Стадії біометаногенезу. Мікрофлора метантенків

Навколишнє середовище і біотехнологія

План

1. Екологічна біотехнологія і її завдання і методи.

2. Операції в очисних установках. Аеробна переробка відходів.

3. Анаеробне розкладання.

4. Екологічно чиста енергія.

5. Мікрофлора метантенків. Стадії біометаногенезу.

6. Метантенки.

7. Біодеградація ксенобіотиків.

 

1. З моменту виникнення цивілізованого суспільства перед ним увесь час стояла проблема охорони навколишнього середовища. Через промислову, сільськогосподарську і побутову діяльність людини постійно відбувалися зміни фізичних, хімічних і біологічних властивостей навколишнього середовища. Біотехнологія буде все більше впливати на способи контролю за навколишнім середовищем і на його стан. Добрим прикладом служить упровадження нових, більш досконалих методів переробки відходів, однак цим застосування біотехнології в даній сфері аж ніяк не обмежується. Її роль зростатиме у хімічній промисловості і сільському господарстві, що допоможе хоча б частково вирішити багато існуючих проблем.

Так до БТ методів захисту навколишнього середовища відносять:

- створення безвідходних технологічних процесів (вирощування дріжджів на відходах ЦПК, виробництво вітаміну В₁₂)4

- створення препаратів для боротьби із збудниками хвороб людини, тварин;

- створення рослин стійких до хвороб і шкідників;

- біологічні методи боротьби з хворобами і шкідниками рослин;

- бактеріальні добрива і стимулятори росту рослин;

- створення продуктивних культурних рослин;

- аеробна і анаеробна біологічна очистка стоків;

- селективна утилізація індивідуальних хімічних сполук;

- біосорбція металів;

- детоксикація ґрунту від пестицидів та інших хімічних забруднень;

- кероване компостування твердих відходів;

- діагностика ступеня забруднення середовища;

- альтернативні енергоресурси (біогаз, гідроліз води) та ін.

Біотехнологічні виробництва за своєю природою є екологічними. Специфічне застосування БТ методів для вирішення проблем навколишнього середовища, таких як переробка відходів, очищення води, знищення (усунення) забруднень та ін. складає предмет екологічної БТ.

Це нова галузь, новий підхід до охорони і збереження навколишнього середовища при використанні досягнень сучасної біохімії, мікробіології, генетичної інженерії, хімічної технології та ін.

Коло проблем, що вирішує екологічна БТ:

- від розробки і удосконалення методології і комплексного хіміко-біологічного дослідження екосистем, насамперед поблизу джерел техногенного впливу до розробки технологій і рекомендацій по рекультивації ґрунтів, біологічної очистки води, повітря, біосинтезу препаратів, які послаблюють (компенсують) шкідливу дію канцерогенних, мутагенних, токсичних речовин на людей і тварин.

Особливо акцентується увага на створених людиною низькомолекулярних (ядохімікати, детергенти) і високомолекулярних полімерах (ароматичні, галогенвмісні вуглеводні), які дуже стійкі і не розкладаються мікроорганізмами.

Швидкість природного очищення в природі залежить від багатьох факторів. Органічні речовини трансформуються мікроорганізмами а неорганічні переважно осідають, накопичуються. Особливу небезпеку складають – важкі метали.Тому зараз розроблені системи для окиснення Ме (бактерії роду Lepterillus окислюють Ag, Mg, Se) Широко практикують денітрифікацію стоків, біологічну утилізацію, видалення ВВ, нафти.З допомогою іммобілізованих в альгінатному гелі культури мікроорганізмів Thiobocillus denitrificans здійснюють окиснення сульфідів до сульфатів

Сьогодні швидко розвиваються різноманітні галузі промисловості, у яких процеси життєдіяльності мікроорганізмів використовуються для створення замкнутих систем, для контролю за забрудненням стічних вод, для використання альтернативних енергоресурсів і хімічної сировини в промисловості; ці процеси широко використовуються й у сільському господарстві. У країнах, що розвиваються, подібна діяльність, відома за назвою «цілеспрямована технологія», могла б привести до значного підвищення життєвого рівня людей.

Масштаби деяких нових біотехнологічних процесів і їх застосування для вирішення завдань охорони навколишнього середовища приголомшуючі. Так, для переробки відходів уже побудовані величезні біореактори ємністю 4000–5000 м³. Оскільки концентрація бактерій у такому реакторі може бути порядку 10⁸–10⁹ клітин у 1 л, біотехнологи здобули досить могутнє джерело «біологічної енергії». Біологічна переробка відходів базується на цілому ряді дисциплін – біохімії, генетиці, хімії, мікробіології, хімічній технології й обчислювальній техніці. Зусилля всіх цих дисциплін концентруються на трьох основних напрямках: 1) деградація органічних і неорганічних токсичних відходів; 2) поновлення ресурсів для повернення в кругообіг речовин вуглецю, азоту, фосфору і сірки; 3) одержання цінних видів органічного палива.

 

Таблиця 1

Біотехнологічні методи захисту навколишнього середовища

Метод Сфера застосування або субстрат Сутність методу Створення безвідхідних технологічних процесів Народне господарство   Одержання з відходів корисних продуктів або знешкодження їх Створення препаратів для боротьби зі збудниками хвороб людини і тварин Охорона здоров'я і ветеринарія   Засоби для діагностики, імуностимулятори, вакцини, антибіотики й ін.   Створення рослин, стійких до хвороб і шкідників   Сільське господарство   Одержання методами генетичної і клітинної інженерії культурних рослин, при обробленні яких відпадає необхідність використання ядохімікатів як засобів боротьби проти шкідників і хвороб. Біологічні методи господарство боротьби з хворобами і шкідниками рослин Сільське і лісове господарство Спеціальні мікробіологічні або інші біологічні препарати селективно знищують шкідливих комах, гризунів або збудників хвороб Бактеріальні добрива і стимулятори росту рослин   Сільське господарство   Посилення біологічної фіксації атмосферного азоту, мобілізації фосфору; прискорення росту органів рослин; зниження потреби в мінеральних добривах Створення культурних рослин, здатних фіксувати атмосферний азот без участі мікроорганізмів Те ж Перенесення методами генетичної інженерії в геном рослин генів від мікроорганізмів, що визначають фіксацію   Аеробне біологічне очищення стоків   Комунальні і виробничі стічні води. В аеротенках спонтанна мікрофлора в присутності кисню утилізує речовини стоків і накопичується біомаса - активний іл. Зміст СВ знижується на 50%   Анаеробна біологічне очищення стоків     Те ж     У метантенках анаеробна мікрофлора утилізує органічні речовини, у тому числі активного мулу, отриманого після аеробної обробки з утворенням біогазу (95% від переробленої органічної речовини) Селективна утилізація індивідуальних хімічних сполук стоків   Промислові стоки   Спеціально адаптовані культури мікроорганізмів звичайно в іммобілізованому виді утилізують визначені шкідливі речовини (фенол, кислоти та ін.) Кероване компостування твердих відходів   Сільське господарство, міські смітники ванні твердих відходів При аерації твердих відходів прискорено відбувається мікробна деструкція частини компонентів субстрату з утворенням компосту Детоксикація ґрунту від пестицидів і інших хімічних забруднень Ґрунт Промиванням ґрунту і мікробіологічною обробкою промивних вод досягається утилізація шкідливих з'єднань, що накопичуються в ґрунті при хімізації сільськогосподарського виробництва Біосорбція металів   Стічні води У спеціальних біофільтрах мікроорганізми селективно сорбують зі стічних вод визначені метали, у тому числі радіоактивні Діагностика ступеня забруднення середовища   Стічні води, ґрунт, повітря За допомогою моноклональних антитіл або імуноферментного аналізу визначають присутність вірусів і бактерій. За допомогою ферментів контролюють присутність у середовищі визначених речовин

 

 

Переробка відходів

Тисячоліттями відходи діяльності людини перероблялися природним шляхом, при участі відповідних мікроорганізмів. У найбільше широко розповсюджених установках для очищення стічних вод виконуються чотири основні операції (рис1).

1. При первинній обробці видаляються тверді частини, що або викидаються, або направляються в реактор.

 

 

Рис.1. Стадії переробки відходів шляхом анаеробного розкладу.

 

2. На другому етапі відбувається руйнування розчинених органічних речовин при участі природних аеробних мікроорганізмів. Мул, що утворюється складається головним чином з мікробних клітин, він або видаляється, або перекачується в реактор, частина його повертається в аераційний тенк.

3. На третьому етапі (необов'язковому) відбувається хімічне осадження і розділення фосфору й азоту.

4. Для переробки мулу, що утворюється на перших етапах, використовується процес анаеробного розкладу. При цьому зменшується обсяг осаду і кількість патогенів, знищується запах, а крім того, утворюється органічне паливо – метан.

Подібні процеси застосовують при переробці промислових стічних вод, особливо в хімічній, харчовій, целюлозно-паперовій промисловості. Біотехнологічні удосконалення можуть бути спрямовані на збільшення потужності установок, підвищення виходу корисних побічних продуктів, на заміну синтетичних хімічних добавок, усунення запаху і видалення металів, а також стійких до переробки сполук.

Аеробна переробка відходів

Аеробна переробка стоків – це сама велика галузь контрольованого використання мікроорганізмів у біотехнології. Вона включає наступні стадії: 1) адсорбція субстрату на клітинній поверхні; 2) розщеплення адсорбованого субстрату зовнішньоклітинними ферментами; 3) поглинання розчинених речовин клітинами; 4) ріст і ендогенне дихання; виділення продуктів життєдіяльності; 6) «виїдання» первинної популяції організмів вторинними споживачами. В ідеалі це повинно приводити до повної мінералізації відходів до простих солей, газів і води. Ефективність переробки пропорційна кількості біомаси і часу контакту її з відходами.

Системи аеробної переробки можна розділити на системи з перколяційними фільтрами і системи з використанням активного мулу.

Перколяційні фільтри

Перколяційний фільтр був самою першою системою, застосованою для біологічної переробки відходів, причому його конструкція фактично не змінилася з часу створення у 1890 р. Великі ємності заповнені каменем, гравієм, на поверхні яких у тонкій водній плівці розвивається велике розмаїття мікро і макроорганізмів. Ця система використовується в 70% очисних споруд Європи й Америки і володіє такими перевагами. як простота, надійність, малі експлуатаційні витрати, утворення невеликого надлишку біомаси і можливість тривалого використання установки (протягом 30–50 років).

Основний недолік перколяційного фільтра – надлишковий ріст на ньому мікроорганізмів; це погіршує вентиляцію, обмежує протікання рідини і приводить до засмічення фільтра і виходу його з ладу. Одна з недавніх модифікацій установки складається у використанні подвійного фільтрування, що чергується, (ЧДФ), коли фільтри, на які спочатку надходить потік рідини, періодично змінюють місцями з іншими фільтрами. У товщі фільтрів використовують також зворотну циркуляцію і пульсуючу подачу. Це поліпшує потребу в кисні, але знижує активність нітрифікації. Інші модифікації в конструкції і роботі установок з перколяційними фільтрами спрямовані на зменшення швидкості надходження рідини для більш рівномірного розподілу біомаси, та ін.

У 1970 р. на зміну каменю чи гравію в системах з перколяційними фільтрами прийшли пластмаси. Це дозволило застосовувати такі системи для переробки деяких промислових стоків високої концентрації. Важлива перевага, що пластмаси – легкий матеріал, і це дозволяє будувати високі, що не займають багато місця очисні споруди. Для створення оптимальної (більшої) поверхневої площі для розвитку біомаси, вентиляції і пористості пластмаси розмелюють.

Основна зміна в конструкцію очисних споруд була внесена в Англії у 1973р., коли був створений колесоподібний біологічний реактор. Він являє собою «стільники» із пластикових смуг, які занурюються поперемінно в стічні води і піднімаються на поверхню. При цьому збільшується площа поверхні, з якою контактує біомаса, і поліпшується аерація.

Середовище, перколяційних фільтрів, не є водним, це усього лише тонка водяна плівка над шаром біомаси. Визначити, які саме мікроорганізми присутні в середовищі, досить важко через складність і гетерогенність біомаси. Очевидно, основною активною групою бактерій, що беруть участь у переробці стічних вод, служать Zoogloea, хоча велику роль відіграють і ряд інших бактерій. В очисних спорудах відзначається також активний ріст деяких видів нитчастих бактерій і грибів. З водоростей найчастіше присутні синьо-зелені (Cyanophyceae) і Chlorophyceae. Зустрічаються і численні Metazoa, у тому числі земляні хробаки, комахи і ракоподібні. Мухи і хробаки дуже важливі для регуляції розвитку плівки біомаси.

Системи з активним мулом.

Переробка відходів за допомогою активного мулу, що здійснюється складною сумішшю мікроорганізмів, була запропонована у 1914 р. Цей процес більш ефективний, ніж фільтрація, і дозволяє переробляти більшу кількість стічних вод. Однак він володіє такими недоліками: більш високими експлуатаційними витратами через необхідність перемішування й аерації; труднощами у здійсненні і підтримці стабільності процесу; утворенням великого надлишку біомаси. Незважаючи на все це, процес, що використовує активний мул залишається найбільш розповсюдженим методом переробки стічних вод у густонаселених районах, оскільки вимагає менших площ, ніж фільтраційна система.

Як і у фільтраційні системи, у систему з активним мулом були внесені зміни. пов'язані в основному з аерацією. Застосовується:

1. Градієнтна аерація, що регулює інтенсивність аерації у відповідності з потребою в кисні.

2. Ступенева аерація, при якій по всій довжині тенка стічні води надходять з інтервалами.

3. Контактна стабілізація, при якій повторне використання мулу супроводжується його аерацією, що сприяє більш повній утилізації мікроорганізмами доступних живильних компонентів.

4. Використання чистого кисню в закритих тенках, які можуть працювати при більш високих концентраціях біомаси; у такий спосіб зменшується час перебування стічних вод у тенках і проблема надлишкового росту нитчастих бактерій і грибів, що перешкоджає осіданню мулу.

5. Розробка колонного эрліфтного ферментера компанією ICI у 1974 р. (рис 2). Він більш економічний, чим звичайний, завдяки зменшенню часу перебування стічних вод у тенку і зниженню експлуатаційних витрат.

Активний мул – це водне середовище. Як і в перколяційних фільтрах, основна група бактерій, що беруть участь у процесі переробки, – це Zoogloea. У порівнянні з фільтрами в активному мулі спостерігається менше різновидів організмів. Ріст водоростей обмежується недостачею світла, а види найпростіших визначаються ступенем переробки відходів.

Для успішної переробки побутових і промислових відходів необхідно точно знати склад і концентрацію стоків. Знаючи якісні і кількісні характеристики середовища, можна установити, який мікробний посівний матеріал необхідний для ініціації роботи системи. Але важко встановити, які саме мікроорганізми, виділені із систем біологічної переробки відходів, здійснюють окиснення присутніх сполук.

Мікробіологічне вивчення будь-якої системи, що використовує активний мул включає: 1) ідентифікацію мікроорганізмів і визначення їхньої чисельності; 2) оцінку мікробіологічної активності як популяції в цілому, так і окремих видів; 3) оцінку співвідношення між (1) і (2), з одного боку, і кількістю живильних речовин, що вводяться, і продуктів переробки – з іншої. Мікробіологічну активність мулу можна оцінювати по приросту біомаси або по інтенсивності загального метаболізму; останній включає зміни, що відбуваються в середовищі. Виміри можуть проводитися і для якоїсь окремої популяції мікроорганізмів. Можна показати, що активність мулу зв'язана з визначеними бактеріями, підрахувати їхнє число і визначити метаболічну активність

Рис.2. Колонний ерліфтний ферментер.

 

Якщо для стічних вод, що надходять у ємність з активним мулом, характерні високі концентрації органічних сполук, тоді спостерігається наявність великих кількостей хемоорганотрофних видів, наприклад Achromobacter, Flavobacterium, Pseudomonas і Moraxella, а також багатьох інших бактерій. При високих концентраціях неорганічних сполук у стоках виявляються бактерії Thiobaclllus, Nitrosomonas, Nitrobacter і Ferrobacillus spp. окиснюючі відповідно сірку, аміак і залізо. Ці організми були виділені із систем для переробки відходів та ідентифіковані за допомогою методів селективних культур. Нерідко буває важко однозначно установити роль того чи іншого мікроорганізму. Наприклад, якщо із системи по переробці відходів виділені Tbiobacillus, що окиснюють сполуки сірки, то це не означає, що вся активність такого роду визначається саме цими мікроорганізмами: часткове окиснення ряду сполук сірки здійснюють і види Pseudomonas.

Взаємозв'язки між організмами, що беруть участь у катаболізмі органічних і неорганічних субстратів, мають важливе значення для регуляції процесів, що відбуваються в активному мулі. Проміжні продукти метаболізму одного виду бактерій здатні впливати на процеси деградації іншого. Наприклад, відомо, що фенол придушує активність організмів, що окиснюють аміак. Проміжні продукти розщеплення бензойної кислоти до катехолу, сукцинату й ацетату інгібірують утворення ферментів, що беруть участь у початкових етапах розщеплення та ін.

Ефективність даного процесу можна підвищити, вивчивши механізми регуляції метаболізму в мікрофлорі систем з активним мулом. Регуляція біодеградації – це складна задача. Однак, знаючи біохімію відповідних процесів, очевидно можливо втручатися у їх регуляцію. Наприклад, додавання до мулу проміжних продуктів циклу трикарбонових кислот у концентраціях (2–5 мг/л), глюкози, амінокислот і вітамінів (зокрема, аланіну і нікотинової кислоти) приводить до прискорення окиснення ряду сполук.

Завдання мікробіолога-біотехнолога при розробці методів очищення стічних вод – у більш повному вивченні взаємозв'язку між активністю мікроорганізмів, утворенням мулу і продуктивністю установки по переробці відходів. Біологічний спосіб переробки придатний для безлічі різних органічних і неорганічних сполук і усуває їхній шкідливий вплив на навколишнє середовище.

У ході вивчення біодеградації широкого кола органічних речовин були виділені мікроорганізми, здатні до руйнування дуже незвичайних сполук.

Принцип «псевдорозрідженого шару»

Дана технологія, введена у практику з 1980 р., є поєднанням систем перколяційних фільтрів і активного мулу. Вона дуже економічна завдяки використанню високих концентрацій мікроорганізмів і відсутності необхідності в осадженні кінцевих продуктів. Існують два основних типи установок.

1. Уловлювач Саймона Хартлі. Біомасу нарощують у порожнечах усередині прокладок з пористого поліефіру, що утримуються усередині реактора за допомогою сіток. Прокладки періодично видаляють з реактора, густу біомасу (до 15 кг на кожен кубометр обводненого носія) віджимають і порожні прокладки повертають у реактор.

2. Оксигенатор Дорра – Олівера. Тут як прокладка використовується пісок; його періодично випускають з реактора, очищають і використовують знову.

Небажаний наслідок інтенсифікації аеробної обробки – це зайве утворення мулу. Вартість його видалення може скласти до 50% витрат на переробку стічних вод. Альтернативне рішення у подальшому використанні цього мулу, чи в розмежуванні анаболічної і катаболічної активності для неповного перетворення субстрату в біомасу (цього можна досягти, створивши умови постійної недостачі мікроелементів або роблячи перерви у підживленні).

Анаеробний розклад

Найпоширеніша технологія анаеробної переробки – розкладання мулу стічних вод. Ця добре розроблена технологія з успіхом використовується з 1901р. Однак тут існує ряд проблем, обумовлених малою швидкістю росту анаеробних метаноутворюючих бактерій, що використовуються в даній системі, чутливість до різних впливів і непристосованість їх до зміни навантаження. Конверсія субстрату також відбувається досить повільно і тому обходиться дорого. Деякі проблеми пов'язані з невдалими інженерними рішеннями. Проте цей підхід перспективний з погляду біотехнології; наприклад, можна додати до відходів ферменти для підвищення ефективності процесу або посилити контроль за переробкою шляхом зміни тих чи інших біологічних параметрів.

Анаеробна ферментація стічних вод (мулу, відходів тваринництва чи рослинних культур, спеціально вирощених для одержання енергії), дуже перспективна для одержання газоподібного палива при помірних температурах (30–35°С). При вирощуванні спільноти різних бактерій на суміші органічних сполук відбуваються складні біохімічні реакції (рис 3).

Метаноутворюючі бактерії здатні до синтезу енергоносія безпосередньо з водню і вуглекислого газу. Мікроорганізми розщеплюють целюлозу, синтезують жирні кислоти, які розкладаються до метану і вуглекислого газу; деякі бактерії здатні утворювати молекулярний водень. Описано складну, взаємозалежну сукупність мікроорганізмів, у якій можна виділити три групи бактерій: бактерії, що здійснюють гідроліз і бродіння, бактерії, що утворюють водень і оцтову кислоту, а також метаноутворюючі бактерії. Метаноутворюючі бактерії ростуть повільно і дуже чутливі до різких змін компонентів загрузки реактора і нагромадження водню. Проблеми перевантаження, особливо істотні у випадку промислових стоків, можна обійти, збільшуючи швидкості обороту. Для збільшення метаногенної активності бактерій можна використовувати звичайні методи відбору та методи генетичної інженерії. Оцінити ефективність використання даного процесу при переробці змішаних відходів, а також охарактеризувати потреби в живильних речовинах і удосконалити початковий етап процесу за рахунок зменшення кількості необхідного мікробного посівного матеріалу допоможе подальше вивчення фізіології й екології мікроорганізмів, що беруть участь у процесі.

 

Ліпіди Лігніни Білки

 

Високомолекулярні Ароматичні Амінокислоти

жирні кислоти сполуки

з довгим ланцюгом

 

Кислоти циклу Кребса Кетокислоти

 

 

Піровиноградна

кислота

 

Молочна Вуглеводи

кислота

 

 

Пропіонова Масляна Спирти

кислота кислота

 

 

Оцтова кислота

 

 

Мурашина кислота

 

 

МЕТАН + ВУГЛЕКИСЛИЙ ГАЗ

 

Рис. 3. Біохімічне розщеплення окремих сполук до метану і вуглекислого газу при анаеробному розкладі відходів

 

Для одержання енергії і корисних побічних продуктів можна використовувати самі різноманітні відходи і сировину. До культур, які спеціально вирощуються з метою конверсії енергії в газоподібне паливо, відноситься кассава; кінцевими продуктами є метанол і етанол. Деякі країни такі як Бразилія, Австралія і Нова Зеландія, мають намір використовувати подібні речовини, одержувані біологічним шляхом, як основне джерело палива. Подібні проекти обговорюються й у деяких європейських, країнах, наприклад у Фінляндії, Швеції й Ірландії.

Анаеробні ферментери можуть застосовуватися також з метою одержання проміжних продуктів для хімічної промисловості (наприклад, оцтової, молочної й акрилової кислот). Однак, широке використання анаеробних реакторів з метою одержання газоподібного палива стримується по ряду причин. Традиційно в конструкцію реакторів входили тенки з мішалками, розраховані на тривале перебування матеріалу, що переробляється. З метою скорочення цього часу були створені реактори, у яких перероблені відходи відокремлюються від біомаси, яка використовується повторно. Щоб процес був економічно вигідним, необхідно розробити недорогі конструкції, що не засмічуються і включають прості в експлуатації пристрої для відводу тепла. Основні зусилля в галузі анаеробної ферментації повинні бути спрямовані на вивчення етапів, що лімітують швидкість процесу. На першому з них відбувається гідроліз целюлози і крохмалю з утворенням розчинних органічних кислот і спирту. Другим етапом, що лімітує, може бути утворення метану з цих низькомолекулярних жирних кислот. Моделювання процесу розкладу ускладнюється тим, що важко визначити, які мікроорганізми домінують на тому чи іншому етапі, і встановити, які саме етапи лімітують швидкість процесу. Це дуже складний процес; із природних систем було виділено багато нових типів бактерій, що беруть участь у ньому.

Промислове застосування систем анаеробного розкладу невпинно зростає; вони використовуються при переробці відходів тваринницьких ферм і промислових, у тому числі харчових, відходів, а також для переробки культур, спеціально вирощуваних для одержання енергії. На рис 4 схематично представлені деякі з наявних у продажі установок. Конструкція реакторів була істотно удосконалена, що збільшило їхню ефективність на 300%. Багато нових моделей ще не вийшли зі стін лабораторій чи перебувають на стадії виробничих досліджень, однак деякі повномасштабні системи вже працюють. Одержання енергії з відходів становить безсумнівний інтерес для країн, що розвиваються, оскільки цю енергію можна одержувати і з природних джерел.

Рис.4. Три види установок, що застосовуються для очистки стічних вод у харчовій промисловості: А-анаеробний фільтр; Б-спрощена схема установки, в якій використовується перемішування за допомогою гвинтового насосу і витяжної труби. Утворення піни контролюється диспергуванням вмісту реактора над поверхнею; В- високошвидкісний реактор Коулзерда.

 

4. Екологічно чиста енергія.

У 70- х рр.. ХХ ст. ріст цін на нафту спонукав наполегливі пошуки додаткових джерел і палива. Особливі надії покладались на, так звані, відновлювальні джерела енергії (Е). Крім прямого використання Е сонця з допомогою фотоелектричних колекторів, Е вітру і геотермальних вод (Ісландія), в якості відновлювальних джерел Е розглядали біомасу як найдавніший вид палива.

Мова йшла про вирощування рослин на,,енергетичних” плантаціях, або перетворення відходів рослинництва в паливо, зокрема в спирт, шляхом зброджування гідролізованої сировини і застосування його у двигунах внутрішнього згорання (суміші з бензином) Такий спосіб використовується у Бразилії, США, країнах Близького Сходу, де великі запаси рослинної сировини. Рослина – кассова – вирощується з цією метою. Але енергетичні витрати на виробництво гідролізного цукру (вирощування в умовах нашого клімату зокрема таких культур як цукровий буряк) і тим більше на нагрівання перегонки великої маси розчину для одержання з нього спирту виявилось дуже значними і ефективність цього процесу – сумнівною. Значно вигідніше одержувати з гідролізного цукру кормові дріжджі.

Вихід почали шукати в енергозберігаючих технологіях (біологічна фіксація азоту, а не хімічні добрива, мікробіологічне вилужування металів, урану тощо). Збільшується частка відновлюваних джерел Е: таких як вітер, сонце. Безумовно пріоритет перед прямим виробництвом Е з біологічних ресурсів одержує виробництво їжі, кормів, та ін.

Але біологічне виробництво палива із застосуванням бактеріального бродіння виявилось достатньо ефективним. З кінця 70-х рр. інтенсивно розвиваються роботи по малоенергоємним БТ процесам перетворення відходів с/г в метан (за способом одержання його називають біогазом) У наш час невеликі біогазові установки (метантенки) широко розповсюджені у Південно-Східній Азії, там вони крім одержання палива для побутових потреб забезпечують с/г добривом. В Європі і Америці переважно їх використовують для переробки відходів і обігріву великих міст. Працюють біогазові установки також вже для очищення стічних вод, зокрема на активному мулі який утворюється в аеротенках, у результаті аеробного очищення стічних вод. Також створені перші такі установки для переробки відходів великих тваринницьких ферм.

Створення сучасних метантенків (економічно і енергетично вигідне) – один із важливих завдань сучасної біотехнології.

Проблема і особливість цього БТ процесу у тому що тут працюють не чисті культури а складні консорціуми мікроорганізмів. Без точних наукових знань фізіології і біохімії анаеробних бактерій, їх складної взаємодії це завдання ускладнене.

Екологічно чисту енергію можна отримати шляхом перетворення сонячної енергії в електричну за допомогою сонячних колекторів, а також з біогазу та мікробного етанолу.

Біогаз – це суміш з 50% – 70% метану, 30% СО₂, 1% сірководню та незначних домішок азоту, водню, та чадного газу. Енергія, яка містить в 28 м3 біогазу, еквівалентна енергії: 16,8 м3 природного газу; 20,8 л.нафти; 18,4 л. дизельного палива. В основі отримання біогазу полягає процес метанового бродіння, або біометаногенез – процес перетворення біомаси в енергію.

 

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 80^оС.

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.

4Н₂+ СО₂=СН₄ + 2Н₂О

ЗН₂+ СО=СН₄+ Н₂О

2Н₂О + 4СО = СН₄ + Н₂О4НСООН=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 З0^о до 40^оС, а для термофільних від 50 до 60^оС. 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. Доскладу 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. Головніпродукти 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.

Метатенки

Для отримання біогазу можна використовувати відходи сільського господарства, зіпсовані продукти, рідкі відходи цукрових заводів, побутові відходи, стічні води міст та спиртових заводів. Процес здійснюється при температурі 30-60 С та рН 6-8. Цей спосіб отримання біогазу має широке застосування в Індії, Китаї, Японії. У теперішній час для виробництва біогазу частіше за все використовують вторинні відходи (відходи тваринництва та стічні води міст, ніж первинні (відходи сільськогосподарських культур, харчової, легкої, мікробіологічної, лісової та інших галузей), які володіють порівняно низькою реакційною властивістю та які треба попередньо обробляти.

На рис.5 представлена схема ректора (метантенка) для обробки сільськогосподарських відходів (гній, залишки рослин). Подача відходів (субстрату) і відбір відпрацьованого стоку здійснюється у нижній частині реактора. Режим його роботи може бути як періодичним так і напівперіодичним. Реактор зазвичай має дві (або більше) секції для розділу стадій процесу.

Конструкція метантенків може бути різною, залежно від сировини, на якій вони працюють.

Метатенки – герметизовані ємкості (до 6 тис. м³) де корсоціум мікроорганізмів розкладає органічні відходи в анаеробних умовах з утворенням біогазу (БГ).

Органічна маса перемішується механічними мішалками і підтримується температура: для мезофілів 30⁰С, для термофілів 55⁰С. Для підігріву використовують біогаз.

Метантенки такого типу дають 1 об’єм БГ на 1 об’єм рідини на добу і використовується для розкладу активного мулу (мікробної біомаси) на очисних спорудах (станціях аерації) великих міст.

Другий тип (фільтр Мак-Карті) Ємність заповнюється пористим твердим матеріалом (пластмаси).Рідина подається знизу і піднімається між бактеріально оброщими порами, очищається і витікає зверху. Застосування такого біореактора можливе лиши для рідких стоків.

Інший варіант схожого метантенка – його заповнення гранулами осідаючих метаноутворюючих бактерій (застосовується на харчових підприємствах, цукрових заводах). (Летінг, Нідерланди) Це реактори. де непотрібно гідролітичної мікрофлори)

Для твердофазного процесу застосовують ступінчасті технологічні процеси, як в одному біореакторі так і в каскаді. Реактор 1-го етапу, у якому відбувається гідролітична фаза зазвичай в 5 разів менший за другий – метагенний. Такою системою легше керувати, оптимізувати добавленням мікроорганізмів, ферментів.

Твердофазана метанова ферментація може відбуватися на звалищах органічних відходів у кар’єрах, штучних заглибинах, які заповнюють сміттям, покривають шаром глини 2-3 м. У спеціальні колодязі вставлені труби приєднуються до газопроводу. Система небезпечна (1986 р. у Великобританії вибухнуло 350 будинків збудовані на сміттєзвалищі, у кар’єрі цегляного заводу)

Сучасний стан проблем і перспектив в галузі отримання біогазу показує що анаеробна конверсія органічних відходів в метан – найбільш конкурентноздатна галузь біоенергетики. Основна перевага біогазу в тому, що він є поновлюваним джерелом енергії. Його виробництво буде таким же тривалим, як існування життя на Землі.

 

6. Біодеградація ксенобіотиків у навколишньому середовищі

Біодеградація органічних сполук (пестицидів, нафтопродуктів, ароматичних та хлорпохідних вуглеводнів), що забруднюють навколишнє середовище, виправдана тільки в тому випадку, якщо в результаті відбувається їхня повна мінералізація, руйнування і детоксикація; якщо ж біохімічна модифікація цих сполук приводить до підвищення їх токсичності та збільшує час перебування в середовищі, вона стає не тільки недоцільною, але навіть шкідливою. Детоксикація забруднюючих середовище речовин може бути досягнута шляхом всього однієї модифікації структури. Доля ксенобіотика залежить від ряду взаємозалежних факторів як внутрішнього характеру (стійкість ксенобиотика до різних впливів, розчинність його у воді, розмір і заряд молекули, леткість), так і зовнішнього (рН, фотоокиснення, вивітрювання). Усі ці фактори будуть визначати швидкість і глибину його перетворення. Швидкість біодеградації ксенобіотика спільнотою мікроорганізмів залежить від його здатності проникати в клітини, а також від структурної подібності цього синтетичного продукту і природної сполуки, що піддається природній біодеградації. У видаленні ксенобіотиків з навколишнього середовища важливу роль відіграють різні механізми метаболізму.

Ксенобіотики піддаються дії змішаних популяцій мікроорганізмів, для яких характерні відносини кооперації, коменсалізму і взаємодопомоги. Можна виділити стабільні спільноти, у яких взаємодії між окремими його членами дає їм ряд переваг, у результаті чого така асоціація стає більш ефективною, ніж окремо взяті види. Класифікація мікробних спільнот заснована на характері взаємозв'язків між окремими видами. Вивчення їх досить складне.

У стабільних спільнотах мікроорганізмів створюються умови для вільного обміну генетичною інформацією між популяціями. Важливим еволюційним механізмом появи нових штамів in vivo, здатних взаємодіяти з новими компонентами навколишнього середовища, може служити перенесення плазмід між мікроорганізмами. Частота таких подій для природних співтовариств невідома, однак в умовах лабораторії вони дійсно відбуваються. Так, в одному з дослідів протягом багатьох поколінь вирощували змішані безперервні культури різних видів Pseudomonas. Один з видів міг рости на хлоркатехолах, а інший володів плазмідою TOL, що несе ген ферменту бензолдиоксигенази. На 4-хлорбензоаті не міг рости жоден із штамів, однак, використовувавши принцип збагачення, вдалося виділити мутант, здатний до росту на цій хлорвмісній ароматичній кислоті. Як видно, тут відбувся перенос плазміди, у результаті якого мутантний штам придбав здатність до окисного декарбоксилювання 4-хлор-бензойної кислоти за допомогою придбаної диоксигенази із широкою специфічністю, а отже, і здатність до росту на утвореному хлоркатехолі.

У промислових стічних водах містяться стабільні побічні продукти реакцій, часто відомого складу. Цілком зрозуміло, що технологія контролю за ними добре розроблена. Однак у навколишнє середовище можуть попадати і складні суміші промислових продуктів, наприклад при різноманітних неспецифічних викидах на будь-якому із етапів технологічного процесу. Розробки по їх знешкодженню – перспектива біотехнологічних досліджень.