Transcript Environmental Microbiology

‫بسمه تعالي‬
‫ميكروبيولوژي محيط‬
‫‪1‬‬
‫‪Thursday, April 09, 2015‬‬
‫هدف از درس‬
‫‪2‬‬
‫‪‬‬
‫آشنایی با موجودات ذره بینی آب و فاضالب‬
‫‪‬‬
‫شناخت انواع میکروارگانیسمهای بیماریزا و مزاحم‬
‫‪‬‬
‫شناخت اصول و مبانی میکروبیولوژی کاربردی‬
‫‪Thursday, April 09, 2015‬‬
‫مباحث مهم‬
‫‪3‬‬
‫‪‬‬
‫كليات ميكروبيولوژي محيط‬
‫‪‬‬
‫طبقهبندي ميكروارگانيسمها بر اساس نیاز به اکسیژن‪ ،‬نوع رشد و ‪...‬‬
‫‪‬‬
‫تركيب شيميايي سلولها‪ ،‬رشد و تغذيه‪ ،‬توليد و مصرف انرژي در سيستمهاي بيولوژيكي‬
‫‪‬‬
‫باكتريهاي موجود در محیط و اثرات آنها‬
‫‪‬‬
‫شاخصهاي ميكربي و آزمايشهاي باكتريولوژيك آب‬
‫‪‬‬
‫ويروسهاي منتقله توسط آب و ويروسهاي موجود در فاضالب خانگي‬
‫‪‬‬
‫قارچهای موجود در فاضالب‪ ،‬مزاحمتها و کنترل آنها‬
‫‪‬‬
‫جلبکها‪ ،‬شناسایی و کنترل آنها‬
‫‪‬‬
‫تک یاخته های منتقله توسط آب و مرتبط با فاضالب و کنترل آنها‬
‫‪‬‬
‫کرمهای انگلی منتقله توسط آب و مرتبط با فاضالب‬
‫‪‬‬
‫اصول کاربرد میکروبیولوژی در محیط زیست‬
‫‪‬‬
‫تئوری تصفیه بیولوژیکی در سیستمهای تصفیه مانند لجن فعال‪ ،‬صافی چکنده و برکه تثبیت‬
‫‪‬‬
‫تئوری تصفیه بیولوژیکی به طریقه بیهوازی مانند هضم لجن‬
‫‪Thursday, April 09, 2015‬‬
Applied Microbiology

Study of practical uses of microbes in food
processing, industrial production, and
biotechnology
Thursday, April 09, 2015
4
Environmental Microbiology


study of microbes in their natural habitats
The study of microorganisms and their
activities in the environment for the purpose
of understanding their role in maintenance
of the biosphere and their potential use in
remediating sites that have been disturbed.
Thursday, April 09, 2015
5
Microbial Ecology

Studies the interactions between microbes
and their environments, involving living and
nonliving components
Thursday, April 09, 2015
6
Organization of Ecosystems
Biosphere – thick envelope of life that
surrounds the earth’s surface
 Made up of:
• hydrosphere (water)
• lithosphere (soil)
• atmosphere (air)

Maintains and creates the conditions of
temperature, light, gases, moisture, and
minerals required for life processes
7
Energy and Nutritional Flow in
Ecosystems

Organisms derive nutrients and energy from
their habitat.
 Food chain or energy pyramid summarizes the
feeding levels:
• producers – provide the fundamental energy source; only
organisms that can produce organic compounds by assimilating
inorganic carbon from the atmosphere; most are photosynthetic,
also called autotrophs
• consumers – feed on other living organisms and obtain energy
from chemical bonds; primary, secondary, tertiary…
• decomposers – primarily microbes, break down and absorb the
organic matter of dead organisms; recycle organic matter into
inorganic minerals and gases, mineralize nutrients
8
Insert figure 26.3
Trophic and energy pyramid
9
The Natural Recycling of Bioelements

Processes by which bioelements and essential
building blocks of protoplasm are recycled
between biotic and abiotic environments
 Essential elements are cycled through biological,
geologic, and chemical mechanisms –
biogeochemical cycles.
 Microorganisms remove elements from their
inorganic reservoirs and convey them into the
food web.
10
Atmospheric Cycles



Carbon cycle
Photosynthesis
Nitrogen cycle
11
Lithospheric Cycles


Sulfur cycle
Phosphorous cycle
12
Cycles in the Hydrosphere
13
The Structure of Aquatic Ecosystems

Lake is stratified vertically into 3 zones or
strata:
• photic zone – surface to lowest limit of
sunlight penetration
• profundal zone – edge of the photic zone to
lake sediment
• benthic zone – organic debris and mud
forming the basin

Stratified horizontally into 2 zones:
• littoral zone – shoreline, relatively shallow
water
• limnetic zone – open, deeper water
14
Insert figure 26.18
Stratification of lake
15
Aquatic Communities


Microbial distribution is associated with
sunlight, temperature, oxygen levels, and
available nutrients.
Photic zone is most productive-contains
plankton
• phytoplankton – variety of photosynthetic
algae and cyanobacteria
• zooplankton – microscopic consumers
16
Large bodies of standing water develop
thermal stratification.
 Epilimnion – upper region, warmest
 Hypolimnion – deeper, cooler
 Thermocline – buffer zone between
warmest and coolest layers
17
Insert figure 26.19
Profiles of a lake
18
Classification of
Microorganisms
Thursday, April 09, 2015
19
Classification …
 Over
1.5 million different organisms have been
identified to date.
 Many similarities among living organisms:
 Made up of cells surrounded by a plasma membrane.
 Use ATP as energy source.
 Store genetic information as DNA.
 Ribosomes are the site of protein synthesis.

Both differences and similarities among organisms
are caused by natural selection (Darwin, 1858).
 Organisms can be classified into taxonomic
categories (taxa), based on the differences and
similarities among them.
Thursday, April 09, 2015
20
Classification …
 Ancient Greeks classified all living organisms
into two groups
 Kingdom Plantae
 Kingdom Animalia
 In
1850s bacteria and fungi were incorrectly
placed in the Plant Kingdom.
 In 1860s Kingdom Protista was proposed to
include bacteria, fungi, algae, and protozoa, but
many scientists still classified bacteria and fungi
as plants.
Thursday, April 09, 2015
21
Classification …
 In
1930s electron microscopy made it clear that
bacterial cells lacked a nucleus. The term
prokaryote was introduced in 1937.
 In 1959 Kingdom Fungi was established.
 In 1961 the current definition of the term
prokaryote was established.
 In 1968 the Kingdom Prokaryote was accepted
by biologists.
 In 1969 Robert Whitaker proposed a fivekingdom system of biological classification for
all living organisms.
Thursday, April 09, 2015
22
Five-Kingdom System of Biological Classification
Proposed in 1969 by Robert Whitaker :
1. Kingdom Prokaryotes (Monera): Oldest known cells.
Lived over 3.5 billion years ago. Lack a nucleus and
membrane bound organelles.
The other four kingdoms are eukaryotes. Have a true
nucleus and membrane bound organelles.
2. Kingdom Protista: Mostly unicellular, lack tissue
organization. Most have flagella during life.
3. Kingdom Fungi: May be unicellular (yeasts) or
multicellular (molds). Many are saprotrophs.
4. Kingdom Plantae: Multicellular, photosynthetic.
5. Kingdom Animalia: Multicellular, heterotrophs that
ingest food through a mouth or oral cavity.
Thursday, April 09, 2015
23
Five-Kingdom Classification System
Thursday, April 09, 2015
24
Prokaryotic Organisms
Recent developments in molecular biology and
biochemistry have revealed that there are two
types of prokaryotic cells, based on differences
in their ribosomes, cell walls, and metabolism.
1. Eubacteria: “True bacteria”.
 Cell wall contains peptidoglycan.
 Sensitive to antibiotics.
2. Archaeabacteria: “Ancient bacteria”
 Cell walls lack peptidoglycan, resistant to antibiotics.
 Live in extreme environments
 Three kingdoms:
1. Methanogens: Strict anaerobes that produce methane.
2. Extreme Halophiles: Require high salt
concentrations.
3. Thermoacidophiles: Live in hot, acidic environments.
Thursday, April 09, 2015
25
Eukaryotic Organisms

Eukaryotic Cells
Have:
Complex Internal Membrane System
Compartmentalization
Membrane-Enclosed Organelles
DNA is enclosed in a membrane-bound
nucleus
Includes:
Animal & Plant cells
Eukaryotic Microorganisms
Thursday, April 09, 2015
26
Prokaryote

Simpler internal structure
 Absence of nucleus
 One circular chromosome,
not in a membrane
 No histones
 No membrane enclosed
organelles
 Peptidoglycan cell walls
 Binary fission for cell
division
 Smaller
Thursday, April 09, 2015
Eukaryote







Contain nucleus
Paired chromosomes,
in nuclear membrane
Histones
Membrane enclosed
organelles
Simple (polysaccharide) cell
walls
Cell division by mitosis or
meiosis
Larger
27
Structure of Prokaryotic vs. Eukaryotic cell
Thursday, April 09, 2015
28
Viruses


Non cellular
Obligate intracellular parasites
• They must live inside another cell to survive



Have only one type of nucleic acid
• DNA or RNA (never both)
• Single or Double stranded
Protein coat (no plasma membrane)
Few to no enzymes
• Takes enzymes and use host cell metabolic machinery



No metabolic activity
They require a host cell to exhibit the characteristics of life.
Virus diversity
• Different viruses have different hosts
• Only some viruses cause disease
Thursday, April 09, 2015
29
Size



Typical prokaryote: 1 - 5 m
long
Typical Eukaryotic cell: 10 100 m
Typical virus:  50 - 80 nm
Thursday, April 09, 2015
30
‫طبقه بندی میکروارگانیسمها از نظر نیازهای تغذیه ای و انرژی‬
‫‪31‬‬
‫‪Thursday, April 09, 2015‬‬
‫‪‬‬
‫فتواتوتروفها‪:‬‬
‫• جلبکها‪ ،‬سیانوباکترها و باکتریهای فتوسنتزکننده (جدول ‪ -2-1‬صفحه ‪)64‬‬
‫• از نور به عنوان منبع انرژی و از ‪ CO2‬به عنوان منبع کربن و از ‪ H2O, H2‬یا ‪ H2S‬به‬
‫عنوان دهنده الکترون استفاده میکنند‪.‬‬
‫‪‬‬
‫فتوهتروتروفها یا فتوارگانوتروفها‪:‬‬
‫• تمامی هتروتروفهای اختیاری که از نور به عنوان منبع انرژی و از ترکیبات آلی به عنوان منابع‬
‫کربن و دهندگان الکترون استفاده میکنند‪.‬‬
‫• باکتریهای غیرسولفور ارغوانی‪ ،‬رودوسپیریالسه‬
‫‪ ‬شیمیواتوتروفها (لیتوتروفها)‪:‬‬
‫• انرژی از طریق اکسیداسیون ترکیبات معدنی از جمله ‪ NH4, NO2, H2S‬و ‪ ...‬و ‪ CO2‬به عنوان‬
‫منبع کربن‬
‫• اغلب هوازی هستند‪.‬‬
‫• باکتریهای نیتریفایر (منبع انرژی نیتروزوموناس و نیتروباکتر به ترتیب ‪ NH4+‬و ‪)NO2-‬‬
‫• باکتریهای گوگرد (منبع انرژی تیوتریکس از ‪ H2S‬و تیوباسیلوس از گوگرد عنصری)‬
‫• باکتریهای آهن (منبع انرژی سایدروکاپسا از ‪)Fe2+‬‬
‫• باکتریهای هیدروژن (منبع انرژی هیدروژنوموناس از ‪) H2‬‬
‫‪ ‬ارگانوتروفها (هتروتروفها)‪:‬‬
‫• اکثر باکتریها‪ ،‬قارچها و تک یاخته ها‬
‫طبقه بندی میکروارگانیسمها از نظر تحمل دماي محيط‬
‫‪ ‬دما دو اثر مهم بر روي جمعيت باكتريايي دارد‪.‬‬
‫‪ -1‬اثر بر روي سرعت انتشار سوبسترا و مواد مغذي به داخل سلولهاي باكتريايي‬
‫‪ -2‬اثر بر روي سرعت فعاليت آنزيمي‬
‫‪ ‬بر اين اساس باكتريها از نظر دمايي به سه دسته تقسيم مي‌شوند (صفحه ‪29‬‬
‫‪)wastewater bacteria‬‬
‫طبقه بندی میکروارگانیسمها از نظر نیاز به اکسیژن‬

Bacteria grow in the presence or absence of free molecular
oxygen
 Aerobes, Anaerobes, and Facultative anaerobes
 Aerobes require oxygen for the degradation of substrate
(filamentous organisms Haliscomenobacter hydrossis and
Sphaerotilus natans, the floc former Zoogloea ramigera,
and the nitrifying bacteria Nitrosomonas and Nitrobacter.
 Active aerobes are not found in anaerobic digesters.
 Anaerobic bacteria do not use free molecular oxygen for
the degradation of substrates.
 Anaerobes include sulfate-reducing bacteria and methaneforming bacteria that use sulfate (SO42−) and carbon
dioxide, respectively.
Anaerobic bacteria

There are two important groups of anaerobic bacteria

Oxygen-tolerant (aerotolerant) anaerobic bacteria and the oxygenintolerant (obligate) anaerobic bacteria.

Obligate anaerobes such as the methaneforming bacteria die in the
presence of free molecular oxygen.

Obligate anaerobes are not killed by free molecular oxygen. They are
killed by superoxide (O2−) and hydrogen peroxide (H2O2).

Most obligate anaerobic bacteria including the methane-forming
bacteria lack the enzymes superoxide dismutase and catalase and
succumb to the toxic effects of superoxide and hydrogen peroxide.
Facultative anaerobes





Between the aerobes and anaerobes are the facultative
anaerobes.
Facultative anaerobic bacteria have the ability to use free
molecular oxygen or another molecule to degrade
substrate.
Facultative anaerobic bacteria have the most complex
enzyme systems with respect to degradation of substrate.
They have one enzyme system for the use of free
molecular oxygen and have another enzyme system for the
use of an alternate molecule to degrade substrate when
oxygen is not available.
They prefer oxygen to other molecules such as nitrate
(NO3−)
Denitrifying bacteria including Bacillus, Escherichia, and
Pseudomonas are facultative anaerobic bacteria.
‫ميكروارگانيسمهاي مهم مرتبط با آب و فاضالب‬
‫‪‬‬
‫باكتریها )‪(Bacteria‬‬
‫‪‬‬
‫قارچها )‪(Fungi‬‬
‫‪‬‬
‫تكياختهها يا پروتوزوآ )‪(Protozoa‬‬
‫‪‬‬
‫روتيفرها و نماتدها )‪(Rotifers and Nematodes‬‬
‫‪‬‬
‫جلبكها )‪(Algae‬‬
‫‪‬‬
‫ويروسها )‪(Viruses‬‬
‫قارچها (مخمرها ‪ ،yeast‬كپكها ‪ ،mold‬قارچها ‪)mushroom‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫ارگانيسم‌هاي ساپروفيت‪ ،‬هتروتروف‪ ،‬اغلب چند سلولي و غیرفتوسنتزكننده‬
‫اغلب هوازي (بعض ي مخمرها بیهوازي اختياري و تک سلولی)‬
‫‪ ‬مقاوم به مقادير پايین ‪( pH‬رشد در محدوده ‪ pH ،9-2‬بهينه براي اغلب قارچها =‬
‫‪ )5.6‬و رطوبت پايین‬
‫‪ ‬نياز به مقادير پايین مواد مغذي (نياز به نيتروژن حدود ½ نياز باكتريها)‬
‫‪ ‬رشد قارچهاي رشته‌اي در فرايند لجن فعال و بروز مشكالت ته‌نشيني در زالل‌ساز‬
‫ثانويه (در ‪ pH‬كمتر از ‪ 6/5‬و مواد مغذي كم)‬
‫‪ ‬كاربرد بعض ي از قارچها در تصفيه بعض ي از فاضالبهاي صنعتي و توليد كمپوست‬
‫‪ ‬از جمله اجزاي مهم ميكروفلور خاك (بعض ي از آنها براي انسان و گياهان پاتوژن‬
‫هستند)‬
‫‪ ‬توانايي تجزيه سلولز‬
‫‪‬‬
‫طبقه‌بندي بر اساس ساختمان زايش ي‬
Filamentous fungi. Filamentous fungi occasionally bloom in activated sludge
processes due to low pH or nutrient deficiency. Filamentous fungi are relatively
large in size and display true branching.
Thursday, April 09, 2015
40
‫چهار گروه اصلي قارچها‬
‫‪ -1‬فيكوميستها‪:‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫كپكهاي آب (قارچهاي واقعي)‬
‫رشد در سطح گياهان و حيوانات در محيطهاي آبي‬
‫فيكوميستهاي خشكي‌زي (كپك معمولي نان يا ريزوپوس) داراي توليد مثل جنس ي و غیرجنس ي‬
‫‪ -2‬آسكوميستها‪:‬‬
‫‪‬‬
‫اغلب مخمرها‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫تك‌سلولي‪ ،‬تكثیر بوسيله جوانه زدن ‪ ،budding‬بیهوازي اختياري (تجزيه تركيبات آلي به ‪ CO2‬و آب در‬
‫حضور اكسیژن مولكولي و تبديل قندها به اتانل در غياب اكسیژن مولكولي ‪)biofuel‬‬
‫مخمر ‪ Saccharomyces cerevisiae‬به عنوان مخمر نانوا (توليد آبجو و نوشيدنیهاي الكلي)‬
‫مخمر ‪ Candida albicans‬پاتوژن براي انسان‬
‫مخمر ‪ Yarrowia lipolytica‬به عنوان تجزيه كننده برخي پساب‌هاي صنعتي و جاذب فلزات سنگین‬
‫‪biosorbent‬‬
‫‪ -3‬بازيديوميستها‪:‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫بعض ي بازيديوسپورها مثل قارچهاي پوسيدگي چوب (تجزيه سلولز و ليگنین)‬
‫قارچهاي گوشتي معمولي مثل آگاريكوس)‬
‫قارچهاي بسيار سمي مثل آمانيتا‬
‫‪ -4‬قارچهاي ناقص‪:‬‬
‫‪‬‬
‫فاقد مرحله جنس ي شناخته‌شده‪ ،‬كاربرد در توليد صنعتي آنتي‌بيوتيكها مثل پني‌سيليوم‪ ،‬ايجاد بيماريهاي گياهي و‬
‫برخي نیز باعث بيماريهاي قارچي در انسان و حيوانات‬
‫تکیاختهها یا پروتوزوآ‬
‫‪‬‬
‫ارگانيسم‌هاي تك‌سلولي هستند‪.‬‬
‫‪‬‬
‫اغلب‪ ،‬زندگي مستقلي داشته ولي بعض ي از آنها تشكيل كلني مي‌دهند‪.‬‬
‫‪‬‬
‫اكثريت هوازي مطلق بوده ولي بعض ي از آميبها و تا‌ژكداران مي‌توانند شرايط بیهوازي را تحمل كنند‪.‬‬
‫‪‬‬
‫تحت شرايط محيطي نامساعد تشكيل كيست داده و نسبت به عوامل محيطي نامناسب مقاوم‬
‫مي‌شوند و به گندزدايي فاضالب نیز مقاومت نشان مي‌دهند‪:‬‬
‫باكتريهاي رويش ي ‹ ويروسهاي روده‌اي ‹ باكتريهاي مولد اسپور ‹ كيستهاي تك‌ياخته‌ها‬
‫‪‬‬
‫ارگانيسمهاي هتروتروف بوده و از مواد محلول و معلق (از جمله باكتريها) تغذيه مي‌كنند‪.‬‬
‫‪‬‬
‫توسط تقسيم دوتايي تكثیر مي‌يابند ولي در بعض ي گونه‌ها (از جمله پاراميسيوم) توليد مثل جنس ي نیز‬
‫وجود دارد‪.‬‬
‫طبقهبندي تکیاختهها‬
‫طبقهبندي بر اساس نوع حركت‪:‬‬
‫‪‬‬
‫ساركودينا (آميبها)‪:‬‬
‫‪‬‬
‫حركت بوسيله پاهاي كاذب )‪pseudopods (i.e., false feet‬‬
‫اكثرا داراي زندگي آزاد و برخي انگل (مثل انتامبا هيستوليتيكا)‬
‫‪‬‬
‫ماستيگوفورا (تاژكداران)‪:‬‬
‫‪‬‬
‫حركت بوسيله تاژك‬
‫فيتوماستيگوفوراي فتوسنتزكننده و هتروتروف موسوم به اوگلنا )‪ ،(Euglena‬ژيارديا المبليا (انگل‬
‫انسان)‪ ،‬تريپانوزوما گامبينس (انتقال توسط مگس تسه تسه)‬
‫‪‬‬
‫سيليافورا (مژه‌داران)‪:‬‬
‫‪‬‬
‫حركت بوسيله مژه (مژه‌ها وظيفه تغذيه‌اي نیز دارند)‬
‫پاراميسيوم‪ ،‬باالنتيديو كلي (انگل انسان و حيوانات)‬
‫‪‬‬
‫اسپوروزوآ‪:‬‬
‫‪‬‬
‫فاقد وسيله حركتي بوده و همگي انگل هستند‪.‬‬
‫پالسموديوم ويواكس (بيماري ماالريا از طريق نيش پشه)‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫)‪Sarcodina (amoeba‬‬
‫)‪Mastigophora (flagellates‬‬
‫)‪Ciliophora (ciliates‬‬
‫‪Sporozoa‬‬
‫پاتوژنها و انگلهای تک یاخته ای که در فاضالب خانگی یافت می شوند‪:‬‬
‫‪‬‬
‫ژیاردیا المبلیا‪( :‬تک یاخته تاژکدار‪ ،‬عامل بیماری ژیاردیازیس در مجاری گوارش ی‪ ،‬مخزن اصلی‪ :‬مدفوع‬
‫انسان و حیوانات آلوده‪ ،‬روش کنترل‌‪ :‬فیلتراسیون و گندزدایی آب)‬
‫‪‬‬
‫کریپتوسپوریدیوم‪( :‬کریپتوسپوریدیوم پارووم گون اصلی مسئول عفونت در انسان و حی ‌وان‪ ،‬عدم‬
‫حذف کامل توسط روشهای متداول تصفیه آب از جمله فیلتراسیون شنی یا کلرزنی)‬
‫‪‬‬
‫سیکلوسپورا‪( :‬سیکلوسپورا کایتانسیس عامل بیماری در انسان)‬
‫‪‬‬
‫میکروسپوریدیا‬
‫‪‬‬
‫انتامبا هیستولیتیکا‪( :‬بیماری آمیبیازیس)‬
‫‪‬‬
‫نگلریا‪( :‬جداسازی از فاضالب‪ ،‬آبهای سطحی‪ ،‬استخرهای شنا‪ ،‬خاک و ‪)...‬‬
‫تک یاخته های موجود در لجن فعال‪:‬‬
‫پنج گروه تک یاخته (صیادان اصلی باکتریها در لجن فعال) در لجن فعال یافت می شوند‪:‬‬
‫‪ -1‬آمیبها‪ :‬از جمله آمیب پرتئوس و آرسال‬
‫‪ -2‬تاژکداران‪ :‬شامل گونه های بودو‪ ،‬پلوروموناس‪ ،‬مونوسیگا و هگزامیتوس‬
‫‪ -3‬مژه داران‪( :‬فراوانترین و مهمترین تک یاخته ها در لجن فعال)‬
‫‪‬‬
‫مژه داران آزاد‬
‫‪‬‬
‫مژه داران خزنده‬
‫‪‬‬
‫مژه داران ساقه دار‬
‫‪free-swimming ciliates‬‬
‫‪crawling ciliates‬‬
‫‪stalked ciliates‬‬
‫مزایای وجود مژه داران در لجن فعال‪:‬‬
‫‪‬‬
‫افزودن وزن لخته ها و کمک به ته نشینی بهتر آنها‬
‫‪‬‬
‫مصرف سلولهای باکتریایی پراکنده و تمیز کردن پساب (کاهش ‪ ،BOD‬مواد جامد معلق و باکتریها)‬
‫‪‬‬
‫حضور تعداد زیاد مژه داران ساقه دار و روتیفرها در لجن فعال نشاندهنده ‪ BOD‬پایین می باشد (شکل ‪8-9‬‬
‫صفحه ‪ 237‬بیتون)‬
‫در بیوفیلم نیز دیده می شوند‪.‬‬
‫روتيفرها و نماتدها )‪(Rotifers and Nematodes‬‬
‫‪‬‬
‫جانوران میکروسکوپی )‪ (Metazoa‬چندسلولی‬
‫‪‬‬
‫چهار روتیفر شایع در لجن فعال و صافی چکنده شامل لکان‪ ،‬نوتوماتا‪ ،‬فیلودینا و هابروتروکا‬
‫‪‬‬
‫حذف باکتریهای معلق در لجن فعال و کمک به تشکیل فلوک‬
‫‪‬‬
‫نماتدها از گروه بی مهرگان‬
‫‪‬‬
‫ممکن است بیماریزا باشند‪.‬‬
‫‪‬‬
‫حذف از منابع آبهای سطحی با استفاده از روشهای شیمیایی (سولفات مس و کلر) و روشهای‬
‫فیزیکی (تمیز کردن لوله ها‪ ،‬شستشوی لوله ها با فشار آب و فیلتراسیون)‬
‫جلبکها‬
‫‪‬‬
‫میکروارگانیسمهای تک سلولی موسوم به فیتوپالنکتونها (برخی رشته ای مثل اولو تریکس و برخی‬
‫کلونیکال مثل ولوکس)‬
‫‪‬‬
‫تولیدکنندگان اولیه در محیطهای آبی‬
‫‪‬‬
‫ایفای نقش در تصفیه فاضالب در برکه های تثبیت‬
‫‪‬‬
‫اکثرا فتوتروف (نور به عنوان منبع انرژی و ‪ H2O‬به عنوان دهنده الکترون)‬
‫‪‬‬
‫بعض ی جلبکها مثل اگلنوفیتها هتروتروف بوده و از ترکیببات آلی (مثل قندها و اسیدهای آلی) به عنوان‬
‫منبع کربن و انرژی‬
‫‪‬‬
‫تولید مثل جنس ی و غیرجنس ی‬
‫طبقه بندی جلبکها‬
‫‪‬‬
‫(بر اساس نوع کلروفیل‪ ،‬ساختمان دیواره سلولی و ماهیت مواد ذخیره ای کربنی)‬
‫شاخه کلروفیتا (جلبکهای سبز)‪:‬‬
‫‪‬‬
‫• حاوی کلروفیلهای ‪ a‬و ‪b‬‬
‫• دیواره سلولی سلولزی‬
‫• تولید نشاسته به عنوان مواد ذخیره ای‬
‫‪‬‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫‪‬‬
‫• حاوی کلروفیلهای ‪ a‬و ‪c‬‬
‫• دیواره سلولی سلولزی‬
‫• تولید نشاسته به عنوان مواد ذخیره‬
‫ای‬
‫شاخه کریزوفیتا (جلبکهای طالیی‪-‬قهوه ای)‪:‬‬
‫شامل دیاتومها‬
‫حاوی کلروفیلهای ‪ a‬و ‪c‬‬
‫دیواره سلولی سیلیس‬
‫تولید چربی به عنوان مواد ذخیره ای‬
‫‪‬‬
‫شاخه رودوفیتا (جلبکهای قرمز)‪:‬‬
‫• حاوی کلروفیلهای ‪ a‬و ‪ d‬و سایر‬
‫پیگمانها همچون فیکواریترین‬
‫• دیواره سلولی سلولزی‬
‫• تولید نشاسته به عنوان مواد ذخیره‬
‫ای‬
‫شاخه اوگلنوفیتا‪( :‬مثل اوگلنا)‬
‫• حاوی کلروفیلهای ‪ a‬و ‪b‬‬
‫• فاقد دیواره سلولی‬
‫• ذخیره پارامیلون (یک پلیمر گلوکز)‬
‫شاخه پیروفیتا (دینوفالژالتها)‪:‬‬
‫‪‬‬
‫شاخه فائوفیتا (جلبکهای قهوه ای)‪:‬‬
‫• حاوی کلروفیلهای ‪ a‬و ‪ c‬و‬
‫گزانتوفیلها‬
‫• دیواره سلولی سلولزی‬
‫• ذخیره المینارین‬
‫مشکالت جلبکها در آبهای سطحی‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫وجود غلظتهای باالی جلبکهای آبی‪ -‬سبز نظیر آنابنا‪ ،‬میکروسیستیس آئروژینوزا و شیزوتریکس‬
‫تولید اگزوتوکسینها و اندوتوکسینها و ایجاد بیماری مثل گاستروانتریت‬
‫جلبکهای موجود در سیستمهای تصفیه‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫جلبکهایی مثل الوتریکس‪ ،‬فورمیدیوم‪ ،‬آناسیستیس‪ ،‬اوگلنا و کلرال از اجزای اصلی بیوفیلم هستند (بر‬
‫خالف لجن فعال)‪.‬‬
‫مهمترين ميكروارگانيسمهاي موجود در بركه‌هاي تثبيت در كنار باكتريها‬
‫گونه‌هاي جلبكي موجود در بركه‌ها شامل جلبكهاي سبز‪-‬آبي‪ ،‬سبز و دياتومه‌ها‬
‫توليد حدود ‪ 10-66‬گرم در متر مربع در روز‬
‫شايعترين گونه‌ها شامل كالميدوموناس‪ ،‬اوگلنا‪ ،‬كلرال‪ ،‬سندسموس‪ ،‬ميكرواكتينيوم‪ ،‬اوسيالتوريا و‬
‫ميكروسيستيس‬
‫دياتومه‌ها در دمايي كمتر از جلبكهاي سبز‪-‬آبي شيوع مي‌يابند‪.‬‬
‫نقش جلبكها در بركههاي تثبيت‬
‫‪‬‬
‫تولید اکسیژن در طول روز براي استفاده ميكروارگانيسمهاي هتروتروف‬
‫‪‬‬
‫تثبیت نیتروژن بوسیله برخی از جلبکهای سبز‪ -‬آبی‬
‫‪‬‬
‫بسياري از جلبكها آمونيوم و نيترات مصرف مي‌كنند‪.‬‬
‫‪‬‬
‫افزايش ‪ pH‬در اثر فتوسنتز و كمك به حذف مواد مغذي در فاضالب با قليائيت كم (ترسيب فسفر‬
‫بصورت فسفات كلسيم و خروج يون آمونيوم بصورت آمونياك)‬
‫‪‬‬
‫باكتريهاي فتوسنتزكننده بجاي ‪ H2O‬از ‪ H2S‬استفاده كرده و باعث حذف آن مي‌شوند‪.‬‬
‫‪‬‬
‫با افزايش بارگذاري آلي‪ ،‬تعداد جلبكها و باكتريهاي فتوسنتزكننده كاهش مي‌يابد‪.‬‬
‫مشكالت جلبكي در واحدهاي تصفيه آب‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫انسداد فيلترهاي شني بويژه در فصل گرم سال‬
‫مشكالت بو و مزه (سيانوباكترها از جمله آنابنا‪ ،‬اوسيالتوريا و ميكروسيستيس مسئول بو و مزه در آب‬
‫هستند)‬
‫جلبك گروه كريزوفيت بنام پيترسني مسئول بوي خيارمانند بعض ي از آبهاي آشاميدني است‪.‬‬
‫گونه‌اي از دياتوم بنام سينورايووال مسئول توليد بوي روغن كبد ماهي‬
‫افزايش تري‌هالو‌متانها پس از كلرزني آب‬
‫توليد مواد شيميايي حساسيت‌زا‪ ،‬هپاتوتوكسيك‪ ،‬نوروتوكسيك و سرطانزا (توسط سيان ‌وباكترها)‬
‫حذف جلبكها از آب‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫انعقاد و فيلتراسيون و كلرزني (حذف سلولهاي جلبكي)‬
‫فيلتراسيون كربن فعال يا ازن‌زني (حذف سموم جلبكي)‬
‫سرپوشيده كردن مخاز ‌ن‬
‫استفاده از تركيبات مس‬
‫ويروسها‬
‫طبقهبندي بر اساس سلول میزبان‪:‬‬
‫‪ ‬ويروسهاي حيواني (آدنوويروسها‪ ،‬رتروويروسها و ‪)...‬‬
‫‪ ‬ويروسهاي جلبكي (سيانوفاژها و ‪)...‬‬
‫‪ ‬باكتريوفاژها (كليفاژ و ‪)...‬‬
‫ويروسها در فرايند لجن فعال‪:‬‬
‫‪ ‬كارآمدترين فرايند بيولوژيكي براي حذف ويروسها (بيش از ‪ 90‬درصد مربوط به جامدات بوده و به‬
‫لجن منتقل ميشود)‬
‫‪ ‬حذف ‪ 90‬تا ‪ 99‬درصد ويروسها بوسيله فرايند لجن فعال متعارف‬
‫‪ ‬استفاده از كليفاژها به عنوان ويروس مدل براي مطالعه حذف ويروس در فرايند لجن فعال‬
‫علل حذف ويروس در فرايند لجن فعال‪:‬‬
‫‪ -1‬جذب سطحي ويروس يا ورود آن به جامدات لجن‬
‫‪ -2‬غیرفعالسازي ويروس توسط باكتریهاي فاضالب‬
‫‪ -3‬خورده شدن ويروسها بوسيله تكياختهها (مژهداران) و پرياختههاي كوچك (نماتدها)‬
‫عالوه بر موارد فوق‪ ،‬در بركههاي تثبيت‪ ،‬ويروسها در اثر حرارت و اشعه خورشيد و ‪ pH‬باالي ناش ي از‬
‫رشد جلبكها از بین ميروند‪.‬‬
‫حذف ويروسها از آب آشاميدني‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫وجود انتروويروسها به میزان ‪ 3‬تا ‪ 20‬ويروس در ‪ 1000‬ليتر آب آشاميدني تصفيه شده با پيش‌كلرزني‪،‬‬
‫انعقاد‪ ،‬ته‌نشيني‪ ،‬فيلتراسيون شني‪ ،‬از ‌نزني و كلرزني نهايي‬
‫حذف ويروسها توسط فرايند نرم‌سازي‪ ،‬صاف‌سازي‪ ،‬انعقاد و لخته‌سازي و ته‌نشيني و گندزدايي‬
‫باكتریها‬
‫‪‬‬
‫مهمترين ارگانيسمها در تصفيه‌خانه فاضالب (شامل اوباكتريا و آركه‌آباكتريا)‬
‫‪‬‬
‫ورود به فاضالب از طريق مواد دفعي انسان و ‪I/I‬‬
‫‪‬‬
‫آركه‌آها شامل هالوفيل ها‪ ،‬ترمواسيدوفيل‌ها و متانوژن‌ها‬
‫•‬
‫تنها متانوژنها در تصفيه‌خانه فاضالب داراي اهميت هستند (توليد كننده ‪ biogas‬يا ‪.)marsh gas‬‬
‫•‬
‫هالوفيلها )‪ (extremophiles‬در آبهاي شور با غلظت بهينه ‪ 3.5‬درصد (نياز به غلظت باالي يون سديم براي حفظ‬
‫ديواره سلولي و غلظت باالي يون پتاسيم جهت فعاليتهاي آنزيمي)‬
‫‪‬‬
‫•‬
‫باكتريهاي هالوفيل به همراه سيانوباكترها و باكتريهاي فتوسنتزكننده‪ ،‬واكوئلهاي گاز توليد ميكنند‪.‬‬
‫•‬
‫ترمواسيدوفيلها هيچ نقش ي در تصفيه‌خانه‌هاي فاضالب ندارند‪.‬‬
‫اوباكتريا (باكتريهاي واقعي)‬
‫‪ ...‬باكتریها‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫تقسيم بندي بر اساس ساختار )‪ ،(morphology‬رنگ‌آمیزي‪ ،‬تغذيه و متابوليسم‬
‫اندازه معمول ‪ 0.3-3 µ‬به جز اشكال فيالمانتوس ) ‪،(Sphaerotilus natans ‹100 µ‬‬
‫سيانوباكترها )‪ (5-50 µ‬و اسپیروكتها )‪(up to 50 µ‬‬
‫باكتريهاي جوانتر از هر گونه داراي اندازه كوچكتر و سرعت رشد بيشتر (نسبت سطح به حجم بيشتر)‬
‫اكثر باكتريها در سه گروه اصلي ‪ coccus ،bacillus‬و ‪spirillum‬‬
‫ساختار سلولي (‪ %80‬آب و ‪ %20‬مواد خشك)(مواد خشك شامل ‪ %90‬آلي و ‪ %10‬غیرآلي)‬
‫فرمول كامل ‪ C60H87O23N12P‬فرمول ساده ‪C5H7O2N‬‬
‫تركيب نمونه‌وار سلولهاي باكتريايي (جدول ‪ 3.2‬صفحه ‪ 25‬كتاب)‬
‫‪TRANSPORT MECHANISMS‬‬
‫‪Diffusion‬‬
‫‪Facilitated diffusion‬‬
‫‪Active transport‬‬
‫‪‬‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫‪Motility and Nutrition‬‬
‫‪‬‬
‫ باكتریها‬...
‫طبقه‌بندي باكتريها بر اساس نقش ي كه در تصفيه فاضالب ايفا مي‌كنند (برخي داراي نقش مثبت و برخي‬
)‫ كتاب‬35 ‫ صفحه‬4.3 ‫داراي نقش منفي) (جدول‬
)35 ‫ صفحه‬4.1 ‫ (مثل استوباكتر) (شكل‬Acetogenic bacteria
)‫ (مثل اشريشيا‬Coliforms
)‫ (مثل اوسيالتوريا‬Cyanobacteria
)‫ (مثل باسیلوس‬Denitrifying bacteria
)‫ (مثل اشریشیا‬Fecal coliforms
)‫ (مثل پروتئوس‬Fermentative (Acid-forming) bacteria
)‫ (مثل هالیسکومنوباکتر‬Filamentous bacteria
)‫ (مثل بگیاتوا‬Gliding bacteria
)‫ (مثل استوباکتر‬Gram-negative, aerobic cocci and rods
)‫ (مثل باکتریودس‬Gram-negative, facultative anaerobic rods
)‫ (مثل باکتریودس‬Hydrolytic bacteria
)‫ (مثل متانوباکتریوم‬Methan-forming bacteria
)‫ (مثل نیتروزوموناس‬Nitrifying bacteria














‫ باكتریها‬...
)‫ (مثل نوکاردیا‬Nocardioforms

)‫ (مثل کامپلیوباکتر‬Pathogenic bacteria

)‫ (مثل اسینوباکتر‬Poly-P bacteria

)‫ (مثل میکروکوکوس‬Saprophytic bacteria

)‫ (مثل اسفائروتیلوس‬Sheath bacteria

)‫ (مثل اسپیروکیتا‬Spirochetes

)‫ (مثل تیوباسیلوس‬Sulfur –oxidizing bacteria

)‫ (مثل دی سولفوویبریو‬Sulfur –reducing bacteria

‫سينتيك رشد ميكربي‬
‫‪‬‬
‫كشتهاي ناپيوسته (صفحه ‪ 62‬بيتون)‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫مرحله تاخیري‌‬
‫مرحله رشد لگاريتمي‬
‫مرحله سكون‌‬
‫مرحله مرگ‬
‫كشتهاي پيوسته (صفحه ‪ 64‬بيتون و ‪)wastewater bacteria 65‬‬
‫ديگر پارامترهاي سينتيك (صفحه ‪ 65‬بيتون)‬
‫• باردهي (محصو ‌ل) رشد‬
‫• میزان جذب ويژه سوبسترا‬
‫• میزان رشد ويژه‬
‫‪‬‬
‫عوامل فیزيكي و شيميايي موثر بر رشد ميكربي (صفحه ‪ 67‬بيتون)‬
‫• غلظت سوبسترا‬
‫• درجه حرارت‬
‫• ‪pH‬‬
‫• میزان اكسیژن‌‬
‫مقدمهاي بر تصفيه بيولوژيكي فاضالب‬
‫‪‬‬
‫ترکیب فاضالب خانگی‬
‫• پروتئینها )‪(40-60%‬‬
‫• کربوهیدراتها )‪(25-50%‬‬
‫• چربیها )‪(8-12%‬‬
‫• اوره‪ ،‬مواد آلی ناچیز از قبیل آفت کشها‪ ،‬سورفکتانتها‪ ،‬فنل و آالینده های اولویت دار‬
‫‪‬‬
‫آزمایشهای اصلی برای تعیین مواد آلی موجود در فاضالب‬
‫• ‪( BOD5‬صفحه ‪ 216‬کتاب بیتو ‌ن)‬
‫• ‪TOC‬‬
‫• ‪( COD‬مقدار اکسیژن الزم برای اکسید کردن مواد آلی به ‪ H2O ،CO2‬و آمونیاک) (صفحه ‪ 219‬کتاب‬
‫بیتو ‌ن)‬
‫سيستمهاي تصفیه بیولوژیکی رشد معلق‬
‫‪‬‬
‫سیستم لجن فعال‬
‫‪‬‬
‫دو هدف اصلی از سیستم لجن فعال‪ -1 :‬اکسیداسیون مواد آلی تجزیه پذیر‬
‫‪Activated sludge‬‬
‫‪ -2‬لخته سازی‬
‫• سیستم لجن فعال متعارف‬
‫‪Conventional activated sludge‬‬
‫• تانک هوادهی (حاوی ‪ 1500-2500 mg/L‬مواد جامد معلق‪ ،‬هوادهی مکانیکی‪ ،‬بازگردش نسبت زیادی از‬
‫توده لجن‪ ،‬زمان ماند سلولی بسیار بیشتر از زمان ماند هیدرولیکی‪ ،‬زمان ماند هیدرولیکی در حوضچه هوادهی‬
‫بین ‪ 4‬تا ‪ 8‬ساعت)‬
‫• تانک ته نشینی‬
‫• جامدات معلق مایع مخلوط )‪(MLSS‬‬
‫• جامدات معلق فرار مایع مخلوط )‪ 65((MLVSS‬تا ‪ 75‬درصد ‪)MLSS‬‬
‫• نسبت غذا به میکروارگانیسم (صفحه ‪ 227‬بیتون)‬
‫• زمان ماند هیدرولیکی‬
‫• سن لجن‬
‫‪ ....‬سيستمهاي تصفیه بیولوژیکی رشد معلق‬
‫‪‬‬
‫ارگانیسم های موجود در فلوکهای لجن فعال‬
‫• فلوکهای لجن فعال حاوی سلولهای باکتریایی و ذرات غیرآلی و آلی‬
‫• اندازه فلوک از ‪ 1‬میکرون تا ‪ 1000‬میکرون یا بیشتر‬
‫• ‪ 5‬تا ‪ 20‬درصد کل سلولهای موجود در فلوک را سلولهای زنده تشکیل میدهند‪.‬‬
‫• باکتريها به ویژه باکتريهای گرم منفی اجزای اصلی فلوکهای لجن فعال هستند‪.‬‬
‫• جنسهای اصلی باکتريهای لجن فعال شامل زئوگلئا‪ ،‬پسودوموناس‪ ،‬فالووباکتریوم‪ ،‬آلکالیژنز‪ ،‬باسیلوس‪،‬‬
‫اکروموباکتر‪ ،‬کورینه باکتریوم‪ ،‬کوموموناس‪ ،‬برویباکتریوم‪ ،‬اسینتوباکتر و نیز میکروارگانیسمهای رشته ای از‬
‫جمله اسفاروتیلوس‪ ،‬بژیاتوا و ویترئوسیال‬
‫• توسعه باکتريهای متان ساز یا باکتريهای احیا کننده سولفات )‪ (SRB‬در اثر محدود شدن انتقال اکسیژن‬
‫در فلوکها‬
‫• تعداد کل باکتريهای هوازی در لجن فعال حدود ‪ 108 CFU‬در میلیگرم لجن‬
‫• وجود باکتريهای اتوتروفیک نظیر نیترات سازها (نیتروزوموناس و نیتروباکتر)‬
‫• حضور قارچها در شرایط ‪ pH‬پایین‪ ،‬سمیت و فقر نیتروژن (احتمال بالکینگ در اثر ژئوتریکوم کاندیدوم)‬
‫• تک یاخته ها به ویژه مژه داران‬
‫• روتیفرها‬
‫‪ ....‬سيستمهاي تصفیه بیولوژیکی رشد معلق‬
‫‪‬‬
‫نسبت ‪ C:N:P‬برای سیستمهای هوازی لجن فعال ‪100:5:1‬‬
‫‪‬‬
‫ته نشینی خوب لجن در فاز خودخوری (منابع کربن و انرژی محدود و رشد میکربی پایین) و نسبت‬
‫‪ F/M‬پایین (غلظت ‪ MLSS‬باال)‬
‫‪‬‬
‫متوسط زمان ماند سلولی برای ته نشینی خوب حدود ‪ 3‬تا ‪ 4‬روز‬
‫‪‬‬
‫تعیین شاخص حجمی لجن برای پایش قابلیت ته نشینی لجن (صفحه ‪ 243‬بیتو ‌ن)‬
‫‪‬‬
‫‪ SVI‬بیش از ‪ 150 mL/g‬نشاندهنده تورم لجن)‪(bulking‬‬
‫‪‬‬
‫باکتريهای رشته ای تحت شرایط اکسیژن محلول کم‪ F/M ،‬پایین‪ ،‬مواد مغذی کم و میزان سولفید‬
‫باال غالب می شوند (‪ F/M‬پایین عامل مهمتری است)‬
‫‪‬‬
‫کف کردن )‪ (foaming‬لجن در اثر تکثیر نوکاردیا و میکروتریکس‬
‫شاخصهاي ميكربي و آزمايشهاي باكتريولوژيك آب‬
‫معيارهاي يك ارگانيسم شاخص‬
‫‪‬‬
‫بايد عضو ميكروفلور روده‌اي حيوانات خونگرم باشد‪.‬‬
‫‪‬‬
‫در حضور ميكروارگانيسمهاي بيماريزا وجود داشته و در نمونه‌هاي غیرآلوده با پاتوژنها‪ ،‬وجود نداشته‬
‫باشد‪.‬‬
‫‪‬‬
‫بايد به تعداد بيشتري نسبت به پاتوژنها وجود داشته باشد‪.‬‬
‫‪‬‬
‫بايد مقاومت حداقل مساوي با ميكروارگانيسمهاي بيماريزا نسبت به شرايط نامساعد محيطي و‬
‫گندزداهاي موجود در واحدهاي تصفيه آب و فاضالب داشته باشد‪.‬‬
‫‪‬‬
‫نبايد در محيط تكثیر يابد‪.‬‬
‫‪‬‬
‫بايد بوسيله روشهاي ساده‪ ،‬سريع و ارزان قابل رديابي باشد‪.‬‬
‫‪‬‬
‫ارگانيسم شاخص بايد غیرپاتوژن باشد‪.‬‬
‫‪ ...‬شاخصهاي ميكربي و آزمايشهاي باكتريولوژيك آب‬
‫ميكروارگانيسمهاي مورد استفاده به عنوان شاخص‬
‫‪‬‬
‫كليفرم‌هاي كل‬
‫‪‬‬
‫كليفرم‌هاي مدفوعي‬
‫‪‬‬
‫استرپتوككهاي مدفوعي‬
‫‪‬‬
‫باكتري‌هاي بي‌هوازي‌‬
‫‪‬‬
‫باكتريوفاژها‬
‫‪‬‬
‫مخمرها و ارگانيسم‌هاي اسيد‌فاست‬
‫‪64‬‬
‫‪Thursday, April 09, 2015‬‬