СОЗДАНИЕ УСЛОВИЙ ДЛЯ НИТРИФИКАЦИИ

Технологические возможности нитрификации и денитрификации исходят из физиологических возможностей микроорганизмов, которые осуществляют эти процессы. Нитрификация может осуществляться только бактериями-прокариотами. Денитрификация, в зависимости от полноты процесса, прокариотами и эукариотами.

Нитрификация и денитрификация − это чисто биохимический процесс. Для его понимания, возможности регулирования и контролирования необходимы знания в биохимии микроорганизмов.

Физиологические особенности микроорганизмов определяются работой ферментативных систем.

Поскольку практически все реакции в клетке катализируются ферментами, регуляция метаболизма сводится к регуляции интенсивности ферментативных реакций. Скорость последних может регулироваться двумя основными способами: путем изменения количества ферментов и/или изменения их активности, т. е. степени использования их каталитического потенциала [1, с. 113].

Процессу нитрификации предшествует ферментативный процесс − транспортировка аммиака внутрь клетки.

Для транспорта аммиака внутрь клетки, через её внешнюю мембрану существует фермент – транслоказа Cu²⁺ (транслоказа содержащая медь), она называется: L-Аспартат: 2-оксоглутарат-аминотрансфераза. Код химической классификации: (КФ 2.6.1.1.). Одним концом транслоказа прикрепляется к внутренней поверхности муреиновой стенки, а второй конец (комплементарный), через отверстие, выходит во внешнее пространство, где улавливает молекулы аммиака и втягивает их через муреиновую перегородку внутрь стенки клетки.

Далее транслоказа передает аммиак другим транспортным ферментам, которые переносят аммиак далее внутрь клетки, где уже другие ферменты окисляют его в нитрит.

Для работы всех этих ферментов необходимо создание условий. Присутствие в воде органических веществ тормозит нитрификацию т.к. бактерии-нитрификаторы могут использовать только тот кислород, который не используют другие микроорганизмы. Органические загрязнения окисляют другие микроорганизмы, которым нужен кислород.

Процесс нитрификации осуществляется последовательно в две стадии. Первая стадия заключается в переводе азота аммонийного в нитриты, вторая стадия перевод нитритов в нитраты.

Первая стадия осуществляется бактериями нитрификаторами, относящимися, главным образом, к родам: Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosospira, Nitrosolobus, Nitrosovibrio и другие. Эта группа родов бактерий относится к прокариотам, наиболее древней группе бактерий.

Ферментом, отвечающим за первую стадию нитрификациии, является монооксигеназа, которая катализирует присоединение к молекуле аммиака одного атома О₂ в результате чего аммиак окисляется до гидроксиламина. Второй атом О₂ взаимодействует с НАД⋅Н₂ (никотинамид динуклеотид), что приводит к образованию Н₂О по следующей схеме:

NH₃ + O₂ + НАД⋅Н₂ → NH₂OH + H₂O + НАД⁺

Гидроксиламин далее ферментативно окисляется до нитрита по схеме:

NH₂OH + O₂ → NO₂^- + H₂O + H⁺

Вторую фазу − окисление нитритов до нитратов осуществляют нитрит-окисляющие бактерии, относящиеся к родам Nitrococcus, Nitrobacter и др.

Перемещение нитритов внутрь бактериальных клеток Nitrobacter осуществляется частично за счёт наличия протонного градиента, но, вероятно, в основном за счёт работы транспортных ферментных систем. На первом этапе – это транслоказы, содержащие медь, специфичные к нитрит-иону. Функционально, они перемещают нитрит-ионы из внешней среды через внешнюю оболочку внутрь клеточной мембраны. Далее нитрит-ионы передаются специфическим транспортным белкам, которые перемещают их через три слоя цитоплазматической мембраны на внутреннюю её поверхность. Здесь происходит окисление нитрит-ионов до нитратов.

Молибденсодержащий фермент, нитритоксидаза, катализирует данный процесс, локализованный на внутренней стороне ЦПМ:

NO₂^- + 0,5О₂ → NO₃^- ; ΔG = -77,4 кДж/моль

При низких концентрациях растворенного кислорода в аэробных зонах аэротенков скорости образования нитритов превышают скорости окисления нитритов до нитратов, что ведет к увеличению концентрации нитритов в очищенной воде до 1-5 мг/дм³. При эксплуатации аэротенков, работающих по технологии глубокой нитрификации, концентрация растворенного кислорода должна быть не менее 2,0 мг/дм³.

Для обеспечения требуемого российскими нормами качества очищенной воды по азоту нитритов (0,02 мг/дм³) значение аэробного возраста активного ила для рассматриваемых сточных вод должно составлять 13-24 сут. в аналогичном диапазоне температур иловой смеси. На данный факт необходимо обращать внимание при выборе метода расчета аэротенков.

Низкие нагрузки как по органическим соединениям, так и по соединениям азота и фосфора оказывают больше негативного воздействия на протекание биохимических процессов, чем повышенные нагрузки.

Эффективность нитрификации в ходе биологической очистки сточных вод зависит, в первую очередь, от количества нитрифицирующих микроорганизмов (нитрификаторов) в массе беззольного вещества активного ила (БВАИ). Прирост клеточной биомассы для бактерий Nitrosomonas составляет 0,05-0,3 г БВАИ/г N-NH₄, для Nitrobacter это значение составляет 0,02-0,08 г БВАИ/г N-NO₂. Скорости роста нитрифицирующих микроорганизмов в разы ниже, чем скорости роста гетеротрофных микроорганизмов, участвующих в процессах окисления органических соединений, что представляет одну из основных проблем эксплуатации сооружений биологической очистки, реализующих процессы нитрификации [4, с. 80-82].

На станциях биологической очистки сточных вод является основной проблемой наращивание биомассы нитрифицирующих бактерий. Сложность этой задачи заключается, прежде всего, в сложной системе активного транспорта продуктов в зону реакции, а так же отвода продуктов реакции из зоны взаимодействия.

Список литературы:

1. Гусев М. В. Микробиология: Учебник для студ. биол. специальностей вузов / М.В. Гусев, Л. А.Минеева. - 4-е изд., стер. - М.: Издательский центр «Академия», 2003. – 464 с. 
2. Звягинцев Д.Г., Бабьева И.П., Зенова Г.М.  Биология почв: Учебник. — 3-е изд., испр. и доп. — М.: Изд-во МГУ, 2005. — 445 с., илл. — (Классический университетский учебник).
3. Лысак, В.В. Л Микробиология: учеб. пособие / В. В. Лысак. – Минск: БГУ, 2007. – 426с.
4. Харькина, О. В. Эффективная эксплуатация и расчет сооружений биологической очистки сточных вод / О. В. Харькина. Волгоград: Панорама,2015. — 433, [7] с. — (Очистка сточных вод. Концепция 10 шагов).
5. М.Хейнце, П.Армоэс, Й.Ля-Кур-Янсен, Э.Арвин. Очистка сточных вод: Пер. с англ./ Хейнце М., Армоэс П., Ля-Кур-Янсен Й., Э.Арван. – М.: Мир, 2006. – 480с.
6. Традиции и инновации в строительстве и архитектуре. Строительные технологии [Электронный ресурс]: сборник статей БИОХИМИЧЕСКИЙ МЕХАНИЗМ НИТРИФИКАЦИИ Чистяков Н.Е. 238-244, Самара, 2018.
7. Чурбанова И.Н. Микробиология. – М.: Высшая школа, 1987. -241с.
8. Эллиот В., Эллиот Д., Эллиот Д. Биохимия и молекулярная биология. – Ь.: Мир, 2003.
9. Яковлев С.В., Карюхина Т.А. Биологические процессы в очистке сточных вод. – М.: Стройиздат, 1981. – 200с.