8.2.3. Биохимическая деструкция жиров

8.2.3. Биохимическая деструкция жиров

Жиры состоят из молекул глицеридов, сложных эфиров глицерина и  высших кислот. Общая формула глицеридов имеет вид:

где R, R₁, R₂ – углеводородные радикалы.

Жиры легко гидролизуются с участием экзофермента липазы и разделяются на глицерин и соответствующую жирную кислоту:

С₃Н₅(С₁₈Н₃₅О₂)₃ + 3Н₂О  С₃Н₅(ОН)₃ + 3С₁₈Н₃₆О₂.

                                                                                       глицерин          стеариновая кислота

В ходе внутриклеточных процессов глицерин окисляется до углекислого газа и воды. Жирные кислоты с трудом поддаются окислению и этот процесс включает ряд этапов. На каждом из них жирная кислота теряет по две метильные группы СН₂ и постепенно расщепляется до углекислого газа и воды.

8.2.4. Биохимическая деструкция углеводов

Углеводами (сахарами) называются органические соединения, для большинства которых справедлива общая формула (СН₂О)_n, где n ≥ 3. В биосфере вещества углеводной природы (включая крахмал и целлюлозу) превосходят по массе другие органические соединения, вместе взятые.

Биохимическая деструкция углеводов с получением в качестве конечного продукта углекислого газа и воды – многоступенчатый процесс. Рассмотрим это на примере деструкции глюкозы. На первом этапе в анаэробных условиях образуется пировиноградная кислота СН₂СОСООН и выделяется углекислый газ. Последующая деструкция проходит в аэробных условиях с участием нескольких групп бактерий по круговому циклу (цикл Кребса). При этом последовательно образуются трехкарбоновые кислоты (лимонная, цисаконтелитовая и другие) вплоть до щавелевоуксусной. При этом на отдельных этапах выделяется и удаляется СО₂. Конечный продукт кругового цикла – щавелевоуксусная кислота, соединяясь с углекислым газом, образует вновь пировиноградную кислоту. Однако, вследствие общих потерь СО₂ в цикле, количество этой кислоты и исходного продукта (глюкозы) уменьшается.

Аналогично разрушаются и другие полисахара, но они, в отличие от глюкозы расщепляются специализированными группами микробов (глюкозу хорошо усваивают многие виды микроорганизмов). Цикл Кребса может оставаться незавершенным; тогда в воде остаются промежуточные продукты – различные трехкарбоновые кислоты.

Целлюлоза (клетчатка) разрушается специализированными миксобактериями при их непосредственном контакте с целлюлозой. Грибы родов Fusarium, Truchoderma и других гидролизуют целлюлозу по обычной схеме – путем выделения во внешнюю среду экзоферментов. После гидролиза процесс дальнейшего расщепления осуществляется внутри клетки с помощью эндоферментов.

8.2.5. Биохимическая деструкция нуклеиновой кислоты

Нуклеиновая кислота, – биологически активный биополимер, входящий в состав клеток всех организмов. Под действием многих бактерий (Nacordia, Micobacterium и др.). Молекулы нуклеиновой кислоты разрушаются с образованием мочевой кислоты, при гидролизе которой образуется мочевина CO(NH₂)₂, а также тартоновая кислота:

.

Мочевина, в свою очередь, гидролизуется с участием фермента уразы:

CO(NH₂)₂ + H₂O  CO₂ + 2NH₃.

Нитрифицирующие микроорганизмы окисляют мочевину, мочевую кислоту и аммиак, причем органическую часть молекул органики нитрификаторы не используют, а необходимую для жизнедеятельности энергию получают путем окисления солей аммония, являющихся донорами электронов. Как и в других аэробных процессах их акцептором является кислород. Нитрифицирующие микробы угнетаются аэробами-гетеротрофами и активизируются только после того, как запасы питательных веществ в воде истощаются, развитие гетеротрофов замедляется, в воде накапливается NH₃ и О₂. Клетки нитрификаторов генерируются очень вяло.

Аммонийные соли преобразуются двумя группами нитрифицирующих бактерий в нитриты, а затем в нитраты:

2NH₃ + 3O₂ = 2HNO₂ + H₂O,

2HNO₂ + O₂ = 2HNO₃.

Этот процесс нитрификации происходит с выделением тепла при оптимальных температурах от 20 до 35 °С, проходит с постоянной ограниченной скоростью при температурах 9–20 °С и прекращается при температуре около 0 °С.

В соответствии со стехиометрическими расчетами на окисление 1 г аммонийного азота расходуется в г О₂: в нитриты – 3,43 г; а в нитраты – 4,57 г.

В состав нуклеиновой кислоты (а так же некоторых других органических соединений) входит фосфор, который в процессе деструкции органики освобождается в виде фосфорной кислоты, образующей трудно растворимые фосфаты, например, Са(НРО₄)₂.

При взаимодействии с кислотами происходит расторжение этих соединений с образованием Са(НРО₄)₂ и других.

8.2.6. Биохимическая деструкция углеводородов

Углеводороды (к ним помимо рассмотренного выше углеводов) относятся различные виды нефти, угля, горючих газов и продуктов их переработки. Углеводороды – характерный вид загрязнений, присутствующий в промышленных сточных водах. Как и в рассмотренных случаях биохимическая деструкция углеводородов – многостадийный процесс, сопровождающийся образованием ряда промежуточных продуктов (органических кислот и спиртов). Разрушение углеводородов чаще всего осуществляется адаптированными микроорганизмами. Конечными продуктами при полной деструкции являются СО₂ и Н₂О. Изучение условий биохимической деструкции углеводородов позволило определить только несколько частных случаев, когда выявляется закономерность этого процесса и имеется возможность его четкого прогнозирования.

Алканы (предельные углеводороды) имеют обобщенную формулу СnH2(n+1), где n = 1–20. При n ≤ 4 алканы – газообразные вещества (метан и другие), при 5–15 – жидкие (пентан–декан), при 16 и 20 – твердые (пентадекан и эйкозан). Алканы являются составной частью нефти и присутствуют в стоках, загрязненных нефтепродуктами. Установлено, что при n ≤ 5 алканы не окисляются, при 6–8 они токсичны, при 9–14 – окисляются незначительно. В наибольшей степени поддается биохи­ми­ческому окислению додекан СН3(СН2)10СН31 (рис. 8.6). Биохимическое окис­ление алканов может происходить по нескольким маршрутам: «предельные уг­лево­дороды – непредельные углеводороды – спирты – кетоны – жирные кислоты – конечные продукты (углекислый газ и вода)»; «алканы – кетоны – первичные жирные кислоты – конечный продукт». В зависимости от условий прохождения процесс может остановиться на одном из промежуточных этапов. Ароматические углеводороды или арены имеют обобщающую формулу СnH2n–6. Например, для бензола n = 6, для толуола n = 7 и т.д. Молекулы ароматических углеводородов включают бензольное кольцо, обладающее повышенной устойчивостью. Устойчивость кольца обусловлена его симметричностью с чередованием простых и двойных связей между атомами углерода. На рис. 8.7 приведена структурная схема молекулы бензола.

Менее устойчивыми оказываются полициклические ароматические углеводороды, состоящие из нескольких бензольных колец (рис. 8.8). Начальным этапом деструкции ароматических соединений является присоединение к кольцу гидроксил–ионов, т.е. гидроксилирование. При этом образуются производные соединения: фенолы, обладающие большей реакционной способностью, чем исходные продукты. Так, при присоединении одной группы ОН– молекула бензола превращается в простой фенол, двух – в пирокатехин и т.д. (рис. 8.9). Дальнейшая деструкция связана с разрывом бензольного кольца. Разрыв может возникнуть в месте двойной связи между двумя соседними гидроксилированными атомами углерода, между одним гидроксилированным и соседним негидроксилированным атомом углерода, между углеродными атомами, несущими боковую цепь. Аналогично происходит деструкция и полициклических углеводородов.

8.2.7. Биохимическая деструкция загрязнений бытовых сточных вод

В бытовых сточных водах органические загрязнения состоят в основном из углерода, азота, кислорода и водорода; гипотетический состав примесей выражается формулой: C_xH_yO_zN. В бытовых стоках в достаточных концентрациях содержатся фосфор и другие биогенные элементы, необходимые для жизнедеятельности микроорганизмов (табл. 8.4).

Таблица 8.4

Важнейшие источники образования химических элементов
при биохимической деструкции

Минерализация органики в аэробных условиях протекает в два этапа: на первом под влиянием экзоферментов и с участием кислорода часть органических веществ окисляется до аммиака, воды и углекислого газа, на втором с участием аммиака и кислорода в результате ферментивной реакции происходит разрушение остальной органики, синтез биомассы микроорганизмов, образуется вода и углекислый газ. Затраты кислорода на эти два вида реакции в сумме равны БПК_п исходной воды.

Прирост биологической массы в результате ее синтеза может быть оценен в зависимости от того, какая доля электронов в ходе окислительно-восстановительного процесса затрачивается в реакциях синтеза и выработки энергии, т.е. от физиологической активности клеток.

8.2.8. Аэробное окисление железа и марганца

Двухвалентное железо и двухвалентный марганец окисляются до малорастворимого состояния хемисинтезирующими аэробными микроорганизмами. Такие микроорганизмы ассимилизируют углекислоту, используя для этого электроны, выделяющиеся при реакции окисления.

К железобактериям относится большая группа микроорганизмов, окисляющих двухвалентное железо в трехвалентное:

4Fe(HCO₃)₂ + 6H₂O+O₂ = 4Fe(OH)₃ + 4H₂CO₃ + 4CO₂.

Окисление двухвалентного марганца может осуществляться многими микроорганизмами и проходит согласно реакции:

Mn²⁺ + ½ O₂ + 2OH^– = MnO₂ + H₂O.

Продукт окисления пиролюзит (двуокись марганца) является катализатором различных реакций окисления.

Выход энергии при окислении марганца мал и недостаточен для энергообеспечения марганцеокисляющих микробов. В работе [19] делается вывод, что «превращение марганца не относится к жизненоважным функциям организмов, а является побочной реакцией».

Микробиальные методы обезжелезивания (деферизации) и деманганации реализованы в схеме очистки подземных вод в пласте (способ «Веридекс»). Этот способ, как отмечает профессор Г.И. Николадзе, эффективен при достаточно высоких значениях рН и в присутствии кислорода [29]. Необходимое значение рН оределяется в зависимости от окислительно-восстановительного потенциала Е устойчивую деманганацию следует ожидать при мощности редокссистемы rH₂ > 34 – 35 (рис. 6.14).

Деферизация и деманганация достигаются при пропуске воды через двухступенчатые биофильтры, первая ступень которых обеспечивает главным образом, биохимическое удаление железа, а вторая – марганца.

Для деманганации применяют зернистые фильтры, на поверхности зерен загрузки производится высев марганцеокисляющих микроорганизмов [30].

8.3. Биохимические процессы очистки  в анаэробных условиях

8.3.1. Общие сведения

Как отмечалось, принципиальным отличием анаэробных процессов от аэробных является то, что анаэробные микроорганизмы используют в качестве акцептора электронов некоторые органические или неорганические соединения, содержащие связанный кислород. Соответствующие ферментивные реакции, называются бродильными. Хотя брожение и вызывает расщепление органики, но не обеспечивает ее полный распад.

Следует отметить, что энергетический эффект, достигаемый при анаэробном процессе, на порядок ниже, чем при аэробном. В [31] приводится следующий пример. При аэробном окислении одной молекулы виноградного сахара выделяется в 25 раз больше энергии, чем при анаэробном. Поскольку потребность в энергии бактериальной клетки одинакова, независимо от того, является ли она аэробной или анаэробной, анаэробам приходится перерабатывать значительно больше вещества для обеспечения своих энергетических нужд, чем аэробам. Поэтому распад органики в ходе анаэробных процессов неполный и протекает замедленно.

Анаэробная очистка от органики осуществляется в результате одного из видов брожения – метанового, при котором основная часть загрязнений газифицируется с образованием метана.

Метановое брожение включает два этапа. На первом протекают процессы гидролиза и ферментивные реакции расщепления белков, углеводов и жиров с образованием органических кислот жирного ряда. Кроме того, продуктами распада являются спирты, углекислота, аммиак, водород и другие. Главный продукт первого этапа брожения – уксусная кислота (70 %). На втором этапе под воздействием метанообразующих бактерий происходит распад уксусной кислоты и, параллельно, восстановление водородом углекислого газа согласно уравнениям:

СН₃СООН  СН₄ + СО₂,

СО₂ + 8Н  СН₄ + 2Н₂О.

Таким образом, в качестве конечных акцепторов электронов используется связанный кислород.

Анаэробная деструкция часто неэффективна. Так, в анаэробных условиях не разрушаются углеводороды, целлюлоза; глубина анаэробного распада органики малоконцентрированных бытовых сточных вод в пересчете на беззольное вещество не превышает 50–55 %.

Однако в ряде случаев возможны только анаэробные методы биологической очистки: денитртфикация, дефосфатирование и другие.

Важной особенностью анаэробного процесса является крайне малый (на порядок меньше, чем в аэробных процессах) прирост микробиальной массы. Поэтому при биологической очистке высококонцентрированных стоков, содержащих органические загрязнения и имеющих БПК_полн более 1–2 г/л и до 20 г/л, на первом этапе применяется анаэробная очистка, обеспечивающая снижение БПК на 90 %.

Следует отметить особую чувствительность метанообразующих микроорганизмов к физико-химическим условиям. В наибольшей степени это относится к термофильным микроорганизмам.

8.3.2. Анаэробная денитрификация

В анаэробных условиях происходит денитрификация – восстановление нитритов и нитратов.

Денитрификаторы относятся к категории факультативных микроорганизмов, т.е. в зависимости от конкретных условий они ведут себя как аэробы или как анаэробы. Денитрификация происходит при дефиците кислорода в воде, т. е. в условиях неблагоприятных для конкурирующих гетеротрофных аэробов. Дентирификаторы используют в качестве акцептора электронов связанный кислород, входящий в состав нитритов и нитратов, передавая ему электроны окисляемой органики (углеводов, аминокислот, органических кислот и других). При недостатке органики в воду следует добавлять углеродосодержащие примеси, например, метиловый спирт. Общая схема денитрификации, включая ряд промежуточных продуктов, имеет вид:

NO₃^– → NO₂ → NO → N₂O → N₂↑.

Процесс денитрификации, во время которого микроорганизмы окисляют органическое вещество (СН₃ОН), используя связанный кислород, входящий в состав нитратов, может быть записан в следующем виде:

.

Таким образом, рН воды, понизившийся при нейтрализации, вновь повышается.

Денитрификация проходит при дефиците кислорода, т.к. использование свободного кислорода как акцептора электронов дает больший выход энергии, чем связанного. Процесс нуждается в присутствии органики. Значение  должно быть не менее 3,5–4,0.

В процессе денитрификации происходит выделение кислорода: при восстановлении нитратов в нитриты – 1,71 г, нитритов в азот –2,85 г кислорода в расчете на 1 г азота. Полная денитрификация происходит при рН = 7,0.

8.3.3. Анаэробное восстановление тяжелых металлов

В этих процессах соединения металлов являются только источниками связанного кислорода, как акцептора электронов. Соответствующие анаэробы по характеру питания относятся к гетеротрофам, т.е. имеющим смешанное питание и нуждающихся в готовых органических соединениях.

Чаще всего восстановление металлов может осуществляться различными анаэробами, т.е. не иметь специфических возбудителей. Среди восстанавливаемых металлов молибден, теллур, селен, ртуть. Достаточно хорошо исследовано биохимическое восстановление шестивалентного хрома в трехвалентный [32].

Процесс протекает активно при минимальной затрате субстрата, который, окисляясь, служит донором электронов: этилацетата, пропилового и изопропилового спирта, отработанного трансформаторного масла и других углеродосодержащих веществ.

8.4. Сооружения для аэробной очистки сточных вод

8.4.1. Общие сведения

Городские и промышленные сточные воды представляют собой многокомпонентные по составу и дисперсности частиц смеси. Клеточная масса, используемая для очистки, включает значительное количество различных культур, находящихся в неоднозначных взаимоотношениях. Часто продукты жизнедеятельности одних культур служат источником питания других. Возможны ситуации, при которых между отдельными культурами возникает антагонизм и культура, находящаяся в подавленном состоянии, начинает развиваться только тогда, когда условия жизнедеятельности доминировавшей культуры почему либо становятся неблагоприятными. Например, неблагоприятные изменения физико-химического качества воды приводят к бурному развитию сине-зеленых водорослей, что вызывает вспухание активного ила.

Как правило, поступление сточной воды на очистку непрерывное и сооружения работают по проточному режиму. Это может привести в ряде случаев к выносу биологической массы и уносу ферментов.

Биологическая очистка сточных вод целесообразна, если основная масса загрязнений поддается биохимической деструкции и БПК составляет значительную долю от ХПК (табл. 8.2). В зависимости от типов очистных сооружений БПК_п сточной воды может быть понижено до 15–3 мг/л.

8.4.2. Характеристика биологической массы

В очистных сооружениях биологическая масса находится в виде свободно плавающего активного ила или в иммобилизованном (закрепленном) состоянии. Микробиальный состав массы и в том, и в другом случае практически одинаков, а биоценоз включает организмы первых трех трофических уровней.

Активный ил состоит из комочков размерами до 150 мкм, образующих хлопья, взвешенные в потоке сточной воды. Приблизительно 60 % ила представлена культурами микроорганизмов; около 40 % по массе состоит из частиц субстрата, сорбированного илом.

В потоке, оказывающем механическое воздействие на микробиальные клетки, усиливается выделение последними биологических флокулирующих веществ и образование скоплений в виде слизистых капсул (зоогелей). Считают, что вещества, входящие в состав слизи, влияют на электрические заряды клеток, в результате чего клетки находятся на некотором расстоянии друг от друга, хотя и связаны между собой флокулирующими веществами. Такая структура хлопьев делает их прекрасными сорбентами: поверхность хлопьев (в пересчете на сухое вещество) составляет около 1000 м² на 1 г, т.е. того же порядка, что и активированных углей.

В одном кубическом метре ила содержится до 10¹⁴ живых клеток, в том числе 1 % анаэробов.

Биологическая пленка образуется на поверхностях каркасов – носителей в результате иммобилизации (от латинского – неподвижный). Наряду с микробиальной массой в состав пленок входят грибы, плесени, инфузории, личинки насекомых, черви. При увеличении толщины пленки нарушается кислородоснабжение «погребенных» участков, где и возникают анаэробные условия. До 25–28 % микробиальной массы пленки составляют анаэробы. Количество живых клеток на 1 м³ пленки на два порядка меньше, чем в активном иле.

Иммобилизация клеток имеет ряд преимуществ. Активная часть закрепленной биомассы сконцентрирована в поверхностном слое толщиной от 40 до 1000 мкм. Относительная скорость воды у этой поверхности больше, чем у поверхности свободноплавающих клеток. По мнению профессора Н.И. Куликова [33] повышение относительной скорости приводит к уменьшению толщины гидратного слоя Нернста и к увеличению активности клеток. Результатом является уменьшение значения коэффициента Михаэлиса и возрастание скорости ферментивной реакции.

Сочетание аэробных и анаэробных микроорганизмов, входящих в состав пленки, а так же ее сорбционные свойства оказывают позитивное влияние на процесс очистки.

Закрепление биомассы позволяет сформировать ступени очистки с различающимся биоценозом.