Тема № 2 Биотрансформация загрязнений неорганической природы. Биодеструкция природных и синтетических полимерных материалов План:

3. Биотрансформация загрязнений неорганической природы.

   0. 1.1. Биотрансформация соединений азота.

   1. 1.2. Биотрансформация металлов. Биотрансформация соединений серы.

   2. 1.3. Транслокационная миграция тяжелых металлов и радионуклидов в растения.

   3. 1.4. Накопление загрязнений гидробионтами.

4. Биодеструкция природных и синтетических полимерных материалов.

   0. 2.1. Разложение природных полимеров.

   1. 2.2. Биодеградация ксенобиотиков лигнолитическими микроорганизмами.

   2. 2.3. Биодеградация синтетических полимерных материалов. Проблема создания биодеградируемых пластиков.

1. Биотрансформация загрязнений неорганической природы.

Микроорганизмы способны осуществлять реакции трансформации, превращая те или другие соединения в новые продукты. Условия протекания этих реакций мягкие, и во многих случаях микробиологические трансформации предпочтительнее химических.

В микробиологической трансформации обычно работает один определенный фермент. Чтобы провести трансформацию какого-либо вещества, вначале размножают культуру соответствующего микроорганизма до количества, равного 5-10% объема трансформируемого раствора. Раствор для трансформации вещества готовят, учитывая, что в нем надо растворить максимально возможное количество трансформируемого вещества (обычно 10-25%) и надо использовать минимальное количество необходимых для развития культуры питательных солей, в таком виде, чтобы не было затруднено химическое выделение вещества. Трансформацию ведут в стерильных условиях при оптимуме рН, температуры и других условий. Длительность процесса обычно 1-2 суток. После микробиологической трансформации следует химическое выделение вещества из раствора.

1.1. Биотрансформация соединений азота.

Соединения азота относятся к основным биогенным веществам в сточных водах (СВ) города, которые представляют смесь производственных и коммунально-бытовых СВ (а также, возможно, и поверхностного стока с урбанизированной территории). Азот в СВ присутствует в составе органических (белки, аминокислоты и мочевина) и неорганических соединений (аммонийный, нитритный и нитратный азот).

В большинстве населённых пунктов для очистки общегородского потока СВ применяются механические и биохимические методы, которые неэффективны для удаления соединений азота. Большинство исследований процессов очистки СВ от соединений азота основано на разделении процессов нитрификации и денитрификации, однако, СВ характеризуются одновременным присутствием всех форм соединений азота, а поэтому процессы их биотрансформации следует рассматривать параллельно, с учетом того, что продукты одних реакций являются исходными веществами в других.

Можно выделить следующие процессы трансформации азотных соединений. Аммонификация – процесс биоразложения органических соединений, содержащих азот, который сопровождается выделением азота аммонийного. Нитрификация – процесс трансформации азота аммонийного в азот нитратный при помощи аэробных нитрифицирующих бактерий активного ила (АИ) аэротенков NH₄⁺ → NO₂⁻ → NO₃⁻ .

Денитрификация – это анаэробный процесс превращения нитрата в молекулярный азот NO₃⁻ → NO₂⁻ → NO→ N₂O→ N₂.

Таким образом, удаление азота из СВ, проходящих очистку, происходит за счёт потребления микроорганизмами и перехода в молекулярный азот.

Условия для проведения нитрификации:

1) содержание растворённого кислорода: оптимальные значения составляют 1,5-2,0 мг/дм³;

2) наличие СО₂ (является одним из продуктов аммонификации);

3) рН СВ в диапазоне 7,5-8,5;

4) температура 20-25 °С;

5) низкая нагрузка на АИ (нагрузка на АИ по органическому веществу не должна превышать 0,05-0,2 кгБПК_п/кг АИ);

6) возраст АИ: для поддержания устойчивости процесса необходимо поддерживать высокий возраст АИ (оптимальный возраст АИ – 10-12 суток).

Условия для проведения денитрификации:

1) дефицит кислорода (поскольку микроорганизмы-денитрификаторы при наличии достаточного количества кислорода используют его в качестве акцептора электронов);

2) наличие легко разлагаемой органики (денитрификационный потенциал БПК₅ = 4СN(NO₃));

3) возраст АИ: с увеличением возраста АИ процесс денитрификации замедляется.

Видно, что по условиям осуществления нитрификация и денитрификация представляют собой два противоположных процесса, поэтому необходимо их технологическое разделение.