Biologiczne metody oczyszczania ścieków
“!
Wykorzystanie metabolizmu organizmów roślinnych ,
zwierzęcych i grzybów do transformacji zawartych w
ściekach substancji organicznych i mineralnych
TECHNOLOGIA OCZYSZCZANIA
komórka
ŚCIEKÓW
podstawowa jednostka strukturalna mająca zdolność do stałego
pobierania materii i energii z zewnÄ…trz oraz przetwarzania
składników pokarmowych
Wprowadzenie
metabolizm
całokształt przemian prowadzonych przez komórkę
do biologicznego oczyszczania ścieków
Rozróżnia się 2 typy komórek:
podstawowe informacje o budowie
" prokariotyczne - samodzielne organizmy zaliczane do świata
komórki prokariotycznej
roślin (wszystkie bakterie i sinice)
" komórka otoczona sztywną ścianą komórkową z porami,
przez które przenikają cząstki o masie cząsteczkowej
bliskiej 100 000 Da możliwość swobodnego
" eukariotyczne - mogą być samodzielnymi organizmami
przemieszczania się składników odżywczych (do i na
(pierwotniaki, niektóre glony, grzyby) lub stanowić
zewnątrz komórki)
podstawową jednostkę tkanek organizmów
wielokomórkowych
" na zewnątrz ściany komórkowej może być otoczka
śluzowata zbudowana z polimerów cukrów, aminokwasów
lub kwasów uronowych (tzw. EPS-zewnątrzkomórkowe
substancje zapasowe) bakterie wydzielające śluz
odgrywają istotną rolę przy tworzeniu kłaczków i błony
biologicznej
Znaczenie wydzielanego śluzu
ściana komórkowa
Ą% zgromadzone w śluzie polimery organiczne stanowią
wić
błona komórkowa
zewnętrzne substancje zapasowe komórek
bakteryjnych
EPS
wnętrze komórki
Ą% zwiększanie zdolności pozyskiwania substancji
organicznych z otoczenia śluz działa jak
 polielektrolit , na którym zachodzi sorpcja zw. org. i
min. oraz koagulacja zawiesin koloidalnych
Komórka bakteryjna wraz z otaczającymi ją egzopolimerami (EPS)
Ą% ochrona komórek bakterii przed czynnikami
zewnętrznymi
1
" Sposoby transportu związków chemicznych przez błonę:
" Błona cytoplazmatyczna  struktura warstwowa, położona
bezpośrednio pod ścianą komórkową spełnia funkcję
Ą% drogą dyfuzji, zgodnie z gradientem stężenia (w kierunku wyrównania
bariery chemiczno-osmotycznej dla wnętrza komórki
stężeń wewnątrz i na zewnątrz komórki) - cząstki o małej masie molowej
(woda, metanol, octany,etanol..),
nie wymaga zużycia energii przez komórkę ! ! !
Ä„% tzw.transport aktywny - gdy zachodzi przemieszczanie
substancji wbrew gradientowi stężeń (stężenie substancji wewnątrz
komórki jest większe niż stężenie na zewnątrz)
wymaga zużycia energii przez komórkę ! ! !
ściana komórkowa
“!
wić transport aktywny zachodzi dzięki obecności w błonie białek tunelowych 
błona komórkowa
permeazów - łącząc się z substratem przenoszą go do cytoplazmy
EPS
wnętrze komórki
" Cytoplazma - koloid wypełniajacy wnętrze komórki
" Substancje zapasowe w komórce (tworzone przez liczne mikroorganizmy
w cytoplazmie komórek prokariotycznych zawieszone są: w określonych warunkach środowiskowych )
stanowiÄ… z
ródło węgla i energii dla bakterii w okresach głodu
(np. polisacharydy, substancje tÅ‚uszczowe, siarka, kwas poli-²-
Ą% nukleoid  występujacy w postaci ziarna jądrowego, zawiera
hydroksymasłowy, polifosforany)
DNA reguluje metabolizm komórkowy wg informacji
genetycznych DNA, replikuje DNA, przekazuje informacje
“!
genetyczne podczas podziału komórki
Kiedy sÄ… tworzone ?
Ą% rybosomy  złożone z nici RNA i białka, które są centrami
syntezy białek
Ą% gdy w środowisku znajdują się substancje potrzebne do utworzenia
Ą% ziarna materiałów zapasowych, których budowa chemiczna
substancji zapasowej
zależy od gatunku i wieku drobnoustrojów
i równocześnie
Ä„% wzrost populacji danego rodzaju bakterii ograniczony jest przez brak
niektórych substancji pokarmowych lub czynniki środowiskowe
" Komórki eukariotyczne
strukturalne formy w komórkach eukariota
wyodrębnione systemem błon wewnątrzkomórkowych:
w odróżnieniu od komórek prokariotycznych mają wyodrębnione
strukturalne formy wewnątrzkomórkowe - tzw. organelle.
Ą% jądro komórkowe  magazyn informacji genetycznej, reguluje
“!
metabolizm komórkowy
te wyodrębnione zamknięte przestrzenie wewnątrz komórki
Ä„% mitochondria  centra przemian energetycznych
spełniają różne funkcje w jej metabolizmie
Ą% aparat Golgiego  gromadzenie i zagęszczanie produktów syntezy
“!
śródplazmowej
optymalizacja gospodarki enzymatycznej z równoczesnym
Ą% rybosomy  zawierają RNA i biorą udział w syntezie białek
zachodzeniem wielu przemian metabolicznych
Ą% lizosomy i peryksomy  zawierają białka enzymatyczne
Komórki roślinne zawierają dodatkowo: plastydy-ziarna zawierające
barwniki, tłuszcze, białka lub skrobię, wodniczki  zawierające
substancje wydzielane lub wydalane przez komórkę
2
Rodzaje transportu substratu do wnętrza komórki:
Podstawy metabolizmu komórkowego
" bezpośredni - proste połączenia organiczne (cukry proste, kwasy
Procesy metaboliczne:
organiczne, aminokwasy)
" Katabolizm
wewnątrzkomórkowe utlenianie substancji organicznych w celu
" po uprzedniej hydrolizie poza komórką za pomocą egzoenzymów 
uzyskania odpowiedniej ilości energii niezbędnej do
związki wielkocząstoczkowe (wielocukry, białka i inne polimery)
przeprowadzenia procesów anabolicznych
Uwaga:
Dostępność dla danego rodzaju bakterii różnych substratów zależy
" Anabolizm
przede wszystkim od ich struktury i właściwości chemicznych oraz
enzymów, który dany rodzaj bakterii może wytworzyć.
procesy, w których komórka zużywa energię na utrzymanie
swoich funkcji fizjologicznych: “!
zjawisko adaptacji bakterii
Ą% transportu substratów i metabolitów do i z wnętrza komórki
uruchomienie syntezy dodatkowych enzymów przystosowanych do nowego
Ą% syntezy składników komórkowych
substratu
Ä„% ruchu
Ą% rozmnażania
" Co się dzieje gdy w środowisku zaczyna brakować
Przyswajalność substratów organicznych
substancji odżywczych ?
" Najłatwiej cukry proste, zwłaszcza glukoza (z
ródło węgla i
energii)
“!
oddychanie endogenne = respracja endogenna
" W dalszej kolejności : aminokwasy, kwasy tłuszczowe, peptydy,
biaÅ‚ka (peptydy o znaczÄ…co wiÄ™kszej masie czÄ…steczkowej) , skrobia, “!
węglowodory, związki aromatyczne, celuloza i inne związki
przemianom katabolicznym podlegajÄ…
organiczne......
wewnątrzkomórkowe substancje zapasowe lub strukturalne
“!
Uwaga:
obumieranie komórek
Do syntezy składników komórkowych mikroorganizmom potrzebne
są również związki nieorganiczne i organiczne zawierajace azot,
fosfor i siarkę (obok węgla, tlenu i wodoru noszą nazwę
makroelementów).
Do utrzymania odpowiedniego ciśnienia osmotycznego
protoplazmy i wspomagania transportu aktywnego, syntezy
niektórych enzymów lub ich aktywacji, witamin - mikroelementy,
albo pierwiastki śladowe:
Na, K, Ca, Mg, Fe, Mn, Cu, Ni, V (wanad) , Sn, Mo, Si, Co.
Podział bakterii istotny w aspekcie biologicznego
" Oddychanie proces uzyskiwania energii, która
oczyszczania ścieków
magazynowana jest w ATP (adenozynotrifosforan)
/ze względu na sposób wytwarzania energii/
Ä„% PozyskujÄ…ce energiÄ™ tylko w wyniku oddychania tlenowego " Energia z ATP wykorzystywana jest w reakcjach anabolizmu
(syntez komórkowych), a jej uwalnianie z ATP prowadzi do
rozwijajÄ… siÄ™ tylko w warunkach tlenowych = tlenowce
powstania ADP (adenozynodifosforan) i ortofosforanu
Ä„% PozyskujÄ…ce energiÄ™ tylko w wyniku oddychania
beztlenowegorozwijajÄ… siÄ™ tylko w warunkach
beztlenowych = beztlenowce
Ą% Pozyskujące energię zarówno w warunkach tlenowych jak i
beztlenowych fakultatywne beztlenowce = organizmy
tlenotolerancyjne
3
Utlenianie związków organicznych wiąże się z
transferem elektronów od donora do akceptora
" W biologicznym utlenianiu substratu zazwyczaj
" ATP jest uniwersalnym przenośnikiem energii
przeniesieniu 2 elektronów towarzyszy równocześnie
pomiędzy reakcjami wyzwalającymi i
oderwanie od substratu 2 protonów (H+)
zużywającymi energię
“!
Tego typu utlenienie substratu , formalnie równoznaczne z
utratą 2 atomów wodoru = odwodorowanie
" Jest to jakby międzynarodowa waluta na
rynku energetycznym komórki :&
UWAGA: Używa się wymiennie następujących terminów:
(Schlegel, Mikrobiologia ogólna, 2003)
donor wodoru i donor elektronu
akceptor wodoru i akceptor elektronu
utlenianie i odwodorowanie
redukcja i uwodorowanie
Oddychanie tlenowe
Procesy oddychania polegają na przenoszeniu w łańcuchu
oddechowym elektronów i protonów odrywanych od
utlenianego substratu na końcowy akceptor:
" Zasadniczym elementem Å‚Ä…czÄ…cym wszystkie przemiany zachodzÄ…ce w
różnych organizmach tlenowych jest cykl Krebsa
" oddychanie tlenowe tlen
(kwasów trikarboksylowych)
warunki tlenowe - tlen rozpuszczony w Å›ciekach “!
przemiany enzymatyczne odłączanie protonów i wydzielanie CO2 z
substratu początkowego (cytrynian) - poprzez substraty pośrednie - do
" oddychanie beztlenowe azota(y)ny, siarczany, węglany
produktu końcowego (szczawiooctan)
warunki anoksyczne = warunki beztlenowe (brak tlenu
“!
rozpuszczonego) + (azotyny, azotany)
przyłączenie cząstki szczawiooctanu przy udziale koenzymu A
(acetylo-CoA)
“!
" fermentacja zwiÄ…zki organiczne
utworzenie wyjściowej cząsteczki cytrynianu
warunki beztlenowe - brak tlenu rozpuszczonego i w
zwiÄ…zkach chemicznych
Rys. Reakcje cząstkowe wchłaniania pokarmu i jego przemian w komórce Rys. Fazy utleniania związków organicznych (wg Krebsa)
Rys. 1-23a sadecka str. 43
Rys. 1-22 sadecka str. 42
4
Rys. Schemat procesów zachodzących w cyklu Krebsa
W procesie oddychania tlenowego akceptorem elektronów i
protonów uwalnianych w cyklach oddechowych jest tlen.
Odrywane od substratów protony i elektrony są
przenoszone na na tlen w łańcuchu oddechowym przez
zespół enzymów prowadzących reakcje oksydoredukcyjne
(dehydrogenazy)
Uwalniana w czasie transportu protonów i elektronów
energia jest magazynowana w wysokoenergetycznych
połączeniach adenozynotrójfosforanu (ATP).
Oddychanie beztlenowe
Cykl Krebsa (cykl oddychania tlenowego) stanowi : " W oddychaniu beztlenowym mikroorganizmy jako
akceptory elektronów wykorzystują azotany,
siarczany, węglany (utlenione związki nieorganiczne).
" końcowy etap utleniania związków organicznych w
“!
warunkach tlenowych do CO2 i H2O
Elektrony odłączane od substratu oddechowego są
przyłączane za pośrednictwem przenośników i enzymu
" z
ródło związków do ich resyntezy oraz do biosyntezy
reduktazy do ostatecznego akceptora np. azotanów
wielu innych składników komórki
“!
redukcja azotanów do N2ę!
" z
ródło energii niezbędnej do utrzymania procesów
życiowych i syntezy nowych komórek (ATP)
Siarczany redukowane sÄ… do siarkowodoru (SO4-H2S)
Węglany redukowane są do metanu (HCO3- CH4)
Fermentacja - jako proces metaboliczny
służący odtworzeniu ATP
" Produkty rozkładu związków organicznych pełnią
Podobnie jak podczas oddychania tlenowego uwalniana
równocześnie rolę donorów i akceptorów wodoru
w czasie transportu protonów i elektronów energia
“!
jest magazynowana w wysokoenergetycznych
połączeniach adenozynotrójfosforanu (ATP).
regeneracja ATP w drodze utleniania produktów
degradacji do CO2 (bez udziału tlenu !!!!!)
5
Podział bakterii istotny w aspekcie biologicznego
oczyszczania ścieków (z
ródło węgla i energii)
z
ródło węgla
CO2 zwiÄ…zki
" Heterotrofy- organizmy zdobywajÄ…ce energiÄ™ z materii organicznej; z
ródło energii
organiczne
z
ródłem węgla są związki organiczne
“!
H2, H2S, NH3,
autotrofy
Fe (2+) , NO2
" Autotrofy  organizmy pozyskujÄ…ce energiÄ™ w czasie utleniania
zredukowanych związków nieorganicznych : amoniaku, azotynów,
siarkowodoru, siarki, siarczynów, jonów żelaza II, jonów manganu II,
wodoru; podstawowym z
ródłem węgla jest CO2 (ale czasem wymagają związki
heterotrofy
obecności jednego lub kilku organicznych polimerów) - największe
organiczne
znaczenie majÄ… bakterie nitryfikacyjne, jedynym z
ródłem węgla jest
CO2)
Podział bakterii ze względu zróżnicowanie optymalnych
Organizmy biorące udział w procesie oczyszczania
warunków termicznych
Organizmy naturalnie występujące w ściekach, wodach i
glebie:
" Psychrofilne  optimum rozwoju 12-18 ÚC
" Bakterie heterotroficzne utleniające określone
" Mezofilne - optimum rozwoju 25- 40 ÚC
substancje organiczne
" Termofilne - optimum rozwoju 45  60 ÚC
" Bakterie autotroficzne utleniajÄ…ce amoniak
" Pierwotniaki odżywiające się bakteriami
" Wrotki odżywiające się pierwotniakami
" Niektóre gatunki grzybów
" Organizmy wyższe, takie jak robaki i owady
Skład substancji komórkowej różnych mikroorganizmów środowiska
wodnego i ściekowego
uwaga: większość reakcji biochemicznych zachodzących
o wzorze CaHbOcN
w ściekach odnosi się zwykle do statystycznego wzoru
dla bakterii tlenowych
indeks a b c C/N Zawartość
C5H7O2N
węgla
0,404 -0,714
bakterie 4-11 7-9 2-3 3,43-9,43
bakterie 5 7 2 4,28 0,531
(średnio)
glony 5 8 2 4,28 0,526
pierwotniaki
7 14 3 6 0,525
grzyby 10 17 6 8,56 0,486
6