السلام عليكم و رحمة الله و بركاته ..
نسعد بوجودكم معنا

مع تحياتي
د.م عبد الرزاق التركماني

السلام عليكم و رحمة الله و بركاته ..... موقع الهندسة البيئية يتمنى لكم كل الفائدة

 

عمليات  الاستقلاب البكتيري الرئيسية في المعالجة البيولوجية
 
إعداد  د.م عبد الرزاق محمد سعيد التركماني
 
 
على الرغم من أن هناك عدة آلاف من التفاعلات الكيميائية المنخرطة في عملية استقلاب الخلية البكتيرية فإنه بالإمكان تحديد ثلاثة عمليات رئيسة هامة في المعالجة البيولوجية لمياه الصرف الصحي. و هذه العمليات هي:
 
أ‌-     الهضم
ب‌-   التنفس
ت‌-   النمو و الانقسام
 
و هذه العمليات الثلاث متكاملة فيما بينها ضمن الخلية البكتيرية كما هو موضح بالشكل(1):
 
 
الشكل(1) العمليات البكتيرية الرئيسة في المعالجة البيولوجية لمياه الصرف الصحي
 
 
الشكل السابق يظهر خطوات هضم الكربون العضوي. فقسم من الكربون العضوي يتم تحويله عبر عملية الاستقلاب أو التنفس إلى منتج نهائي هو ثاني أكسيد الكربون، أي أن هذا الجزء العضوي الكربوني قد تم فقدانه كليا". الجزء المتبقي من الكربون العضوي يتحول إلى لخلايا بكتيرية جديدة بفعل عمليات التمثيل البنيوي و النمو. و هذا الجزء الكربوني يبقى ضمن النظام. إن الهدف من التنفس هو تأمين الطاقة اللازمة للنمو و لصيانة البكتريا.
العمليات الثلاثة هذه ( الهضم و التنفس والنمو) تسير معا" بنفس الوقت و لا يمكن أن تجري إحداها أسرع من العمليات الأخرى. و هذا بدوره يقودنا إلى أن قياس معدل الهضم هو نفسه قياس معدل التنفس أو معدل النمو.
تجدر ملاحظة أنه في المعالجة البيولوجية فإن هذه العمليات الرئيسة الثلاثة تقابل ما يلي:
 
-       الهضم (التحلل البيولوجي)
-       التنفس ( متطلبات التهوية)
-       النمو (إنتاج الكتلة الحيوية)
 
و من أجل فهم ما يحدث خلال كل عملية سوف يتم التوسع في شرح هذه المراحل الثلاث حسب الآتي:
 
أ‌-     الهضم (Ingestion)
 
في هذه المرحلة يتم مرور المركبات الكربونية العضوية و بعض الجزيئات الأخرى من الوسيط المحيط (السائل الممزوج Mixed Liquor) الى داخل الخلية البكتيرية و ذلك عبر اختراق جدارها الخلوي و غشاءها الداخلي. إن الجدار الخلوي لا يشكل اكثر من حاجز و لكن الغشاء الداخلي(Inner Membrane) فهو الذي يتحكم فعليا" بمرور المواد الى داخل الخلية البكتيرية. إن الشوارد و على سبيل المثال شاردة الصوديوم تمر بسبب ان تركيزها في السائل الممزوج أكبر منها ضمن الخلية. و تستمر بالدخول حتى يتساوى التركيز داخل و خارج الخلية. و بشكل مشابه فإن الجزيئات العضوية تمر الى داخل الخلية على الرغم من وجود آليات متنوعة متوضعة في الغشاء الداخلي للخلية و التي تساعد أيضا" الجزيئات العضوية الصغيرة على المرور. و أما الجزيئات الكبيرة فلا يمكنها المرور، و حتى يتم استخدامها من قبل الخلية البكتيرية من اجل التغذية و النمو فإن الخلية تفرز أنزيمات الى الوسط المائي حيث تقوم بتفكيك هذه المواد المعقدة الى جزئيات بسيطة يمكنها المرور الى داخل الخلية حيث يتم هضمها. إن هناك العديد من الأنواع البكتيرية و هذا يساعد في إفراز الأنزيم المناسب للمادة المعقدة المراد تحطيمها، مع العلم أن آلية إفراز أنزيمات خاصة غير واضحة. و بمعنى آخر، إن الخلية البكتيرية تتطلب وجود مركب كيميائي معين ضمن المياه من اجل تغيير مورثاتها الجينية و ذلك لتصنيع و تركيب الأنزيم المطلوب استخدامه في الهضم. و هذا المبدأ هو الأساس لعملية التأقلم في الحمأة المنشطة.
 
ب – النمو البكتيري (Growth of Bacteria)
 
تظهر البكتيريا مقدرة عجيبة على النمو. فبعض أنواع البكتيريا يمكن ان تضاعف عددها في غضون عشرين دقيقة و ذلك بحال توفر الشروط المناسبة للنمو مثل درجة الحرارة و درجة باهاء المياه(pH) و المواد العضوية والمغذيات(فوسفور- نتروجين...) ..الخ. و يقاس معدل النمو بالزيادة الحاصلة في عدد البكتريا مع مرور الوقت. الشكل (2) يوضح منحني النمو البكتيري و يبن معدل النمو الأعظمي تحت الشروط المثالية.
 
 
الشكل (2) منحني النمو البكتيري
 
إن المواد الملوثة العضوية (Substrate)أو بمعنى آخر المواد العضوية القابلة للتحلل البيولوجي(BOD) هي المواد الرئيسية اللازمة للنمو البكتيري. و كلما زاد تركيز المواد الملوثة العضوية كلما زاد معدل النمو البكتيري و بشكل أسّي (Exponentially) حتى يصل الى معدل النمو الأعظمي و هنا يثبت بدون اي زيادة حتى تنخفض تراكيز المواد العضوية الملوثة حيث يبدأ معدل النمو بالتناقص التدريجي. و عند التراكيز المنخفضة جدا" للمواد الملوثة العضوية تدخل البكتيريا في مرحلة التنفس و لا تنمو و لكنها بنفس الوقت تبقى حية.
إن ميل منحني النمو البكتيري يعتبر هاما" في معرفة طبيعة الملوثات بشكل عام. فكلما كان الميل شديدا" كلما دل على وجود ألفة عالية بين المواد الملوثة ( انظر للشكل ، المنحي X) و البكتريا و كلما كان الاستهلاك سريعا". لا يشترط أن تكون المواد الملوثة ذات الألفة الكبيرة مع البكتيريا عند تواجدها بتراكيز مرتفعة أن تحظى بنفس الألفة عند وجودها بتراكيز منخفضة حيث بالإمكان تواجد مواد ملوثة أخرى ذات ألفة مع البكتريا أكبر عند التراكيز المنخفضة للمواد الملوثة. و هنا بهذه الحالة سيكون ميل منحني النمو أكبر مما هو عليه من ميل النمو للمواد الملوثة ذات التركيز المرتفعة و لكنه بنفس الوقت فإن ارتفاع منحني النمو البكتيري سيكون أخفض (انظر للشكل 3، المنحني Y). بعض البكتريا الخيطية تنشأ في أحواض التهوية بسبب وجود الألفة العالية بين المواد العضوية الملوثة و البكتريا.
 
 
 
          الشكل (3) يبين اختلاف منحني النمو تبعا" للألفة بين المواد الملوثة و البكتيريا
          المنحني X يمثل مادة ملوثة ذات ألفة مع البكتريا عندما تكون بتراكيز كبيرة
              المنحني Y  يمثل مادة ملوثة ذات ألفة مع البكتريا عندما تكون بتراكيز صغيرة
 
كما اشرنا من قبل بأن الغذاء الرئيسي للكائنات الدقيقة هي BOD و لكنها أيضا" بحاجة الى النتروجين و الفوسفور من أجل النمو. و القيمة المثالية للنسبة بين C:N:P  هي 100:5:1. و قيمة هذه النسبة لمياه المجاري المترسبة هي 100:17:5  . و هذا يشير الى أن النتروجين و الفوسفور لن يكونا محددين للنمو البكتيري. كما ان تراكيز قليلة للشوارد المعدنية مطلوبة مثل شوارد الصوديوم و الكالسيوم و الحديد و الكبريت...الخ. و يجدر أن نشير الى ان بعض المياه الملوثة الصناعية تكون فقيرة بالمغذيات مثل المياه الملوثة الناتجة عن معامل الورق و تصنيع الغذاء ..الخ. لذلك يجب اضافة المغذيات الى هذه المياه الملوثة الصناعية حتى يمكن معالجتها بيولوجيا" بعد ضبط حموضة المياه و درجة الحرارة و التأكد من خلوها من المواد الكيميائية السامة.
يمكن أن يتوقف النمو اذا انخفض الأكسجين إلى تراكيز منخفضة، و ذلك لأن عملية التنفس سوف تتوقف إذا استهلك الأكسجين بالوسط الممزوج (Mixed Liquor).
تعتبر درجة الحرارة من العوامل المهمة المؤثرة في النمو البكتيري. فدرجة الحرارة في أنظمة الحماة المنشطة تتراوح بين 0-30  درجة مئوية، و معروف أن معدل النمو يتضاعف كلما زادت درجة الحرارة عشر درجات مئوية.
إن دخول المواد الكيميائية السامة إلى حوض المعالجة البيولوجية فإنها ستدخل إلى وسط الخلية البكتيرية و ستثبط إنتاج الأنزيمات اللازمة لعمليات الاستقلاب البكتيري من حيث الهدم و البناء. و حالما تتأثر التفاعلات الكيميائية المسؤولة عن تحطيم المواد المعقدة أثناء طور التنفس، فإن معدل التنفس البكتيري سوف ينخفض كما إن معدل إنتاج الطاقة سينخفض بدوره و هذا عمليا" يعني انخفاض معدل النمو. و من الناحية العملية فأن إزالة المواد العضوية القابلة للتحلل البيولوجي سوف تتناقص ضمن أحواض التهوية. لذلك فإن مراقبة معدل التنفس يعطي مؤشرا" قويا" و سريعا" على دخول أو عدم دخول المواد السامة لحوض التهوية أثناء تشغيل محطة المعالجة. الشكل (4) يبين مكان تأثير المواد السامة على النمو البكتيري .
 
 
 
الشكل (4) تأثير المواد السامة على النمو البكتيري
 
ت – التنفس (Respiration)
 
إن عملية التنفس تشمل سلسة التفاعلات الاستقلابية التي يتم من خلالها أكسدة الجزيئات العضوية، كما أنها تشمل توفير الطاقة للعمل داخل الخلايا البكتيرية. الطاقة الموجودة في المواد العضوية مثل الغلوكوز يتم تحريرها بسرعة على شكل حرارة و ذلك عند أكسدتها بالحرق. و عندما يتم استقلاب الغلوكوز اثناء عملية التنفس البكتيري فإن نفس كمية الطاقة يتم تحريرها و لكن بعضها فقط يستخدم للعمل الخلوي. أثناء التنفس، فإن الطاقة يتم التقاطها أولا" بواسطة جزيء (ADP) أي ادينوزين ثنائي الفوسفات(Adenosine DiphosPhate). وهذا بدوره يضاف إلى مجموعة فوسفات أخرى لتشكل ادينوزين ثلاثي الفوسفات (ATP). إن الطاقة المنقولة أو الملتقطة تخزن على شكل رابطة فوسفاتية عالية الطاقة. و التفاعل الكلي لاستقلاب الغلوكوز يعطى كما يلي:
 
 
و هذا التفاعل لا يعكس على نحو تام آلية التقاط الطاقة، فبعض الطاقة يتم فقدانها على شكل حرارة. و من ثم فإن مركب ATP ينتقل إلى موقع آخر ضمن الخلية و يحرر الطاقة لاستخدامها بالعمل. و بنفس الوقت فإن مجموعة الحرارة تتحرر و تعيد توليد مركب ADP من جديد و الفاعل الإجمالي يكون:
 
 
إن مركب  ATP يعاد استخدامه بسرعة بعد أن يتم تركيبه. و عليه يمكن القول بأنه كلما زاد استهلاك الطاقة كلما كانت التفاعلات أسرع و بالتالي حصول الانجاز السريع لعملية التنفس.
من المعادلة السابقة يبدو من الواضح أن معدل التنفس يمكن أن يقاس بمعدل استهلاك الأكسجين أو بقياس معدل إنتاج ثاني أكسيد الكربون أو بقياس معدل تحرير الحرارة. و بما ان قياس ثاني أكسيد الكربون صعب في الوسط المائي، فإن الحارة يمكن أن تقاس باستعمال مقياس الكالوري و لكن الطريقة الأبسط هي قياس معدل التنفس بواسطة قياس الأكسجين المستنفذ باستخدام مقياس تنّفس الحمأة المنشطة.
و السؤال المطروح هو لماذا تحتاج البكتريا إلى الطاقة؟ و لتوضيح ذلك يمكننا القول بان كل الكائنات الحية الدقيقة تحتاج إلى الطاقة من أجل الحفاظ على بقائها في حالة مستقرة. و على سبيل المثال فإن كل خلية بكتيرية تعمل على طرد الشوارد خارجا" الى الوسط المحيط عبر الغشاء الخلوي عبر عمليات متنوعة تهدف لصيانة الخلية البكتيرية و كل هذه العمليات بحاجة الى طاقة. إذا كانت الخلية البكتيرية متحركة ( و معظم البكتريا غير متحركة) فإن الطاقة ستستخدم من أجل تامين الدفع. و على أية حال فإن الاستخدام الرئيسي للطاقة من قبل الخلية البكتيرية يكون من اجل التركيب الحيوي بهدف النمو. إن النمو يتضمن ربط المركبات ذات الوزن الجزيئي الصغير مع بعضها لتشكل جزيئات ميكروية دقيقة (Macromolecules) و التي يمكن ان تعدل لاحقا" لتشكل الأغشية او الجدران الخلوية..الخ. و بالتالي السكريات البسيطة مثل الغلوكوز ترتبط مع بعضها بواسطة روابط الغليكوسيديك (Glycosidic bonds) كما ان الحموض الامينية تتحد بواسطة روابط بيبتيدية لتشكل البروتينات وهكذا ..الخ. إن الطاقة المنتقلة بواسطة جزيئات ATP تستخدم لانجاز مثل هذه الأعمال. جزء من الطاقة يتحول الى حرارة و لذلك فأثناء النمو البكتيري تنتقل الطاقة جزئيا" على شكل حرارة الى حوض التهوية و لذلك تكون درجة حرارة المياه ضمن الحوض اعلى منها في الهواء الخارجي المحيط بالحوض.
أثناء النمو العادي للخلية البكتيرية فإن عدد معين من الجزيئات يبقى مخزنا" بشكل منتجات احتياطية ضمن الخلية. و هذه المنتجات تتشكل بشكل رئيسي من الغلوكوجين و هييروكسي البيوتايريت متعدد رابط البيت (Poly-  -hydroxybutyrate) و اختصارا"( PHB). و حالما يتم استهلاك جميع المواد العضوية القابلة للتحلل البيولوجي ضمن السائل الممزوج في أحواض التهوية كما هو الحال عند نهاية و مخرج الحوض، فإن النمو يتوقف و تبقى الخلية البكتيرية الجائعة تصارع من اجل البقاء و لذلك تبدأ باستقلاب المنتجات المخزنة ضمنها للحصول على الطاقة من أجل تنفيذ عمليات الصيانة.
و على الرغم من أن النمو قد توقف إلا أن التنفس يستمر بمعدل منخفض من أجل تامين الطاقة اللازمة للصيانة. و هذا ما يشار إليه عادة  " التنفس الباطني – Endogenous Respiration ". و حالما يتم استهلاك المنتجات المخزنة فإن البكتريا تبدأ باستقلاب البروتينات الخلوية و الجزيئات البنيوية الأخرى لتأمين الكربون اللازم لعملية التنفس الباطني. وعلى أية حال، فإن هذا العمل يشبه حرق أثاث البيت لإبقائه دافئا". و أخيرا" تموت الخلية البكتيرية و تتمزق لتحرر بدورها مكوناتها الداخلية ضمن السائل الممزوج بحيث تصبح غذاء" لبعض الأنواع الأخرى من البكتريا. الشكل (5) يبين بشكل تخطيطي مرحلة التنفس الباطني.
 
 
الشكل (5) رسم تخطيطي لمرحلة التنفس الباطني للخلية البكتيرية
 
 
و حالما يتوفر الغذاء للبكتريا التي تكون التنفس الباطني فإنها تعود مجددا" لبناء مكوناتها الخلوية التي استخدمتها من قبل. و يتبع ذلك و بشكل سريع استئناف النمو و إعادة بناء المنتجات التخزينية ضمن الخلية كما يظهر بالشكل (6):
 
 
 
الشكل(6) سلوك الخلية البكتيرية ذات التنفس الباطني حالما يتوفر الغذاء
 
و عندما يكون تركيز المواد الملوثة العضوية القابلة للتحلل البيولوجي أدنى من حد منخفض و ليكن القيمة المفترضة A كما يظهر بالشكل (7) فإن الخلية البكتيرية تكون بحالة التنفس الباطني و عندما  تزداد قيمة الملوثات
 (BOD) عن القيمة A تبدأ الخلية بالتنفس الطبيعي و الخلية تبدأ بالنمو و لكن يبقى التنفس الباطني جزءا" من معدل التنفس الكلي.
 
 
 
الشكل(7)  التنفس الطبيعي و التنفس الباطني للخلية البكتيرية 
 
 
من المهم القول أنه أثناء نمو الخلية البكتيرية في حوض التهوية فإن جزءا" من تنفسها يهدف لإنتاج الطاقة اللازمة للتركيب الحيوي و النمو، كما أن جزءا" قليلا" من الطاقة يستخدم لصيانة الخلية البكتيرية.
و بسبب الارتباط الوثيق بين العمليات الهضم و التنفس و النمو فإن معدل التنفس يتأثر بنفس العوامل التي تؤثر على معدل النمو.
 
عندما يكون تركيز المواد الملوثة العضوية (BOD) منخفض إلى الصفر كما هو عليه الحال عند مخرج حوض التهوية بحالة الجريان الدفقي (Plug Flow) فإن البكتريا تتنفس تنفسا" باطنيا" و لا يوجد نمو للبكتريا. و عندما يزداد تركيز المواد الملوثة العضوية شيئا" فشيئا" إلى حد تبدأ معه الخلايا بالحصول على الكربون و بالتالي البدء بالنمو. و بحالة الزيادة الإضافية بتركيز المواد الملوثة العضوية فإن النمو البكتيري يزداد و يزداد أيضا" معدل التنفس الباطني. إن عملية التركيب الخلوي تبدأ فورا" و تزداد بشكل سريع جدا" حالما يدخل الغذاء إلى وسط بكتيري بحالة التنفس الباطني. و هذا يمكن بيانه بشكل جلي ضمن المخبر بحالة إضافة غذاء مركّز إلى قارورة تحوي سائل ممزوج مأخوذ من حوض التهوية بمحطة معالجة تعمل بنظام الحمأة المنشطة. ذو بكتريا بحالة التنفس الباطني. فخلال ثواني سيتم تحويل الغذاء المركز و تبدأ الرغوة و الزبد بالتشكل ضمن القارورة كما يتحرر غاز ثاني أكسيد الكربون.
 
إذا كان مستوى الأكسجين منخفض جدا" ضمن حوض التهوية فإن التنفس سوف يتوقف و بالتالي تتوقف إمكانية النمو لدى البكتريا. عندما تصل المياه الملوثة إلى حد الإشباع بالهواء عند درجة حرارة 20 مئوية فإن تركيز الأكسجين يكون حوالي 9.2 ملغ/ل. ينتقل الأكسجين من الوسط المائي إلى داخل الخلية البكتيرية و يتوزع ضمن الخلية على شل منحني متدرج بحيث تكون ذروة المنحني عند مركز الخلية و يتناقص حتى يصل إلى الصفر تقريبا" عند جدار الخلية البكتيرية. و يجب التنويه إلى أن تركيز الأكسجين المنحل ضمن السائل الممزوج بحوض التهوية لا يمثل عامل مجدد للنمو البكتيري إذا تواجد بتركيز بين 1.5 - 2 ملغ/ل لأجل الندف البكتيرية و بتركيز حوالي 0.6 ملغ/ل ( التركيز الحرج) للبكتيريا المنتشرة بالوسط فير المرتبط بالندف بعد. و إذا انخفض تركيز الأكسجين عن 0.6 ملغ/ل فإن معدل التنفس سوف ينخفض سريعا" كما يظهر بالشكل(8). إن البكتريا الخيطية تملك تسامح أكبر منه عند الندف البكتيرية (الحمأة المنشطة) عند التراكيز المنخفضة تحت الحرجة للأكسجين و هذه البكتريا الخيطية تسبب انتفاخ الحمأة (Bulking Sludge).
 
 
 
الشكل(8) يبين العلاقة بين تركيز الأكسجين و معدل التنفس
 

إن دخول المواد السامة إلى حوض التهوية مع المياه الملوثة سوف يؤدي الى منع عملية التنفس و لذلك جرت العادة على إجراء اختبار السميّة اعتمادا" على دراسة معدل التنفس. و هذا يعني بدوره قياس معدل استهلاك الأكسجين (Oxygen Uptake Rate) بواسطة مقياس التنفس

 

ملاحظة: جميع محتويات الموقع ذات حقوق محفوظة و لايسمح بإعادة النشر أو الاستخدام إلا بعد أخذ إذن مدير الموقع حصريا" تحت طائلة المسؤولية. 

مدير الموقع
د.م عبد الرزاق التركماني


مقتطفات من المواقع البيئية
معالجة النفايات الطبية المعدية في أرامكو السعودية
______
أفضل الطرق للتخلص من المبيدات المنتهية الصلاحية
______
لا تقترب من هذه الأماكن.. فهي الأكثر تلوثا في العالم!
______
إنتاج الأخشاب باستخدام المياه العادمة المعالجة في الأردن
______
حرائق الغابات السورية
______
حقائق علمية حول المياه
______
انقر هنا للمزيد
______