بیوفیلم چیست ؟ انواع و مراحل تشکیل بیوفیلم باکتریایی چیست؟

بیوفیلم نقش مهمی در تصفیه فاضلاب ایفا می کند و راه حلی نوآورانه و پایدار ارائه می دهد. بیوفیلم در واقع تجمع میکروارگانیسم ها یا به صورت شناور و یا بر روی سطوح و تشکیل یک لایه لزج است که موجب افزایش سرعت تجزیه آلاینده های آلی میشود. این اکوسیستم طبیعی با ترویج واکنش‌های بیولوژیکی فاضلاب را به طور موثر تصفیه می‌کند. با بهره گیری از توانایی بیوفیلم در تجزیه زیستی آلاینده ها، سیستم های تصفیه فاضلاب موثرتر، سازگار با محیط زیست و مقرون به صرفه تر می شوند و به پیشرفت شیوه های مدیریت آب پایدار کمک می کنند. در ادامه به طور کامل توضیح می دهیم بیوفیلم چیست و چه اهمیتی دارد؟

بیوفیلم چیست

حذف آلاینده های آلی از آب ها به عنوان یکی از پارامترهای آلوده کننده که موجب ایجاد پدیده هایی همچون اوتریفیکاسیون، کاهش اکسیژن محلول و تجمع مواد سمی میشود، یکی از دغدغه های زیست محیطی است. استفاده از تصفیه بیولوژیکی به عنوان یک روش بی‌خطر از نظر زیست‌محیطی برای پاک‌سازی آلاینده‌های مضر برای پایداری و ایمنی زیست‌محیطی، به دلیل معایب متعدد روش های سنتی تصفیه فاضلاب محبوبیت پیدا کرده است. تصفیه بیولوژیکی برای حذف، کانی سازی، تجزیه و خنثی کردن بسیاری از آلاینده های معدنی و آلی از فاضلاب و محیط های آلوده با استفاده از جوامع میکروبی (باکتری ها، قارچ ها و جلبک ها) استفاده شده است.

روش پاکسازی با واسطه بیوفیلم یکی از تکنیک های زیست پالایی است که به عنوان یک انتخاب اقتصادی و سازگار با محیط زیست برای تصفیه فاضلاب در نظر گرفته شده است. بیوفیلم‌ها مجموعه‌ای از سلول‌های میکروبی منفرد یا مخلوط هستند که به یک سطح زنده یا خنثی در یک محیط آبی می‌چسبند. برخلاف سلول‌های پلانکتون شناور آزاد، باکتری‌های تشکیل‌دهنده بیوفیلم می‌توانند برای مواد مغذی رقابت کنند، تحمل بیشتری نسبت به آلاینده‌ها نشان دهند و محیطی محافظ برای سلول‌ها ارائه دهند. آنها نرخ بقای قابل توجهی را تحت پارامترهای محیطی شدید نشان می دهند. طبق بررسی های علمی، جوامع بیوفیلم برای جذب و متابولیسم آلاینده‌های آلی و فلزات سنگین مناسب هستند. روش های تصفیه بیولوژیکی از چند سال گذشته به دلیل توانایی قابل ستایش در حذف آلاینده ها برای تصفیه فاضلاب استفاده می شوند. از این طریق، تخریب زیستی موادی مانند فلزات، پلاستیک و بتن توسط فرآیندهای متابولیکی که توسط میکروارگانیسم‌های ساکن در بیوفیلم‌ها انجام می‌شود، تسریع می‌یابد.

برای شناخت میکروارگانیسم ها به مقاله میکروارگانیسم ها در تصفیه فاضلاب مراجعه کنید.

اهمیت بیوفیلم ها

روش های مبتنی بر استفاده از بیوفیلم، یک فناوری به خوبی توسعه یافته است که در آن مدیاها به راکتورهای رشد معلق اضافه می‌شود. هدف از این کار ایجاد سطوح چسبندگی مناسب بیوفیلم‌ها است تا از طریق افزایش غلظت میکروبی و همچنین نرخ بیوفیلم‌های تخریب کننده آلاینده ها، با استفاده از تعدادی از مکانیسم حذف مانند تجزیه زیستی، تجمع زیستی، جذب زیستی و بیومرینالیزاسیو، راندمان تصفیه افزایش یابد. جوامع میکروبی موجود در بیوفیلم، مواد مغذی مختلفی مانند ترکیبات حاوی فسفر و نیتروژن، مواد کربنی و همچنین پاتوژن های به دام افتاده از فاضلاب را تجزیه می کنند. پس از حذف آلاینده ها، پسا تصفیه شده میتوان یا به محیط تخلیه گردد و یا برای کشاورزی و سایر مصارف استفاده شود.

تصفیه فاضلاب با سیستم های بیوفیلم دارای چندین مزیت از جمله انعطاف پذیری عملیاتی، نیاز به فضای کم، کاهش زمان ماند هیدرولیک، انعطاف پذیری در برابر تغییرات محیطی، افزایش زمان ماندن زیست توده، غلظت بالای زیست توده فعال، افزایش توانایی در تجزیه ترکیبات مقاوم و همچنین سرعت رشد میکروبی کندتر، که منجر به تولید لجن کمتر می شود، میباشد.

در مقاله پارامترهای موثر بر رشد باکتری های فاضلاب به معرفی 8 پارامتر پرداخته‌ایم.

انواع بیوفیلم چیست؟

در تصفیه فاضلاب، انواع مختلف بیوفیلم ها نقش مهمی در فرآیندهای تجزیه زیستی و تصفیه دارند. بیوفیلم‌های رشد پیوسته روی سطوحی مانند محیط‌های با بستر ثابت تشکیل می‌شوند و زیستگاهی را برای میکروارگانیسم‌ها برای تجزیه آلاینده‌ها فراهم می‌کنند. بیوفیلم‌های رشد معلق، که در سیستم‌های لجن فعال یافت می‌شوند، از میکروارگانیسم‌های معلق در ساختارهای لخته ای تشکیل شده‌اند. سیستم های هیبریدی هر دو رشد متصل و معلق را ترکیب می کنند. درک این انواع بیوفیلم برای بهینه سازی کارایی تصفیه، اطمینان از حذف موثر آلاینده ها و حفظ سلامت کلی فرآیندهای تصفیه فاضلاب ضروری است.

مراحل تشکیل بیوفیلم

تشکیل بیوفیلم فرآیندی متشکل از چند مرحله است. با جذب ماکرومولکول ها (مانند پروتئین ها، پلی ساکاریدها، اسیدهای نوکلئیک و اسیدهای هیومیک) و مولکول های کوچکتر (مانند اسیدهای چرب، لیپیدها و آلاینده هایی مانند هیدروکربن های پلی آروماتیک و بی فنیل های پلی کلر) روی سطوح شروع می شود. این مولکول‌های جذب‌شده لایه‌های تهویه‌کننده‌ای را تشکیل می‌دهند که ممکن است اثرات متعددی داشته باشند، مانند تغییر ویژگی‌های فیزیکوشیمیایی سطح، عمل به عنوان یک منبع مغذی متمرکز برای میکروارگانیسم‌ها، سرکوب یا افزایش آزادسازی یون‌های فلزی سمی از سطح، سم‌زدایی از محلول حجیم از طریق جذب مواد بازدارنده، تامین مواد مغذی و عناصر کمیاب مورد نیاز برای یک بیوفیلم، و تحریک بیوفیلم. پس از آماده شدن سطح، سلول ها شروع به چسبیدن می کنند. مراحل اولیه تشکیل بیوفیلم به خوبی مستند شده است، بیشتر به این دلیل که گرفتن تصاویر میکروارگانیسم ها در این مرحله از تشکیل بیوفیلم نسبتا آسان است.

چسبیدن باکتری ها به یک سطح با تولید مواد چسبنده لزج، مواد پلیمری خارج سلولی (EPS) همراه است. اینها عمدتاً از پلی ساکاریدها و پروتئین ها ساخته شده اند. اگرچه ارتباط EPS با باکتری های متصل به خوبی در ادبیات مستند شده است، شواهد کمی وجود دارد که نشان دهد EPS در مراحل اولیه چسبندگی شرکت می کند. با این حال، EPS قطعا با تشکیل یک ماده لزج به نام ماتریس بیوفیلم به تشکیل بیوفیلم های بالغ کمک می کند. شکل 1 مراحل تشکیل بیوفیلم های بالغ را نشان می دهد.

پیشنهاد می‌کنیم برای خرید پکیج های فاضلاب به صفحه پکیج تصفیه فاضلاب بهداشتی مراجعه کنید.

باکتری های موثر در تشکیل بیوفیلم چیست ؟

انواع مختلفی از باکتری ها که در ادامه برمی شماریم، به شکل گیری و عملکرد بیوفیلم ها در تصفیه فاضلاب کمک می کنند:

1. باکتری های هوازی
2. باکتری های بی هوازی
3. باکتری های نیتریفایر
4. باکتری‌های دنیتریفایر
5. ارگانیسم های انباشته کننده فسفر (PAOs)

عوامل موثر در تشکیل بایوفیلم

در ادامه عواملی که به ارتقای فرآیند تشکیل بیوفیلم کمک می‌کنند، برمی شماریم.

1. مواد مغذی، دما و pH
2. توپوگرافی سطح چسبندگی
3. سرعت، تلاطم و هیدرودینامیک
4. تنظیم ژن و سنجش حدنصاب (QS)
5. تولید مواد پلیمری خارج سلولی (EPS)
6. DNA خارج سلولی (eDNA)
7. کاتیون های دو ظرفیتی

مقاله پیشنهادی: TSS چیست

علت تشکیل بیوفیلم چیست ؟

بیوفیلم به دلایل مختلفی در تصفیه فاضلاب تشکیل می شود و وجود آن برای کارایی کلی فرآیندهای تصفیه مفید است. در اینجا به دلایل تشکیل بیوفیلم میپردازیم :

1. چسبندگی به سطوح: میکروارگانیسم ها به طور طبیعی به سطوح می چسبند. در سیستم های تصفیه فاضلاب، سطوحی مانند لوله ها، مخازن و مدیا ها بستری برای اتصال میکروبی فراهم می کنند.
2. در دسترس بودن مواد مغذی: بیوفیلم ها در جایی تشکیل می شوند که مواد مغذی لازم برای رشد میکروبی در دسترس هستند. مواد آلی موجود در فاضلاب به عنوان یک منبع مغذی عمل می کند و جوامع میکروبی را جذب و حفظ می کند.
3. تداخلات میکروبی: میکروارگانیسم‌های موجود در فاضلاب، مواد پلیمری خارج سلولی (EPS) تولید می‌کنند و یک فضای مناسب لزج ایجاد می‌کنند که به چسبندگی سلول‌ها به سطوح کمک می‌کند. این فضای لزج، ستون فقرات ساختاری بیوفیلم ها را تشکیل می دهد.
4. محافظت و پایداری: بیوفیلم ها محیطی محافظتی برای میکروارگانیسم ها در برابر شرایط سخت مانند نوسانات دما، pH و وجود مواد سمی فراهم می کنند. این پایداری انعطاف پذیری جوامع میکروبی را افزایش می دهد.
5. فرآیندهای هم افزایی: بیوفیلم ها تعاملات هم افزایی را بین گونه های مختلف میکروبی تقویت می کنند. این همکاری امکان تخریب طیف گسترده ای از ترکیبات آلی و معدنی موجود در فاضلاب را فراهم می کند.
6. تصفیه بیولوژیکی: بیوفیلم ها نقش مهمی در فرآیندهای تصفیه بیولوژیکی دارند، جایی که میکروارگانیسم ها تجزیه می شوند و آلاینده ها را به مواد کمتر مضر تبدیل می کنند. این به تصفیه کلی فاضلاب کمک می کند.
7. سطح در دسترس برای رشد: معماری ساختار یافته بیوفیلم ها سطح وسیعی را برای رشد میکروبی فراهم می کند. این افزایش سطح باعث تراکم میکروبی بیشتر و در نتیجه افزایش کارایی تصفیه می شود.

مضرات بیوفیلم باکتریایی

در حالی که بیوفیلم های باکتریایی مزایای مختلفی را ارائه می دهند، میتوانند دارای معایب خاصی باشند که عبارتند از:

1. ایجاد خوردگی در لوله ها یا تجهیزات صنعتی
2. ایجاد عایق در برابر انتقال حرارت
3. رسوب و ایجاد گرفتگی
4. مقاومت در تصفیه
5. مقاومت در برابر بیوسیدها

سخن پایانی

در این مقاله، توضیح دادیم بیوفیلم چیست و به معرفی چگونگی عملکرد آن در تصفیه فاضلاب پرداختیم. درک و شناخت ماهیت باکتری ها و جمعیت های میکروبی که به بیوفیلم شناخته میشود، باعث استفاده موثر از مزایای تصفیه بیولوژیکی و توسعه روش های تصفیه زیستی میشود. فرایندهای بیولوژیکی، از موثرترین و در عین کم هزینه ترین و کم خطر ترین روش ها برای محیط زیست به شمار می آید.