bbk 000000

УДК 628.336.1:54:57

Щетинин А. И.

Элементный состав активного ила

Аннотация

Представлен обзор литературных данных об элементном составе компонентов активного ила, образующегося при биологической очистке сточных вод. Рассмотрены брутто-формулы органического вещества активного ила, органического вещества различных микроорганизмов, белка, РНК и ДНК, углеводов, жиров, фульвокислот и гуминовых кислот. По литературным данным о семи клеточных компонентах для клеток Escherichia coli получена брутто-формула, которая предлагается для биомассы всех микроорганизмов активного ила. Для этого элементного состава характерно соотношение ThOD : VSS = 1,42, совпадающее с известными значениями для клеточного вещества COD : N : P = 50 : 5 : 1, что для исходного субстрата близко к известному соотношению BCOD : N : P = 100 : 5 : 1. Описанные компоненты позволяют определять элементный состав внеклеточных веществ активного ила.

Ключевые слова

микроорганизмы , активный ил , биологическая очистка сточных вод , элементный состав , белки , нуклеиновые кислоты

Скачать статью в журнальной верстке (PDF)

Биологические процессы очистки сточных вод основаны на росте микроорганизмов, в биомассу которых преобразуются загрязняющие примеси. При этом все органическое вещество, потребляемое активным илом и выраженное в единицах ХПК (COD), т. е. биологически потребляемая ХПК – БХПК (BCOD), можно разделить на две части:

• используемое для энергетических нужд, или БПК (BOD);
• превращающееся в биомассу, или прирост.

Если конечными продуктами энергетического обмена являются вода и углекислота, то речь идет об аэробных процессах, осуществляемых активным илом или биопленкой, т. е. свободно плавающим или прикрепленным аэробным биоценозом, целевое назначение которых – очистка сточных вод от загрязняющих примесей. Аэробные гетеротрофные бактерии и другие микроорганизмы для энергетических нужд используют главным образом вещества, содержащие углерод C, кислород O и водород H. Для построения новых клеток, помимо этих элементов, используются азот N, фосфор P, сера S и различные микроэлементы [1]. Все модели процессов биологической очистки сточных вод в той или иной мере построены на материальном балансе элементов, вовлеченных в процесс [2]. Однако степень этой детализации недостаточна и мало обоснована.

Целью настоящей работы является теоретическое определение стехиометрических соотношений, необходимых для расчета и моделирования процессов биологической очистки, прежде всего процессов с активным илом.

Известно, что сухое вещество активного ила состоит из минеральных и органических веществ. Минеральные вещества состоят из нерастворимых частичек, поступающих с исходной сточной жидкостью, а также минеральных соединений, обнаруживаемых в золе при сжигании образцов активного ила [3] (большая часть соединений фосфора, магния, калия, натрия).

Органическая часть активного ила состоит из клеточного и внеклеточного вещества. Клеточные вещества в основном являются биополимерами и включают в себя белки, ДНК, РНК, липиды, липополисахариды, пептидогликан клеточной стенки и запасные вещества (гликоген, полиоксикислоты) [1]. Внеклеточные вещества активного ила также являются полимерами и включают в себя полисахариды, белки, гуминовые вещества, уроновые и нуклеиновые кислоты (ДНК, РНК) [4]. Элементный состав и содержание этих веществ в активном иле известны, однако эти сведения практически не используются для определения стехиометрических соотношений в процессах с активным илом.

Существует несколько способов выражения элементного состава вещества:

• стехиометрическая формула, учитывающая количество атомов каждого элемента в молекуле вещества;
• стехиометрические соотношения типа P/ThOD, N/Thod, S/Thod (ThOD – теоретическое потребление кислорода);
• приведенная стехиометрическая формула, в которой содержание всех элементов соотнесено к одному атому углерода.

Первый способ выражения элементного состава применяется для характеристики относительно низкомолекулярных органических соединений, таких как сахара, аминокислоты, нуклеотиды и др. Для характеристики полимеров он не пригоден, так как на результат влияет степень полимеризации. Еще больше усложняет задачу присутствие нескольких видов биополимеров: очень сложно сопоставлять вещества, кроме того, трудно определить, с какой точностью получена характеристика.

Второй способ наиболее часто применяется при моделировании процессов биологической очистки.

Третий способ является наиболее удобной формой записи. Во-первых, он легко позволяет вводить новые минорные элементы, например серу, калий и др. Во-вторых, он обеспечивает любую точность. В-третьих, эта форма записи используется в современных методах моделирования, имеющих общее название «динамический энергетический бюджет» (Dynamic Energy Budget). В настоящей работе применяются второй и третий способы выражения элементного состава.

Для расчетов использовались литературные данные о составе тех или иных веществ. Расчет теоретической потребности в кислороде (ThOD) производили в соответствии с уравнением:

В том случае, если в исходных данных глутамин Gln и глутаминовая кислота Glu, а также аспарагин Asn и аспарагиновая кислота Asp были представлены смесями Glx и Asx, то в расчетах принимали равное количество аминированных и кислотных остатков.

При расчетах элементного состава нуклеиновых кислот принимали во внимание полимеризацию, и из состава каждого нуклеотида вычитали молекулу воды. Элементный состав нуклеотидных остатков в составе ДНК и РНК представлен в табл. 2.

Данные о характеристике различных компонентов активного ила, опубликованные в мировой научной литературе [1–18], приведены в табл. 3 (VSS – органическая составляющая взвешенных веществ, так называемые «летучие взвешенные вещества» – vollatile suspended solids).

Как видно из табл. 3, состав активного ила и его компонентов по данным различных источников изменяется в широких пределах, что противоречит общепринятому мнению о постоянстве элементного состава клеток [5]. Пересчет элементного состава белков из различных литературных источников приведен в
табл. 4.

Как видно из табл. 4, соотношение ThOD/VSS колеблется от 1,48 до 1,543, т. е. приблизительно в пределах 4%. Это существенно меньше, чем по табл. 3 (около 40%). Соотношение N/ThOD колеблется от 0,11 до 0,12, что также меньше, чем по табл. 3. Наибольшие колебания наблюдаются для содержания серы (соотношение S/ThOD равно 0,005–0,011), что, возможно, связано с трудностями определения метионина и цистеина. Данные о нуклеиновых кислотах (табл. 3) ограничены единственным источником [6], в котором приведены стехиометрические формулы нуклеиновых кислот Escherichia coli. Поэтому представлялось интересным выяснить возможные пределы колебаний стехиометрических соотношений у нуклеиновых кислот.

Элементный состав нуклеиновых кислот зависит от нуклеотидного состава. Известно, что ДНК разных бактерий может содержать от 22 до 75,5% GC-пар [19; 8]. Колебания в содержании нуклеотидов в РНК бактерий составляют [7]: A – 21,5–28,5%; G – 27,6–34,2%; U – 18,3–27,3%; C – 18,8–23,6%.

Приведенные амплитуды колебаний позволяют определить три возможных состава РНК:

• средний (25% A; 31% G; 22,8% U; 21,2% C);
• с минимальным содержанием аденина (21,5% A; 27,6% G; 27,3% U; 23,6% C);
• с максимальным содержанием аденина (28,5% A; 34,2% G; 18,5% U; 18,8% C).

Результаты расчетов для перечисленных вариантов ДНК и РНК приведены в табл. 5.

Как видно из табл. 5, возможные колебания в нуклеотидном составе ДНК приводят к колебаниям соотношения ThOD/VSS от 0,825 до 0,885, т. е. приблизительно на 7%. Такие же колебания (7%) характерны и для содержания фосфора. Колебания в содержании азота достигают 14%. Колебания в содержании нуклеотидов в РНК приводят к изменениям в определяемых соотношениях, которые не превышают 5%. Присутствие нескольких видов бактерий и разбавление другими высокополимерными соединениями внутри клеток будут усреднять стехиометрические соотношения, характерные для клеточного вещества. Отмеченные в табл. 5 возможные изменения стехиометрических отношений нуклеиновых кислот не могут объяснить колебания стехиометрических отношений клеток микроорганизмов и активного ила (табл. 3).

Обычным явлением считается обобщение белков и нуклеиновых кислот в единое понятие (например, общий протеин). Однако данные табл. 4 и 5 показывают, что соотношение белки/нуклеиновые кислоты может существенно изменять стехиометрические соотношения, особенно для фосфора. Скорость метаболизма нуклеиновых кислот и белков также должна различаться, что существенно при моделировании процессов с активным илом.

О видовом составе бактерий известно довольно много, однако об элементном составе самих бактерий разных видов имеются лишь отрывочные данные. Наиболее полные данные имеются для Escherichia coli, которая считается «образцом» бактериальной клетки и которая, как это ни парадоксально, не должна присутствовать в сточных водах, так как является показателем фекального заражения сточных вод. В табл. 6 приведены данные расчетов для клеток наиболее типичных представителей бактерий активного ила. Данные о содержании биополимеров в клетках приняты по [1; 6].

В табл. 7 приведены стехиометрические соотношения, обычно используемые в математических моделях активного ила ASM (Activated Sludge Models) [7; 8; 14]. Приведенные значения являются результатом «калибровки» процесса биологической очистки [11].

Сопоставительная оценка стехиометрических соотношений (табл. 6 и 7) показывает, что биомасса бактерий X_H, X_A, X_PAO имеет несколько более высокое соотношение COD/VSS = 1,48, чем теоретическая потребность в кислороде бактериальных клеток ThOD/VSS = 1,423 по табл. 6. Содержание азота в биомассе бактерий (табл. 7) составляет N/COD = 0,07, что существенно ниже, чем N/ThOD = 0,101 (табл. 6). Содержание фосфора в биомассе гетеротрофных, автотрофных и фосфораккумулирующих бактерий (табл. 6 и 7) практически совпадают.

Содержание азота в биологически разлагаемых и неразлагаемых растворенных и нерастворенных веществах (S_S, S_I, X_S, X_I) не соответствует ни одному из компонентов табл. 6. Это свидетельствует о том, что эти ингредиенты, принятые в моделях ASM, являются смесью веществ.

Таким образом, состав клеточного вещества, обычно принимаемого в моделях ASM, существенно отличается от теоретически рассчитанного. Особенно велики различия в содержании азота. Это может существенно сместить оценки прироста биомассы и инертных веществ в моделях ASM. Обращают на себя внимание некоторые особенности формулы клеточного вещества (табл. 6):

ThOD/VSS = 1,42, т. е. такое же, как и у наиболее широко распространенной формулы активного ила C₅H₇O₂N и органического вещества сточной жидкости C₁₈H₁₉O₉N или C₁H_1,056O_0,5N_0,056 [11];

в соответствии со стехиометрическими соотношениями табл. 7, для клеточного вещества COD : N : P = 50 : 5 : 1. Если принять, что для создания 50 мг COD клеточного вещества потребуется 100 мг COD исходной сточной жидкости, то для нее будет характерно соотношение BCOD : N : P = 100 : 5 : 1. Это соотношение часто используется для оценки достаточности биогенных веществ в сточной жидкости;

компоненты клеток, описанные в табл. 6, позволяют проводить различные проверочные расчеты. Например, в источнике [1] приводятся часто встречающиеся данные об элементном составе бактерий:

C – 50%; O – 22%; N – 12%; H – 9%;
P – 2%; S – 1%; другие – 4%.

Этому элементному составу соответствует формула C₁H_2,16O_0,33N_0,2057P_0,0156S_0,075, которая существенно отличается от предлагаемой. Этой формуле соответствует теоретическая потребность в кислороде ThOD/VSS, равная 1,7379 ≈ 1,738.

Содержание белка и нуклеиновых кислот (РНК, ДНК-RNA, DNA), согласно [1], составляет 0,55; 0,205; 0,031 соответственно. После вычитания значений, соответствующих доле этих веществ, формула остаточных соединений будет иметь вид:

C₁H_3,25O_0,217N_0,027P_0,014S_0,087.

Этой формуле соответствует теоретическая потребность в кислороде:

ThOD/VSS = 2,769.

Из вышеизложенного следует, что компонентов активного ила с такой потребностью в кислороде не существует. Поэтому исходные данные ошибочны. Данные табл. 6 позволяют проводить анализ состава загрязняющих примесей биологического происхождения, содержащихся в сточной жидкости.

Выводы

На основе теоретического анализа состава биополимеров рекомендуется формула C₁H_1,619O_0,379N_0,246P_0,022S_0,004, которая предлагается для биомассы всех микроорганизмов активного ила. Элементный состав клеточного вещества несколько отличается от общепринятых значений. Полученные соотношения позволяют проводить анализ исходных данных о составе биомассы и загрязняющих примесей биологического происхождения. Приведенные данные могут существенно изменить константы, используемые в математическом моделировании процессов биологической очистки.

Список цитируемой литературы

1. Wastewater engineering – treatment and reuse (4th edition): Metcalf and Eddy / Rev. Tchobanoglous G., Burton F. L., Stensel H. D. – New York: McGraw-Hill, 2003.
2. Takcs I., Vanrolleghe P. A., Wett B., Murthy S. Elemental balance based methodology to establish reaction stoichiometry in environmental modelling // Water Science & Technology. 2007. № 56 (9).
3. Ekama G. A., Wetzel M. C. Modelling inorganic material in activated sludge systems // Water SA. 2004. V. 30. № 2.
4. Liu H., Fang H. H. Extraction of extracellular polymeric substances (EPS) of sludges // J. of Biotechnology. 2002. № 95.
5. Минкевич И. Г., Ерохин В. К., Алексеева Т. А., Терещенко А. П. Элементный состав и содержание энергии в микроорганизмах // Микробиологическая промышленность. 1977. № 2 (144).
6. Lequex G. Metabolic modeling and analysis for the optimisation of Escherichia coli as production host: Ph. D. Thesis. – Univeresiteit Gent, 2008.
7. Gujer W., Henze M., Mino T., Van Loosdrecht M. Activated sludge Model № 3 // Water Scienсе and Technology. 1999. № 39 (1).
8. Henze M., Gujer W., Mino T., et al. Activated sludge Model № 2. ASM2d // Там же.
9. Kayser A., Weber J., Hent V., Rinas U. Metabolic flux analysis of Escherichia coli in glucose – limited continuos culture. I. Growth-rate dependent metabolic efficiency at steady state // Microbiology. 2005. № 151.
10. McCarty P. L. Stoichiometry of biological reactions // Progress in Water Technology. 1975. V. 7. № 1.
11. Хенце M., Армоес П., Ля-Кур-Янсен Й., Арван Э. Очистка сточных вод: биологические и химические процессы. – М.: Мир, 2004.
12. Перминова И. В. Анализ, классификация и прогноз свойств гумусовых кислот: Автореф. дисс. … доктора хим. наук. – М., 2000.
13. Polak J., Bartoszek М., Sulkowski W. W. Comparison of humificftion processes during sewage purification in treatment plant with different technological processes // Water Research. 2009. № 34 (17).
14. Rieger L., Koch G., Kuhni M., et al. The eawag BIO-P module for Activated Sludge Model № 3 // Water Research. 2001. № 35 (18).
15. Stemann S. W., Wentzel M. C., Ekama G. A. Towards developing a mass balances based wastewater treatment plant model: Proceedings of the 9th Biennial WISA Conference and Exhibition, 2006.
16. Vesilind P. A. Wastewater treatment plant design. – IWA Publication, 2003.
17. Яковлев С. В., Карюхина Т. А. Биохимические процессы при очистке сточных вод. – М.: Стройиздат, 1980.
18. Заварзин Г. А. Лекции по природоведческой микробиологии. – М.: Наука, 2003.
19. Petermann M. L. The physical and chemical properties of ribosomes. – Amsterdam–London–New York: Elsevier publishing company, 1964.