2.4. Ацетогенная стадия

Разложение восстановленных органически соединений, про­дуктов кислотогенной стадии, осуществляют облигатные протонвосстанавливающие или облигатносинтрофные бактерии, как правило нуждающиеся в водородиспользующих партне­рах, за что их часто называют синтрофными бактериями. Взятые в целом как группа, они в процессе метаногенеза расщепляют спирты и жирные кислоты (линейные, изо- и ароматические) с образованием уксусной кислоты, водорода и углекислоты. Удаление водорода, кроме метановых бак­терий, могут осуществлять сульфатредукторы, что более вы­годно термодинамически.

Первый вид ацетогенных бактерий выделен Брайантом из считавшегося чистым видом симбионта Methanobacillus omelianskii. Выделенный организм осуществляет окисле­ния этанола до ацетата и водорода:

Термодинамически эта реакция становится выгодной только при эффективном удалении водорода, которое и осуществляют водородиспользующие метаногены.

В настоящее время описано несколько облигатных протонвосстанавливающих бактерий, использующих жирные кис­лоты. В 1979 г. в лаборатории Брайанта была выделена и за­тем описана бактерия Syjitrophomonas volfei, которая ана­эробно окисляет бутират в кокультуре с Desulfovibrio sp. или Methanospirillum hungatii. Годом позже выделили синтрофную ассоциацию, содержащую бактерию Syntrophobacter wolinii, окисляющую пропионат в кокультуре с теми же партнерами. Затем была описана бактерия Syntrophomonas buswelii, разлагающая бензоат в бинарной культуре с метаногеном до метана, ацетата и СО₂.

Соответствуют щие реакции для этих бактерий приведены в таблице

Кроме S. volfei бутират окисляют Syntrophomonas sapovoran и Clostridium bryantii. Эти организмы способны использовать также кротонат и другие растворимые и нерастворимые ЖКДЦ, при этом первые две из них не нуждаются в водород- использующем партнере и сбрасывают электроны на про­межуточные продукты, образуя пропионат. Конверсия изомерных жирных кис­лот, например изомасляной, протекает через предваритель­ную изомеризацию последней в бутират.

Из данных таблицы видно, что термодинамическая воз­можность протекания реакций разложения восстановленных продуктов определяется жесткими условиями в отношении парциального давления Н₂. Расщепление пропионовой кисло­ты может происходить при парциальном давлении водорода ниже 9*10⁵ атм. Аналогичные критические точки для конверсии бутирата и этанола равны 2*10³ и 0,15 атм соответственно. Реакции анаэробного разложения жирных кислот называют также реакциями β-окисления.

При небольшом увеличении парциального давления водорода выше критических значений, деятель­ность соответствующих ацетогенных микроорганизмов пре­кращается, особенно это относится к бактериям, расщеп­ляющим пропионат, который играет крайне важную роль в анаэробном разложении сложных органических субстратов, так как 30% электронного потока при их разложении «про­текает» через пропионат (рис.1). Поэтому при возник­новении нарушений режима работы анаэробных реакторов, например при перегрузках, начинает резко накапливаться пропионовая кислота (в первую очередь) и другие высшие ЛЖК. Таким образом, существует корреляция между накоп­лением этих кислот и парциальным давлением водорода. Так как современные приборы позволяют относительно про­сто и точно следить за последним параметром, то он может служить ранним индикатором перегрузки реактора и нару­шения сбалансированности процесса.

Парциальное давление водорода в метаногенной экосистеме регулирует не только конечные продукты жизне­деятельности ферментативных бактерий, но и их последую­щее расщепление с помощью ацетогенных бактерий. Как правило, концентрация водорода в жидкой среде анаэроб­ных реакторов варьирует в диапазоне 10^-8—10^-5 M. Связь между парциальным давлением и молярной кон­центрацией водорода определяется законом Генри и для мезофильного режима (35° С) имеет вид:

Из вышеизложенного, на ацетогенной стадии существует тесная синтрофная связь между водородогенными бактериями и водородотрофами. Большинство водородогенных реакций являются энергетически невыгодными при стандартных термодинамических условиях и могут осущест­вляться только тогда, когда P_H2 в системе поддерживается на низком уровне с помощью водородотрофов. При биодеградации сложных органических смесей может реализо­ваться ситуация, когда высокоэнергетические водородогенные субстраты, окисляясь, создают достаточно высокий уровень Рн₂ который будет блокировать расщепление низ­коэнергетических субстратов.

В метановом биоценозе существует тес­ный симбиоз между ацетогенными батериями и водородиспользующими метаногенами, определяющую роль в нем играет межвидовой перенос водорода. Воздействие массопереноса может менять локальную концентрацию водорода и влиять на кинетику процесса.