ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΣΤΟΙΧΕΙΟΜΕΤΡΙΑΣ ΤΗΣ ΜΙΚΡΟΒΙΑΚΗΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗΣ ΜΕ ΒΑΣΗ ΤΗΝ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗ

Προσδιορίσαμε τις σχέσεις που πρέπει να ικανοποιούν οι στοιχειομετρικοί συντελεστές μιας συνολικής μικροβιακής «αντίδρασης» προκειμένου να ικανοποιούνται τα στοιχειακά ισοζύγια (C, H, O και N). Οι σχέσεις αυτές επιβάλλουν κάποιους στοιχειομετρικούς περιορισμούς. Στη συνέχεια θα δούμε πώς είναι δυνατόν να εκτιμήσουμε τη συνολική μικροβιακή αντίδραση ως άθροισμα δύο επί μέρους βασικών αντιδράσεων, μίας που αφορά στην παραγωγή ενέργειας και μίας που αφορά στη βιοσύνθεση κυτταρικής μάζας.

Αντιδράσεις Παραγωγής ενέργειας Οι μικροοργανισμοί παίρνουν την απαιτούμενη ενέργεια από αντιδράσεις οξειδοαναγωγής. Οι αντιδράσεις αυτού του τύπου χαρακτηρίζονται από την ύπαρξη ενός δότη ηλεκτρονίων και ενός δέκτη ηλεκτρονίων.

Δότης ηλεκτρονίων συνήθης δότης ηλεκτρονίων (για τους ετερότροφους μικροοργανισμούς) είναι οι οργανικές ουσίες. Οι αυτότροφοι οργανισμοί χρησιμοποιούν ως δότη ηλεκτρονίων την αμμωνία ή τα θειούχα ιόντα (S 2- )

Δέκτης ηλεκτρονίων Υπό αερόβιες συνθήκες ο συνήθης δέκτης ηλεκτρονίων είναι το μοριακό οξυγόνο (Ο 2 ). Ελλείψει οξυγόνου, κάποιοι προκαρυωτικοί οργανισμοί χρησιμοποιούν ως δέκτη ηλεκτρονίων τα νιτρικά ιόντα (ΝΟ 3 - ), τα νιτρώδη ιόντα (ΝΟ 2 - ) τα θειϊκά ιόντα (SO 4 2- ) και το CO 2. Oι συνθήκες κατά τις οποίες υπάρχει κάποιο ή κάποια από αυτά τα ιόντα αλλά λείπει το οξυγόνο ονομάζονται ανοξικές και ευνοούν την ανάπτυξη αυτών των μικροοργανισμών που είναι σε θέση να χρησιμοποιήσουν αυτά τα ιόντα ως δέκτη ηλεκτρονίων. Τέλος υπό αναερόβιες συνθήκες (έλλειψη οξυγόνου και ιόντων) μπορεί να χρησιμοποιηθεί η οργανική ύλη ως δέκτης ηλεκτρονίων (όπως και ως δότης), οπότε η μικροβιακή αντίδραση αναφέρεται ως ζύμωση.

Παράδειγμα συνολικής μικροβιακής αντίδρασης C 8 H 12 O 3 N 2 + 3O 2  C 5 H 7 O 2 N + NH 3 + 3CO 2 + H 2 Ο (καζεΐνη) (κυτταρική μάζα) Η συγκεκριμένη αντίδραση είναι προϊόν πειραματικών μετρήσεων C 8 H 12 O 3 N 2 + αO 2  βC 5 H 7 O 2 N + γNH 3 + δCO 2 + εH 2 Ο Ισοζύγια C, H, O, N  4 εξισώσεις με 5 αγνώστους Η απροσδιοριστία αυτή σχετίζεται με το ποσοστό της καζεΐνης (δότη ηλεκτρονίου) που χρησιμοποιείται για παραγωγή ενέργειας και το ποσοστό που χρησιμοποιείται για κυτταρική σύνθεση

Για να καθορίσουμε τη στοιχειομετρία χρειάζονται τα ακόλουθα : 1.γνώση των αντιδρώντων και προϊόντων 2.τον εμπειρικό τύπο της μικροβιακής βιομάζας 3.ένα πλαίσιο που να περιγράφει την κατανομή των ηλεκτρονίων που δίνει ο δότης (η καζεΐνη στο παράδειγμά μας) μεταξύ παραγωγής ενέργειας και κυτταρικής μάζας. 4.κάποιο τρόπο συσχέτισης του ποσοστού του υποστρώματος - δότη ηλεκτρονίων που συνθέτει νέα βιομάζα με την ενέργεια που αποκτάται από τον καταβολισμό και την απαιτούμενη ενέργεια για τον αναβολισμό.

Εμπειρικός τύπος της μικροβιακής βιομάζας Ο τύπος C 5 H 7 O 2 N δεν είναι παρά μία μέση περιγραφή της στοιχειακής σύστασης της μικροβιακής βιομάζας. Η σχετική αναλογία, ωστόσο, εν γένει διαφοροποιείται ανάλογα με: – τον τύπο των μικροοργανισμών – τον τύπο των υποστρωμάτων – τη διαθεσιμότητα των άλλων απαιτούμενων θρεπτικών συστατικών – των συγκεκριμένων συνθηκών ανάπτυξης, όπως η θερμοκρασία, το pH

Παραδείγματα διαφόρων μικτών και καθαρών καλλιεργειών με διαφορετικά υποστρώματα

Χημικά Απαιτούμενο Οξυγόνο COD Ένας τρόπος σύγκρισης εμπειρικών τύπων με βάση το Χημικά Απαιτούμενο Οξυγόνο (COD) για την οξείδωση του άνθρακα που περιλαμβάνει η κυτταρική μάζα C n H a O b N c Από αυτή:

Κατανομή υποστρώματος και συντελεστής απόδοσης Το υπόστρωμα/δότης ηλεκτρονίων κατά την μικροβιακή ανάπτυξη μεταφέρεται Κατά ένα κλάσμα f e στον δέκτη ηλεκτρονίων για παραγωγή ενέργειας και κατά ένα κλάσμα f s χρησιμοποιείται για σύνθεση κυτταρικής μάζας (αφομοίωση) f s + f e = 1

Παραδείγματα διαφόρων μικροβιακών αντιδράσεων με την γλυκόζη ( C 6 H 12 O 6 ) ως δότη ηλεκτρονίων

Παράδειγμα: η αντίδραση της απονιτροποίησης

Βλέπουμε επομένως ότι γνωρίζοντας – τον δότη ηλεκτρονίων (εδώ γλυκόζη) και – τον δέκτη ηλεκτρονίων (εδώ νιτρικά) από τις ημίσειες αντιδράσεις οξείδωσης και αναγωγής μπορούμε να εξάγουμε τη συνολική αντίδραση οξειδοαναγωγής που αφορά στο συγκεκριμένο ενεργειακό μεταβολισμό. Πίνακες με τις σημαντικότερες ημίσειες αντιδράσεις για ανόργανες και οργανικές ουσίες αντίστοιχα. Οι αντιδράσεις είναι όλες εκφρασμένες ως αντιδράσεις αναγωγής (R d ) και έχουν ως βάση ένα ηλεκτροϊσοδύναμο. Οι αντίστροφες αντιδράσεις είναι οι αντιδράσεις οξείδωσης (με αλλαγή προσήμου της μεταβολής ελεύθερης ενέργειας) και είναι –R d. H συνολική αντίδραση ενέργειας δίνεται από τη σχέση R e = R a – R d

Ημίσειες αντιδράσεις για ανόργανες ουσίες

Ημίσειες αντιδράσεις για οργανικές ουσίες

Αντιδράσεις βιοσύνθεσης Οι αντιδράσεις οξειδοαναγωγής που περιγράψαμε αφορούν τη χρήση υποστρώματος για παραγωγή ενέργειας. Η βακτηριακή ανάπτυξη περιλαμβάνει δύο βασικές συνολικές αντιδράσεις, μία για παραγωγή ενέργειας και μία για βιοσύνθεση. Είδαμε πως αναπτύσσουμε την αντίδραση που αφορά στην παραγωγή ενέργειας. Τώρα θα δούμε πως προκύπτει η αντίδραση που αφορά στη σύνθεση μικροβιακής βιομάζας. Ο πίνακας που ακολουθεί δίνει τις σημαντικότερες ημίσειες αντιδράσεις βιοσύνθεσης R c, ανάλογα με τη χρησιμοποιούμενη πηγή αζώτου. Η αντίδραση που περιγράφει τη σύνθεση δίνεται τότε από τη σχέση : R s = R c - R d

Ημίσειες αντιδράσεις βιοσύνθεσης R c

Παράδειγμα

Συνολική μικροβιακή αντίδραση

Παράδειγμα

ΑΣΚΗΣΗ: Στοιχειομετρία της νιτροποίησης Αυτότροφοι οργανισμοί χρησιμοποιούνται για να οξειδώσουν το αμμώνιο ενός αποβλήτου σε νιτρικό ιόν (ΝΟ 3 - ) υπό αερόβιες συνθήκες. Αν η συγκέντρωση του αμμωνίου (ΝΗ 4 + ) εκφρασμένη ως άζωτο είναι 22mg/l, υπολογίστε: (α) πόσο οξυγόνο θα καταναλωθεί για τη διεργασία της νιτροποίησης κατά την επεξεργασία 1000 m 3 αποβλήτου, (β) πόσα κιλά βιομάζας θα παραχθούν και (γ) ποια θα είναι η τελική συγκέντρωση των νιτρικώνστο επεξεργασμένο απόβλητο. Υποθέσατε ότι το f s είναι 0,1.

Ενεργητική και Βακτηριακή Ανάπτυξη Στην ανάλυση που κάναμε μέχρι τώρα, είδαμε πως μπορούμε να προσδιορίσουμε τη συνολική μικροβιακή αντίδραση γνωρίζοντας – τον δότη ηλεκτρονίων, – τον δέκτη ηλεκτρονίων και – τον εμπειρικό τύπο της βιομάζας, υπό την προϋπόθεση ότι γνωρίζουμε το κλάσμα f e των ηλεκτρονίων που χρησιμοποιείται για ενέργεια. Πως όμως μπορούμε να εκτιμήσουμε αυτό το κλάσμα;

Παράδειγμα

ΑΣΚΗΣΗ:Βακτηριακή αναγωγή θειϊκών Υπολογίστε τον συντελεστή απόδοσης Υ (σε g βιομάζας/g υποστρώματος) όταν βενζοϊκό οξύ χρησιμοποιείται ως δότης ηλεκτρονίων και θειϊκά ιόντα ως δέκτης ηλεκτρονίων (τα θειϊκά ανάγονται σε σουλφίδια). Υποθέσατε ότι η η αποδοτικότητα ενέργειας είναι 0,6 και ότι η αμμωνία χρησιμοποιείται ως πηγή αζώτου.