Влияние внешних факторов на скорость биохимических реакций микроводорослей

Микроводоросль хлорелла (Chlorella) является микроскопическим одноклеточным фотосинтезирующим микроорганизмом, клетка которого сферической формы, диаметром около 2…10 мкм. В пластидах хлореллы содержатся хлорофиллы форм a и b — они аккумулируют энергию солнечного света для образования органических веществ. Одна клетка выполняет все жизненные функции. Для роста и развития Хлореллы необходимы вода, минеральные вещества, углекислый газ и кислород.

Хлорелла широко распространена в пресных водах, на сырой земле, коре деревьев и т. д. Единственный способ размножения — бесполый, причем каждая гаплоидная клетка митотически делится дважды или трижды с образованием соответственно четырех или восьми потомков — автоспор, которые еще внутри оболочки материнской клетки покрываются собственными оболочками. Освобождаются автоспоры после разрыва стенки материнской клетки [1].

Процесс размножения Хлореллы весьма интенсивен — при оптимальных условиях за короткое время можно получить прирост биомассы в 200 раз больший, чем у высших растений [2].

Сущность технологического воздействия процессов, происходящих в живой культуре хлореллы, заключается в том, что в процессе жизнедеятельности микроводорослей происходит отмирание болезнетворных бактерий.

Для процесса фотосинтеза хлорелле требуются вода, диоксид углерода, а также небольшое количество минералов для размножения. Процедуре очистки вод микроводорослями присущ ряд внешних факторов, влияющих на эффективность, продолжительность и энергозатратность процесса. В настоящее время активно развиваются технологии интенсификации биологической очистки сточных вод и ведется поиск технологий, позволяющих повысить эффективность процесса биологической очистки, и при этом снизить энергозатраты.

Наиболее влияющий на рост микроводорослей фактор — освещенность. Как правило, микроводоросли выращиваются открытым способом — в водоемах или бассейнах под солнцем. В средних широтах, около половины года биологическая очистка находится в условиях отсутствия освещенности, что влияет на окислительные свойства микроводорослей. Одной из наиболее перспективных направлений является использование закрытых фотобиореакторов с использованием искусственного света для освещения биомассы в тёмное время суток, при этом с пониженной интенсивностью подачи кислорода. Данная технология, благодаря использованию освещения увеличивает окислительную способность биомассы, поскольку она представляет собой альгобактериальное сообщество, и в окислительном процессе при использовании освещения активно начинают работать водоросли. В процессе эксплуатации установки, на внутренней поверхности емкости со временем осаждаются взвешенные частицы, снижающие способность емкости пропускать свет, особенно от искусственных источников. Более производительная установка включает в себя колбу с источником света, погруженную в емкость с раствором Хлореллы. Такое исполнение позволяет при снижении излучения световой энергии, беспрепятственно извлекать источник света из емкости для очистки и обслуживания. В таком случае возможно применение светодиодных источников света, позволяющих сузить спектр излучения до требуемого и сократить энергозатраты. Оптимальная освещенность Хлореллы находится в пределах (0,7…20)· 10³ лк, порог светового насыщения — (1…90)· 10³ лк. [3]. Это объяснятся тем, что Хлорелла может адаптироваться к различной интенсивности света, а также значение оптимальной освещенности тесно связано с конструкцией выбранной установки.

Второй фактор — поступление кислорода. Степень аэробности среды (насыщения среды кислородом) может быть охарактеризована величиной окислительно-восстановительного потенциала, который выражают в единицах гН₂[4].

Облигатные анаэробы (микроорганизмы, для которых кислород является ядом) живут при гН₂ меньше 12−14, но размножаются при rH₂ менее 3−5. Факультативные анаэробы (микроорганизмы, способные расти как в аэробных, так и в анаэробных условиях) развиваются при rH₂ от 0 до 20−30, а аэробы — при гН₂ от 12−15 до 30. Регулируя окислительно-восстановительные условия среды, можно затормозить или вызвать активное развитие той или иной группы микроорганизмов.

Рост анаэробных клеток подавляется уже при концентрации кислорода 0,01−0,1 мг/л. [5]. Высокие концентрации кислорода (10−30 мг/л) ингибируют рост аэробов и факультативных форм. В диапазоне концентрации кислорода, где его ингибирующее действие не проявляется, для аэробов справедливо уравнение Моно[6]:

где (1).

хлорелла микроводоросль вода очистка.

µ - удельная скорость роста;

µ_max-максимальная удельная скорость роста;

Y — концентрация субстрата;

K_s — константа Моно по субстрату S, равная концентрации субстрата, при которой удельная скорость равна половине максимальной, рисунок1.

Рисунок 1. Зависимость µ(S) по уравнению Моно.

Третий фактор — температура биомассы, влияющая на развитие микроводорослей.

Советский ученый-химик А. М. Музафаров [7] изучая влияние температуры на развитие водорослей, установил, что Хлорелла связана с температурными условиями следующим образом: при 5−10°С численность водорослей составляла 2,7 млн.кл./ мл.; при 10−15°С — 12 млн.; при 15−20°С — 47 млн.; при 20−25 — 89 млн.; при 25−30 — 122,5 млн.; при 30−32 — 127,3 млн.; при 32−34 — 127,4 млн.; при 34−36 — 118,6 млн., рисунок 2. Из чего следует, что рабочий диапазон развития микроводорослей составляет от 25 до 32 °C.

хлорелла микроводоросль вода очистка.

Рисунок 2. Зависимость роста биомассы от температуры.

Учесть и оценить вклад влияющих факторов с целью оптимизации и регулирования условий культивирования микроводорослей возможно с применением стратегии активного эксперимента (таблица 1).

Пример сводной таблицы значений внешних факторов, прироста и прозрачности биомассы.

где, независимыми и некоррелированными факторами процесса являются:

Х1 — количество световой энергии, поступающей в резервуар от солнца или искусственных источников света, лк.;

Х2 — продолжительность нахождения биомассы с хлореллой под действием светового излучения, мин.;

Х3 — температура биомассы, С^0;

Х4 — концентрация кислорода, мг/л.

Параметрами оптимизации процесса в данном случае будут:

У₁ — Y — прирост биомассы микроводорослей, г/см³;

У₂ — П — прозрачность очищенных вод, см.

Для определения закономерности роста биомассы в общем виде, приведем данные в систему уравнений[10]:

(2).

Далее найдем определитель матрицы, образуемой системой уравнений.

(3).

Если определитель матрицы не равен 0, то система уравнений имеет единственное решение:

(4).

где,.

Линейная зависимость роста биомассы от внешних факторов имеет вид:

(5).

Подставляя полученную зависимость в уравнение Моно, получено уравнение скорости роста биомассы:

(6).

Согласно этому уравнению, при проведении ряда экспериментов, возможно определить влияние выше перечисленных внешних факторов на скорость биохимических реакций, прогнозировать прирост биомассы и добиться идеальных условий для культивирования микроводорослей.

• 1. Седова, Т. В. Основы цитологии водорослей //. — Л.: Наука, 1977. — 172 с.
• 2. Gouveia L. Microalgae as a Feedstock for Biofuels /Luisa Gouveia. — Springer, 2011. — 69 p.
• 3. Нагорнов С. А., Мещерякова Ю. В. Исследование условий культивирования микроводоросли хлорелла в трубчатом фотобиореакторе // -Вестник ТГТУ, 2015. Том 21. № 4. Transactions TSTU. — с. 1−3
• 4. Еремина И. А., Кригер О. В. Общая микробиология // Кемеровский технологический институт пищевой промышленности Кемерово, 2002. — 112 с.
• 5. Ветеринарная санитария биологических отходов. Учебно-методическое пособие по специальности 5В120 200 — «Ветеринарная санитария» — Костанай, 2013 — с. 154−168.
• 6. Баснакьян И. А., Бирюков В. В., Крылов Ю. М. Математическое описание основных кинетических закономерностей процесса культивирования микроорганизмов // В кн.: Итоги науки и техники. Микробиология. Т. 5. Управляемое и непрерывное культивирование микроорганизмов. — М. — 1976. — с. 5−75.
• 7. Буймова С. А., Бубнов А. Г., под ред. Бубнова А. Г. Комплексная оценка качества родниковых вод на примере Ивановской области //; Иван. гос. хим.-технол. ун-т. — Иваново, 2012. — 154 с.
• 8. Серпокрылов Н. С., Петренко С. Е., Борисова В. Ю. Повышение эффективности и надежности очистки сточных вод на разных стадиях эксплуатации очистных сооружений // Инженерный вестник Дона, 2013, № 2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2013/16/.
• 9. Серпокрылов Н. С., Кожин С. В., Тайвер Е. А. Очистка сточных вод бассейнов для содержания ластоногих до норм оборотного водоснабжения // Инженерный вестник Дона, 2011, № 1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2011/380/.
• 10. Коваленко Н. С., Минченков Ю. В., Овсеец М. И. Высшая математика. — Мн.: ЧИУП, 2003. — 32 с.
• 11. W. Miller, O. Patzel, H. Joachim Back, H. Wagner. Anlagenmechanikfur Sanitar-, Heizungs — und Klimatechnik Tabellenbuch Druck 3 // Westermann. Auflage 2012. — ss.325−330.