МИКРОБИОЛОГИСЕКОЕ САМООЧИЩЕНИЕ
Микробиологическая трансформация ЗВ считается одним из основных каналов самоочищения водной среды. Микробиологические биохимические процессы включают реакции нескольких типов. Это реакции с участием окислительно-восстановительных и гидролитических ферментов. Оптимальная температура для протекания процессов биодеградации ЗВ составляет 25-30ºС.
Рост микробной популяции в отсутствие лимитирующих факторов ОС описывается уравнением:
, где (176)
km – удельная константа роста;
m – биомасса микроорганизмов или численность популяции.
Если количество субстрата является лимитирующим фактором, то удельная константа роста зависит от его концентрации:
, где (177)
kmax – максимальная удельная константа роста, достигаемая при избытке субстрата в отсутствие лимитирования;
KM - константа насыщения, численно равная концентрации субстрата CS, при которой скорость роста популяции вдвое меньше максимально возможной.
Уравнение, описывающее поведение субстрата (в том числе и ЗВ) во времени и таким образом применимое для описания скорости микробиологической трансформации вещества, может быть записано в виде:
, где (178)
η – коэффициент выхода в виде вновь образующихся клеток или прирост биомассы на единицу утилизируемого вещества.
В случае следовых концентраций субстрата CS KM уравнение (178) упрощается:
(179)
Это кинетическое уравнение реакции второго порядка, где
– константа скорости биолиза.
Из уравнений (178)-(179) следует, что скорость микробиологической трансформации вещества зависит не только от его свойств и структуры, но и от метаболической способности микробного сообщества.
По концентрации субстрата (ЗВ) биолиз осуществляется как реакция первого порядка и скорость его пропорциональна kБ – микробиальной активности среды:
, где (180)
.
Кинетика псевдопервого порядка трансформации некоторых ЗВ при фиксированных размерах популяции и прямо пропорциональный рост константы скорости с ростом численности бактерий во многих случаях доказаны экспериментально. Более того, в ряде случаев kэф не зависит от фазы роста популяции, от местности и видового состава микробного сообщества.
При интегрировании кинетического уравнения реакции первого порядка (180) получим:
, где (181)
– начальная концентрация субстрата (или биохимически окисляемых веществ, соответствующая БПКполн).;
– текущая концентрация субстрата (или биохимически окисляемых веществ, соответствующая БПКполн.– БПКτ).
При замене ина соответствующее значение БПК в уравнении (181) получим:
. (182)
Обозначим kБ/2,303 = k*, где k*– константа биохимического окисления (имеет размерность константы реакции первого порядка – сут-1). При потенциировании уравнения (182) имеем уравнение, связывающее БПКполн.и БПКτ, в экспоненциальной форме:
. (183)
Пользуясь уравнением (182), можно определить время полного окисления биохимически окисляемых веществ – время, за которое окисляется 99% вещества.
. (184)
В естественных условиях средних широт в результате микробиологических процессов наиболее быстро распадаются алканы нормального строения (на 60- 90% за три недели). Разветвленные алканы и циклоалканы распадаются медленнее, чем н-алканы – за неделю на 40%, за три недели – на 80%. Низкомолекулярные производные бензола минерализуются быстрее насыщенных углеводородов (например, фенолы и крезолы). Замещенные ди- и трихлорфенолы разлагаются полностью в донных отложения в течение недели, нитрофенолы – в течение двух-трех недель. Однако ПАУ разрушаются медленно.
Несмотря на имеющиеся примеры удовлетворительного описания микробиологических процессов самоочищения с помощью уравнения (179), встречаются изменения kэф, которые трудно объяснить. На процессы биодеградации оказывают влияние множество факторов: освещение, содержание растворенного кислорода, pH, содержание питательных веществ, наличие токсикантов и др. Даже если микроорганизмы обладают необходимым для разрушения ЗВ набором ферментов, они могут не проявлять активности из-за отсутствия дополнительных субстратов или факторов.
В природных условиях возможна ситуация, когда трансформация того или иного ЗВ, протекающая под действием немногочисленных второстепенных представителей микробного сообщества, будет описываться уравнением первого порядка, в то время как ее скорость не будет зависеть от численности доминантных микробиальных видов.
Фактически, несмотря на высокие потенциальные возможности микроорганизмов в отношении трансформации ЗВ, в природных условиях они не всегда могут быть реализованы. Так, внесение активных микроорганизмов в водоем зачастую не оказывает влияния на скорость трансформации ЗВ в природных условиях.
Необходимо остановится еще на одной особенности микробиологических процессов трансформации ЗВ. Это возможность образования продуктов трансформации, которые оказываются более токсичными соединениями, чем исходные вещества. Возник даже специальный термин «токсификация», т.е. процесс, при котором исходное малотоксичное ЗВ подвергается в организме воздействию ферментов и становится болеетоксичным. Это касается трансформации некоторых ароматических аминов (гидроксилирование), соединений, содержащих ароматические нитро- и азогруппы (образование нитрозосоединений), ароматических соединений (образование эпоксидов) и др.