Экологические аспекты современной биотехнологии
На практике при аэробной очистке разбавленных
стоков широко применяют аэробные фильтры, или триклеры. Это вертикальные
цилиндры, заполненные щебнем, камнем, углем размером 5—10 см. Высота
фильтров может быть 2—3 м. Сверху на наполнитель обычно с помощью вращающегося разбрызгивателя подают очищаемые стоки. Жидкость стекает и
покрывает частицы пленкой, в которой
затем развивается аэробная микрофлора (в
основном гетеротрофные бактерии). В присутствии кислорода происходит окисление
органических веществ стоков, стекающая жидкость поступает в осадительные
бассейны. Ил не рециркулирует. Аэробные
фильтры обеспечивают производительность 1—3 м3/(м2-сут).
Для очистки разбавленных стоков используют
также вращающиеся биологические контакторы. Эти аэробные
очистительные устройства представляют собой цилиндры, в которых на горизонтальной
оси по всей длине цилиндра установлены диски из пластмассы или шифера. На
35—45 % диаметра диски погружены в жидкий субстрат. При вращении оси с частотой
2—5 об/мин субстрат прилипает к поверхности диска и в виде пленки поднимается в воздушное пространство,
где обогащается кислородом. Микрофлора
преимущественно фиксируется (иммобилизуется) на поверхности дисков. Вращающиеся контакторы успешно применяют
для переработки стоков с ВПК 130—200 мг/л и обеспечивают его снижение на 80—85 %.
Таким образом, современные аэротенки фактически являются
ферментаторами различной мощности, в которых выращивается активный ил. Как правило, в аэротенках реализуется
только непрерывный процесс, чаще
всего с рециркуляцией активного ила.
Аэробную очистку стоков можно
интенсифицировать путем создания псевдоожиженного слоя с применением
в качестве
носителя ила инертных частиц, например песка, размером
0,3— O,9 мм. Другой
путь интенсификации — повышение концентрации растворенного
кислорода до 12 мг/л путем подачи технического кислорода.
Анаэробные системы очистки стоков
Для очистки сточных вод в народном
хозяйстве при утилизации
отходов животноводческих ферм, производстве кормового витамина B12 и в других случаях
используют метановое брожение. Этот процесс широко распространен в
природе (разложение органических веществ в болотах, водоемах, в почве, у
животных в рубце и т.д.). Метановое брожение — строго анаэробный процесс,
осуществляется, как правило, в особых аппаратах — метантенках.
Биодеградация органических веществ
при метановом брожении в метантенках протекает в три последовательные фазы (табл.
8).
В первой, гидролитической фазе около
76 % органических веществ переходит в высшие жирные кислоты, до 20 % — в ацетат и 4 % — в
водород. Первую фазу можно разбить, в свою очередь, на фазы
гидролиза и ацидогенеза (кислотообразования). Во второй фазе главными являются
процессы образования из высших жирных кислот ацетата (52 %) и водорода (24%). В
третьей фазе (брожение) метаногенные бактерии образуют из ацетата
72 % метана, и СОз — 28 % метана. Соотношение промежуточных и конечных
продуктов в процессе метанового брожения зависит от состава среды, условий ферментации
и присутствующей микрофлоры.
В первой фазе брожения принимают
участие микроорганизмы, обладающие целлюлолитической, протеолитической,
липолитической, сульфатвосстанавливающей, денитрифицирующей и другими видами
активности. Состав доминирующей микрофлоры данной фазы зависит от
состава микрофлоры поступающего в ме-тантенки субстрата, а также от химической
природы деградиру-емых органических веществ. Количество аэробных и факультативно
анаэробных микроорганизмов в первой фазе брожения достигает 106
кл/мл, содержание облигатных анаэробов на 2—3 порядка выше.
Целлюлозоразрушающие анаэробные бактерии в метантенках могут
накапливаться в количестве до 106 кл/мл. Среди бактерий,
разрушающих гемицеллюлозу, обнаружены штаммы Bacterioides ruminicola, Butyrivibrio fibriosolvens и др.
Протеолитические бактерии, используемые
в промышленности относятся к роду Clostridium (28 штаммов из 43 выделенных), Peptococcus anaerobis (8 штаммов), к родам
Bacterioides и Eubacterium (3 штамма),
а также к родам,
близким к Bifidobacterium. Общее количество микроорганизмов,
обладающих протеолитической активностью, в метантенках
достигает 105 кл/мл. Отмечается, что до 50 % выделенных
бактерий, участвующих в метановом брожении, образуют споры. Влияние микробиологического состава поступившего в ме-тантенк субстрата на микрофлору метанового
брожения хорошо видно на примере
анаэробного сбраживания стоков свиноферм, в культуральной жидкости
которых обнаружено до 50 % энтеробактерий
Е. coli и анаэробных
стрептококков. В этом опыте первыми развивались бактерии, обладающие
амилолитической активностью, а позднее — обладающие целлюлолитической и
протеолитической активностями.
Существенная роль в процессах метанового брожения принадлежит ацетогенными и водородпродуцирующим
бактериям. Эти бактерии, например Syntrophobacter wolinii, превращают пропионат в
ацетат, СО2, если в среде одновременно присутствуют
водородпотребляющие бактерии. Водород образуется при окислении NADH2 с образованием NAD. Содержание водорода
в среде зависит не только от ацетогенных бактерий, но и от водородпотребляющих
метаногенов. Метаногенная система будет работать
эффективно тогда, когда парциальное давление водорода будет низким. При этом условии углеродные
соединения конвертируются в ацетат,
СО2 и будут плохо накапливаться различные жирные кислоты. В условиях
загрузки биореактора легкодеградируемым субстратом концентрация СО2 может увеличиваться и в среде будут накапливаться пропионовая,
масляная и другие органические
кислоты.
В третьей фазе — метаногенной —
участвуют метанобразующие
бактерии. Эта группа анаэробных бактерий принадлежит к древнейшему царству живых существ — архибактериям. Строение и метаболизм метанобразующих бактерий сильно
отличаются от прокариот. Так, у
метаногенов маленький геном — около '/з генома кишечной палочки. Исследования последних лет показали, что последовательность нуклеотидов в РНК у
метаногенов и у обычных бактерий
существенно различаются. Энергию для роста
эти бактерии получают при восстановлении наиболее окисленного соединения СО2 до наиболее
восстановленного СН4. Предполагаемый
путь автотрофной ассимиляции СО2 у Methanobacterium thermoautotrophicum показан на
рис. 3.
Таблица
8. Фазы метанового брожения
Группы бактерий, участвующие в процессе
|
Исходные вещества
|
Продукты
|
Биогидролиз полимеров и ацидогенез
Гидролитические ацетогенные
Комплекс
оргашче- Высшие жирные кис-
ских веществ лоты
Ацетогенез и дегидрогенизация Водородпродуцирующие
бактерии Высшие жирные кис- На, СО2, СН3СООН
Метанобразующие
бактерии
Метаногенез
На, СО2,
СНзСООН
СН4, СО2
Галактозо-КНг
|Аспартат{
Оксал о ацетат
I
Малат Фумарат
Сукцинат
ATP I
Сукцинил-СоА
(С02)
1 факт°Р 420ВОСС а-кетоглутарат
Гексозофосфат
Триоэофосфат
АТР
Фосфоенолпирув ат
Пентоэофосфат
Рис. 3.
Предполагаемая схема автотрофной
ассимиляции СО2 у бактерий Methanobacterium thermoautotrophicum
После создания Хангейтом Р. Э. в 1985 г. упрощенной
техники культивирования метанобразующих бактерий удалось выделить 30 видов метаногенов,
принадлежащих к 14 родам и 6 семействам. Некоторые представители
метанобразующих бактерий приведены в табл.
11.9. По форме клеток метаногены являются кокками или палочками различных размеров и подвижности. Некоторые представители Methanobacterium и особенно Methanothrix могут
образовывать даже нитеобразные клетки. Строение клеточной стенки у
метаногенов отличается от таковой у обычных бактерий.
В качестве субстрата многие метаногены
потребляют формиат, который трансформируют в метан:
4HCOOH-CH4+3CO2+2H2O
Таблица
9. Характеристика метанобразующих бактерий
Род и вид
|
Характеристика
культуры
|
Субстрат
|
Methanobacterium
formicum
bryantii
thermoautotrophicum
Methanobrevibacterium
ruminantium
smithi
orboriphilus
Methanococcus
vannielii
voltae
thermoiithotrophicus
mazei
Methanomicrobium mobile
Methanobacterium cariaci marisnigri
Methanospirillum hunga-tei
Methanosarcina barken
Methanolhrix soehngenii
Methanothermus fervidus
Палочки от длинных до нитеобразных; в
клеточной стенке содержится псевдомуреин
Комки, короткие палочки; в клеточной стенке содержится
псевдомуреин
Подвижные нерегулярные небольшие кокки; в клеточной
стенке содержатся полипептидные субъединицы
Подвижные короткие палочки и нерегулярные подвижные
небольшие кокки; в клеточной стенке содержатся полипептидные
субъединицы
Подвижные небольшие нерегулярные кокки; в клеточной стенке
содержатся полипептидные субъединицы Подвижные палочки; в клеточной стенке
содержатся полипептиды
Нерегулярные
кокки, сгруппированные в пакеты; в клеточной стенке содержатся гетерополисахариды
Палочки
от длинных до нитей; в клеточной стенке не содержится
муравьиная кислота
Неподвижные палочки; в клеточной стенке содержится псевдомуреин
Водород и
формиат
Водород
То же
Водород и
формиат
То же
Водород
Водород и
формиат То же
»
Водород,
метанол, метиламин, ацетат Водород и формиат
То же
Водород и формиат
Водород, ацетат,
метанол, метиламин
Ацетат
Водород
При переработке различных
коммунальных и промышленных стоков пищевых производств основным субстратом
для метаногенов является ацетат, который также превращается в метан:
СН3СООН
-СН4 + СО2.
К этой группе метаногенов относятся Methanosarcina barkeri Methanococcus mazei, Methanothrix soengenii. При
конверсии ацетата в метан с их помощью очень мало изменяется свободная энергия
субстрата (AG6 = —32 кДж), поэтому скорость их роста низка и их генерация длится не
менее 10 сут.
Некоторые метаногены, как следует из таблицы 9, конвертируют в метан также метанол и метиламин:
4/3 СН3СООН
-СН4 + ½ СО2 + 2/3 H2O.
4/3 СН3NH2 + 2/3 H2O
- СH4 + 1/3 CO2.
Метан при метановом брожении получается также
из СО2 и Н2,
образующегося в результате деятельности в основном ацетогенных бактерий.
Предполагаемая схема восстановления СО2 до метана представлена на
рис. 11.4. Согласно этой схеме переносчиками
С] являются метаноптерин (МР) и 7,8-дигидрометанопте-рин (ДНМР) , коферменты FA и М.
Количество газа, получаемого из 1 моля кислоты в процессе брожения,
можно определить по уравнению Басвелла:
сnнa0b + ( „
- i
COOH-DHMP
t
НСО-МР
HS-CoM СНгОН-8-СоМ
CH,-&-CoM
„ CoM*
Рис. 11.4. Предполагаемая схема
восстановления СО2 в метан метаногенами
где п, a, b — число
атомов углерода, водорода и кислорода в соответствующей кислоте при 30 °С и
нормальном давлении.
С увеличением длины углеродной цепи
кислоты увеличивается количество получаемого газа. Так, из 1 г муравьиной
кислоты получается газа 540 мл, из 1 г уксусной — 823 мл, из 1 г масляной — 1055
мл, из 1 г капроновой — 1224 мл.
Исследования, проведенные экологами, показали,
что при термофильном
метановом сбраживании паточной барды спиртового производства с содержанием СВ 4,2 % при суточной замене 10 % среды из 1 объема ферментационной жидкости
выделяется 22 объема газа. Общее
содержание кислот в жидкой среде 2,5 %, в том числе муравьиной — 0,46 %, уксусной — 0,79 %, пропио-новой —
0,86 %, масляной — 0,39 %. Экспериментально установлено, что по скорости сбраживания органические кислоты распределяются
в следующем нарастающем порядке: пропионовая, капроновая,
валериановая, муравьиная, масляная, уксусная. Наиболее интенсивно сбраживается
уксусная кислота.
Метаногенез зависит в большой степени от
химического состава среды и физических факторов. Прежде всего необходимо иметь в виду,
что метаногены строгие анаэробы и кислород является для них
ядом. Значение окислительно-восстановительного потенциала (еН),
при котором лимитируется рост метаноге-нов, равно 330 мВ; оптимум — примерно
— 400 мВ. Присутствие одной
молекулы О2 в 10 л воды ингибирует метаногенез. Однако наши исследования показали, что кратковременная
аэрация метантенка не приводит к
гибели метаногенов, так как сопутствующая
факультативно анаэробная микрофлора утилизирует кислород и через 2 сут
метаногенез возобновляется (рис. 5).
Мета-нобразующие бактерии хорошо развиваются и метаболизируют субстрат в метан при рН 6—8. Однако различные
представители по-разному реагируют на
из-
менение рН среды. В метан-тенках рН поддерживают на уровне, близком к нейтральному или щелочному.
2 4
6 8 10 12 сут
Рис. 5. Влияние кратковременной аэрации среды на
метаногенез при сбраживании свиного навоза в термофильных условиях
|
По температурному оптимуму различные метаногены сильно различаются. В природе
встречаются как психрофилы, так и термофилы, выживающие даже при 97 °С. Большинство
ме-тантенков работает в мезо-фильном режиме при 35— 45 °С. Термофильная ферментация (при 50—57 °С) идёт менее интенсивнее, чем мезофильная, однако процесс
отличается меньшей стабильностью.
Биомасса метанобразующих бактерий
состоит из 54 % углерода, 20 % кислорода, 10 % водорода, 12 % азота, 2 %
фосфора и 1 % серы. Кроме того, в биомассе содержатся калий, натрий, кальций,
магний и ряд микроэлементов, наиболее важные из которых кобальт, молибден и
никель. Чтобы обеспечить формирование клеточной массы, в среде должны
содержаться необходимые
питательные вещества. Соотношение ХПК: N:P должно быть 700:5:1,
нельзя допускать избытка азота (C:N не менее 20:1). Уровень токсичности ионов аммиака для
метанобразующих бактерий 1500—2000 мг/л;
цианида (CN~) —0,5—1,0 мг/л; калия, натрия и кальция — 3000—6000 мг/л.
Ингибирование метаногенеза вызывают сульфиты,
которые при метановом брожении сульфатвосстанавливающие бактерии восстанавливают
до H2S. Метаногенез
ингибируется при концентрации
сульфидов 100—159 мг/л. При метаногенезе на 50 % сокращается содержание растворимых солей тяжелых металлов при следующих концентрациях ионов (в мг/л}: железо—
1 —10; цинк— 10~4; кадмий—
10~7; медь —10~12 и 10~1 (для двухвалентной формы).
Процесс метаногенеза замедляется в присутствии различных детергентов (при их концентрации около 15 мг/л),
антибиотиков и других веществ.
Если метановое брожение не ингибировано, при 35 °С выход метана составляет 0,34—0,36 м3 из 1 кг
расходованного ХПК или 0,91—0,93 м3 из 1 кг использованного органического углерода. Можно считать, что в среднем из
1кг ХПК получают 0,35 м3
метана. Если эти показатели ниже, то можно предполагать, что метаногенез ингибируется каким-либо фактором. Об этом свидетельствуют, например, изменение
реакции среды (подкисление), накопление
пропионата. Сумма летучих жирных
кислот в среде не должна быть выше 250 мг/л.
Для восстановления интенсивности
метанового брожения можно снижать скорость подачи субстрата, подщелачивать
среду химическими
веществами, разбавлять стоки водой, удалять токсические соединения путем предварительной обработки стоков. Интенсифицировать метановое брожение можно также,
разделяя процесс на две стадии:
первую — предварительную, в которой в
отдельном аппарате или секции реализуется гидролиз субстратов, и вторую — собственно метаногенез. Это
позволяет локализовать специфическую
для каждой стадии микрофлору и обеспечить
наиболее благоприятные условия для развития каждой группы микроорганизмов: в первой —
преимущественно гидролитическую и ацетогенную, во второй — главным
образом метаногены. Установлено, что метаногены любят адгезировать на поверхностях, поэтому во второй секции можно
помещать специальные иммобилизующие
средства (щетки, гранулы и т.д.).
Так как метанобразующие бактерии имеют
низкую скорость роста, важно технологическими методами обеспечить их
высокую концентрацию в биореакторе. Один из таких методов — иммобилизация
клеток на поверхности носителей. Нами установлено, что на щетках из
капроновых волокон уже через 2—3 нед ферментации накапливается в 2—3 раза
больше метаногенов, чем в жидкости.
Оригинальный метод повышения концентрации биомассы разработан в 1970 г. Леттингом Г., Зендером А. и др.
В биореакторе создают условия,
способствующие естественному образованию гранул бактериальной биомассы под воздействием
факторов среды и гидродинамического
режима. Например, направляя поток среды снизу вверх, достигают выноса из
реактора нефлокулирующих
микроорганизмов. Этим создаются благоприятные условия для накопления биомассы
флокулообразующих сарцин и нитеобразующих
форм бактерий (например, из рода Methanot-hrix).
Гранулообразованию способствует выбор специального субстрата. Так, Methanosarcina и Methanothrix утилизируют
преимущественно ацетат, следовательно, в среде должен быть ацетат.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5
|