Для очистки сточных вод в народном хозяйстве при утилизации отходов животноводческих ферм, производстве кормового витамина B12 и в других случаях используют метановое брожение. Этот процесс широко распространен в природе (разложе-ние органических веществ в болотах, водоемах, в почве, у жи-вотных в рубце и т.д.). Метановое брожение -- строго анаэроб-ный процесс, осуществляется, как правило, в особых аппара-тах -- метантенках.
Биодеградация органических веществ при метановом брожении в метантенках протекает в три последовательные фазы (табл. 8).
В первой, гидролитической фазе около 76 % органических веществ переходит в высшие жирные кислоты, до 20 % -- в ацетат и 4 % -- в водород. Первую фазу можно разбить, в свою очередь, на фазы гидролиза и ацидогенеза (кислотообразования). Во второй фазе главными являются процессы образо-вания из высших жирных кислот ацетата (52 %) и водорода (24%). В третьей фазе (брожение) метаногенные бактерии образуют из ацетата 72 % метана, и СОз -- 28 % метана. Соотношение промежуточных и конечных продуктов в процессе метанового брожения зависит от состава среды, условий фер-ментации и присутствующей микрофлоры.
В первой фазе брожения принимают участие микроорганизмы, обладающие целлюлолитической, протеолитической, липолитической, сульфатвосстанавливающей, денитрифицирующей и други-ми видами активности. Состав доминирующей микрофлоры данной фазы зависит от состава микрофлоры поступающего в ме-тантенки субстрата, а также от химической природы деградиру-емых органических веществ. Количество аэробных и факульта-тивно анаэробных микроорганизмов в первой фазе брожения достигает 106 кл/мл, содержание облигатных анаэробов на 2--3 порядка выше. Целлюлозоразрушающие анаэробные бактерии в метантенках могут накапливаться в количестве до 106 кл/мл. Среди бактерий, разрушающих гемицеллюлозу, обнаружены штаммы Bacterioides ruminicola, Butyrivibrio fibriosolvens и др.
Протеолитические бактерии, используемые в промышленности относятся к роду Clostridium (28 штаммов из 43 выделенных), Peptococcus anaerobis (8 штаммов), к родам Bacterioides и Eubacterium (3 штамма), а также к родам, близким к Bifidobacterium. Общее количество микро-организмов, обладающих протеолитической активностью, в ме-тантенках достигает 105 кл/мл. Отмечается, что до 50 % выде-ленных бактерий, участвующих в метановом брожении, образуют споры. Влияние микробиологического состава поступившего в ме-тантенк субстрата на микрофлору метанового брожения хорошо видно на примере анаэробного сбраживания стоков свиноферм, в культуральной жидкости которых обнаружено до 50 % энтеробактерий Е. coli и анаэробных стрептококков. В этом опыте пер-выми развивались бактерии, обладающие амилолитической активностью, а позднее -- обладающие целлюлолитической и протеолитической активностями.
Существенная роль в процессах метанового брожения принадлежит ацетогенными и водородпродуцирующим бактериям. Эти бактерии, например Syntrophobacter wolinii, превращают пропионат в ацетат, СО2, если в среде одновременно при-сутствуют водородпотребляющие бактерии. Водород образуется при окислении NADH2 с образованием NAD. Содержание водоро-да в среде зависит не только от ацетогенных бактерий, но и от водородпотребляющих метаногенов. Метаногенная система будет работать эффективно тогда, когда парциальное давление водоро-да будет низким. При этом условии углеродные соединения кон-вертируются в ацетат, СО2 и будут плохо накапливаться различные жирные кислоты. В условиях загрузки биореактора легкодеградируемым субстратом концентрация СО2 может увели-чиваться и в среде будут накапливаться пропионовая, масляная и другие органические кислоты.
В третьей фазе -- метаногенной -- участвуют метанобразующие бактерии. Эта группа анаэробных бактерий принадлежит к древнейшему царству живых существ -- архибактериям. Строе-ние и метаболизм метанобразующих бактерий сильно отличаются от прокариот. Так, у метаногенов маленький геном -- около '/з генома кишечной палочки. Исследования последних лет показа-ли, что последовательность нуклеотидов в РНК у метаногенов и у обычных бактерий существенно различаются. Энергию для роста эти бактерии получают при восстановлении наиболее окисленного соединения СО2 до наиболее восстановленного СН4. Предполагаемый путь автотрофной ассимиляции СО2 у Methano-bacterium thermoautotrophicum показан на рис. 3.
Таблица 8. Фазы метанового брожения
Группы бактерий, участвующие в процессе
Исходные вещества
Продукты
Биогидролиз полимеров и ацидогенез
Гидролитические ацетогенные
Комплекс оргашче- Высшие жирные кис-ских веществ лоты
Ацетогенез и дегидрогенизация Водородпродуцирующие бактерии Высшие жирные кис- На, СО2, СН3СООН
Метанобразующие бактерии
Метаногенез
На, СО2, СНзСООН
СН4, СО2
Галактозо-КНг
|Аспартат{
Оксал о ацетат
I
Малат Фумарат
Фактор
Сукцинат
ATP I
Сукцинил-СоА
(С02) 1 факт°Р 420ВОСС а-кетоглутарат
Гексозофосфат
Триоэофосфат
АТР
Фосфоенолпирув ат
Пентоэофосфат
Рис. 3.
Предполагаемая схема автотрофной ассимиляции СО2 у бакте-рий Methanobacterium thermoautotrophicum
После создания Хангейтом Р. Э. в 1985 г. упрощенной техники культивирования метанобразующих бактерий удалось выде-лить 30 видов метаногенов, принадлежащих к 14 родам и 6 семействам. Некоторые представители метанобразующих бактерий приведены в табл. 11.9. По форме клеток метаногены являются кокками или палочками различных размеров и подвижности. Некоторые представители Methanobacterium и особенно Methanothrix могут образовывать даже нитеобразные клетки. Строение клеточной стенки у метаногенов отличается от таковой у обычных бактерий.
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 ни-теобразных; в клеточной стенке содержится псевдо-муреин
Комки, короткие палочки; в клеточной стенке содер-жится псевдомуреин
Подвижные нерегулярные небольшие кокки; в клеточ-ной стенке содержатся по-липептидные субъединицы
Подвижные короткие палоч-ки и нерегулярные под-вижные небольшие кокки; в клеточной стенке содер-жатся полипептидные субъ-единицы
Подвижные небольшие не-регулярные кокки; в клеточ-ной стенке содержатся по-липептидные субъединицы Подвижные палочки; в кле-точной стенке содержатся полипептиды
Нерегулярные кокки, сгруп-пированные в пакеты; в кле-точной стенке содержатся гетерополисахариды Палочки от длинных до ни-тей; в клеточной стенке не содержится муравьиная кислота
Неподвижные палочки; в клеточной стенке содержит-ся псевдомуреин
Водород и формиат
Водород
То же
Водород и формиат То же
»
Водород, метанол, метил-амин, ацетат Водород и формиат
Водород, ацетат, мета-нол, метиламин
Ацетат
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 Methanosarcina barkeri Methanococcus mazei, Methanothrix soengenii. При конверсии ацетата в метан с их помощью очень мало изменяется свобод-ная 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 + Ѕ 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 перенос-чиками 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 + ( „ - i
COOH-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 масля-ной -- 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 установ-лено, что по скорости сбраживания органические кислоты рас-пределяются в следующем нарастающем порядке: пропионовая, капроновая, валериановая, муравьиная, масляная, уксусная. Наиболее интенсивно сбраживается уксусная кислота.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7
