Evaluation of Cefixime trihydrate effect on the biological properties of activated sludge

بررسی تاثیر حضور آنتی­بیوتیک سفیکسیم تری هیدرات بر روی ویژگی های بیولوژیکی لجن فعال

لیلا قلم­چی و سهیل عابر^*و رعنا تجدید خواجه

گروه شیمی کاربردی، دانشکده شیمی، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران

تاریخ دریافت: 05/02/95              تاریخ تصحیح: 06/07/95           تاریخ پذیرش: 05/12/95

چکیده

فرآیند لجن فعال یک فرآیند بیولوژیکی هوازی تصفیه فاضلاب است. این فرآیند از حدود 100 سال پیش بطور موثر و گسترده­ای برای تصفیه انواع فاضلاب­های شهری و صنعتی بکار گرفته شده است. برخی داروها از قبیل آنتی بیوتیک ها تاثیر سوئی بر باکتری­های موجود در لجن فعال دارند. سفیکسیم، یک آنتی بیوتیک نیمه سنتتیک و ازجمله سفالوسپورین­های نسل سوم می باشد. در این مطالعه تاثیر حضور سفیکسیم بر پارامترهای عملیاتی بیولوژیکی لجن فعال بررسی شد.   پارامترهای MLSS، COD، SVI و آنالیز میکروسکوپی بافت لجن مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد با کنترل دقیق پارامترهای عملیاتی در دوره­­ی سازگاری، می­توان کیفیت لجن را در حد قابل قبولی حفظ کرد. به طور متوسط MLSS در مقدار 3500 میلی گرم بر لیتر، pH در حدود 7.6 و SVI در حدود mL.g^-1  90 کنترل شد. میزان COD پس از دوره سازگاری از حدود ppm 800  به ppm 40 کاهش یافت. آنالیز با میکروسکوپ نوری نشان داد پس از دوره­ی سازگاری، میکروارگانیسم­های موجود در لجن فعال از قبیل سیلیاته‌ها و پروتوزئرها حتی در حضور آنتی بیوتیک فعال هستند.

واژگان کلیدی: لجن فعال،آنتی بیوتیک، سفیکسیم تری هیدرات

مقدمه

گسترش روز افزون جوامع بشری و توسعه صنعتی هر چند امتیازات ویژه ای داشته است، اما مشکلات زیست محیطی زیادی را نیز باعث شده است. فاضلاب­های اماکن مسکونی و واحدهای صنعتی در صورت دفع غیرصحیح و عدم تصفیه، به دلیل بار مواد آلی و معدنی زیاد باعث آلودگی آب، خاک و هوا خواهند شد. بنابراین تصفیه فاضلاب‌ها ضرورت پیدا می­کند و این امر باعث گسترش و افزایش روش­های مختلف تصفیه فاضلاب می شود. در مواردی که فاضلاب‌های صنعتی حاوی مواد آلی قابل تجزیه زیستی باشند و برای فاضلاب شهری، ساده ترین و اقتصادی ترین روش تصفیه، استفاده از سسیستم‌های تصفیه زیستی است. در تصفیه زیستی، میکروارگانیسم­ها مواد آلی موجود در فاضلاب را به عنوان منبع غذایی مصرف و تجزیه می­کنند. یکی از متداولترین روش­های تصفیه زیستی، فرآیند لجن فعال است که با اکسیداسیون زیستی حاصل از هوادهی باعث تصفیه فاضلاب می­شود.

گونه­های متنوعی از باکتری­ها، قارچ­ها، تک یاخته‌ها، و روتیفرها در توده زیستی لجن فعال وجود دارند که تنوع گونه ها و جمعیت آنها به تنوع ترکیبات آلی موجود در فاضلاب ورودی، ترکیبات حدواسط تولیدی در طی فرآیند زیستی و شرایط فرآیندی بستگی دارد . نسبت پایین [1]و وجود آلاینده­های سمی در فاضلاب های صنعتی باعث مقاوم­تر بودن آنها در برابر تصفیه زیستی و بروز مشکلاتی در فرآیند تصفیه می شوند ]3-1[. ازجمله دلایل عدم تصفیه‌پذیری انواع فاضلاب­های صنعتی می توان به حضور آلاینده­های سمی با غلظت­های متفاوت، جمعیت کم باکتری­های سازگار با توجه به غلظت سوبسترا (نسبت نامناسب F/M)[2] ، شرایط فیزیکی نامناسب، درصد کم سلول های زنده و تولید متابولیت­های سمی اشاره نمود ]4[. سفیکسیم، یک آنتی بیوتیک نیمه سنتتیک و از جمله سفالوسپورین­های نسل سوم می باشد. این‌ آنتی‌بیوتیک‌ها در درمان‌ طیف‌ وسیعی‌ از بیماری‌های‌ عفونی و‌ باکتریایی‌ مثل‌ عفونت‌های‌ تنفسی‌، عفونت‌های‌ پوست و بافت‌ نرم‌ و عفونت‌های‌ استخوان یا مفاصل‌، و عفونت‌های‌ ادراری‌ مؤثر می‌باشند. این‌ آنتی‌بیوتیک­ها‌ همچنین‌ ممکن‌ است‌ برای‌ پیشگیری‌ از ایجاد عفونت‌ در افرادی‌ که‌ تحت‌ عمل‌ جراحی‌ قرار گرفته‌اند یا در افرادی که‌ به‌ هر علتی‌ مستعد عفونت‌ هستند، استفاده‌ شوند. فاضلاب ناشی از بیمارستان­ها و مراکز بهداشتی درمانی به طور کلی از نظر کیفی تقریبا مشابه فاضلاب شهری هستند. رایج ترین سیستم تصفیه فاضلاب صنایع دارویی، سیستم­های تصفیه لجن فعال متعارف می باشد ]8-5[.با توجه به اینکه استفاده از سیستم های لجن فعال نیازمند یک مرحله سازگاری لجن فعال با فاضلاب دارویی است، لذا مطالعه تغییر پارامترهای مشخصه لجن فعال از قبیل  [3]MLSS،  [4]MLVSS،SVI[5] و بررسی بافت میکروسکوپی لجن تحت تاثیر آنتی بیوتیک سفیکسیم حائز اهمیت می­باشد. در این مقاله، به بررسی تاثیر حضور آنتی بیوتیک بر روی پارامترهای لجن فعال پرداخته شده است.

2- بخش تجربی

 لجن فعال از شرکت شیرپاستوریزه پگاه تبریز تهیه شد. ماده­ی موثر داروی سفیکسیم تری هیدرات به عنوان آنتی بیوتیک از شرکت داروسازی دانای تبریز تهیه شد. جدول 1 ساختار شیمیایی و مشخصات آنتی بیوتیک انتخابی را نشان می­دهد. نحوه­ی سازگاری لجن تهیه شده با مخلوط این دارو طی مدت زمان 30 روز مورد مطالعه قرار گرفت. لجن پس از تهیه به مدت دو روز به صورت گسترده هوادهی شد تا آماده­ی تغییر شرایط و مصرف خوراک جدید شود. در روزهای سوم و پنجم 600 میلی­لیتر از لجن غلیظ، با 20 میلی لیتر خوراک و 580 میلی لیتر فاضلاب سنتزی مخلوط شد. فاضلاب سنتزی دارای  سفیکسیم تری هیدرات با غلظت 15 میلی­گرم بر لیتر بود و خوراک با استفاده از گلوکز، آمونیوم نیترات و پتاسیم هیدروژن فسفات با نسبت 1:5:100 از COD:N:P  تهیه شد. از روز ششم تا روز شانزدهم یکروز در میان 20 میلی لیتر از محلول داخل واکنشگاه خارج شد و بجای آن 20 میلی لیتر محلول سفیکسیم با غلظت 15 میلی گرم بر لیتر به سیستم تزریق گردید. از روز هفدهم تا روز سی­ام غلظت محلول سیفکسیم یاد شده به 30 میلی گرم بر لیتر افزایش داده شد. در تمام این مدت پارامترهای عملیاتی لجن فعال  شامل تغییرات بافت لجن، COD، SVI، MLSS و MLVSS به طور مرتب بررسی و اندازه گیری شدند و تغییرات این پارامترها مورد مطالعه قرار گرفت. تمامی آنالیزها با استفاده از روش­های استاندارد انجام شدند.   

جدول 1- ساختار و مشخصات داروی انتخابی

3- نتایج و بحث

نمودار 1 و 2 به ترتیب تغییرات MLSS و MLVSS را طی فرآیند سازگاری به مدت 30 روز نشان می­دهند.  روند تغییرات MLSS و MLVSS مشابه یکدیگر است. با توجه به نتایج بدست آمده، در ابتدای آزمایش حجم لجن و میزان توده زیستی بالا بود که در دو روز اول هوادهی در غیاب خوراک کاهش یافت و بعد از افزودن محلول سفیکسیم نیز احتمالا به دلیل سمیت دارویی محلول و از بین رفتن میکروارگانیسم­های با مقاومت کمتر همین روند ادامه پیدا کرد. در این مرحله به دلیل سازگار نبودن میکروارگانیسم­ها با محیط جدید و مشکل بودن تخریب مواد آلی محلول، امکان استفاده از آن­ها به عنوان ماده غذایی مشکل بود بنابراین امکان بقا و تولیدمثل باکتری‌ها کاهش یافت. اما با افزایش مدت زمان تماس میکروارگانیسم­ها با محلول، میزان MLSS و MLVSS تا حدی افزایش یافت که نشانگر سازش یافتن میکروارگانیسم­ها با محلول بود.

افزایش مجدد غلظت محلول سفیکسیم ورودی در روز هفدهم مجددا میزان MLSS و MLVSS را کاهش داد .که این امر را می­توان به شوک ناشی از افزایش غلظت دارو و سمیت آن نسبت داد ]3 و 11-9[. البته مشاهده گردید که از روز 21 به بعد به دلیل سازگاری مجدد باکتری‌ها با شرایط جدید، میزان MLSS و  MLVSS افزایش یافت.

نمودار 1- تغییرات MLSS طی فرآیند سازگاری

نمودار 2- تغییرات MLVSS طی فرآیند سازگاری

همانطور که در نمودار شماره 3 مشاهده می­شود، مقدار COD محلول خروجی از مقدار 800 به 40 میلی­گرم بر لیتر کاهش یافته است. در ابتدا کاهش COD محسوس نبود که نشان دهنده غیر فعال بودن میکروارگانیسم­های لجن فعال و امکان از بین رفتن آنها می­باشد. با وجود افزایش تدریجی غلظت دارو در طول زمان و در نتیجه سازش پذیری سیستم، مقدار COD سیستم تا روز شانزدهم کاهش یافت که به دلیل فعالیت میکروارگانیسم­های مقاوم در برابر آنتی بیوتیک است. با افزایش غلظت سفیکسیم ورودی از روز هفدهم به بعد مجددا COD سیستم به دلیل تحمل نکردن سمیت بالای دارویی افزایش یافت.

نمودار 3- تغییرات COD طی فرآیند سازگاری

یکی از پارامترهای مهم در فرآیندهای بیولوژیکی شاخص حجمی لجن یا SVI می­باشد ]11-10[. همانطور که در شکل 4 مشاهده می­شود قابلیت ته نشینی لجن به دلیل حضور سیفکسیم کاهش پیدا کرده است بطوریکه در روز دوازدهم به 65 میلی لیتر بر گرم رسیده است که احتمالا به دلیل از بین رفتن بافت لجن و میکروارگانیسم­ها و ریزتر شدن فلوک­های لجن می­باشد در نتیجه حجم لجن ته نشین شده کاهش یافت. در مراحل بعد به دلیل افزایش تولید مثل باکتری­ها، فلوک­های درشت­تری در سیستم ایجاد شد و در نتیجه مقدار حجم لجن ته نشین شده افزایش یافت. پس از افزایش غلظت دارو در روز هفدهم مجددا تعال سیستم بهم خورده و تعداد زیادی از میکرو ارگانیسم­ها از بین رفته و در نتیجه حجم لجن ته نشین شده مجددا تا روز 23 کاهش یافت و بعد از آن مجددا به مقدار مناسب بازگشت. در یک سیستم بیولوژیکی متعادل، مقدار شاخص حجمی لجن بین 70 تا 150 میلی لیتر بر گرم می­باشد. مقدار این پارامتر در طول انجام آزمایش در بازه­ی مطلوب قرار داشت.  

نمودار 4- تغییراتSVI  طی فرآیند سازگاری

همانطور که در شکل 5 الف مشاهده می‌گردد و بر اساس اطلاعات ریخت شناسی موجود در منابع علمی ]12[ در لجن فعال قبل از سازگاری تعداد زیادی پروتوزئر از جمله سیلیاته وجود دارد و همچنین با استفاده از شکل 5 ب و بر اساس منابع علمی ]12[ مشاهده می شود که پس از سازگار شدن لجن با داروی سیفکسیم، میکروارگانیسم­های مقاوم­تری از جمله روتیفرها در لجن فعال دیده می­شوند. حضور موثر روتیفرها در بافت لجن فعال پس از مرحله­ی سازگاری نشان دهنده­ی فعالیت و پایداری لجن فعال در فرآیند تصفیه بیولوژیکی می­باشد. این موجودات مانند تک یاخته­ها هوازی بوده و حضور آنها نشان دهنده­ی کارایی خوب سیستم بیولوژیکی می­باشد.

شکل 5- تصویر میکروسکوپ نوری از بافت لجن فعال الف) قبل از سازگاری ب) بعد از سازگاری

4- نتیجه­گیری

نتایج نشان داد با وجود ساختار پیچیده و سمیت داروها امکان سازگاری میکروارگانیسم­های لجن فعال با پساب­های دارویی وجود دارد. سیفکسیم به عنوان یکی از پرمصرف­ترین آلاینده­های دارویی، قابلیت حذف به روش بیولوژیکی را دارد. طی فرآیند سازگاری مقادیر پارامترهای عملیاتی لجن فعال از قبیل MLSS، MLVSS، SVI و COD تغییر می­کند و کاهش COD نشانگر حذف محلول سیفکسیم­تری هیدرات است. افزایش مجدد MLVSS بعد از یک روند کاهشی نشانگر رشد و تکثیر باکتری ها و موجودات مقاوم در حضور سیفکسیم می­باشد که توانایی مصرف و اکسایش این آلاینده را دارند.  

5- تقدیر و تشکر

تمامی نویسندگان مقاله مراتب قدردانی خود را از دانشگاه تبریز به خاطر حمایت های مادی و معنوی از این کار پژوهشی اعلام می دارند.

6- مراجع

[1] M. Henze, IWA publishing, (Ed.) (2008). Biological wastewater treatment: principles, modelling and design.

[2] P. F. Strom, D. Jenkins, Water Pollution Control Federation, 56 (1984) 449.

[3] T. Nguyen, P. H. Nicholas, H. Nidal, Desalination, 204 (2007) 277.

[4] B. M. Wilén, B. Jin, P. Lant, Water Science and Technology, 47 (2003) 95.      

[5] M. Attimarad, Chemistry Central Journal, 6 (2012) 1.

[6] T. Zhang, Journal of Chemical & Engineering Data, 59 (2014) 1915.

[7] B. Kraigher, T. Kosjek, E. Heath, B. Kompare, Water Research, 42 (2008) 4578.

[8] J. Radjenović, P. Mira, B. Damià, Water Research, 43 (2009) 831.

[9] A. Joss, S. Zabczynski, A. Göbel, B. Hoffmann, D. Löffler, Water Research, 40 (2006) 1686.

[10] B. Q. Liao, D.G. Allen, I.G. Droppo, G.G. Leppard, S.N. Liss, Water Research, 35 (2001) 339.

[11] B. Wilén, J. Bo, L. Paul, Water Research, 37 (2003) 2127.

[12] R. J. Seviour, L. Blackall (Eds.) (2012). The microbiology of activated sludge. Springer Science & Business Media.