Свойства метанобразующих бактерий

Реферат

По микробиологии

 

«Получение газообразного и жидкого топлива. Получение биогаза, метана, спиртов, тепловой энергии и молекулярного водорода»

 

 

Преподаватель:

Студентка гр.

 

 

Екатеринбург

2005

Содержание

Введение                                                                                             3

1.   Получение газообразного и жидкого топлива                              4

2.   Биогаз                                                                                     5

2.1 Свойства метанобразующих бактерий                                 7

2.2   Технология получения метана                                              10

3. Получение спиртов                                                                14

4. Получение тепловой энергии при бактериальном окислении 16

5. Получение молекулярного водорода                                     17

5.1 Образование молекулярного водорода хемотрофами        18

5.2 Образование молекулярного водорода фототрофами        19

Заключение                                                                                        23

Список литературы                                                                           24

 

 

Введение

В наше время все острее становится вопрос об изыскании надежных, альтернативных, экологически чистых, постоянно возобновляемых источников энергии и создании энергосберегающих технологий. С проблемами современной энергетики тесно смыкается решение задач по проблеме охраны окружающей среды. Необходимо разработать научные методы и технологии получения энергии при одновременном решении вопросов, связанных с защитой окружающей среды от непрерывно поступающих в биосфер загрязнений.

Последние два десятилетия характеризуются выдающимися достижениями биотехнологии, являющейся междисциплинарной областью знаний, базирующейся на микробиологии, биохимии, молекулярной биологии, биоорганической химии, биофизике, вирусологии, иммунологии, генетике, инженерных науках и электронике.

В настоящее время достижения биотехнологии перспективны во многих отраслях:

в промышленности, в экологии, в медицине, в сельском хозяйстве и в энергетике.

В частности, в энергетике – это применение новых источников биоэнергии, полученных на основе микробиологического синтеза и моделированных фотосинтетических процессов, биоконверсии биомассы в биогаз.

Развитие биотехнологии позволяет существенно интенсифицировать производство, повышать эффективность использования природных ресурсов, решать экологические проблемы, создавать новые источники энергии.

Все возрастающий дефицит ископаемых топливных ресурсов выдвигает на первый план острую проблему создания и внедре­ния возобновляемых источников энергиии сырья за счет биосистем: растений и фототрофных микроорганизмов, конвертирующих с высокой эффективностью солнечную энергию в энергию хими­ческих связей.

Экологически чистую энергию можно получать также путем преоб­разования солнечной энергии в электрическую с помощью сол­нечных коллекторов, а также из биогаза и микробного этанола.

ПОЛУЧЕНИЕ ГАЗООБРАЗНОГО  И ЖИДКОГО ТОПЛИВА

В качестве одного из основных источников энергии будущего рассматривают конверсию энергии Солнца. Благодаря прямому использованию различных форм солнечной энергии (тепловой, фотоэлектрической, энергии ветра и биомассы, образуемой в ре­зультате фотосинтеза) можно избежать теплового загрязнения, твердых и газообразных выбросов в биосферу, сохранить тепло­вой и углекислотный баланс в атмосфере и существенно уменьшить потребление ископаемых топлив. В последнее время серьезное внимание уделяется биологическим методам конверсии солнечной энергии, среди которых фотосинтез занимает ведущее место.

В процессе фотосинтеза ежегодно конвертируется 3×10²⁴ Дж солнечной радиации. Это позволяет только в континентальных лесах накапливать до 70 млрд. т биомассы, что по своему энерго­содержанию втрое превышает современное потребление энергии в мире.  Использование биомассы в качестве источника топлива открывает определенные перспективы решения проблемы энерге­тики и охраны окружающей среды. Наиболее реальными являют­ся два основных метода получения топлива из биомассы: биоло­гическая конверсия и термохимическая конверсия.

Биологическая конверсия включает анаэробные микробиологические процессы: получение метана (биогаза), молекулярного водорода, этилового спирта, бутанола, ацетона и других раство­рителей, а также органических кислот. Несколько в стороне от этих процессов стоит метод получения тепловой энергии при аэробной микробиологической деструкции твердой биомассы.

Основную часть воспроизводимой биомассы составляет древе­сина (лигноцеллюлоза), которая из-за особенностей своего строения с большим трудом поддаётся биологической конверсии. Поэтому в ближайшие годы основным сырьем для производства топлив методом биоконверсии будут служить легко трансформируемые органические соединения — отходы, образовавшиеся в результате промышленных и других переработок первичной био­массы. В развитых странах в год на одного человека приходится до 5 т органических отходов по сухому веществу. Многие из них представляют серьезную экологическую опасность и требуют не­замедлительного обеззараживания, утилизации и уничтожения. С ростом производств и урбанизацией происходит концентрация этих отходов, что требует, с одной стороны, применения неотлож­ных мер с целью их обезвреживания, с другой — позволяет применить прогрессивные технологии переработки с возможным вто­ричным получением топлива.

Для решения этих задач в ближайшее время будут использо­ваны в основном два метода биологической конверсии органиче­ских отходов в топливо: 1) так называемое метановое брожение с получением биогаза; 2) спиртовое брожение с получением эта­нола. Это определено, во-первых, физическими характеристиками получаемых топлив, во-вторых, относительной простотой и низкой стоимостью технологий, конкурентоспособных с технологиями получения обычных топлив и, в-третьих, особенностями процес­сов, позволяющих эффективно обезвреживать и утилизировать отходы.

 

БИОГАЗ

Биогаз — это смесь из 65 % метана, 30 % СО₂, 1 % сероводоро­да и незначительных примесей азота, кислорода, водорода и угар­ного газа. Энергия, заключенная в 28 м³ биогаза, эквивалентна энергии: 16,8 м³ природного газа; 20,8 л нефти; 18,4 л дизельного топлива. В основе получения биогаза лежит процесс метанового брожения, или биометаногенез — процесс превращения биомас­сы в энергию.

Биометаногенез — сложный микробиологический процесс, в котором органическое вещество разлагается до диоксида углерода и метана в анаэробных условиях. Микробиологическому анаэробно­му разложению поддаются практически все соединения природ­ного происхождения, а также значительная часть ксенобиотиков органической природы. В анаэробном процессе биометаногенеза выделяют три последовательные стадии, в которых участвуют свы­ше 190 различных микроорганизмов. На первой стадии под влия­нием экстрацеллюлярных ферментов ферментативному гидроли­зу подвергаются сложные многоуглеродные соединения — белки, липиды и полисахариды. Вместе с гидролитическими бактериями функционируют и микроорганизмы — бродильщики, которые ферментируют моносахариды, органические кислоты.

На второй стадии (ацидогенез) в процессе ферментации уча­ствуют две группы микроорганизмов: ацетогенные и гомоацетатные. Ацетогенные Н₂-продуцирующие микроорганизмы фермен­тируют моносахариды, спирты и органические кислоты с образо­ванием Н₂, СО₂,  низших жирных кислот, в основном ацетата, спиртов и некоторых других низкомолекулярных соединений. Де­градация бутирата, пропионата, лактата с  образованием ацетата происходит при совместном действии ацетогенных Н₂-продуци­рующих и Н₂-утилизирующих бактерий. Гомоацетатные микроор­ганизмы усваивают Н₂ и СО₂, а также некоторые одноуглеродные соединения через стадию образования ацетил-КоА и превраще­ния его в низкомолекулярные кислоты, в основном в ацетат.

На заключительной третьей стадии анаэробного разложения отходов образуется метан. Он может синтезироваться через стадию восстановления СО₂ молекулярным водородом, а также из метильной группы ацетата. Некоторые метановые бактерии спо­собны использовать в качестве субстрата формиат, СО₂, метанол, метиламин и ароматические соединения (рис. 1)

	Органические кислоты, спирты, NH ,СО2 и Н2

Углеводы, белки и другие биополимеры

Ацетат, формиат Н2, СО2

                                                                                     

                                                                                               СО₂ + СН₄

 

 

Рис. 1 Деструкция биополимеров до метана природными ассоциациями микроорганизмов, протекающая в 3 стадии

В зависимости от температуры протекания процесса метановые бактерии разделяют на мезо- и термофильные. Оптимальная тем­пература для мезофильных бактерий от 30 до 40°С, а для термо­фильных от 50 до 60°С. В целом термофильный процесс метаногенеза идет интенсивнее мезофильного, притом в этих условиях ана­эробной переработки отходов субстрат обеззараживается от пато­генной микрофлоры и гельминтов. При анаэробной переработке отходов животноводческих ферм микрофлора метантенков (анаэ­робных ферментеров) формируется преимущественно из микро­флоры желудочно-кишечного тракта данного вида животных и мик­рофлоры окружающей среды. Из наиболее часто встречающихся куль­тур следует отметить Lactobacillus acidophilus, Butyrivibrio fibrisolvens, Peptostreptococcus productus, Bacteroides uniformis, Eubacterium aerofaciens.

К числу целлюлозоразлагающих бактерий микрофлоры жвачных относятся Bacteroides succinoqenes и Ruminococcus flavefaciens. Из рубца и навоза жвачных были изолированы такие метанообразующие бактерии, как Methanobacterium mobile, Methanobrevibacter rumi-nantium и Methanosarcina ssp. После определенного срока работы метантенка при установленном температурном режиме и на постоян­ном субстрате образуется сравнительно стабильный консорциум микроорганизмов. В ходе изучения микрофлоры свиного навоза при метановом брожении выделено около 130 различных бактерий.

Первую стадию разрушения сложных органических полимеров осуществляют бактерии семейств Enterobacteriaceae, Lactobacillaceae, Streptococcaceae, атакже представители родов Clostridium, Butyrivibrio, Bacteroides, Rumino­coccus и некоторых других способных к брожению.Главные продукты ферментации — ацетат, пропионат, сукцинат, Н₂ и СО₂. Конечными продуктами фермента­ции целлюлозы и гемицеллюлозы под действием бактерий, выде­ленных из рубца жвачных и кишечника свиней, являются различ­ные летучие жирные кислоты.

Бактерии второй, или ацетогенной, фазы, относящиеся к ро­дам Syntrophobacter, Syntrophomonas и Desulfovibrio, вызывают раз­ложение пропионата, бутирата, лактата и пирувата до ацетата, Н₂ и СО₂ — предшественников метана. Ряд микроорганизмов спо­собны синтезировать ацетат из СО₂ в термофильных условиях, к их числу принадлежат Clostridium formicoaceticum, Acetobacterium woodii, метановые бактерии из родов Methanothrix, Methanosarcina, Methanococcus, Methanogenium и Methanospirillum.

Свойства метанобразующих бактерий

Полагают, что метанобразующие бактерии, или метаногены, возникли около 3,0—3,5 млрд. лет тому назад и достигли своего расцвета в архее.

Сейчас эти микроорганизмы имеют достаточно широкое распространение, приуроченное к анаэробным условиям. Вместе с другими бактериями они активно участвуют в деструкции орга­нических веществ в различных экологических нишах: в болотном, речном и озерном иле, в осадках морей и океанов, в искусственных технических сооружениях — метантенках, в рубце жвачных и пищеварительном тракте ряда других животных.

Среди этих бактерий есть организмы, клетки которых близки к сферическим, образующие агрегаты, похожие на сарцин, ланце­товидные, палочковидные и нитевидные формы. Большинство неподвижны, но отдельные виды проявляют способность к дви­жению в результате наличия жгутиков.

Как и другие архебактерии, метаногены отличаются от ос­тальных прокариот (эубактерий) составом ряда компонентов клеток, в том числе клеточной стенкой, не содержащей муреина, а также характером липидов, в которые не входят жирные кислоты. Большую часть нейтральных липидов составляют про­стые эфиры глицерина и длинноцепочечного спирта фитанола. В метаболизме метанобразующих бактерий участвует кофермент М (2-меркаптоэтансульфоновая кислота), факторF₄₂₀, представляющий собой особый флавин, и ряд других соединений, которые у остальных организмов не обнаружены или встречаются крайне редко. Но главное, что отличает метаногенов, как и дру­гих архебактерий, от остальных организмов, — это нуклеотидная последовательность в 16S рРНК, о чем свидетельствует изучение состава получаемых из нее олигонуклеотидов.

В то же время отдельные виды метанобразующих бактерий по этому показателю, а также содержанию ГЦ в ДНК (от 30,7 до 61,0 мол. %) могут отличаться весьма значительно. На этом основании их подразделяют на три порядка, включающих не­сколько семейств и родов. Наиболее изученными видами явля­ются Methanobacterium thermoautotrophicum, Methanosarcina barkeri, Methanobrevibacter ruminantium.

Все метанобразующие бактерии — строгие анаэробы. Как уже говорилось выше, они делятся на мезо- и термофилов. К числу термофилов относится, например, М. thermoautotrophicum. Оптимальное значение рН для роста разных видов 6,5—8,0. Некоторые штаммы способны расти при наличии в среде до 5—7 % и более NaCl.

Как источник серы бактерии чаще всего используют сульфид, а как источник азота — аммоний. Некоторые виды нуждаются для роста в наличии дрожжевого автолизата или смеси витаминов. Известны также метанобразующие бактерии, для роста ко­торых необходимо присутствие ацетата и (или) других органических веществ.

Но довольно многие из этих микроорганизмов могут расти в автотрофных условиях (при наличии в качестве единственного источника углерода углекислоты).

Ассимиляция углекислоты в автотрофных условиях, как пока­зано для М. thermoautotrophicum, происходит особым нециклическим путем. Началом его является образование из углекислоты С₂-соединения в виде, ацетил-кофермента А (КоА). Дальнейшее превращение ацетил-КоА включает следующие реакции:

ацетил-КоА пируват фосфоенолпируват оксалоацетат малат фумарат  сукцинат

сукцинил-КоА  α-кетоглутарат.

Образующиеся пируват, оксалоацетат, 2-кетоглутарат исполь­зуются частично для синтеза аминокислот, а фосфоенолпируват — углеводов.

Субстратами, из которых большинство известных видов метаногенов образуют метан, служат молекулярный водород и углекислота:

4Н₂ + СО₂ СН₄ + 2Н₂О

Ряд видов синтезируют метан из окиси углерода:

4СО + 2Н₂О   СН₄ + ЗСО₂

Некоторые виды образуют метан из муравьиной кислоты:

4НСООН  СН₄ + ЗСО₂ + 2Н₂О

Известны метанобразующие бактерии, образующие метан из метанола, метиламина, диметиламина, триметиламина и (или) ацетата:

4СН₃ОН  ЗСН₄ + СО₂ + 2Н₂О

4CH₃NH₂ + 2Н₂О   ЗСН₄ + CO₂ + 4NH₃

СНзСООН   СН₄ + СО₂

При превращении метилированных аминов, метанола и ацетата в метан в него переходит метильная группа субстрата.

Еще в 1956 г. известным биохимиком И. X. Баркером пред­ложена схема восстановления СО₂ в метан, которая сейчас дета­лизирована (рис. 2). Эта схема послужила отправной точкой для формулирования гипотезы о том, что метанобразующие бакте­рии могут аккумулировать энергию в процессе окислительного фосфорилирования.

В исследованиях, проведенных с чистыми культурами разных видов метаногенов, установлено, что синтез метана протекает в мембранах, причем этот процесс сопряжен с генерацией транс­мембранного потенциала, энергия которого трансформируется в АТФ.

Таким образом, метанобразующие бактерии, видимо, осуществляют (во всяком случае, когда окисляют Н₂) не брожение, а анаэробное дыхание, используя СО₂ в качестве акцептора элект­ронов. Но выход энергии на каждый образованный моль метана у метаногенов не превышает двух молей АТФ. Поэтому для обеспечения своего роста метанобразующие бактерии должны синтезировать значительные количества метана. Из 100 % метаболизированного соединения углерода они трансформируют в кле­точный материал только 5-10 %, остальное конвертируется в метан.

Рис. 2. Схема образования метана из СО₂  и других соединений                                                                             

Важная особенность метаногенов — способность активно развиваться в анаэробных условиях в тесном симбиозе с другими группами бактерии, создающими для них благоприятные условия и обеспечивающих необходимыми субстратами для роста и синтеза метана. К микроорганизмам, образующим ассоциации с метаногенами, относится ряд представителей облигатных и факультативных анаэробов, осуществляющих брожение различных высокомолекулярных и низкомолекулярных веществ. Такие ассоциации функ­ционируют в природных условиях, а также широко используются в практических целях.

Процесс разложения органических веществ смешанными культурами микроорганизмов в анаэробных усло­виях, заканчивающийся образованием СН₄, часто называют «ме­тановым брожением», хотя этот термин не совсем правилен, поскольку сами метанобразующие бактерии многоуглеродные субстраты не сбраживают.