Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Моделирование разложения органического вещества анаэробным сообществом микроорганизмов

ВАК РФ 03.00.02, Биофизика

Автореферат диссертации по теме "Моделирование разложения органического вещества анаэробным сообществом микроорганизмов"

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

РГ В......од

_ д '/¡\)1"| 1 'О А На правах рукописи

ЛОКШИНА ЛЮДМИЛА ЯКОВЛЕВНА

МОДЕЛИРОВАНИЕ РАЗЛОЖЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКОЮ ВЕЩЕСТВА АНАЭРОБНЫМ СООБЩЕСТВОМ МИКРООРГАНИЗМОВ

Специальность 03.00.02. Биофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 1998

Работа выполнена на кафедре бно<] пики н экологии Московскою Фижко-Техническою института и в лабораюрии моделирования экологических процессов Института водных проблем РАН

Научные руководители: доктор физико-математических наук

В.А. Вавнлин

доктор фишко-матемагических наук, профессор A.M. Кузнецов

Официальные оппоненты: д. ф.-м. н. В В. Алексеев

д. 6. н. Н.С. Паннков

Веду щая организация:

клфедра энммологни Химического факультета МГУ.

Защита диссертации состоится ¡.^»UWUi |998 г. в час на заседании диссертационного Совета К.063.91.10 при Московском Фншко-Техническом ннсплуте по адресу: 141700, г. Долюпрудный. Московская обл., Институтский пер., 9, в аудитории

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МФТИ

Автореферат разослан 1998 г.

Ученый секретарь

Специализированного учёного совета кандидат физико - математических наук

В.Б. Кнреев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

А(стуальность проблемы. К настоящему времени важным элементом исследи лшя экологических систем стало их формальное описание и создание соответствующих математических моделей Это направление активно развивалось и развивается российскими учёными А.А. Ляпуновым, ЮМ. Свирежевым, В В Меншуткнным. А.Б. Гортско. Д М Молчановым, В В. Алексеевым и др. и их научными школами.

Процессы анаэробного разложения органического вещества, осуществляемые сообществом анаэробных микрооршшзмов, являются важным звеном в обшем круговороте органического вещества в биосфере. Они объясняют, в частности, выход в атмосферу такого парникового газа как метан. Анаэробные процессы лежат в основе получения возобновляемой энергии из коммунальных отходов, отходов промышленного и сельскохозяйственного производства Эти процессы весьма продолжительны: их характерные времена составляют десятки и сотни дней. Протекают они через несколько ключевых стадий (гидролиз, кислотогенез, ацетогенез н метаногенез) и при их описании следует учитывать множество параметров газовой, жидкой и твёрдой фаз. Кроме того, такие системы явно нелинейны, что отражается в существовании пороговых эффектов, когда функционирование сообщества микроорганизмов нарушается.

Несмотря на то, что обща» картина динамики этих процессов широко исследовалась экспериментально и теоретически, в том числе и с помощью математического моделирования (например, Andrews, 1969, Mosey, 1983; Moletta et al., 1986; Заварзин и др., 1990; Калюжный и др, 1991; Siegrist et al., 1993; Вавилин и др., 199.3; AngtlidaWi et al. 199?; Паникой, 1994), в каждом конкретном случае интерпретация поведения анаэробной системы до сих пор представляет значительные трудности. Между тем, понимание регуляторныч механизмов рлбош аиа »робкою микробного сообщества необходимо как для интенсификации и оптнми ^ нии

работы реакторов, разлагающих отходы, так и для прогнозирования поведения микробного сообщества в естественных условиях.

Цель работы состояла в создания современной модели анаэробного разложения органического вещества в проточных и непроточных реакторах полного перемешивания, разработке соответствующей компьютерной программы и применении е£ для анализа функционирования анаэробною сообщества.

В связи с этим в работе решались следующие задачи:

- анализ экспериментальных данных и выбор адекватного математического описания ключевых стадий анаэробного процесса;

- определение кинетических констант характерных групп микроор1аниз-мов из разных сред обитания;

- определение условий сбалансированного протекания стадий гидролиза и метаногенеза, лимитирующих скорость общего процесса метаиообразова-ния;

- исследование анаэробных процессов при низких темпераграх, осуществляемых естественными микробными сообществами.

Научная новизна работы состоит в создании современной обобщенной имитационной модели анаэробного процесса разложения органического вещества в реакторах полного перемешивания, получении количественных' кинетических характеристик ключевых стадий анаэробного процесса в некоторых естественных и технических системах, объяснении ряда эффектов, в том числе соотношения концентраций продуктов кислогогелеза глюкозы в проточном реакторе, явления двухс1упенчяю;о образованна метана, влияния разбавления образцов тундровой почвы на конечные продукты переработки Нг/С02, аномальной динамики процесса разложения органического вещества акклимазизировашшм сообществом микроорганизмов.

Практическая значимость работы заключается в разработке модели, позволяющей интерпретировать и оптимизировать анаэробный процесс.

АпроС.ншя работы. Результаты диссертационной работы докладывались на международных конференциях: 18th Symposium on Biotechnology for Fuels and Chemicals (Gatlinburg, USA, май, 1996); "Methanogenesis for suistainable environmental protection" (С.-Петербург, июнь, 1996); 3d Finnish Conference of Environmental Sciences (Jyvaskyla, Finland, май, 1997); 8lh International Conference on Anaerobic Digestion (Sendai, Japan, май, 1997).

Публикации. Основные результаты выполненных исследований отражены в 10 печатных работах, опубликованных в международных и российских журналах и в трудах конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 3-х глав н заключения. Она изложена на iSS страницах и включает в себя 38 таблиц, 38 рисунков и список литературы из 204 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение

Кратко обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования.

Глава 1. Литературный обзор

В первой главе дан обзор современного состояния теоретических и экспериментальных исследований структуры и функции анаэробного сообщества микроорганизмов. В разделе 1.1 описаны существующие представления о динамике и регуляторны.ч механизмах отдельных стадий процесса анаэробного разложения. Рассмотрены особенности протекания

з

процессов в естественных средах при нтких нумераторах В раиеле I 2 описан ряд макмажческих моделей анаэробною сообществ, приведены кинешческие коэффициент ключевых групп .бактерий при средних и высоки« температурах и система ти трованы некоюрые функции. применявшиеся XIи описания влияния факторов внешней среды на рост бактерий

Лнзлт лшерапры покатал, что такие ключевые стадии как /и.тро-ли) и кисло киене) описывались весьма форчалиюванно Процесс шин-бнровання ацеюкласшчеекою метаткненеза в проточном реакторе нелос-таючио исследован Полностью отсутствовали корректно определенные кинетические характеристики отдельных трупп мнкроор|ани1мов щ ра1-личных природных сред (в юм числе гомоаиеюгенов) при низких температурах.

1 лапа 2. Математическая модель анатробною процесса

Во второй главе приведено описание макмашческой модели, ко-юрая являлась ннстр> ментом исследования Динамическая модель ана-цюГншн енчеиы. предлагаемая в данной работе, является рашнтнем модели Вашгиша - Васильева (1993), применение которой для ана.ниа функционирования некоюрых анаэробных систем ока>алось исчичмож-мым. В повой модели устранены такие недостатки нре.п.и)шей. как отсутствие возможности редуцирования общей схемы процесса. использование устаревших концепций гидролиза и кислою! сне и, отсутствие некоторых групп микроорганизмов, а также иеучет им ибнровашм о цельных ц1упп бактерий уксусной кислотой н невозможность анализа лабораторных жеиериментов со смешанными культурами мнкроорышнмов. И1Я1ЫМИ III ряда природных сред.

Рису мок I. Схема трансформации органического вещества, используемая в модели.

Схема процессов и переменных, включенных в нашу модель, приведена на рис.1. В модели учтено 28 переменных, динамика которых во времени описывается дифференциальными уравнениями Однако в большинстве случаев такая степень детализации не нужна, поэтому модель может быть редуцирована до необходимого для описания эксперимента количества переменных. Стехиометрия реакций осуществляемых каждой группой бактерий, за исключением кислотогенов, была фиксированной.

Для каждой группы переменных (рис. 1) использовались следующие дифференциальные уравнения:

<ц ' о в +р1" <и

+ п (21 <1.-0 6 + Рхк (2)

1Г~Г~+р5' + ТК5;' <3>

где В„ Хь 5, - коице/лрации активных групп бактерий, взвешенного и растворенного вещества на выходе реактора; I, к, ^ - обозначают номер группы бактерий (1,..., 8), взвешенного компонента (I, 2, 3) и растворенного вещества (1,..., 12), соответственно; в, т - время удержания взвешенного и растворенного вещества в реакторе; рв,, рм, - скорости изменения концентраций активных групп бактерий, взвешенного и растворенного веществ, соответственно; ТЯЯ, - скорость массообмена между жидкой и газовой фазами.

В случае, когда общее давление поддерживается постоянным и равным Рг, для парциальных давлений (Р„) использовалось выражение:

с!Рц Я Т Л ' V,

-тк.+Гта.-Ь-

„ рт

где Т - абсолютная температура в "К, Я - универсальная газовая постоянная, - объём газовой фазы, п - номер компонента газовой фазы (1,..., 5). Если общее давление не постоянно, то

л ' V, (5)

В частности, это справедливо в случае отбора проб из сосуда, когла объем жилкой фаэы меняется дискретно при каждом отборе пробы: ^(0 = ^(1*)-^ (6)

где У|(1) - объём жидкой фазы после отбора пробы, У|(1 ) - объём жидкой фазы до отбора пробы, \'.,т - объём пробы.

Скорость массообмена между жидкой и газовой фазой описывалась в виде:

ТЯ|, если ) = 2 (водород) ТЯ}, если 1 = 3 (углекислый газ) П^=ТКз, если ¡ = 7 (аммиак) (7)

ТЯ4, если 3 = 8 (метан) О, если )* 2,3,7,8

причём П^ = У| (в* - Б,) (8)

где Б,, 5, - равновесная и текущая конценграцли растворенного газа в

жидкой фазе, У| - объём жидкой фазы, К]_у - коэффициент массообмена.

Скорости изменения концентраций активных групп бактерий В, с учетом процессов роста и отмирания записывались следующим образом: Рв, =Рв8|-к,и^ (9)

где к^ - константа скорости отмирания микроорганизмов.

Скорость прироста биомассы ьой группы бактерий (р/к.) связана со скоростью потребления лимитирующего субстрата (р5»|) прямо пропорциональной зависимостью:

Рвя=угР5И "0)

где У, - экономический коэффициент для ¡-ой группы бактерий. Выражением, аналогичным (10), описывается и связь максимальной удельной скорости роста бактерий и максимальной удельном скорости потребления субстрата.

Скорость трансформации субстрата i-ой группой бактерий (psh.) представлялась в виде произведения нескольких функций: Psü.=PSI«- И-, FI, В, (И)

i де (^„-максимальная удельная скорость потребления лимитирующего субстраза i-ой группой микроорганизмов в оптимальных условиях, FL„ FI, - функции, описывающие механизмы лимитирования и ингнбирования.

Для описания зависимости скорости роста бактерий от концентрации лимитирующего субстрата (FL,) в модели испольювалась зависимость Моно. В случае потребления бактериями двух субстратов одновременно, лимитирующим считался тот, функция лимитирования (FL,) которого имела меньшее значение. Механизм иигибирования описывался в виде произведения:

Fl, = FlpH, FIVFA, - FIA, (12)

где Flpll,, FIVFA,, FIA, - функции иигибирования величиной рН, .ичучнми

жирными кнслозамн и уксусной кислотой.

Влияние рН описывалось следующей функцией:

F(pHopu-pH, pHüpu — Кцд,, pHop0-KuJ, если рН < рН u Flpll,= ' (13)

~rHopu, КЦ12, -pHopuj. если pll>pHjpu

где F(x|, х:, х3) =-----(14)

l + íX'/ ^ ' ' "

рН,11Л - оптимальное значение рН; Кц.и, Knj„ Кщп. Km?. - константы иигибирования рН. Первые две константы описывают итерирование в кислой для бактерий области, вторые две - в щелочной. График FlpH, имеет трапециевидную форму и может быть несимметричным. Достаточно сложная функция (14) позволяет описать практически любую кривую иигибирования.

Ингибирование летучими жирными кислотами (суммой концентраций пропионовой и масляной кислот) описывалось следующим выражением:

РМ^ф^д, К1У„, К1У2|) (15)

где функция Р соответствует (14), 5\[л -концентрации пропионовой и масляной кислот; К)у|„ Кт. -константы ингнбирования жирными кислотами.

Ингибнруюшее влияние уксусной кислоты учитывалось следующим образом;

"А, = Кии. Кц;,) (16)

где функция Г - соответствует (14), Б) - концентрация уксусной кислоты или суммы уксусной кислоты и е£ соли; Кщ,. К|А2,-конста»ггы ингнбирования уксусной кислотой.

Взвешенные компоненты Хк изменяются за счет процессов гидролиза и распада мертвого клеточного вещества; РХ1 =Гх1В Ршз-8и С7)

РХ2=УХ2иРЛ< О8)

Рхз = ГхзвР<£в (19)

где ух!в. УХ28, Ухзв - стехиометрнческие коэффициенты трансформации мертвого органического вещества во взвешенное органическое вещество Хь; Эц - скорость гидролиза; р.ц - скорость отмирания микроорганизмов, равная сумме скоростей отмирания каждой группы бактерий.

Скорости изменения концентрации ^го растворенного компонента записывались в виде:

^[(1-гЪ|ГУ1)-г0-ау] р5К+75Ш-р<)в+у5|Н-Эн, если ¿ = 1

Р*= ' г, \ , <2°)

2,[(1-1Ъ|ГУ,) г||-а^ р5В„ если ¡>1

где н. 7,514 - число молей вещества Б], образующихся при лизисе одного моля мертвой биомассы и гидролизе одного моля разлагаемого взвешенного вещества Х|; гЦ - стехиометрнческие коэффициенты перехода продуктов реакций в биомассу; а,, - стехиометрнческие коэффициенты но-

требления субстрата; г,, - стехиометрические коэффициенты продуктов реакций.

Модель гидролиза, предложенная в настоящей работе, основывается на предположении, что процесс гидролиза протекает в две стадии:

1) колонизация бактериями (или выделяемыми ими ферментами) поверхности частиц, когда скорость гидролиза лимитируется площадью контакта между частицами органического вещества и бактериями (ферментами);

2) разложение частицы субстрата бактериями, заполнившими его поверхность, когда скорость гидролиза зависит от концентрации разлагаемого вещества.

Выражение дли скорости гидролиза было получено для частиц вещества различной геометрической формы. При этом считалось, что при разложении вещества общее количество частиц в единице объема не изменяется (поскольку концентрация взвешенного вещества (X,..,) состоит из разлагаемой (X) и неразл&гаемоц (Ь) части: Х^ = X + Ь), г размер частиц уменьшается.

Общее выражение, описывадощее скорость гидролиза, выглядит следующим образом:

в, 1[ (хг-ь)'-*-(х-ь)*

где Э„,н - константа максимальной скорости гидролиза; К», х, - константы полунасыщения для биомассы и вещества, соответственно; N - число групп бактерий-шдролитиков, к - константа, учитывающая форму шдро-лизуемой .частицы (к=1/2 для цилиндрических и к-2/3 :цщ сферических частиц).

Функция (21) обобщает и позволяет интерпретировать многие известные к настоящему времени функции гидролиза: при к = I, ¡1 = О, В; » Х), X « К1( - модель 1-го порядка.

а.Дв.хЬа^.-П

при к = 1, N = 1, h = 0, хВ « 1 - модель Моно,

X

при к = 1, N = I, h = О, хВ» —--модель Контуа,

Кх

при k = I, N = 1, хв » ---модель Чена и Хашимото.

Кх

Для описания экспериментальных данных в нашей работе применялся следующий частный случай (21):

ц

9П = pm -Х° (двухстадийная модель) (22)

Система дифференциальных уравнений (1-6) численно решалась усовершенным методом Эйлера-Коши с итерационной обработкой.

В некоторых частных случаях, когда система дифференциальных уравнений, описывающих динамику анаэробных процессов, допускала аналитическое решение, подбор параметров проводился с помощью программного продукта <Sigma Plot Scientific Graphing System-4.01>.

Глава 3. Исследование процесса анаэробного разложения Раздел 3.1. Изучение отдельных стадий процесса в мезофнльных условиях.

В разделе «3.1.1. Гидролиз в проточном реаюгоре» большинство известных моделей гидролиза, а также 2-стадийная модель (22), предложенная в настоящей работе, сравнивались (рис. 2) при описании экспериментальных данных (целлюлоза - Noike et al., 1985, активный ил - Shimizu et al., 1993, O'Rourke, 1968).

Традиционное уравнение 1-го порядка не описывает явления вымывания биомассы, а классическая модель Моно не учитывает зависимость концентрации взвешенного вещества на выходе реактора or концентрации на входе. Модель (22) эффективно описывает все обработанные экспериментальные данные.

Модель

Время пребывания *чясшскныл частиц, от

Рис. 2. Гидролиз в проточном реакторе (точки - экспериментальные данные (О'Кошке, 1968) при 20°С, линии - результаты моделирования.

В разделе «3.1.2. Кмслотогене) в проточном реакторе» изучались причины изменения концентраций продуктов разложения глюкозы при разных проточностях реактора. На примере экспериментальных данных (2ое(ешеуег е( а!., 1982) было показано, что эти изменения могут быть вызваны существованием в системе двух групп кислотогенных микроорганизмов, производивших и потреблявших водород. Экспергмснтальные данные при рН=5.69 (рис. 3) интерпретировались следующим образом. При больших скоростях протока пропионат и лактат - продуцирующие кислотогены, потребляющие II., вымываются из-за большей чу ветви I е. н,-костн к ингнбирспашио ЛЖК, не выдержав конкуренции с кислоток-на-ии, продуцирующими другие кислоты, спирты и водород; при меньших проточностях обе группы кислотогенов сосуществуют, поскольку лимитируются разными субстратами (водородом и глюкозой),

В разделе «3.1.3. Ацетогенез (зависимость активности сообщества микроорганизмов от его предыстории)» на примере экспериментальных данных (А^Паге( а1, 1995) по разложению летучих жирных кислот в периодическом реакторе с помощью затравок микроорганизмов, ранее культивировавшихся на глюкозе и ацегаге, показано, что адаптация к субстрату заключалась не только в увеличении биомассы бактерий, раз-

латающих этот субстрог, но и рост роста микроорганизмов.

в увеличении максимальной удельной ско-

г:

5 но «

'и

-у п.

£ 400

г.

2

1Ш>и 2000 1(100

Ск<>1Ч1сгь П|ч»ши. .х'.1/с> г

0.1

0.6 .

4- и» ■

Л о^ ■

а ■

Скщччпь ,|.'.гс\г

Рис. 3. Кислотогенез глюкозы в проточном реакторе (точки - экспериментальные данные, линии - результаты моделирования).

В разделе «3.1.4. Субстратное ннгибироваине ацетокласгиче-ского метаногенеза» на примере экспериментальных данных (Мо)ке е1 а!, 1985) по разложению ацетата в проточном реакторе при разных'органических наггузках показано, что при увеличении нагрузки происходит ¡.мена доминирующей популяции (бактерий рода Ма/юпшЬпх бакт ериями рола \1eihanoisarcina) до тех пор, пока из-за иигнбирояання все мик-рооринизмы не вымываются из реактора С >» первой труппы характерны низкие значения константы полунасыщения н удельной скорости роста биомассы, тогда как тля второй группы - наоборот. Было продемонстрировано, что кинетика Моно с поправкой на ингибировлнис кислыми зна-

чениями рН и кинетика Холдейна (субстратное ингибирование уксусной кислотой) одинаково хорошо описывают экспериментальные данные, если введены поправки для константы полунасьсуения и максимальной скорости роста биомассы, описывающие смену доминирующей популяции.

Раздел 3.2. Изучение процессов при низких температурах.

В разделе «3.2.1. Изучение экспериментов с сообществом микроорганизмов из навоза крупного рогатого скота» интерпретированы ре-зулыаты кинетического эксперимента (Коцюрбенко и др., 1993) по разложению навоза смешанной культурой, акклиматизированной к 6°С, когда выход метана из системы происходил при постоянной концентрации летучих жирных кислот (рис. 4).

Предложены два возможных объяснения динамики системы: 1) метан и летучие жидкие кислоты образуются независимыми друг от друга параллельными путями; 2) ингибирование проппонат и бутират - потребляющих ацетогенов и ацетокластических метаногенов обеспечивает разные скорости выхода метана и летучих жидких кислот. Оба предположения при моделировании привели к одинаковым результатам. Показано, что имеющиеся экспериментальные данные могут быть описаны моделью с участием гомоацетогенных, либ^водородпотребляющих метаногенных микроорганизмов.

¿1 разделе «3.2.2. Изучение экспериментов с сообществом микроорганизмов из осадков пруда» моделировалг.сь динамика разложения органического вещества микробным сообществом донных отложений очистного пруда Сыктывкарского лесопромышленного комплекса, температура в котором большую часть года составляла 4 - 6°С (Коцюрбенко и др., 1992) и были определены кинетические константы ключевых групп микроорганизмов, в том числе гомоацетогенов.

!0 100 1)0

о ÎO lot) lîo

«0 100 150

Bpcui. сут

50 100 IÎ0

50 luu 150

Время. tvt

Рис 4. Разложение навоза крупного рогатого скота при 6 С (точки - экспериментальные данные, линии - результаты моделирования).

В разделе «3.2.3. Изучение экспериментов с сообществом микроорганизмов из тундровой почвы» моделировалась динамика потребления Нг/СОг микробным сообществом тундровой почвы на основе экспериментальных данных, предоставленных O.P. Кошорбенко. В результате обнаружена двухступенчатость процесса метанообразонания при разложении H-'COj (рис. 5), которая объяснялась ингибнрованнем ацетокла-СТ)гческого метаногенеза (кислыми значениями рН или уксусной кислотой). Продемонстрировано влияние разбавления (1:1, 1:3 и 1:20) на кинетику системы при 28, 15, 10 и б"С.

---2Я"С о

- 15 С а

---- Иг'С а

Время, сут Врем». С) г

Рис. 5. Разложение Н2/С02 сообществом микроорганизмов тундровой почвы при разбавлении 1:1 и разных температурах (точки - экспериментальные данные, линии - результаты моделирования).

Показано, что разбавление системы (1:3 и 1:20) приводит к тому, что из-за ингиби^оваиия ацетокластического метаногенеза конечным продуктом становятся ацетат, а не метан, как при разбавлении 1:1, при этом ацетат продуцируется гомоа^тогенными бактериями. Коцюрбенко получил разные результаты при разбавлении 1:3 и 28°С в двух идентичных экспериментах: в одном случае ацетат потреблялся, в другом - нет (рис 5)- Этот эффект можно объяснить в рамках предлагаемой модели, если учесть небольшие различия в начальнь-х значениях биомассы гомо-ацетогенов и ацетокластических метаногенов.

•40

>

I 70

0

£

о

40

»

1 20

С

2 10

О |

Рис 6 Динамика потреблении НуСОд при 28"С при разбавлении гунд-ровой почвы в соотношении 1:3, получившаяся в двух повтормостяч одного эксперимента (точки - экспериментальные данные, линии - результаты моделирования).

При анализе результатов моделирования (рис. 7) был сделан вывод, что появление того или иного конечного продукта конверсии Н>/СОг (ацетата н/или метана) зависит от соотношения между начальными кон-иентрацнямн гомоацетогенов и ацетокластических меганогенов (начальных скоростей гомоацетогенеза и метаногенеза). При 6, 10 н 15°С после разбавления система переходит из области метаногенеза в область ацетогенеза. При 28"С система в результате разбавления оказывается на границе раздела этих двух областей. В этом случае полная I м неполная конверсия водорода в метан зависит от небольшого отличия в начальных концентрациях бактерий.

\

о—л

О 25 50 75

а Л

Л

О 1» 200

Врем«. с)~т

а

7,2

4» М

О 100 200

Врс«1, с)"т

зоот

g 250 j- 200 I 150

I 100

^ 50

6°C

Ацетат

b .......

Метан

5 ' 10 15 Î0

Ацгток/мстичеао«« Шпнсгты. млл

25

3

200

g '«>

ï о

I- 50

28°С

Ацетат

?f

.S--'"" •

26

Метан

3 10 13

Ацетокласгические Метаногены, мг/л

Рис. 7, Зависимость направленности процесса конверсии водорода (в сторону ацетата или метана) от соотношения начальных концентраций гомо-ацетогенов и метаиогеиов А. Пунктирная линия показывает границу между двумя типами динамики системы. Цифры 1 и 2 соответствуют разбавлениям 1:1 и 1:3, соответственно. При 28°С точки 2а и 26 соответствуют двум экспериментам при разделении 1:3.

В разделе «3.2.4. Изучение экспериментов с сообществами микроорганизмов из лесных и степных почв» изучались эксперименты о

(Kusel and Drake, 1994, 1995; Wagner et al., 1996) no разложению органического вещества лесных и степных почв и потреблению Н1/СО2 почвами (рис. 8). На основании анализа кинетических коэффициентов, полученных для разных почв, сделан вывод, что их величина не зависит от времени года, когда отбирались пробы. В то же время, кинетические коэффициенты, полученные для почв, температура которых значительно изменя-

о

о

о

о

г

лась в течении года, оказались существенно меньше констант, полученных для почв с относительно постоянной низкой температурой.

Рис. 7. Образование ацетата и метана из вещества лесной почвы (а) и из Н;/С02 (б - г) (точки - экспериментальные данные, линии - результаты моделирования).

Общая модель анаэробного процесса и е£ аппроксимации позволила получить значения кинетических коэффициентов (табл. I), коюрые могут быть полезны при оценке изменений скорости метапообразовання в различных средах в связи с парниковым эффектом.

Результаты и выводы:

1, Разработана новая модель гидролиза взвешенного вещества анаэробными микроорганизмами и на примере обработки некого, ых экспериментальных данных показана её адекватность.

2. Показано, что количественное соотношение продуктов (прежде всего водорода) стадии кислотогенеза глюкозы в проточном реакторе определяется конкуренцией двух групп кислотогенов.

3. Показано, что при увеличении органической нагрузки в проточном реакторе происходит смена доминирующей популяции ацетокластиче-ских метаногенов. Предложен способ описания конкуренции двух групп метаногенов, потребляющих ацетат, в проточном реакторе.

4. Определены кинетические константы некоторых характерных ключевых стадий анаэробных процессов при низких температурах для лабораторных периодических экспериментов с различными микробными сообществами (тундровой, лесной, степной почв и осадков пруда).

5. Обнаружено и объяснено явление двухступенчатого образования мета з в ходе потребления водорода и диоксида углерода гомоацетоген-ными микроорганизмами и последующего превращения ацетата (продукта гомоацетогенеза) в метан метаногенными микроорганизмами; временная задери .<а образования метана объяснена влиянием процесса ингнбирования метаногенеза уксусной кислотой.

6. Выявлены причины влияния разбавления образцов тундровой почвы на конечные продукты переработки Н;/СО; анаэробным сообществом микроорганизмов.

7. Предложена интерпретация аномальной динамики продуктов разложения навоза акклиматизированным сообществом микроорганизмов при 6°С.

8. Создана современная версия обобщённой модели анаэробного разложения органического вещества.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих

работах:

1. V.A. Vavilin, S.V. Rytov, L.Ya. Lokshina. Modelling hydrogen partial pressure change as a result of competition between the butyric and propionic groups of acidogenic bacteria. Bioresource Technology, 1995, 54, pp. 171177.

2 II A Ванилин. Л Я. Локшина, С. В. Рьпов. Модель кинетики гидро-III w н тешенною органического вещества гидролитическими микроорганизмами в проточном реакторе. ДАН, 1996, том 349, № 4, с.496-498.

1 V Л V'avilin, S V. Rytov, L.Ya Lokshina. A description of hydrolysis kinetics m anaerobic degradation of particulate organic matter. Bioresource Technology, 1996, 56, pp. 229-237.

4 V.A. Yaulin, L.Ya'. Lokshina. Modelling of volatile fatty acids degradation kinetic and evat ation of microorganism activity. Bioresource Technology, 1996, 57, pp 69-80.

5 \' Л Yavilin, S V. Rytov, L.Ya. Lokshina. Two phase model of hydrolysis kinetics and its application to anaerobic degradation of paniculate organic matter Applied Biochem. Biotechnol , 1997, 63-65, pp 45-57.

6 В A Вави.шн, С. В Рытое, Л.Я Локшина. Баланс между шдролншм и мс1ано1енеюм при анаэробном рагтожении органическою нсшсста Мнкробнолошя, 1997. том 66, № 6, с.869-874

7 V VVa\ilin, L.Ya Lokshina, S.V.Rytov, О R.Kotsyuibenko, A N N'ozhevnikova, S N Parshina. Modelling methanogenesis dunng anaerobic eomersion of complex organic matter at low teinperatuies l'io-ceedmgs of Tlie 8" International Conference on Anaerobic Digestion. May

. 25-29. 1997 Sendai International Center, Sendai. Japan, Vol 2, pp.«>1-608.

8 VA.Vavilin, L.Ya Lokshina, S.V.Rytov, O K Kotsyuibenko, A N Nozhevnikova, S.N.Parshina. Modelling methanogenesis during anaerobic conversion of complex organic matter at low teinperatuies. Wat. Sci. Tech. 1997, 36. № 6-7, pp 531-538.

У V A.Vavilin, L.Ya.Lokshina, S.V.Rytov, О R ' otsyuibenko, A N Nozhevnikova Modelling low-temperature methane production from cattle manure by an acclimated micrc'ial community. Bioresource Technology. 1998. In press.

10 L.Ya Lokshina, V.A. Vavilin. Kinetic analysis of the key stages of low temperature methanogenesis. Chemosphere. 1998. Submitted for publication.

Табл. J. Константы функции Moho некоторых стадий анаэробных процессов при низких температурах.

Процесс С)бстрат Т, Метод" ' V суг1 '"Кх. уМУмМ Y, мМ/мМ Источних экспериментальных данных

Источник бактерий "С К., мМ

Гидролш:

Лссныс почвы Всшсство почвы .10 Регрессия 0.54 Kusel and Drake. 1994.1995

---- 20 ---- ООМ-Ю.О?1'

---- 15 ---- 0.054*0.075'' -

---- 5 ----- 0 6 0.01

Тущрова» почва Вещество почвы 28 ____ 1.4 данные предоставлены O.P. Кошорбенко

•---- IS ---- 0.055

---- 10 ---- 0.005 <

---- 6 ---- 0.004

Осади пруда Всшсство осадков 28 ____ 0.013 Коцюрбсюю и др., 1992

---- 15 ,---- 0.004

Навоз крупного рогатого скота2' Всшсство навоза 6 Модель 0.026 Коцюрбскю и др., 1993

* Томошп геагсз:

Лсскис почвы Н.--СО; 30 Рсгрссаи 0 п III 1М1К, Ких1 зпй ВгАс. 1'»4.

20 — — о |»оз'' 0)17"' 0 012

----- (5 — — 0 05«0 Об'' 0<К1|«2"' 0 (ЮН »0 092

---- 5 — -- — оог+ои'' »о"' 0 00«

Степная почва Н;-СО; 40 __ ___ 027 0 45 001М МГфкгаа!..19%

---- 10 — — 1 23 4 13 0 029 •

Тузирояая почм Н.-СО; 28 Модель 0 13 0 12.0 00.113" 0 008 данные '. тс^осталскы О Р Кошорбснко

---- и — — 0 32 0.12.0 00013" 0 02

---- 10 — — 0 075 0 12.0 00013" 0 003 •

---- 6 - -- — 0.136 0.12,0.00013" 001

Осадхм пруда НгСО; 28 Рсгрсссш 0442 134 6 0.00.11 Коиюрбоко • лр, 1992

---- 15 — — 008 1494 0 0091

---- 6 — — 0.0491 139 6 0 002»

Навоз крупного рогатого скота31 Всщестео навоза 6 Мозель 1 00 0.24 0 05 ■ Коцк-рбсню к лр . 1993

АцетО! гнел П:

Навоз круттого рогатого скста:: Всшсстео каяола 6 - 04« 0 27 005 Коцюрбсшоядр. 1993

' Лнпшснп Б: Навот тки и роытого скота"' Вешал но навоза ____ 0.13 0.23 0.1 Коцюрбскю и др., 1993

*'.Метим ене| Л: .Чссмис помни Н.-СО; Н;-СО; / ВСШ-ЙО ПОЧВЫ 1» 2» Регрессия 02 0.02+0.2'' 0 0+0.83" 003 Ки5с) апй Ргаке. 1994. 1995

Тчилровл* почва*' Н--СО; Всшсство почвы 2.1 15 10 6 6 Модель Регрсоск* 0 103 0 0835 о.ооя а.о53 0.011 0.44 044 0 44 0.44 0 0 01 001 0,001 001 0.018 данные предоставлены 0 Р Кошорбсмко

Осазш пруда Н.--СО-Аистзт 28 15 6 28 6 ---- 0.06 0.041 0.011 0.13 0.018 0.012 7.5 0.0095 0.012 0.092 0.039 0.028 0.05 Коцюрбента и ар, 1992

Накп кру пного рогатого скота*' Вещество илвота 6' Модель 0.022 5.8 001 Коцюрбснко и др.. 1993

"Две величины К5 относятся к водороду и углекислому газу, соответственно.

:'Для разложения навоза использовалась акклиматизированная культура микроорганизмов

31 «Регрессия» означает, что для определения констант использовался программный пралукт • !С>\ 1 *. «Модель» обозначает, что коэффициенты находились с помощью модели, описанной в главе 2

4,Ацетокластические мс^аногены в этом случае ингибируются кислыми значениями рН или уксусной кислотой п «Гомоацетогенез» обозначает процесс образования ацетата из Нг-СО; по уравнению 4 Н. + 2 СО. -> С П,*) -2 11,0, «Ацетогенез Б» обозначает процесс образования ацетата из бутирата по уравнению С,11,0, -> 2• Н.О С.И.О., «Ацетогеиез П» обозначает процесс образования ацетата из пропноьла по уравнению С,Н,0. + 3- Н.О • С.Н..О. * Н.СО,, «Метзногенез А» обозначает процесс образования метана из ацетата по уравнению С,Н40. -> СН, + СО,.

кн обозначает константу гидролиза первого порядка. ц»„ - константа максимальной скорости роста соответствующей группы бактерий, Кх. К, -константы полунасыщения в функциях Моно и Коитуа. соответственно. ''Диапазон, в котором находятся значения констант для разных лесных почв.