Экологические аспекты современной биотехнологии (стр. 7 из 10)
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 MethanosarcinabarkeriMethanococcusmazei, Methanothrixsoengenii. 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:
| - + со2 + |
| HS-CoM |
сnнa0b + ( „ - iCOOH-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-
| РН |
 |
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.