Автор статьи:
Игорь Ливен
В основе методов биологической очистки лежат процессы жизнедеятельности бактерий и микроорганизмов, существующие в природной, естественной среде, благодаря которым происходит очищение воды от загрязнений различного характера. Они основываются на способности бактериальной биомассы к использованию в качестве питательного субстрата, служащего для поддержания их жизнедеятельности, большое количество загрязнений органического, а так же некоторых неорганического происхождения. Помимо использования в пищу разнообразные вещества, бактерии и микроорганизмы имеют способность к быстрому размножению, которое лимитируется равновесием экосистемы, к тому же их они склонны к образованию скоплений, которые после завершения процесса очистки можно легко отделить от воды.
Основы теории биологического окисления органических веществ
Процессы биохимического окисления, происходящие в бактериальном клеточном пространстве, разделяются на два диаметрально противоположных по своей сути, на разложение молекул, то есть катаболизм, и их синтез, то есть анаболизм. Оба они слагаются в метаболизм, процесс обмена веществ, являющийся основой жизненного цикла бактерий. В процессе катаболизма происходит разложение одних органических веществ, а в процессе катаболизма синтезируется новая клеточная биомасса, а так же новые органические вещества, являющиеся продуктами разложения питающего бактерии субстрата. Эти реакции проходят за счет энергии, производимой бактериями и микроорганизмами в процессе биохимического окисления. Источником этой энергии служат жиры, углеводы, белки и прочие органические вещества, поддающиеся разложению с участием кислорода, или же в его отсутствии. Продукты такого клеточного разложения могут выделяться в окружающую среду, или же накапливаться в клеточном пространстве. Частично они там накапливаются и потребляются клеткой при отсутствии внешних источников питания.
Все эти процессы проходят при непосредственном участии ферментов, которые могут находиться как во внутреннем пространстве клетки, накапливаться в ее цитоплазме и быть встроенными в мембраны, так и на ее поверхностной оболочке и в окружающей среде. Из них состоит от 40 до 60 процентов клеточного белка, количество их разновидностей может быть больше тысячи, а каталитическое действие на каждую из реакций биохимического окисления оказывают от 50 до 100 молекул фермента, соответствующего этому процессу. Часть из них представлена сложными белками, имеющими в своем составе небелковую часть, называемую коферментом и состоящую из витаминов или ионов металла. Все ферменты подразделяются на шесть основных классов, в зависимости от типа реакций, на которые они оказывают каталитическое действие:
- первый класс состоит из ферментов, участвующих в реакциях окисления-восстановления;
- второй класс занимается реакциями переноса химических групп между органическими веществами;
- третий класс занимается реакциями расщепления органики, происходящих с отделением функциональных групп, а так же реакциями их присоединения;
- четвертый класс ускоряет реакции гидролитического расщепления;
- пятый класс занимается реакциями разложения;
- шестой класс определяет ход реакций присоединения.
Бактериальные клетки могут использовать в качестве питательного субстрата только вещества, растворенные в воде, так как только в этом виде они могут проникнуть сквозь клеточную мембрану. Поэтому бактериальные клетки выделяют в окружающую среду ферменты, благодаря которым проходит гидролиз сложных органических веществ.
Небелковая часть фермента, или кофермент, определяет его участие в реакциях определенного типа. К первому относятся реакции, в которых происходит перенос электронов и ионов водорода, второй тип реакций идет с переносом атомарных групп, а третий тип участвует в реакциях синтеза, разложения и изомеризации углеводородных соединений. Действие ферментов носит сложный и многоступенчатый характер, который определяется типом и способом дыхания бактерий. Теоретические основы этого процесса ранее описывались на фундаменте, состоящем из трех основных предположениях. Первое состоит в том, что извлекаемые из водной среды вещества адсорбируются на поверхности клетки и накапливаются там. Второе заключается в диффузионном перемещении внутрь клеточного пространства через мембранную клеточную оболочку растворенного органического вещества, или продуктов гидролиза нерастворимой органики, или же гидрофобного комплекса, в состав которого входит органическое вещество, склонное к гидратации и белок. Третье полагает, что диффузия вещества в клеточное пространство происходит за счет протекания метаболических реакций его разложения и последующего синтеза новых веществ. Поэтому, по положениям этой теории, процесс извлечения питательного субстрата, которым являются органические загрязнения, берет свое начало с адсорбции и накопления питательного вещества на поверхности бактериальной клетки. Этим и объяснялась необходимость перемешивания смеси бактерий и разлагаемых веществ, направленная на увеличение количества взаимодействия молекул растворенной органики с клеточной оболочкой, для улучшения условий их сорбирования. Далее эта теория разъясняет, каким образом адсорбированной на внешней поверхности клетки органическое вещество проникает внутрь клеточного пространства. Это объясняется его возможным присоединением к специфической белковой форме, переносящей его на поверхность поверхностного мембранного слоя. После этого это вещество остается на поверхности или же посредством диффузионного перемещения попадает во внутриклеточное пространство. До определенного момента оно накапливается у мембранного слоя, а после того, как начинаются процессы внутриклеточного биохимического превращения, диффундирует уже за счет снижения его концентрации во внутриклеточном пространстве. Последний этап биохимического разложения заключается в окислении органики до конечных продуктов реакций метаболизма, к которым относятся углекислый газ, вода, сульфатные и нитратные соединения. Если процессы разложения проходят в аэробных условиях, то часть полученных веществ тратится на воспроизведение и прирост клеточной биомассы; в анаэробных условиях большая часть этих веществ тратится на синтез метана, из которого в основном и состоит биогаз, а так же аммиака и сероводорода, меньшая часть тратится на воспроизведение бактерий.
Но в этой теории не объясняются моменты накопления в клетке органических веществ, что противоречит положению их диффузного переноса за счет снижения концентрации в процессе клеточного метаболизма. Поэтому предыдущие положения дополняются теорией активного транспортного процесса, когда органические вещества, имеющие сходное строение, конкурируют за прикрепление к переносчику вещества, а не просто перемещаются во внутриклеточное пространство за счет диффузии, вызванной снижением концентрации. Кроме того, в мембране предполагается наличие определенных каналов, рассчитанных на проникновение определенных веществ и закрытых для других. То есть переносчик вещества перемещает только тот вид органики, под который он закодирован на генном уровне. При этом сама функция переноса распределяется между несколькими видами белков. Первый из них определяет в растворе нужный вид органики, связывает и подводит его к поверхности клеточной мембраны. Второй белок занимается непосредственным переносом выделенного и накопленного таким образом вещества во внутриклеточное пространство. Именно таким способом из водной среды выделяются определенные виды сахаров, аминокислот, карбоновых кислот и некоторых ионов неорганического происхождения, необходимых для осуществления клеточного метаболизма. Энергия, затрачиваемая на выделение и перенос нужного органического вещества, составляет часть той, что выделяется в процессе реакций биохимического окисления данного рода веществ. В процессе переноса эта энергия расходуется на химическое изменение переносимого органического вещества или переносящего его белка с целью исключения их взаимодействия, как и выделение синтезированной органики диффузионным путем обратно в водную среду.
Для получения более полной информации, надо обратиться к нашим специалистам по телефону
+7 (495) 268-0242, или почте info@nomitech.ru, они окажут помощь в подборе необходимого оборудования, которое будет соответствовать вашим требованиям как в части технических характеристик, так и в ценовом плане.
