10.1 Биогаз. Конструкция метанотенка
Процесс получения биогаза осуществляется в метантенках. Метантенк – герметичный ферментер, объемом до нескольких м3 , в нем есть мешалка и рубашка для обогрева. Он оборудован газоотделителями с противопламенными ловушками. метантенк работает в периодическом режиме с отбором биогаза и выгрузкой твердого осадка после завершения процесса.
Распад органических веществ состоит из 3-ех основных этапов:
1. растворение и гидролиз органических соединений
2. ацидогенез
3. метаногенез
На первом этапе слож орг в-ва превращаются в масляную, пропионовую, молочную кислоты. Дальше осуществляется процесс брожения, который состоит из 2-ух стадий: кислой и метановой, каждая из этих стадий осуществляется определенной группой микроорганизмов (м/о). Кислая – органотрофами, метановая – литотрофами. Обе эти группы присутствуют в метантенках одновременно, поэтому кислото- и газообразование происходит параллельно. Формирование микрофлоры метантенка происходит за счет м/о, попавших вместе с переработанной водой. По видовому составу биоценоз метантенков значительно беднее аэротенков.
Около 50 видов м/о осуществляет стадию кислотообразования, самые многочисленные из них бациллы и псевдомонады. На стадии кислотообразования органич к-ты превращ в уксусную кислоту, Н2, СО2, Н2S, соединения аммония.
На стадии метаногенеза метанобразующие бактерии обр метан. Эти бактерии имеют разнообразную форму: кокки. палочки, извитые. Обр метана необходимо им для получения энергии, другие способы получ энергии для них неизвестны.
В результате биохимических превращений сложных органических веществ обр ключевой промежуточный продукт метаболизма – пируват (ПВК), его дальнейшее превращение зависит от видов м/о. Вторым ключевым промежуточным продуктом явл ацетил-коА. При этом более 70% жирных кислот приходится на долю уксусной кислоты.
CH3COOH → CH4 + CO2
CH3OH → 3CH4 + CO2 + 2H2O
CH3CH2OH + CO2 → CH4 + 2CH3COOH
4H2 + CO2 → CH2 + 2H2O
Конечным продуктом явл биогаз, который состоит из метана и углекислого газа, общее количество и процентное соотношение компонентов биогаза зависит от состава сбраживаемой среды. В среднем обр 68% метана и 32% углекислого газа. Существенную роль в интенсивности газообразования и увеличении скорости деградации отходов играет перемешивание и температурный режим , он может быть мезофильным (30-35 0С) и термофильным (50-60 0С) .
Недостаток анаэробного процесса – протекает более с низкими скоростями, чем аэробный и требует более дорогого оборудования. Преимущества – обр биогаза; деградация отходов на порядок выше, чем при аэробном сбраживании.
Анаэробная переработка отходов является одним из наиболее перспективных путей совместного решения экологических и энергетических проблем.
10.2 Рекомбинация – возникновение новых последовательностей ДНК в результате разрывов и последующих восстановлений ее молекул. В итоге таких изменений ДНК бактерий появляются рекомбинантные штаммы. В процессе генетического переноса участвуют бактерия-реципиент и бактерия-донор. Степень участия их неравномерна: в реципиентную клетку попадает фрагмент экзогенной ДНК бактерии-донора, который взаимодействует с цельной хромосомой реципиента, в результате чего происходит частичное перераспределение (рекомбинация) генетического материала с образованием рекомбинанта.
У микроорганизмов наиболее изучены три типа передачи ДНК, отличающиеся друг от друга способом ее транспортировки: трансформация, трансдукция и конъюгация.
Трансформация. Это процесс переноса генов, при котором часть ДНК клетки-донора (путем экстрагирования или при естественном лизисе клеток) может проникать в родственную бактериальную клетку-реципиент (одного вида или близкородственные виды). В результате в ДНК реципиента включаются фрагменты хромосомы ДНК донора, что приводит к изменению признаков бактерии-реципиента. Процесс можно разделить на несколько стадий:
1) контакт ДНК с поверхностью клетки;
2) проникновение ДНК в клетку;
3) соединение трансформирующей ДНК с соответствующим фрагментом хромосомы реципиента;
4) репликация включенной в хромосому новой информации.
Путем трансформации могут передаваться такие признаки, как капсулообразование, устойчивость к антибиотикам, ядам и другим лекарственным веществам, синтез ферментов.
Трансдукция. Это процесс переноса генетического материала от бактерии-донора к бактерии-реципиенту при участии бактериофага (рис.1).
Рис.1 Схема трансдукции: 1 – проникновение фага в клетку-донор; 2,3 – образование трансдуцирующего фага; 4 – взаимодействие трансдуцирующего фага с клеткой-реципиентом; 5 – образование рекомбинанта
Известны три главных типа трансдукции: общая (неспецифическая), локализованная (специфическая) и абортивная. При неспецифической трансдукции возможен перенос любого фрагмента ДНК донора, который способен включаться в гомологическую область ДНК клетки-реципиента при рекомбинации.
Специфическая трансдукция – перенос определенного фрагмента ДНК донора только в определенные участки ДНК реципиента. Это обусловлено тем, что образование трансдуцирующего фага происходит в результате соединения его ДНК со строго определенными бактериальными генами, расположенными на хромосоме клетки-донора.
При абортивной трансдукции принесенный фагом фрагмент хромосомы клетки-донора не включается в хромосому клетки-реципиента, а располагается в ее цитоплазме автономно и в таком виде функционирует. При делении клетки-реципиента фрагмент ДНК-донора может передаваться только одной из двух дочерних клеток.
При трансдукции возможен перенос генов, контролирующих питательные особенности бактерий, их устойчивость к лекарственным веществам, ферментативную активность, наличие двигательного аппарата и др. свойства.
Конъюгация (от лат conjugation – соединение). Это процесс, при котором сблизившиеся родительские клетки соединяются при помощи конъюгационных мостиков. Через эти мостики происходит обмен генетическим материалом. Конъюгация впервые была описана Дж.Ледербергом и Э.Татумом (1946) при работе с мутантами кишечной палочки.
Возможность клетки стать донором определяется специфическим половым фактором F (от англ. Fertility – плодовитость), который при конъюгации переносится из одной бактериальной клетки в другую. Клетки, содержащие F-фактор («мужские») в цитоплазме, обозначаются F+; они передают F-фактор клеткам, обозначаемым F- («женским»), не утрачивая донорской способности, так как оставляют копии F-фактора. Половой фактор F располагается в цитоплазме в виде кольцевой двунитчатой молекулы ДНК, т.е. является плазмидой. F-плазмида обусловливает образование на поверхности клетки одной или двух половых фимбрий – F-пили, способствующих соединению клеток-доноров с клетками-реципиентами, а также обеспечивает независимую от хромосомы репликацию собственной ДНК и образование продуктов, которые управляют переносом генетического материала как самой F-плазмиды, так и хромосомы клетки.
F-плазмида обладает способностью включаться в определенные места бактериальной хромосомы и становиться ее частью – Hfr-штамм (от: High frequency of recombination – высокая частота рекомбинации). При скрещивании Hfr-штамма с F--бактериями, как правило, F-фактор не передается, а гены хромосомы бактерии передаются с высокой частотой.
В начале процесса конъюгации клетки-доноры F+ или Hfr соединяются с клетками реципиентами (благодаря наличию F-пилей). Далее между клетками образуется конъюгационный мостик, и через него из клетки-донора в клетку реципиент передается генетический материал - F-плазмиды или хромосомы. Обычно при конъюгации передается только одна цепь ДНК-донора, а вторая цепь (комплементарная) достраивается в клетке реципиента.
При конъюгации происходит только частичный перенос генетического материала, поэтому она не тождественна половому процессу у других организмов.