PODSTAWY BIOTECHNOLOGII

Metody unieszkodliwiania odpadów:

chemiczne;

biologiczne – prowadzą do zniszczenia, mikroorganizmy rozkładają wszystko do H

O i CO

BIOKATALIZATORY

mikroby (mikroorganizmy) – bakterie, grzyby

•

róŜny metabolizm;

technologie związane z roślinami (technologia trzcinowa) – oczyszczalnie oparte na trzcinach;

biokatalizatory – enzymy.

Enzymy – związki, które katalizują wszystkie reakcje na Ziemi (w komórkach, roślinach)

regulują przebieg procesów Ŝyciowych (są to białka, bez nich nie ma nic).

Kataliza – jeśli energia aktywacji wysoka – musimy dodać energię.

Katalizatorem nazywa się substancję, która zwiększa szybkość reakcji lecz sama nie ulega przemianom –
budowa i właściwości katalizatora po reakcji są takie same jak przed reakcją (obniŜa E

akt

W reakcji mogą wziąć udział tylko te cząsteczki, które zawierają odpowiedni zasób energii swobodnej, tzn.
znajdują się w stanie aktywnym. Substraty mogą przekształcić się w produkty wówczas, gdy energia swobodna
stanu aktywnego jest większa od energii swobodnej produktów E

W  temperaturach  występujących  w  przyrodzie  odpowiednio  wysoki  stan  aktywny  ma  niewiele  cząstek,  stąd
większość reakcji zachodzi z małą szybkością albo wogóle nie moŜe zajść.
Konieczne  jest  dostarczenie  określonej  ilości  energii,  aby  cząsteczki  substratu  podnieść  z  ich  podstawowego
poziomu energetycznego na poziom odpowiadający barierze energetycznej.
Mianem  energii  aktywacji  nazywa  się  najmniejszą  ilość  energii,  którą  trzeba  dostarczyć  jednemu  molowi
substratu, aby stał się reaktywny.
Dwie moŜliwości zwiększenia szybkości reakcji:

dostarczenie dodatkowej energii, zwykle w postaci ciepła;

obniŜenie bariery energetycznej reakcji.

Katalizatory obniŜają barierę energetyczną reakcji, a tym samym energię aktywacji.
ZaleŜność między E

akt

a szybkością reakcji:

akt

Połowiczny czas reakcji

62,7

125,4

0,007

384

•

Enzymy to białka

Białka – polimery złoŜone z aminokwasów (aminokwasów 2D – duŜo moŜliwości)

•

Enzym – białko lub białka powiązane z innym elementem niebiałkowym (kofaktor)

Kofaktorami mogą być niskocząsteczkowe związki organiczne lub jony nieorganiczne. Są one obecne w centrum
aktywnym enzymu [ich obecność jest niezbędna do utrzymania aktywności katalitycznej centrum aktywnego
enzymu].
WyróŜnia się 3 typy kofaktorów:

koenzymy, związki organiczne;

grupy protetyczne, ściśle związane z białkiem;

jony metalowe.

HOLOENZYM = APOENZYM + KOFAKTOR

Apoenzym i kofaktory współdziałają ze sobą w katalizie reakcji chemicznych.
Ten sam kofaktor (koenzym) moŜe wchodzić w skład wielu róŜnych enzymów i moŜe katalizować odmienne
reakcje chemiczne. MoŜe być jednak tak, Ŝe obecność danego koenzymu wiąŜe się tylko z katalizą jednego
rodzaju reakcji. Mówimy wówczas o swoistości enzymu.

•

zwykle enzymy przekształcają tylko określone wiązania.

Rodzaje specyficzności:

specyficzność wobec jednej reakcji chemicznej;

specyficzność wobec jednego substratu (duŜo bardziej pogłębiona)

•

Enzymy powodują degradację wiązania (w przypadku polimerów – depolimeryzacja)

Szerokie spektrum aktywności jest potrzebne, bo rozłoŜy więcej polimerów.
Wiele koenzymów to witaminy:

tiamona – witamina B

pirydoksal – witamina B

Witaminy powodują syntezę enzymów.

Metaloproteiny – białka zawierające jon metalu, np.: Zn

, Mg

, Fe

, Cu

, Na

Budowa białek.
Masa cząsteczkowa moŜe wynosić od kilkuset do kilkuset tysięcy.
RozróŜniamy:

•

struktura pierwszorzędowa – sekwencja kolejnych aminokwasów w cząsteczce (polipeptydzie)

peptyd – kilka aminokwasów
polipeptyd – wiele aminokwasów.

•

struktura drugorzędowa:

w formie helisy

w formie harmonicznej (nitki polipeptydów ułoŜone równolegle w harmonijkę).

•

struktura trzeciorzędowa:

kłębuszek (pojawia się tutaj centrum aktywne; nie mówi się o polipeptydzie, ale białku)

Wszystkie enzymy są globulinami – kształt kulisty.
Centrum aktywne = 3-5 aminokwasów, sztywno ułoŜone. Reszta stabilizuje połoŜenie tych aminokwasów.

•

struktura czwartorzędowa

kilka połączonych kłębuszków (podjednostki)

Rola enzymu:

aktywność enzymatyczna – jest to zmierzona szybkość reakcji (określamy ubytek substratów lub
przyrost produktów w czasie); lepiej mierzyć pojawianie się małych cząsteczek z duŜych polimerów.

Jednostka aktywności – 1 j.a. – ilość mikromoli produktu utworzonych w czasie 1 min reakcji przebiegającej
w optymalnych warunkach.
Jednostkę aktywności odnosimy do:

1 g lub

1 ml roztworu, w którym ten enzym się znajduje, np.: enzymy w proszku do prania lub w człowieku.

„Optymalne warunki” – w jednakowych warunkach.

•

albumina bydlęca – do określonej szybkości reakcji (jakiejkolwiek)

w cząsteczce białka moŜe być 1 lub kilka centrów aktywnych

bywają centra przesłonięte.

•

inŜynieria białkowa – bada dokładną strukturę przestrzenną białek, bada się czy centra są
przesłonięte czy nie. Odcina się nić enzymu nad centrum.

wszystkie enzymy są rozpuszczalne w wodzie (woda jest podstawowym medium, w którym działają
enzymy; bakterie połykają cząstki o stopniu polimeryzacji = 2 czasem 3).

liczba obrotów – ile razy enzym moŜe utworzyć kompleks i rozpaść się (liczba stała dla danego enzymu; ile
cząstek moŜe zmodyfikować w najbardziej optymalnych warunkach).

Inhibicja – hamowanie.

Inhibitory – hamują reakcję.
Inhibicja enzymów – rodzaje:

współzawodnicza (kompetencyjna) – substrat i inhibitor współzawodniczą o dostęp do centrum
aktywnego. Konieczne jest duŜe podobieństwo strukturalne obu cząsteczek. Zwiększając stęŜenie
jednego z „rywali” moŜemy zwiększać jego szanse wiązania się z centrum.

niewspółzawodnicza – inhibitor jest wiązany przez enzym w innym miejscu, poza centrum aktywnym.
Dochodzi wtedy do odkształcenia cząsteczki enzymu, tak, Ŝe substrat nie moŜe się związać z aktywnym
centrum. Zmiana stęŜenia substratu nic nie daje, gdyŜ nie zwiększa się szansa jego przyłączenia.

hamowanie przez substrat i przez produkt – niekiedy przy zwiększonym stęŜeniu substratu nie
następuje zwiększenie szybkości reakcji, gdyŜ prawdopodobnie cząsteczki substratu przyłączone do

centrum nakładają się na siebie, co utrudnia reakcję. DuŜe stęŜenie produktów faworyzuje z kolei
reakcja w odwrotnym kierunku.

Denaturacja białek – wszechobecna, zaleŜy od temperatury, powyŜej 80

C zachodzi gwałtownie,

zachodzi teŜ w niskich temperaturach.

Czynniki wpływające na aktywność enzymów:

stęŜenie substratu i stopień jego rozpuszczalności – rozpuszczalność: większe prawdopodobieństwo
zajścia reakcji (zetknięcie się 2 cząsteczek)

temperatura reakcji – minimalna, optymalna, maksymalna; przyspieszenie reakcji [waŜne, by optimum
buło przesunięte w kierunku niskich temperatur – działają tu enzymy z niskimi temperaturami -
psychrofile].

Ekstremalne warunki:

Ekstremofile – wytrzymują wysokie temperatury, np. w gejzerach, wulkanach – termofile.

Halofile – lubiące sól.

Alkalofile – w skrajnie zasadowych pH.

Acidofile - w skrajnie kwaśnych pH.

•

stęŜenie jonów wodorowych (pH)

min., opt., max.

punkt izoelektryczny – białko ma ładunek elektryczny 0 (pH 4,8-4,9 dla większości białek)

siła jonowa roztworu (zasolenie – sole mineralne, chlorki, siarczany...)

stała dielektryczna środowiska

obecność inhibitorów i czynników denaturujących (metale cięŜkie)

obecność kofaktorów i aktywatorów.

Synteza enzymów

•

ekspresja informacji genetycznej

•

geny kodują białka – enzymy (regulacja naszego metabolizmu). W genach zakodowane są
katalizatory.

•

geny zapisane są w kwasach nukleinowych

DNA ulega replikacji – podwojeniu.

GENOM – całość genów (geny zawarte w kwasach nukleinowych stanowią odcinki kwasu. Jest rozdzielony
między 2 potomne komórki. MoŜe dojść do błędów – MUTACJA, mutanty).

Gen decyduje syntezą 1 białka. Informacja jest przepisana na inną cząsteczkę.
m  RNA  –  TRANSKRYPCJA  (w  komórce).  Taka  kopia  w  formie  DNA  odrywa  się  od  jądra,  przechodzi  do
cytoplazmy.  Tam  –  rybosomy.  Kwas  RNA  przechodzi  przez  rybosomy,  one  odczytują  informację.  Powstają
polipeptydy.

•

Geny regulujące przemianę np. laktozy:

kaŜdy szlak metaboliczny moŜe zajść jeśli jest komplet biokatalizatorów

biokatalizatory kodowane przez zestaw genów (dotyczą 1 przemiany metabolicznej) – OPERON (grupa
genów kontrolnych przez wspólny system regulujący)

część genów nie koduje białek, ale pełni role regulatorowe, są to:

R – regulator
P – promotor
O – operator
t – terminator.

terminator – pełni rolę kropki w zdaniu, cała informacja zawarta między 1 a 2 terminatorem.
regulator – poza kompletem genów, nie kontrolowany.

Tylko GENY STRUKTURALNE kodują białka (enzymy); (z, y, a).

3 enzymy kodujące:
- gen dla

- galaktozydazy

z – rozbija na 2 kawałki

permeazy

y – odpowiada za wprowadzenie cukru do komórki

transacetylazy

a – modyfikuje laktozę

•

laktoza = glukoza + galaktoza (wiązanie

- 1,4 – glikozydowe)

y – permeaza – odpowiedzialna za wprowadzenie cukru do komórki
a – modyfikuje laktozę
z – rozbija na 2 kawałki

•

regulator – znajduje się poza układem produkuje białko REPRESOROWE. Represor ma duŜe
powinowactwo do operatora, przyłącza się do niego (blokuje go). UniemoŜliwia to przyłączenie
polimerazy RNA do promotora.

•

promotor – wiąŜe inne białko (polimerazę), które potrafi przepisać te 3 geny na RNA. Polimeraza
przyczepia się do promotora.

CAMP – cykliczny AMP adenozynomonofosforan (produkowany w komórce; magazyn energii).

aktywuje białko CAP – przyłącza się do promotora, a do tego polimeraza się przyłącza. Ta polimeraza
zaczyna się przesuwać do przodu; gdy dojdzie do genów strukturalnych – przepisuje informację z DNA
na RNA. Jeśli blokuje ją represor informacja nie moŜe być przepisana – STAN UŚPIENIA. (30 tys.
genów w człowieku). Wszystkie w organizmie są zablokowane przez represor.

jeśli w środowisku jest glukoza, nie produkowane są enzymy.

glukoza – najłatwiej przyswajalny związek, ulega utlenieniu, zyskiem ze spalenia jest 36 ATP (Ŝaden
inny nie jest potrzebny, wszystkie geny są uśpione). [tzw. REPRESJA KATABOLICZNA; pojawienie
się glukozy blokuje syntezę AMP. Jeśli nie produkuje AMP, polimeraza nie moŜe przyłączyć do białka]

pojawia się laktoza – ma większe powinowactwo do białka represorowego, niŜ operator. Przechwyca
represor (staje się on nieczynny), moŜe być, (INDUKCJA – pojawienie się substratu indukuje syntezę
enzymu; informacja, przepis, produkcja enzymu).

gdy kończy się glukoza: CAMP aktywuje białko CAP

→

do promotora. Polimeraza przyczepia się do

promotora, przesuwa się dalej, kopiuje informacje z genów strukturalnych w postaci RNA.

(znikła glukoza, została laktoza)

przy braku glukozy następuje synteza CAMP.

aktywuje ono białko CAP.

powoduje to, Ŝe CAP przyłącza się do promotora. Jest to warunek sine qua non
(konieczny) przyłączenia się polimerazy.

równolegle z tym laktoza, która pojawiła się w komórce, przechwytuje białko represorowe i odciąga je
od operatora.

dzięki temu następuje odblokowanie polimerazy, moŜe się ona przesuwać w prawo i rozpocząć
kopiowanie informacji z DNA na RNA i umoŜliwić syntezę 3 enzymów w rybosomach
(przeznaczonych do rozkładu laktozy).

laktoza pełni w tym przypadku rolę induktora – indukuje syntezą białek przeznaczonych do jej
rozkładu. Wszystkie pozostałe operony są zablokowane przez inne białka represorowe i pozostają

w uśpieniu.

Wpływ róŜnych rodzajów indukcji na syntezę enzymów.

np.: enzym celufaza indukowany przez celulozę, celobiozę, laktozę (laktoza ma takie same wiązania jak

celuloza), więc: niekiedy induktorami mogą być substancje zawierające jakieś charakterystyczne wiązanie.

Interfaza – induktorem: celuloza, monopalmitynian sacharozy (100 x większa aktywność (cukier

inwertowany – sztuczny miód). Łączenie z kwasami tłuszczowymi podwyŜsza aktywność enzymów.

Wykorzystanie enzymów:

detergenty (np. proszek do prania zawiera lipazy – rozkładają tłuszcze i profeazy – rozkładają białka

starch (skrobia): maltodekstryny – po rozbiciu skrobi; syropy glukozowe i maltozowe – słodziki

dainy (mleczarstwo) – ścinanie kazeiny (z niej sery białe, Ŝółte)

tekstylia: wełna – białko (dlatego nie moŜna prać na gorąco bo białko denaturuje); bawełna – cotton
(czysta celuloza)

inne (aplikacje związane z ochroną środowiska):

•

oczyszczanie gleby z ropopochoodnych

mikrobami produkującymi biodetergenty,

powierzchniowa emulgacja tych substancji ropopochodnych

•

preparaty do szamb (mieszaniny bakterii i enzymów)

•

zwiększanie przepustowości oczyszczalni

alkohol: napój, silniki samochodowe

wino i sok – do klarowania

piwowarstwo

piekarstwo – by cukry w mące przeprowadzić w (...)

Głównymi kryteriami wyboru enzymu są:

specyficzność substratowa enzymu – na jakie substraty działają.

optimum pH – gdzie jest max aktywność.

optimum temperaturowe

↑

T ,

↑

szybkości reakcji do pewnego momentu.

termostabilność.

Mikroorganizmy produkujące enzymy

SCREENING enzymów – analiza przesiewowa (screen – sito; szukanie enzymów o wybitnych
zdolnościach); np. w lesie – mikroby rozkładające skrobię.

I. Pobieramy próbkę.

wylewamy na płytki Petriego.

powstają kolonie.

z 1 komórki wyrasta 1 kolonia.

potrafią robić duŜo amylaz.

wprowadzamy do poŜywki skrobię (ale tam są inne składniki - dajemy coraz więcej skrobii).

przeprowadzamy „pasaŜe”, zostaną tylko te, które rozkładają skrobię (zdolne do syntezy amylaz).

inkubujemy je wcześniej w 50

C – zostają mikroorganizmy termofilne potrafiące rozkładać skrobię.

II. Szukamy testu (jod w KJ – płyn Lugola).

te bakterie na płytce Petriego wkładamy do inkubatora, powstają kolonie.

na kaŜdą płytkę Petriego nalewamy płyn Lugola, następuje reakcja barwna.

skrobia + płyn Lugola = niebieski (mało enzymów rozkładających skrobię.

duŜo enzymów – większa zdolność amylolityczna, bo cała skrobia została rozłoŜona i wyŜółciła
preparat.

III. Hodowle mikroorganizmów w kolbach Erlenmayera.

dodajemy skrobię, minerały.

umieszczamy na wytrząsarce (korek z waty, napowietrza się).

po zakończeniu hodowli robimy analizy chemiczne:

•

ile skrobi na początku, ile na końcu.

•

jakie cukry się pojawiły.

•

jaka aktywność enzymów.

IV. Identyfikacja.

musimy się dowiedzieć, czy ten mikroorganizm nie jest patogenny (chorobotwórczy); sprawdzamy czy
jest na liście takich mikrooraganizmów – jeśli tak – odrzucamy.

identyfikujemy następne (vice-mistrza), jeśli tak:

V. Podrasowujemy go; metody:

mutagenizacja – działamy mutagenami (czynniki mutacyjne), np.: promieniowanie UV, względnie związki

chemiczne niszczące DNA (głównie pochodne guanidyny), np. HNO

Dodajemy  taką  dawkę  mutagenu,  by  99,7 %  zginęło,  a  0,3 przeŜyło.  Są  to  mutanty.  Mutacje  są
nieprzewidywalne.  Dla  nich  powtarzamy  procedurę,  sprawdzamy,  czy  powstają  gorsze  czy  lepsze.  Czasem
100 mutacji.  Jeśli  mutant  jest  stabilny  po  roku,  moŜemy  się  cieszyć  (czasem  potrafią  się  odrodzić  po  tych
mutacjach).
2

inŜynieria genetyczna – polega na świadomym wprowadzaniu genu z 1 mikroorganizmu do 2. Pobieramy gen

z mikroorganizmu kłopotliwego, wymagającego (o bardzo dobrych zdolnościach) do taniego, łatwego
w hodowli mikroorganizmu. MULTIPLIKUJEMY ten gen.

Główne grupy enzymów. (1 + 3 najwaŜniejsze)

Oksydreduktazy np. związki aromatyczne, cykliczne.

A (utleniacz) + B (reduktor) = A (zredukowane) + B (utlenione)

Transferazy

Ax + B = A + Bx

Hydrolazy

A – B + H

O = AH + B-OH

Liazy

C – XY = C-X + Y

Izomerazy

B = B

Ligazy

A + B = AB

OKSYDOREUKTAZY

Dysmutazy nadtlenkowe

Posiadają w swoich centrach, jako grupy prostetyczne aktywne jony: Fe, Mn, Ni lub Cu + Zn (są
meteloproteinami). Najszerzej spotykane są dysmutazy zawierające Fe lub Mn.

Mn – dysmutazy: Propionibacterium sp., Thermus thermophilus.
Fe – dysmutazy: Propionibacterium sp., Mycobacterium vaccae, E. Coli, Pseudomonas oralis.

Występują powszechnie u mikroorganizmów tlenowych. Rozkładają anionowe ponadtlenkowe H

do tlenu

cząsteczkowego i nadtlenku wodoru i w ten sposób chronią organizmy przed niszczącym działaniem rodników
ponadtlenkowych.

wolny rodnik – atomy lub cząsteczki posiadające na zewnętrznej orbicie pojedynczy elektron.
DąŜąc  do  przyłączenia  lub  oddania  elektronu  wykazują  duŜą  aktywność  chemiczną  UTLENIAJĄC  kaŜdy
związek,  z  którym  mają  kontakt.  Preferowanym  obiektem  „ataku”  rodników  są  związki  zawierające  podwójne
wiązanie. U organizmów Ŝywych system ten jest zabójczy – skuteczną obronę stanowi GLUTATION.

Toksyczne rodniki ponadtlenkowe tworzą się w czasie cyklu redukcji chinonu.

!"#$%$

&'()*+,-,

.......

"'&2%!"#$%$

redukcja

"'&2%!"#$%$

4,,-,

....

(7)#!"#$%$

2%&$#

utlenianie

(7)#!"#$%$

&'()*+,-,

.......

!"#$%$

2%&$#

utlenianie

Uwolnione rodniki ponadtlenkowe działają, jako czynniki redukujące lub utleniające i w ten sposób biorą udział
w rozkładzie ligniny, np. przez rozcinanie pierścieni, demytylację, itp. System ten rozkłada wiele innych
związków aromatycznych. Rodnik ponadtlenkowy moŜe działać jako czynnik utleniający, tworzący wysoko
reaktywny jon Mn

•

+ Mn

+ 2H

→

+ H

lub jako czynnik redukujący Ŝelazo z uwolnieniem tlenu cząsteczkowego:

•

+ Fe

→

+ Fe

Dalej, 2-wartościowe jony Ŝelaza wchodzą w reakcję z nadtlenkiem wodoru i tworzą ekstremalnie reaktywne
rodniki hydroksylowe:

+ H

→

+ HO

•

+ OH

(reakcja Fentona)

Rodniki ponadtlenkowe mogą takŜe tworzyć rodniki hydroksylowe:

•

+ H

→

•

+ OH

+ O

(reakcja Hober-Weisa)

Rodniki ponadtlenkowe w połączeniu z duŜą ilością uwalnianego tlenu oraz wespół z rodnikami
hydroksylowymi tworzą system OKSYDO-REDUKUJĄCY rozkładający wiele związków pierścieniowych.
System ten jest jednak zabójczy dla organizmów Ŝywych, dlatego produkują one dysmutazy w celu neutralizacji
tych rodników:

235

295

&'()*+,-,

....... 9

Ogólnie zostało zaakceptowane, iŜ u wszystkich dysmutaz jon metalu (M) katalizuje reakcję dysmutacji
rodników ponadtlenkowych na drodze cyklicznego mechanizmu redukcyjno-utleniającego:

+ O

•

→

+ O

•

+ 2H

→

•

+ H

Usuwanie nadtlenku wodoru przeprowadza katalaza:

,+,4,-,

..... 39

3 3

Peroksydazy – to enzymy katalizujące utlenianie nadtlenkiem wodoru róŜnych substratów, w tym

aromatycznych. W reakcji dochodzi do redukcji nadtlenków. Peroksydazy zawierają w swojej cząsteczce Fe, Mn
lub Se. Najpierw tworzony jest kompleks Ŝelaza z wodą a następnie utlenianie donatora wodoru AH

produktu A. Donatorami wodoru mogą być łańcuchy alifatyczne:

O) + H

→

) + H

) + AH

→

(OH) + AH + H

AH + Fe

(OH)

→

O) + A

Inhibitorami peroksydazy są cyjanki, azydki, hydroksyloamina, NO i H

S. Do najbardziej znanych enzymów

z tej grupy naleŜy PEROKSYDAZA GLUTATIONOWA, odkryta w 1970 r. Jest to enzym zaleŜny od Se, gdyŜ
selen, jako jedyna grupa prostetyczna, wchodzi w skład centrum aktywnego w formie selenocysteiny. Enzym ten
ma 4 identyczne podjednostki.

PEROKSYDAZA  LIGNINOWA  (Fe)  katalizuje  wiele  reakcji  utleniania  w  alkilowym  łańcuchu  bocznym
związków  ligninowych.  Do  utleniania  potrzebuje  nadtlenku  wodoru.  Rozrywa  wiązania  C

-C

w łańcuchach

bocznych, wiązania eterowe i utlenia benzylowe grupy alkoholowe do ketonów lub aldehydów. Przy utlenianiu
ligniny peroksydaza współdziała z alkoholem weretrylowym.

Oksydaza cytochromowa – enzym z grupy oksydaz zawierający Fe i Cu, uŜywający tlen jako akceptor

wodoru. Stanowi ostatnie ogniwo łańcucha oddechowego. Znana jest pod nazwami „kompleks cytochrom a”
i „cytochrom a

”. Występuje u wszystkich organizmów tlenowych.

Monoksygenazy – katalizują wbudowanie jednego atomu cząsteczkowego tlenu do substratu, podczas
gdy 2 jest redukowany do wody.

Dioksygenazy – katalizują wbudowanie 2 atomów cząsteczkowego tlenu (z atmosfery) do substratu.
Substratami są często katechol i kwas protokatechinowy. Przy wbudowaniu tlenu do cząsteczki zostaje
rozerwany pierścień aromatyczny. W ten sposób następuje rozerwanie pierścieni benzenowych,
katecholowych i innych.

Lakkaza – jest oksydoreduktazą. Produkują ją grzyby, szczególnie tzw. „białej zgnilizny drewna”.
Katalizuje utlenianie takich monofenoli jak fenol, tyrozyna, naftol i krezol oraz utlenia difenole a takŜe
kwas indoliooctowy i askorbinowy. Fenole zawierające dłuŜsze łańcuchy boczne są lepszymi
substratami. Kompleksy:

Enzym-Cu

+AH

Enzym-Cu

+ (AH

)

Enzym-Cu

+ Cu

+ O

+ H

Enzym-Cu

+ H

– substrat;

(AH

)

- substrat utleniony

HYDROLIZA

SKROBIA + polimer glukonowy.

Dwie funkcje: liniowa amyloza (

-1,4-glikozydowe wiązania) i rozgałęziona amylopektyna (

-1,4 i

-1,6

boczne rozgałęzienia).
Kompleks enzymów amylolitycznych obejmuje:

-amylaza – tnie na duŜe kawałki gdzie popadnie (chaotycznie)

-amylaza – odcina od nieredukującego końca dwucukier (maltozę)

glukoamylaza – odcina od końca po 1 glukozie

pullulanaza i izoamylaza – odcinają wiązania boczne

-1,6. Działają synergistycznie (1 wspomaga 2).

Efektem jest powstanie glukozy.

Celuloza – równolegle ustawione łańcuchy tworzą kryształy zwane fibrylami. Obszary krystaliczne

praktycznie nierozkładalne [atak enzymatyczny następuje tylko w obszarach amorficznych (bezpostaciowych)].

Kompleks enzymów obejmuje:

endoglukanaza

celobiohydraza – odcina dwucukier (celobioza), który jest rozkładany do glukozy przez CELOBIAZĘ

egzoglukanoza – odcina po 1 glukozie.

Celuloza jest bardzo trudna do hydrolizy. Przygotowuje się ja przez:

moczenie w 4% NaOH lub Ca(OH)

lub NH

OH, względnie w rozcieńczonych kwasach

parowanie pod ciśnieniem z dodatkiem alkaliów.]

Budowa komórki:
Procariota – bez jąder: bakterie, sinice
Eucariota – z jądrem komórkowym otoczone błoną komórkową

Ch – chromosom, w nim cała informacja genetyczna
P – plazmidy (małe pierścienie zbudowane z DNA)
posiadające swoją informację genetyczną
W – wakuole

Eucariota:

reticulum endoplazmatyczne

aparat Golgiego

mitochondria

chloroplasty

plasmodesmy

wakuole

błona plazmatyczna

ciana komórkowa

cytoplazma

mikrokanaliki

krople tłuszczu

•

DNA – największe cząstki chemiczne (ogromne, długie łańcuchy)

Budowa:

nukleotyd: - grupa fosforanowa PO

cukier (dezoksyryboza)

zasady purynowe (tylko zasady purynowe, róŜne)

sekwencja nukleotydów (szkielet fosforanowo – cukrowcowy) + zasady azotowe

•

Zasady azotowe:

•

ZaleŜnie od rodzaju zasady: ATGGC

•

A-T; C-G w parach występuje wysokie powinowactwo chemiczne

•

Kwas nukleinowy zwykle postać 2-niciowa helisa

•

Formy występowania cząsteczek DNA

- liniowa

- kolista otwarta (2 pojedyncze cząsteczkowe (oc)

- kolista superkręcona (ccc)

•

Przy rozdziale nici dobudowuje się 2 nitka na zasadzie komplementarności.

•

Replikacja DNA

białko  helikaza  przyczepia  się  do  widełek  replikacynych  –  jego  zadaniem  jest  rozplecienie  podwójnej
helisy  (przesuwa  się  wzdłuŜ  łańcucha).  Do  mostka  dołącza  się  primaza;  syntetyczny,  krótki  odcinek
RNA,  jako  starter.  Polimeraza  dobudowuje  do  RNA  nić  DNA  (na  prawej  nici  dobudowywane  są
krótkie odcinki, na lewej w sposób ciągły; słuŜą, jako starter)

primer DNA zostaje usunięty dzięki egzonuklearnej aktywności polimerazy, a powstała luka zostaje
wypełniona przy udziale aktywności polimerazycyjnej tego enzymu

ligaza DNA odtwarza wiązanie fosfodiestrowe (2 – prawa nić jest nieciągła)

•

Jakikolwiek błąd w zapisie powoduje mutację

•

Właściwości kodu genetycznego:

informacja genetyczna zapisana w DNA jest transkrybowana (przepisana) do m-RNA i ujawnia się
w formie łańcucha polipeptydowego syntetyzowanego w procesie translacji (kaŜda 3 nukleotydów –
triplet koduje inne aminokwasy; transkrypcja informacji genetycznej to synteza białka)

COOH-NH

– wiązanie peptydowe

kod zapisu aminokwasów ma charakter 3: 3 zasad m-RNA determinuje przyłączenie 1aminkwasu

zasady 1 trójki nie biorą udziału w funkcjonowaniu 3 sąsiednich (niezachodzący)

kod jest bezprzecinkowy (nie istnieją nukleotydy spełniające rolę znaku przystankowego
oddzielającego kodony)

znak startu (metionina i końca (3 bezsensowne)reguluje translację peptydów)

kod jest wieloznaczny (kaŜdy aminokwas moŜe być kodowany przez pewną liczbę trójek zasad

kod jest uniwersalny dla wszystkich organizmów Ŝywych.

•

W komórkach bakterii oprócz chromosomów są PLAZMIDY

bakterie tego samego gatunku są zróŜnicowane (jedne mają plazmid – komórki F

; inne nie F

komórki z czynnikiem F

→

ma on tendencję do włączania się do chromosomu:

→

kon. Hfr.

Plazmid pełni funkcję czynnika powodującego wymianę genów między komórkami. Zjawisko to
KONIUGACJA.
3 nić zostaje rozłoŜona przez enzymy:

jest to naturalna wymiana genów między plazmidami

geny zawarte w plazmidach

kodują one:

→

bakteriocyny – drobne białka produkowane prze bakterie fermentacji mlekowej. Potrafią się przyłączyć do

innej komórki, która ginie. Jest to broń skierowana w stosunku do sąsiadów, walka o pokarm

→

antybiotyki – białka/nie-białka, działają w większym zasięgu drobnoustrojów

→

enzymy potrafiące rozłoŜyć antybiotyki (nie mają tego inne komórki i giną); oporność na antybiotyki

→

oporność na nadfiolet

→

wytwarzanie enterotoksyn

→

czynniki zjadliwości wytwarzanie hemolizyny

→

nowotwory roślin

→

restrykacja, modyfikacja

•

Mapa genetyczna

II TRANSDUKCJA

związana z wirusami

wirusy bakterii – bakteriofagi

ATAK WIRUSA:

płytka omiata się do powierzchni
komórki i sprawdza czy jest tam
receptor.

Jeśli

płytka

znajdzie

receptor, mocno się przyczepia

połączenie

płytki

receptorem

powoduje

powstanie

centrum

enzymatycznego.  To  centrum  działa
na  komórkę  powodując  hydrolizę  –
powstaje  dziura.  Cała  zawartość
wirusa

zostaje

wstrzyknięta

komórki.

Następuje

zakaŜenie

bakterii wirusowym DNA. Teraz:

Jeśli wirus jest agresywny (złośliwy) potrafi
wykorzystać aparat enzymatyczny komórki by
rozłoŜyć wszystkie polimery w komórce
(białka

–

aminokwasy).

Następuje

depolimeryzacja  duŜych  polimerów.  Dalej
następuje  synteza  poszczególnych  elementów
wirusa.  Oddzielenie  syntez.  Zaczyna  się
namnaŜanie wirusa:

składanie wirusów

do główki wprowadza DNA, ogonek, płytka, główka. Pod koniec składania wytwarzają one LIZOSOM
– rozpuszcza ściany kom. bakterii. Z tej komórki wypływają wirusy i atakują następne komórki.

Jeśli wirus jest łagodny:

włączają się do chromosomu bakterii (DNA). MoŜe tkwić w komórkach przez setki pokoleń i nic im
złego nie robi. Jak wystąpi czynnik STRESOWY wtedy zdarzy się coś złego, np.:

•

nagle opadnie w wysokiej temperaturze

•

pojawią się metale cięŜkie

•

duŜa dawka pokarmu

•

kancerogenny.

Wirus z łagodnego staje się złośliwy. Nagle z tego chromosomu się wycina i na ogół robi błędy – porywa ze
sobą kilka genów od gospodarza. Niszczy tą komórkę, namnaŜa się i atakuje inne komórki (wprow. komórki
z innego organizmu). MoŜe tam być łagodny.

jest 2 naturalną mat. przenoszenia genów.

III TRANSFORMACJA

jak komórka ginie, rozpuszcza się

fragmenty DNA w środowisku mogą zostać przez komórki przyłączone.

Strategia inŜynierii genetycznej

pozyskanie genu kodującego określoną cechę (wtedy, jeśli komórki mają niedostateczną syntezę)

gdy komórka ma niezłe geny, ale jest niekorzystna, wtedy pobiera się te geny i pakuje do innych
komórek

bakterie mlekowe

włączenie tego genu do genomu korzystnego dla nas mikroorganizmu. Wymaga to przygotowania
odpowiedniego wektora – konstrukcji (wektor = plazmid lub wirus – to, co nasz gen przeniesie do
2 organizmu)

wprowadzenie wektora do obcej komórki i integracja z chromosomem.

Zabiegi słuŜące do oddzielania DNA od innych składników komórki:

usuwanie białek na drodze ekstrakcji (fenol, chloroform – alkohol izoamylowy)

usuwanie białek przy uŜyciu proteaz (np. promazy)

usuwanie RNA przy uŜyciu rybonukleaz

wirowanie lizatu (po lizie) w gradiencie gęstości CsCl lub sacharozy

wytrącenie DNA za pomocą izopropanolu i etanolu

adsorpcja DNA na hydroksyapatycie

•

wirówki – superwirówki

Peptyd

RNA

OD
WR
OT
NA

TRAN
SKRY
PTA
ZA

DNA

aminokwas

-
-
-

nukleotyd
nukleotyd
nukleotyd

-
-
-
-
-
-
-
-
-

aminokwas

-
-
-

Wygodne to do ceny skutków manipulowania.

•

Synteza antybiotyków:

Chemiczna

(maszyny specjalne do
syntezowania genów –
krótkie odcinki)

Biochemiczna

(z odwrotną transkryptazą; najpopularniejsza):

rozcinamy plazmid

+ obcy gen

+ enzym ligaza, wkleja on do plazmidu obcy gen
w miejscu przecięcia.

Otrzymujemy  nowy  plazmid.  Wrzucamy  go  do  hodowli
bakterii. Są one wraŜliwe na 2 antybiotyk (giną od tego) –
takie  wybieramy.  Po  dodaniu  hodujemy  przez  taki  czas,
aby pojawiły się kolejne pokolenia. Wrzucamy te komórki
do  poŜywki  z  antybiotykiem  nr 2.  Jeśli  plazmid  uległ
włączeniu,  komórki  przeŜyją  (te,  które  przeŜyły  musiały
mieć  włączony  ten  plazmid).  Analizujemy  metabolity  tej
komórki.  Jeśli  jest  metabolit,  -  wprowadziliśmy  obcy
gen!, np. armata genetyczna.

Izolacja genów

(trzeba wiedzieć, który gen,
co koduje)

•

Organizmy modyfikowane genetycznie (GMO – genetycznie modyfikowany organizm)

ywność transgeniczna (z hodowli roślin modyfikowanych genetycznie)

→

ułatwienie rolnikom hodowli – herbicydy niszczą chwasty (odkaŜa się nimi glebę). Jeśli roślina odporna.

→

gen odporności na owady np. stonka (bakterie prod. endotoksyny niszczą jelita owadów)

→

np. pomidory

mięknięcie owoców spowodowane rozkładem pektyn

dochodzi do syntezy barwników.

W pomidorze:
-

zablokowano enzym powodujący rozkład pektyn

wprowadzono geny przyspieszające syntezę barwnika czerwonego

Inne:

do niektórych roślin wprowadzamy białko kobiece.

ZagroŜenia (dla nas)

mogą być, bo oprócz zamierzonych skutków teŜ inne białka mogą się tworzyć, np. alergeny lub
toksyczne

ale: badania, analizy szczegółowe

dla przyrody:

tak: pyłki roślin genetycznie zmodyfikowanych mogą zapylać inne rośliny spokrewnione (POZIOMY:
horyzontalny TRANSFER GENÓW), mogą powstać rośliny odporne na jakieś np. herbicydy.

Jak wykryć:

badamy czy w danej roślinie jest obcy DNA

badamy czy w danej roślinie jest obcy RNA

badamy czy w danej roślinie jest obce białko.

Analiza:

produkowane są sondy wykrywające geny, którymi najczęściej się manipuluje (producent musi
powiedzieć, jakiego plazmidu uŜył. Jak nie powie, nie jesteśmy w stanie tego wykryć).

HODOWLA DROBNOUSTROJÓW

tylko procesy mikrobiologiczne niszczą zanieczyszczenia (remediacje, fitoremediacje (...)).

Systematyka metod hodowli mikroorganizmów:

wg rodzaju poŜywki hodowlanej:

•

hodowle wgłębne (np. osad czynny)

•

hodowle w podłoŜach stałych (substrat jest nierozpuszczalny), np. kompostowanie

wg warunków natlenienia:

•

hodowle tlenowe, np. osad czynny czy złoŜa biologiczne

•

fermentacje beztlenowe biomas (fermantacja metanowa)

wg sposobu prowadzenia procesu:

•

hodowle okresowe (jednorazowe)

•

okresowo-dolewowe półciągłe

•

ciągłe (np. miejskie oczyszczalnie)

wg rodzaju kultury mikroorganizmów:

•

hodowle zawiesinowe, np. osad czynny

•

hodowle z unieruchomionymi komórkami (immobilizacjowanymi), np. złoŜa biologicznymi

Rośnie ich rola, oczyszczanie ścieków coraz częściej w zakładach.

1 – faza spoczynkowa
2 – faza logarytmiczna
3 – faza wzrostu stacjonarnego
4 – faza obumierania

Faza wzrostu utajonego
stęŜenie komórek x = const = x
szybkość wzrostu dx/dt = 0
właściwa szybkość wzrostu

= dx/dt

⋅

1/x = 0

(- w powietrzu, glebie są mikroorganizmy 80 % kału to bakterie: mezofile, psychrofile, termofile).

mikroorganizmy, gdy dostają się do poŜywienia, najpierw rozpoznają środowisko

pronina, alkohole hydroksylowe

zmiana ciśnienia osmotycznego środowiska, w którym się znalazły mikroorganizmy, powoduje, Ŝe
syntez. nowe enzymy, by mogły przeŜyć. Mijają godziny; muszą się dostosować, stąd: szybkość
wzrostu = 0.

właściwa szybkość wzrostu:
dx(g)/dt(h)

⋅

1/x = 1/h = h

-1

Ile g biomasy przyrośnie w jednostce czasu w stosunku do jednostki biomasy, która była na początku, np.:
0,15 h

-1

– ilość biomasy przyrosła 15 % na h.

Wzrost komórek:

faza wzrostu logarytmicznego.

TROFAZA
Ilość komórek bakteryjnych i droŜdŜowych wzrasta przez proste podziały od x

do x

= x

⋅

Szybkość przyrostu komórek ma postać linii prostej. W czasie wzrostu logarytmicznego właściwa szybkość
wzrostu przybiera wartość max i stałą:

max

= const

Kinetyką wzrostu kultury w przypadku braku czynników ograniczających opisuje MODEL MONODA

= (x

max

S)/(K

+ S)

gdzie:

max

– maksymalna właściwa szybkość wzrostu, cecha charakterystyczna mikrobów

x – stęŜenie Ŝywych komórek
S – stęŜenie substratu
K

– stała stęŜenia substratu, przy którym wzrost mikroorganizmu jest równy połowie maksymalnej właściwej

szybkości wzrostu.
Wartość K

jest charakterystyczna dla danego mikroorganizmu i dla danych warunków hodowli.

Skutki dla oczyszcz. ścieków:

szybciej oczyszczane na początku.

Przykładowe wartości maksymalnej właściwej szybkości wzrostu (

0,53 h

-1

0,36
0,12
4,24

Praktyczny bilans materiałowy hodowli tlenowej:

beztlenowce

Wzrost biomasy komórkowej

40-45 %

10 %

Produkcja metabolitów pozakomórkowych

10 %

40-45 %

Utrzymanie czynności Ŝyciowych

45-50 %

proces wolny

W warunkach beztlenowych proporcje te są znacznie zmienione.

Do biomasy dodaje się wapno.
Jak liczyć biomasę?
Bezpośrednie metody pomiaru biomasy:

liczenie komórek w hemacytometrze (komora Thoma) – na szkiełku podstawowym z wyrysowanymi 5-
liniami

liczba komórek tworzących kolonie (metoda płytkowa) – płytki Petriego. Z 1 komórki wyrasta
1 kolonia (liczymy tylko Ŝywe komórki)

cytometr przepływowy

pomiar mokrej biomasy (osad po wirowaniu)

pomiar suchej biomasy (po wysuszeniu).

Pośrednie metody pomiaru biomasy:

stęŜenie białka

stęŜenie kwasów nukleinowych

stęŜenie ergodterolu (tylko w grzybach wyst.)

pomiar zmętnienia – nelelometria, turbinometria (

↑

ilość b.

↑

mętność)

pomiar fluorescencji (ATP, NAD, DNA, białka (...) ; niektóre skł. komórek świecą)

stęŜenie metabolitów pierwszorzędowych

pobór tlenu (bakt.

↑

→

↓

tlen)

produkcja CO

wydzielanie ciepła (przy intensywnym oczyszczaniu i wzrostu mikr. rośnie temperatura –
r. egzotermiczna)

zmiany w przewodności elektrycznej poŜywki (sole dysocjują na jony, przykładamy ładunek. Mikroby
pobierają te mikroelementy, przewodność maleje)

zmiany lepkości poŜywki

zmiana barwy

zmiana ciśnienia osmotycznego

zmiana pH

Czynniki hamujące poj. się, to:

za mało:

•

kończy się poŜywka (teŜ tlen – czynnik limitujący)

•

brak źródła węgla, azotu

Pojawienie się czynnika powoduje osłabienie oczyszczania.

za duŜo:

•

droŜdŜe wytrzymują 15-18 % stęŜ. alkoholu

•

inne mikr. prod. toksyny.

Faza stacjonarna (IDIOFAZA)
Pojawienie się czynników ograniczających powoduje hamowanie wzrostu.
Najczęściej występujące czynniki ograniczające:

wyczerpanie cukru

zuŜycie azotu lub fosforu

brak rozpuszczonego tlenu

Model wzrostu w warunkach wystąpienia czynnika ograniczającego:

max

⋅

P/(K

+P)

– stęŜenie inhibitora (P), przy którym

= 0,5

max

Faza obumierania:

w komórkach pojawiają się pewne substancje zapachowe w formie ziarnistości

często komórki stają się agresywne

Zjawiska fizjologiczne:

zwolnienie podziałów komórkowych aŜ do ich zahamowania

gromadzenie substancji zapachowych (lipidów, węglowodanów i białek)

produkcja metabolitów wtórnych (antybiotyki, barwniki, witaminy, enzymy, toksyny komórkowe,
związki zapachowe, lipidy).

PROCES OKRESOWO – DOLEWOWY

Do zbiornika wprowadza się porcję ścieku, który podlega przemianom typowym dla procesu okresowego: faza
spoczynkowa. W momencie, gdy dochodzi do zwolnienia wzrostu komórek, wprowadzamy świeŜy ściek, co

powoduje spadek stęŜenia komórek, ale jednocześnie stanowi proces oczyszczania się wydłuŜa. W praktyce
proces uzupełniania (wymiany) części ścieku, moŜe być prowadzony przez długi okres.

PROCES CIĄGŁY
Warunek podstawowy:

= D

D – szybkość rozcieńczania (odwrotność czasu retencji), np.:
W ciągu 1 h wymieniliśmy 15% nowej poŜywki.

= 0,15 h

-1

– w ciągu 1 h urodziło się 15 % nowych komórek.

Razem ze zuŜytą poŜywką bioreaktora wypływa część komórek zawartych z odcieku. Aby moŜna mówić
o procesie ciągłym liczba komórek, które zostały wypłukane z poŜywką opuszczającą bioreaktor musi zostać
zrekompensowana przez nowe komórki.
Jeśli

D ilość komórek systematycznie wzrasta. Mają większy potencjał oczyszczania niŜ jest ścieków

(zabraknie im jedzenia) – niewykorzystany potencjał ścieków.

D – ilość komórek, które wypłynęły jest większa od tych, które napłynęły. Następuje wymywanie komórek.

ciek jest nieoczyszczony.

Hodowle na podłoŜach stałych:

musi się pojawić odpowiednia ilość wody

•

faza stała (matryca organiczna)

•

woda

→

wymiana masy między komórką Ŝywą a otoczeniem (metabolity, pokarm (...))

→

woda czasem wchodzi w reakcje, np. hydrolizy

→

4 struktury – 1,2,3,4 – rzędowe (3 – przestrzenna)

→

cząsteczki wody stabilizują przestrzenne uwodnienie.

Woda odgrywa w komórkach zasadniczą rolę metaboliczną:

jest rozpuszczalnikiem poŜywek

wpływa na pH i siłę jonową poŜywki

stabilizuje strukturę polimerów i determinuje ich aktywność

jest medium transportowym dla enzymów innych substancji chemicznych, np. poŜywek, metabolitów
komórkowych

reguluje ciśnienie wewnątrzkomórkowe (turgor)

wpływa na wymianę masy, w tym na aktywność kanałów jonowych

bierze aktywny udział w reakcjach hydrolizy

wpływa na kierunki metabolizmu

(dostosowanie metabolizmu do zmiany aktywności wody) a

zawartość wody i ciśnienie osmotyczne – parametry wykazujące relacje między wodą i substratem (opis
stanu wody w roztworach)

stęŜenia:

•

molowe

•

normalne

•

molalne (kg rozpuszczalnika – w nim 1 gramocząsteczka)

•

molarne

potencjał chemiczny, np.: zaprawa solna do śledzi – woda jest związana przez jony Na

i Cl

nie moŜe

przejść tak związana przez kanały w ścianie komórkowej mikrobów.

W roztworach rzeczywistych relacje między rozpuszczalnymi substancjami a polarnymi cząsteczkami wody
zaleŜą od stęŜenia substancji rozpuszczonych i ich charakteru jonowego. Dlatego teŜ w równaniu Raoulta naleŜy
uwzględnić współczynnik aktywności (

) subst. rozpuszczonej:

⋅

/(n

)

Aktywność wody jest miarą dostępności wody – opisuje związanie wody w układzie.
n

– ilość moli wody w 1 kg; n

= 55,51 (1000/cząst. wody)

– dodana substancja rozpuszczalna (ile moli), np. NaCl

- współczynnik aktywności – jak silny jest jon Na

i Cl

Aktywność wody określa proporcje między wodą zawartą w danym systemie biologicznym a wodą dostępną dla
reakcji biologicznych (biochemicznych) i reakcji chemicznych.
Prawo Raoulta dla roztw. idealnych:
a

/(n

+ n

) = P/p

/100

P – pręŜność par roztworu
p

– pręŜność par rozpuszczalnika (woda)

- wilgotność względna powietrza

– ilość moli rozpuszczalnika

– ilość moli substancji rozpuszczonej

Oznacza to, Ŝe a

czystej wody 1, natomiast a

całkowicie wysuszonego roztworu = 0.

Np.:
Oblicz a

roztworu po wprowadzeniu 1 mola substancji rozpuszczalnej do 1 kg wody.

= 55,51/(55,1 + 1) = 0,9923 (99 % stan nasycenia pary nad wodą)

Wilgotność wzgl. atmosfery w stanie równowagi termodynamicznej (

) jest liczbowo = a

substancji, które

w tej atmosferze długo przebywają
a

/100

Wielu mikrobiologów preferuje powyŜszą zaleŜność, gdyŜ łatwo jest dokonać pomiaru a

poprzez pomiar

wilgotności wzgl. powietrza w stanie równowagi z danym substratem wzgl. bezpośredni pomiar ciśnienia
(pręŜności) pary wodnej.

stała temperatura

2-3 tygodnie

przechodzenie  wody  następuje
do  czasu,  gdy  ustali  się  stan
równowagi,  wtedy  a

jest

∼

wilg. powietrza

(...) wody jest często mierzona przez:
POTENCJAŁ WODY (chem.)
Istnieje matematyczna zaleŜność między potencjałem wody a aktywnością wody:

= [ -RT ln qw/Vw = 2,303 RT log a

]/V

gdzie:
T – temp. Absolutna (

– objętość molowa wody [m

/mol]

Przykład obliczania potencjału wody dla roztworu molarnego (1 mol rozpuszczony w 1 l wody) w temp. 25

= [-2,303

⋅

8,313 (273 + 25) log 0,9823]/(0,01805

⋅

10-3) = 2,4 MPa (24 atm.)

↓

↑ϕ

NIE! Związek między ciśnieniem osmotycznym a a

oparty na molowym współczynniku osmotycznym.

Relacja między a

a rozmiarami kapilar ln a

= -2

M/rdRT

Woda jest związana z subst. rozpuszczonymi - ograniczenie dostępu wody do komórek.
! Wpływ aktywności wodnej podłoŜa na wzrost poszczególnych mikroorganizmów.

A  –  monowarstwa  wody  na  wszystkich  polimerach  (całość
materiału się nią pokryła)
B  –  pojawia  się  woda  wolna  –  punkt,  od  którego  moŜe  zacząć
się  Ŝycie  (medium  transportowe  umoŜliwiające  rozwój
mikroorganizmów).
Zaczynają  cię  reakcje  enzymatyczne,  pokarm  dla  rozwoju
mikrobów. Pierwsze pojawiają się grzyby. Bakterie muszą mieć
bardziej nawilŜone środowisko.
0,61 – graniczna a

, poniŜej której nie ma Ŝycia (Ŝaden mikrob

się nie rozwija). Minimalny poziom a

niezbędny do rozwoju

mikroorganizmów:

poniŜej 0,90 – bakterie raczej nie rosną

droŜdŜe 0,85

pleśnie 0,80

pleśnie kserofilne 0,65 (środowisko suche)

droŜdŜe osmofilne 0,61 (środowisko słone, brak wody)

Kompostowanie
Wykorzystanie odpadów komunalnych w Polsce.
W 1996 r. usunięto 46,45 m

stałych odpadów komunalnych, co stanowi 55 % masy wytwarzanych odpadów.

Wykorzystanie odpadów komunalnych jest niewielkie i sprowadza się do:

wytwarzania kompostu (218,6 tys. ton odpadów poddano kompostowaniu)

wykorzystania do celów energetycznych gazu wysypiskowego (produkcja energii elektrycznej)

wyselekcjonowania w systemie zbiórki i segregacji składników o charakterze surowców wtórnych:

•

papier, makulatura

•

opakowania szklane, stłuczka szklana

•

metale Ŝelazne i nieŜelazne

•

tworzywa sztuczne.

rednio w kraju wykorzystanie składników wyselekcjonowanych z odpadów komunalnych nie przekracza 0,5 %

ogólnej masy usuwanych odpadów.

Charakterystyka odpadów komunalnych:

odpady domowe

odpady z obiektów uŜyteczności publicznej

odpady z terenów zieleni

nieg i lód

urobek ziemny

gruz

odpady gospodarczo-bytowe.

Materiał wykorzystywany w produkcji kompostu:

surowiec powinien zawierać odpowiednio duŜą ilość substancji organicznej, która musi być większa niŜ
30 % i dostateczną ilość azotu, a takŜe brak związków toksycznych.

Do kompostowania stosuje się:

odpady komunalne

Zawierające 35-50 % składników organicznych. Pozostałą część masy stanowią róŜnorodne odpady mineralne
i tworzywa sztuczne. Szacuje się, ze w odpadach komunalnych znajduje się około 1 mln ton suchej masy
organicznej, która moŜe być kompostowana. Zawiera ona średnio ok. 1,5 % azotu.

masa roślinna z terenów zieleni miejskiej, rekreacyjnej i przemysłowej

Zieleń miejska i osiedlowa zajmuje ok. 65000 ha na terenie całego kraju. Przyjmując 5 ton rocznej produkcji
masy roślinnej z hektara otrzymujemy ok. 325 tys. ton surowca o zawartości ok. 1,5 % N.

odpady z zakładów przetwórstwa rolno-spoŜywczego

odpady z zakładów produkcji drewna i wyrobów

osady z biologicznego oczyszczania ścieków

Głównym źródłem osadów ściekowych są oczyszczalnie ścieków miejskich. Chemiczne właściwości osadów
z tych oczyszczalni są zbliŜone do osadów z miejskich oczyszczalni ścieków. Do nawoŜenia gleb
najkorzystniejsze są osady ze ścieków przemysłu rolno-spoŜywczego. Osad czynny – dobry, bakterie.

Warunki kompostowania:

odpowiedni skład chemiczny materiału wyjściowego

odpowiedni stosunek węgla organicznego do azotu (C:N) – materiał wyjściowy C:N = 17-30:1

gotowy kompost C:N = 20-30:1

temperatura – pryzma zagrzewa się do 60-70

C. Utrzymanie tej temperatury przez kilka dni gwarantuje

pełną higienizację kompostu i zniszczenie organizmów chorobotwórczych

wilgotność – optymalny poziom zwilgocenia masy kompostowej z 40-50%

utrzymanie odpowiedniego pH (6,5-7,5)

napowietrzanie

rozdrobnienie materiału.

Podstawowe operacje technologiczne:

waŜenie i rejestracja (z archiwizacją) dowoŜonych odpadów z terenu miasta na składowisko

hala przyjęć i segregacji odpadów. Wyładunek dowoŜonych odpadów na platformę przyjęć oraz ich
załadunek za pomocą ładowarki kołowej na taśmę linii segregacji. Segregacja mechaniczna w sicie
i ręczna z podziałem na strumienie:

•

odpady mineralne o frakcji do 20 mm, kierowane na składowisko odpadów

•

odpady o frakcji powyŜej 100 mm, głównie odpady surowcowe i balastowe, kierowane są na
taśmę sortowniczą segregacji pozytywnej i negatywnej i dalej na składowisko.

Zagęszczenie na prasie wysegregowanych odpadów nieorganicznych bale o wymiarach 80x100 cm do
składowania.

Rozgraniczenie wysegregowanych odpadów organicznych.
Mieszanie wysegregowanych odpadów organicznych z osadami ściekowymi.

kompostowanie wysegregowanych i rozdrobnionych odpadów organicznych.

Wysegregowane  odpady  organiczne  po  rozdrobnieniu  i  zmieszaniu  z  osadem  ściekowym  przewoŜone  są
z oddziału  segrtegacji  za  pomocą  ładowarki  kołowej  do  miejsca  kompostowania  pod  wiatą  (ograniczenie
parowania). Miejsce to  wyposaŜone jest  w  instalację do nawadniania i  napowietrzania (metodą rurową) pryzm
oraz  odwodnienia  (zbierania  i  odprowadzania  odcieków).  Odpady  formowane  są  w  pryzmy  kompostowe
o podstawie ok. 6 m, wys. 48 m i dł. 65 m. Tak uformowane odpady podlegają procesowi kompostowania przez
okres  ok.  4-6 tyg.  Ogółem  jest  10 linii  pryzmowych,  w  tym  2 rezerwowe  na  za  i  wyładunek  kompostowni.
Pojemność 1 linii pryzmowej odpowiada tygodniowemu przerobowi odpadów organicznych.

↓

napowietrzanie, bo CO

wydzielające się zatrzymuje (Ŝeby nie uciekło).

Obróbka (uszlachetnianie) kompostu.
Sortowanie frakcyjne kompostu na sicie bębnowym o prześwicie 22mm. Oczyszczanie mechaniczne kompostu
na stole balistycznym z zanieczyszczeń mineralnych tzw. twardych spręŜystych (szkło, kamienie, ceramika,
metale itp.).

oczyszczanie  kompostu  z  zanieczyszczeń  nieorganicznych  lotnych  (tworzyw  sztucznych  i  folii
opakowaniowych)  metodą  pneumatyczną  w  cyklonie.  Odsiew  i  wydzielone  zanieczyszczenia
w procesie  uszlachetniania  kierowane  są  na  taśmę  odpadów  nieorganicznych  przed  prasę  i  dalej  na
kwatery składowania odpadów.

Tymczasowe składowanie i dojrzewanie gotowego kompostu.
Składowanie  sprasowanych  w  bele  odpadów  org.,  oraz  wysegregowanych  odp.  m.in.  drobnych  w  kwaterze
ziemnej;  odpady  są  formowane  w  warstwy  o  wys.  2 m.  KaŜda  2 m  warstwa  odp.  przesypywana  jest  warstwą
izolacyjną o grub.0,2 m. Stanowią ją odpady min. o frakcji do 20 mm i inne odp. mineralne oraz masy ziemne
pozostałe z robót ziemnych przy budowie kwatery.

IMMOBILIZACJA MIKROORGANNIZMÓW

złoŜa biologiczne

schematy osłon bakteryjnych

W Gram (+):

•

warstwa białkowa

•

mureina

•

fosfolipidy

W Gram (-):

•

białko

•

fosfolipidy

•

mureina

•

fosfolipidy

→

fosfolipidy:

transmembranowe białka – przez całość, słuŜą do transportu

Gram (+) mają najbardziej złoŜoną budowę

→

alanina wiąŜe się z kwas3m diaminopimelinowym – silne wiązanie – wykorzystywane w wielu technikach

immobilizacji

Metody wiązań komórek:

całe komórki

metody immobilizowania komórek „zmodyfikowanych”

metody wiązania komórek wolnych

wiązanie

paletyzacja,

flokulacja

(np. polielektrolity)

dializa, filtracja,

sedymentacja

(bioreaktor

membranowy)

poprzeczne

nośnika

ele

włókna

mikrokapsułki

adsorpcja

chelacja

lub

wiązania

metalami

kowalencyjne

Wiązania poprzeczne.
Metoda wiązania komórek poprzez w. p. dotyczy wyłącznie agregacji komórek bez przyłączania do nośnika.
Wykorzystuje się do tego celu siły chemiczne i fizyczne.
Przy wiązaniu chemicznym wykorzystane są wiązania kowalencyjne z uŜyciem 2 i wielofunkcyjnych
czynników.
Najczęściej stosowane są:

aldehyd glutarowy

di-izocyjanian toluenu

di-izocyjanian toluenu + 1,6-di-aminoheksan.

Wszystkie  są  toksyczne,  stąd  r.  immobilizacji  musi  być  dobrze  kontrolowana  i  odbywa  się  poza  układem  do
oczyszczania  ścieków.  Komórki  wiązane  w.  poprzecznymi  wykorzystuje  się  przede  wszystkim  do  reakcji
katalizowanych przez pojedyncze enzymy. Wiązania te są niezwykle silne – praktycznie nierozerwalne. Z uwagi
na  toksyczny  charakter  aldehydu  glutanowego  część  komórek  ginie,  co  nie  przeszkadza  w  zachowaniu  ich
aktywności  enzymatycznej,  (komórka  –  nośnik  enzymów),  np.  wiązanie  poprzeczne  między  grupami
aminowymi z aldehydem glutarowym
H

N – komórka – NH

- CH = N – komórka – N =CH(CH

)

te układy stosuje się do oczyszczania ścieków

→

wiązania przez flokulację (do poprz.)

Związki chemiczne stos. do flokulacji komórek:

polielektrolity kationowe:

•

poliaminy

•

polietyleniminy

•

poliakrylamidy

polielektrolity anionowe:

•

poliakrylamidy podstawione grupami karboksylowymi

•

siarczki polistyrenowe

•

kwasy polikarboksylowe

związki zawierające metale Mg, Mn, Ca, Fe, Al.:

•

tlenki

•

wodorotlenki

•

siarczany

•

fosforany

inne flokulanty:

•

bentonit

•

chitozan

•

ziemia okrzemkowa

•

garbniki

•

azbest (zakazany)

•

estry akrylowe

np.:
bentonity (do usuwania mikroorganizmów)

do oczyszczania np. kwasu fumarowego

Wiązanie do nośnika.

wymagania stawiane nośnikom:

•

ułatwienie adhezji komórek (by były przeciwne ładunki)

•

rozwinięta powierzchnia lub porowatość (większa ilość moŜe być zaadsorbowana, komórki
w zagłębieniach)

•

stabilność chemiczna (odporność na korozję mikrobiologiczną; mikroby produkują kwasy
organiczne – agresywne)

•

stabilność mikrobiologiczna

•

odporność na siły mechaniczne (+ na nacisk)

•

ochrona właściwości technologicznych komórek

•

przydatność do stosowania w procesach ciągłych

•

zapewnienie dobrego przepływu cieczy przez warstwę nośnika (kolmatacja – zaczopowanie
złoŜa wskutek przyrostu biomasy bakteryjnej. Drobnoziarniste materiały się podrzuca –
zmiana ciśnienia – złoŜe się odkorkowuje)

→

nośniki stosowane do wiązania komórek:

nośniki organiczne (celuloza, dekstron, agaroza, Ŝelatyna, kolagen, drewno, lignity, antracyt, polimery
organiczne typu plastików, syntetyczne wymienniki jonowe)

nośniki nieorganiczne (szkło, szkło porowate, szkło borosilikatowe, ceramika, uwodnione tlenki metali,
kiselgur, korolierit, diatomit, Ŝwir, silikochrom, stal nierdzewna, ŜuŜel wielkopiecowy, piasek, cegły,
ziemie diatomiczne, węgiel aktywny, perlit, glina)

→

przyczepianie się komórek do powierzchni ciał stałych występuje zwykle większa koncentracja pokarmu

(adhezja biopolimerów i minerałów; ciała stałe mają ładunki, do nich przyczepia się pokarm)

przyczepienie do powierzchni, wzdłuŜ której przepływa ciecz, stanowi alternatywę ruchu komórki
w celu poszukiwania pokarmu (oszczędność energetyczna)

ochrona komórki przed niszczącymi siłami mechanicznymi

Sensing quorum – komórki zachowują się jak 1 organizm, np. poświęcają 1 warstwę zewnętrzną na śmierć,
chroniąc dalsze warstwy, broniąc dostępu. Komórki przyczepione są bardziej odporne od komórek wolnych.

bliskość innych komórek ułatwia wymianę materiału genetycznego (wymiana seksualna
i paraseksualna; mating type)

→

siły interakcji typu komórka – powierzchnia

•

siły przytrzymujące komórki w bliskości powierzchni: elektrostatyczne i elektrodynamiczne

•

siły hydrodynamiczne i agrodynamiczne, które decydują o dyfuzji cząstek (komórek)
i o szybkości osiągania stanów równowagi

•

siły wywołane przez silne pola, jak pole elektryczne, magnetyczne, ścinanie hydrodynamiczne
i pole grawitacyjne.

Energię interakcji cząstek z powierzchnią nazywamy energią (V) potrzebną do zbliŜenia cząsteczki do
powierzchni stałej o określony dystans (l). W wypadku adhezji wartość tej energii jest (-).
Siły decydujące o adhezji do nośnika:

przyciągania Van der Waalsa

Energia przyciągania się 2 duŜych komórek poprzez siły Van der Waalsa wynosi:
V

= [A (r

)]/[6 (r

+ r

)]

⋅

0,5

, r

– promienie cząstek

A – stała zaleŜna od zakresu częstotliwości pola elektromagnetycznego
l – odległość między cząstkami w momencie ich duŜego zbliŜenia

WNIOSEK
W przypadku, gdy komórka zbliŜa się do duŜego ciała – nośnika, to korzystne jest, aby nośnik miał duŜy
promień, natomiast komórka bakterii miała promień jak najmniejszy. Preferowane są więc kształty wydłuŜone.
Wszelkiego rodzaju wypustki, np. Rzęski, silnie faworyzują przyciąganie do ciała stałego.

adhezyny – związki decydujące o adhezji, ich odpowiednikiem jest receptor.

odpychania elektrostatycznego wynosi:

;

>
4

ABC

D BC

– potencjał powierzchniowy (zeta) obu cząstek

k – parametr Debye’a – Huckla określa grubość warstwy jonowej wokół cząstek stałych

– ładunek protonów

Większość baterii posiada (-) ładunek na swej powierzchni i wokół bakterii tworzy się przeciwstawnie
naładowana warstwa jonów (+). Całkowita energia interakcji komórki z powierzchnią jest determinowana przez
energię oddziaływań typu Van der Waalsa i energię elektrostatyczną: V

= V

Energia  interakcji  Gibbsa  między  2  powierzchniami  jest  przedstawiona,  jako  funkcja  odległości.  Najsilniejsza
adhezja  do  powierzchni  występuje,  gdy  odległość  komórki  jest  mała  i  nie  przekracza  1  nm.  Występuje  wtedy
pierwsze  min  energetyczne.  2 obszarem  korzystnym  dla  adhezji  jest  odległość  5nm,  gdzie  występuje  2 min
energetyczne.  Między  obu  min.  energetycznymi  występuje  zjawisko  odpychania,  związane  z  max
energetycznym i występowaniem sił elektrostatycznych.

Powierzchnia komórek nie jest gładka, lecz występują na niej nierówności i wypustki. Te zaokrąglenia mają
mniejsze promienie krzywizn niŜ cała komórka. Przy mniejszych promieniach siły przyciągania są większe niŜ
siły odpychania.
W zaleŜności od stęŜenia elektrolitów w poŜywce mogą wystąpić następujące sytuacje:

wypadkowa energia powoduje odpychanie komórek na wszystkich odległościach od powierzchni. Obie
powierzchnie nie mogą znaleźć wzajemnego kontaktu, sytuacja taka występuje, gdy stęŜenie elektrolitu
jest małe a komórkę otacza silna podwójna warstwa jonowa

przy średnim stęŜeniu elektrolitu, tworzy się płytkie drugie min energetyczne przy odległości 5-15 nm
komórki mogą się ze sobą połączyć, jednak słabo i odwracalnie

przy duŜym stęŜeniu elektrolitów wypadkowe oddziaływanie jest silnie przyciągające na wszystkich
odległościach. Adhezja jest silna i nieodwracalna.

Mechanizm tworzenia flokulacji oraz mostkowania komórek przez polimery.

Bakterie posiadające
poza-komórkowe,
zaadsorbowane polimery.

Bakterie posiadające
tylko małe ilości
poza-komórkowych polimerów.

Odpychania przestrzenne.

Odpychanie przez podwójną
warstwę jonową.

Obróbka przy pomocy polimerów,
enzymów depolimeryzujących lub
wzrost przy głodzie węglowym.

MECHANIZMY TWORZENIA BIOFILMU

Konsekwencje adhezji mikroorganizmów w procesach biotechnologicznych

CHELACJA
Do  wiązania komórek  wykorzystuje się uwodnione tlenki  metali 3 i 4  wartościowych, głównie Zr i Tl. W tym
celu do zawiesiny komórek wprowadza się tlenek metalu, który ulega uwodnieniu i rozpuszczeniu, a po regulacji
pH  ulega  Ŝelowaniu.  W  przypadku  Ti  Ŝelowanie  zachodzi  przy  pH  kwaśnym  (~5),  a  w  przypadku  Zr  w  pH
neutralnym lub lekko alkalicznym.

Rodzaj powierzchni Proces/Konsekwencje

ciany bioreaktora

Zapychanie aparatury:

wymienniki ciepła

filtry, wirówki, zawory.

Konieczność intensywnego mycia.
Korozja biologiczna.

Nośniki stałe

Tworzenie filmów biologicznych na nośnikach
w reaktorach ze złoŜem stałym i fluidalnym.

PoŜywki

Rozkład celulozy (SSF).
ś

ywność fermentowana.

Mikroorganizmy

Flokulacja.
Tworzenie cienkich filmów.

Wymienniki jonowe Separacja mikroorganizmów.

Minerały

BIO-kopalnie metali.
Gleba.

Wiązania za pomocą WIĄZAŃ KOWALENCYJNYCH:

stosuje się reakcje silanowania powierzchni stałej a następnie wiązania komórki przy pomocy aldehydu
glutarowego. (tri-amino-propylo-tri-etoksy-silan rozpuszcza się na gorąco w toluenie).

Wiązanie nośnika metalowego z pochodną tri-alkoksy-silanu.

Wiązanie: metal-O-Si-

metoda OSADU CZYNNEGO oczyszczania ścieków

Otrzymujemy odpad w postaci biomasy komórkowej

•

pierwiastki biogenne: C, N, P, (O) – musi być dostarczony do ścieku, pobierany przez
mikroorganizmy, albo tlen w substancjach organicznych jest wykorzystywany przez mikroby.
Jeśli napowietrzamy ściek – komórki mogą się rozmnaŜać, jeśli nie – tylko taki rozwój, na jaki
pozwoli ilość substancji organicznej – ograniczona ilość.

12 kg/m

– limit rozpuszczania tlenu

•

ChZT – chemiczne zapotrzebowanie na tlen

•

BZT

– biologiczne zapotrzebowanie na tlen (katalizatorami są mikroorganizmy)

3 róŜne parametry:
BZT

– mikroby utleniają ściek przez 5 dni

BZT

– przez 20 dni

BZT

– aŜ się stwierdzi, ze układ w kolejnej dobie nie pobrał ani mg.

•

w niektórych układach nie moŜna zastosować 1 metody a moŜna 2 i odwrotnie

GŁÓWNE STADIA OCZYSZCZANIA BIOLOGICZNEGO:

uśrednianie i klarowanie wód ściekowych przez próbkę mechaniczną (zbiorniki wyrównawcze,
piaskowniki, osadniki; zatrzymanie duŜych ciał)

tlenowe oczyszczanie ścieków (komory napowietrzania, regeneratory osadu czynnego, osadniki wtórne)

doczyszczanie wód ściekowych (stawy biologiczne, stacje filtracji)

obróbka osadów (uwodniony 98-99 %; poletka osadowe, suszarnie, kompostownie, piece itp.,
sanityzacja)

Czynniki limitujące wprowadzanie osadu czynnego do kompostu – zawartość metali cięŜkich w osadzie.

Schemat ideowy urządzeń napowietrzających.

Uśredniacz  –  tu  dokonuje  się  poboru  próbek  do  analizy,  bilans  biogenów  –  jeśli  nieprawidłowy  –  korekta;
kontrola  obciąŜenia  (jeśli  obciąŜenie  za  duŜe  to  rozcieńcza  się,  wzmacnia  ilość  biomasy  –  zawracanie,
regeneracja  osadu  –  natlenianie;  korekta  pH  NH

i SO

- źródło azotu – napowietrzanie, moŜe być źródłem

zmiany pH – zakwaszenie. Azotany NO

będzie konsumowany, K zostaje.

Odstojniki pierwotne, wtórne – usuwa się koloidy, drobne zawiesiny (flotacja, flokulacja); zaleta osadu –
sedymentuje.

Komora napowietrzania
(następują zmiany w układzie:

wraz z przesuwaniem się osadu w komorze są tam heterotrofy, ale pokarm się kończy i zostają same
substancje trudno przyswajalne i bakterie posiadające enzymy do ich rozkładu

pojawiają się chemotrofy

w ścieku pojawiają się autotrofy – energia ze słońca, węgiel z CO

↓

sukcesja mikroorganizmów – jedne ustępują miejsca drugim.

Te zjawiska zachodzą równolegle obok siebie. Niektóre z nich odbywają się w warunkach BEZTLENOWYCH.
Komora napowietrzania – duŜy zbiornik – z strefą beztlenową.

OSAD CZYNNY:
70 % organizmów Ŝywych
30 % stałych cząsteczek pochodzenia nieorganicznego.
Zooglea – wydziela duŜo lepkich substancji.
Pierwotniaki – jedzą słabe o martwe bakterie.
ś

ywe mikroorganizmy + nośnik stały = zooglea, tj. populacja mikroorganizmów pokryta wspólną błoną

luzową.

Zooglea ramigera:

stosunek form kapsułkowych błona śluzowa do form wolnych nosi nazwę WSPÓŁCZYNNIKA
ZOOGLEALNOŚCI. Powinien mieć on jak największą wartość.

Szybkość sedymentacji jest proporcjonalna do kwadratu średnicy cząstki.

Główne rodzaje pierwotniaków:
Vorticella

Carchesium

Opercularia

Orzęski posiadające wici – Mastigophora
Orzęski rzęskowe – Ciliata
Orzęski ssące – Sarcodina.

1 orzęsek spoŜywa 20-40 tys. bakterii/dobę.
Proporcja: 10-15 pierwotniaków/mln bakterii.

WSPÓŁCZYNNIK PROPORCJONALNOŚCI – stosunek pierwotniaków do bakterii.
Wiciowce – Anthophysa vegetans
DuŜa liczba wiciowców – przeciąŜenie osadu czynnego związkami organicznymi i zła praca osadu.
DuŜa liczba orzęsek, szczególnie Vorticella i Aspidisca costata, oznacza prawidłową pracę osadu.
Orzęski są b. czułe na róŜne trucizny.

ZDOLNOŚCI FERMENTACYJNE poszczególnych rodzajów drobnoustrojów.
Pseudomonas – alkohole, tłuszcze, parafiny, węglowodany, węglowodory.
Bacterium – ropa naftowa, parafiny, nafteny, fenole, aldehydy, kwasy tłuszczowe.
Bacillus – węglowodory alifatyczne.

PĘCZNIENIE OSADU:

•

rozwój bakterii nitkowatych – pęcznienie osadu (niemoŜliwe jest zsedymentowanie) –
potrzebna dezynfekcja całej oczyszczalni

Sphaerotilus natans, rzadziej Beggiata sp. lub Thiothrix sp.

Przyczyny:

zbyt mało tlenu

zagniwanie substancji organicznych

wysoki stosunek C i N, szczególnie obecność azotu organicznego.

Czynniki środowiskowe regulujące pracę osadu czynnego:

temperatura (mezo-, psychro-)

rozpuszczalność tlenu (latem mało O

szybszy wzrost mikroorg.)

Wpływ temp. na rozpuszczalność tlenu w czystej wodzie:

Temp.

Rozpuszczalność tlenu [mg/l]

10
15
20
30
40

10,93

9,90
8,87
7,46
6,59

zimą znacznie większa rozpuszczalność tlenu – poniŜej 1g/l

pH: 5,5-8,5

biogeny: proporcje między nimi

metoda ZŁÓś BIOLOGICZNYCH z fermentacją metanową

Najmniej obciąŜone są z. zraszane – odkryte zbiorniki:

wys. ok. 2,5 m (

nie jest mech. napowietrzany

do góry belka zraszająca z dziurkami lekko z boku po 1 stronie. Belka kręci się sama napędzana
strumieniem wody

złoŜe wypełnione: kamienie, ŜuŜel, cegły klinkierowe lub kształtki tworzyw sztucznych

latem: kamienie są chłodzone – powietrze spływa w dół – cięŜsze

nocą: kamienie są cieplejsze – powietrze samoczynnie w górę

są tam: kilka mm bakterii, grzyby, mikrofagi

o pracy decyduje kolor.

Barwa powierzchni złóŜ zraszanych, jako wskaźnik stanu błony biologicznej:

Czerwona

– obecność bakterii purpurowych siarkowych, brak tlenu.

Mlecznobiała

– obecność bakterii siarkowych, brak tlenu.

ółto

oranŜowa

– początek masowego rozwoju grzyba fusarium, groźba zarośnięcia złoŜa.

Czarna – siarczek Ŝelaza, brak tlenu.

Zielona

– zielone grzyby, zmiana czystości wody z klasy II do III.

Brunatna

– prawidłowy rozwój błony, dobrze pracujące złoŜe.

Kakaowa

– obecność okrzemków, przejście do II klasy czystości.

ZłoŜa spłukiwane:

do oczyszczania ścieków średnio-obciąŜonych

zbiornik zamknięty

sztuczne mechanizmy napowietrzania

wys. ok. 4 m

zraszanie duŜo intensywniejsze

(więcej jest w stanie utlenić – moŜna dać
większy przepływ ścieków)
-

błona biologiczna 1 mm zawiera wyłącznie
bakterie

czasem błona odrywa się całymi płatami –
za tym powinien stać osadnik wtórny

Rodzaje:

zraszane

spłukiwane

wieŜowe

działają w oparciu o błonę biologiczną.

ZłoŜe oparte na nośniku, który jest zraszany

(mniej lub bardziej intensywnie).