10.2. Закономерности распада органических веществ

Для того чтобы происходил процесс биохимического окисления органических веществ, находящихся в сточных водах, они должны попасть внутрь клеток микроорганизмов. К поверхности клеток ве­щества поступают за счет конвективной и молекулярной диффузии, а внутрь клеток — диффузией через полупроницаемые цитоплазматические мембраны, возникающей вследствие разности концентра­ций веществ в клетке и вне ее. Однако большая часть вещества попа­дает внутрь клеток при помощи специфического белка-переносчика. Образующийся растворимый комплекс вещество-переносчик диффундирует через мембрану в клетку, где он распадается, и белок-пере­носчик включается в новый цикл переноса.

Основную роль в процессе очистки сточных вод играют процес­сы превращения вещества, протекающие внутри клеток микроорга­низмов. Эти процессы заканчиваются окислением вещества с выде­лением энергии и синтезом новых веществ с затратой этой энергии.

Внутри клеток микроорганизмов происходит непрерывный и очень сложный процесс химических превращений. В строгой после­довательности с большой скоростью протекает большое число реак­ций. Скорость реакций и их последовательность зависят от вида и содержания ферментов, которые выполняют роль катализаторов. Фер­менты ускоряют только те реакции, которые протекают самопроиз­вольно, но с очень малой скоростью.

Ферменты (или энзимы) представляют собой сложные белковые соединения с молекулярной массой, достигающей сотен тысяч и мил­лионов. По строению молекулы ферменты подразделяются на одно- и двух компонентные. Первые из них являются простыми белками — протеинами, вторые — сложными белками — протеидами, молекула которых состоит из двух частей: первая часть, белковая, называется носителем, или апоферментом, вторая — небелковая, называется коферментом. Каталитической активностью обладает кофермент, а бел­ковый носитель увеличивает его активность.

Каталитические реакции протекают на поверхности молекул ферментов, на которой возникают активные центры. По сравнению с химическими катализаторами ферменты способны действовать в бо­лее "мягких условиях", т. е. при невысоких температурах, нормаль­ном давлении и реакции среды, близкой к нейтральной. Другой осо­бенностью ферментов является то, что каждый из них взаимодей­ствует только с определенным химическим соединением и катализи­рует одно из многих превращений, которым подвергается данное химическое соединение. При изменении состава и концентрации ве­ществ требуются ферменты иного состава.

Таким образом, каждую реакцию катализирует один соответству­ющий фермент. При этом продукт одной реакции служит субстратом для следующей. Все это является существенным отличием фермент­ного катализа.

Скорость биохимических реакций определяется активностью фер­ментов, которая зависит от температуры, рН и присутствия в сточ­ной воде различных веществ. С повышением температуры скорость ферментативных процессов повышается, но до определенного пре­дела. Для каждого фермента имеется оптимальная температура, выше которой скорость реакции падает. Для разрушения сложной смеси органических веществ необходимо 80-100 различных ферментов.

К числу⁷ веществ (активаторов), которые повышают активность ферментов, относятся многие витамины и катионы Са²⁺, Mg²⁺, Mn²⁺. В то же время соль тяжелых металлов, синильная кислота, антибио­тики являются ингибиторами. Они блокируют активные центры фер­мента, препятствуя его реакции с субстратом, т. е. резко снижают активность. Скорость образования и распада ферментов зависит от условий роста микроорганизмов и определяется скоростью поступ­ления в клетку веществ, ингибирующих и активирующих биохими­ческие процессы.

Клетки каждого вида микробов имеют определенный набор фер­ментов. Некоторые из них независимо от субстрата постоянно при­сутствуют в клетках микроорганизмов. Такие ферменты называются конститутивными. Другие ферменты синтезируются в клетках вслед­ствие изменений в окружающей среде, например, изменения состава или концентрации загрязнений сточных вод. Эти ферменты появля­ются в период приспособления организмов к изменению среды, по­этому называются адаптивными. Сроки адаптации (приспособления) различны и продолжаются от нескольких часов до десятков и сотен дней.

Если в сточных водах находится несколько веществ, то процесс окисления будет зависеть от содержания и структуры всех раство­ренных органических веществ. В первую очередь будут окисляться те вещества, которые необходимы для создания клеточного материа­ла и для получения энергии. Другие вещества потребляются микро­организмами в зависимости от набора ферментов с равными или разными скоростями окисления одновременно или последователь­но. Порядок окисления вещества сказывается на продолжительнос­ти очистки сточных вод. При последовательном окислении вещества продолжительность очистки определяется суммой длительности окис­ления каждого вещества в отдельности.

Внутри клетки химические соединения подвергаются различным анаболическим и катаболическим превращениям. Анаболические пре­вращения приводят к синтезу новых клеточных компонентов, а катаболические являются источниками необходимой для клетки энер­гии. Суммарные реакции биохимического окисления в аэробных ус­ловиях схематично можно представить в следующем виде:

Реакция (II. 184) показывает характер окисления вещества для удов­летворения энергетических потребностей клетки, реакция (II. 185) — для синтеза клеточного вещества. Затраты кислорода на эти реакции со­ставляют БПК_полн сточной воды. Если процесс окисления проводить дальше, то начинается превращение клеточного вещества:

где C_xH_yO_zN — все органические вещества сточных вод; C₅H₇NO₂ — среднее соотношение основных элементов в клеточном веществе бак­терий; ∆Н — энергия.

Общий расход кислорода на четыре реакции приблизительно вдвое больше, чем на (II. 184) и (II. 185). Как видно из реакций, хими­ческие превращения являются источником необходимой для микро­организмов энергии. Живые организмы способны использовать толь­ко связанную химическую энергию. Универсальным переносчиком энергии в клетке является аденозинтрифосфорная кислота (АТФ), которая образуется в ходе реакции присоединения остатка фосфор­ной кислоты к молекуле аденозиндифосфорной кислоты (АДФ):

Большое число биохимических реакций осуществляется с помо­щью кофермента А. Кофермент А (или КоА, КоА — SH, кофермент ацилирования) является производным b-меркаптоэтиламида пантотеновой кислоты и нуклеотида — аденозин-3,5-дифосфата (C₂₁H₃₆O₁₆₇P₃S). Его молекулярная масса 767,56. Чистый КоА — бе­лый аморфный порошок, хорошо растворимый в воде, является силь­ной кислотой, с тяжелыми металлами образует нерастворимые в воде меркаптиды, легко окисляется (I₂ , Н₂О₂, КМnО₄, а также кислородом воздуха) с образованием дисульфидов, особенно в присутствии сле­дов тяжелых металлов. КоА активирует карбоновые кислоты, обра­зуя с ними промежуточные соединения, ацилпроизводные КоА.

Микроорганизмы способны окислять многие органические ве­щества, но для этого требуется разное время адаптации. Легко окис­ляются бензойная кислота, этиловый и амиловый спирты, гликоли, хлоргидриды, ацетон, глицерин, анилин, сложные эфиры и др. Так, одно-, двух- и трехатомные спирты, а также вторичные спирты хоро­шо окисляются, а третичные спирты окисляются с небольшой скоро­стью. Различной скоростью окисления обладают хлорпроизводные органические соединения, а нитросоединения плохо окисляются. Наличие функциональных групп увеличивает способность к биоло­гическому разрушению соединений в такой последовательности: — СН₃ , — ООССН₃ , — СНО, — СН₂ОН, — СНОН, — СООН, — CN, — NH₂, — ОНСООН, — SO₃H.

Наличие двойной связи в некоторых случаях облегчает биологи­ческое разложение соединений. С увеличением молекулярной массы вещества скорость биологического окисления уменьшается. Поверх­ностно-активные вещества окисляются с разной скоростью. Биоло­гически "жесткие" ПАВ — трудноокисляемые, а "мягкие" — легкоокисляемые. Таким образом, не все вещества окисляются с одинако­вой скоростью.

Установлено, что вещества, находящиеся в сточных водах в кол­лоидном или мелкодисперсном состоянии, окисляются с меньшей ско­ростью, чем вещества, растворенные в воде. В сточных водах из сме­си веществ в первую очередь окисляются те вещества, которые луч­ше усваиваются микроорганизмами.

Метаболизм некоторых веществ. Окисление органических ве­ществ до СО₂ и Н₂О происходит в несколько стадий. Окисление углеводов описывается сложной схемой:

Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса, цикл лимонной кис­лоты, ЦТК) состоит из серии последовательных реакций, катализи­руемых десятью различными ферментами. Последовательность ре­акций описана ниже.

Ацетил-КоА под действием фермента конденсируется с щавелево-уксусной кислотой, образуя лимонную кислоту, которая под дей­ствием фермента изомеризуется в цис-аконитовую кислоту, а затем в изолимонную кислоту; которая подвергается окислительному декар-боксилированию. Этот процесс протекает в две стадии: сначала про­исходит дегидрирование изолимонной кислоты с образованием щавелево-янтарной кислоты, которая затем декарбоксилируется, пре­вращаясь в кетоглутаровую кислоту. Далее происходит окислитель­ное декарбоксилирование кетоглутаровой кислоты и образуется сук-цинил-КоА. который превращается в свободную янтарную кислоту. Далее идет дегидрирование янтарной кислоты с образованием фума-ровой кислоты, которая превращается в яблочную кислоту. После дегидрирования возникает щавелево-уксусная кислота, которая мо­жет вновь конденсироваться с ацетил-КоА (СН₃—СО—S—КоА).

Окисление метана и этанола. Метан окисляется по схеме

СН₄→ СН₃ОН → НСНО → НСООН → СО₂. (II. 190)

Этиловый спирт микроорганизмы превращают в уксусную кис­лоту, которая после реакции с ацетил-КоА включается в ЦТК:

СН₃СН₂ОН→ СН₃СНО → СН₃СООН → Ацетил-КоА → ЦТК. (II. 191)

Окисление углеводородов осуществляется следующим образом:

Пути метаболизма ароматических соединений очень многообраз­ны. Распад этих соединений связан с разрывом кольца. На это бакте­риям требуется кислород. Различают три типа разрыва ароматичес­кого кольца. По первому типу кольцо разрываетя между двумя соседними гидроксилированными атомами углерода. Например, под дей­ствием фермента разрыв кольца пирокатехина приводит к образова­нию цис, цис-нуконовой кислоты. По этому пути распадаются фе­нол, бензойная кислота, нафталин, фенантрен, антрацен и др.

Окисление фенола начинается с его гидроксилирования в орто-положении, при этом образуется пирокатехин (дифенол).

Большинство ароматических соединений образует сначала пиро­катехин (или пирокатехиновую кислоту), который преобразуется в β-кетоадипиновую кислоту. Эта кислота с участием КоА включается в цикл трикарбоновых кислот:

Второй путь разрыва кольца ароматических соединений — это разрыв связи между гидроксилированным и негидроксилированным углеродными атомами. В этом случае под действием фермента пиро­катехин распадается на полуальдегид 2-оксимуконовой кислоты, ко­торый далее превращается в уксусную, щавелево-уксусную, муравь­иную (ацетальдегид) кислоты.

Третий путь характеризуется разрывом кольца между гидрокси­лированным атомом углерода и атомом углерода, к которому присое­динена карбоксильная или другая группа.

Нитрификация и денитрификация. При очистке сточных вод под действием нитрифицирующих бактерий протекают процессы нит­рификации и денитрификации. Нитрифицирующие бактерии окис­ляют азот аммонийных соединений сначала до нитритов, а потом до нитратов. Этот процесс называется нитрификацией и протекает в две стадии. Он является конечной стадией минерализации азотсо­держащих органических веществ. Присутствие нитрат-ионов в очищен­ной сточной воде является одним из показателей полноты очистки:

Количество активного ила, необходимого для нитрификации, рас­считывают, исходя из содержания органических веществ, концент­рации азота и аммиака в сточных водах, активности ила. Учитыва­ют также способность роста и размножения микроорганизмов ак­тивного ила в условиях изменения нагрузки и окислительно-восста­новительного потенциала ила.

Под действием денитрифицирующих бактерий связанный кис­лород отщепляется от нитритов и нитратов и вновь расходуется на окисление органических веществ. Этот процесс называется денитрификацией. Условиями осуществления процесса денитрификации являются: наличие органических веществ, небольшой доступ кисло­рода, нейтральная или слабощелочная реакции.

Денитрификация — процесс многостадийный и может протекать с образованием аммиака, молекулярного азота либо оксидов азота. При очистке сточных вод денитрификация протекает главным обра­зом с образованием азота (резко образуется NH₃):

Азотсодержащие соединения разлагаются с выделением азота в виде аммиака. Например, карбамид (мочевина) разлагается по урав­нению:

Разложение органических соединений может происходить через образование аминокислот, которые далее выделяют аммиак при про­текании различных процессов.

Окисление серосодержащих веществ. Серу, сероводород, тиосульфаты, политионаты и другие серосодержащие соединения серные бактерии окисляют до серной кислоты и сульфатов. Наличие в сточной воде азота, фосфора, калия и небольших количеств железа, маг­ния, меди, цинка, бора, марганца и других веществ в некоторых слу­чаях сильно интенсифицирует развитие серных и тионовых бакте­рий. Тионовые бактерии разлагают сероводород, серу, тиосульфат и др. Конечный продукт окисления — серная кислота или сульфаты.

Процесс окисления сернистых соединений тионовыми бактерия­ми может быть представлен следующими схемами:

Установлено, что окисление сульфида кальция идет быстрее, чем сульфида натрия.

При окислении сероводорода сначала образуется сера, которая накапливается в клетках в виде запасного вещества:

2H₂S+O₂ → 2H₂O+2S+∆H. (II. 199)

Затем при недостатке H₂S идет реакция:

2S+3O₂+2H₂O → 2H₂SO₄+∆H. (II.200)

Восстановление сульфатов — основной путь образования серо­водорода в природе. Восстанавливаются и органические соединения:

4CH₃COCOOH+H₂SO₄→ 4CH₃COOH+4CO₂+H₂S. (II.201)

При окислении тиоцианатов (роданидов) вначале образуются сульфиды и цианаты. Цианаты далее гидролизируются до CO₂ и NH₃, а сульфиды окисляются до сульфатов:

Окисление железа и марганца. Железобактерии получают энер­гию в результате окисления солей двухвалентного железа до соеди­нений трехвалентного железа:

4FeCO₃+O₂+6H₂O → 4Fe(OH)₃+4CO₂+∆H. (II.2O3)

Имеются микроорганизмы, которые восстанавливают Fe³⁺ до Fe²⁺:

Двухвалентный марганец окисляется в четырехвалентный:

Mn²⁺ + ¹/₂O₂ + 2HO^- → MnO₂+H₂O. (II.205)

Соли тяжелых металлов губительно влияют на бактерии, но есть такие микроорганизмы, которые отличаются устойчивостью и адап­тируются.

Уравнение кинетики ферментативных реакций. Это уравнение было предложено Михаэлисом и Ментеном. Оно определяет ско­рость протекания реакций внутри клеток микроорганизмов.

При выводе уравнения кинетики рассматривается следующая ре­акция:

Здесь k₁, k₂, k₃ — константы скоростей процессов. В ходе этой реакции молекулы вещества S взаимодействуют с ферментом Е, об­разуя фермент-субстратный комплекс ES. Затем этот комлекс превращается в конечный продукт Р с регенерацией фермента. Вторая реакция также обратима, т. е. возможно из Р и Е вновь образование комплекса ES, но в данном случае в стационарных условиях концентрация ES остается практически постоянной, т. е. определяющую роль в кинетике играет реакция превращения ES в продукт.

В стационарных условиях скорость образования фермент-суб­стратного комплекса равна скорости его распада, т. е. на основании закона действующих масс константа равновесия первой реакции равна:

K_p=k₁/k₂=[ES]/([S][E]). (II.207)

Если начальная концентрация фермента (точнее, активных цент­ров фермента) равна Е_о, то уравнение материального баланса для него будет:

[E₀]=[E]+[ES]. (II.208)

Таким образом, рассматривая уравнения (II.207) и (II.208), полу­чим:

Отсюда концентрация фермент-субстратного комлекса равна:

[ES] = k₁[E₀][S] / (k₂+k₃+k₁[S]). (II.209)

Разделив числитель и знаменатель на к, и обозначив (k₂+k₃)/k₁=k_м, получим:

[ES] = [E₀][S]/(K_m+[S]). (II.210)

Скорость образования продукта Р может быть записана так:

Из двух последних уравнений следует:

dP/dτ =k₃[ES] =k₃[E₀][S ] /(K_м+[S] ). (II. 212)

Из этого уравнения видно, что при малых значениях [S] скорость ферментативной реакции изменяется приблизительно линейно с ро­стом концентрации субстрата. Максимальное значение скорости рав­но k₃[E₀]. В этом случае равновесие реакции сдвинуто вправо и прак­тически весь фермент находится в виде комплекса ES. Это наблюда­ется при значительном избытке субстрата. В этих условиях скорость реакции не зависит от концентрации субстрата.

Обозначив dP/dτ=V, a k₃[E₀]=V_макс, получим уравнение Михаэлиса — Ментен:

V=V_макс[S]/(K_м+[S]). (II.213)

Константу К_м называют константой Михаэлиса — Ментен. Она характеризует зависимость скорости ферментативной реакции от кон­центрации субстрата в стационарном состоянии процесса. Констан­та имеет размерность моль/л.

Если V=0,5V_макс , то К =[S]. Отсюда следует, что константа К_м численно равна концентрации субстрата, при которой скорость фермен­тативной реакции составляет половину максимально возможной.

Для определения значения константы К_м исследуют зависимость скорости реакции по концентрации субстрата в широком диапазоне [S]. Зависимость выражают графически, откладывая на оси ординат 1/V, а на оси абсцисс 1/[S]. В случае применимости к исследуемой реакции уравнения Михаэлиса — Ментен зависимость 1/V=f(l/[S]) будет изображаться прямой линией. Причем прямая отсе­кает на оси ординат отрезок, равный l/V_макс, а на оси абс­цисс 1/К_м (рис. II-66).

Рис. II-66. Определение константы К_м.

Прирост биомассы. В процессе очистки сточных вод происходит процесс прироста биомассы, который зависит от химической природы загрязнений, вида и возврата микроорганизмов, БПК и ХПК, от концентрации фосфора и азота в сточной воде, от ее температу­ры. Прирост биомассы зависит также от скорости размножения микроорганиз­мов и имеет сложную зависимость от времени. Для периодического процесса в общем виде процесс роста микроорга­низмов во времени изображается кри­вой, показанной на рис. II-67.

В зависимости от скорости выделя­ют несколько фаз роста микроорганиз­мов. Фаза I — приспособления (лаг-фаза), когда клетки увеличиваются в размерах, но число их не возра­стает. Фаза II — экспоненциального роста, когда клетки делятся с максимальной скоростью. Фаза III — замедления роста, в ней на­блюдается истощение питательных веществ. Фаза IV — стационар­ного роста, численность микроорганизмов остается неизменной. Фаза V — отмирания.

Наклон кривой (рис. II-67) показывает мгновенную скорость ро­ста, которая меняется в различные промежутки времени. Фаза II яв­ляется периодом самого быстрого развития микроорганизмов. Пита­тельных веществ достаточно, и скорость роста не тормозится про­дуктами распада. Прирост биомассы происходит с постоянной ско­ростью по прямой линии. Тангенс угла наклона этой прямой обознача­ют m_макс и называют удельной экспоненциальной скоростью роста.

Удельная скорость роста специфична для каждого вида микроор­ганизмов и среды. Зависимость ее от концентрации субстрата опре­деляется уравнением Моно:

Константа К_м всегда больше 0, поэтому дробь меньше единицы и μ_макс не может быть достигнута. Только при S>K_m удельная ско­рость близка к μ_макс.

Для приближенных расчетов прирост биомассы (Пр) можно оп­ределить по формуле:

Пр = К (ХПК-БПК). (II.215)

Коэффициент К, характеризующий качество ила, для ПСВ определяется эксперементально и изменяется в пределах 0,1-0,9. При­рост биомассы для монокультуры всегда меньше, чем для культур биоценоза.

При условии непрерывного поступления свежего субстрата и вывода продуктов разложения веществ можно поддерживать высо­кую скорость размножения микробов и проводить непрерывный про­цесс очистки сточных вод. Для этого необходимо, чтобы концентра­ция питательных веществ и продуктов распада поддерживалась на определенном и постоянном уровне.