Полная версия

Главная arrow Экология arrow ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ: ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ЗАЩИТЫ ГИДРОСФЕРЫ

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

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 тс реакции, которые пртекают 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 ко- ферментом. 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 химческое 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, pH 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 числу веществ (активаторов), которые повышают активность ферментов, относятся многие витамины и катионы Са2+, Mg2+, Мп2+. 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 синстезу новых клеточных компонентов, а ка- таболические 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 БПКполн сточной воды. Если процесс окисления проводить дальше, то начинается превращение клеточного вещества:

где CxHyOzN — все органические вещества сточных вод; C5H7NO — среднее соотношение основных элементов в клеточном веществе бактерий; ДН — 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 панто- теновой кислоты и нуклеотида — аденозин-3,5-дифосфата (C21H36Ol67P3S). 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 (I , Н202, КМп04, 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: —

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” — легкоо- кисляемые. 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.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>