2.1.5. Биодеградация загрязнений в аэробных условиях

Процесс изъятия загрязнений, поступающих со сточной водой в аэротенк, можно разделить на 3 стадии:

1. Диффузия загрязнений из жидкой фазы и сорбция их на поверхности хлопьев активного ила. Скорость этого процесса определяется законами диффузии и зависит от гидродинамической обстановки в аэротенке. Сорбция загрязнений осуществляется очень быстро. Через несколько минут контакта сточной воды с иловой смесью концентрация загрязнений в воде существенно снижается.

2. Поступление веществ внутрь клеток. В зависимости от вида организмов и загрязнений перенос веществ осуществляется диффузией, активным транспортом либо фагоцитозом. Макромолекулы расщепляются на более мелкие фрагменты экзоферментами, секретируемыми клетками. Твердые частицы загрязнений также сорбируются на поверхности хлопьев ила, а далее либо потребляются простейшими, либо, если это органические вещества, могут расщепляться экзоферментами.

3. Катаболизм (расщепление) загрязняющих веществ до простых соединений. Он сопровождается выделением энергии и образованием восстановительных эквивалентов (атомов водорода, электронов, гидрид-ионов). И энергия, и восстановительные эквиваленты используются в процессах биосинтеза (анаболизме), т. е. происходит прирост активного ила.

Катаболизм углеводов. В сточных водах могут содержаться и моно-, и полисахариды.

Утилизировать моносахариды способно большинство микроорганизмов, причем гексозы усваиваются легче, чем пентозы. Из гексоз легче всего утилизируется глюкоза, галактозу усваивают не все микроорганизмы. Из пентоз лучше усваивается ксилоза.

Основные пути превращения моносахаридов: гликолиз, пентозофосфатные пути и путь Энтнера – Дудорова.

Олиго- и полисахариды расщепляются теми микроорганизмами, которые имеют для этого соответствующие гидролитические ферменты.

Амилазу, катализирующую расщепление крахмала, синтезируют многие грибы и бактерии.

Целлюлоза и гемицеллюлозы в аэробных условиях расщепляются бактериями и грибами. Среди бактерий основная роль принадлежит скользящим бактериям, которые передвигаются вследствие неравномерного выделения слизи поверхностью клеток. Это представители родов Cytophaga, Sporocytophaga, Sorangium, Cellulomonas, миксобактерии и др. Одни из них продуцируют целлюлазы в окружающую среду, другие осуществляют расщепление целлюлозы только в непосредственном контакте с ней. Интенсивно разлагают клетчатку грибы Trichoderma viride, Aspergillus niger, Fusarium spp., выделяя ферменты в окружающую среду.

Гемицеллюлозы расщепляются более активно, чем целлюлоза. Целлюлозоразрушающие микроорганизмы имеют значение на очистных сооружениях целлюлозно-бумажных, деревообрабатывающих предприятий.

Пектиновые вещества расщепляются бактериями, способными образовывать пектиназу: Bacillus polymyxa, Clostridium felsineum и др.

Катаболизм жиров. Способностью расщеплять жиры обладают многие микроорганизмы. Под действием липаз жиры гидролизуются до глицерола и жирных кислот. Глицерол далее окисляется до пировиноградной кислоты и вовлекается в цикл Кребса. Жирные кислоты подвергаются β-окислению с последовательным отщеплением двухуглеродного фрагмента – ацетил-СоА. Активный минерализатор жиров Pseudomonas fluorescens постоянно присутствует в активном иле. Кроме того, в разложении жиров участвуют Bacillus fluorescens, Pseudomonas liguefaciens, Achromobacter lipolyticum, другие бактерии и грибы.

Катаболизм углеводородов. В большинстве случаев разложение алифатических углеводородов начинается с окисления концевой метильной группы в первичную спиртовую и протекает только в присутствии молекулярного кислорода. Для осуществления этой стадии микроорганизмы должны иметь ферменты оксигеназы. Спирты далее окисляются до жирных кислот.

Метан окисляется специфической группой микроорганизмов, которые не используют другие органические соединения, за исключением метанола. Это представители родов Methylomonas, Methylobacter, Methylococcus.

Этан, пропан, бутан окисляются легче метана, труднее всего окисляются алканы с числом углеродных атомов от 5 до 10. По мере удлинения цепи возрастает число микроорганизмов, способных усваивать соответствующее соединение: это бактерии Pseudomonas, Acinetobacter, Arthrobacter, Mycobacterium, Micrococcus, дрожжи рода Candida. Разветвленные производные алифатических углеводородов в ряде случаев также доступны микроорганизмам. При замещении атомов водорода метильными группами имеет значение число этих групп и их расположение в цепи. Алканы с четным числом заместителей разлагаются хуже, чем с нечетным. Замещение водорода группой более длинной, чем метильная повышает устойчивость к микробиологическому воздействию.

Большинство ароматических соединений превращается на первом этапе в катехол или протокатеховую кислоту, которые служат субстратом для последующих реакций окислительного расщепления. Ферменты, катализирующие расщепление ароматического кольца, являются индуцибельными, т. е. синтезируются клеткой только во время роста на средах с ароматическими соединениями. При этом полициклические ароматические соединения (нафталин, фенантрен, антрацен) менее токсичны и подвержены воздействию большего количества микроорганизмов, чем моноароматические. Окислять ароматические углеводороды способны представители родов: Pseudomonas, Mycobacterium, Bacillus, Flavobacterium, Nocardia, Aspergillus, Penicillium и др.

К группе фенилзамещенных алифатических углеводородов относятся многие детергенты и пестициды. Некоторые из них могут использоваться штаммами микобактерий, псевдомонад, микрококков, другие – чрезвычайно устойчивы к микробиологическому воз-действию, в воде и почве сохраняются в течение многих лет. Также трудно поддаются биологическому окислению ароматические соединения, содержащие в кольце галогены и нитрогруппы.

Лигнин -- наиболее устойчивая часть растительной ткани. Чистыми культурами микроорганизмов он разлагается крайне медленно, на протяжении нескольких месяцев и даже лет. Консорциумы микроорганизмов потребляют лигнин значительно быстрее. Есть сообщения, что в аэротенках, очищающих сточные воды производства древесно-волокнистых плит, распад лигнина заканчивается через 3–5 сут.

Превращение соединений азота

Аммонификация. Белки расщепляются протеазами на пептидные цепочки различной длины и отдельные аминокислоты. Низкомолекулярные пептиды и аминокислоты легко подвергаются окислительному или гидролитическому дезаминированию под действием окси- или дегидрогеназ соответственно. Наиболее активными аммонификаторами являются Proteus vulgaris, различные виды Pseudomonas, Bacillus, Clostridium.

Нуклеиновые кислоты используются значительно меньшим числом видов бактерий, чем белки (Mycobacterium, Corynebacterium, Nocardia). Окисление начинается с их расщепления под действием нуклеаз на отдельные нуклеотиды, которые затем через промежуточное образование мочевины и органических кислот минерализуются до аммиака, диоксида углерода и воды.

Мочевина разлагается бактериями и грибами, обладающими ферментом уреазой. Специфические уробактерии Micrococcus urea и Sarcina urea переносят высокую щелочность среды и перерабатывают большие количества мочевины. Мочевая кислота гидролизуется до мочевины и дальше полностью минерализуется.

Потребление восстановленных соединений азота. Большинство микроорганизмов способны усваивать восстановленные формы азота: аммиак и соли аммония.

При ассимиляционном процессе такой азот включается в состав аминогрупп аминокислот и далее – в другие азотсодержащие соединения клетки.

К диссимиляционному процессу (нитрификации) способны только некоторые микроорганизмы – нитрификаторы. Первая группа нитрификаторов (Nitrosomonas, Nitrosospira, Nitrosococcus, Nitrosolobus) окисляет аммиак до нитритов, вторая группа (Nitrobacter, Nitrospina, Nitrococcus) окисляет нитриты до нитратов. Общую скорость реакции лимитирует первая стадия, т. е. окисление аммиака.

Большинство нитрифицирующих бактерий являются облигатными автотрофами, и в присутствии органических веществ их рост угнетается. Некоторые нитрификаторы способны усваивать органические соединения, однако вследствие очень низкой скорости роста они не могут конкурировать с гетеротрофами за субстрат и кислород. Таким образом, до тех пор, пока в сточной воде присутствуют органические вещества, аммиак ассимилируется гетеротрофами в процессах конструктивного обмена. После того как органические вещества минерализуются, создаются благоприятные условия для деятельности первой группы нитрификаторов. В то же время избыток аммиака препятствует развитию представителей второй группы, которое начинается только после окисления избытка аммиака.

Это обстоятельство позволяет использовать нитрифицирующие бактерии в качестве индикаторов процесса очистки. Их появление в очищаемой воде свидетельствует о минерализации основной части органических веществ.

Нитрификаторы весьма чувствительны к условиям окружающей среды: температуре, значению рН, концентрации кислорода, наличию токсичных веществ. Как и другие виды, нитрифицирующие бактерии плохо переносят резкие перепады температуры. Оптимальное значение рН находится в узком интервале: 8–9. Возможно, влияние рН связано с ингибирующим воздействием субстратов, поскольку недиссоциированные аммиак и азотистая кислота подавляют окисление и аммиака, и нитрита. К недостатку кислорода нитрификаторы более чувствительны, чем гетеротрофные микроорганизмы. Высокими концентрациями кислорода процесс не ингибируется и может протекать даже при использовании чистого кислорода. Как правило, нитрифицирующие бактерии не более чувствительны к действию токсичных веществ, чем другие микроорганизмы активного ила, хотя довольно распространено мнение об их повышенной чувствительности.

Нитратредукция. При ассимиляционной нитратредукции нитриты и нитраты восстанавливаются до аммонийного азота, который включается в состав аминокислот. Такой процесс способны осуществлять многие бактерии, некоторые грибы, водоросли.

При диссимиляционном восстановлении (денитрификации) нитрат последовательно превращается в нитрит, оксид азота (II), оксид азота (I) и молекулярный азот. Большинство денитрифицирующих бактерий – факультативные анаэробы. Это бактерии родов Pseudomonas, Bacillus, Spirillum, Alcaligenes, Paracoccus, Thiobacillus. При достаточном количестве кислорода в среде они окисляют органические соединения как обычные аэробы, при недостатке кислорода в качестве акцепторов электронов используют нитриты и нитраты. Окисляться при этом могут углеводы, органические кислоты, аминокислоты, спирты и т. д. Если доступных денитрификаторам соединений мало, они минерализуются до диоксида углерода и воды, в противном случае – накапливаются продукты неполного окисления. В аэротенках даже при активной аэрации всегда есть зоны с недостаточным содержанием кислорода, где имеет место денитрификация. Вместе с тем в очищенной воде нитриты и нитраты могут содержаться в концентрациях, препятствующих выпуску воды в водоем. В настоящее время все более широкое распространение получает восстановление нитритов и нитратов в специальных сооружениях, в которых создаются условия для денитрификации.

Фиксация молекулярного азота. Молекулярный азот способны усваивать симбиотические бактерии родов Rhizobium, Bradyrhizobium и свободноживущие: Clostridium, Azotobacter, цианобактерии и некоторые другие. Azotobacter присутствуют в водоемах, способны усваивать трудноокисляемые соединения, при этом обогащают среду азотом и витаминами. Предпринимались попытки использовать их для очистки сточных вод нефтеперерабатывающего и гидролизного производства, однако из-за невысокой скорости роста они вытесняются из очистных сооружений другими микроорганизмами.

Превращение соединений серы

В сточных водах некоторых предприятий, в частности целлюлозно-бумажных, содержатся восстановленные соединения серы: сероводород, меркаптаны, диметилсульфид и др. Окислять такие соединения в условиях аэротенка способны тионовые и серобактерии.

Большинство тионовых бактерий окисляют восстановленные соединения серы до сульфатов, используя молекулярный кислород. Это бактерии родов Thiobacillus, Thiomicrospira, Sulfolobus. Факультативные анаэробы Thiobacillus denitrificans в аэробных условиях используют кислород, а при его отсутствии используют кислород нитратов, восстанавливая их до молекулярного азота. Одни тионовые бактерии являются облигатными хемоавтотрофами (Thiobacillus denitrificans, T. denitrificans, T. thioparus), другие (Sulfolobus) могут использовать органические соединения в качестве источников углерода и энергии.

Группу серобактерий (Beggiatoa, Thiothrix, Leucothrix) объединяет свойство откладывать капли серы внутри клеток или на их поверхности (рис. 8, 9), что является показателем степени очистки воды. Серобактерии являются постоянными обитателями очистных сооружений.