Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Біотехнологія. Лекція 9.doc
Скачиваний:
14
Добавлен:
09.11.2018
Размер:
1.08 Mб
Скачать
  1. Стадії біометаногенезу. Мікрофлора метантенків.

Біометаногенез – складний мікробіологічний процес, у якому органічна речовина розкладається до двоокису вуглецю та метану в анаеробних умовах з участю великої кількості мікроорганізмів. Мікробіологічну анаеробному розкладу піддаються практично усі сполуки природного походження, а також значна частина ксенобіотиків органічної природи.

Метаноутворюючі бактерії – зараз відомо близько 40 їх видів, єдине джерело біологічного метану СН4. Дослідження їх проводиться з початку ХХ ст. (відкрив голандський вчений Н.М.Зєнген) Це анаеробні організми (за 2-10 хв. гинуть на повітрі ), названі ( США, К.Везе ) архебактеріями на основі їх відмінності (фізіології, біологічних шляхів утворення метану, НК рибосом, структури ліпідів тощо).

Досліджують їх вчені в спеціальних камерах в атмосфері інертного газу. Це хемотрофи, тобто вони одержують Е від окисно-відновних реакцій (утворення метану) рН-6-8.Єдиний окислювач – СО2. Субстрати для росту: Н2, СН3СООН, у деяких - мурашина кислота.

Відновлення СО2 до СН4 протікає з участю незвичних для інших організмів ферментів. Основний перенощик Н2 у цих бактерій фермент - ізоалоксазин F420, який в окисненому стані має здатність до флуоресценції жовто-зеленим кольором. Вони схильні до симбіозу (рубець жуйних тварин ), а у водоймах - ,,ворсом” покривають джгутикових. Їх середовище – затоплені ґрунти, болота, прісні води і моря. Деякі існують у гідротермальних джерелах при 80оС.

В анаеробному процесі біометаногенезу виділяють три поступові стадії , в яких приймають участь більш як 190 різних мікроорганізмів.

На першій стадії ферментативно гідролізують складні сполуки – білки, ліпіди та полісахариди. Разом з гідролітичними бактеріями функціонують і бродильні мікроорганізми – які ферментують моносахариди, органічні кислоти.

На другій стадії (ацидогенез) у процесі ферментації приймають участь дві групи мікроорганізмів: ацетогенні та гомоацетатні. Ацетогенні, продукуючі гідроген мікроорганізми ферментують моносахариди, спирти та органічні кислоти з утворенням Н2, СО2, нижчих жирних кислот (в основному ацетату), спиртів та деяких інших низькомолекулярних сполук. Деградація бутирату, пропіонату, лактату з утворенням ацетату відбувається при спільній дії ацетогенних продукуючих та утилізуючих гідроген бактерій. Гомоацетатні мікроорганізми засвоюють Н2 та СО2, а також деякі сполуки через стадію утворення ацетил – КоА та перетворення його у низькомолекулярні кислоти, в основному в ацетат.

На заключній третій стадії анаеробного розкладу відходів утворюється метан. Він може синтезуватися через стадію відновлення СО2 молекулярним воднем, а також з метильної групи ацетату. Деякі метанові бактерії здатні використовувати в якості субстрату форміат, СО2, метанол, метиламін та ароматичні сполуки.

2+ СО2=СН4 + 2Н2О

ЗН2+ СО=СН4+ Н2О

2О + 4СО = СН4 + Н2О 4НСООН=СН4+ ЗСО2+2Н2О

4СН3ОН =ЗСН4+ СО+2Н2О

СН3СООН =СН4 + СО2

90-95 % використаного вуглецю метаноутворюючі бактерії перетворюють в метан і тільки 5-10 % вуглецю перетворюються в біомасу. У літературі є дані про здатність метаноутворюючих бактерій в анаеробних умовах одночасно синтезувати та окислювати метан.

Залежно від температури протікання процесу метанові бактерії розподіляють на мезо- та термофільні. Оптимальна температура для мезофільних бактерій від З0о до 40оС, а для термофільних від 50 до 60оС. У цілому термофільний процес метаногенеза йде інтенсивніше ніж мезофільний, причому в цих умовах анаеробної переробки відходів субстрат знезаражується від патогенної мікрофлори та гельмінтів. При анаеробній переробці відходів тваринних ферм мікрофлора метантенків формується з мікрофлори шлунково-кишкового тракту даного виду тварин та мікрофлори навколишнього середовища. З найбільш поширених культур треба відмітити Lactobacillus acidophilus, Butyrivibrio fibrisolvens, Peptosteptococcus produktus, Bacteroides uniformis, Eubacterium aerofaciens. До складу целюлозо-розкладаючих бактерій мікрофлори жуйних відносять Bacteroides succinogenes та Ruminococcus flavefaciens.

Першу стадію руйнування складних органічних полімерів здійснюють бактерії з роду Clostridium, Bacteroides, Ruminococus, Butyrivibro. Головні продукти ферментації - ацетат, пропіонат, сукцинат, Н2 та СО2. Кінцевими продуктами ферментації целюлози та геміцелюлози під впливом бактерій, виділених з рубця жуйних та кишківника свиней, є різні леткі жирні кислоти.

Бактерії другої, або ацетогенної, фази, які відносяться до родів Syntrophobacter, Syntrophomonas та Desulfovibrio, викликають руйнування пропіонату, бутирату, лактату та пірувату до ацетату, Н2 та СО2 попередників метану. Ряд мікроорганізмів мають здібність синтезувати ацетат з СО2 в термофільних умовах, до них належать Clostridium formicoacetium, Acetobacterium woodii, метанові бактерії з родів Methanothrix, Methanosarcina, Methanococcus, Methanogenium та Methanonospirillum.

З рубця та гною жуйних були ізольовані такі метаноутворюючі бактерії, як Methanоbacterium mobile, Methanobrevibacter ruminantium та Methanosarcina. Після певного часу роботи метантенка при встановленому температурному режимі і на постійному субстраті утворюються порівняно стабільний консорціум мікроорганізмів. При вивченні мікрофлори свинячого гною при метановому бродінні виявлено біля 130 різних бактерій.