2. Стадии метанового брожения: гидролиз, кислотогенная, ацетогенная и метаногенная.

Остановимся более подробно на различных стадиях ме­танового брожения. Здесь следует заметить, что в стабильно работающих анаэробных реакторах отдельные стадии брожения в значительной степени, синхронизированы и в кине­тике процесса практически не проявляются. Тем не менее, знание их закономерностей дает возможность как интенси­фицировать процесс анаэробной очистки, так и предотвра­щать его сбои.

2.2. Стадия гидролиза

Гидролиз, входящих в ОВ стоков макромолекул (полисаха­ридов, белков, липидов), осуществляется экзогенными фер­ментами, экскретируемыми в межклеточную среду различ­ными гидролитическими микроорганизмами. Действие этих ферментов приводит к продуцированию относительно прос­тых продуктов, которые эффективно утилизируются самими гидролитиками и другими группами бактерий на последую­щих стадиях метаногенеза (см. рис. 1).

Большую роль в метаногенном сообществе играют микро­организмы, гидролизующие полисахариды, присутствующие в стоках различных отраслей пищевой и целлюлозно-бумаж­ной промышленности. Выделенные из анаэробных реакторов, сбраживающих стоки с взвешенными веществами, содер­жащими целлюлозу, штаммы целлюлолитических бак­терий, как правило, являются строгими анаэробами и их концентрация при значительном содержании целлюлозных компонентов в стоке обычно составляет 10⁵—10⁶ клеток/мл ила, достигая 10¹¹ кл/мл для животноводческих стоков. В настоящее время описано более 20 видов анаэробных целлюлолитических бактерий, принадлежащих к родам Clostridium, Bacteroides, Butyrivibrio, Ruminococcus, Eubacterium, Acetivibrio, Micromonospora. В анаэробных реакторах целлюлозообразующие бактерии представлены в основном клостридиальными формами. В частности, ведущей формой в термофильных условиях является Clostridium thermocellum. Выделены и описаны анаэробные гидролитические бак­терии, разлагающие гемицеллюлозу, пентозаны, полисахари­ды клеточных стенок бактерий, крахмал, пектин. Они при­надлежат к различным родам: Clostridium, Bacteroides, Lactobacillus, Bacillus и др. Численность бактерий, гидролизующих полисахариды в анаэробных реакторах, зависит от состава и концентрации сбраживаемого стока и конструкции реактора, так численность амилолитиков особенно высока на отходах крахмального производства. Биохимия брожения полисаха­ридов изучена достаточно хорошо на чистых культурах. Ос­новными продуктами являются различные жирные и карбоновые кислоты, спирты, водород и углекислота. Показано, что в метаногенном сообществе метаболизм гидролитиков, в част­ности, целлюлозоразрушающих бактерий, подвержен регуляции со стороны метановых и гомоацетатных бактерий, потреб­ляющих водород.

Большинство протеолитических бактерий, выделяемых из анаэробных реакторов, также являются клостридиями, спо­собными расти за счет сбраживания пептидов и аминокислот, образующихся при гидролизе белковых соединений. В этом состоит их отличие от протеолитической микрофлоры руб­ца, характерной особенностью которой является потребность в углеводах и неспособность использовать аминокисло­ты. Протеолитической активностью обладают также обнару­живаемые в метантенках бактерии родов Peptococcus, Bifidobacterium, Staphylococcus, Eubacterium. Из реактора, сбраживающего стоки кожевенного завода, выделена нес­поровая термофильная протеолитическая бактерия Thermobacteroides proteoliticus. Термофильные протеолитические бактерии, развивающиеся при температуре до 80—85°, обнаружены в термофильно сброженном навозном стоке. В осадке навозохранилища и иле гиперевтрофицированного водоема обнаружено присутствие психрофильных протеолитиков, развивающихся на белковых субстратах при тем­пературе вплоть до 0°. У некоторых протеолитических клостриий высокая протеолитическая активность связана с вирулентностью. Большинство протеолитических бактерий способны также сбраживать углеводы, что прдтверждает высо­кую пластичность микроорганизмов, входящих в метановый биоценоз.

Процесс анаэробного гид­ролиза липидов осуществляется специальными фермен­тами—липазами. Большинство липаз микробиологического происхождения атакует липиды, представляющие собой глицеридные эфиры жирных кислот с длинной цепью (ЖКДЦ) по 1 и 3 позиции глицерина. .И только отдельные липазы обла­дают способностью осуществлять полный гидролиз липидов с образованием глицерина и ЖКДЦ. В ана­эробных реакторах липолитическая микрофлора представ­лена клостридиями и микрококками. К гидрогенизации нерастворимых жирных кислот способны отдельные штам­мы бактерий родов Ruminicoccus, Eubacterium, Butyrivibrio .

Анаэробный гидролиз лигнина практически не происходит, однако показано, что его фрагменты с молекулярным весом до 330 разлагаются в накопительных культурах с образова­нием СО₂, СН₄ и ацетата. Мономерные ароматические производные лигнина неустойчивы в анаэробных условиях и разлагаются с образованием жирных кислот. Имеются данные о биодеградации одного из мономерных компонен­тов лигнина — кониферилового спирта в анаэробных условиях по одному из побочных метаболических путей. Фаза гидролиза при метановом брожении тесно связана с фазой ферментации (кислотогенной), причем гидролити­ческие бактерии осуществляют обе фазы, и их иногда объеди­няют с ферментативными бактериями.