رشد متداول و اقتصادی تصفیه فاضلاب های شهری و صنعتی، استفاده از فرآیندهای زیستی یا بیولوژیک است. تصفیه بیولوژیک، مهمترین مرحله سیستم های تصفیه را تشکیل می دهد. برای شناخت فرآیندهای بیولوژیک و نیز طراحی علمی، اجرا و راهبری این فرآیندها و یا مدلسازی و استفاده از روابط بیوشیمیایی و فیزیکی در طرح و کنترل این سیستم ها، باید در مورد میکروبیولوژیکی تصفیه فاضلاب که شامل رفتارها و ویژگی های میکروارگانیسم های فعال در تصفیه فاضلاب می باشد. ، شناخت کافی حاصل شود و اثر عوامل مختلف بر رشد میکروبی مورد بررسی قرار گیرد.
عوامل موثر بر رشد باکتریها
میکروارگانیسم‌ها موجودات زنده ریزی هستند که در همه جا، از خاک و آب گرفته تا هوا و بدن انسان، یافت می‌شوند. رشد و تکثیر این موجودات تحت تأثیر عوامل محیطی مختلفی قرار می‌گیرد. شناخت این عوامل و چگونگی تأثیر آنها بر رشد میکروب‌ها، برای کنترل و مهار آنها در صنایع مختلف از جمله صنایع غذایی، دارویی، پزشکی و کشاورزی بسیار حائز اهمیت است.
عوامل موثر بر رشد میکروبی
عوامل موثر بر رشد میکروبی را می‌توان به دو دسته اصلی تقسیم کرد:
۱. عوامل فیزیکی:
- دما: دما یکی از مهمترین عوامل موثر بر رشد میکروبی است. هر میکروارگانیسم برای رشد، دمای مطلوب، حداقل و حداکثر خود را دارد. بر اساس دمای مطلوب، میکروب‌ها به سه دسته اصلی تقسیم می‌شوند:
- روان‌دوست (Psychrophiles): در دماهای پایین (۰ تا ۲۰ درجه سانتی‌گراد) رشد می‌کنند. این میکروب‌ها در محیط‌های سرد مانند یخچال‌ها و اقیانوس‌ها یافت می‌شوند.
- میانه‌دوست (Mesophiles): در دماهای متوسط (۲۰ تا ۴۵ درجه سانتی‌گراد) رشد می‌کنند. اکثر میکروب‌های بیماری‌زا در این دسته قرار دارند، زیرا دمای بدن انسان در این محدوده قرار دارد.
- گرمادوست (Thermophiles): در دماهای بالا (۴۵ تا ۸۰ درجه سانتی‌گراد) رشد می‌کنند. این میکروب‌ها در چشمه‌های آب گرم و محیط‌های آتشفشانی یافت می‌شوند.
- pH: pH معیاری برای سنجش اسیدیته یا قلیایی بودن یک محیط است. اکثر میکروب‌ها در pH خنثی (۷) بهترین رشد را دارند، اما برخی در محیط‌های اسیدی یا قلیایی نیز می‌توانند رشد کنند. به عنوان مثال، باکتری‌های اسید دوست در pH پایین (۲ تا ۵) و باکتری‌های قلیا دوست در pH بالا (۹ تا ۱۱) رشد می‌کنند.
- فشار اسمزی: فشار اسمزی نیرویی است که به دلیل اختلاف غلظت مواد محلول در دو طرف یک غشاء نیمه تراوا ایجاد می‌شود. غلظت بالای نمک یا قند در محیط می‌تواند باعث خروج آب از سلول میکروبی و توقف رشد آن شود. به همین دلیل از نمک و شکر به عنوان مواد نگهدارنده در صنایع غذایی استفاده می‌شود.
- اکسیژن: بر اساس نیاز به اکسیژن، میکروب‌ها به چهار دسته تقسیم می‌شوند:
- هوازی اجباری (Obligate aerobes): برای رشد به اکسیژن نیاز دارند. این میکروب‌ها در محیط‌های غنی از اکسیژن مانند سطح خاک و آب زندگی می‌کنند.
- بی‌هوازی اجباری (Obligate anaerobes): در حضور اکسیژن نمی‌توانند رشد کنند. این میکروب‌ها در محیط‌های فاقد اکسیژن مانند روده انسان و اعماق دریاها زندگی می‌کنند.
- بی‌هوازی اختیاری (Facultative anaerobes): در حضور یا عدم حضور اکسیژن می‌توانند رشد کنند. این میکروب‌ها می‌توانند در محیط‌های مختلفی زندگی کنند.
- میکروآئروفیل (Microaerophiles): برای رشد به غلظت کم اکسیژن نیاز دارند. این میکروب‌ها در محیط‌هایی با غلظت کم اکسیژن مانند بافت‌های بدن زندگی می‌کنند.
- رطوبت: آب برای رشد میکروب‌ها ضروری است. آب به عنوان حلال مواد مغذی و محیط انجام واکنش‌های شیمیایی در سلول عمل می‌کند. میکروب‌ها در محیط‌های خشک نمی‌توانند رشد کنند. به همین دلیل خشک کردن مواد غذایی یکی از روش‌های نگهداری مواد غذایی است.
- تشعشعات: اشعه ماوراء بنفش می‌تواند باعث آسیب به DNA میکروب‌ها و توقف رشد آنها شود. از اشعه ماوراء بنفش برای استریل کردن سطوح و تجهیزات پزشکی استفاده می‌شود.
۲. عوامل شیمیایی:
- مواد مغذی: میکروب‌ها برای رشد به منابع کربن، نیتروژن، فسفر، گوگرد و سایر عناصر نیاز دارند. این مواد مغذی برای ساخت پروتئین‌ها، اسیدهای نوکلئیک، لیپیدها و سایر اجزای سلولی ضروری هستند.
- عوامل ضد میکروبی: موادی مانند آنتی‌بیوتیک‌ها، ضدعفونی‌کننده‌ها و مواد نگهدارنده می‌توانند رشد میکروب‌ها را مهار یا متوقف کنند. آنتی‌بیوتیک‌ها با مکانیسم‌های مختلفی مانند مهار سنتز دیواره سلولی، مهار سنتز پروتئین و مهار سنتز اسید نوکلئیک بر میکروب‌ها اثر می‌گذارند.
کاربرد شناخت عوامل موثر بر رشد میکروبی در صنعت
شناخت عوامل موثر بر رشد میکروبی در صنایع مختلف از جمله صنایع غذایی، دارویی، پزشکی و کشاورزی بسیار حائز اهمیت است.
- صنایع غذایی: با کنترل دما، pH، رطوبت و استفاده از مواد نگهدارنده می‌توان از فساد مواد غذایی جلوگیری کرد و عمر مفید آنها را افزایش داد. به عنوان مثال، پاستوریزه کردن شیر با حرارت دادن آن تا دمای مشخصی باعث از بین رفتن میکروب‌های بیماری‌زا می‌شود.
- صنایع دارویی: در تولید داروها و واکسن‌ها، کنترل دقیق شرایط رشد میکروبی برای تولید محصول با کیفیت و عاری از آلودگی ضروری است.
- پزشکی: با استفاده از آنتی‌بیوتیک‌ها و ضدعفونی‌کننده‌ها می‌توان عفونت‌های میکروبی را درمان و از انتشار آنها جلوگیری کرد. همچنین، استریل کردن تجهیزات پزشکی با استفاده از روش‌های مختلف مانند حرارت، اشعه ماوراء بنفش و مواد شیمیایی از انتقال عفونت‌ها جلوگیری می‌کند.
- کشاورزی: در کشاورزی، با استفاده از میکروارگانیسم‌های مفید می‌توان
- حاصلخیزی خاک را افزایش داد،
- از آفات و بیماری‌های گیاهی جلوگیری کرد،
- و محصولات کشاورزی را افزایش داد.
رشد میکروبی تحت تأثیر عوامل فیزیکی و شیمیایی مختلفی قرار می‌گیرد. شناخت این عوامل و چگونگی تأثیر آنها بر رشد میکروب‌ها، برای کنترل و مهار آنها در صنایع مختلف بسیار حائز اهمیت است. با کنترل عوامل موثر بر رشد میکروبی می‌توان از فساد مواد غذایی جلوگیری کرد، داروها و واکسن‌های با کیفیت تولید کرد، عفونت‌های میکروبی را درمان کرد و محصولات کشاورزی را افزایش داد.
باکتری تصفیه کننده فاضلاب
سیستم های تصفیه بیولوژیکی، سیستم های زنده بوده و متکی به جمعیت های ناهمگون میکروب ها می باشند. در این سیستم ها، مخلوط میکروارگانیسم ها، مواد آلی را تجزیه نموده و از محلول جدا می نماید.
هدف عمده فرآیندهای تصفیه بیولوژیکی، تبدیل و یا حذف مواد آلی به سایر محصولات می باشد. بطوریکه محصولات تولید شده، بی ضرر بوده و یا قابل جداسازی باشند. آنچه مهم است آن است که در کلیه فرآیندهای بیولوژیکی، نقش اصلی و حیاتی را میکروارگانیسم ها به عهده دارند و در واقع ماشین تصفیه بحساب می آیند. در سیستم های تصفیه، اتواع متنوعی از میکروارگانیسم ها فعالیت دارند، هر چند که از میان آن ها نقش اصلی برعهده باکتری ها می باشد. یکی از محصولات بسیار مهم تولید شده در فرآیندهای بیولوژیکی، رشد میکروبی یا تولید سلول های اضافی است.
چنانچه این سلول ها که در جریان حذف مواد آلی تولید می شوند، از محلول جداسازی نگردند، عمل تصفیه انجام نشده است. زیرا سلول ها که خود در واقع منشا آلی دارند، در جریان خروجی به عنوان BOD و یا COD سنجیده می شوند. به طور کلی، باکتری ها، قارچ ها، جلبک ها، سخت پوشان و ویروس ها، میکروارگانیسم های مهم در مهندسی تصفیه زیستی فاضلاب را تشکیل می دهند.
رشد میکروب‌ها تحت تأثیر عوامل مختلفی قرار می‌گیرد که می‌توان آنها را به دو دسته اصلی تقسیم کرد:
۱. عوامل فیزیکی:
- دما: هر میکروارگانیسم دمای مطلوب برای رشد دارد. بر اساس دمای مطلوب، میکروب‌ها به سه دسته اصلی تقسیم می‌شوند:
- روان‌دوست (Psychrophiles): در دماهای پایین (۰ تا ۲۰ درجه سانتی‌گراد) رشد می‌کنند.
- میانه‌دوست (Mesophiles): در دماهای متوسط (۲۰ تا ۴۵ درجه سانتی‌گراد) رشد می‌کنند. اکثر میکروب‌های بیماری‌زا در این دسته قرار دارند.
- گرمادوست (Thermophiles): در دماهای بالا (۴۵ تا ۸۰ درجه سانتی‌گراد) رشد می‌کنند.
- pH: اکثر میکروب‌ها در pH خنثی (۷) بهترین رشد را دارند، اما برخی در محیط‌های اسیدی یا قلیایی نیز می‌توانند رشد کنند.
- فشار اسمزی: غلظت بالای نمک یا قند می‌تواند باعث خروج آب از سلول میکروبی و توقف رشد آن شود.
- اکسیژن: بر اساس نیاز به اکسیژن، میکروب‌ها به چهار دسته تقسیم می‌شوند:
- هوازی اجباری (Obligate aerobes): برای رشد به اکسیژن نیاز دارند.
- بی‌هوازی اجباری (Obligate anaerobes): در حضور اکسیژن نمی‌توانند رشد کنند.
- بی‌هوازی اختیاری (Facultative anaerobes): در حضور یا عدم حضور اکسیژن می‌توانند رشد کنند.
- میکروآئروفیل (Microaerophiles): برای رشد به غلظت کم اکسیژن نیاز دارند.
- رطوبت: آب برای رشد میکروب‌ها ضروری است.
۲. عوامل شیمیایی:
- مواد مغذی: میکروب‌ها برای رشد به منابع کربن، نیتروژن، فسفر، گوگرد و سایر عناصر نیاز دارند.
- عوامل ضد میکروبی: موادی مانند آنتی‌بیوتیک‌ها، ضدعفونی‌کننده‌ها و مواد نگهدارنده می‌توانند رشد میکروب‌ها را مهار یا متوقف کنند.
علاوه بر این عوامل، عوامل دیگری نیز می‌توانند بر رشد میکروبی تأثیر بگذارند، مانند:
- تشعشعات: اشعه ماوراء بنفش می‌تواند باعث آسیب به DNA میکروب‌ها و توقف رشد آنها شود.
- ارتفاع: در ارتفاعات بالا، به دلیل کاهش فشار اکسیژن، رشد برخی میکروب‌ها محدود می‌شود.
- تعامل با سایر میکروب‌ها: رقابت برای منابع یا تولید مواد سمی توسط برخی میکروب‌ها می‌تواند بر رشد سایر میکروب‌ها تأثیر بگذارد.
درک اثر عوامل مختلف بر رشد میکروبی برای کنترل رشد میکروب‌ها در صنایع مختلف مانند صنایع غذایی، دارویی و پزشکی بسیار مهم است.
به عنوان مثال، در صنعت غذایی با کنترل دما، pH و رطوبت می‌توان از فساد مواد غذایی جلوگیری کرد. در پزشکی با استفاده از آنتی‌بیوتیک‌ها می‌توان عفونت‌های باکتریایی را درمان کرد.
اثر عوامل مختلف بر رشد میکروبی به شرح ذیل می باشد:
شرایط تغذیه و رشد جمعیت های مخلوط میکروبی
اساس تمام فرآیندهایی که در تصفیه زیستی یا بیولوژیکی فاضلاب به کار گرفته می شود، نیاز میکروارگانیسم ها به مواد غذایی است. یعنوان مثال، در سیستم لجن فعال، مواد آلی کلوئیدی و محلول توسط میکروارگانیسم ها بدین علت حذف می شوند که این مواد تامین کننده نیازهای رشد و حیات سلول ها است.
مواد غذایی فراهم کننده تسهیلات برای میکروارگانیسم ها، به قرار ذیل است:
- فراهم کننده انرژی لازم برای سنتز سیتوپلاسم و ترکیبات سلولی
- فراهم کننده انرژی لازم برای سنتز و نگهداری بقای سلولی
- پذیرنده الکترون حاصل از واکنش های انرژی زا
نیازهای رشد میکروارگانیسم ها عبارتد از:
- منبع انرژی ( ترکیبات آلی، ترکیبات معدنی و نور خورشید )
- منبع کربن ( ترکیبات آلی، ترکیبات معدنی نظیر دی اکسید کربن و بی کربنات ها )
- پذیرنده الکترون ( اکسیژن ترکیبات آلی، اکسیژن ترکیبات معدنی نظیر سولفات ها، نیترات ها و دی اکسید نیتروژن )
- مواد مغذی ( نیتروژن، فسفر و سایر عناصر کمیاب )
اثر دما بر رشد میکروبی
اثر دما بر رشد میکروبییکی از عوامل فیزیکی موثر بر رشد میکروبی در هر محیطی، دماست. میکروارگانیسم ها دارای مکانیسم کنترل کننده دما نبوده و لذا دمای داخل سلول با بیرون آن یکسان است.بعبارت دیگر سرعت تمامی واکنش های حیاتی داخل سلول، تابع دما می باشد.
برای هر گونه میکروارگانیسم ها، محدوده ای از دما وجود دارد که کمتر یا بیشتر از آن، رشد متوقف می شود. دمای بهینه، محدوده دمایی است که سرعت رشد در آن به حداکثر برسد.
محدوده دمایی که در آن میکروارگانیسم ها می توانند رشد نمایند، به دسته های زیر تقسیم می شوند.
- میکروارگانیسم های گرمادوست اجباری
- میکروارگانیسم های گرما دوست اختیاری
- میکروارگانیسم های اعتدالی
- میکروارگانیسم های سرما دوست اختیاری
- میکروارگانیسم های سرمادوست اجباری
تقسیم بندی میکروارگانیسم ها از نقطه نظر دمای مناسب:
- سرمادوست
- گرمادوست
- اعتدالی
دلیل حساسیت باکتری ها به درجه حرارت بسیار پیچیده است، بعبارت دیگر می توان تصور نمود که باکتری ها بصورت بسته هایی شامل کاتالیزورها، واکنش دهنده ها و محصولات می باشند.
اثر pH بر رشد میکروبی
فاکتور مهم دیگری که بر سرعت رشد میکروبی تاثیر دارد، pH است. pH نیز همانند دما محدوده ای معین دارد که در کمتر یا بیشتر از آن امکان رشد وجود ندارد. در محدوده مناسب رشد، pH بهینه ای وجود دارد که سرعت رشد در آن حداکثر است و این نقطه میان حداقل و حداکثر محدوده رشد می باشد.
برای بیشتر میکروارگانیسم ها در محدوده pH بین 4 تا 9، امکان رشد فراهم است و pH بهینه برای بیشتر آنها 6/5-7/5 می باشد. اثر pH بر فعالیت های میکروبی، بعلت تاثیر روی آنزیم های آنهاست.
اثر pH بر فعالیت انواع میکروارگانیسم ها عبارت است از:
- pH بهینه بیشتر قارچ ها نزدیک به خنثی است.
- pH بهینه بیشتر جلبک های سبز – آبی، بیش از 7 است.
- pH بهینه بیشتر پروتوزوئرها بین 5-8 می باشد.
نیاز رشد میکروب به اکسیژن
میکروارگانیسم ها از نقطه نظر نیاز به اکسیژن به چند دسته تقسیم می شوند:
- میکروارگانیسم های مطلق هوازی که نیاز به اکسیژن محلول مولکولی دارند.
- میکروارگانیسم های مطلق بی هوازی که نمی توانند در حضور اکسیژن محلول مولکولی فعالیت کنند.
- میکروارگانیسم های اختیاری که در حضور و نیز عدم حضور اکسیژن محلول مولکولی قادر به فعالیت هستند.
- میکروارگانیسم های میکروآئروفیل که نیاز به غلظت کمی از اکسیژن محلول مولکولی دارند.
اکسیژن مورد نیاز میکروارگانیسم های هوازی برای دو منظور لازم است:
- در واکنش تولید انرژی، اکسیژن بعنوان پذیرنده نهایی الکترون ضروری است.
- برخی از واکنش های آنزیمی، به مقادیر کمی اکسیژن نیاز دارند. بعنوان مثال، اکسیداسیون هیدروکربن ها نیاز به افزایش اکسیژن جهت شکست مولکول ها دارد.
