RAZISKAVE IN RAZVOJ RAZISKAVE IN RAZVOJ Papir za notranjost revije PAPIR je prispevala papirnica Gori~ane, tovarna papirja Medvode d.o.o., SORA MAT 115 g/m 2 . 27 Procesna voda Dejavniki biotopa procesne vode, ki vplivajo na biocenozo, so v veliki meri odvisni od: kakovosti priprave tehnolo{ke vode �1��3�, zaprtosti krogotoka �1�, vrste vhodnih surovin �4�, uporabe in vrste biocidov �3�. Z zmanj{evanjem porabe vode in zapiranjem krogotokov se je v procesni vodi za~ela pove~evati koncentracija anorganskih in organskih snovi. S pove~ano koncentracijo snovi in {tevila mikroorganizmov v procesni vodi se je pove~alo tudi potreba po kisiku �1�. Papirni stroj Biotop papirnega stroja lahko razdelimo na dva lo~ena biotopa, biotop mokrega dela papirnega stroja in su{ilno skupino papirnega stroja �2�. Mokri del papirnega stroja nudi podobne dejavnike biotopa kot tehnolo{ka voda �2�. Lahko pa se tu pojavijo tudi popolnoma novi dejavniki okolja, kot je na primer svetloba, ki omogo~a razvoj alg. Podobno kot v procesni vodi, lahko tudi tu najdemo ugodne razmere za razvoj razli~nih organizmov. Papirni stroj je tudi mesto nastanka razli~nih oblog �2��3��8�. Dejavniki su{ilne skupine papirnega stroja so pogojeni z vrsto papirja, ki se proizvaja na posameznem papirnem stroju. Za vse papirne stroje velja, da je su{ilna skupina namenjena tako imenovanemu su{enju papirja in predstavlja neugoden biotop za razvoj organizmov in biocenoze �2�. BIOCENOZA PAPIRNEGA STROJA Med organizme, ki najpogosteje sestavljajo biocenozo papirnega stroja, tako uvr{~amo bakterije, plesni, kvasovke in alge �4�. Organizme papirnega stroja bi lahko razdelili na dva dela, prehodne in tako imenovane stalne organizme. Prehodne organizme predstavljajo organizmi (združbe organizmov), ki v sam sistem izdelave papirnega stroja vstopajo, se v sistemu zadržijo kraj{i ~as, propadejo ali z odpadno vodo zapustijo sistem. Med prehodne organizme papirnega stroja bi lahko uvrstili predvsem organizme surovin in tehnolo{ke vode. Pod biocenozo papirnega stroja, ki je prisotna dalj{e ~asovno obdobje, pa bi lahko uvrstili združbe organizmov, ki so na biotop papirnega stroja prilagojeni. Zaradi življenjskih pogojev papirnega stroja, na katere je posamezen organizem združbe prilagojen, se lahko uspe{no razmnožuje in preživi v okolju papirnega stroja. Tehnolo{ka voda Tehnolo{ka voda predstavlja eno izmed vstopnih to~k organizmov (re~ne biocenoze) v sistem papirnega stroja. Sama kakovost tehnolo{ke vode je odvisna od na~ina priprave vstopne vode. Vstopna voda obi~ajno predstavlja re~no vodo, v kateri so že vzpostavljene združbe organizmov. Med najpogostej{imi organizmi, ki vstopajo preko sistema re~ne vode, tako najdemo alge, bakterije in glive. Uporaba algicidov, biocidov in fungicidov za pripravo tehnolo{ke vode spremeni biotop na na~in, da le-ta postane neprimeren za preživetje posamezne skupine organizmov �1��2��3��9�. Procesna voda Biotop procesne vode z ugodno pH vrednostjo, temperaturo, {tevilnimi organskimi in anorganskimi snovmi in prisotnostjo/odsotnostjo kisika nudi dobre pogoje za razvoj organizmov in združb �1��4�. Procesno vodo sestavljajo organizmi tehnolo{ke vode, ki lahko preživijo pod pogoji biotopa procesne vode, kot tudi organizmi, ki so prisotni v dodatkih in snovnih surovinah. Ugodni pogoji biotopa omogo~ajo hitro pove~anje {tevila organizmov in kratke podvojitvene ~ase. Število organizmov, ki jih tako najdemo v procesni vodi, je pri uporabi sekundarnih vlaknin znatno vi{je, saj se kontaminacija prenese iz vlaknin na procesno vodo. Mikrobiolo{ko obremenjena procesna voda zanese organizme v razli~ne dele papirnega stroja, kjer so podvrženimi novim lastnostim okolja �4��8�. Papirni stroj Podobno kot lahko biotop papirnega stroja razdelimo na biotop mokrega dela papirnega stroja in su{ilno skupino, bi lahko tudi biocenozo razdelili na biocenozo mokrega dela papirnega dela in biocenozo su{ilne skupine. Biocenozo mokrega dela papirnega stroja lahko sestavlja tako prehodna biocenoza, ki preko procesne vode in natoka pripotuje na papirni stroj, kot tudi stalna biocenoza (obloge, biofilmi in stalno prisotni organizmi …). Ve~ina biocenoze snovnega toka, ki ostane ujeta v papir, potuje v su{ilno skupino papirnega stroja �11�. Visoke temperature in odsotnost vode povzro~ita propad ve~ine organizmov. Su{ilno skupino papirnega stroja lahko preživijo le organizmi, prilagojeni na visoke temperature, kot so termotoleratni oziroma termofilni organizmi, spore bakterij in spore gliv �10�. VPLIVI NA BIOCENOZO PAPIRNEGA STROJA Z zapiranjem krogotokov se je biocenoza papirnega stroja spremenila in {tevil~no pove~ala �4�. Pove~anje {tevila organizmov v procesnih vodah je posledi~no vodilo do pove~anja {tevila oblog in pove~anega {tevila pretrgov �1�. Papirnice težave biocenoze re{ujejo s ~i{~enjem papirnega stroja in z uporabo razli~nih biocidnih sistemov. Poleg omenjenih dejavnikov na samo biocenozo papirnega stroja vpliva tudi nihanje {tevila in vrst organizmov v vhodnih surovinah in tehnolo{ki/re~ni vodi �1��3��4�. Nihanje biocenoze vhodnih surovin in tehnolo{ke vode Samo nihanje {tevila organizmov v re~nih vodah je naraven pojav. Le-to se spreminja tekom letnih ~asov in lahko doseže v poletnih mesecih tudi znatno vi{je vrednosti od zimskih. Poleg samega {tevila organizmov se tekom leta spreminja tudi vrstna sestava re~ne biocenoze �1��3�. Število organizmov se spreminja tudi v sami surovinski sestavi. Mikrobiolo{ko bolj obremenjene so sekundarne surovine �2��3�. Organizmi, ki preživijo su{ilno skupino papirnega stroja, se kopi~ijo v papirju, in ponovno zaidejo v sistem papirnega stroja pri ponovni reciklaži. Za razliko od sekundarnih vlaknin, veljajo primarne vlaknine za mikrobiolo{ko manj obremenjena �3�. Biocidni sistem Biocidni sistem deluje kot dodaten dejavnik biotopa papirnega stroja, ki dodatno zaostruje pogoje za preživetje živim dejavnikom. Biocidni sistem deluje na {irok spekter živih dejavnikov, pri ~emer se organizmi lahko postopoma prilagajajo in postanejo prilagojeni na ta nov dejavnik okolja �1��2��3��8�. ^i{~enje papirnega stroja ^eprav biocidni sistem lahko deluje u~inkovito �1�, se v delih, kjer biocid ni prisoten, ali je prisoten v nižjih koncentracijah, organizmi prekomerno namnožijo. V takih primerih je nujno ~i{~enje papirnega stroja. S ~i{~enjem papirnega stroja se v biotop papirnega stroja vnesejo novi, ekstremni pogoji, na katere živi dejavniki biocenoze niso prilagojeni. Organizmi v tak{nem sistemu ne morejo preživeti in propadejo �3�. Matej Šuštaršič 1 PAPIRNI STROJ – EKOSISTEM V MALEM? PAPER MACHINE – MINIATURE ECOSYSTEM? Papir za notranjost revije PAPIR je prispevala papirnica Gori~ane, tovarna papirja Medvode d.o.o., SORA MAT 115 g/m 2 . 26 UVOD Proizvodnja papirja je kompleksen proces. ^edalje vi{je proizvodne hitrosti, zapiranje krogotokov in uporaba razli~nih dodatkov so dodobra spremenili podobo papirnega stroja. V proizvodnjo izdelave papirja se poleg abiotskih dejavnikov vklju~ujejo tudi biotski dejavniki, saj papirni stroj nudi ugodne pogoje za razvoj organizmov. Prav biotski dejavniki in njihove interakcije s papirnim strojem ostajajo dandanes slab{e poznane. Poznavanje interakcij med organizmi in papirnim strojem (okoljem) je bistvenega pomena pri re{evanju kompleksnih problemov. In prav interakcije okolje – organizmi opisuje termin ekosistem. Je morda ~as vpeljati termin ekosistema (papirnega stroja) tudi v papirni{tvo? EKOSISTEM Sama beseda (eko)sistem se navezuje na urejen biotski sistem povezav med razli~nimi organizmi in okoljem. V splo{nem ekosistem obravnava interakcije med organizmi in interakcije med organizmi in abiotskimi – neživimi dejavniki okolja �7�. Ekosistem je IZVLE^EK Zaprti krogotoki, povi{ane koncentracije snovi v procesnih vodah in posledi~no ugodnej{i mikrobiolo{ki parametri so le nekateri dejavniki sodobnega papirnega stroja. Ugodni tehnolo{ki pogoji omogo~ajo hiter razvoj organizmov in interakcije med organizmi in papirnim strojem. Kompleksnost interakcij med organizmi in okoljem zahteva vpeljati nove metode in vklju~iti nova znanja razli~nih znanstvenih disciplin, tudi ekologije. Prav razumevanje interakcij in odnosov med okoljem papirnega stroja in organizmi je najverjetneje klju~ re{itve mikrobiolo{ke problematike v papirnicah. Klju~ne besede: paprini stroj, ekosistem, mikrobiologija, mikrobiologija v papirnicah. ABSTRACT Closed loops, elevated concentrations of substances in process waters and consequently increased microbiological parameters are only some of the factors of a modern paper machine. Favourable conditions allow for rapid development of organisms and interactions between organisms and the paper machine. As the complexity of interactions between organisms and their environment demands the introduction of new methods and integration of new knowledge from various scientific disciplines, including ecology. Understanding the interactions and relations between the environment of paper machine and organisms is likely to be the key in achieving solutions for microbiological problems in mills. Key words: paper machine, ecosystem, microbiology, microbiology of pulp and paper. sestavljen iz neživih dejavnikov (abiotski dejavniki), ki skupaj z okoljem tvorijo tako imenovani biotop in iz tako imenovanih živih dejavnikov, imenovanih biocenoza. Povedano preprosteje je biocenoza sestavljena iz razli~nih organizmov (živali, rastline, glive, virusi in bakterije) biotop pa je sestavljen iz neposrednega okolja in dejavnikov prisotnih v tem neposrednem okolju – habitatu �5�. TIPI EKOSISTEMOV Ekosisteme lahko razdelimo na podlagi razli~nih kriterijev. Obi~ajno razdelimo ekosisteme na podlagi energije, ki jo uporabljajo za življenje. Tako delimo ekosisteme na avtotrofne in heterotrofne �5��6�. Avtotrofne ekosisteme sestavljajo v pretežni meri primarni producenti, ki za vir energije uporabljajo svetlobo ali pa energijo spro{~eno iz kemijskih vezi anorganskih molekul �7��6�. Heterotrofni organizmi pridobijo energijo potrebno za življenje z oksidacijo organsko bogatih molekul, katera je produkt primarnih producentov �7��6�. Ekosisteme lahko razdelimo na popolne ekosisteme, ki vsebujejo vse tri tipe organizmov (primarne producente, primarne potro{nike in razkrojevalce). V primeru, da v ekosistemu niso prisotni vsi trije tipi organizmov, pa govorimo o tako imenovanem nepopolnem ekosistemu. Ekosisteme lahko delimo tudi na podlagi drugih meril, kot so na primer življenjski prostor – ekosistem gozda, travnika, vodni ekosistem itd. �6�. Papirni stroj nudi s svojo paleto razli~nih habitatov dobre možnosti za obstoj razli~nih organizmov. Prisotnost nutrientov, primerna pH vrednost in temperatura so le nekateri dejavniki biotopa, ki dopu{~ajo prisotnost biocenoze (razli~nih organizmov) in povezavo le-teh v sistem – ekosistem �4�. BIOTOP PAPIRNEGA STROJA Biotop sodobnega papirnega stroja se je dodobra spremenil v primerjavi z biotopom neko~ �1�. Tehnolo{ka voda pH, temperatura, prisotnost ionov in biocidov so le nekateri izmed dejavnikov okolja, ki vplivajo na poznej{o kakovost procesne vode. Priprava tehnolo{ke vode je pomembna, saj je od nje odvisen nadaljnji proces proizvodnje papirja �1��4��3��9�. RAZISKAVE IN RAZVOJ RAZISKAVE IN RAZVOJ Papir za notranjost revije PAPIR je prispevala papirnica Gori~ane, tovarna papirja Medvode d.o.o., SORA MAT 115 g/m 2 . 29 LITERATURA �1� Kanto Öqvisi, C. Microbal life and deposits in paper machine circuits. Academic Dissertation in Microbiology, Helsingi, 2008, str. 2–4, 9,18–20, 39–42. �2� RONING, C. Europe-wide analysis of paper mill microbial problems. Master of science, 2001, str. 19–24, 41–47. �3� Sanborn, J. R. Slime control in the Pulp and Paper Industry. New York, 1965, str. 32–38, 50–71. �4� Blanco, M. A., Negro, C., Tijero, J. PAPER RECYCLING: An introduction to problems and their solutions. Luxembourg, 1998, str. 21–28, 39 71, 154–167. Papir za notranjost revije PAPIR je prispevala papirnica Gori~ane, tovarna papirja Medvode d.o.o., SORA MAT 115 g/m 2 . 28 EKOSISTEMSKA INTERAKCIJA: ORGANIZEM – BIOTOP Žveplo se lahko v obliki sulfata vnese v sistem papirnega stroja že preko tehnolo{ke vode. V tehnolo{ki vodi predstavlja nov dejavnik biotopa, ki ga lahko nekateri organizmi izkoristijo. Odsotnost kisika, ugoden redoks potencial, prisotnost sulfat reducirajo~ih bakterij in ostali ugodni dejavniki biotopa lahko vodijo do redukcije sulfata in nastanka H 2 S. H 2S je v papirnicah zdelo nezaželen, saj je za ~loveka toksi~en, povzro~a pa tudi korozijo papirnega stroja �4�. Tako nastali H 2S lahko mikroorganizmi ponovno oksidirajo do sulfata. Žveplo, kot element, tako za~ne krožiti od bolj reducirajo~e k bolj oksidirajo~i obliki, kar spominja na biogeokemijsko kroženje v naravi �7�. ZNA^ILNA EKOSISTEMA PAPIRNEGA STROJA Popolni ekosistem Iz papirnega stroja lahko izoliramo alge, bakterije, glive nemalokrat pa tudi vi{je razvite enoceli~ne organizme �4�. Ekosistem, v katerem se omenjeni orga- nizmi povezujejo v sistem, imenujemo popolni ekosistem �6�. Alge proizvajajo organsko snov v procesu fotosinteze, za kar potrebujejo svetlobo in molekule ogljikovega dioksida. Stranski produkt fotosinteze je kisik, katerega bakterije porabljajo pri oksidaciji organsko bogatih molekul. Pri oksidaciji se sprosti ogljikov dioksid, kateri je v procesu fotosinteze ponovno reduciran do energetsko bo- gatih organskih molekul �7��4�. Tak{na združba organizmov je možna le v omejenih predelih papirnega stroja, kjer je prisotna svetloba in ugodni dejavniki biotopa (slika 1). V tak{nih združbah se pojavijo tudi primarni porabniki, orga- Slika 1: Primer interakcij organizmov v sistemu papirnega stroja (M. Šu{tar{i~) nizmi, ki se prehranjujejo s primarnimi producenti �5�. Nepopolni ekosistem Nepopolni ekosistem je najbolj zna~ilen ekosistem papirnega stroja (slika 2). Ve~ji del papirnega stroja vsebuje le heterotrofni tip organizmov, ki energijo za življenje pridobivajo z oksidacijo energetsko bogatih organskih snovi. Le-to, organsko snov, organizmi privzemajo iz okolja – procesa izdelave papirnega stroja. Tak{en ekosistem ozna~ujemo kot nepopolni ekosistem, saj ne vsebuje primarnih producentov, lahko Slika 2: Primer heterotrofnega ekosistema v sistemu papirnega stroja (M. Šu{tar{i~) pa ga ozna~imo tudi kot heterotrofni ekosistem, saj v njem najdemo ve~insko prisotne heterotrofne organizme �6�. ZAKLJU^EK Papirni stroj je kemijsko, tehnolo{ko in biolo{ko kompleksen sistem. Dinami~no spreminjanje dejavnikov je normalno stanje vsakodnevne proizvodnje papirja. Procesni pogoji predstavljajo dobre razmere za razvoj in povezovanje organizmov, kar vodi v sestavo razli~nih tipov ekosistemov. Interakcije organizem – papirni stroj potekajo ves ~as. ^eprav so nekatere interakcije slab{e poznane, lahko druge interakcije opazimo v koroziji, neprijetnem vonju ali madežih, luknjah in celo pretrgih papirja. Prav omenjene interakcije potrjujejo prisotnost ekosistemov. Zaradi kompleksnosti papirnega stroja ostajajo {tevilne interakcije med organizmi in papirnim strojem nepoznane in otežujejo re{evanje mikrobiolo{ke problematike. Kompleksnost interakcij in omejene možnosti preu~evanja le-teh v laboratoriju predstavljajo izziv sodobni znanosti. Razvoj metod za prenos interakcij v laboratorij in nove možnosti preu~evanja le-teh bodo v prihodnosti pomenila klju~ pri uspe{nem re{evanju mikrobiologije v papirnicah. �5� Tarman, K. Osnove ekologije in ekologija živali. Ljubljana: Državna založba Slovenije, 1992, str. 263, 298. �6� Vrhov{ek, D. in Vovk Korže, A. Ekoremediacije. Maribor in Ljubljana: Univerza v Mariboru, Filozofska fakulteta Maribor Mednarodni center za ekoremedaicije in Limnos, d. o. o., 2007, str. 8, 12. �7� Strgar, J. Leksikon biologija. Trži~: U~ila international, založba d. o. o., 2002, str. 8, 25, 100, 197, 198. �8� Kiuru, J., Tsitko, I., Sievanen, J., Wathen, R. Optimization of biocide strategies on fine paper machines. BioResources 5(2), 2010, 514–524. �9� Boari, G., Moncini, I. M., Trulli, E. Tehnologies for water and wastewater treatment. Options Mediterrraneeennes ser A/ n31, 1997, str. 261–287. �10� Danevcic T., Mandic-Mulec I. Praktikum iz fiziologije mikroorganizmov za {tudente mikrobiologije. Ljubljana: Univ. v Ljubljani, Biotehni{ka fakulteta, Oddelek za živilstvo, 2007, str. 30–37. �11� Igli~, B. Kratka tehnologija pridobivanja vlaknin in proizvodnje papirja ter kartona za slu{atelje lesarstva na biotehni~ni fakulteti univerze Edvarda Kardelja v Ljubljani. Ljubljana: Biotehni{ka fakulteta VTOZD za lesarstvo, 1988, str. 211–215. Matej Šu{tar{i~, univ. dipl. biol., In{titut za celulozo in papir