Микробиологическая характеристика анаэробного ила

Анаэробным илом называют биоценоз м/организмов сбраживающих осадки.

Бактериальное население анаэробного ила чрезвычайно разнообразно. Условно подразделяется на две группы. Первую составляют бактерии, использующие в энергетическом обмене органичекие вещества исходного субстрата (осадка). Эту группу объединяют под общим названием кислотообразующие бактерии, т.к. основными конечными продуктами их жизнедеятельности являются жирные кислоты. Во вторую группу входят специфические виды бактерий, способные превращать метаболиты кислотоообразующих бактерий в конечные продукты метановового брожения- метан и диоксид углерода. Бактерии второй группы называют метанообразующими.

Кислотообразующие бактерии представлены облигатными и факультативными анаэробами. Выделено из бродящего осадка от 50 до 92 видов, половину из них составляют спорообразующие формы. Они различны по физиологическим особенностям. Степень развития отдельных физиологических групп зависит от состава обрабатываемых осадков. Органические вещества разлагаются аммонифицирующими, целлюлозными, жирорасщепляющими бактериями. В анаэробном иле найдены денитрофикаторы и судьфатредецирующие бактерии. Обнаружены виды потребляющие в качестве источника углерода совершенно определенные вещества. Макромолекулы белков, жиров и углеводов разрушаются в основном спорообразующими бактериями. Важное значение в процессах брожения имеют клострии. В зависимости от используемого субстрата различают- клостридии, обладающие сахаролитической активностью, которые окисляют вещества углеводной природы; клостридии, имеющие активные протеалитические ферменты, в качестве субстрата используют белки и продукты их гидролиза; клостридии, сбраживающие гетероциклические азотосодержащие соединения.

В целом группа кислотообразующих бактерий осуществляет процесс брожения сложных субстратов в широком диапазоне рН. Время генерации для некоторых видов составляет 20-30 мин.

Метанообразующие бактерии включает 3 рода:

1 род включает виды, имеющие форму прямых или изогнутых палочек 307 мкм, которые образуют нити, большинство из них неподвижны.

Представители 2 рода имеют сферические клетки размером 0, 5-10 мкм неправильной формы. Клетки могут быть одиночными, располагаться попарно или в виде скоплений. Есть неподвижные и подвижные формы.

3 род- неподвижные бактерии, состоящие из крупных сферических клеток размером 1,5-2,5 мкм. Все метагенные бактерии-облигатные анаэробы, чувствительны к окислительно-восстановительным реакциям среды. Оптимальное значение рН для них ограничено узким интервалом 6,8-7,5.

Почти все метаногенные бактерии принадлежат к мезофилам. Оптимальная температура составляет 35-40С. Половина метанообразующих бактерий в качестве источника углерода используют углекислый газ. Сложные органические соединения метагенные бактерии потреблять не могут. Источником азота для метанобразующих бактерий служат аммонийные соединения. Наиболее характерной особенностью метаногенных бактерий является специфичность отдельных видов по отношению к донору водорода. Большинство этих бактерий способны потреблять водород.

Процесс биохимического окисления веществ в анаэробных условиях.

1. стадия кислого брожения.

Ее осуществляют кислотообразующие бактерии. Благодаря им все органические компоненты осадков подвергаются деструкции. Анаэробный ил обладает гидролитической активностью. В нем обнаружены гидролитические ферменты: протеазы, глюкозидазы, липазы. Под действием этих ферментов исходные вещества осадка и активного ила, подвергаясь внеклеточному гидролизу, превращаются в соединения, которые доступны клеткам бактерии.

Внутриклеточные превращения простых сахаров приводит к образованию ПВК - ключевого промежуточного продукта метаболизма (углеводов, глицерина, аминокислот). В результате разложения аминокислот бактериями появляется аммиак, а в случае серосодержащих аминокислот - сероводород.

Продукты гидролиза жиров используются многими видами кислотообразующих бактерий. В ходе ферментативных реакций глицерин превращается в фосфоглицериновый альдегид, который затем включается в обмен углеводов.

Таким образом, кислотообразующие бактерии превращают белковые соединения, жиры и углеводы осадков сточных вод в низшие жирные кислоты, спирты, аммиак, водород и сероводород.

2. стадия щелочного брожения.

Осуществляется метанообразующими бактериями. При ферментации уксусной кислоты и метилового спирта метан синтезируется в результате восстановления метильной группы.

СН₃СООН -—— СН₄ + С02 (1)

4СН₃ОН -—- ЗСН₄ + СО₂ +2Н₂О (2)

Иной механизм образования метана характерен для тех видов метаногенных бактерий, которые не способны утилизировать уксусную кислоту и метанол. Это бактерии синтезируют метан в результате восстановления диоксида углерода по реакции:

4АН₂ + СО₂ -- СН₄ + 2Н₂О + А (3)

В процесс метанообразования вовлекаются и более сложные вещества, такие как масляная, пропионовая, капроновая кислоты. Превращение их осуществляется по типу реакции (3), в которой вместо молекулярного водорода участвуют перечисленные органические субстраты. Например, при использовании этилового спирта он окисляется до СНзСООН с одновременным восстановлением диоксида углерода по типу реакции:

2СН₃СН₂ОН+ СО₂ -- СН₄ + 2СН₃СООН

Некоторые виды метаногенных бактерий восстанавливают СО₂,

потребляя молекулярный водород:

4Н₂ + СО₂ —— СН₄+2Н₂О.

Таким образом, все известные пути получения метана сводятся к реакциям 2 типов: восстановление метильной группы уксусной кислоты и метанола и восстановление диоксида углерода, выполняющего роль конечного акцептора водорода.

Обезвреживание и утилизация отходов биотехнологических производств.

Отходами биотехнологического производства могут быть клетки (ткани) и культуральные жидкости после извлечения из них нужных метаболитов. Нет полной информации о количестве отходов всех биопроизводств в мире. Например, на одну тонну лимонной кислоты образуется 150-200 кг сухого мицелия.

Отходы биотехнологических производств относятся к типу разлагающихся в природных условиях под действием различных факторов (биологических-минерализация с участием м/организмов, химических-окисление, физико-химических-благодаря комплексному воздействию, например, лучистой энергии, химических веществ).

Отходы биотехнологических производств подразделяются на твердые и жидкие.

Плотные отходы в биотехнологических производствах представляют собой - микробную массу, отделяемую от культурольного фильтра:

- шламы;

- растительную биомассу, после экстракции из нее действующих веществ;

- некоторые тканевые культуры млекопитающих;

- осадки сточных вод (ил)

Подсчитано, что в коммунальных очистных сооружениях сточные воды от одного горожанина образуют за год около 500 литров ила.

В пивоварении плотными отходами являются дрожжевые клетки (0,40 кг на 1 гл пива), солодовая и хмельная дробина, белковый осадок из сепараторов. За счет того, что белковый осадок , хмельная дробина содержит горечи, их не могут использовать в качестве добавок к кормам животных, поэтому их либо ожигают (перептобельно) либо передают на биологическое обезвреживание.

В спиртовом производстве отходом является барда, состав которой зависит от качества используемого сырья (картофель, зерно). Высушенная барда используется в качестве добавок к корму. Количество плотных отходов действует на выбор метода их обеззараживания. Так, патогенные микробы должны быть обезврежены полностью. Эффективный способ - сжигание. Если отходом является биомасса клеток стрептомицетов, их достаточно убить нагревом, далее их можно уже использовать в качестве добавок к кормам, в качестве удобрений. Но здесь необходимо исключить их сенсибилирующее действие. В аэробных очистных сооружениях, где происходит обезвреживание отходов, лимитирующими факторами выступают качество и площадь биопленки, состоящий из микро-макрофлоры и фауны. При этом необходимо убедиться, что привносимые плотные отходы, которые богаты органическими веществами не приведут к ухудшению работы аэротенков.

Жидкие отходы в биотехнологических производствах достаточно разнообразны по своему составу. Это объясняется неполным использованием биообъектами компонентов, входящих в состав питательных сред; присутствием растворителей, используемых для экстракции конечных продуктов; наличием веществ, секретируемых клетками. Жидкие отходы дрожжевых заводов, где производят дрожжи на мелассном сусле, содержат органические и минеральные вещества: этанол, углеводы, общий азот, зольные элементы. Отходы, образующиеся от 1000 т мелассы, соответствуют бытовым стокам города с населением около 0.5 млн. жителей. Подобные жидкие отходы подвергают микробиологической обработке. Сточные воды отдельных предприятий неравноценны. Одни могут быть названы условно чистыми, поскольку они почти не отличаются от потребляемой в производствах природной воды (конденсаты, вода из теплообменников). Другие воды являются загрязненными неорганическими и органическими примесями, которые попадают от сырья, загрязненного при транспортировке; от оборудования. Отличительной особенностью биотехнологических процессов, основанных на выделении метаболитов из культуральных жидкостей, является неравновесное соотношение целевого продукта и жидкости. В подобных производствах количество жидких отходов больше, чем плотных.

Газообразные отходы в процессах биологической технологии немногочисленны в ассортименте. Энергетическим субстратом для биообьектов является углеводы. В аэробных и анаэробных условиях из них образуется диоксид углерода. Выделяющийся диоксид углерода улавливается и утилизируется в пищевой промышленности в качестве хладагента. "Отработанный воздух" биотехнологических процессов не должен поступать в атмосферу без очистки и обезвреживания. "Отработанный воздух" представляет собой высокодисперсный аэрозоль, в котором дисперсной фазой оказываются капельки жидкости и м/организмы. Они легко переносятся воздушными потоками и на большие расстояния и не исключено неблагоприятное воздействие на людей. "Отработанный воздух" должен быть термически обработан и только после этого подвергаегся фильтрационной очистке.