Закономірності функціонування клітини в процесі біологічного очищення стічних вод
Функціонування клітини при очищенні складається із трьох стадій:
1. масо передача органічних речовин і кисню із рідини до поверхні клітини;
2. дифузія речовини і кисню через мембрани клітини;
3. метаболізм дифундованих продуктів, що супроводжується приростом біомаси (виділення енергія, вуглекислого газу).
Основний процес з енергетичної точки зору – це перетворення речовини всередині клітини.
| Сс |
| lgN |
| I |
| II |
| III |
| IV |
| V |
| VI |
| VII |
| VIII |
| IX |
| Тривалість, год |
N – чисельність бактерій, млн./рік;
Сс – концентрація субстрату, мг/дм3.
Ріст чистої культури в окремому стерильному середовищі за рахунок поглинання одного виду субстрату графічно описується відомою s-подібною кривою, а загибель культури – дзеркально протилежною кривою.
На сумарній кривій ,яка відображає повний цикл розвитку, зазвичай виділяє 9 фаз.
I Початкова стаціонарна фаза.
II Фаза позитивного прискорення.
Зазвичай ці дві фази об’єднують і називають «лаг-фаза».
III Фаза експоненціального росту.
IV Фаза уповільнення росту.
V Максимальна стаціонарна фаза.
VI Фаза позитивного пришвидшення відмирання бактерій.
VII Фаза експоненціальної загибелі клітин.
VIII Фаза уповільнення відмирання.
IX Фаза стабілізації популяції.
Фази кількісного росту описуються s-подібною кривою. Зміна якісного стану клітин визначається такими стадіями розвитку:
1. ембріональна;
2. молодості;
3. зрілості;
4. старості.
На початку лаг-фазинемає видимої зміни чисельності мікроорганізмів і помітного споживання поживних речовин. Однак, в цей час мікроорганізми знаходяться ембріональному стані, готуються до фази активного росту. В результаті цього, в середині лаг-фази, клітини стають омолодженними, активними, а також дихають, рухаються і харчуються. До кінця лаг-фази ріст досягає максимальної величини. клітини більш омолоджуються, посилено дихають, споживають субстрат і реагують на зміну оточуючого середовища.
В III фазі ріст клітин відбувається з постійною швидкістю.
Протягом усієї фази клітини зберігають високу фізіологічну активність (перехід до стадії молодості).
Настання фази IV свідчить про початок старіння культури. фізіологічна активність клітин зменшується, в них накопичуються запасні поживні речовини і з’являються різні форми відхилень. Починається флокуляція мікроорганізмів. В V фазі число клітин досягає максимуму, приріст мікроорганізмів лише компенсує їхню загибель. Фізіологічна активність зменшується до мінімуму і зростає флокуляція. На V фазі закінчується активний ріст. При повному вичерпанні субстрату, накопиченні метаболітів і флокуляції, починається фаза відмирання VI.
Біосорбція
Біосорбцією в загальному випадку називається спільний процес поглинання сорбентом розчинених неорганічних і органічних речовин з наступному акумуляцією і асиміляцією.
Біосорбція металів
В основі лежать процеси взаємодії іонів металів з поверхневими групами клітин мікроорганізмів або їх метаболітів чи екзополісахаритів (ЕПС). В цьому випадку до біосорбенті ввідносять різні біоактивні клітини і живі і мертві – бактерії, водорості, гриби, дріжджі і т.д.. Біосорбенти здатні селективно акумулювати на своїй поверхні іони металів. Вони поводять себе аналогічно фізико-хімічним поверхням. в біосорбції іонів металів розрізняють 2 види:
- активну біосорбцію;
- пасивну біосорбцію.
Активна біосорбція за рахунок метаболічних процесів включає метали в структуру клітин. при цьому швидкість поглинання досить низька.
пасивна біосорбція відбувається на поверхні клітин і зумовлює фізико-хімічну взаємодію іонів металів з іонообмінними або полярними групами клітинних мембран. Тому процес протікає достатньо швидко.
Біосорбція важких металів, що включає фізико-хімічну взаємодію з поверхневими групами клітинних мембран називається біоакумуляцією. В іншому випадку – при проникненні іонів металу через клітинну мембрану всередині клітини має місце метаболізм і називається біосорбцією. В цьому випадку, при метаболізмі всередині клітини процес включає дві стадії:
- швидка стадія – пов’язана з акумуляцією металів на стінці клітини;
- повільна стадія – являє собою транспорт металу через мембрану клітини.
В цьому процесі сорбції металів відбувається необоротнє зв’язування і трансформація іонів металу в колоїдно-нерозчинний стан у вигляді металу, це біосорбція золота і срібла. Або відбувається трансформація сполуки типу оксидів, гідроксидів, карбонатів, фосфатів. Таке перетворення характерне для міді, кобальту, цинку, кадмію, урану.
Біосорбція іонів срібла
Біосорбція відбувається за допомогою клітин Candidoutiris. Число клітин становить від 14 до 40%, а збільшення температури дозволяє збільшити число до 23-40%. Було встановлено, що кількість адсорбованих клітин срібла залежить від вмісту в клітинах фосфору. Іони срібла активно взаємодіють з фосфоровмісними компонентами. таке з фосфором спостерігається і для урану. Ефективно сорбуються іони молібдену при рН 1,2-2 бактеріями, ємність – 180-200 мг/г.
Приклад роздільного виділення молібдену і вольфраму з сірчанокислих розчинів біомаси на основі кандиду. Змінюючи рН спочатку вилучають молібден. Певний вид мікробної маси володіє здатністю адсорбувати на своїй поверхні золото.
ЕПС використовують для вилучення окремо іонів міді (рН 6,5), кадмію (рН 5,5) і урану (рН 3,5).
В теперішній час створено декілька видів промислових біосорбентів на основі бактеріальної маси. Для урану використовують емульсин (біосорбент). Це екологічно безпечний препарат, без фосфору, не токсичний. Очищення стічних вод від урану і нітратів здійснюють за допомогою біомаси денітрофіційованих бактерій, які імобілізують на частинках кам’яного вугілля.
В Україні випускають бактерії на основі бактерії Bacillus polymyxa, яка ефективно вилучає уран. Кольорові і благородні метали добре сорбуються американським біопрепаратом AMG blockade.