• 5

10.2. ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАСПАДА ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ

Для того чтобы происходил процесс биохимического окисления органических веществ, находящихся в сточных водах, они долж­ны попасть внутрь клеток микроорганизмов. К поверхности клеток вещества поступают за счет конвективной и молекуляр­ной диффузии, а внутрь клеток — диффузией через полупрони­цаемые цитоплазматические мембраны, возникающей вследствие разности концентраций веществ в клетке и вне ее. Однако боль­шая часть вещества попадает внутрь клеток при помощи специ­фического белка-переносчика. Образующийся растворимый комплекс вещество — переносчик диффундирует через мембра­ну в клетку, где он распадается, и белок-переносчик включается в новый цикл переноса.

Основную роль в процессе очистки сточных вод играют про­цессы превращения вещества, протекающие внутри клеток мик­роорганизмов. Эти процессы заканчиваются окислением веще­ства с выделением энергии и синтезом новых веществ с затратой энергии.

Внутри клеток микроорганизмов происходит непрерывный и очень слож­ный процесс химических превращений. В строгой последовательности с боль­шой скоростью протекает большое число реакций. Скорость реакций и их последовательность зависят от вида и содержания ферментов, которые вы­полняют роль катализаторов. Ферменты ускоряют только те реакции, кото­рые протекают самопроизвольно, но с очень малой скоростью.

Ферменты (или энзимы) представляют собой сложные белковые соеди­нения с молекулярной массой, достигающей сотен тысяч и миллионов. По строению молекулы ферменты подразделяются на одно- и двухкомпо- иентные. Первые из них являются простыми белками—протеинами, вто­рые—сложными белками — протеидами, молекула которых состоит из двух частей: первая часть, белковая, называется носителем, или апофермеитом, вторая — небелковая, называется коферментом. Каталитической активно­стью обладает кофермент, а белковый носитель увеличивает его активность.

Каталитические реакции протекают и а поверхности молекул ферментов, на которой возникают активные центры. По сравнению с химическими ката­лизаторами ферменты способны действовать в более «мягких условиях», т. е. при невысоких температурах, нормальном давлении и реакции среды, близкой к нейтральной. Другой особенностью ферментов является то, что каждый из них взаимодействует только с определенным химическим соеди­нением и катализирует одно из многих превращений, которым подвергается данное химическое соединение. При изменении состава и концентрации ве­ществ требуются ферменты иного состава.

Таким образом, каждую реакцию катализирует один соответствующий фермент. При этом продукт одной реакции служит субстратом для следую­щей. Все это является существенным отличием ферментного катализа.

Скорость биохимических реакций определяется активностью ферментов, которая зависит от температуры, рН и присутствия в сточной воде различных веществ. С повышением температуры скорость ферментативных процессов повышается, но до опреде­ленного предела. Для каждого фермента имеется оптимальная температура, выше которой скорость реакции падает. Для раз-

рушения сложной смеси органических веществ необходимо 80— 100 различных ферментов.

К числу веществ (активаторов), которые повышают актив­ность ферментов, относятся многие витамины и катионы Са2+, Mg2+, Мпу+. В то же время соли тяжелых металлов, синильная кислота, антибиотики являются ингибиторами. Они блокируют активные центры фермента, препятствуя его реакции с субстра­том, т. е. резко снижают активность. Скорость образования и распада ферментов зависит от условий роста микроорганизмов и определяется скоростью поступления в клетку веществ, инги- бирующих и активирующих биохимические процессы.

Клетки каждого вида микробов имеют определенный набор ферментов. Некоторые из них независимо от субстрата постоянно присутствуют в клет­ках микроорганизмов. Такие ферменты называются конститутивными. Дру­гие ферменты синтезируются в клетках вследствие каких-либо изменений в окружающей среде, например изменения состава или концентрации загряз­нений сточных вод. Эти ферменты появляются в период приспособления ор­ганизмов к изменению среды, поэтому называются адаптивными. Сроки адап­тации (приспособления) различны и продолжаются от нескольких часов да десятков и сотен дней,

Если в сточных водах находится несколько веществ, то про­цесс окисления будет зависеть от содержания и структуры всех растворенных органических веществ. В первую очередь будут окисляться те вещества, которые необходимы для создания клеточного материала и для получения энергии. Другие веще­ства потребляются микроорганизмами в зависимости от набора ферментов с равными или разными скоростями окисления одно­временно или последовательно. Порядок окисления вещества сказывается на продолжительности очистки сточных вод. При последовательном окислении вещества продолжительность, очистки определяется суммой длительности окисления каждого вещества в отдельности.

Внутри клетки химические соединения подвергаются различ­ным анаболическим и катаболическим превращениям. Анаболи­ческие превращения приводят к синтезу новых клеточных ком­понентов, а катаболическне являются источниками необходимой для клетки энергии. Суммарные реакции биохимического окис­ления в аэробных условиях схематично можно представить в следующем виде:

C*H„0*N-{- (х+t//4+z/3+3А) 02 Фермен™

хС02+(У — 3)/2Н20+МН8+ДЯ,     (11.184)

CxHyOgN+NH3+O2 —^^!^С5Н7Н02+С02+АЯ.  (11.185)

Реакция (11.184) показывает характер окисления вещества для удовлетворения энергетических потребностей клетки, реак­ция (11.185) — для синтеза клеточного вещества. Затраты кис-

329

лорода на эти реакции составляют БПКполн сточной воды. Если процесс окисления проводить дальше, то начинается превраще­ние клеточного вещества:

C5H7NO2+5O2 ■фСрМг"ТЫ> 5С0г+НН3+2Н20+АЯ, (11.186)'

NH3+02          HN0.+O, ферме"ТЬ; HN03.            (11.187)

где CiHjiOzN — все органические вещества сточных вод; C5H7NO2 — среднее соотношение основных элементов в клеточном веществе бактерий; ДН<— энергия.

Общий расход кислорода на четыре реакции приблизительно вдвое больше, чем на (11.184) и (11.185). Как видно из реакций,, химические превращения являются источником необходимой для микроорганизмов энергии. Живые организмы способны исполь­зовать только связанную химическую энергию. Универсальным переносчиком энергии в клетке является аденозинтрифосфорная кислота (АТФ), которая образуется в ходе реакции присоеди­нения остатка фосфорной кислоты к молекуле аденозиндифос- фор ной кислоты (АДФ):

ЛДФ+ГЦРО, АТФ+Н20.      (11.188)

Большое число биохимических реакций осуществляется с участием кофермента А. Кофермент А (или КоА, КоА — SHr. кофермент ацилирования) является производным £)-меркапто- этиламида пантотеновой кислоты и нуклеотида — аденозин- 3,5-дифос.фата (C21H36O167P3S). Его молекулярная масса 767,56. Чистый КоА — белый аморфный порошок, хорошо растворимый, в воде, является сильной кислотой, с тяжелыми металлами об­разует нерастворимые в воде меркаптиды, легко окисляется (12, Н202, КМп04, а также кислородом воздуха) с образованием дисульфидов, особенно в присутствии следов тяжелых метал­лов. КоА активирует карбоновые кислоты, образуя с ними про­межуточные соединения, ацилпроизводные КоА.

Микроорганизмы способны окислять многие органические вещества, но для этого требуется разное время адаптации. Лег­ко окисляются бензойная кислота, этиловый и амиловый спир­ты, гликоли, хлоргидриды, ацетон, глицерин, анилин, сложные эфиры и др. Так, одно-, двух- и трехатомные спирты, а также вторичные спирты хорошо окисляются, а третичные спирты окисляются с небольшой скоростью. Различной скоростью окис­ления обладают хлорпроизводные органические соединения, а нитросоединения плохо окисляются. Наличие функциональных групп увеличивает способность к биологическому разрушению соединений в такой последовательности: —СН3, -—ООССНз, —СНО, —СН2ОН, —СНОН, —СООН, — CN, — NH3, —ОНСООН, --SO3H.

Наличие двойной связи в некоторых случаях облегчает био­логическое разложение соединений. С увеличением молекуляр­ной массы вещества скорость биологического окисления умень­шается. Поверхностно-активные вещества окисляются с разной скоростью. Биологически «жесткие» ПАВ — трудноокисляемые_ а «мягкие» — легкоокисляемые. Таким образом, не все вещест­ва окисляются с одинаковой скоростью.

Установлено, что вещества, находящиеся в сточных водах в коллоидном или мелкодисперсном состоянии, окисляются с меньшей скоростью, чем вещества, растворенные в воде. Сна­чала в сточных водах из смеси веществ в первую очередь окис­ляются те вещества, которые лучше усваиваются микроорганиз­мами.

Метаболизм некоторых веществ. Окисление органических ве­ществ до СОо и Н20 происходит в несколько стадий.

Окис л с и и с углеводов описывается сложной схемой:

Ссн1206        ^^CHs-CO-S- Кол ЦТ к — С02+Н20..

(11.189))

Цикл трикарбоновьгх кислот (цикл Крсбса, цикл лимонной кислоты;. ЦТК) состоит из серии последовательных реакций, катализируемых десятью различными ферментами. Последовательность реакций описана ниже.

Ацетил-КоА под действием фермента конденсируется с щавелево-уксус- ной кислотой, образуя лимонную кислоту, которая под действием фермента' изомеризуется и чме-акопитовую кислоту, а затем в изолимонную кислоту,, которая подвергается окислительному декарбоксилироваишо. Этот процесс протекает в две стадии: сначала происходит дегидрирование изолимоиной: кислоты с образованием щавелево-янтарной кислоты, которая затем декар- боксилируется, превращаясь в кетоглутаровую кислоту. Далее происходит окислительное декарбоксилироваиис кетоглутаровой кислоты и образуется с.укцииил-КоА, который превращается в свободную янтарную кислоту. Да­лее идет дегидрирование янтарной кислоты с образованием фумаровой кис­лоты, которая превращается в яблочную кислоту. После дегидрирования- возникает щавелево-уксусная кислота, которая может вновь конденсировать­ся с ацетил-КоА (СН3—СО—S—-КоЛ).

Окисление метана и этанола. Метан окисляется но схеме

СМ., —^ СНзОН -—н IICI-IO —>- НСООН —>- СО,. (11.190).

Этиловый спирт микроорганизмы превращают в уксусную кислоту, кото­рая после реакции с ацетил-КоА включается в ЦТК:

СНзСН2ОН —СНдСНО —>- СНзСООН Ацетил-КоА —>■ ЦТК.

(11.191)'

Окисление углеводородов осуществляется следующим об­разом:

о2

СН3(СН2)„СН3 —СН3(СН2)„СН2ОН —> СНз(СН2)„СНО —

—»- СН3(СН2)„СООН —> ^-Окисление —>- Ацетил-КоА —ЦТК.

(11.192).

Пути метаболизма ароматических соединений очень многообразны. Рас­пад этих соединений связан с разрывом кольца. На это бактериям требуется кислород. Различают три типа разрыва ароматического кольца. По первому- типу кольцо разрывается между двумя соседними гидроксилированными атомами углерода. Например, под действием фермента разрыв кольца пи­рокатехина приводит к образованию цис,цис-вуконовой кислоты. По этому пути распадаются фенол, бензойная кислота, нафталин, феиантрен, антра­цен И др.

Окисление фенола начинается с, его гидроксилирования в орто- положении, при этом образуется пирокатехин (дифенол).

Большинство ароматических соединений образует сначала пирокатехин (или пирокатехиновую кислоту), который преобразуется в р-кетоаднпиновую кислоту. Эта кислота с участием КоА включается в цикл трикарбоиовых кислот:

р-О-, СООНСНаСНСНСНСО      

фенол            пирокатехин iщс, цос-муконовая  лаптоп

кислота

—> COOHCH2COCH,CH2COOH —> Ацетил-КоА —*■ ЦТК --*• C02+H20.

Р-кетоадипинопая кислота

(11.193)

Второй путь разрыва кольца ароматических соединений — это разрыв связи между гидроксилированным и негидроксилированным углеродными атомами. В этом случае иод действием фермента пирокатехин распадается я а полуальдегид 2-оксимуконовой кислоты, который далее превращается в уксусную, щавелево-уксусную, муравьиную кислоты или ацетальдегнд.

Третий путь характеризуется разрывом кольца между гидроксилирован­ным атомом углерода и атомом углерода, к которому присоединена карб­оксильная или другая группа.

Нитрификация и д е н и т р и ф и к а ц и я. При очистке сточных вод под действием нитрифицирующих бактерий протекают процессы нитри­фикации и денитрификации. Нитрифицирующие бактерии окисляют азот аммонийных соединений сначала до нитритов, а потом до нитратов. Этот процесс называется нитрификацией и протекает в две стадии. Он является конечной стадией минерализации азотсодержащих органических веществ. Присутствие нитрат-ионов в очищенной сточной воде является одним из по­казателей полноты очистки:

NH4++02 Фермента: HNQs+Од ферме,Т НШз. (И.194>

Количество активного ила, необходимого для нитрификации, рассчиты­вают, исходя из содержания органических веществ, концентрации азота и аммиака в сточных водах, активности ила. Учитывают также, способность роста и размножения микроорганизмов активного ила в условиях изменения нагрузки и окислительно-восстановительного потенциала ила.

Под действием денитрифицирующих бактерий связанный кислород от­щепляется от нитритов и нитратов и вновь расходуется на окисление орга­нических веществ. Этот процесс называется денитрификацией. Условиями осуществления процесса денитрификации являются: наличие органических: веществ, небольшой доступ кислорода, нейтральная или слабощелочная реакция.

Денитрификации — процесс многостадийный и может протекать с обра­зованием аммиака, молекулярного азота либо оксидов азота. При очистке

'f\i f\\    Г-соон

kJ ЦЧл» ~X/C00H

сточных вод денитрификация протекает           главным образом с образованием азота (резко образуется NHS):

Х>Л NHgOH NH,      ,„ mr.

NO-3   NO,     9- NO —         м * м   (И.195)

1-е- N^U         1- IN s

Азотсодержащие соединения разлагаются с выделением азота в виде аммиака. Например, карбамид (мочевина) разлагается по уравнению

C0(NH,),+2H30 — (NH4)2C03 =?==*: 2NH3+C02+H20. (11.196)

Разложение органических соединении может происходить через образо­вание аминокислот, которые далее выделяют аммиак при протекании раз­личных процессов.

Окисление серосодержащих веществ. Серу, сероводород* тиосульфата, политиоиаты и другие серосодержащие соединения серные бактерии окисляют до серной кислоты и сульфатов. Наличие в сточной воде азота, фосфора, калия и небольших количеств железа, магния, меди, цинка* бора, марганца и других веществ в некоторых случаях сильно интенсифици­рует развитие серных и тионовых бактерий. Тионовые бактерии разлагают сероводород, серу, тиосульфат и др. Конечный продукт окисления—серная кислота или сульфаты.

Процесс окисления сернистых соединений тионовыми бактериями может быть представлен следующими схемами:

HS~ —>~ S —*■ 52Оз=- —*■ S-A*- —V SO42- (II.197>

или

HS~ —+• S2022- —s- S2032- —> s2o82- —<- S20?J~ —*- so4=-

(11.198)

Установлено, что окисление сульфида кальция идет быстрее, чем суль­фида натрия.

При окислении сероводорода сначала образуется сера, которая накапли­вается в клетках в виде запасного вещества:

2H2S+02 -—*- 2H20+2S+Atf.         (11.199)

Затем при недостатке H2S идет реакция

2S+302+2H,0 -—>- 2H2S04+Atf.  (11.200)

Восстановление сульфатов — основной путь образования сероводорода в. природе. Восстанавливаются и органические соединения:

4CH3C0C00H+H2S04 —Ь 4CH3COOH+4C02+H2S. (11.201 >

При окислении тиоциаиатов (родаиидов) вначале образуются сульфиды н цианаты. Цианаты далее гидролизуются до С02 и NH3, а сульфиды окисля­ются до сульфатов:

CHNS+H2O —> HONC+HsS H0NC+H20 —>- C02+NH3,

CHNS+2H20 —*- H2S+C02+NH3.            (11.202)

Окисление железа и марганца. Железобактерии получаюг энергию в результате окисления солей двухвалентного железа до соединений трехвалентного железа:

4FeCO„+C02+6H20 —4Fe (ОН) а+4С02+ДЯ.   (11.203)

Имеются микроорганизмы, которые восстанавливают Fe3+ до Fe2+: 2FeS2-f-702+H20 —- 2FeS04+2H2S04, 4FeS04+02+2H2SQ4 —*- 2Fc(S04)3+2H20, Fe2(S04)3+6H20^=b 2Fe(QH)3+3H2SQ4.            (11.204)

Двухвалентный марганец окисляется в четырехвалентный:

Мп2++У202-|-2Н0- —Мп02+Н20.  (11.205)

Соли тяжелых металлов губительно влияют на бактерии, но есть такие» которые отличаются устойчивостью и адаптируются.

Уравнение кинетики ферментативных реакций. Это уравне­ние было предложено Михаэлисом и Ментеном. Оно определяет скорость протекания реакций внутри клеток микроорганизмов.

При выводе уравнения кинетики рассматривается следующая реакция:.

S+E ES —ь Р+Е.     (11.206)

кг

Здесь ku k2, к3 — константы скоростей процессов. В ходе этой реакции молекулы вещества S взаимодействуют с ферментом Е, образуя фермент-суб­стратный комплекс ES. Затем этот комплекс превращается в конечный про­дукт Р с регенерацией фермента. Вторая реакция также обратима, т. е. воз­можно из Р и Е вновь образование комплекса ES, но в данном случае в стационарных условиях концентрация ES остается практически постоянной, т. е. определяющую роль в кинетике играет реакция превращения ES в продукт.

В стационарных условиях скорость образования фермент-субстратного, комплекса равна скорости его распада, т. е. на основании закона действую­щих масс константа равновесия первой реакции равна:

K?=ki/k2- [£S]/([S] [£]).         (11.207).

Если начальная концентрация фермента (точнее, активных центров фер­мента) равна Еа, то уравнение материального баланса для него будет

[£„] = [£]+ [£5].           (11.208)

Таким образом, рассматривая уравнения (11.207) и (11.208), получим: /г, [£0] - [£S1 [5] =^[£S]+/i3[£S]

или

th [£о] [S] = [£S] (йз+Аз+А, [S]).

Отсюда концентрация фермент-субстратного комплекса равна:

[£S] =*,[£,] [S]/(/e2-H3+4S]).            (11.209)

Разделив числитель и знаменатель на h и обозначив получим

[£5] = [£0] [Sj/№+[S]).           (11.210)

Скорость образования продукта Р может быть записана так:

tfP/rfT=A3[£S].           (11.211).

Из двух последних уравнений следует:

dP/rfT=A3[£S]=M£o] [S]/(/Cm+[S]).            (11.212)

Из этого уравнения видно, что при малых значениях [S] скорость фер­ментативной реакции изменяется приблизительно линейно с ростом концепт- рации субстрата. Максимальное значение скорости равно к3[Е0]. В этом случае равновесие реакции сдвинуто вправо и практически весь фермент на­ходится в виде комплекса ES. Это наблюдается при значительном избытке- субстрата. В этих условиях скорость реакции не зависит от концентрации, субстрата.

Обозначив dP/dx — V, а й3[£0] = Умакс, получим уравнение Михаэлиса -— Мен те и а:

V=FMaK=[S]/(KM+[S]).        (11,213),

Константу /См называют константой Михаэлиса — Ментена. Она характеризует зависимость скорости ферментативной реак­ции от концентрации субстрата в стационарном состоянии про­цесса, Константа имеет размерности моль/л.

Если У=0,5 VMaKC, то /\м = [5]. Отсюда следует, что константа К» численно равна концентрации субстрата, при которой ско­рость ферментативной реакции составляет половину максималь­но возможной.

Для определения значения константы Км исследуют зависимость скоро­сти реакции по концентрации субстрата в широком диапазоне [S], Зависи­мость выражают графически, откладывая на оси ординат IjjV, а на оси абсцисс 1/[5]. В случае применимости к исследуемой реакции уравнения Михаэлиса — Ментана зависимость 1/У=/(1/[5]) будет изображаться пря­мой линией. Причем прямая отсекает и а оси ординат отрезок, равный 1/Кмакс, а на оси абсцисс 1//<м (рис. II-66).

Прирост биомассы. В процессе очистки сточных вод проис­ходит процесс прироста биомассы, который зависит от химиче­ской природы загрязнений, вида и возврата микроорганизмов*. БПК и ХПК, от концентрации фосфора и азота в сточной воде, от ее температуры. Прирост биомассы зависит также от скоро­сти размножения микроорганизмов и имеет сложную зависи­мость от времени. Для периодического процесса в общем виде:

 

 

 

Рис, II-66. Определение константы Км Рис. II-67. Скорость роста микроорганизмов

процесс роста микроорганизмов во времени изображается кри­вой, показанной на рис. II-67.

В зависимости от скорости выделяют несколько фаз роста микроорга­низмов. Фаза / — приспособления (лаг-фаза), когда клетки увеличиваются в размерах, но число их не возрастает. Фаза II — экспоненциального роста,, когда клетки делятся с максимальной скоростью. Фаза III — замедления роста; в ней наблюдается истощение питательных веществ. Фаза IV — фаза стационарного роста;, численность микроорганизмов остается неизменной, Фаза V — отмирания.

Наклон кривой (см. рис. 11-67) показывает мгновенную скорость роста, которая меняется в различные промежутки времени. Фаза И является пе­риодом самого быстрого развития микроорганизмов. Питательных веществ достаточно, и скорость роста не тормозится продуктами распада. Прирост биомассы происходит с постоянной скоростью по прямой линии. Тангенс уг­ла наклона этой прямой обозначают р,Манс и называют удельной экспонен­циальной скоростью роста.

Удельная скорость роста специфична для каждого вида микроорганиз­мов и среды. Зависимость ее от концентрации субстрата определяется урав­нением Моно:

Ц = Цм»ис[5]/(Л'ы+ [5]).      (11.214)

Константа Км всегда больше 0, поэтому дробь меньше единицы я Цмакс не может быть достигнута. Только при S>/(M удельная скорость близка к (Амане.

Для приближенных расчетов прирост биомассы (Пр) можно определить по формуле

Пр = К(ХПК — БПКшш,).     (11.215)

Коэффициент К, характеризующий качество ила, для ПСВ определяется экспериментально и изменяется в пределах 0,1—0,9. Прирост биомассы для монокультуры всегда меньше, чем для культур биоценоза.

При условии непрерывного поступления свежего субстрата и вывода продуктов разложения веществ можно поддерживать высокую скорость раз- множения микробов и проводить непрерывный процесс очистки сточных под. Для этого необходимо, чтобы концентрация питательных веществ и продук­тов распада поддерживалась на определенном и постоянном уровне.

Авторы: 1379 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

Книги: 1908 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я