T E I Κ Α Β Α Λ Α Σ
Σ Χ Ο Λ Η Τ Ε Χ Ν Ο Α Ο Ι IKO N Ε Φ Α Ρ Μ Ο Γ Ω Ν Τ Μ Η Μ Α TEXNOAOr ΙΑ Σ Π Ε Τ Ρ Ε Λ Α ΙΟ Υ Κ Α Ι Φ Υ Σ ΙΚ Ο Υ Α Ε Ρ ΙΟ Υ
ΑΝ Α Φ Ο ΡΑ Σ Τ Ο Υ Σ Μ ΙΚ Ρ Ο Ο Ρ Γ Α Ν ΙΣ Μ Ο Υ Σ ΚΑΙ Σ Τ ΙΣ Λ ΙΕ Ρ Ι Α Σ ΙΕ Σ Α Η Ο ΙΚ Ο Λ Ο Μ Η Σ Η Σ Ο Ρ Γ Α Ν ΙΚ Ω Ν Ε Ν Ω Σ Ε Ω Ν Σ Τ Α Σ^ Σ Τ Η Μ Α Τ Α
Ε Π Ε Ξ Ε Ρ Γ Α Σ Ι Α Σ Λ Υ Μ Α Τ Ω Ν
ΛΙΠΛίΙΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣ:1Α Β 0\ Σ :0\ ΡΑ ΜΑΡΙΑ
ΕΠΙΒΛΕΨΗ: Λ. ΧΡΙΣΤΟΦΟΡΙΛΗΣ.
ΚΑΘΗΠΠ ΗΣ ΤΜΗΜΑΤΟΣ ΤΕΧΝΌΛΟΠ ΑΣ ΠΕΤΡΕΑΑΐΟ\ ΚΑΙ Φ^Σ:IKO^
ΑΕΡ10\
Κ .\ Β Λ .ν λ 2006
Η τιαρούσα δυιλωματική εργασία ατιοτελεί μια πρώτη προσέγγιση στην μελέτη των διεργασιών αποικοδόμησης των συστημάτων επεξεργασίας λυμάτων.
Καθώς δεν έχει προηγηθεί ^ ρ ό μ ο ια , στο τφώτο μέρος κρίνεται απαραίτητο να γίνει μια εισαγωγή σε βασικές έννοιες μικροβιολογίας για την κατανόηση όρων τιου συναντιόνται συχνά κατά την ανάγνωση της εργασίας. Παράλληλα γίνεται αναφορά στις φάσεις του εγκλιματισμού και της αποτοξίνωσης τιου διέτιουν την διεργασία της βιοαποικοδόμησης όττως και στην πορεία της κινητικής της .
Το δεύτερο μέρος περιλαμβάνει πέντε έρευνες στις οτιοίες αναφέρονται οι επιδράσεις των βαρέων μετάλλων, των νιτροφαινολών και ενός μίγματος οξυγονούχων πρόσθετων στις βασικές λειτουργίες των μικροοργανισμών αποικοδόμησης. Η ετηλογή των συγκεκριμένων μελετών δεν είναι τυχαία καθώς τα βαρέα μέταλλα και οι παραπάνω οργανικές ενώσεις συναντώνται ευρέως στα συστήματα επεξεργασίας λυμάτων και αποτελούν σημαντικούς παράγοντες αναστολής της αποδοτικόιητάς τους.
Τέλος στο τρίτο μέρος γίνεται μια αναφορά στην βιοδιύλιση δηλαδή στην ετιεξεργασία του πετρελαίου καθώς και στις διεργασίες αποθείωσης και απαζώτωσης που πραγματοποιούνται συνήθως με χρήση γενεηκά τροποποιημένων μικροοργανισμών.
Εκφράζω τις θερμότατες ευχαριστίες μου στον καθηγητή της σχολής Τεχνολογίας Π ετρελαίου και Φυσικού Αερίου κύριο Χριστοφορίδη για την ανάθεση του θέματος, την θεμελιώδη υποστήριξη και την ουσιαστική καθοδήγησή του για την εκπόνηση της παρούσας εργασίας.
ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ
1 Ε ισα γ ω γ ή στο υ ς μ ικ ροοργανισμ ούς απ οικοδόμ η σης 1.1 Τ αξινόμ ηση μικ ροοργανισμ ώ ν
1.Ι.Ι Βα κ τήρια 1.1.2 Αλγη 1.1.2 Μ ύκητες 1.1.4 Ιοί 1 1.5 Π ρω τόζω α 1.2 Μ εταβ ο λισμ ός 1.3 Α νάπ τυξη μ ικροοργανισμώ ν 1.4 Κ ινητική τη ς β ιοαπ οικ οδόμ ηση ς.
1.4.1 Δ ιεργασίες που σχετίζοντα ι με τη ν ανάπ τυξη.
1.5 Ε γ κ λιμ α τισ μ ός
1.5.1 Π α ράγοντες που εττηρεάζουν τον εγκλιματισμ ό 1.5.2 Ε ρμ η νείες τη ς φάσης εγκλιματισμού 1.5.2.1 Π ολλαπλασιασμός τω ν μικρώ ν π λη θυσμώ ν 1.5.2.2 Π αρουσία τοξινών
1.5.2.3 Ε π ίδ ραση τω ν πρω τόζω ω ν 1.5.2.4 Διφασική ανάπτυξη 1.6 Α π οτοξίνω ση 1.6.1 Υ δ ρ όλυ ση 1.6.2 Υ δ ρ οξυλίω ση 1.6.3 Απαλογόνω ση
1.6.4 Α πομ εθυλίω ση ή ιίλλες απαλκυλιώ σεις 1.6.5 Μ εθυλίω ση
1.6.6 Α ναγωγή του αζώτου 1.6.7 Α παμίνωση 1.6.8 Διάσπαση αιθέρα 1.6.9 Μ ετατρ οπή νιτριλίω ν σε αμίδια 1.6.10 Σύζευξη
4 6 8 10 19 24 2 5
3 8 3 9
41 42
2 Σ χ ετικ ές μ ε/^ τες με μικροοργιζνισμοΰς απ οικοδόμ ησης 2.1 Βαρ έα μ έτα λ/.α και μ ικροοργανισμοί απ οικοδόμησης
2.1.1 Επιδράσεις τω ν βαρέων μετά>>.ων στα γένη Pseudomonas Aeruginosa και Bacillus T h u rin gien is'
2. /. 1.1 Ε πιδράσεις τω ν μ ετάλλω ν στην βακτηριακή ανάτΓτυςη 2.1.1.2 Ε π ιδ ράσεις τω ν μ ετάλλω ν στην παραγω γή τω ν κ ιπ τάρ ω ν 2.1.1.3 Α πορρόφ ηση τω ν βαρέω ν μ ετάλλω ν
2.1.1.4 Απορρόφ ηση χαλκού και χρω μίου παρουσία κιτρικού οξέος 2.1.1.5 Ε τηδράσεις τω ν μ ετάλλω ν στην πρω τεϊνική σύνθεση 2.1.1.6 Ε π ιδ ράσεις τω ν μετάλλω ν στη ν αφ ομοίω ση του αμμωνίου 2 .1.1. 7 Ε ταδράσεις στη ν παραγω γή χ ρω σ τικ ής (pigm ent)
2.1.2 Ε π ιδ ράσεις του χαλκού και του ψευδάργυρου στην κινητική τω ν β α κ τη ρίω ν τ η ς ενεργή ς λάσττης
2.1.2.1 Επιδράσεις στην συγκέντρωση των M L S S , στην απόδοση μάζας και στον ρυθμό ανάτΓτυξης των μικροοργανισμών.
2.1.3 Ε π ιδ ρ ά σ εις το υ χαλκ ού και το υ καδμίου σε συνεχή αν τιδ ρα στή ρα σ υ σ τη μ ά το ς επ εξεργα σία ς απ ο β λήτω ν (S B R )
2 .1.3.1 Μ ελέτη του Ε ιδικού Ρ υθμο ύ κ ατανάλω σης οξυγόνου (S O U R ) 2.7 2.2 Δ ιεργασίες το υ ασυνεχούς αν τιδ ρα στή ρα παρουσία ή όχι ενεργού
ά ν θρακ α.
2.1.3.3 Ισό θερμ η προσρόφ ηση
2 .7 .2 . ^1 Ε π ιδ ρ ά σ εις το υ χαλκ ού και του καδμίου στην τιμ ή S O U R τω ν μικ ροοργανισμ ώ ν.
2.1.3.5 Ε π ιδ ρ ά σ εις το υ ενεργού άν θρα κ α στη ν τιμ ή S O U R τω ν μ ικροοργανισμώ ν.
2 .7 2 .6 Ε π ιδ ρ ά σ εις π αρου σία ή όχι ενεργού ά νθρακ α στην απόδοση του αν τιδ ρα στή ρα .
2 .7 .2 .7 Μ ελέτη τη ς κ ινη τικ ή ς το υ σ υ σ τή μ α τος 2 .2 Β ιο απ οικ ο δ όμ ησ η ορ γανικώ ν ενώ σεω ν
2 .2 .7 Α ερό βια βιο απ οικ οδ ό μ ηση ενός οξυγονούχου μ ίγματος ( Ε Τ Β Ε , Μ Τ Β Ε και T A M E ) σε α ν τιδ ρ α σ τή ρ α σ τα θ ερ ή ς κλίνης.
2 .2 .7 .7 Ε π ιδ ρ ά σ εις τω ν οξυγονούχω ν ενώ σεω ν στο ισοζύγιο του C O D 2.2.1.2 Δ ιαλυμένο οξυγόνο κ αι ε ^ δ ρ ά σ εις στη ν βιομάζα
2.2.1.3 Α ποικοδόμηση τω ν οξυγονούχω ν και τω ν κύριων μεταβολιτώ ν τους σε
ασυνεχείς καλ>.ιέρ'/ειες.
2.2.1 4 Σύ γκρ ιση ρυ θμ ώ ν αποικοόόμησης
2.2.2 Β ιο μ ετα τρο π ή τω ν νιτροφ αινο> ^ν σε κατακ όρυφ η ς ροής α ν τιδ ραστή ρα ενεργούς ).άσπ η ς (U A S B )
2.2.2.1 Ε π ιδ ράσεις τω ν νιτροφαινολώ ν στην λειτουργία τω ν αντιδραστήροιν κατά την φάση το υ εγκλιμα τισμ ού
2 2 . 2 . 2 Ε π ίδ ρ α σ η το υ H R T στη ν βιοαπ οικ οδόμ ηση τω ν νιτροφαινο>.ών 2.2.2.3 Χ α ρ α κ τη ρ ισ τικ ά τη ς κοκκώ δους βιομάζας.
3 Δ ιεργασίες βιοτεχνολογίας για τη ν δ ιύλιση του π ετρ ελα ίο υ ' 3.1 Β ασ ικές α ρχές για τη ν β ιοδιύλιση .
3.1.1 Γ εν ε τικ ή μηχανική 3.1.2 Μ ηχανική τω ν πρω τεϊνώ ν
3.1.3 Βιο κ α τά λυ ση σ ε μη υ δατικ ά περιβάλλοντα.
3.1.4 Ο ργανισμοί extrem op h illic 3 .2 Β ιο α π οθείω σ η κ αυσίμω ν 3 .3 Β ιο α π α ζώ τω σ η . 3 .4 Α π ομ άκρ υνση μ ετά λλω ν
3 .5 Μ ετα τρ οπ ή τω ν βα ρέω ν αργώ ν σε ελαφ ρ ύτερ α.
4 Ε π ίλο γο ς 5 Β ιβ λιογραφ ία
112 112 113
122 122 1 2 4 125
1 ΕισοΓ^θ)'/ή στο υ ς μικ ροοργανισμ ούς
1.1 Τ α ξιν όμ ησ η μικ ροοργανισμ ώ ν (1|
Ό λοι οι μικροοργανισμοί παίρνουν από το περιβάλ>.ον τα υλικά που χρειάζονται για την σύνθεση νέου κυτταρικού υλικού καθώς και την ενέργεια που απαιτείται για την συντήρηση ή7και τυχόν κίνησή τους.
Μια πρώτη βασική ταξινόμησή τους μπορεί να γίνει έχοντας σαν κριτήριο το κατά πόσο οι μικροοργανισμοί καταναλώνουν οργανικό άνθρακα από το περιβάλλον ή όχι. Οι αυτοτροφικοί μικροοργανισμοί έχουν την ικανότητα να τον λαμβάνουν από το διοξείδιο του άνθρακα, κάνοντας χρήση του ηλιακού φωτός (φω τοσι^θετικοί αυτοτροφικοί μικροοργανισμοί) είτε οξειδοαναγωγικών αντιδράσεων ανόργανων ενώσεων (χημικοσυνθετικοί αυτοτροφικοί μικροοργανισμοί). Από την άλλη μεριά, οι ετεροτροφικοί μικροοργανισμοί χρειάζονται έτοιμο οργανικό άνθρακα από το περιβάλλον ο οποίος μέσω οξειδοαναγωγικών αντιδράσεων μετατρέπεται σε πολύτιμη ενέργεια (χημικοσυνθετικοί ετεροτροφικοί μικροοργανισμοί).
Έ ν α ς άλλος τρόπος ταξινομήσεω ς των οργανισμών σχετίζεται με το κατά πόσο χρησιμοποιούν ελεύ θερο διαλυμένο οξυγόνο κατά τις βιολογικές αντιδράσεις.
Έ τσ ι, διακρίνονται σ ε αερόβιους (επιζούν μόνο παρουσία οξυγόνου), αναερόβιους (επιζούν σ ε συνθήκες έλλειψης οξυγόνου) και επαμφοτερίζοντες (επιζούν παρουσία ή όχι οξυγόνου).
1.1.1 Β α κ τή ρ ια
Τα βακτήρια είναι μονοκύτταροι οργανισμοί οι οποίοι κατσναλίσκουν διαλυμένη τροφή και αναπαράγονται, κατά κανόνα, με διχοτόμηση. Αποτελούνται κατά 8 0 % περίπου από νερό και 2 0 % στερεά ύ λη, το 9 0 % της οποίας είναι οργανική.
Κύρια συστατικά της οργανικής ύλης είναι ο άνθρακας, το υδρογόνο, το οξυγόνο και το άζωτο, σε αναλογίες που μπορούν να ποικίλουν, αλλά συνήθως ακολουθούν τον γενικό τύπο C5H7O2N. Στα συστατικά της ανόργανης ύλης περιλαμβάνονται στοιχεία όπως φώσφορος, θείο, νάτριο, ασβέστιο, μαγνήσιο, κάλιο και σίδηρος.
To σχήμα όσο και το μέ’/'εθος των βακτηριδίων ποικίλη αλλωι συνήθως είναι σφαιρικά, κυλινδρικά ή ελικοειδή, με μεγέθη που κυμαίνονται ατιό 0 ,5 -5 μιη.
Το βακτηριδιακό κύτταρο έχει π ολλές ομοιότητες με τα κύτταρα των υπόλοιπων μικροοργανισμών. Όπως φαίνεται και στο σχήμα 1 αποτελείται από;
1. την κάψα που είναι ένα ζελατινώδες περίβλημα από πολυσακχαρίτες, 2. την περικυτταρική μεμβράνη που ατιοτελεί το βασικό σύστημα του
κυττάρου συνίσταται από πολυσακχαρίτες και πολυμερή πρωτεΐνες και εμπ οδίζη την διέλευση μεγάλων μορίων στο κύτταρο, 3. την κυτταρική μεμβράνη που ατιοτελείται από δυο στοιβάδες
πρωτεϊνών ανάμεσα στις οποίες βρίσκεται μια στιβάδα από λιπίδια, 4. το κυτταρόπλασμα που είναι η κύρια μάζα του κυττάρου και
αποτελείται από ένα κολλοειδές αιώρημα υδατανθράκων, πρωτεϊνών και άλλων πολύπλοκων οργανικών ενώσεων. Π εριέχη μεγάλο αριθμό ριβοσωμάτων too χρησιμεύουν στην σύνθεση των πρωτεϊνών,
5. από τον τιυρήνα που περιβάλλει το D N A που π εριέχη όλες τις πληροφορίες που είναι απαραίτητες για τις λη τουργίες του κυττάρου,
6. το μαστίγιο, όργανο υπεύθυνο για την κίνηση του βακτηρίου.
Κάψα
Περιοχή του πυρήνα Περικυτχαρική μ,εμβράνη Κυτταρική μεμβράνη
Κ υτισρ όπλασμα
Σ χ ήμ α 1. Βακτηριακό κύτταρο.
1.1.2 Α λγη
Τα άλγη (ή φύκη) είναι μονοιαίτταροι ή πολυκύτταροι φωτοσυτ-θετικοί μικροοργανισμοί που χρησιμοτιοιούν για την σύνθεσή τους CCh, ΝΗ3 και ΡΟ4'·. Μια ειδική κατηγορία αλγών, τα κυανοφύκη, έχουν την ικανότητα να χρησιμοτιοιούν το ατμοσφαιρικό άζωτο για την σύνθεσή τους.
1.1.3 Μ ύκη τες
Οι μύκητες είναι πολυκύτταροι, ετερότροφοι και κατά κανόνα αερόβιοι μικροοργανισμοί, τιου μπορούν να επιζήσουν σε περιβάλλοντα με χαμηλά επίπεδα υγρασίας και ρΗ. Εττικρατούν δε, σε εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων ενώ η νηματοειδής μορφή τους δημιουργεί προβλήματα στις δεξαμενές καθίζησης της ιλύος.
1.1.4 Ιοί
Οι ιοί είναι οργανισμός πολύ μικρού μεγέθους (~ 0,3 μιπ), που δρούν μόνο παρασιτικά σε άλλα κύτταρα απ’ τα οποία λαμβάνουν τα απαραίτητα στοιχεία για την αναπαραγωγή τους και είναι υπεύθυνοι για πολλές ασθένειες. Λόγω του μικρού τους μεγέθους είναι δύσκολο να απομακρυνθούν απ’ τα συστήματα που περιέχονται ενώ παρουσιάζουν μεγαλύτερη ανθεκτικότητα στις συνηθισμένες μεθόδους απολύμανσης απ’ ότι τα παθογενή βακτηρίδια.
1.1.5 Π ρω τόζω α
Τα πρωτόζωα θεωρούνται ζωικοί οργανισμοί (σε αντίθεση με τους παραπάνω που χαρακτηρίζονται σαν φυτικοί) με μεγέθη που κυμαίνονται από 1 0 -1 0 0 μιη. Είναι
συνήθως μονοκυτταρικοί, ετεροτροφικοί, αερόβιοι μικροοργσνασμοί που έχoυ^' ττμ' δυνατότητα να τρέφονται με βακτήρια και άλγη.
1.2 Μ ετα β ο λισμ ός
Ω ς μεταβολισμός ορίζεται το σύνολο των μεταβολών ύλης και ενέργειας που πραγματοποιούνται κατά την δόμηση ή την ατιοδόμηση της κυτταρικής ύλης. Οι διεργασίες με τις οποίες ετητελείται ο μεταβολισμός είναι τιολύπλοκες και τιοικίλουν ανάλογα με το είδος των μικροοργανισμών και της διαθέσιμης τροφής.
Σημαντικό ρόλο στην πραγματοποίηση των αντιδράσεων αυτών έχουν ειδικοί οργανικοί καταλύτες, τα ένζυμα. Τα ένζυμα είναι σύνθετες πρωτεΐνες που αποτελούνται από 3 μέρη: α) το αποένζυμο, β) το συνένζυμο και γ) το μεταλλικό ενεργοποιητή. Τ ο ατιοένζυμο καθορίζει την θέση της χημικής αντίδρασης και σε αυτό οφείλεται η αυστηρά εξειδικευμένη δράση των ενζύμων. Τ ο συνένζυμο είναι υπεύθυνο για το είδος της χημικής αντίδρασης (η τριφωσφορική αδενοσίνη-Α ΤΡ- είναι ένα συνένζυμο που ελέγχει την ροή της ενέργειας κατά τον μεταβολισμό). Ο μεταλλικός ενεργοποιητής είναι ένα μεταλλικό κατιόν το οποίο με μια ηλεκτροστατική διαδικασία τοποθετεί σε κατάλληλη σειρά τα ένζυμα και την διαθέσιμη τροφή ώστε να μπορούν να πραγματοποιηθούν οι χημικές αντιδράσεις.
Τα ένζυμα χωρίζονται σε δυο βασικές κατηγορίες. Στην πρώτη ανήκουν εκείνα που παρεμβαίνουν σ ε υδρολυτικές διαδικασίες και είναι εξωκυτταρικά (δρούν στην εξωτερική επιφάνεια των κυττάρων) ενώ στην δεύτερη τα ένζυμα που παίρνουν μέρος στις οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις και είναι εσωκυτταρικά (γνωστά ως δεσμολάσες). Τα βακτήρια των λυμάτων έχουν την ικανότητα να παράγουν μια μεγάλη ποικιλία ενζύμων για την επίτευξη όλων των απαραίτητων αντιδράσεων.
Σημαντική επίδραση στα ένζυμα έχουν παράγοντες όπως το ρΗ και η θερμοκρασία.
Οι βέλτιστες τιμές του ρΗ είναι μεταξύ 6 ,5 και 7,5 ενώ αύξηση της θερμοκρασίας (εντός κάποιων ορίων) αυξάνει την ταχύτητα των ενζυμικών αντιδράσεων.
Οι μικροοργανισμοί απαιτούν ενέργεια για την σύνθεση και συντήρησή τους, την οποία μπορούν να προσλάβουν είτε με χημικοσυνθεπκές είτε με φωτοσυνθετικές αντιδράσεις. Η ενέργεια που απελευθερώ νεται από τις αντιδράσεις αυτές
συγκρατείται και αποθηκεύεται από το συνένζυμο ΑΤΡ. Η ενέργεια αυτή καταναλώνεται για τις ανάγκες του κυττάρου (σύνθεση, συντήρηση, κίνηση) οπότε η ΑΤΡ μετατρέπεται σε διφωσφορική αδενοσίνη (A D P) που χαρακτηρίζεται από ενεργειακά χαμηλότερους δεσμούς. Μ ε την αποθήκευση νέας ενέργειας η ADP μετατρέπεται πάλι σ ε Α Τ Ρ.
Σ ε περίπτωση που το περιβάλλον αδυνατεί να παρέχει στους μικροοργανισμούς την ατιαιτούμενη ενέργεια, αναγκάζονται να οξειδώνουν το ίδιο το πρωτόπλασμά τους με αποτέλεσμα να παρατηρείται μείωση της μάζας τους. Η διαδικασία αυτή ονομάζεται ενδογενής αναπνοή.
Οι ενζυμικές αντιδράσεις του μεταβολισμού είναι παλύτιλοκες και πολυβάθμιες. Σ ε γενικές γραμμές μτιορεί να θεω ρηθεί ότι αποτελείται από δυο κατηγορίες βιοχημικών αντιδράσεων: αντιδράσεις για πρόσληψη ενέργειας και αντιδράσεις για σύνθεση πρωτοτιλάσματος. Οι ετεροτροφικοί χημικοσυνθετικοί μικροοργανισμοί ακολουθούν αυτή την πορεία όπου κατά τις εm τελoύμεvες οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις μεταφέρεται οξυγόνο από τις οξειδόμενες στις αναγόμενες ενώσεις
Στον μεταβολισμό των αερόβιων μικροοργανισμών τελικός αποδέκτης του υδρογόνου είναι το οξυγόνο και η αντίδραση τκριγράφεται ως εξής:
Οργανική ύλη + 0 2 _ JSH2L ^ C O2 + ΗζΟ
Στον μεταβολισμό των αναερόβιων μικροοργανισμών τελικός αποδέκτης του υδρογόνου είναι διάφορες οργανικές ενώσεις, νιτρικά, θειικά ή το διοξείδιο του άνθρακα.
Οργανική ύλη — CH4 + CO2
Οι αυτοτροφικοί φωτοσυνθετικοί μικροοργανισμοί (κυρίως τα άλγη) λαμβάνουν ενέργεια από το ηλικακό φως και συνθέτουν πρωτότιλασμα από διάιρορες ανόργανες ενώσεις (ΝΗ3, Ρ θ4'^, CO2)-
N Hj + Ρ θ4'^ + C02 — ^ ^ Πρωτόπλασμα + Ο2
Τέλος ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζουν για την Υγειονομική Τεχνο>Λγία δυο κατηγορίες αυτοτροφικών χημικοσυνθετικιίιν μικροοργανισμών, η νιτροσομονάδα και το νιτροβακτηρίδιο, που οξειδώνουν την αμμωνία (αντίδραση νιτροποίησης).
ΝΗ3 + Ο2 — — > Ν θ2- + ί Γ + Η2θ -
1.3 ΑνάτΓτυξη μικ ροοργανισμ ώ ν
Η αναπαραγοιγή των βακτηριδίων γίνεται με διχοτόμηση που μπορεί να διαρκεί από μερικά λεπτά μέχρι μερικές μέρες. Πρέτιει να τονιστεί ότι η ταχύτητα αναπαραγωγής ενός π ληθυσμού μικροοργανισμών εξαρτάται άμεσα από περιβαλλοντικούς παράγοντες και συνήθως από την ποσότητα της διαθέσιμης τροφής.
Για μια δεδομένη αρχική συγκέντρωση τροφής (Fo) και μικροοργανισμών (Χο) η μεταβολή της συγκέντρω σης των μικροοργανισμών φαίνεται στο σχήμα 2 ότιου διακρίνονται οι εξή ς φάσεις:
1. Φάση υστέρησης: εδώ δεν παρατηρείται σημαντική αύξηση του τιληθυσμού των μικροοργανισμών καθώς οι τελευταίοι εγκλιματίζονται στο περιβάλλον τους. Στις εγκαταστάσεις βιολογικού καθαρισμού η φάση αυτή δεν παρατηρείται συνήθως.
2 . Φάση λογαριθμικής ανάπτυξης: λόγω της άφθονης τροφής η ταχύτητα αύξησης των μικροοργανισμών καθορίζεται ατιό τον χρόνο αναπαραγωγής τους.
3. Φάση μειωμένης ανάπτυξης: στην φάση αυτή η ταχύτητα αύξησης των μικροοργανισμών επιβραδύνεται συνεχώς λόγω της μείωσης της τροφής.
4. Φάση στασιμότητας: η υπάρχουσα τροφή απλά επαρκεί για την συντήρηση του πληθυσμού των μικροοργανισμών σε ένα σταθερό ετήπεδο.
5. Ενδογενής φάση: η ενδογενής αναπνοή (που παρατηρείται σ ε όλες τις φάσεις) γίνεται πλέον καθοριστική. Οι μικροοργανισμοί χρησιμοποιούν το πρωτότιλασμά τους για την λήψη τηα απαραίτητης ενέργειας, ενώ παράλληλα χρησιμοποιούν και το πρωτόπλασμα των νεκρών κυττάρων που έχουν υποστεί λύση. Η αυτοοξείδωση των μικροοργανισμών θεωρητικά μπορεί να συνεχιστεί έως ότου εξαλειφθούν όλα τα κύτταρα. Στην πραγματικότητα έχει παρατηρηθεί ότι δημιουργείται στη φάση αυτή οργανική κυτταρική όλη, η οποία αποτελείται από συστατικά που δεν βιοδιασπώνται οπότε και συσσω ρεύεται. Τελευταία, έχει αναφερθεί ότι είναι εφικτή η ολική αυτοοξείδωση των μικροοργανισμών με την δημιουργία κατάλληλω ν συνθηκών τιου υπ οβοηθούν την διάσπαση της συσσω ρευμένης κυτταρικής ύλης.
1.4 Κ ινητική τη ς β ιοαπ οικ οδόμ ηση ς |2J
Ω ς γνωστόν σε μια αντίδραση μας ενδιαφέρει η κινητική της από την οποία μπορούμε να αποκομίσουμε χρήσιμα στοιχεία για την πορεία της. Έ τ σ ι και στην περίπτωση της βιοαποικοδόμησης είναι σημαντικό να γνωρίζουμε την κινητική που ακόλουθες από την οποία μπορούμε να εκτιμήσουμε την ανθεκτικότητα των οργανικών μολυντών αλλά και να καθορίσουμε την έκθεση των ανώτερων οργανισμών σε αυτούς.
Κατά την πορεία της αντίδρασης, η ποσότητα του χημικού που σταδιακά ελαττώνεται με τον χρόνο και κατ’ επέκταση η μορφή της καμπύλης που περιγράφει αυτή την κατάσταση, εξαρτάται από το είδος της ένω σης, την συγκέντρωσή της, τους μικροοργανισμούς που μετέχουν και από μια σωρεία περιβαλλοντικών παραγόντων.
Οι πληροφορίες που προκύπτουν από την κινητική της αντίδρασης είναι σημαντικές διότι ανά πάσα στιγμή είναι γνωστή η συγκέντρωση της χημικής ένωσης που απομένει (ενώσεις που είναι ετηβλαβείς τόσο για τους ανώτερους οργανισμούς όσο και το ίδιο το τιεριβάλλον) και ετητρέπουν την πρόβλεψη των σταδίισν που θα ακολουθήσουν σε κάποιο μελλοντικό χρόνο.
Η μελέτη της κινητικής έχει εστιαστεί σε δυο τμήματα. Το πρώτο περιλαμβάνει τον καθορισμό των παραγόντων εκείνων που επιδρούν στην χημική ένωση που σταδιακά αποικοδομείται. Έ τ σ ς υπάρχουν διαθέσιμες πληρος>ορίες σχετικά με την επίδραση της θερμοκρασίας, του ρΗ , της υγρασίας του εδάφους και άλλων πηγών άνθρακα που χρησιμοποιούνται κατά τα στάδια του μετασχηματισμού.
Το δεύτερο καθορίζει τις μορφές των καμπύλών που περιγράφουν την αποικοδόμηση και εκτιμά ποιος τύπος αποικοδόμησης αντιπροσωτιεύει καλύτερα τον μεταβολισμό της δοθείσας χημικής ένωσης σε μια μικροβιακή καλλιέργεια σε εργαστηριακή κλίμακα ή ενίοτε στον χώρο.
Σ ε π ολλές περιπτώσεις οι πληροφορίες της κινητικής προέρχονται μόνο από εκτιμήσεις της ελάττω σης του αρχικού μορίου. Η παρατιάνω κατάσταση συμβαίνει σε τοξικές χημικές ενώσεις των οποίων οι ανασταλτικές επιδράσεις καταστρέφονται τελείως κατά την πρώτη αντίδραση των ενζύμων ή όταν κατά τα μεταβολικά στάδια, τα ενδιάμεσα προϊόντα που προκύπτουν δεν συσσω ρεύονται. Σε άλλες περιπτώσεις η
γνώση προέρχεται από δοκιμές κατά την τελική διάσπαση της χημικής ένωσης σε εργαστηριακή κλίμακα καθώς στην φύση δεν υπάρχουν αρκετές πληροφορίες για τηΐ' δημιουργία συσσωματωμάτων από μετασχηματισμένες ενώσεις (η τελική διάστιαση επηρεάζα την αποτοξίνωση αν και ο τρόπος της εξάλειψης της τοξικότητας από το φυσικό περιβάλλον μπορεί να διαφέρει σημαντικά από τον τρόπο με τον οποω μετατρέπονται τα οργανικά μόρια σε ανόργανα προϊόντα).
Π ολλά μοντέλα έχουν προταθεί για την τιεριγραφή της κινητικής της βιοαποικοδόμησης. Για να γνωρίζουμε το πότε πρέπει να χρησιμοποιούνται αλλά και το λόγο για τον οποίο μπορεί να μην είναι ικανά να περιγράφουν μια κατάσταση, απαιτείται γνώση σχετικά με την θεωρητική βάση αυτών των μοντέλων. Πάντως τα ευρέως χρησιμοποιούμενα στηρίζονται σε εμπειρικές ή θεωρητικές εκτιμήσεις.
Η μελέτη της κινητικής της βιοαποικοδόμησης σε ιρυσικά περιβάλλοντα είναι συνήθως εμπειρική, περιγράφοντας τα στοιχειώ δη στάδια της γνώσης σχετικά με τον μικροβιακό τιληθυσμό και της δραστηριότητάς τους σε αυτά τα περιβάλλοντα.
Παράδειγμα εμπειρικής προσέγγισης είναι το μοντέλο του εκθετικού ρυθμού;
όπου C είναι η συγκέντρωση του υποστρώματος, t είναι ο χρόνος, k είναι η σταθερά της χημικής ελάττω σης και η είναι μια σταθερά.
Α υτό το μοντέλο μπορεί να περιγράφει τις καμπύλες υποστρώματος και ελάττωσης της συγκέντρωσης της χημικής ένωσης με κατάλληλη προσαρμογή των παραμέτρων k και η έτσι ώστε να επιτευχθεί η καλύτερη προσέγγιση.
Από την παραπάνω εξίσω ση είναι φανερό ότι ο ρυθμός είναι ανάλογος του εκθέτη της συγκέντρω σης του υποστρώματος. Ο κανόνας του εκθετικού ρυθμού παρέχει μια βάση σύγκρισης διαφορετικών καμπύλών, αλλά δεν δίνει πληροφορίες σχετικά με τους λόγους για τους οποίους έχουμε αυτά τα αποτελέσματα. Έ τσ ι, δεν έχει συχνά ικανότητα πρόβλεψης. Αξίζει να αναφερθεί ότι οι ερευνητές που μελετούν τις κινητικές των αντιδράσεων βιοαποικοδόμησης δεν δηλώνουν πάντα αν το μοντέλο που χρησιμοποιούν έχει θεωρητική βάση ή είναι απλά εμπειρικό, όπως και αν οι
σταθερές της εξίσω σης που χρησιμοποιούν έχουν φυσική σημασία ή ατιοτε/Λύν μόνο προσεγγιστικούς παραμέτρους.
Ο πιο σω στός τρόπος για την μελέτη της κινητικής της βιοαποικοδόμησης είναι η χρήση μιας ομογενούς καλλιέργειας ενός μεμονωμένου τιληθυσμού βακτηρίων που αναπτυσσόμενο διασπά μια και μόνο διαλυτή οργανική χημική ουσία και να θεωρηθεί ότι δεν παρεμποδίζεται τίποτα μεταξύ κυττάρου και υτιοστρώματος.
1.4.1 Δ ιεργασίες που σχετίζοντα ι με τη ν ανάπτυξη.
Η βιοαποικοδόμηση μιας συγκεκριμένης οργανικής έναισης μπορεί να πραγματοποιηθεί με μικροοργανισμούς που:
1. αναπτύσσονται καταναλώνοντας το υττόστρωμα (χρησιμοποιώντας το ως πηγή άνθρακα και/ ή ενέργειας) ή πιθανά ένα άλλο θρεπτικό στοιχείο,
2. αναπτύσσονται καταναλώνοντας ένα άλλο οργανικό θρεπτικό συστατικό που χρησιμοποιείται ως πηγή άνθρακα, ενέργειας ή και των δυο αλλά μεταβολίζει το υπόστρωμα χωρίς να το χρησιμοποιεί για να δημιουργήσει δομικά σύμπλοκα για κυτταρική σύνθεση 3. δεν αναπτύσσονται καθώς μεταβολίζουν την χημική ένωση.
Ας σκεφτούμε την περίπτωση ενός π ληθυσμού κυττάρων ενός είδους βακτηρίων που χρησιμοποιεί μια συγκεκριμένη οργανική ένωση ως πηγή άνθρακα και ενέργειας. Για να απλουστεύσουμε την περίπτωση ας υ ποθέσουμε ότι το οργανικό μόριο είναι υδατοδιαλυτό και μη τοξικό, ότι οι οργανισμοί ανατιτύσσονται σε καλώς αεριζόμενο περιβάλλον, τα ανόργανα θρεπτικά συστατικά υπάρχουν σε κ ορεσμό και επικρατούν βέλτιστοι παράγοντες ανάπτυξης. Γ ια μικρές συγκεντρώσεις του οργανικού μορίου, ο ρυθμός ανάτιτυξης των μικροοργανισμών είναι αργός διότι περιορίζεται από το μικρό εττίπεδο του υποστρώματος. Αν οι οργανισμοί εμβολιαστούν σε φλάσκες που περιέχουν μεγαλύτερες συγκεντρώσεις της οργανικής ένωσης, ο ρυθμός ανάπτυξης θα είναι ανάλογος της αύξησης της συγκέντρωσης.
Όμως για πολύ υψηλές συγκεντρώσεις υποστρώματος, ο ρυθμός ανάτττυξης δεν παρουσιάζει τό σο μεγάλη αύξηση ενώ φτάνει σε κάποιο σημείο όπου παραμένει
σταθερός με περαιτέρο3 προσθήκη της οργανικής ένωσης. Ο Monod εξέφρασε με μια μαθηματική εξίσω ση την παραπάνω σχέση;
: (2)
όπου μ είναι ο ειδικός ρυθμός ανάπτυξης των βακτηρίων, μ^ίχ είναι ο μέγιστος ειδικός ρυθμός ανάτιτυξης (υφίσταται όταν έχουμε την υψηλότερη συγκέντρωση υποστρώματος), S είναι η συγκέντρωση του υποστρώματος και Ks είναι μια σταθερά αντιπροσωτιευτική της συγκέντρωσης του υποστρώματος για την οτιοία ο ρυθμός ανάτττυξης είναι ο μισός του μέγιστου ρυθμού.
Η εξίσω ση M onod περιγράφεται γραφικώς με την υπερβολική καμπύλη του σχήματος 3. Η τιμή της σταθεράς Κ , φανερώνει την συσχέτιση που έχει ο μικροοργανισμός με τα οργανικά συσταπκά που είναι απαραίτητα για την ανάπτυξή του' όσο μικρότερη είναι η τιμή της τόσο μεγαλύτερη είναι η έλξη του βακτηρίου για το οργανικό μόριο.
Για ένα μεμονω μένο βακτήριο η τιμή αυτή μπορεί να διαφέρει ανάλογα με το υπόστρωμα αλλά και από τη συγκέντρωσή του, ενώ για ένα μεμονωμένο υπόστρωμα η τιμή μπορεί να εξαρτηθεί από το βακτήριο. Κάποιες ενδεικτικές τιμές της σταθεράς Kj παρουσιάζονται στον πίνακα 1. Από τα στοιχεία αυτά εύκολα μπορεί να διατηστώσει κάποιος ότι δεν υπάρχει ένας γενικός κανόνας καθώς οι τιμές της σταθεράς Ks κυμαίνονται σε ένα μεγάλο εύρος. Ω στό σο, βακτήρια που υπάρχουν σε περιβάλλοντα πλούσια σ ε θρεττπκά συστατικά κατέχουν υψηλότερες τιμές από ότι σε περιβάλλοντα με χαμηλότερα ετιίπεδα οργανικών συστατικών.
Σ χ ή μ α 3 . Σχέση μεταξύ του ρυθμού ανάπτυξης ενός βακτηρίου και της συγκέντρωσης μιας πηγής άνθρακα που υποστηρίζει την ανάπτυξη.
Ακόμα, μπορεί ένα μεμονωμένο υπόστρωμα να παρουσιάζει δυο διαιρορετικές τιμές Ks, μια για την ομοιογενή καλλιέργεια και μια για την μικροβιακή αποικία. Σ ε αυτή την τιερίπτωση η τιμή του Ks της ομοιογενούς καλλιέργειας μπορεί να είναι σχετικά μικρή (ισχυρή έλξη ), λιγότερο από 20pg/lt, ενώ για την μικροβιακή αποικία μπορεί να είναι σχετικά υψηλή (μικρή έλξη ) και να κυμαίνεται από 1 έως και τιάνω από 10 μg/lt. Τέτοια φαινόμενα έχουν σημειω θεί κατά την ατκηκοδόμηση των φαινολών από μικροοργανισμούς σε νερά λίμνης και της 4-χλΛ)ροφαινόλης και γλυκόζης σε νερά ποταμών.
Πίνακας 1. Τιμές του Ks για βακτήρια και για δείγματα νερού.
Ο ργανισμός ή δείγμ α
Τ ιμ ή Κ , (m g/lt) Α ναφορά Γλυκόζη
Flavobacterium 1 Van der Kooij -
Hijnen (1 9 8 1 ) Flavobacterium 2 Ishida e ta l.(1 9 8 2 )
Ύ δ α τα ποταμού Larson (1 9 8 2 )
Ξυλόζη Russell - Bladwin
(1 9 7 9 ) Bartholom ew - Pfaender (1 9 8 3 )
Χ λω ροβενζόλιο Bartholomew -
Pfaender (1 9 8 3 ) Bartholomew - Pfaender (1 9 8 3 )
Φαινόλη Rozich a ta l. (1 9 8 5 )
Σ ε μερικές περιπτώσεις η κινητική M onod μπορεί να μην είναι ικανή να περιγράψει την ανάτττυξη των βακτηρίων σε διαλυτά υποστρώματα ομοιογενών καλλιεργειών (αν και αυτές οι περυττώσεις δεν είναι ευρέως γνωστές και θεωρούνται μηδαμινές) όπως και για υποστρώματα που έχουν την τάση να απορροφώντας να είναι αδιάλυτα ή τοξικά.
Οταν μια ομοιογενής καλλιέργεια βακτηρίων ανατττύσσεται σε ένα μέσο που περιέχει πηγή άνθρακα σε συγκεντρώσεις πολύ μεγαλύτερες της τιμής του Κ „ η ανάπτυξη εξελίσσεται χωρίς να επηρεάζεται από το υπόστρωμα (που σε όλη αυτή τη διάρκεια έχει υποστεί μείω ση). Γ ι ’ αυτό το λόγο ο ρυθμός της αποικοδόμησης του υποστρώματος δεν ετιηρεάζεται σημαντικά από τη συγκέντρωσή του παρά μόνο όταν αυτό θα έχει εξαφανιστεί πλήρως. Κατά την διάρκεια αυτής της περιόδου (όταν η
πηγή άνθρακα και πιθανώς άλλα θρεπτικά συστατικά είναι σε περίσσεια), ο χρόνος που απαιτείται για την διαίρεση του κυττάρου, είναι σταθερός. Έ τ σ ι, για τα κύτταρα που πολλαπλασιάζονται με δυαδική διάσπαση, η ττυκνότητα του πληθυσμού αυξάνεται με γεωμετρική πρόοδο με σταθερό χρόνο μεταξύ κάθε διάσπασης (στην περίπτωση που έχουμε απεριόριστη ποσότητα θρεπτικών συστατικών). Η σχέση μπορεί να εκφραστεί με την τιαρακάτω μαθηματική εξίσω ση;
όπου No είναι ο αρχικός κυτταρικός αριθμός και Ν είναι ο αριθμός των κυττάρων μετά ατιό η διασπάσεις. Αυτή είναι μια ατιλή εκθετική (λογαριθμική) πρόοδος που μπορεί να εκφραστεί ως
Ή σε logio
b # - l n / / o = f a (4 )
l o g A f-lo g A o = Α // 2 ,3 0 3 (5 )
όπου t είναι ο χρόνος και k είναι η ειδική σταθερά του ρυθμού ανάπτυξης. Μ ε μια μετατροπή της σχέσης έχουμε
log A = λ / / 2 ,3 0 3 + log Λ^ο (6)
όπου το διάγραμμα του logN συναρτήσει του χρόνου είναι μια ευθεία γραμμή με κλίση k t/2 ,3 0 3 . Έ τ σ ι προκύπτει ό η κατά την εκθετική φάση της βακτηριακής ανάπτυξης, ο αριθμός των κυττάρων είναι ανάλογος του χρόνου.
Α ν θεω ρηθεί ότι κάθε κύτταρο μεταβολίζει το ίδιο ποσό οργανικού υποστρώματος σε αυτή την περίοδο, θα πρέπει ο λογάριθμος του ττοσού του υποστρώματος που μεταβολίζεται (ή το ποσό του άνθρακα που ανακτάται στα κύτταρα μαζί με όλα τα προϊόντα ) να είναι ανάλογος του χρόνου. Στο σχήμα 4
παριστάνεται η λογαριθμική ανάπτυξη. Αρχικά παρατηρείται μια μικρή κατανάλαοση του χημικού λόγω της μικρής κυτταρικής πυκνότητας, αΏΛ καθώς η μάζα των κυττάρων αυξάνεται και διπλασιάζεται εκθετικά, παρατηρείται μια γρηγορότερη κατανάλωση της χημικής ένωσης. Αξίζει να σημειω θεί ότι ο διπλασιασμός του πληθυσμού μπορεί να συμβεί με μικρή ή καθόλ«.ου μείωση της πηγής του άνθρακα, ενώ η μεγαλύτερη ελάττω ση του υποστρώματος μτιορεί να συμβεί κατά τον τελευταίο διπλασιασμό του τιληθυσμού. Οι λογαριθμικές κινητικές της ελάττω σης του υποστρώματος μπορούν να εκφραστούν με διαφορετικούς τρόπους
και με ολοκλήρω ση
ά 8 / ώ = μ ^ ( 8 , + Χ ^ - 8 ) (7)
5 = 5 ο + Χ ο [ ΐ - ε χ ρ ( ά ™ ,θ ] (8)
όπου So είναι η αρχική συγκέντρωση του υποστρώματος, S η συγκέντρωση του υποστρώματος και Χο το ποσό του υποστρώματος που απαιτείται για την παραγωγή του αρχικού τιληθυσμού. Οι συνθήκες για εκθετική κινητική ικανοποιούνται όταν ένας μεμονωμένος πληθυσμός βακτηρίων πολλαπλασιάζεται και η τιμή του So είναι κατά πολύ μεγαλύτερη από αυτή του Ks ( S o » K s ). Από μελέτες που έχουν γίνει φαίνεται ότι η αποικοδόμηση του βενζοϊκού οξέος από καλλιέργειες του γένους Pseudomonas sp. και η αποικοδόμηση του φυτοφαρμάκου 2,4 -D (πλήρης μετατροπή σε CO2) ακολουθούν λογαριθμικές κινητικές.
Στην περίπτωση που οι αρχικές συγκεντρώσεις των υποστρωμάτων είναι κατά πολύ μικρότερες της τιμής του K s ( S o « K s ) , οι κινηπκές της ανάπτυξης παρουσιάζουν διαφοροποίηση. Όπως φαίνεται και στο σχήμα 3 , σε προοδευτικά μικρότερες συγκεντρώσεις υποστρώματος μειώνεται και ο ρυθμός ανάπτυξης. Έ τσ ι, όταν το βακτήριο Escherichia coli πολλαπλασιάζεται σε ένα μέσο που π εριέχη μικρή ποσότητα γλυκόζης, ο ρυθμός ανάπτυξής του θα είναι ανάλογος της συγκέντρωσης του ανθρακικού υποστρώματος. Όταν δε η καλλιέργεια πολλαπλασιάζεται σε ένα μέσο με πολύ χαμηλά επίπεδα γλυκόζης, τα κύτταρα συνεχίζουν μεν να αυξάνονται
σε αριθμό, αλλά λόγω της προοδευτικής μείο^σης της συγκέντρωσης του υποστρώματος παρατηρείται ένας τηο αργός ρυθμός ανάτιτυξης, που έχει ως συνέπεια την αύξηση του χρόνου που απαιτείται για το διτιλασιασμό.
Σ ε σύγκριση με την λογαριθμική φάση, όπου ο χρόνος διπλασιασμού παραμένει σταθερός, η ανάπτυξη σε υποστρώματα που οι συγκεντρώσεις τους είναι μικρότερες της τιμής του Ks χαρακτηρίζονται από πολύ μεγαλύτερους χρόνους διπλασιασμού ακόμα και αν ο αριθμός των κυττάρων αυξάνεται. Η παραπάνω κατάσταση είναι γνωστή ως ανάπτυξη τροφοδοσίας (logistic), και η κινητική της είναι όμοια με την κινητική που ακολουθεί η ελάττω ση του υτιοστρώματος στην περίπτωση που κάθε κύτταρο μεταβολίζει το ίδιο ποσό ττηγής άνθρακα.
Η καμπύλη της ανάτττυξης τροφοδοσίας έχει σιγμοειδής μορφή και είναι συμμετρική ως προς το σημείο της κλίσης (σχήμα 4 ). Η κινητική που αναφέρεται στην τροφοδοσία μπορεί να περιγραφεί με διάφορους τύπους όπως;
dS= d S '( 5 „ + X o - 5 ') (9 )
ή με ολοκλήρω ση της παρατιάνω σχέσης:
S = --- . (10) 1 + (jr„ ^ ) 6χρ[λ(5·ο + )/]
όπου k=pmax/Ks [1 5 ]. Έ χ ε ι ακόμα αναφερθεί ότι η αποικοδόμηση 2 μg φαινόλης κ με 7pg/lt 4-νατροφαινόλης σε ύδατα λίμνης ακολουθεί την τιαραπάνω κινητική.
Σ χ ήμ α 4. Καμττύλες μείωσης χημικών τιου μεταβολίζσνται ακολουθώντας διαφορετικές κινητικές [1 5 ].
Όταν η ανάτττυξη των βακτηρίων ακολουθεί την κινητική της τροφοδοσίας, η καμτιύλη του χρόνου για τον οποίο η πυκνότητα αυξάνεται από 10 σε 9 0 % της μέγιστης πυκνότητας του πληθυσμού, μπορεί να εκφραστεί με μια ευθεία γραμμή.
Γ ι’ αυτό όταν η αρχική συγκέντρωση του υποστρώματος είναι μικρότερη της τιμής του Ks ( S o « K s ) και υπάρχουν λίγα κύτταρα που μπορούν να χρησιμοποιήσουν το συγκεκριμένο χημικό ως πηγή άνθρακα για την ανάτττυξή τους, η γραμμική κινητική που προκύπτει μπορεί στην πραγματικότητα να αποτελεί ένα μετασχηματισμό της κινητικής της τροφοδοσίας.
Όταν η αρχική συγκέντρωση του υποστρώματος είναι τιερίπου ίση με την τιμή του Ks (So~Ks) δεν ακολουθείται καμία από τις παραπάνω κινητικές. Η περίπτωση αυτή είναι τηο τιερίπλοκη διότι η παράμετρος μ δεν εξαρτάται απευθείας από την
συγκέντρωση του υποστρώματος (όπως στην περίπτωση του S o « K s ) ή είναι κατά πολύ ανεξάρτητη από αυτή (όπως στην περίπτωση του S o » K s ) (σχήμα 3 ). Η μείωση του υποστρώματος σε αυτή την περιοχή της συγκέντρωσης περιγράφεται από την λεγόμενη κινητική ανάπτυξης Monod που περιγράφεται από τον τύπο:
dS M ^ S j S , + X , - S )
dt Κ , + 5 (11)
όπου με ολοκλήρω ση προκύτττει:
Κ, ln(S/S,) = { S , + X , + K , ) 1η(Χ / ) - (5„ + X, ) μ ^ ί (12)
όπου X είναι το ποσό του υποστρώματος που τιαράγει την τιυκνότητα του πληθυσμού.
Αυτές οι κινητικές περιγράφουν τον μεταβολισμό του βενζοϊκού οξέος ατιό το γένος Pseudomonas sp. όταν τα επίπεδά του ήταν κοντά στην τιμή του Ks και της αποικοδόμησης της 4-νιτροφαινόλης σε ύδατα λίμνης.
Πολλοί μολυντές σε υψηλές συγκεντρώσεις είναι τοξικοί για τους μικροοργανισμούς που τους χρησιμοποιούν ως πηγή άνθρακα για την ανάτιτυξή τους.
Γ ι ’ αυτού του είδους τα χημικά δεν έχει βρεθεί μια τυπική σχέση που να ενώνει τον ρυθμό ανάπτυξης των βακτηρίω ν και της συγκέντρωσης της πηγής άνθρακα όπως παρουσιάζεται στο σχήμα 3.
Α ν και ο ρυθμός ανάπτυξης μεγαλώνει με την αύξηση της συγκέντρωσης του υποστρώματος φτάνουμε σε μια ανώτατη τιμή συγκέντρωσης πάνω από την οποία ο ρυθμός αύξησης ελαττώνεται με την περεταίρω αύξηση της συγκέντρρωσης του υποστρώματος. Α υτή η μείωση είναι αποτέλεσμα της αντιμικροβιακής δράσης του χημικού.
Τέτοια σχέση μεταξύ του ρυθμού ανάπτυξης και της συγκέντρωσης ενός
^ θ α νο ύ τοξικού οργανικού συστατικού μπορεί να χαρακτηριστεί από την τροποποίηση του Haldane της εξίσω σης του Monod.
K , + S + {S-/K,)
όπου K| είναι μια σταθερά αναστολής του ρυθμού ανάπτυξης από το τοξικό υπόστρωμα. Η ^ ρ α π ά ν ω εξίσω ση έχει χρησιμοποιηθεί για να περιγράψει την κινητική του μεταβολισμού των φαινολών και της πενταχλωροφαινόλης αττό μικροοργανισμούς.
1.5 Ε γκ λιμ α τισ μ ό ς [3]
Για την επίτευξη της αποικοδόμησης διαφόρων οργανικών ενώσεων υπάρχει μια περίοδος κατά την οποία δεν παρατηρείται καμία διάσπαση των χημικών αυτών ενώσεων. Το χρονικό αυτό διάστημα καλείται τιερίοδος εγκλιματισμού ή περίοδος υστέρησης (lag period). Σ ε γενικές γραμμές μπορεί να καθοριστεί ως ο χρόνος που μεσολαβεί μεταξύ της εισαγωγής της χημικής ένωσης σε ένα περιβάλλον και της έναρξης της διάσπασής του. Σ ε αυτό το διάστημα δεν τιαρατηρείται καμιά μεταβολή της συγκέντρωσης της χημικής ένωσης αλλά μετά το πέρας του γίνεται αισθητή η μείωσή της ενώ ο ρυθμός της διάσπασής της αυξάνεται γοργά (σχήμα 5).
Η περίοδος εγκλιματισμού έχει μεγάλο ενδιαφέρον κυρίως από οικολογικής άποψης καθώς σε αυτό το διάστημα δεν παρατηρείται διάσπαση της χημικής ένωσης οπότε και αυξάνονται οι τηθανότητες ανεττιθύμητων επιδράσεών στους τελικούς αποδέκτες (άνθρωποι, ζώα, φυτά). Η εν λόγω φάση έχει παρατηρηθεί κατά την εισαγωγή φυτοφαρμάκων, εντομοκτόνων, μυκητοκτόνων, αλλά και ενώσεων αμμωνίου, φαινολών και χλωροβενζολίου σε εδάφη, ύδατα, λύματα και ιζήματα σε αερόβια ή αναερόβια περιβάλλοντα.
Η διάρκεια της τιεριόδου μπορεί να κυμανθεί από λιγότερο της μιας ώρας ως και κάποιους μήνες, ενώ εξαρτάται από το είδος και τη συγκέντρωση της χημικής ένωσης, του περιβάλλοντος αλλά και ένα πλήθος περιβαλλοντικών συνθηκών (θερμοκρασία, παροχή οξυγόνου). Στον πίνακα 2 παραθέτονται κάποιοι ενδεικτικοί χρόνοι οι οποίοι όμως διαφοροποιούνται σύμφωνα με τους παραπάνω παράγοντες αλλά και από άλλους που ακόμα δεν έχουν καθοριστεί πλήρως. Σ ε κάποιες
τιεριπτώσεις η διάρκεια της περιόδου εγκλιματισμού μπορεί να είναι μεγάλη (κυρίως σε αναερόβια περιβάλλοντα) όπως στην περίπτωση των χ>-ωριωμένων ενώσεων [4], Για τους παραπάνω λόγους είναι ιδιαίτερα δύσκολο να προβλεφτεί επακριβώς ο χρόνος εγκλιματισμού για τις περισσότερες 30Πμικ:ές ενώσεις σε όλα τα περιβάλλοντα.
Σ χ ήμ α 5 . Μείωση του 2 ,4 ,5 -Τ σε εδάφη των Φιλυιπίνων (Ρ Η ), Τρίνινταντ (T R ), Νιγηρίας (ΝΙ) και Π ουέρτο Ρίκο (P R ) [4],
Πίνακας 2 . Διάρκεια εγκλιματισμού για διάφορες οργανικές ενώσεις.
Π εριβά λλον
Διάρκεια
εγκλιματισμ ού Αναφορά
Διάφορες αρωματικές ενώσεις
Έ δαφ ος 1 0 -3 0 ώρες Kune - M acura (1 9 6 6 )
4-νιτροφαινόλη Υδάτινα ιζήματα
Spain - V an Veld (1 9 8 3 ) Χλωριω μένες
ενώσεις βενζολίου Βιοφίλτρα
10 μ έρ ες - 5 μήνες
Bouwer - M cCarty (1 9 8 4 ) Αλογονομένες
ενώσεις βενζολίου
Ιζήματα αναερόβιων διεργασιών
3 εβδομάδες -
6 μήνες Linkfield et al. (1 9 8 9 )
Έ δαφ ος 4 -1 0 εβδομάδες Rosenberg - Alexander (1 9 8 0 ) Διάφορες ενώσεις > 1 6 εβδομάδες W ilson et al (1 9 8 6 )
Θεωρητικά, η τιερίοδος εγκλιματισμού ολοκληρώνεται με την έναρξη της βιοαποικοδόμησης όπου ο ρυθμός μεταβολισμού της χημικής ένωσης μπορεί να είναι αργός ή γρήγορος. Παρατηρείται δε ότι με μια δεύτερη προσθήκη στη διάρκεια του ενεργού μεταβολισμού, η διάσπασή της μπορεί να συμβεί με μια μικρή ίσως ή ακόμα και χωρίς νέα περίοδο εγκλιματισμού λόγω της ραγδαίας αύξησης των μικροοργανισμών στο οργανικό υπόστρωμα κατά την πρώτη προσθήκη (σχήμα 6).
Ο ρυθμός βιοαποικοδόμησης (αναφέρεται ως η μείωση της αρχικής ένωσης ή ο σχηματισμός του CO2) της δεύτερης προσθήκης μπορεί να είναι ο ίδιος με αυτόν της πρώτης [5], αλλά συνήθως είναι μεγαλύτερος καθώς αυξάνεται με την προσθήκη. Για παράδειγμα ο ρυθμός διάσπασης του παραθείου και η μετατροπή του σε CO2 όπως
