2. PRZEGLĄD LITERATURY
2.3 WPŁYW METALI CIĘŻKICH NA FUNKCJONOWANIE OSADU CZYNNEGO
W małych miejscowościach i miastach, obsługiwanych przez średniej wielkości oczyszczalnie ścieków (Qdmax = 1500 m3 . d-1) typowe jest wspólne oczyszczanie ścieków bytowo - gospodarczych i przemysłowych. Jak wiadomo metale ciężkie są substancjami powszechnie spotykanymi w ściekach komunalnych, zwłaszcza jeśli w ich składzie znajdują się podczyszczone ścieki przemysłowe z galwanizerni czy zakładów wykorzystujących procesy powierzchniowej obróbki metali [Lester i in. 1979; Chua i in. 1999]. Równie dobrze udokumentowane w literaturze jest to, że wysokie koncentracje metali ciężkich są toksyczne dla organizmów żywych, zwłaszcza organizmów wodnych oraz dla mikroorganizmów tworzących osad czynny wykorzystywany przy biologicznym oczyszczaniu ścieków [Dilek i in. 1998, Chua i in. 1999].
Dlatego też Stasinakis i in. [2003] uznają, że takie łączenie różnych pod względem chemicznym ścieków powoduje większe prawdopodobieństwo zanieczyszczenia wód powierzchniowych, poprzez występowanie zwiększonej ilości metali ciężkich w ściekach oczyszczonych. Autorzy ci, podobnie jak Dilek i in. [1998] czy Chua i in. [1999] uważają, że podczas wspólnego oczyszczania ścieków zwiększa się prawdopodobieństwo wystąpienia nadmiernych koncentracji metali ciężkich w osadzie czynnym, co w konsekwencji prowadzi do ograniczenia możliwości wykorzystania powstających podczas procesu oczyszczania osadów ściekowych.
Niektóre pierwiastki z dużej grupy metali ciężkich (Hg, Cd, Ag, Pb, Cr) wywierają silnie toksyczny efekt na komórki organizmów żywych bez żadnego udziału w naturalnych przemianach fizjologicznych, a toksyczność metali ciężkich, jak podają Słaba i Długoński [2002] może być spowodowana:
• blokowaniem grup funkcyjnych enzymów;
• wypieraniem z komórek mikroorganizmów metali niezbędnych dla prawidłowego funkcjonowania ich metabolizmu.
Natomiast Skłodowska [2000] dodaje, że szkodliwy wpływ tych substancji to także wywoływanie zmian w metabolizmie (głównie deformacja białek) mikroorganizmów.
Ponadto Morgan i Lackey [1958] sugerują, że główną przyczyną negatywnego wpływu tych substancji na mikroorganizmy osadu czynnego jest blokowanie systemu enzymów czy też
interakcje z którymś istotnym czynnikiem odpowiadającym za prawidłowy przebieg metabolizmu w komórkach bakterii.
Toksyczność metali ciężkich w odniesieniu do mikroorganizmów osadu czynnego jest w literaturze dobrze rozpoznana [Nies 1999; Ehrlich 1997; Lester i in. 1979; Chipasa 2001;
Słaba, Długoński 2002]. W świetle przeprowadzonych licznych badań ich obecność w dużej koncentracji w ściekach stwarza nie tylko znaczne zagrożenie dla jakości wód powierzchniowych, ale wpływa także na zmniejszenie mikrobiologicznej aktywności mikrofauny.
Jak podkreśla Yetis i Gokcay [1989] potencjalna toksyczność metali ciężkich w osadzie czynnym zależy przede wszystkim od dwóch głównych czynników: od rodzaju i formy występowania metalu oraz od jego koncentracji. Także Słaba i Długoński [2002]
stwierdzają, że oddziaływanie metali ciężkich na drobnoustroje zależy od stężenia konkretnych metali, gdyż według nich biosorpcja metali zwiększa się wraz ze wzrostem stężenia, po czym stabilizuje się i dalszy wzrost stężenia metali nie zwiększa ich biosorpcji.
Potwierdzają to także badania Chipasa [2001] oraz Malika i Ahmada [2002], którzy podkreślają, iż istotnymi czynnikami zwiększającymi toksyczne działanie metali ciężkich jest pH, jakość i ilość mikroorganizmów tworzących kłaczki osadu czynnego oraz ładunek metali wnoszony wraz z wpływającym ściekiem surowym. Surittanonta i Sherrad [1981], Dilek i Yetis [1992] oraz Karvelas i in. [2003] stwierdzają także, iż rozpuszczalność formy jonowej w jakiej dany metal występuje w momencie zrzutu do kanalizacji ogólnospławnej może dodatkowo wpływać na toksyczność metali ciężkich w odniesieniu do mikroorganizmów osadu czynnego, jednak już w nieco mniejszym stopniu.
W przeprowadzonych badaniach Dilek i in. [1998] stwierdzili, że relatywnie niskie koncentracje poszczególnych metali ciężkich w ściekach surowych mogą niekiedy wpływać stymulująco na biologiczny system oczyszczania ścieków. Z kolei Stasinakis i in. [2001;
2003] twierdzą, że wzrost zawartości metali ciężkich w ścieku dopływającym do biologiczno – mechanicznych oczyszczalni może częściowo obniżać wydajność i efektywność prowadzonego procesu oczyszczania. Teorię tą potwierdzają badania wielu autorów, którzy stwierdzili, że zwiększone ilości metali ciężkich w ściekach wpływają hamująco na zachodzące w osadzie czynnym procesy metaboliczne, zwłaszcza na nitryfikację i denitryfikację [Braam, Klapwijk 1981; Waara 1992; Chipasa 2001; Nowak i in. 2001;
Leszczyńska 1999]. Ponadto Madoni i in. [1995] stwierdzili, że wysokie koncentracje substancji szkodliwych, jakimi są metale ciężkie znacznie obniżają, prowadzony przez mikroorganizmy, tlenowy rozkład substancji organicznych.
Mimo bardzo powszechnego występowania metali ciężkich w środowisku oraz ich udokumentowanej toksyczności, liczne drobnoustroje są zdolne do życia, rozrodu i wzrostu w specyficznych warunkach podwyższonej koncentracji tych pierwiastków. Według Słabej i Długońskiego [2002] jest to możliwe dzięki wytworzeniu w mikroorganizmach odporności na związki metali. Według tych autorów tolerancja na metale ciężkie jest uzależniona przede wszystkim od aktywności biochemicznej i zmian w budowie komórek mikroorganizmów.
Zestawienie tabelaryczne (tab.2) przedstawia różną zdolność przystosowywania się mikroorganizmów osadu czynnego do specyficznych warunków podwyższonej koncentracji metali ciężkich w ściekach oczyszczanych, przejawiającą się różnorodnym poziomem tolerancji w odniesieniu do konkretnych metali ciężkich (tab.2), odmiennie wpływających na metabolizm komórek mikroorganizmów tworzących osad czynny.
Tabela. 2. Przystosowanie mikroorganizmów osadu czynnego do warunków podwyższonej koncentracji metali ciężkich [opracowanie własne na podstawie danych literaturowych].
Metal
nie wpływa istotnie na zmianę w mikroflorze osadu
Skład i stan ścieków przemysłowych (będących integralną częścią ścieków komunalnych) doprowadzanych miejską kanalizacją do oczyszczalni jest mało przewidywalny, uzależniony głównie od ich źródła. Jak podaje Tsai i in. [2005] efekt jaki metale ciężkie wywierają na mikroorganizmy osadu czynnego jest zjawiskiem bardzo złożonym i trudnym do scharakteryzowania. Uwarunkowane jest to przede wszystkim różnorodnością występujących w osadzie czynnym mikroorganizmów. Wielu autorów stwierdziło ponadto, że pomimo iż wpływ poszczególnych metali ciężkich na mikroorganizmy nie jest dobrze rozpoznany, to bezsprzecznym jest fakt że obecność metali ciężkich może powodować zmiany w strukturze osadu czynnego poprzez modyfikację ilości, jakości oraz różnorodności gatunków w nim występujących [Dilek, Gokcey 1996, Leszczyńska 1999, Tsai i in., 2005]. Tsai i in. [2005] podkreślają także, że niektóre z bakterii, grzybów czy pierwotniaków wchodzących w skład osadu czynnego wykazują dużą tolerancję na podwyższone zawartości metali ciężkich w ściekach, inne z kolei charakteryzują się znaczną wrażliwością na obecność tych toksycznych substancji. Potwierdza to także Macaskie [1990], który opisuje grupę mikroorganizmów mających zdolność do usuwania metali ciężkich, bez wyszczególniania ich wrażliwości na te specyficzne substancje toksyczne. Lester i in. [1979] oraz Tsai i in. [2005] podkreślają, że ciekawym zjawiskiem jest fakt, że takie same koncentracje metali ciężkich mogą być toksyczne dla jednych mikroorganizmów, a jednocześnie są silnym stymulatorem rozwoju innych grup mikroorganizmów osadu czynnego. Jak stwierdzili Madoni i in. [1996] ten sam metal z jednej strony może powodować ponad 50% śmiertelność jednego z gatunku mikroorganizmów występujących w osadzie czynnym, z drugiej jednak może nie oddziaływać lub wpływać w niewielkim stopniu na pozostałe mikroorganizmy tworzące zwarty system osadu czynnego.
Stasinakis i in. [2003] podkreślają, że obecność różnego rodzaju metali ciężkich w osadzie czynnym prowadzi niejednokrotnie do całkowitego rozerwania kłaczków osadowych, spadku ilości i różnorodności gatunków protozoa oraz zaniku wrotków. Taka sytuacja uniemożliwia przeprowadzenie prawidłowego procesu oczyszczania, ze względu na zmianę składu mikrobiologicznego osadu czynnego oraz jego fizyczny rozpad.
Rodzaj, jakość, występowanie i aktywność mikroorganizmów w osadzie czynnym ma kluczowe znaczenie dla całego procesu biologicznego oczyszczania ścieków. W odniesieniu do usuwania metali ciężkich przy użyciu osadu czynnego biosorpcja ma najistotniejsze znaczenie. Zjawisko to, polegające na wiązaniu metali ciężkich poprzez wbudowywanie ich w żywe komórki mikroorganizmów, bądź unieruchamianie w biomasie jest głównym czynnikiem powodującym znaczną redukcję zawartości metali ciężkich w ściekach [Volesky,
Holan 1995; Valix i in. 2001]. Dodatkowo, Bitton i Freihofer [1978] twierdzili, że to właśnie mikrobiologiczne wiązanie metali ciężkich w postać biopolimerów powoduje znaczne obniżenie toksyczności tych mikroelementów w oczyszczanych ściekach.
Zrozumienie interakcji pomiędzy koncentracją metali ciężkich a mikroorganizmami cieszy się w ostatnich latach ogromnym powodzeniem wśród naukowców, szczególnie ze względu na nowe możliwości w oczyszczaniu ścieków wysoko obciążonych metalami ciężkimi oraz szeroko pojętym oczyszczaniu i dbaniu o środowisko [Valix i in. 2001]. Już w niewielkich koncentracjach metale ciężkie mogą powodować morfologiczne zmiany u mikroorganizmów, a w konsekwencji mogą nawet spowodować zniszczenie ich komórek [Avakayan, 1994]. W naturalnych warunkach mikroorganizmy nie są przystosowane do obecności metali ciężkich, jednak niejednokrotnie poprzez szereg mutacji mogą się przystosować do specyficznych warunków podwyższonej koncentracji tych toksycznych substancji [Valix i in. 2001]. Takie przystosowanie mikroorganizmów może wspomóc efektywność oczyszczania ścieków, a także przyczynić się do lepszego oczyszczania środowiska – przede wszystkim wodnego. Lester i in. [1983] uważają, że podczas biologicznego procesu oczyszczania ścieków komunalnych powstaje stosunkowo duża ilość nadmiernego osadu ściekowego (około 1% ilości oczyszczanych ścieków), a w momencie gdy znaczna część metali ciężkich obecnych w ścieku surowym dopływającym do oczyszczalni ścieków zostanie zakumulowana w osadzie nadmiernym powstaje problem groźnego dla środowiska odpadu.