Szczepionki w Oczyszczalniach Ścieków: Badania i Wyzwania
- Szczegóły
Jednym z wyzwań, przed którymi stoją naukowcy, jest znalezienie skutecznych sposobów oczyszczania wody z substancji mogących mieć negatywny wpływ na organizmy żywe.
Problem Zanieczyszczeń Farmaceutycznych
Do tej grupy należą m.in. niesteroidowe leki przeciwzapalne (NLPZ). Są dostępne bez recepty pod wieloma nazwami handlowymi, takimi jak Ibuprom, Gripex czy APAP. Często są pierwszą bronią w walce z bólem czy gorączką.
Nasz organizm nie potrafi ich całkowicie metabolizować, w wyniku czego część z nich przedostaje się w praktycznie niezmienionej formie do środowiska naturalnego. Wydalane z organizmu, znajdują się także w ściekach trafiających do oczyszczalni.
Nic więc dziwnego, że naukowcy intensywnie poszukują naturalnych metod, które mogłyby okazać się skuteczne w procesie oczyszczania wody z NLPZ. Jedną z nich jest bioremediacja z wykorzystaniem odpowiednio dobranych szczepów bakterii.
Bioremediacja i Szczepionki Bakteryjne
Tego typu mikroorganizmy od wielu lat bada zespół pracujący pod kierunkiem dr hab. Danuty Wojcieszyńskiej, prof. UŚ z Wydziału Nauk Przyrodniczych w składzie: dr Anna Dzionek, dr hab. Urszula Guzik, prof. UŚ, dr hab. Katarzyna Hupert-Kocurek, prof. Jednym z sukcesów zespołu jest opracowanie specjalnej szczepionki, która będzie mogła zasilić systemy bioremediacyjne oczyszczalni w szczepy bakterii mające zdolność degradowania związków z grupy NLPZ.
Przeczytaj także: Przydomowe oczyszczalnie ścieków Zawiercie
- Wiemy jednak, że bakterie źle znoszą zmienne warunki panujące w środowisku oczyszczalni ścieków, takie jak zmiany temperatury, pH, skład ścieków. Dlatego aby mikroorganizmy mogły pełnić swoją funkcję, trzeba je chronić po wprowadzeniu do systemu bioremediacji - wyjaśnia prof.
Istnieje kilka możliwych rozwiązań tego problemu. Jedno z nich jest przedmiotem badań realizowanych w ramach projektu pn. „Mikrobiologiczna szczepionka wspomagająca osad czynny oczyszczalni ścieków w usuwaniu niesteroidowych leków przeciwzapalnych (NLPZ)”, którym kieruje prof. Danuta Wojcieszyńska.
Badając poszczególne szczepy bakterii, łączy się je w taki sposób, aby mogły stanowić skuteczną szczepionkę do walki z określonymi zanieczyszczeniami. Nie ma jednak uniwersalnych rozwiązań. Okazuje się, że skład szczepionki powinien być dostosowany do określonego typu ścieków.
Aby zweryfikować skuteczność opracowanej szczepionki, konieczne jest nawiązanie współpracy z wybranymi oczyszczalniami.
- Chciałabym podziękować panom mgr. inż. Michałowi Fafińskiemu i mgr. Dorianowi Zakrzewskiemu z Biura Współpracy z Gospodarką Uniwersytetu Śląskiego, dzięki którym będziemy mogły kontynuować badania już we współpracy z wybranymi oczyszczalniami ścieków - mówi prof.
Przeczytaj także: Oczyszczalnia oksydacyjna: zasady działania
- Mówiąc w skrócie, wybieramy odpowiednie szczepy zdolne do rozkładania niesteroidowych leków przeciwzapalnych i dodajemy do tego zestawu mikroorganizmy mające zdolność radzenia sobie na przykład ze związkami aromatycznymi lub mogące zmienić formę jonów metali ciężkich na taką, która jest mniej toksyczna - wyjaśnia liderka projektu.
Celem projektu jest stworzenie szczepionki, która może być wprowadzona do oczyszczalni ścieków, aby usuwać obecne w ściekach: diklofenak, paracetamol, naproksen i ibuprofen. Dodatkowo będzie wspomagała rozkład wybranych związków aromatycznych i detoksykację jonów metali.
Zespół badawczy określi też warunki graniczne dla szczepionki, w których będzie ona skuteczna, oraz jej datę ważności, uzależnioną od wybranej technologii.
Immobilizacja Mikroorganizmów
Kolejnym, równie interesującym rozwiązaniem jest immobilizacja mikroorganizmów polegająca na zastosowaniu odpowiedniego nośnika, który przypomina kombinezon ochronny dla szczepu bakterii.
- To ciekawe zjawisko. Osiągamy bowiem taki efekt, że wyselekcjonowane przez nas szczepy bakterii nie dostają od razu pełnej „dawki” różnych toksycznych związków, lecz mogą sobie z nimi radzić stopniowo, w dostarczanych porcjach - mówi prof.
Przeczytaj także: Jak ustawić napowietrzanie?
Badania nad konstrukcją preparatu opartego na immobilizowanych bakteriach podjęto w ramach projektu pt. „Preparat stymulujący degradację niesteroidowych leków przeciwzapalnych w oparciu o immobilizowane na naturalnym nośniku szczepy bakterii”, kierowanego przez prof.
- Podstawą naszych działań były badania, z których wynikało, że proces immobilizacji szczepów bakterii zwiększa ich szanse na przeżycie w warunkach panujących w oczyszczalniach ścieków. Stosowany nośnik powinien być trwały, nietoksyczny i tak skonstruowany, aby nie wpływał negatywnie na działanie urządzeń pracujących w oczyszczalni ścieków. Takich nośników jest wiele. Mogą to być trociny, materiały ilaste, polimery pochodzenia organicznego i nieorganicznego itd. W tym projekcie wybór padł jednak na luffę - gąbkę roślinną, którą najczęściej można spotkać w… sklepach kosmetycznych. Jest biodegradowalnym, naturalnym, nietoksycznym materiałem, który na pewno nie będzie zalegał w oczyszczalni ścieków - mówi prof.
Innym przykładem nośnika jest polimer ksantanowy. Ma wiele zalet, choć nie jest biodegradowalny. Szczepy bakterii mogą się na nim utrzymać dłużej, skutecznie chroni je przed innymi mikroorganizmami i może być wykorzystywany wielokrotnie. Autorkami tego rozwiązania, objętego ochroną patentową, są: dr Anna Dzionek, prof. Danuta Wojcieszyńska oraz prof. Urszula Guzik.
Aby przetestować wynalazek, biolożki zaprojektowały w warunkach laboratoryjnych środowisko o parametrach zbliżonych do tych, które cechują prawdziwą oczyszczalnię ścieków.
Antybiotykooporność i Ścieki
Oprócz realizowanych projektów zespół planuje kontynuować badania służące ocenie stopnia zanieczyszczenia wód związkami z grupy NLPZ.
Wiele badań podkreśla znaczenie środowiska wodnego w przenoszeniu mikroorganizmów antybiotykoopornych, w szczególności zasobów wód powierzchniowych, które narażone są na dopływ ścieków oraz spływy powierzchniowe, np. z terenów rolniczych [9].
Oprócz tego, że część mikroorganizmów regularnie wydalanych z ludzkiego organizmu może posiadać, jak i przenosić geny antybiotykooporności, to również ścieki mają unikalne cechy sprzyjające inicjowaniu dalszych wędrówek genów. Są one coraz częściej uznawane za potencjalne źródło nowych genów oporności ze względu na ciągły dopływ niskich dawek antybiotyków, ekstremalną różnorodność genetyczną mikrobów oraz kontakt ze środowiskiem naturalnym.
Naukowcy przebadali DNA z tysięcy próbek pobranych z różnych środowisk, aby znaleźć te cechy, które łączą antybiotykooporne mikroby.
Oczyszczanie ścieków obejmuje procesy mechaniczne, fizyczne, biologiczne i chemiczne, które wpływają na losy farmaceutyków i mikroorganizmów. Choć sam proces oczyszczania ma zmniejszyć liczbę bakterii w ściekach, szczególnie tych patogennych, to jednocześnie może przyczynić się do wzrostu ich oporności [12].
Badania pokazują wzrost, nawet o kilkanaście procent, liczby antybiotykoopornych bakterii z rodzajów Enterococcus, Acinetobacter, Bacillus, Mycobacterium, Nocardiopsis w oczyszczonych ściekach [12].
W ściekach powszechnie obecne są środki higieny osobistej, środki dezynfekujące, a także metale ciężkie, co sprzyja budowaniu oporności bakterii.
Antybiotyki mogą podlegać procesom hydrolizy, degradacji i adsorpcji na osadach - cząstkach organicznych i nieorganicznych [13]. Jednak nie są usuwane w oczyszczalniach ścieków w wystarczającym stopniu. Większość substancji jest nielotna ze względu na wysoką masę cząsteczkową.
Efektywność konwencjonalnych procesów (mechaniczno-biologiczne oczyszczanie z wykorzystaniem osadu czynnego) waha się od 50 do 80 proc., w zależności od wykorzystywanych technologii, parametrów operacyjnych i właściwości fizykochemicznych leków.
Zwykle procesy oczyszczania są skupione wokół efektywnego usuwania związków azotu, fosforu, zawiesin oraz wybranych substancji organicznych o dużej podatności na biodegradację.
W najwyższych stężeniach w ściekach występują makrolidy (np. erytromycyna), sulfonamidy, trimetoprym i chinolony [12, 16]. Badania wykazały, że są one odporne na biodegradacje, a więc również trudne do usunięcia w komorach biologicznego oczyszczania ścieków.
Zarówno zrzuty ścieków, jak i ich wykorzystanie, na przykład do nawadniania upraw, to potencjalna droga przedostawania się do środowiska genów i mikroorganizmów antybiotykoopornych oraz samych antybiotyków [12, 14].
Badania pokazują, że zarówno poziom antybiotyków, jak i genów antybiotykoporności zmniejsza się wraz ze wzrostem odległości od miejsca zrzutu ścieków [15, 16]. Jednak mikroorganizmy mogą przywierać do cząstek organicznych i nieorganicznych osadów, dzięki czemu trwają w środowisku i podlegają dalszemu transportowi.
Badaniami potwierdzono wyższą obfitość występowania mikroorganizmów i genów antybiotykooporności w ściekach zimą, co pozwala na częściowe powiązanie problemu ze wzrostem infekcji sezonowych [17]. Dlatego jednym z głównych zaleceń dotyczących ograniczania rozprzestrzeniania się problemu jest zrównoważony nadzór nad spożyciem antybiotyków u ludzi oraz stała edukacja.
Antybiotyków nie można stosować w leczeniu infekcji wirusowych.
Rola Szczepień i Higieny
Poszukiwanie nowych leków przeciwbakteryjnych stanowi coraz większe wyzwanie, dlatego potrzebne jest pilne rozszerzenie zasięgu wykonywania szczepień. Według danych WHO wprowadzenie szczepionek przeciw siedmiu najważniejszym opornym bakteriom mogłoby uchronić przed śmiercią około 1,2 mln osób rocznie. A zużycie antybiotyków spadłoby o 2,5 mld dawek rocznie.
Antybiotyki nie działają na wirusy, ale zakażenia wirusowe mogą powodować powikłania w postaci infekcji bakteryjnych. W trakcie pandemii COVID-19 stosowanie antybiotyków drastycznie wzrosło. Początkowo walka z nieznanym przeciwnikiem sprawiła, że były one używane nie tylko w przypadku infekcji bakteryjnych i grzybiczych, które były następstwem lub powikłaniem wirusa, ale również w wielu nieuzasadnionych przypadkach.
Ponadto pacjenci, w obawie przed pogorszeniem swojego stanu zdrowia, decydowali się na stosowanie antybiotyków bez nadzoru lekarza.
Zarówno wirusom związanym z zespołem ciężkiego ostrego zespołu oddechowego (SARS), jak i bliskowschodnim zespołom niewydolności oddechowej (MERS), towarzyszą koinfekcje bakteryjne, w przypadku których stosowanie antybiotyków jest niezbędne.
Można więc uznać, że szczepienie przeciwko pneumokokom nie tylko chroni nasze zdrowie, ale również ogranicza stosowanie antybiotyków, które przedostają się do środowiska wodnego i sprzyjają rozwojowi genów antybiotykooporności wśród drobnoustrojów.
Poza tym badania wykazały, że powszechne stosowanie niesteroidowych leków przeciwzapalnych, takich jak , ibuprofen, naproksen, diklofenak, gemfibrozil i β-bloker propranolol, zwiększa naturalną transformację w populacjach bakterii, a tym samym zwiększa wychwyt egzogennego genu antybiotykooporności u bakterii.
Istnieje ścisły związek między opornością na antybiotyki a dostępem do bezpiecznej wody i warunków sanitarnych (WASH - Safe drinking-water, sanitation and hygiene) [21]. Badania wykazały, że lepszy dostęp do urządzeń i infrastruktury wodno-ściekowej wiązał się ze zmniejszeniem liczebności genów antybiotykooporności, w szczególności na obszarach miejskich.
Osad Czynny i Jego Problemy
Na Uniwersytecie Jagiellońskim opracowano sposób na ograniczenie puchnięcia osadu czynnego w oczyszczalniach ścieków. Polega on na utrzymywaniu w równowadze mikroorganizmów odpowiadających za kontrolowanie liczebności bakterii nitkowatych.
Badaczki z Wydziału Biologii Uniwersytetu Jagiellońskiego opracowały biologiczną metodę ograniczania puchnięcia osadu czynnego. Dzięki niej można przeciwdziałać przypadkom nadmiernego rozwoju bakterii nitkowatych w oczyszczalniach ścieków.
Odkrycie dotyczy oczyszczalni wykorzystujących osad czynny, czyli zbiorowiska mikroorganizmów, które poprzez biologiczne procesy degradują zanieczyszczenia. Osad czynny jest stosowany zarówno w dużych oczyszczalniach ścieków komunalnych i przemysłowych, jak i w mniejszych obiektach oraz w oczyszczalniach przydomowych.
Metoda oczyszczania z udziałem osadu czynnego opiera się na takich samych biologicznych procesach samooczyszczania, jakie zachodzą w naturalnym środowisku wodnym.
Osad czynny to niezwykle dynamiczne środowisko, które trudno jest stabilizować i utrzymywać w równowadze. Trudność ta wynika z licznych zależności i interakcji między gatunkami tworzącymi osad, jak również z tego, że mikroorganizmy występujące w osadzie namnażają się w różnym tempie. Na zmianę proporcji między poszczególnymi mikroorganizmami wpływa wiele czynników, a zmienność ta często sprawia, że pewne szczepy, gatunki czy grupy organizmów zaczynają dominować w osadzie. Tak się dzieje w przypadku nadmiernego rozwoju bakterii nitkowatych. Dla oczyszczalni jest to technologiczny problem, którego rozwiązanie pociąga za sobą znaczne koszty, a w skrajnych przypadkach powoduje przestoje w ich pracy - mówi dr hab.
Kiedy następuje niekontrolowany rozwój bakterii nitkowatych, a zdarza się to nader często, osad zaczyna się pienić i puchnąć, co prowadzi do problemów eksploatacyjnych i technologicznych w oczyszczalniach. Pojawia się niewłaściwa recyrkulacja osadu i trudności w utrzymaniu jego właściwego stężenia w komorach napowietrzania. Zaburzony zostaje skład mikrobiologiczny. W pierwszej kolejności skutkuje to spadkiem wydajności oczyszczalni, pojawiają się dodatkowe trudności w odseparowaniu oczyszczonego ścieku i pogorszenie jakości jego odpływu.
Oczyszczalnie najczęściej radzą sobie z bakteriami nitkowatymi stosując środki chemiczne na bazie glinu, o bardzo niskim pH.
Oczyszczalnie, stosując profilaktykę i prewencję w rozwoju bakterii nitkowatych, dodają do komór osadu środki chemiczne. Metoda nie zawsze jest skuteczna, ma też istotne wady i daje skutki uboczne. Jest kosztowna, wymaga zachowania szczególnych środków ostrożności przez pracowników, a przede wszystkim może mieć niekorzystny wpływ na środowisko naturalne. Badania wykazały, że stosowane odczynniki niekorzystnie wpływają na część mikroorganizmów występujących w środowisku wodnym. W naszej ocenie, ze względu na łatwość adaptacji mikroorganizmów do zmienności warunków bytowania, istnieje wysokie ryzyko pojawiania się w przyszłości szczepów bakterii nitkowatych odpornych na obecnie stosowane środki, co spowoduje, że przestaną być one skuteczne - wyjaśnia dr hab.
Wrotki Lecane inermis Jako Rozwiązanie
Badaczki znalazły odpowiedź na powyższe wyzwania. Istotą metody jest utrzymywanie stosunkowo wysokiego zagęszczenia populacji wrotków Lecane inermis wchodzących w skład osadu czynnego. Są to mikroorganizmy żerujące na bakteriach nitkowatych, co w sposób naturalny ogranicza puchnięcie osadu czynnego, zmniejsza produkcję biomasy, a tym samym ilość tzw. osadu nadmiernego.
Wrotki mają kluczowe znaczenie w utrzymywaniu niskiego zagęszczenia bakterii nitkowatych w osadzie czynnym. Nasza technologia koncentruje się więc na dwóch aspektach. Pierwszy to wspomaganie osadu czynnego poprzez szczepienie go populacją wrotków wyhodowanych zgodnie z opatentowaną przez nasz zespół metodą. Drugim jest zwalczanie lub ograniczanie w osadzie czynnym naturalnych wrogów wrotków - dodaje dr hab.
tags: #szczepionki #w #oczyszczalniach #ścieków #badania
