Технологии

Участие ферментов в процессе окисления и механизмы прохождения реакций

16 октября 2014

Автор статьи: Игорь Ливен

Статьи по теме:

Процессы биохимического окисления, проходящие при непосредственном участии ферментов, теоретически базируется на двух основных постулатах. Согласно первому, фермент при взаимодействии с органическим веществом образуют комплексное соединение, благодаря чему биохимическое окисление является результатом прохождения нескольких промежуточных реакций, имеющих невысокий энергетический барьер. Второй постулат заключается в том, что после прохождения всех необходимых для биохимического окисления промежуточных реакций, фермент, являющийся их участником, сохраняет исходный состав и свойства, и способен принимать участие в реакции окисления следующей молекулы разлагаемой органики. В целом, этот процесс напоминает теорию неорганического катализа, за исключением того, что вместо нестойких неорганических соединений, в водной среде идет образование сложных комплексных соединений, состоящих из молекул окисляемой органики и соответствующих ферментов. Если рассмотреть на примере извлечения глюкозы, то она образует с соответствующим ей ферментом, глюкозооксидазой, комплекс, в состав которого, помимо них, входит кислород. Это неустойчивое комплексное соединение распадается на глюконолактон и перекись водорода. Далее глюконолактон вступает в реакцию гидролиза, результатом которой является глюконовая кислота. Перекись водорода, являющаяся побочным продуктом этих реакций, в свою очередь распадается под воздействием фермента каталаза на воду и кислород.

Ферменты, необходимые для биохимического разложения определенного вещества, начинают синтезироваться только при его наличии в водной среде. Действие ферментов является выборочным, при этом они могут, как воздействовать только на одно определенное органическое вещество, так и проводить катализ окисления группы веществ, которых объединяет наличие сходных по составу функциональных групп. Кроме того, избирательное действие ферментов может определяться и стехиометрическим строением молекул. Поэтому ферменты участвуют либо в реакциях окисления, проходящих с присоединением к молекуле атомов кислорода и отщеплением водорода, либо восстановления, где наоборот, идет отщепление кислорода и присоединение водорода. При участии в реакции дегидратации определенный фермент отщепляет от молекулы только атомы определенных функциональных групп, расположенных в соответствующей части молекул разлагаемого органического вещества, или же промежуточных продуктов каталитической реакции.

В связи с этим все процессы биохимического окисления органических веществ подразделяются на три группы, в зависимости от того, к кислороду, органическому веществу, или кислотному остатку неорганической кислоты присоединяется по донорно-акцепторной связи протон водорода. Если акцептором протона является кислород, то процесс биохимического окисления называется клеточным, или аэробным дыханием. В случае, если акцептором водорода служит органическое вещество, то процесс является брожением. Если протон водорода присоединяется ионами сульфатов, нитратов или других солей, то процесс биохимического окисления называется анаэробным дыханием.

Аэробный процесс биохимического окисления является самым полным, так как его конечные продукты являются веществами, которые уже не поддаются разложению в клеточном пространстве и с помощью химических реакций, к которым относятся углекислый газ и вода. Стоит отметить, что вода является продуктом реакций только аэробного окисления, в то время как углекислый газ выделяется и при прохождении анаэробных процессов.

Получить консультацию специалиста Консультация

Аэробное разложение сложной органики является процессом, проходящим в несколько последовательных стадий, на первой из которых происходит гидролитическое расщепление сложных органических веществ с переводом в растворимую форму, которая так же подвергается изменениям в продолжение дальнейших стадий окисления. В этом случае окисляемость органических веществ зависит от пространственного строения из молекул и того, насколько прочными являются в них углеродные связи. Самыми легкоокисляемыми считаются сахара, после них идут многоатомные спирты и карбоновые кислоты. Практически весь потребляемый в период течения этого процесса кислород затрачивается на анаэробное клеточное дыхание, которое является источником клеточной энергии.

Процессы брожения представляют собой неполное разложение органических веществ, проходящее без участия кислорода. При этом происходит образование частично окисленных продуктов реакции, глицерина, муравьиной, молочной и пропионовой кислот, бутилового, метилового и этилового спиртов, ацетона, метана и других более простых органических веществ. На их производство затрачивается около 97% органических веществ, подвергающихся реакции анаэробного сбраживания. В природе подобное расщепление белковой органики и аминокислот под действием ферментов представляет собой процесс гниения.

Процессы биохимического окисления, проходящие в анаэробных условиях, характеризуются сравнительно небольшим образованием энергии, поэтому для поддержания метаболизма бактериальным клеткам приходится потреблять большее количество органических веществ, не доводя до предела глубину их разложения. Это объясняет и намного меньший прирост биомассы, чем при процессах биохимического окисления, проходящих с участием кислорода. Тип метаболизма не всегда определяется наличием кислорода, чаще он зависит от концентрации органических окислений, поэтому совместно с аэробными процессами возможно протекание и процессов анаэробного разложения. Поэтому при концентрации органических загрязнений, оцениваемой по показателю БПКполн до 1000 мг/л, рациональным является применение методов аэробного биохимического окисления. Для стоков, характеризуемых БПКполн в пределах 1000-5000 мг/л, возможно использование того и другого метода очистки. Если же БПКполн выше 5000 мг/л, то анаэробные методы очистки будут наиболее эффективны, хотя при этом следует учитывать необходимость утилизации побочных продуктов реакции, к числу которых относятся биогаз и органический стабилизированный осадок. Весьма эффективным является последовательное сочетание обоих методов биохимического окисления. Самым распространенным является сочетание предварительной анаэробной и последующей аэробной биологической очистки.

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.