PODSTAWY BIOTECHNOLOGII

(WYKŁADY prof. dr hab. inż. W. Grajek)

2

Metody unieszkodliwiania odpadów:

-

chemiczne;

-

biologiczne – prowadzą do zniszczenia, mikroorganizmy rozkładają wszystko do H

2

O i CO

2

).

BIOKATALIZATORY

-

mikroby (mikroorganizmy) – bakterie, grzyby

•

różny metabolizm;

-

technologie związane z roślinami (technologia trzcinowa) – oczyszczalnie oparte na trzcinach;

-

biokatalizatory – enzymy.

Enzymy – związki, które katalizują wszystkie reakcje na Ziemi (w komórkach, roślinach)

-

regulują przebieg procesów życiowych (są to białka, bez nich nie ma nic).

Kataliza – jeśli energia aktywacji wysoka – musimy dodać energię.

Katalizatorem nazywa się substancję, która zwiększa szybkość reakcji lecz sama nie ulega przemianom –
budowa i właściwości katalizatora po reakcji są takie same jak przed reakcją (obniża E

akt

).

W reakcji mogą wziąć udział tylko te cząsteczki, które zawierają odpowiedni zasób energii swobodnej, tzn.
znajdują się w stanie aktywnym. Substraty mogą przekształcić się w produkty wówczas, gdy energia swobodna
stanu aktywnego jest większa od energii swobodnej produktów E

sa

>

E

p

.

W temperaturach występujących w przyrodzie odpowiednio wysoki stan aktywny ma niewiele cząstek, stąd
większość reakcji zachodzi z małą szybkością albo wogóle nie może zajść.
Konieczne jest dostarczenie określonej ilości energii, aby cząsteczki substratu podnieść z ich podstawowego
poziomu energetycznego na poziom odpowiadający barierze energetycznej.
Mianem energii aktywacji nazywa się najmniejszą ilość energii, którą trzeba dostarczyć jednemu molowi
substratu, aby stał się reaktywny.
Dwie możliwości zwiększenia szybkości reakcji:

-

dostarczenie dodatkowej energii, zwykle w postaci ciepła;

-

obniżenie bariery energetycznej reakcji.

Katalizatory obniżają barierę energetyczną reakcji, a tym samym energię aktywacji.
Zależność między E

akt

a szybkością reakcji:

E

akt

Połowiczny czas reakcji

62,7

125,4

0,007

384

•

Enzymy to białka

Białka – polimery złożone z aminokwasów (aminokwasów 2D – dużo możliwości)

•

Enzym – białko lub białka powiązane z innym elementem niebiałkowym (kofaktor)

Kofaktorami mogą być niskocząsteczkowe związki organiczne lub jony nieorganiczne. Są one obecne w centrum
aktywnym enzymu [ich obecność jest niezbędna do utrzymania aktywności katalitycznej centrum aktywnego
enzymu].
Wyróżnia się 3 typy kofaktorów:

-

koenzymy, związki organiczne;

-

grupy protetyczne, ściśle związane z białkiem;

-

jony metalowe.

HOLOENZYM = APOENZYM + KOFAKTOR

Apoenzym i kofaktory współdziałają ze sobą w katalizie reakcji chemicznych.
Ten sam kofaktor (koenzym) może wchodzić w skład wielu różnych enzymów i może katalizować odmienne
reakcje chemiczne. Może być jednak tak, że obecność danego koenzymu wiąże się tylko z katalizą jednego
rodzaju reakcji. Mówimy wówczas o swoistości enzymu.

•

zwykle enzymy przekształcają tylko określone wiązania.

Rodzaje specyficzności:

-

specyficzność wobec jednej reakcji chemicznej;

-

specyficzność wobec jednego substratu (dużo bardziej pogłębiona)

•

Enzymy powodują degradację wiązania (w przypadku polimerów – depolimeryzacja)

3

Szerokie spektrum aktywności jest potrzebne, bo rozłoży więcej polimerów.
Wiele koenzymów to witaminy:

-

tiamona – witamina B

1

-

pirydoksal – witamina B

6

Witaminy powodują syntezę enzymów.

Metaloproteiny – białka zawierające jon metalu, np.: Zn

2+

, Mg

2+

, Fe

2+

, Fe

3+

, Cu

2+

, Na

+

.

Budowa białek.
Masa cząsteczkowa może wynosić od kilkuset do kilkuset tysięcy.
Rozróżniamy:

•

struktura pierwszorzędowa – sekwencja kolejnych aminokwasów w cząsteczce (polipeptydzie)

peptyd – kilka aminokwasów
polipeptyd – wiele aminokwasów.

•

struktura drugorzędowa:

-

w formie helisy

-

w formie harmonicznej (nitki polipeptydów ułożone równolegle w harmonijkę).

•

struktura trzeciorzędowa:

-

kłębuszek (pojawia się tutaj centrum aktywne; nie mówi się o polipeptydzie, ale białku)

Wszystkie enzymy są globulinami – kształt kulisty.
Centrum aktywne = 3-5 aminokwasów, sztywno ułożone. Reszta stabilizuje położenie tych aminokwasów.

•

struktura czwartorzędowa

-

kilka połączonych kłębuszków (podjednostki)

Rola enzymu:

-

aktywność enzymatyczna – jest to zmierzona szybkość reakcji (określamy ubytek substratów lub
przyrost produktów w czasie); lepiej mierzyć pojawianie się małych cząsteczek z dużych polimerów.

Jednostka aktywności – 1 j.a. – ilość mikromoli produktu utworzonych w czasie 1 min reakcji przebiegającej
w optymalnych warunkach.
Jednostkę aktywności odnosimy do:

-

1 g lub

-

1 ml roztworu, w którym ten enzym się znajduje, np.: enzymy w proszku do prania lub w człowieku.

„Optymalne warunki” – w jednakowych warunkach.

•

albumina bydlęca – do określonej szybkości reakcji (jakiejkolwiek)

-

w cząsteczce białka może być 1 lub kilka centrów aktywnych

-

bywają centra przesłonięte.

•

inżynieria białkowa – bada dokładną strukturę przestrzenną białek, bada się czy centra są
przesłonięte czy nie. Odcina się nić enzymu nad centrum.

-

wszystkie enzymy są rozpuszczalne w wodzie (woda jest podstawowym medium, w którym działają
enzymy; bakterie połykają cząstki o stopniu polimeryzacji = 2 czasem 3).

-

    





 
 








 

liczba obrotów – ile razy enzym może utworzyć kompleks i rozpaść się (liczba stała dla danego enzymu; ile
cząstek może zmodyfikować w najbardziej optymalnych warunkach).

1.

Inhibicja – hamowanie.

Inhibitory – hamują reakcję.
Inhibicja enzymów – rodzaje:

-

współzawodnicza (kompetencyjna) – substrat i inhibitor współzawodniczą o dostęp do centrum
aktywnego. Konieczne jest duże podobieństwo strukturalne obu cząsteczek. Zwiększając stężenie
jednego z „rywali” możemy zwiększać jego szanse wiązania się z centrum.

-

niewspółzawodnicza – inhibitor jest wiązany przez enzym w innym miejscu, poza centrum aktywnym.
Dochodzi wtedy do odkształcenia cząsteczki enzymu, tak, że substrat nie może się związać z aktywnym
centrum. Zmiana stężenia substratu nic nie daje, gdyż nie zwiększa się szansa jego przyłączenia.

-

hamowanie przez substrat i przez produkt – niekiedy przy zwiększonym stężeniu substratu nie
następuje zwiększenie szybkości reakcji, gdyż prawdopodobnie cząsteczki substratu przyłączone do

4

centrum nakładają się na siebie, co utrudnia reakcję. Duże stężenie produktów faworyzuje z kolei
reakcja w odwrotnym kierunku.

2.

Denaturacja białek – wszechobecna, zależy od temperatury, powyżej 80

°

C zachodzi gwałtownie,

zachodzi też w niskich temperaturach.

Czynniki wpływające na aktywność enzymów:

-

stężenie substratu i stopień jego rozpuszczalności – rozpuszczalność: większe prawdopodobieństwo
zajścia reakcji (zetknięcie się 2 cząsteczek)

-

temperatura reakcji – minimalna, optymalna, maksymalna; przyspieszenie reakcji [ważne, by optimum
buło przesunięte w kierunku niskich temperatur – działają tu enzymy z niskimi temperaturami -
psychrofile].

Ekstremalne warunki:

-

Ekstremofile – wytrzymują wysokie temperatury, np. w gejzerach, wulkanach – termofile.

-

Halofile – lubiące sól.

-

Alkalofile – w skrajnie zasadowych pH.

-

Acidofile - w skrajnie kwaśnych pH.

•

stężenie jonów wodorowych (pH)

-

min., opt., max.

-

punkt izoelektryczny – białko ma ładunek elektryczny 0 (pH 4,8-4,9 dla większości białek)

-

siła jonowa roztworu (zasolenie – sole mineralne, chlorki, siarczany...)

-

stała dielektryczna środowiska

-

obecność inhibitorów i czynników denaturujących (metale ciężkie)

-

obecność kofaktorów i aktywatorów.

Synteza enzymów

•

ekspresja informacji genetycznej

•

geny kodują białka – enzymy (regulacja naszego metabolizmu). W genach zakodowane są
katalizatory.

•

geny zapisane są w kwasach nukleinowych

I.

DNA ulega replikacji – podwojeniu.

GENOM – całość genów (geny zawarte w kwasach nukleinowych stanowią odcinki kwasu. Jest rozdzielony
między 2 potomne komórki. Może dojść do błędów – MUTACJA, mutanty).

Gen decyduje syntezą 1 białka. Informacja jest przepisana na inną cząsteczkę.
m RNA – TRANSKRYPCJA (w komórce). Taka kopia w formie DNA odrywa się od jądra, przechodzi do
cytoplazmy. Tam – rybosomy. Kwas RNA przechodzi przez rybosomy, one odczytują informację. Powstają
polipeptydy.

•

Geny regulujące przemianę np. laktozy:

-

każdy szlak metaboliczny może zajść jeśli jest komplet biokatalizatorów

-

biokatalizatory kodowane przez zestaw genów (dotyczą 1 przemiany metabolicznej) – OPERON (grupa
genów kontrolnych przez wspólny system regulujący)

-

część genów nie koduje białek, ale pełni role regulatorowe, są to:

R – regulator
P – promotor
O – operator
t – terminator.

terminator – pełni rolę kropki w zdaniu, cała informacja zawarta między 1 a 2 terminatorem.
regulator – poza kompletem genów, nie kontrolowany.

5

Tylko GENY STRUKTURALNE kodują białka (enzymy); (z, y, a).

3 enzymy kodujące:
- gen dla

β

- galaktozydazy

z – rozbija na 2 kawałki

permeazy

y – odpowiada za wprowadzenie cukru do komórki

transacetylazy

a – modyfikuje laktozę

•

laktoza = glukoza + galaktoza (wiązanie

β

- 1,4 – glikozydowe)

y – permeaza – odpowiedzialna za wprowadzenie cukru do komórki
a – modyfikuje laktozę
z – rozbija na 2 kawałki

•

regulator – znajduje się poza układem produkuje białko REPRESOROWE. Represor ma duże
powinowactwo do operatora, przyłącza się do niego (blokuje go). Uniemożliwia to przyłączenie
polimerazy RNA do promotora.

•

promotor – wiąże inne białko (polimerazę), które potrafi przepisać te 3 geny na RNA. Polimeraza
przyczepia się do promotora.

-

CAMP – cykliczny AMP adenozynomonofosforan (produkowany w komórce; magazyn energii).

-

aktywuje białko CAP – przyłącza się do promotora, a do tego polimeraza się przyłącza. Ta polimeraza
zaczyna się przesuwać do przodu; gdy dojdzie do genów strukturalnych – przepisuje informację z DNA
na RNA. Jeśli blokuje ją represor informacja nie może być przepisana – STAN UŚPIENIA. (30 tys.
genów w człowieku). Wszystkie w organizmie są zablokowane przez represor.

-

jeśli w środowisku jest glukoza, nie produkowane są enzymy.

-

glukoza – najłatwiej przyswajalny związek, ulega utlenieniu, zyskiem ze spalenia jest 36 ATP (żaden
inny nie jest potrzebny, wszystkie geny są uśpione). [tzw. REPRESJA KATABOLICZNA; pojawienie
się glukozy blokuje syntezę AMP. Jeśli nie produkuje AMP, polimeraza nie może przyłączyć do białka]

-

pojawia się laktoza – ma większe powinowactwo do białka represorowego, niż operator. Przechwyca
represor (staje się on nieczynny), może być, (INDUKCJA – pojawienie się substratu indukuje syntezę
enzymu; informacja, przepis, produkcja enzymu).

-

gdy kończy się glukoza: CAMP aktywuje białko CAP

→

do promotora. Polimeraza przyczepia się do

promotora, przesuwa się dalej, kopiuje informacje z genów strukturalnych w postaci RNA.

(znikła glukoza, została laktoza)

-

przy braku glukozy następuje synteza CAMP.

-

aktywuje ono białko CAP.

-

powoduje to, że CAP przyłącza się do promotora. Jest to warunek sine qua non
(konieczny) przyłączenia się polimerazy.

-

równolegle z tym laktoza, która pojawiła się w komórce, przechwytuje białko represorowe i odciąga je
od operatora.

-

dzięki temu następuje odblokowanie polimerazy, może się ona przesuwać w prawo i rozpocząć
kopiowanie informacji z DNA na RNA i umożliwić syntezę 3 enzymów w rybosomach
(przeznaczonych do rozkładu laktozy).

-

laktoza pełni w tym przypadku rolę induktora – indukuje syntezą białek przeznaczonych do jej
rozkładu. Wszystkie pozostałe operony są zablokowane przez inne białka represorowe i pozostają

w uśpieniu.

Wpływ różnych rodzajów indukcji na syntezę enzymów.

6

np.: enzym celufaza indukowany przez celulozę, celobiozę, laktozę (laktoza ma takie same wiązania jak

celuloza), więc: niekiedy induktorami mogą być substancje zawierające jakieś charakterystyczne wiązanie.

Interfaza – induktorem: celuloza, monopalmitynian sacharozy (100 x większa aktywność (cukier

inwertowany – sztuczny miód). Łączenie z kwasami tłuszczowymi podwyższa aktywność enzymów.

Wykorzystanie enzymów:

-

detergenty (np. proszek do prania zawiera lipazy – rozkładają tłuszcze i profeazy – rozkładają białka

-

starch (skrobia): maltodekstryny – po rozbiciu skrobi; syropy glukozowe i maltozowe – słodziki

-

dainy (mleczarstwo) – ścinanie kazeiny (z niej sery białe, żółte)

-

tekstylia: wełna – białko (dlatego nie można prać na gorąco bo białko denaturuje); bawełna – cotton
(czysta celuloza)

-

inne (aplikacje związane z ochroną środowiska):

•

oczyszczanie gleby z ropopochoodnych

mikrobami produkującymi biodetergenty,

powierzchniowa emulgacja tych substancji ropopochodnych

•

preparaty do szamb (mieszaniny bakterii i enzymów)

•

zwiększanie przepustowości oczyszczalni

-

alkohol: napój, silniki samochodowe

-

wino i sok – do klarowania

-

piwowarstwo

-

piekarstwo – by cukry w mące przeprowadzić w (...)

Głównymi kryteriami wyboru enzymu są:

-

specyficzność substratowa enzymu – na jakie substraty działają.

-

optimum pH – gdzie jest max aktywność.

-

optimum temperaturowe

↑

T ,

↑

szybkości reakcji do pewnego momentu.

-

termostabilność.

Mikroorganizmy produkujące enzymy

-

SCREENING enzymów – analiza przesiewowa (screen – sito; szukanie enzymów o wybitnych
zdolnościach); np. w lesie – mikroby rozkładające skrobię.

I. Pobieramy próbkę.

-

wylewamy na płytki Petriego.

-

powstają kolonie.

-

z 1 komórki wyrasta 1 kolonia.

-

potrafią robić dużo amylaz.

-

wprowadzamy do pożywki skrobię (ale tam są inne składniki - dajemy coraz więcej skrobii).

-

przeprowadzamy „pasaże”, zostaną tylko te, które rozkładają skrobię (zdolne do syntezy amylaz).

-

inkubujemy je wcześniej w 50

°

C – zostają mikroorganizmy termofilne potrafiące rozkładać skrobię.

II. Szukamy testu (jod w KJ – płyn Lugola).

-

te bakterie na płytce Petriego wkładamy do inkubatora, powstają kolonie.

-

na każdą płytkę Petriego nalewamy płyn Lugola, następuje reakcja barwna.

-

skrobia + płyn Lugola = niebieski (mało enzymów rozkładających skrobię.

-

dużo enzymów – większa zdolność amylolityczna, bo cała skrobia została rozłożona i wyżółciła
preparat.

III. Hodowle mikroorganizmów w kolbach Erlenmayera.

-

dodajemy skrobię, minerały.

-

umieszczamy na wytrząsarce (korek z waty, napowietrza się).

-

po zakończeniu hodowli robimy analizy chemiczne:

•

ile skrobi na początku, ile na końcu.

•

jakie cukry się pojawiły.

•

jaka aktywność enzymów.

IV. Identyfikacja.

-

musimy się dowiedzieć, czy ten mikroorganizm nie jest patogenny (chorobotwórczy); sprawdzamy czy
jest na liście takich mikrooraganizmów – jeśli tak – odrzucamy.

-

identyfikujemy następne (vice-mistrza), jeśli tak:

V. Podrasowujemy go; metody:

7

1

°

mutagenizacja – działamy mutagenami (czynniki mutacyjne), np.: promieniowanie UV, względnie związki

chemiczne niszczące DNA (głównie pochodne guanidyny), np. HNO

3

.

Dodajemy taką dawkę mutagenu, by 99,7 % zginęło, a 0,3 przeżyło. Są to mutanty. Mutacje są
nieprzewidywalne. Dla nich powtarzamy procedurę, sprawdzamy, czy powstają gorsze czy lepsze. Czasem
100 mutacji. Jeśli mutant jest stabilny po roku, możemy się cieszyć (czasem potrafią się odrodzić po tych
mutacjach).
2

°

inżynieria genetyczna – polega na świadomym wprowadzaniu genu z 1 mikroorganizmu do 2. Pobieramy gen

z mikroorganizmu kłopotliwego, wymagającego (o bardzo dobrych zdolnościach) do taniego, łatwego
w hodowli mikroorganizmu. MULTIPLIKUJEMY ten gen.

Główne grupy enzymów. (1 + 3 najważniejsze)

1.

Oksydreduktazy np. związki aromatyczne, cykliczne.

A (utleniacz) + B (reduktor) = A (zredukowane) + B (utlenione)

2.

Transferazy

Ax + B = A + Bx

3.

Hydrolazy

A – B + H

2

O = AH + B-OH

4.

Liazy

C – XY = C-X + Y

5.

Izomerazy

B = B

6.

Ligazy

A + B = AB

OKSYDOREUKTAZY

1.

Dysmutazy nadtlenkowe

Posiadają w swoich centrach, jako grupy prostetyczne aktywne jony: Fe, Mn, Ni lub Cu + Zn (są
meteloproteinami). Najszerzej spotykane są dysmutazy zawierające Fe lub Mn.

Mn – dysmutazy: Propionibacterium sp., Thermus thermophilus.
Fe – dysmutazy: Propionibacterium sp., Mycobacterium vaccae, E. Coli, Pseudomonas oralis.

Występują powszechnie u mikroorganizmów tlenowych. Rozkładają anionowe ponadtlenkowe H

2

O

2

do tlenu

cząsteczkowego i nadtlenku wodoru i w ten sposób chronią organizmy przed niszczącym działaniem rodników
ponadtlenkowych.

wolny rodnik – atomy lub cząsteczki posiadające na zewnętrznej orbicie pojedynczy elektron.
Dążąc do przyłączenia lub oddania elektronu wykazują dużą aktywność chemiczną UTLENIAJĄC każdy
związek, z którym mają kontakt. Preferowanym obiektem „ataku” rodników są związki zawierające podwójne
wiązanie. U organizmów żywych system ten jest zabójczy – skuteczną obronę stanowi GLUTATION.

Toksyczne rodniki ponadtlenkowe tworzą się w czasie cyklu redukcji chinonu.



!"#$%$

&'()*+,-,

.......



/0

1

"'&2%!"#$%$

redukcja



"'&2%!"#$%$

 3

/

4,,-,

....



0

5

6

(7)#!"#$%$

 3

/

0

5

6

2%&$#

utlenianie



/0

1

(7)#!"#$%$

 3

/

&'()*+,-,

....... 

!"#$%$

 35

/

0

6

2%&$#

utlenianie

8

Uwolnione rodniki ponadtlenkowe działają, jako czynniki redukujące lub utleniające i w ten sposób biorą udział
w rozkładzie ligniny, np. przez rozcinanie pierścieni, demytylację, itp. System ten rozkłada wiele innych
związków aromatycznych. Rodnik ponadtlenkowy może działać jako czynnik utleniający, tworzący wysoko
reaktywny jon Mn

3+

:

O

2

•

-

+ Mn

2+

+ 2H

+

→

Mn

3+

+ H

2

O

2

lub jako czynnik redukujący żelazo z uwolnieniem tlenu cząsteczkowego:

O

2

•

-

+ Fe

3+

→

O

2

+ Fe

2+

Dalej, 2-wartościowe jony żelaza wchodzą w reakcję z nadtlenkiem wodoru i tworzą ekstremalnie reaktywne
rodniki hydroksylowe:

Fe

2+

+ H

2

O

2

→

Fe

3+

+ HO

•

+ OH

-

(reakcja Fentona)

Rodniki ponadtlenkowe mogą także tworzyć rodniki hydroksylowe:

O

2

•

-

+ H

2

O

2

→

HO

•

+ OH

-

+ O

2

(reakcja Hober-Weisa)

Rodniki ponadtlenkowe w połączeniu z dużą ilością uwalnianego tlenu oraz wespół z rodnikami
hydroksylowymi tworzą system OKSYDO-REDUKUJĄCY rozkładający wiele związków pierścieniowych.
System ten jest jednak zabójczy dla organizmów żywych, dlatego produkują one dysmutazy w celu neutralizacji
tych rodników:

235

/

0

 295

&'()*+,-,

....... 9

/

3

/

 3

/

Ogólnie zostało zaakceptowane, iż u wszystkich dysmutaz jon metalu (M) katalizuje reakcję dysmutacji
rodników ponadtlenkowych na drodze cyklicznego mechanizmu redukcyjno-utleniającego:

M

3+

+ O

2

•

-

→

M

2+

+ O

2

M

2+

+ O

2

•

-

+ 2H

+

→

M

3+

•

+ H

2

O

2

Usuwanie nadtlenku wodoru przeprowadza katalaza:

29

/

3

/

,+,4,-,

..... 39

/

3  3

/

2.

Peroksydazy – to enzymy katalizujące utlenianie nadtlenkiem wodoru różnych substratów, w tym

aromatycznych. W reakcji dochodzi do redukcji nadtlenków. Peroksydazy zawierają w swojej cząsteczce Fe, Mn
lub Se. Najpierw tworzony jest kompleks żelaza z wodą a następnie utlenianie donatora wodoru AH

2

do

produktu A. Donatorami wodoru mogą być łańcuchy alifatyczne:

Fe

3+

(H

2

O) + H

2

O

2

→

Fe

3+

(H

2

O

2

) + H

2

O

Fe

3+

(H

2

O

2

) + AH

2

→

Fe

3+

(OH) + AH + H

2

O

AH + Fe

3+

(OH)

→

Fe

3+

(H

2

O) + A

Inhibitorami peroksydazy są cyjanki, azydki, hydroksyloamina, NO i H

2

S. Do najbardziej znanych enzymów

z tej grupy należy PEROKSYDAZA GLUTATIONOWA, odkryta w 1970 r. Jest to enzym zależny od Se, gdyż
selen, jako jedyna grupa prostetyczna, wchodzi w skład centrum aktywnego w formie selenocysteiny. Enzym ten
ma 4 identyczne podjednostki.

PEROKSYDAZA LIGNINOWA (Fe) katalizuje wiele reakcji utleniania w alkilowym łańcuchu bocznym
związków ligninowych. Do utleniania potrzebuje nadtlenku wodoru. Rozrywa wiązania C

α

-C

β

w łańcuchach

bocznych, wiązania eterowe i utlenia benzylowe grupy alkoholowe do ketonów lub aldehydów. Przy utlenianiu
ligniny peroksydaza współdziała z alkoholem weretrylowym.

3.

Oksydaza cytochromowa – enzym z grupy oksydaz zawierający Fe i Cu, używający tlen jako akceptor

wodoru. Stanowi ostatnie ogniwo łańcucha oddechowego. Znana jest pod nazwami „kompleks cytochrom a”
i „cytochrom a

3

”. Występuje u wszystkich organizmów tlenowych.

9

4.

Monoksygenazy – katalizują wbudowanie jednego atomu cząsteczkowego tlenu do substratu, podczas
gdy 2 jest redukowany do wody.

5.

Dioksygenazy – katalizują wbudowanie 2 atomów cząsteczkowego tlenu (z atmosfery) do substratu.
Substratami są często katechol i kwas protokatechinowy. Przy wbudowaniu tlenu do cząsteczki zostaje
rozerwany pierścień aromatyczny. W ten sposób następuje rozerwanie pierścieni benzenowych,
katecholowych i innych.

6.

Lakkaza – jest oksydoreduktazą. Produkują ją grzyby, szczególnie tzw. „białej zgnilizny drewna”.
Katalizuje utlenianie takich monofenoli jak fenol, tyrozyna, naftol i krezol oraz utlenia difenole a także
kwas indoliooctowy i askorbinowy. Fenole zawierające dłuższe łańcuchy boczne są lepszymi
substratami. Kompleksy:

Enzym-Cu

2+

+AH

2

Enzym-Cu

2+

+ (AH

2

)

+

Enzym-Cu

2+

+ Cu

+

+ O

2

+ H

+

Enzym-Cu

2+

+ H

2

O

AH

2

– substrat;

(AH

2

)

+

- substrat utleniony

HYDROLIZA

1.

SKROBIA + polimer glukonowy.

Dwie funkcje: liniowa amyloza (

α

-1,4-glikozydowe wiązania) i rozgałęziona amylopektyna (

α

-1,4 i

α

-1,6

boczne rozgałęzienia).
Kompleks enzymów amylolitycznych obejmuje:

-

α

-amylaza – tnie na duże kawałki gdzie popadnie (chaotycznie)

-

β

-amylaza – odcina od nieredukującego końca dwucukier (maltozę)

-

glukoamylaza – odcina od końca po 1 glukozie

-

pullulanaza i izoamylaza – odcinają wiązania boczne

α

-1,6. Działają synergistycznie (1 wspomaga 2).

Efektem jest powstanie glukozy.

2.

Celuloza – równolegle ustawione łańcuchy tworzą kryształy zwane fibrylami. Obszary krystaliczne

praktycznie nierozkładalne [atak enzymatyczny następuje tylko w obszarach amorficznych (bezpostaciowych)].

Kompleks enzymów obejmuje:

-

endoglukanaza

-

celobiohydraza – odcina dwucukier (celobioza), który jest rozkładany do glukozy przez CELOBIAZĘ

-

egzoglukanoza – odcina po 1 glukozie.

Celuloza jest bardzo trudna do hydrolizy. Przygotowuje się ja przez:

-

moczenie w 4% NaOH lub Ca(OH)

2

lub NH

4

OH, względnie w rozcieńczonych kwasach

-

parowanie pod ciśnieniem z dodatkiem alkaliów.]

Budowa komórki:
Procariota – bez jąder: bakterie, sinice
Eucariota – z jądrem komórkowym otoczone błoną komórkową

Ch – chromosom, w nim cała informacja genetyczna
P – plazmidy (małe pierścienie zbudowane z DNA)
posiadające swoją informację genetyczną
W – wakuole

Eucariota:

-

reticulum endoplazmatyczne

-

aparat Golgiego

-

mitochondria

-

chloroplasty

-

plasmodesmy

-

wakuole

-

błona plazmatyczna

-

ś

ciana komórkowa

-

cytoplazma

-

mikrokanaliki

-

krople tłuszczu

10

•

DNA – największe cząstki chemiczne (ogromne, długie łańcuchy)

Budowa:

-

nukleotyd: - grupa fosforanowa PO

4

-

cukier (dezoksyryboza)

-

zasady purynowe (tylko zasady purynowe, różne)

-

sekwencja nukleotydów (szkielet fosforanowo – cukrowcowy) + zasady azotowe

•

Zasady azotowe:

•

Zależnie od rodzaju zasady: ATGGC

•

A-T; C-G w parach występuje wysokie powinowactwo chemiczne

•

Kwas nukleinowy zwykle postać 2-niciowa helisa

•

Formy występowania cząsteczek DNA

- liniowa

- kolista otwarta (2 pojedyncze cząsteczkowe (oc)

- kolista superkręcona (ccc)

•

Przy rozdziale nici dobudowuje się 2 nitka na zasadzie komplementarności.

•

Replikacja DNA

-

białko helikaza przyczepia się do widełek replikacynych – jego zadaniem jest rozplecienie podwójnej
helisy (przesuwa się wzdłuż łańcucha). Do mostka dołącza się primaza; syntetyczny, krótki odcinek
RNA, jako starter. Polimeraza dobudowuje do RNA nić DNA (na prawej nici dobudowywane są
krótkie odcinki, na lewej w sposób ciągły; służą, jako starter)

-

primer DNA zostaje usunięty dzięki egzonuklearnej aktywności polimerazy, a powstała luka zostaje
wypełniona przy udziale aktywności polimerazycyjnej tego enzymu

-

ligaza DNA odtwarza wiązanie fosfodiestrowe (2 – prawa nić jest nieciągła)

•

Jakikolwiek błąd w zapisie powoduje mutację

11

•

Właściwości kodu genetycznego:

-

informacja genetyczna zapisana w DNA jest transkrybowana (przepisana) do m-RNA i ujawnia się
w formie łańcucha polipeptydowego syntetyzowanego w procesie translacji (każda 3 nukleotydów –
triplet koduje inne aminokwasy; transkrypcja informacji genetycznej to synteza białka)

COOH-NH

2

– wiązanie peptydowe

-

kod zapisu aminokwasów ma charakter 3: 3 zasad m-RNA determinuje przyłączenie 1aminkwasu

-

zasady 1 trójki nie biorą udziału w funkcjonowaniu 3 sąsiednich (niezachodzący)

-

kod jest bezprzecinkowy (nie istnieją nukleotydy spełniające rolę znaku przystankowego
oddzielającego kodony)

-

znak startu (metionina i końca (3 bezsensowne)reguluje translację peptydów)

-

kod jest wieloznaczny (każdy aminokwas może być kodowany przez pewną liczbę trójek zasad

-

kod jest uniwersalny dla wszystkich organizmów żywych.

•

W komórkach bakterii oprócz chromosomów są PLAZMIDY

-

bakterie tego samego gatunku są zróżnicowane (jedne mają plazmid – komórki F

+

; inne nie F

-

).

komórki z czynnikiem F

→

ma on tendencję do włączania się do chromosomu:

→

kon. Hfr.

Plazmid pełni funkcję czynnika powodującego wymianę genów między komórkami. Zjawisko to
KONIUGACJA.
3 nić zostaje rozłożona przez enzymy:

-

jest to naturalna wymiana genów między plazmidami

-

geny zawarte w plazmidach

-

kodują one:

→

bakteriocyny – drobne białka produkowane prze bakterie fermentacji mlekowej. Potrafią się przyłączyć do

innej komórki, która ginie. Jest to broń skierowana w stosunku do sąsiadów, walka o pokarm

→

antybiotyki – białka/nie-białka, działają w większym zasięgu drobnoustrojów

→

enzymy potrafiące rozłożyć antybiotyki (nie mają tego inne komórki i giną); oporność na antybiotyki

→

oporność na nadfiolet

→

wytwarzanie enterotoksyn

→

czynniki zjadliwości wytwarzanie hemolizyny

→

nowotwory roślin

→

restrykacja, modyfikacja

•

Mapa genetyczna

II TRANSDUKCJA

-

związana z wirusami

-

wirusy bakterii – bakteriofagi

12

ATAK WIRUSA:

-

płytka omiata się do powierzchni
komórki i sprawdza czy jest tam
receptor.

Jeśli

płytka

znajdzie

receptor, mocno się przyczepia

-

połączenie

płytki

z

receptorem

powoduje

powstanie

centrum

enzymatycznego. To centrum działa
na komórkę powodując hydrolizę –
powstaje dziura. Cała zawartość
wirusa

zostaje

wstrzyknięta

do

komórki.

Następuje

zakażenie

bakterii wirusowym DNA. Teraz:

Jeśli wirus jest agresywny (złośliwy) potrafi
wykorzystać aparat enzymatyczny komórki by
rozłożyć wszystkie polimery w komórce
(białka

–

na

aminokwasy).

Następuje

depolimeryzacja dużych polimerów. Dalej
następuje synteza poszczególnych elementów
wirusa. Oddzielenie syntez. Zaczyna się
namnażanie wirusa:

-

składanie wirusów

-

do główki wprowadza DNA, ogonek, płytka, główka. Pod koniec składania wytwarzają one LIZOSOM
– rozpuszcza ściany kom. bakterii. Z tej komórki wypływają wirusy i atakują następne komórki.

Jeśli wirus jest łagodny:

-

włączają się do chromosomu bakterii (DNA). Może tkwić w komórkach przez setki pokoleń i nic im
złego nie robi. Jak wystąpi czynnik STRESOWY wtedy zdarzy się coś złego, np.:

•

nagle opadnie w wysokiej temperaturze

•

pojawią się metale ciężkie

•

duża dawka pokarmu

•

kancerogenny.

Wirus z łagodnego staje się złośliwy. Nagle z tego chromosomu się wycina i na ogół robi błędy – porywa ze
sobą kilka genów od gospodarza. Niszczy tą komórkę, namnaża się i atakuje inne komórki (wprow. komórki
z innego organizmu). Może tam być łagodny.

-

jest 2 naturalną mat. przenoszenia genów.

III TRANSFORMACJA

-

jak komórka ginie, rozpuszcza się

-

fragmenty DNA w środowisku mogą zostać przez komórki przyłączone.

-

Strategia inżynierii genetycznej

-

pozyskanie genu kodującego określoną cechę (wtedy, jeśli komórki mają niedostateczną syntezę)

-

gdy komórka ma niezłe geny, ale jest niekorzystna, wtedy pobiera się te geny i pakuje do innych
komórek

-

bakterie mlekowe

-

włączenie tego genu do genomu korzystnego dla nas mikroorganizmu. Wymaga to przygotowania
odpowiedniego wektora – konstrukcji (wektor = plazmid lub wirus – to, co nasz gen przeniesie do
2 organizmu)

-

wprowadzenie wektora do obcej komórki i integracja z chromosomem.

Zabiegi służące do oddzielania DNA od innych składników komórki:

-

usuwanie białek na drodze ekstrakcji (fenol, chloroform – alkohol izoamylowy)

-

usuwanie białek przy użyciu proteaz (np. promazy)

-

usuwanie RNA przy użyciu rybonukleaz

-

wirowanie lizatu (po lizie) w gradiencie gęstości CsCl lub sacharozy

-

wytrącenie DNA za pomocą izopropanolu i etanolu

-

adsorpcja DNA na hydroksyapatycie

•

wirówki – superwirówki

13

Enzymy RESTRYKACYJNE (restryktazy) – potrafią przeciąć DNA

Obróbka enzymatyczna DNA

Endonukleaza – jak znajdzie miejsce gdzie ciąć.
Sekwencja palindromiczna

Najlepiej, by enzymy cięły w 1 miejscu.

Drogi pozyskiwania genów:

-

izolacja genów zw. źródeł naturalnych

-

synteza biochemiczna z udziałem odwrotnej transkryptazy, wychodząc z sekwencji RNA

•

prawdziwa rewolucja w biotechnologii

•

retrowirusy (HIV) – bardzo dziwne, brak DNA, jest RNA.

Jest tam białko potrafiące odtworzyć DNA na bazie RNA (ODWROTNA TRANSKRYPTAZA).

14

Peptyd

RNA

OD
WR
OT
NA

TRAN
SKRY
PTA
ZA

DNA

aminokwas

-
-
-

nukleotyd
nukleotyd
nukleotyd

-
-
-
-
-
-
-
-
-

aminokwas

-
-
-

Wygodne to do ceny skutków manipulowania.

•

Synteza antybiotyków:

Chemiczna

(maszyny specjalne do
syntezowania genów –
krótkie odcinki)

Biochemiczna

(z odwrotną transkryptazą; najpopularniejsza):

-

rozcinamy plazmid

-

+ obcy gen

-

+ enzym ligaza, wkleja on do plazmidu obcy gen
w miejscu przecięcia.

Otrzymujemy nowy plazmid. Wrzucamy go do hodowli
bakterii. Są one wrażliwe na 2 antybiotyk (giną od tego) –
takie wybieramy. Po dodaniu hodujemy przez taki czas,
aby pojawiły się kolejne pokolenia. Wrzucamy te komórki
do pożywki z antybiotykiem nr 2. Jeśli plazmid uległ
włączeniu, komórki przeżyją (te, które przeżyły musiały
mieć włączony ten plazmid). Analizujemy metabolity tej
komórki. Jeśli jest metabolit, - wprowadziliśmy obcy
gen!, np. armata genetyczna.

Izolacja genów

(trzeba wiedzieć, który gen,
co koduje)

15

•

Organizmy modyfikowane genetycznie (GMO – genetycznie modyfikowany organizm)

-

ż

ywność transgeniczna (z hodowli roślin modyfikowanych genetycznie)

→

ułatwienie rolnikom hodowli – herbicydy niszczą chwasty (odkaża się nimi glebę). Jeśli roślina odporna.

→

gen odporności na owady np. stonka (bakterie prod. endotoksyny niszczą jelita owadów)

→

np. pomidory

-

mięknięcie owoców spowodowane rozkładem pektyn

-

dochodzi do syntezy barwników.

W pomidorze:
-

zablokowano enzym powodujący rozkład pektyn

-

wprowadzono geny przyspieszające syntezę barwnika czerwonego

Inne:

-

do niektórych roślin wprowadzamy białko kobiece.

Zagrożenia (dla nas)

-

mogą być, bo oprócz zamierzonych skutków też inne białka mogą się tworzyć, np. alergeny lub
toksyczne

-

ale: badania, analizy szczegółowe

dla przyrody:

-

tak: pyłki roślin genetycznie zmodyfikowanych mogą zapylać inne rośliny spokrewnione (POZIOMY:
horyzontalny TRANSFER GENÓW), mogą powstać rośliny odporne na jakieś np. herbicydy.

Jak wykryć:

-

badamy czy w danej roślinie jest obcy DNA

-

badamy czy w danej roślinie jest obcy RNA

-

badamy czy w danej roślinie jest obce białko.

Analiza:

-

produkowane są sondy wykrywające geny, którymi najczęściej się manipuluje (producent musi
powiedzieć, jakiego plazmidu użył. Jak nie powie, nie jesteśmy w stanie tego wykryć).

HODOWLA DROBNOUSTROJÓW

-

tylko procesy mikrobiologiczne niszczą zanieczyszczenia (remediacje, fitoremediacje (...)).

Systematyka metod hodowli mikroorganizmów:

-

wg rodzaju pożywki hodowlanej:

•

hodowle wgłębne (np. osad czynny)

•

hodowle w podłożach stałych (substrat jest nierozpuszczalny), np. kompostowanie

-

wg warunków natlenienia:

•

hodowle tlenowe, np. osad czynny czy złoża biologiczne

•

fermentacje beztlenowe biomas (fermantacja metanowa)

-

wg sposobu prowadzenia procesu:

•

hodowle okresowe (jednorazowe)

•

okresowo-dolewowe półciągłe

•

ciągłe (np. miejskie oczyszczalnie)

-

wg rodzaju kultury mikroorganizmów:

•

hodowle zawiesinowe, np. osad czynny

•

hodowle z unieruchomionymi komórkami (immobilizacjowanymi), np. złoża biologicznymi

Rośnie ich rola, oczyszczanie ścieków coraz częściej w zakładach.

1 – faza spoczynkowa
2 – faza logarytmiczna
3 – faza wzrostu stacjonarnego
4 – faza obumierania

Faza wzrostu utajonego
stężenie komórek x = const = x
szybkość wzrostu dx/dt = 0
właściwa szybkość wzrostu

µ

= dx/dt

⋅

1/x = 0

(- w powietrzu, glebie są mikroorganizmy 80 % kału to bakterie: mezofile, psychrofile, termofile).

16

-

mikroorganizmy, gdy dostają się do pożywienia, najpierw rozpoznają środowisko

-

pronina, alkohole hydroksylowe

-

zmiana ciśnienia osmotycznego środowiska, w którym się znalazły mikroorganizmy, powoduje, że
syntez. nowe enzymy, by mogły przeżyć. Mijają godziny; muszą się dostosować, stąd: szybkość
wzrostu = 0.

-

właściwa szybkość wzrostu:
dx(g)/dt(h)

⋅

1/x = 1/h = h

-1

Ile g biomasy przyrośnie w jednostce czasu w stosunku do jednostki biomasy, która była na początku, np.:
0,15 h

-1

– ilość biomasy przyrosła 15 % na h.

Wzrost komórek:

-

faza wzrostu logarytmicznego.

TROFAZA
Ilość komórek bakteryjnych i drożdżowych wzrasta przez proste podziały od x

p

do x

k

:

x

x

= x

p

⋅

2

n

Szybkość przyrostu komórek ma postać linii prostej. W czasie wzrostu logarytmicznego właściwa szybkość
wzrostu przybiera wartość max i stałą:

µ

=

µ

max

= const

Kinetyką wzrostu kultury w przypadku braku czynników ograniczających opisuje MODEL MONODA

µ

= (x

µ

max

S)/(K

s

+ S)

gdzie:

µ

max

– maksymalna właściwa szybkość wzrostu, cecha charakterystyczna mikrobów

x – stężenie żywych komórek
S – stężenie substratu
K

s

– stała stężenia substratu, przy którym wzrost mikroorganizmu jest równy połowie maksymalnej właściwej

szybkości wzrostu.
Wartość K

s

jest charakterystyczna dla danego mikroorganizmu i dla danych warunków hodowli.

Skutki dla oczyszcz. ścieków:

-

szybciej oczyszczane na początku.

Przykładowe wartości maksymalnej właściwej szybkości wzrostu (

µ

):

0,53 h

-1

0,36
0,12
4,24

Praktyczny bilans materiałowy hodowli tlenowej:

beztlenowce

Wzrost biomasy komórkowej

40-45 %

10 %

Produkcja metabolitów pozakomórkowych

10 %

40-45 %

Utrzymanie czynności życiowych

45-50 %

proces wolny

W warunkach beztlenowych proporcje te są znacznie zmienione.

Do biomasy dodaje się wapno.
Jak liczyć biomasę?
Bezpośrednie metody pomiaru biomasy:

-

liczenie komórek w hemacytometrze (komora Thoma) – na szkiełku podstawowym z wyrysowanymi 5-
liniami

-

liczba komórek tworzących kolonie (metoda płytkowa) – płytki Petriego. Z 1 komórki wyrasta
1 kolonia (liczymy tylko żywe komórki)

-

cytometr przepływowy

-

pomiar mokrej biomasy (osad po wirowaniu)

-

pomiar suchej biomasy (po wysuszeniu).

Pośrednie metody pomiaru biomasy:

-

stężenie białka

-

stężenie kwasów nukleinowych

-

stężenie ergodterolu (tylko w grzybach wyst.)

-

pomiar zmętnienia – nelelometria, turbinometria (

↑

ilość b.

↑

mętność)

-

pomiar fluorescencji (ATP, NAD, DNA, białka (...) ; niektóre skł. komórek świecą)

17

-

stężenie metabolitów pierwszorzędowych

-

pobór tlenu (bakt.

↑

→

↓

tlen)

-

produkcja CO

2

-

wydzielanie ciepła (przy intensywnym oczyszczaniu i wzrostu mikr. rośnie temperatura –
r. egzotermiczna)

-

zmiany w przewodności elektrycznej pożywki (sole dysocjują na jony, przykładamy ładunek. Mikroby
pobierają te mikroelementy, przewodność maleje)

-

zmiany lepkości pożywki

-

zmiana barwy

-

zmiana ciśnienia osmotycznego

-

zmiana pH

Czynniki hamujące poj. się, to:

-

za mało:

•

kończy się pożywka (też tlen – czynnik limitujący)

•

brak źródła węgla, azotu

Pojawienie się czynnika powoduje osłabienie oczyszczania.

-

za dużo:

•

drożdże wytrzymują 15-18 % stęż. alkoholu

•

inne mikr. prod. toksyny.

Faza stacjonarna (IDIOFAZA)
Pojawienie się czynników ograniczających powoduje hamowanie wzrostu.
Najczęściej występujące czynniki ograniczające:

-

wyczerpanie cukru

-

zużycie azotu lub fosforu

-

brak rozpuszczonego tlenu

Model wzrostu w warunkach wystąpienia czynnika ograniczającego:

µ

=

µ

max

⋅

x

⋅

P/(K

s

+P)

K

s

– stężenie inhibitora (P), przy którym

µ

= 0,5

µ

max

Faza obumierania:

-

w komórkach pojawiają się pewne substancje zapachowe w formie ziarnistości

-

często komórki stają się agresywne

Zjawiska fizjologiczne:

-

zwolnienie podziałów komórkowych aż do ich zahamowania

-

gromadzenie substancji zapachowych (lipidów, węglowodanów i białek)

-

produkcja metabolitów wtórnych (antybiotyki, barwniki, witaminy, enzymy, toksyny komórkowe,
związki zapachowe, lipidy).

PROCES OKRESOWO – DOLEWOWY

Do zbiornika wprowadza się porcję ścieku, który podlega przemianom typowym dla procesu okresowego: faza
spoczynkowa. W momencie, gdy dochodzi do zwolnienia wzrostu komórek, wprowadzamy świeży ściek, co

18

powoduje spadek stężenia komórek, ale jednocześnie stanowi proces oczyszczania się wydłuża. W praktyce
proces uzupełniania (wymiany) części ścieku, może być prowadzony przez długi okres.

PROCES CIĄGŁY
Warunek podstawowy:

µ

= D

D – szybkość rozcieńczania (odwrotność czasu retencji), np.:
W ciągu 1 h wymieniliśmy 15% nowej pożywki.

µ

= 0,15 h

-1

– w ciągu 1 h urodziło się 15 % nowych komórek.

Razem ze zużytą pożywką bioreaktora wypływa część komórek zawartych z odcieku. Aby można mówić
o procesie ciągłym liczba komórek, które zostały wypłukane z pożywką opuszczającą bioreaktor musi zostać
zrekompensowana przez nowe komórki.
Jeśli

µ

>

D ilość komórek systematycznie wzrasta. Mają większy potencjał oczyszczania niż jest ścieków

(zabraknie im jedzenia) – niewykorzystany potencjał ścieków.

µ

<

D – ilość komórek, które wypłynęły jest większa od tych, które napłynęły. Następuje wymywanie komórek.

Ś

ciek jest nieoczyszczony.

Hodowle na podłożach stałych:

-

musi się pojawić odpowiednia ilość wody

•

faza stała (matryca organiczna)

•

woda

→

wymiana masy między komórką żywą a otoczeniem (metabolity, pokarm (...))

→

woda czasem wchodzi w reakcje, np. hydrolizy

→

4 struktury – 1,2,3,4 – rzędowe (3 – przestrzenna)

→

cząsteczki wody stabilizują przestrzenne uwodnienie.

Woda odgrywa w komórkach zasadniczą rolę metaboliczną:

-

jest rozpuszczalnikiem pożywek

-

wpływa na pH i siłę jonową pożywki

-

stabilizuje strukturę polimerów i determinuje ich aktywność

-

jest medium transportowym dla enzymów innych substancji chemicznych, np. pożywek, metabolitów
komórkowych

-

reguluje ciśnienie wewnątrzkomórkowe (turgor)

-

wpływa na wymianę masy, w tym na aktywność kanałów jonowych

-

bierze aktywny udział w reakcjach hydrolizy

-

wpływa na kierunki metabolizmu

-

(dostosowanie metabolizmu do zmiany aktywności wody) a

w

-

zawartość wody i ciśnienie osmotyczne – parametry wykazujące relacje między wodą i substratem (opis
stanu wody w roztworach)

-

stężenia:

•

molowe

•

normalne

•

molalne (kg rozpuszczalnika – w nim 1 gramocząsteczka)

•

molarne

-

potencjał chemiczny, np.: zaprawa solna do śledzi – woda jest związana przez jony Na

+

i Cl

-

nie może

przejść tak związana przez kanały w ścianie komórkowej mikrobów.

W roztworach rzeczywistych relacje między rozpuszczalnymi substancjami a polarnymi cząsteczkami wody
zależą od stężenia substancji rozpuszczonych i ich charakteru jonowego. Dlatego też w równaniu Raoulta należy
uwzględnić współczynnik aktywności (

γ

) subst. rozpuszczonej:

a

w

=

γ

⋅

n

1

/(n

1

+n

2

)

Aktywność wody jest miarą dostępności wody – opisuje związanie wody w układzie.
n

1

– ilość moli wody w 1 kg; n

1

= 55,51 (1000/cząst. wody)

n

2

– dodana substancja rozpuszczalna (ile moli), np. NaCl

γ

- współczynnik aktywności – jak silny jest jon Na

+

i Cl

-

.

Aktywność wody określa proporcje między wodą zawartą w danym systemie biologicznym a wodą dostępną dla
reakcji biologicznych (biochemicznych) i reakcji chemicznych.
Prawo Raoulta dla roztw. idealnych:
a

w

=

γ

n

1

/(n

1

+ n

2

) = P/p

0

=

ϕ

/100

19

P – prężność par roztworu
p

0

– prężność par rozpuszczalnika (woda)

ϕ

- wilgotność względna powietrza

n

1

– ilość moli rozpuszczalnika

n

2

– ilość moli substancji rozpuszczonej

Oznacza to, że a

w

czystej wody 1, natomiast a

w

całkowicie wysuszonego roztworu = 0.

Np.:
Oblicz a

w

roztworu po wprowadzeniu 1 mola substancji rozpuszczalnej do 1 kg wody.

a

w

= 55,51/(55,1 + 1) = 0,9923 (99 % stan nasycenia pary nad wodą)

Wilgotność wzgl. atmosfery w stanie równowagi termodynamicznej (

ϕ

) jest liczbowo = a

w

substancji, które

w tej atmosferze długo przebywają
a

w

=

ϕ

/100

Wielu mikrobiologów preferuje powyższą zależność, gdyż łatwo jest dokonać pomiaru a

w

poprzez pomiar

wilgotności wzgl. powietrza w stanie równowagi z danym substratem wzgl. bezpośredni pomiar ciśnienia
(prężności) pary wodnej.

-

stała temperatura

-

2-3 tygodnie

-

przechodzenie wody następuje
do czasu, gdy ustali się stan
równowagi, wtedy a

w

jest

∼

do

wilg. powietrza

(...) wody jest często mierzona przez:
POTENCJAŁ WODY (chem.)
Istnieje matematyczna zależność między potencjałem wody a aktywnością wody:

Ψ

= [ -RT ln qw/Vw = 2,303 RT log a

w

]/V

w

gdzie:
T – temp. Absolutna (

°

K)

V

w

– objętość molowa wody [m

3

/mol]

Przykład obliczania potencjału wody dla roztworu molarnego (1 mol rozpuszczony w 1 l wody) w temp. 25

°

C.

Ψ

= [-2,303

⋅

8,313 (273 + 25) log 0,9823]/(0,01805

⋅

10-3) = 2,4 MPa (24 atm.)

↓

a

w

↑ϕ

NIE! Związek między ciśnieniem osmotycznym a a

w

oparty na molowym współczynniku osmotycznym.

Relacja między a

w

a rozmiarami kapilar ln a

w

= -2

γ

M/rdRT

Woda jest związana z subst. rozpuszczonymi - ograniczenie dostępu wody do komórek.
! Wpływ aktywności wodnej podłoża na wzrost poszczególnych mikroorganizmów.

A – monowarstwa wody na wszystkich polimerach (całość
materiału się nią pokryła)
B – pojawia się woda wolna – punkt, od którego może zacząć
się życie (medium transportowe umożliwiające rozwój
mikroorganizmów).
Zaczynają cię reakcje enzymatyczne, pokarm dla rozwoju
mikrobów. Pierwsze pojawiają się grzyby. Bakterie muszą mieć
bardziej nawilżone środowisko.
0,61 – graniczna a

w

, poniżej której nie ma życia (żaden mikrob

się nie rozwija). Minimalny poziom a

w

niezbędny do rozwoju

mikroorganizmów:

-

poniżej 0,90 – bakterie raczej nie rosną

-

drożdże 0,85

-

pleśnie 0,80

-

pleśnie kserofilne 0,65 (środowisko suche)

-

drożdże osmofilne 0,61 (środowisko słone, brak wody)

20

Kompostowanie
Wykorzystanie odpadów komunalnych w Polsce.
W 1996 r. usunięto 46,45 m

3

stałych odpadów komunalnych, co stanowi 55 % masy wytwarzanych odpadów.

Wykorzystanie odpadów komunalnych jest niewielkie i sprowadza się do:

-

wytwarzania kompostu (218,6 tys. ton odpadów poddano kompostowaniu)

-

wykorzystania do celów energetycznych gazu wysypiskowego (produkcja energii elektrycznej)

-

wyselekcjonowania w systemie zbiórki i segregacji składników o charakterze surowców wtórnych:

•

papier, makulatura

•

opakowania szklane, stłuczka szklana

•

metale żelazne i nieżelazne

•

tworzywa sztuczne.

Ś

rednio w kraju wykorzystanie składników wyselekcjonowanych z odpadów komunalnych nie przekracza 0,5 %

ogólnej masy usuwanych odpadów.

Charakterystyka odpadów komunalnych:

-

odpady domowe

-

odpady z obiektów użyteczności publicznej

-

odpady z terenów zieleni

-

ś

nieg i lód

-

urobek ziemny

-

gruz

-

odpady gospodarczo-bytowe.

Materiał wykorzystywany w produkcji kompostu:

-

surowiec powinien zawierać odpowiednio dużą ilość substancji organicznej, która musi być większa niż
30 % i dostateczną ilość azotu, a także brak związków toksycznych.

Do kompostowania stosuje się:

-

odpady komunalne

Zawierające 35-50 % składników organicznych. Pozostałą część masy stanowią różnorodne odpady mineralne
i tworzywa sztuczne. Szacuje się, ze w odpadach komunalnych znajduje się około 1 mln ton suchej masy
organicznej, która może być kompostowana. Zawiera ona średnio ok. 1,5 % azotu.

-

masa roślinna z terenów zieleni miejskiej, rekreacyjnej i przemysłowej

Zieleń miejska i osiedlowa zajmuje ok. 65000 ha na terenie całego kraju. Przyjmując 5 ton rocznej produkcji
masy roślinnej z hektara otrzymujemy ok. 325 tys. ton surowca o zawartości ok. 1,5 % N.

-

odpady z zakładów przetwórstwa rolno-spożywczego

-

odpady z zakładów produkcji drewna i wyrobów

-

osady z biologicznego oczyszczania ścieków

Głównym źródłem osadów ściekowych są oczyszczalnie ścieków miejskich. Chemiczne właściwości osadów
z tych oczyszczalni są zbliżone do osadów z miejskich oczyszczalni ścieków. Do nawożenia gleb
najkorzystniejsze są osady ze ścieków przemysłu rolno-spożywczego. Osad czynny – dobry, bakterie.

Warunki kompostowania:

-

odpowiedni skład chemiczny materiału wyjściowego

-

odpowiedni stosunek węgla organicznego do azotu (C:N) – materiał wyjściowy C:N = 17-30:1

gotowy kompost C:N = 20-30:1

-

temperatura – pryzma zagrzewa się do 60-70

°

C. Utrzymanie tej temperatury przez kilka dni gwarantuje

pełną higienizację kompostu i zniszczenie organizmów chorobotwórczych

-

wilgotność – optymalny poziom zwilgocenia masy kompostowej z 40-50%

-

utrzymanie odpowiedniego pH (6,5-7,5)

-

napowietrzanie

-

rozdrobnienie materiału.

Podstawowe operacje technologiczne:

-

ważenie i rejestracja (z archiwizacją) dowożonych odpadów z terenu miasta na składowisko

-

hala przyjęć i segregacji odpadów. Wyładunek dowożonych odpadów na platformę przyjęć oraz ich
załadunek za pomocą ładowarki kołowej na taśmę linii segregacji. Segregacja mechaniczna w sicie
i ręczna z podziałem na strumienie:

•

odpady mineralne o frakcji do 20 mm, kierowane na składowisko odpadów

21

•

odpady o frakcji powyżej 100 mm, głównie odpady surowcowe i balastowe, kierowane są na
taśmę sortowniczą segregacji pozytywnej i negatywnej i dalej na składowisko.

Zagęszczenie na prasie wysegregowanych odpadów nieorganicznych bale o wymiarach 80x100 cm do
składowania.

Rozgraniczenie wysegregowanych odpadów organicznych.
Mieszanie wysegregowanych odpadów organicznych z osadami ściekowymi.

-

kompostowanie wysegregowanych i rozdrobnionych odpadów organicznych.

Wysegregowane odpady organiczne po rozdrobnieniu i zmieszaniu z osadem ściekowym przewożone są
z oddziału segrtegacji za pomocą ładowarki kołowej do miejsca kompostowania pod wiatą (ograniczenie
parowania). Miejsce to wyposażone jest w instalację do nawadniania i napowietrzania (metodą rurową) pryzm
oraz odwodnienia (zbierania i odprowadzania odcieków). Odpady formowane są w pryzmy kompostowe
o podstawie ok. 6 m, wys. 48 m i dł. 65 m. Tak uformowane odpady podlegają procesowi kompostowania przez
okres ok. 4-6 tyg. Ogółem jest 10 linii pryzmowych, w tym 2 rezerwowe na za i wyładunek kompostowni.
Pojemność 1 linii pryzmowej odpowiada tygodniowemu przerobowi odpadów organicznych.

↓

napowietrzanie, bo CO

2

wydzielające się zatrzymuje (żeby nie uciekło).

Obróbka (uszlachetnianie) kompostu.
Sortowanie frakcyjne kompostu na sicie bębnowym o prześwicie 22mm. Oczyszczanie mechaniczne kompostu
na stole balistycznym z zanieczyszczeń mineralnych tzw. twardych sprężystych (szkło, kamienie, ceramika,
metale itp.).

-

oczyszczanie kompostu z zanieczyszczeń nieorganicznych lotnych (tworzyw sztucznych i folii
opakowaniowych) metodą pneumatyczną w cyklonie. Odsiew i wydzielone zanieczyszczenia
w procesie uszlachetniania kierowane są na taśmę odpadów nieorganicznych przed prasę i dalej na
kwatery składowania odpadów.

Tymczasowe składowanie i dojrzewanie gotowego kompostu.
Składowanie sprasowanych w bele odpadów org., oraz wysegregowanych odp. m.in. drobnych w kwaterze
ziemnej; odpady są formowane w warstwy o wys. 2 m. Każda 2 m warstwa odp. przesypywana jest warstwą
izolacyjną o grub.0,2 m. Stanowią ją odpady min. o frakcji do 20 mm i inne odp. mineralne oraz masy ziemne
pozostałe z robót ziemnych przy budowie kwatery.

IMMOBILIZACJA MIKROORGANNIZMÓW

-

złoża biologiczne

-

schematy osłon bakteryjnych

-

W Gram (+):

•

warstwa białkowa

•

mureina

•

fosfolipidy

W Gram (-):

•

białko

•

fosfolipidy

•

mureina

•

fosfolipidy

→

fosfolipidy:

-

transmembranowe białka – przez całość, służą do transportu

-

Gram (+) mają najbardziej złożoną budowę

→

alanina wiąże się z kwas3m diaminopimelinowym – silne wiązanie – wykorzystywane w wielu technikach

immobilizacji

22

Metody wiązań komórek:

całe komórki

metody immobilizowania komórek „zmodyfikowanych”

metody wiązania komórek wolnych

wiązanie

wiązanie

paletyzacja,

flokulacja

(np. polielektrolity)

dializa, filtracja,

sedymentacja

(bioreaktor

membranowy)

poprzeczne

do

nośnika

ż

ele

włókna

mikrokapsułki

adsorpcja

chelacja

lub

wiązania

z

metalami

kowalencyjne

Wiązania poprzeczne.
Metoda wiązania komórek poprzez w. p. dotyczy wyłącznie agregacji komórek bez przyłączania do nośnika.
Wykorzystuje się do tego celu siły chemiczne i fizyczne.
Przy wiązaniu chemicznym wykorzystane są wiązania kowalencyjne z użyciem 2 i wielofunkcyjnych
czynników.
Najczęściej stosowane są:

-

aldehyd glutarowy

-

di-izocyjanian toluenu

-

di-izocyjanian toluenu + 1,6-di-aminoheksan.

Wszystkie są toksyczne, stąd r. immobilizacji musi być dobrze kontrolowana i odbywa się poza układem do
oczyszczania ścieków. Komórki wiązane w. poprzecznymi wykorzystuje się przede wszystkim do reakcji
katalizowanych przez pojedyncze enzymy. Wiązania te są niezwykle silne – praktycznie nierozerwalne. Z uwagi
na toksyczny charakter aldehydu glutanowego część komórek ginie, co nie przeszkadza w zachowaniu ich
aktywności enzymatycznej, (komórka – nośnik enzymów), np. wiązanie poprzeczne między grupami
aminowymi z aldehydem glutarowym
H

2

N – komórka – NH

2

- CH = N – komórka – N =CH(CH

3

)

3

-

te układy stosuje się do oczyszczania ścieków

→

wiązania przez flokulację (do poprz.)

Związki chemiczne stos. do flokulacji komórek:

-

polielektrolity kationowe:

•

poliaminy

•

polietyleniminy

•

poliakrylamidy

-

polielektrolity anionowe:

•

poliakrylamidy podstawione grupami karboksylowymi

•

siarczki polistyrenowe

•

kwasy polikarboksylowe

-

związki zawierające metale Mg, Mn, Ca, Fe, Al.:

•

tlenki

•

wodorotlenki

•

siarczany

•

fosforany

-

inne flokulanty:

•

bentonit

•

chitozan

•

ziemia okrzemkowa

•

garbniki

•

azbest (zakazany)

•

estry akrylowe

np.:
bentonity (do usuwania mikroorganizmów)

-

do oczyszczania np. kwasu fumarowego

23

Wiązanie do nośnika.

-

wymagania stawiane nośnikom:

•

ułatwienie adhezji komórek (by były przeciwne ładunki)

•

rozwinięta powierzchnia lub porowatość (większa ilość może być zaadsorbowana, komórki
w zagłębieniach)

•

stabilność chemiczna (odporność na korozję mikrobiologiczną; mikroby produkują kwasy
organiczne – agresywne)

•

stabilność mikrobiologiczna

•

odporność na siły mechaniczne (+ na nacisk)

•

ochrona właściwości technologicznych komórek

•

przydatność do stosowania w procesach ciągłych

•

zapewnienie dobrego przepływu cieczy przez warstwę nośnika (kolmatacja – zaczopowanie
złoża wskutek przyrostu biomasy bakteryjnej. Drobnoziarniste materiały się podrzuca –
zmiana ciśnienia – złoże się odkorkowuje)

→

nośniki stosowane do wiązania komórek:

-

nośniki organiczne (celuloza, dekstron, agaroza, żelatyna, kolagen, drewno, lignity, antracyt, polimery
organiczne typu plastików, syntetyczne wymienniki jonowe)

-

nośniki nieorganiczne (szkło, szkło porowate, szkło borosilikatowe, ceramika, uwodnione tlenki metali,
kiselgur, korolierit, diatomit, żwir, silikochrom, stal nierdzewna, żużel wielkopiecowy, piasek, cegły,
ziemie diatomiczne, węgiel aktywny, perlit, glina)

→

przyczepianie się komórek do powierzchni ciał stałych występuje zwykle większa koncentracja pokarmu

(adhezja biopolimerów i minerałów; ciała stałe mają ładunki, do nich przyczepia się pokarm)

-

przyczepienie do powierzchni, wzdłuż której przepływa ciecz, stanowi alternatywę ruchu komórki
w celu poszukiwania pokarmu (oszczędność energetyczna)

-

ochrona komórki przed niszczącymi siłami mechanicznymi

Sensing quorum – komórki zachowują się jak 1 organizm, np. poświęcają 1 warstwę zewnętrzną na śmierć,
chroniąc dalsze warstwy, broniąc dostępu. Komórki przyczepione są bardziej odporne od komórek wolnych.

-

bliskość innych komórek ułatwia wymianę materiału genetycznego (wymiana seksualna
i paraseksualna; mating type)

→

siły interakcji typu komórka – powierzchnia

•

siły przytrzymujące komórki w bliskości powierzchni: elektrostatyczne i elektrodynamiczne

•

siły hydrodynamiczne i agrodynamiczne, które decydują o dyfuzji cząstek (komórek)
i o szybkości osiągania stanów równowagi

•

siły wywołane przez silne pola, jak pole elektryczne, magnetyczne, ścinanie hydrodynamiczne
i pole grawitacyjne.

Energię interakcji cząstek z powierzchnią nazywamy energią (V) potrzebną do zbliżenia cząsteczki do
powierzchni stałej o określony dystans (l). W wypadku adhezji wartość tej energii jest (-).
Siły decydujące o adhezji do nośnika:

-

przyciągania Van der Waalsa

Energia przyciągania się 2 dużych komórek poprzez siły Van der Waalsa wynosi:
V

A

= [A (r

1

r

2

)]/[6 (r

1

+ r

2

)]

⋅

0,5

r

1

, r

2

– promienie cząstek

A – stała zależna od zakresu częstotliwości pola elektromagnetycznego
l – odległość między cząstkami w momencie ich dużego zbliżenia

WNIOSEK
W przypadku, gdy komórka zbliża się do dużego ciała – nośnika, to korzystne jest, aby nośnik miał duży
promień, natomiast komórka bakterii miała promień jak najmniejszy. Preferowane są więc kształty wydłużone.
Wszelkiego rodzaju wypustki, np. Rzęski, silnie faworyzują przyciąganie do ciała stałego.

adhezyny – związki decydujące o adhezji, ich odpowiednikiem jest receptor.

-

odpychania elektrostatycznego wynosi:

;

<

=

>
4



@



/



@

 

/

ABC

@



Φ

/

D

/

B1  

"

D  BC

@

 C

/

D

/

B1  

"

DF

Φ

1

,

Φ

2

– potencjał powierzchniowy (zeta) obu cząstek

24

k – parametr Debye’a – Huckla określa grubość warstwy jonowej wokół cząstek stałych

ε

– ładunek protonów

Większość baterii posiada (-) ładunek na swej powierzchni i wokół bakterii tworzy się przeciwstawnie
naładowana warstwa jonów (+). Całkowita energia interakcji komórki z powierzchnią jest determinowana przez
energię oddziaływań typu Van der Waalsa i energię elektrostatyczną: V

r

= V

A

+V

R

.

Energia interakcji Gibbsa między 2 powierzchniami jest przedstawiona, jako funkcja odległości. Najsilniejsza
adhezja do powierzchni występuje, gdy odległość komórki jest mała i nie przekracza 1 nm. Występuje wtedy
pierwsze min energetyczne. 2 obszarem korzystnym dla adhezji jest odległość 5nm, gdzie występuje 2 min
energetyczne. Między obu min. energetycznymi występuje zjawisko odpychania, związane z max
energetycznym i występowaniem sił elektrostatycznych.

Powierzchnia komórek nie jest gładka, lecz występują na niej nierówności i wypustki. Te zaokrąglenia mają
mniejsze promienie krzywizn niż cała komórka. Przy mniejszych promieniach siły przyciągania są większe niż
siły odpychania.
W zależności od stężenia elektrolitów w pożywce mogą wystąpić następujące sytuacje:

-

wypadkowa energia powoduje odpychanie komórek na wszystkich odległościach od powierzchni. Obie
powierzchnie nie mogą znaleźć wzajemnego kontaktu, sytuacja taka występuje, gdy stężenie elektrolitu
jest małe a komórkę otacza silna podwójna warstwa jonowa

-

przy średnim stężeniu elektrolitu, tworzy się płytkie drugie min energetyczne przy odległości 5-15 nm
komórki mogą się ze sobą połączyć, jednak słabo i odwracalnie

-

przy dużym stężeniu elektrolitów wypadkowe oddziaływanie jest silnie przyciągające na wszystkich
odległościach. Adhezja jest silna i nieodwracalna.

Mechanizm tworzenia flokulacji oraz mostkowania komórek przez polimery.

Bakterie posiadające
poza-komórkowe,
zaadsorbowane polimery.

Bakterie posiadające
tylko małe ilości
poza-komórkowych polimerów.

Odpychania przestrzenne.

Odpychanie przez podwójną
warstwę jonową.

Obróbka przy pomocy polimerów,
enzymów depolimeryzujących lub
wzrost przy głodzie węglowym.

25

MECHANIZMY TWORZENIA BIOFILMU

Konsekwencje adhezji mikroorganizmów w procesach biotechnologicznych

















CHELACJA
Do wiązania komórek wykorzystuje się uwodnione tlenki metali 3 i 4 wartościowych, głównie Zr i Tl. W tym
celu do zawiesiny komórek wprowadza się tlenek metalu, który ulega uwodnieniu i rozpuszczeniu, a po regulacji
pH ulega żelowaniu. W przypadku Ti żelowanie zachodzi przy pH kwaśnym (~5), a w przypadku Zr w pH
neutralnym lub lekko alkalicznym.

Rodzaj powierzchni Proces/Konsekwencje

Ś

ciany bioreaktora

Zapychanie aparatury:

-

wymienniki ciepła

-

filtry, wirówki, zawory.

Konieczność intensywnego mycia.
Korozja biologiczna.

Nośniki stałe

Tworzenie filmów biologicznych na nośnikach
w reaktorach ze złożem stałym i fluidalnym.

Pożywki

Rozkład celulozy (SSF).
ś

ywność fermentowana.

Mikroorganizmy

Flokulacja.
Tworzenie cienkich filmów.

Wymienniki jonowe Separacja mikroorganizmów.

Minerały

BIO-kopalnie metali.
Gleba.

26

Wiązania za pomocą WIĄZAŃ KOWALENCYJNYCH:

-

stosuje się reakcje silanowania powierzchni stałej a następnie wiązania komórki przy pomocy aldehydu
glutarowego. (tri-amino-propylo-tri-etoksy-silan rozpuszcza się na gorąco w toluenie).

Wiązanie nośnika metalowego z pochodną tri-alkoksy-silanu.

Wiązanie: metal-O-Si-

-

metoda OSADU CZYNNEGO oczyszczania ścieków

Otrzymujemy odpad w postaci biomasy komórkowej

•

pierwiastki biogenne: C, N, P, (O) – musi być dostarczony do ścieku, pobierany przez
mikroorganizmy, albo tlen w substancjach organicznych jest wykorzystywany przez mikroby.
Jeśli napowietrzamy ściek – komórki mogą się rozmnażać, jeśli nie – tylko taki rozwój, na jaki
pozwoli ilość substancji organicznej – ograniczona ilość.

12 kg/m

3

– limit rozpuszczania tlenu

•

ChZT – chemiczne zapotrzebowanie na tlen

•

BZT

5

– biologiczne zapotrzebowanie na tlen (katalizatorami są mikroorganizmy)

3 różne parametry:
BZT

5

– mikroby utleniają ściek przez 5 dni

BZT

20

– przez 20 dni

BZT

Z

– aż się stwierdzi, ze układ w kolejnej dobie nie pobrał ani mg.

•

w niektórych układach nie można zastosować 1 metody a można 2 i odwrotnie

GŁÓWNE STADIA OCZYSZCZANIA BIOLOGICZNEGO:

-

uśrednianie i klarowanie wód ściekowych przez próbkę mechaniczną (zbiorniki wyrównawcze,
piaskowniki, osadniki; zatrzymanie dużych ciał)

-

tlenowe oczyszczanie ścieków (komory napowietrzania, regeneratory osadu czynnego, osadniki wtórne)

-

doczyszczanie wód ściekowych (stawy biologiczne, stacje filtracji)

-

obróbka osadów (uwodniony 98-99 %; poletka osadowe, suszarnie, kompostownie, piece itp.,
sanityzacja)

Czynniki limitujące wprowadzanie osadu czynnego do kompostu – zawartość metali ciężkich w osadzie.

Schemat ideowy urządzeń napowietrzających.

Uśredniacz – tu dokonuje się poboru próbek do analizy, bilans biogenów – jeśli nieprawidłowy – korekta;
kontrola obciążenia (jeśli obciążenie za duże to rozcieńcza się, wzmacnia ilość biomasy – zawracanie,
regeneracja osadu – natlenianie; korekta pH NH

4+

i SO

4

2-

- źródło azotu – napowietrzanie, może być źródłem

zmiany pH – zakwaszenie. Azotany NO

3

-

będzie konsumowany, K zostaje.

Odstojniki pierwotne, wtórne – usuwa się koloidy, drobne zawiesiny (flotacja, flokulacja); zaleta osadu –
sedymentuje.

27

Komora napowietrzania
(następują zmiany w układzie:

-

wraz z przesuwaniem się osadu w komorze są tam heterotrofy, ale pokarm się kończy i zostają same
substancje trudno przyswajalne i bakterie posiadające enzymy do ich rozkładu

-

pojawiają się chemotrofy

-

w ścieku pojawiają się autotrofy – energia ze słońca, węgiel z CO

2

↓

sukcesja mikroorganizmów – jedne ustępują miejsca drugim.

Te zjawiska zachodzą równolegle obok siebie. Niektóre z nich odbywają się w warunkach BEZTLENOWYCH.
Komora napowietrzania – duży zbiornik – z strefą beztlenową.

OSAD CZYNNY:
70 % organizmów żywych
30 % stałych cząsteczek pochodzenia nieorganicznego.
Zooglea – wydziela dużo lepkich substancji.
Pierwotniaki – jedzą słabe o martwe bakterie.
ś

ywe mikroorganizmy + nośnik stały = zooglea, tj. populacja mikroorganizmów pokryta wspólną błoną

ś

luzową.

Zooglea ramigera:

-

stosunek form kapsułkowych błona śluzowa do form wolnych nosi nazwę WSPÓŁCZYNNIKA
ZOOGLEALNOŚCI. Powinien mieć on jak największą wartość.

-

Szybkość sedymentacji jest proporcjonalna do kwadratu średnicy cząstki.

Główne rodzaje pierwotniaków:
Vorticella

Carchesium

Opercularia

Orzęski posiadające wici – Mastigophora
Orzęski rzęskowe – Ciliata
Orzęski ssące – Sarcodina.

1 orzęsek spożywa 20-40 tys. bakterii/dobę.
Proporcja: 10-15 pierwotniaków/mln bakterii.

WSPÓŁCZYNNIK PROPORCJONALNOŚCI – stosunek pierwotniaków do bakterii.
Wiciowce – Anthophysa vegetans
Duża liczba wiciowców – przeciążenie osadu czynnego związkami organicznymi i zła praca osadu.
Duża liczba orzęsek, szczególnie Vorticella i Aspidisca costata, oznacza prawidłową pracę osadu.
Orzęski są b. czułe na różne trucizny.

ZDOLNOŚCI FERMENTACYJNE poszczególnych rodzajów drobnoustrojów.
Pseudomonas – alkohole, tłuszcze, parafiny, węglowodany, węglowodory.
Bacterium – ropa naftowa, parafiny, nafteny, fenole, aldehydy, kwasy tłuszczowe.
Bacillus – węglowodory alifatyczne.

PĘCZNIENIE OSADU:

•

rozwój bakterii nitkowatych – pęcznienie osadu (niemożliwe jest zsedymentowanie) –
potrzebna dezynfekcja całej oczyszczalni

-

Sphaerotilus natans, rzadziej Beggiata sp. lub Thiothrix sp.

Przyczyny:

-

zbyt mało tlenu

-

zagniwanie substancji organicznych

-

wysoki stosunek C i N, szczególnie obecność azotu organicznego.

Czynniki środowiskowe regulujące pracę osadu czynnego:

-

temperatura (mezo-, psychro-)

-

rozpuszczalność tlenu (latem mało O

2

szybszy wzrost mikroorg.)

28

Wpływ temp. na rozpuszczalność tlenu w czystej wodzie:

Temp.

Rozpuszczalność tlenu [mg/l]

10
15
20
30
40

10,93

9,90
8,87
7,46
6,59

-

zimą znacznie większa rozpuszczalność tlenu – poniżej 1g/l

-

pH: 5,5-8,5

-

biogeny: proporcje między nimi

-

metoda ZŁÓś BIOLOGICZNYCH z fermentacją metanową

Najmniej obciążone są z. zraszane – odkryte zbiorniki:

-

wys. ok. 2,5 m (

<

3)

-

nie jest mech. napowietrzany

-

do góry belka zraszająca z dziurkami lekko z boku po 1 stronie. Belka kręci się sama napędzana
strumieniem wody

-

złoże wypełnione: kamienie, żużel, cegły klinkierowe lub kształtki tworzyw sztucznych

-

latem: kamienie są chłodzone – powietrze spływa w dół – cięższe

-

nocą: kamienie są cieplejsze – powietrze samoczynnie w górę

-

są tam: kilka mm bakterii, grzyby, mikrofagi

-

o pracy decyduje kolor.

Barwa powierzchni złóż zraszanych, jako wskaźnik stanu błony biologicznej:

Czerwona

– obecność bakterii purpurowych siarkowych, brak tlenu.

Mlecznobiała

– obecność bakterii siarkowych, brak tlenu.

ś

ółto

-

oranżowa

– początek masowego rozwoju grzyba fusarium, groźba zarośnięcia złoża.

Czarna – siarczek żelaza, brak tlenu.

Zielona

– zielone grzyby, zmiana czystości wody z klasy II do III.

Brunatna

– prawidłowy rozwój błony, dobrze pracujące złoże.

Kakaowa

– obecność okrzemków, przejście do II klasy czystości.

Złoża spłukiwane:

-

do oczyszczania ścieków średnio-obciążonych

-

zbiornik zamknięty

-

sztuczne mechanizmy napowietrzania

-

wys. ok. 4 m

-

zraszanie dużo intensywniejsze

(więcej jest w stanie utlenić – można dać
większy przepływ ścieków)
-

błona biologiczna 1 mm zawiera wyłącznie
bakterie

-

czasem błona odrywa się całymi płatami –
za tym powinien stać osadnik wtórny

Rodzaje:

-

zraszane

-

spłukiwane

-

wieżowe

-

działają w oparciu o błonę biologiczną.

Złoże oparte na nośniku, który jest zraszany

(mniej lub bardziej intensywnie).

29

Złoża wieżowe – najbardziej skuteczne

-

nawet do 10 m wys.

-

materiały: raczej plastikowe (kamienne za ciężkie)

Złoża obrotowe

-

tarczowe – tarcze (na nich błona biologiczna) obracają się i zawierają ściek

Lepsze:
wieżowe

>

spłukiwane

>

przemienne

>

zraszane