 г/дм до 400-450 г/дм³ (осенью). В многоводные годы минерализация рапы весной может снижаться до 180-200 г/дм³, а в засушливые годы осенью достигать необычайно высокой величины – 525 г/дм³, при этом в менее концентрированных рассолах обычно преобладает галит, а в высококонцентрированных рассолах – бишофит. Реакция среды в исследуемой рапе нейтральная (рН 7,1).

Преобладающим ингредиентом соли Мертвого моря являются хлориды магния. При этом многие микроэлементы, входящие в состав морской воды, имеют короткое время пребывания, поэтому их концентрация может значительно меняться. В воде Мертвого моря содержатся соли калия, натрия, магния, кальция, хлора и брома в таких концентрациях, которые не допускают жизни, о чем свидетельствует название этого водного объекта. Кроме того, воды Мертвого моря имеют высокое значение рН, равное 9 [3, С. 66-69].

Для исследования влияния природных минеральных соединений на штамм B.subtilis ВГТУ5 были приготовлены полусинтетические питательные среды, в которые добавляли в качестве источника углерода – глюкозу (4%), источника азота – нитрат аммония (1%). В приготовленную среду вводили один из минеральных компонентов: бишофит, солевую рапу озера Эльтон и соли Мертвого моря.

С целью подбора оптимальной концентрации минеральных компонентов в пробирках с 3 мл питательной среды, содержащей источники углерода и азота, двукратно разводили растворы этих добавок, засевали в них микроорганизмы и выращивали в течение 22 ч при 37°С. Оценку уровня накопления биомассы проводили, регистрируя оптическую плотность суспензий на фотоэлектроколориметре.

В качестве контроля использовали штамм, засеянный в питательную среду без природных минеральных компонентов. С каждой из минеральных добавок было проведено 3 параллельных опыта по 5 измерений.

Найденные экспериментальные зависимости оптической плотности суспензии бактерий (D) от концентраций (С) бишофита и солей Мертвого моря имели схожие описательные уравнения следующего вида:

  (1)

  (2)

Регрессионная зависимость оптической плотности клеточной суспензии B. subtilis ВГТУ5 от концентрации солевой рапы озера Эльтон отличалась от рассмотренных выше уравнений и имела следующий вид:

  (3)

По проведенному регрессионному анализу экспериментальной зависимости оптической плотности суспензии B. subtilis ВГТУ5 от концентраций минеральных добавок (бишофита, солевой рапы озера Эльтон, солей Мертвого моря) были сделаны следующие выводы:

- коэффициенты корреляции свидетельствуют о прямой высокой зависимости, т.е. 

- нелинеаризованная относительная ошибка по МНК: максимальная – до 10%, средняя – до 5%;

- критерий Кохрена, рассчитанный в линеаризованном виде, свидетельствует об однородности дисперсии и достоверности, повторяемости результатов:

1) для бишофита:  2) для солей Мертвого моря:  3) для солевой рапы озера Эльтон:  - критерий Фишера, рассчитанный по МНК, свидетельствует об адекватности модели: 1) для бишофита:  2) для солей Мертвого моря:  3) для солевой рапы озера Эльтон: 

Заключение. На основании полученных данных для ускорения роста бактериального штамма B. subtilis ВГТУ5 и перспективы его внедрения в технологический процесс биологической очистки сточных вод рекомендуется использовать минеральные добавки на основе бишофита, солевой рапы озера Эльтон, солей Мертвого моря.

Список литературы / References

1. Голованчиков А.Б. Применение ЭВМ в химической технологии и экологии: учеб. пособие (Ч.1) /А.Б. Голованчиков, Б.В. Симонов. – Волгоград: ВолгГТУ, 1994. – 114 с.
2. Герман Н.В. Глубинное культивирование микроорганизмов – деструкторов загрязнений сточных вод кожевенного производства /Н.В. Герман, И.В. Владимцева, И.В. Соколова и др. //Фундаментальные исследования. – 2015. – № 2-1. – С. 49-52.
3. Герман Н.В. Получение и применение бактериального биопрепарата для очистки сточных вод кожевенного производства: дис. …канд. биол. наук: 03.01.06: защищена 08.04.16: утв. 25.11.16 /Герман Надежда Валерьевна. – М., 2016. – 131 с.
4. Яковлев, С. В. Биологическая очистка производственных сточных вод /С. В. Яковлев и др.; под ред. С. В. Яковлева. – М.: Стройиздат, 1985. – 208 с.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Golovanchikov A.B. Primeneniye EVM v khimicheskoy tekhnologii i ekologii: ucheb. posobiye (ch.1) [Computers Application in Chemical Technology and Ecology: Textbook. Allowance (P.1)] / A.B. Golovanchikov, B.V. Simonov. - Volgograd: VolgGTU, 1994. - 114 p. [In Russian]
2. Herman N.V. Glubinnoye kultivirovaniye mikroorganizmov – destruktorov zagriazneniy stochnykh vod kogevennogo porizvodstva [Deep Cultivation of Microorganisms - Destructors of Wastewater Contamination in Leathermaking Industry] / N.V. Herman, I.V. Vladimtseva, I.V. Sokolov et al. / Фундаментальные исследования [Fundamental research]. - 2015. - No. 2-1. - P. 49-52. [In Russian]
3. Herman N.V. Polucheniye i primeneniye bakterialnogo biopreparata dlia ochistki stochnykh vod kozhevennogo proizvodstva [Obtaining and Application of Bacterial Biopreparation for Wastewater Treatment in Leathermaking Industry]: Thesis of Cand. of Biol. Sciences: 03.01.06: protected 08.04.16: certified 25.11.16 / Herman Nadezhda Valeryevna. - M., 2016. - 131 p. [In Russian]
4. Yakovlev, S.V. Biologicheskaya ochistka proizvodstvennykh stochnykh vod [Biological Treatment of Industrial Wastewater] / S.V.Yakovlev and others; ed. by S.V. Yakovleva. - Moscow: Stroiizdat, 1985. - 208 p. [In Russian]