Кислотогенная стадия

Группа ферментативных бактерий (бактерии-бродильщики, микрофлора рассеяния) представляют собой сложную смесь многих видов бактерий, большая часть которых являет­ся строгими анаэробами. Наличие таких бактерий не ис­ключает одновременного присутствия значительного коли­чества факультативных анаэробных бактерий, типа стрепто­кокков и кишечных бактерий. Доминирующими организмами могут быть анаэробные мезофильные бактерии типа Bacteroides, Clostridium, Butyrivibrio, Eubacterium, Bifidobacterium, Lactobacillus и многие другие. Среднее время генерации для бактерий этой группы составляет несколько часов, числен­ность их в анаэробных реакторах высока и достигает 10⁹—10¹¹ кл/мл. Выделяемые в виде чистых культур термофиль­ные микроорганизмы, как правило, представляют собой бактерии, относящиеся к роду Clostridium. Основной особенностью, бродилыциков является способность ис­пользовать те же субстраты, что и гидролитики, то есть продукты гидролиза, полимерных соединений и поступающие со стоком мономеры, но в более низких концентрациях. Скрининг микроорганизмов метаногенного биоценоза пока­зал наличие 293 видов анаэробных микроорганизмов, из ко­торых только 23 вида продуцировали метан. Видно, что в биоценозе наблюдается значительное превосходство раз­ раз­нообразия ферментативных бактерий над метанообразующими.

В общем же этап, определяемый деятельностью фермен­тативных бактерий, рассматриваемый применительно к пери­одическому, процессу, сопровождается резким уменьшением, прежде всего, содержания углеводов в среде, снижением ве­личины рН среды, возрастанием общего содержания ЛЖК, представленных муравьиной, уксусной, пропионовой, масля­ной и другими кислотами. Качественный и количественный сос­тав продуктов брожения на этой стадии. может сильно ме­няться в зависимости от вида стока, температуры, рН, Eh и других условий. Ферментация углеводов кислотогенкой микрофлорой во. многом напоминает ферментацию сложных органических соединений в рубце животных и происходит по пути Эмбдена — Мейергофа— Парнаса. Характер образующих продуктов зависит от того, насколько глубоко прошел катаболизм пирувата и от парциального давления водорода в системе. Так, например, при резком увеличении подачи субстрата, в реакторе могут образовываться избы­точные количества ЛЖК и водорода, снижая значе­ния рН и Eh. Причем увеличение концентрации водорода в газовой фазе, которая при стабильном процессе метаново­го брожения не превышает 100 частей на млн. является указанием на дестабилизацию процесса. При увеличе­нии концентрации водорода кислотогенные бактерии через систему обратных связей задействуют альтернативные мета­болические пути (синтез этанола, пропионата, бутирата и дру­гих высших ЛЖК). Такая регуляция является, как уже от­мечалось выше, характернейшей чертой метанового биоце­ноза, о ее молекулярных механизмах будет сказано ниже. Накопление ЛЖК и спиртов крайне нежелательно, так как их разложение может также являться лимитирующей сту­пенью процесса.

В целом, из-за широкого видового разнообразия кислото­генные бактерии достаточно устойчивы к изменениям ус­ловий среды реактора. Кроме природных субстратов фер­ментативные бактерии метаболизируют также фенольные, азот- и серосодержащие соединения, находящиеся в стоках
сульфатной и сульфитной варки целлюлозы, химической пе­реработки нефти, газификации угля и др. Субстраты, содер­жащие серу и азот, могут вызывать рост сульфатредуцирующих бактерий и денитрификаторов.

Кислотогенная стадия метанового брожения в кинетичес­ком плане изучалась в работах, где конверсии подвергались полисахариды(целлюлоза, ксилан, галактоманнан, глюкоманнан), моносахариды (глюкоза, ксилоза, галак­тоза, манноза, арабиноза), белки (альбумин), аминокислоты (лизин, аланин, глутаминовая кислота и т. д.). Показано, что основными Продуктами этой стадии метаногенеза являются водород, углекислота, этанол, ацетат, пропионат, бутират. На основе данных количественного анализа образуемых про­дуктов (в условиях их предельного накопления) авторы предложили универсальное химическое уравнение для кислотогенной стадии метаногенеза углеводов, включая по­лисахариды со степенью полимеризации до 150, где стадия гидролиза не является лимитирующей:

Для термофильного режима подобной стабильности коэф­фициентов не наблюдается, что вероятно связано с мень­шим разнообразием видового состава микроорганизмов в этом режиме.

В результате исследования обменного взаимодействия между ферментативными бактериями и бактериями, потреб­ляющими водород, было показано, что концентрация водо­рода в экосистеме играет важную роль в регулировании состава продуктов, образующихся под действием фермен­тативных бактерий. Ферментативные бактерии могут быть разделены на две группы в соответствии с их способ­ностью образовывать молекулярный водород. Бактерии, ко­торые не способны образовывать молекулярный водород в качестве продукта брожения, имеют стабильный метабо­лизм и фиксированный массовый баланс. Типичными приме­рами являются пропионовые и молочнокислые бактерии. Meтаболизм бактерий, - образующих водород, зависит от парциального давления.

Соответствующие стехиометрические коэффициенты для мезофильного режима слабо зависят от природы углевода и равны:

Центральным исходным метаболитом в клетке бактерии бродилыцика является пируват, который образуется как из углеводов, так и из аминокислот после их дезаминирования. При низком парциальном давлении водорода в системе тр. есть когда он эффективно удаляется, образуются окис ленные, продукты: углекислота и ацетат — непосредственны предшественники метана. При избытке восстановителя об­разуются менее окисленные продукты — этанол, бутират пропионат, лактат.

Образование водорода происходит в соответствии с реакцией: .

Равновесие этой реакции смещено влево, поэтому образова­ние водорода происходит только при его низком парциальном давлении, что обеспечивается деятельностью водород-использующих метаногенов. Если такая ситуация реализуете) при конверсии углеводов, то пируват расщепляется до ацетата, СО₂ и Н+ В целом же по мере увеличения парциального давления водорода, как уже отмечалось выше, поток электронов с NADH смещается в сторону образования молекулярного водорода, а более восстановленных, чем ацетат, метаболитов. Многочисленные примеры регуляции метаболизма первичных анаэробов водородом приведены в обзорах.

Помимо углеводов, ОВ сточных вод обычно содержат значительное количество белков и жиров. Белки при метаногенезе гидролизуются в пептиды и аминокислоты, которые затем ферментируются в уксусную, пропионовую, масляную, изомасляную, изовалериановую, валериановую кислоты, фенилуксусную, фенилпропионовую, бензойную и индолилуксусную, а также в аммиак и сероводород. Последние два соединения именно по этой причине в примесных количест­вах присутствуют в составе биогаза. В целом же основные закономерности кислотогенеза белков и аминокислот в общем аналогичны закономерности конверсии углеводов.

Глицериды, фосфолипиды и другие жиры гидролизуются с высвобождением ЖКДЦ, а также глицерина и галактозы, ферментация которых проходит по упомянутому выше пути Эмбдена—Мейергофа—Парнаса. В процессе ферментации ЖКДЦ медленно подвергаются дальнейшему расщеплению о чем подробно будет сказано ниже.