§ 7.3. Микробиологическое самоочищение

Микробиологическая трансформация ЗВ считается одним из основ­ных каналов самоочищения природной водной среды. Микробиологи-

231

ческие биохимические процессы включают реакции нескольких типов. Это реакции с участием окислительно-восстановительных и гидролити­ческих ферментов (оксидаз, оксигеназ, дегидрогеназ, гидролаз и др.). Оптимальная температура для протекания процессов биодеградации ЗВ составляет 25—30 °С.

Рост микробной популяции в отсутствие лимитирующих факторов окружающей среды описывается уравнением

dB/dt = fiB,

где ц — удельная константа роста; В — биомасса микроорганизмов или численность популяции.

При наличии лимитирующих факторов скорость потребления ли­митирующего рост культуры субстрата Р ограничена:

fi = Kmax)[P]/(ir_pb + [Р]),

где /t(max) — максимальная удельная константа роста, достигаемая при избытке субстрата в отсутствие лимитирования; К — константа

насыщения, численно равная концентрации [Р], при которой скорость роста популяции вдвое меньше максимально возможной.

Уравнение, описывающее поведение [Р] во времени и таким образом применимое для описания динамики микробиологической трансформа­ции вещества Р, может быть записано в виде

d И/Л = (- /z(max)/₇)№/(*p_b + И), (7.4)

где 7 — коэффициент выхода в виде вновь образующихся клеток или

прироста биомассы на единицу утилизируемого вещества.

В случае следовых концентраций ЗВ ([Р] < К ) уравнение (7.4)

Рь

упрощается:

d [Р]/А = - ц(ты)т/{1К)- (7.5)

Фактически это кинетическое уравнение второго порядка, типичное для химической кинетики. Величину ц{т.вх)/(^К ) по аналогии мож-

но назвать константой скорости биолиза, выражаемую в единицах концентрация вещества/время (клетки/л), если размер популяции В выражен в клетки/л. 232

Несмотря на то что уравнения (7.4) — (7.5) хорошо описывают лабораторные эксперименты, применение их к природным условиям затруднено. В природных условиях микробное сообщество получает энергию из различных источников. При этом виды, существующие на следовых количествах того или иного ЗВ как на единственном источ­нике углерода, находятся в состоянии конкуренции друг с другом. При наличии в среде нескольких источников углерода предположение о том, что вещество Р лимитирует рост популяции, может нарушаться. При этом понятие выхода клеток (7) на единицу утилизируемого вещества Р неприменимо. Если вещество Р трансформируется микро­биологически без изменения размеров популяции, то величина 7 стре­мится к нулю. Это явление называют кометаболиэмом.

Таким образом, скорость микробиологической трансформации вещества зависит не только от его химических свойств и структуры, но и от метаболической способности микробного сообщества. На практике это учитывается уравнением второго порядка:

d[P]/dt = -k_BB[P]=-kb[n (7.6)

При этом подразумевается, что биолиз осуществляется по реакции первого порядка по концентрации вещества Р и скорость его пропор­циональна микробиалыюй активности среды (А&).

Кинетика псевдопервого порядка трансформации некоторых ЗВ при фиксированных размерах популяции и прямо пропорциональный рост константы скорости с ростом численности бактерий во многих случаях доказаны экспериментально. Более того, в ряде случаев удельная константа скорости биолиза кв не зависит от фазы роста популяции, от местности и видового состава микробного сообщества. Как правило, константа скорости микробиологической трансформации ЗВ коррелирует с константой скорости щелочного гидролиза вещества:

Ч =^{а + b} Чи-

Это свидетельствует о роли гидролитических процессов в микробиоло­гической трансформации веществ, подверженных щелочному гидро­лизу.

В естественных условиях средних широт в результате микробиоло­гических процессов наиболее быстро распадаются «-алканы (на 60—90% за три недели). Разветвленные алканы и циклоалканы распа­даются медленней, чем w-алканы, — за неделю на 40%. Низкомолеку­лярные ароматические углеводороды минерализуются быстрее насы-

233

щеиных углеводородов, однако, полиароматические углеводороды разрушаются медленно. Биодеградация ароматических углеводородов сопровождается раскрытием ароматических колец за счет промежуточ­ного образования opmo-диолов. Фенолы и крезолы разрушаются мик­роорганизмами весьма эффективно. Замещенные ди- и трихлорфенолы разлагаются полностью в донных отложениях в течение 5—7 дней, нитрофенолы — в течение 14—20, дней.

Несмотря на имеющиеся примеры удовлетворительного описания микробиологических процессов самоочищения с помощью уравнения

(7.6), встречаются и вариации к , которые трудно объяснить. На про-

в

цессы биодеградации ЗВ оказывают влияние множество факторов —

освещение, содержание в воде Ог, питательных веществ, кофакторов.

Даже если микроорганизмы обладают необходимым для разруше­ния ЗВ набором ферментов, они могут не проявлять активности из-за отсутствия дополнительных субстратов или кофакторов. Поэтому мно­гие ЗВ могут микробиологически распадаться только в условиях коме-таболизма, т.е. при обеспечении соответствующими косубстратами, кофакторами и т.д.

В природных условиях возможна ситуация, когда трансформация того или иного ЗВ, осуществляемая под действием немногочисленных второстепенных представителей микробного сообщества, будет описы­ваться уравнением первого порядка, в то время как ее скорость не будет зависеть от размеров и численности доминантных микробиаль-ных видов.

Фактически, несмотря на высокие потенциальные возможности бактерий в отношении химической трансформации ЗВ, в природных условиях они не всегда могут быть реализованы. Так, внесение актив­ных микроорганизмов в водоем зачастую не оказывает влияния на скорость трансформации ЗВ в природных условиях.

Необходимо остановиться на еще одной особенности микробиологи­ческих процессов трансформации ксенобиотиков (от греч. ксейос — чужой, биос — жизнь). Это возможность образования продуктов транс­формации, которые оказываются более токсичными, канцерогенными и мутагенными соединениями, чем исходные вещества. Возник даже специальный термин "токсификация", т.е. процесс, при котором ис­ходно малотоксичный ксенобиотик подвергается в организме воздейст­вию ферментов и становится более токсичным. Это касается трансфор­мации некоторых ароматических аминов (гидроксилирование), соеди­нений, содержащих ароматические нитро- и азогруппы (образование нитрозосоединений), ароматических соединений (образование эпокси-дов) и др.

234