Есенаманова Ж.С., Батырбаева Г.

Атырауский государственный университет имени Х.Досмухамедова

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ И БИОХИМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ БИОДЕГРАДАЦИИ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ НА ПОЛИГОНАХ ЗАХОРОНЕНИЯ ТБО

К твердым бытовым отходам (ТБО) относятся муниципальные отходы: отходы, произведенные населением, торговыми предприятиями, ресторанами, учреждениями и муниципальными службами. ТБО представляют собой гетерогенную смесь сложного морфологического состава (черные и цветные металлы, макулатура, текстиль, стеклобой, пластмасса, пищевые отходы, камни, кости, резина, кожа, дерево и т.д.). Состав твердых отходов варьирует в зависимости от страны, типа хозяйства, времени года. Несмотря на то, что в развитых странах состав твердых отходов становится все более однотипным, существенные различия встречаются даже на относительно небольших расстояниях. Ежегодно, каждый городской житель производит 200-500 кг ТБО, требующих удаления и ликвидации. В настоящее время почти во всех странах мира большая часть ТБО захоранивается на свалках и полигонах: в СНГ - более 95 %, в Великобритании - 90 %, в США и Германии около 70 %. Исключение составляют страны, имеющие небольшую территорию, и высокую плотность населения - Япония, Швейцария, где на полигоны вывозят всего 25 -30 % образующихся ТБО.

Стратегия размещения твердых отходов на свалках значительно различается в разных странах. Но в любом случае захоронение ТБО на свалках и полигонах приводит к изъятию больших земельных участков; безвозвратной потере ценных компонентов, содержащихся в ТБО; большим транспортным расходам, связанным со значительным удалением свалок и полигонов от городов; возрастанию экологической опасности в районах размещения свалок и полигонов (загрязнение почв, подземных и поверхностных вод, атмосферного воздуха); ухудшению санитарно-эпидемиологической обстановки в зоне влияния полигонов и свалок.

Поведение отходов на свалке носит сложный характер, так как все время происходит наслаивание нового материала через неравные промежутки времени. Процесс биодеградации твердых отходов зависит от градиентов температуры, концентрации газа и жидкости, редокс-потенциала (Eh), pH, ферментативной активности и потока жидкости. К факторам, определяющим биохимическое разложение бытовых отходов, относятся их молекулярные свойства (водорастворимость, коэффициент распределения вода/липиды, летучесть, размер молекул, их заряд, способность сорбировать микроорганизмы); межвидовое взаимодействие различных микроорганизмов, наличие поверхностей раздела фаз.

Характерной чертой свалок является наличие сложной взаимозависимой системы микроорганизмов, которые существуют как ассоциации клеток различных видов, прикрепленных к поверхности твердых частиц. Эти ассоциации зависят от градиентов концентрации доноров и акцепторов электронов и водорода.

На начальной стадии катаболизма твердых отходов преобладают аэробные биохимические и физико-химические процессы, в ходе которых лабильные молекулы быстро разрушаются беспозвоночными (клещами, двупараногами, равноногими, нематодами) и микроорганизмами (грибами, бактериями, актиномицетами).

Для биохимического окисления органических веществ, их молекулы должны сорбироваться на поверхности клеток за счет конвективной и молекулярной диффузии, а затем проникнуть через полупроницаемую цитоплазматическую мембрану. Внутри клетки химические соединения подвергаются различным анаболическим и катаболическим превращениям. Суммарные реакции биохимического окисления, протекающего в аэробных условиях, схематично можно представить в следующем виде:

C_xH_YO_zN+(x+y/4+z/3+3/4)О₂ → xCО₂ + (y-3)/2H₂О + NH₃ +∆Н

CxHyOzN + NH₃ + О₂ → C₅H₇NО₂ + СО₂ +∆H

Промежуточными продуктами окислительных реакций являются жирные кислоты: пропионовая, масляная, олеиновая, пальмитиновая. При дальнейшем окислении начинается превращение клеточного вещества:

C₅H₇NО₂ + 5 О₂ → 5 СО₂ + NH₃ + 3 Н₂О +∆Н

NH₃ + О₂ → HNО₂ + О₂ → HNО₃

На следующей стадии начинается катаболизм макромолекул, таких как лигнин, танин, лигноцеллюлоза, меланин. Биодеградация этих веществ протекает медленно, вследствие чего кислород перестает играть роль лимитирующего фактора. Продолжительность этого периода варьирует и частично зависит от предобработки. В течение этой стадии рост температуры до 80°С и присутствие бактерицидов абиотического происхождения приводят к гибели или инактивации патогенных микроорганизмов, личинок насекомых и семян растений. Температура используется в качестве индикатора работы свалки. Повышение температуры увеличивает активность и скорость роста микроорганизмов, но отрицательно влияет на растворимость кислорода. Образовавшиеся при аэробном окислении диоксид углерода и жирные кислоты снижают значение рН. Изменение реакции среды ускоряет гидролиз полимеров и способствует растворению металлов, образующих комплексы со свободными кислотами. Исчерпание молекулярного кислорода при одновременном накоплении диоксида углерода создает микроаэрофильные условия, в которых редокс-потенциал уменьшается, рН увеличивается и металлы начинают выпадать в осадок в виде сульфатов и карбонатов. При низких значениях Eh тяжелые металлы образуют комплексы с ионами аммония и гуминовыми кислотами. Создание микроаэрофильных условий сопровождается ростом числа факультативных, а затем и облигатных анаэробов. В отличие от аэробного метаболизма, при котором минерализация отходов часто достигается с помощью одного вида бактерий, анаэробная биодеградация требует совместного метаболизма микроорганизмов разных видов. Это симбиотическое сообщество, благодаря тому, что оно может менять пути ферментации, функционирует как саморегулирующаяся система, поддерживающая рН, окислительно-восстановительный потенциал и термодинамическое равновесие. Процессы, протекающие в биомассе, включают конверсию сложных органических субстратов (полисахаридов, липидов, белков) в метан, углекислый газ, сероводород и аммиак. Микробный метаболизм сопровождается значительным образованием воды, что сказывается на общем водном балансе свалки

Бактерии, участвующие в конверсии, делятся на три функциональные группы. Группа гидролитических бактерий или ацидогенных, обеспечивает начальный гидролиз субстрата до низкомолекулярных органических кислот и других соединений: уксусная, пропионовая, масляная, капроновая кислоты, метанол, этанол, глицерин, целлюлаза, водород, метан.

Гетероацетогенные бактерии продуцируют уксусную кислоту и водород. Конверсия отдельных органических соединений протекает в соответствии с химическими реакциями:

С₂Н₅СООН + 2 Н₂О → СН₃СООН + СО₂ + 3Н₂

С₃Н₇СООН + 2 Н₂О → 2 СН₃СООН + 2 Н₂

Метаногеиные бактерии синтезируют метан в результате восстановления метальной группы уксусной кислоты и метилового спирта:

СН₃СООН → СН₄ + СО₂

СН₃ОН → 3 СН₄ + СО₂ + 2 Н₂О

Для тех видов метаногенных бактерий, которые не способны утилизировать уксусную кислоту и метанол, характерен иной механизм образования метана. Такие бактерии синтезируют метан в результате восстановления диоксида углерода по реакции:

4RH₂ + CО₂ → CH₄ + 2H₂О + R

По данным ряда исследований в процесс метанообразования вовлекаются и более сложные вещества, такие как, масляная, пропионовая, капроновая, валериановая кислоты и соответствующие спирты.

Во время гидролиза и ферментации бактерии, не нуждающиеся во внешнем акцепторе электронов, гидролизуют полимеры (полисахараиды, липиды, белки и нуклеиновые кислоты) и сбраживают образовавшиеся мономеры до водорода и диоксида углерода, линейных и разветвленных жирных кислот, а также до этанола, молочной и янтарной кислот.

В процессе образования ацетата участвуют два типа ацетогенных. бактерий: водородообразующие-ацетогенные бактерии, получающие энергию для роста при совместной конверсии спиртов и органических кислот в уксусную кислоту и водород (иногда диоксид углерода); гомоацетогенные бактерии, катаболизирующие углеводороды, водород и диоксид углерода в уксусную кислоту /16/.

При метаногенезе возможны два типа лимитирования роста метаногенных бактерий, потребляющих диоксид углерода. Во-первых, на полигонах ТБО часто высока концентрация акцепторов электронов, таких как нитраты и сульфаты. Во-вторых, гомоацетогенные бактерии также могут потреблять диоксид углерода, восстанавливая его до уксусной кислоты, и конкурируя, таким образом, с метаногенными бактериями за водород. В настоящее время известно восемь различных субстратов метаногенных бактерий, четыре из которых обнаружены на полигонах ТБО: смесь диоксида углерода с водородом, уксусная кислота, метанол и триэтиламин. Электронодонорные и электроноакцепторные соединения, содержащиеся в поступающих отходах, оказываются в области взаимодействия микроорганизмов, относящихся к группам с различным типом метаболизма. Ситуация усложняется еще и тем, что за исключением диоксида углерода, эти вещества используются последовательно, и эта последовательность может ограничивать протекание различных реакций и взаимодействий. Например, снижение высоких концентраций сульфата сульфатвосстанавливающими бактериями и превращение его в сероводород подавляет активность метаногенных бактерий, так как восстановление сульфата энергетически более выгодно, чем образование метана из водорода, диоксида углерода и ацетата.

Литература:

1. Шубов Л.Я., Заленухин Р.В. Концепция промышленной переработки твердых бытовых отходов: необходимость создания и принципы построения. //Доклады 3 Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности» 16-18 июня 1998 г. - Санкт-Петербург/ Под ред Н.И.Иванова. - Т. 1. С.48-59.

2. Санитарная очистка и уборка населенных мест: Справочник/Под ред. А.Н. Мирного.- М.: Стройиздат, -1990.-413 с.

3. Filip Z., Kuster E// Eur. J. Appl. Mikrobiol. Biotechnol. 1979.V.7.P.371.

4. Jones K.L., Grainger IM.//Eur. J. Appl. Mikrobiol. Biotechnol. 1983. V. 18.P.181.