Гниение и нитрификация
Мы разберем процессы деятельности бактерий, совершающиеся в навозе и в почве. Прежде всего необходимо помнить, что в навозе содержится большое количество мочевины 
которая под влиянием бактерий аммонификации присоединяет к себе две молекулы Н2О и превращается в углекислый аммоний (NН4)2СО3:
CO(NH2)2 + 2Н2О = (NН4)2СО3.
На этом обычно процесс не останавливается, так как (NН4)2СО3 в навозе и почве распадается с образованием 2NН3, СO2 и H2O. При взаимодействии аммиака с имеющимися в почве кислотами вновь образуются более стойкие аммонийные соли (например, 2NН3 + H2SO4 → (NH4)2SO4).
Аммонийные соли под влиянием бактерий нитрификации, в большом количестве встречающихся в навозе и в почве, подвергаются превращению в соли азотной кислоты через промежуточную фазу азотистой кислоты. За счет энергии окисления при этом процессе протекает жизнедеятельность бактерий нитрификации. Процесс нитрификации – процесс образования селитры в почве, а мы знаем, какое громадное значение для роста зеленых растений имеет присутствие этой соли в почве. Что образование селитры в почве есть биологический процесс, впервые доказали ученые Ж. Шлезинг и А. Ш. Мюнц. Они брали длинные толстые стеклянные трубки и наполняли их песком. Затем через верхний конец трубки вливали раствор аммиачной соли и исследовали жидкость, вытекающую через нижний конец трубки. Вытекающая жидкость содержала в себе соли азотной кислоты, а аммиачные соли из нее исчезали. Обрабатывая трубки с песком парами хлороформа или нагревая до температуры 110°, исследователи доказали, что процесс превращения аммиачных солей в селитру превращается, из чего они сделали вывод, что нитрификация зависит от каких-то живых микроорганизмов.
Известный русский микробиолог С. Н. Виноградский в 1889 г. выделил из почвы чистые культуры бактерий нитрификации двух родов, всегда встречающиеся вместе и находящиеся в своеобразном симбиозе. Первая бактерия (Nitrosomonas) (рис.1) переводит аммонийные соли, точнее выделяющийся при их распаде аммиак, в азотистую кислоту:
2NН3 + 3O2 = 2HNO2 + 2Н2О + 158 больших калорий, то есть осуществляет первую фазу нитрификации. Азотистая кислота не накапливается, а при помощи второй бактерии (Nitrobacter) тут же окисляется в азотную кислоту:
Рис.1. Бактерии :
I – нитрозомонас. II – азотобактер.
Позднее в почвах разных стран были найдены подобные же бактерии. Успех нитрификации зависит от присутствия в почве достаточной влажности, достаточного количества солей кальция, связывающего азотную кислоту, а также от доступа воздуха в почву, так как бактерии нитрификации относятся к облигатным аэробам. Отсюда вытекает необходимость правильной глубокой обработки почвы.
Кроме перечисленных выше бактерий, в почве встречаются еще чрезвычайно интересные и полезные бактерии, обладающие способностью связывать свободный азот воздуха и делать его доступным для питания зеленых растений. Одна из этих бактерий Azotobacter (рис.1, II) является аэробной, а другая, Clostridium pasteurianum, – анаэробной. Успешное развитие азотфиксирующих бактерий связано с развитием почвенных водорослей. Последние образуют углеводы и другие без азотистые вещества, необходимые для развития азотфиксирующих бактерий.
При изучении физиологии растений разберем вопрос о полезной бактерии, улавливающей свободный азот воздуха (Bacterium radicicola), встречающейся в почве и проникающей в корни бобовых растений, на которых развиваются клубеньки.
Биогаз с мусорной свалки: реальность или красивая сказка?
Свалки представляют собой серьёзную угрозу экологии, нарушают экологический баланс регионов, однако однозначно приемлемой альтернативы им пока ещё не придумали. Поэтому приходится мириться с теми проблемами, которые из-за них возникают. Хотя если посмотреть с другой стороны, некоторые проблемы можно превратить в решение других, не менее серьёзных проблем.
Например, так называемый свалочный газ. Это – одна из разновидностей биогаза, который выделяется в результате гниения органических отходов, попавших на мусорник. В его составе примерно одинаковое количество метана и углекислого газа, с небольшой примесью других составляющих.
Насколько серьёзна проблема?
Свалочный газ приносит с собой ещё одну проблему, на первый взгляд неочевидную – негативное воздействие на растительный покров возле места захоронения отходов. Поровое пространство почвы перенасыщается газом и в результате газ вытесняет кислород.
Добыча и утилизация биогаза
Газ получают на закрытых полигонах. Мусор складируется в изолированные ячейки и герметично затягивается плёнкой в верхней части. Так предотвращается утечка газа в атмосферу. Затем на территории свалки устанавливается система полых труб, через которую выкачивается газ.
В среднем газ на свалке выделяется в течение 30-70 лет. Затем территорию можно использовать в качестве свалки повторно. К сожалению, не каждый мусорный полигон подходит для газодобычи – при малых объёмах производство себя не окупает. Из одной тонны бытового мусора в среднем удаётся получить 60 кубометров метана.
Где используется свалочный газ
Самый простой с технологической точки зрения способ использования полученного газа – выработка электроэнергии. В этом случае очистка газа от примесей минимальна.
Можно использовать полученный газ в качества топлива для транспортных средств. Так поступают, например, в отдельных городах Швеции и Норвегии, где газ применяется в городских автобусах. В этом случае необходима более тщательная очистка газа.
Также такой газ может поступать в городскую газовую сеть. Для этого необходима особенно качественная очистка и объёмы производства должны быть большими.
Если газ сложно утилизовать, то его подвергают факельному сжиганию. Эта мера хотя и экономически нецелесообразна, но помогает сократить выбросы парниковых газов в атмосферу и уменьшает вероятность возгорания свалки.
А как же обстоит дело в России? К сожалению, энергетический потенциал свалок практически не используется. А ведь в существующих условиях из 1 м 3 биогаза можно получить 1,5 кВт/ч электроэнергии. На сегодняшний день это особенно актуально, учитывая возрастающую необходимость в возобновляемых источниках энергии. А пока что российские свалки ежегодно выбрасывают в атмосферу 1,1 миллиона тонн биогаза, что составляет около 2,5% от планетарного потока. Такие возможности уходят впустую, остаётся только надеяться, что когда-нибудь этой проблемой всё-таки займутся вплотную.
Гниение
Гниение обычно начинается в толстом кишечнике. Если труп находится в обычных комнатных условиях (+16 — +18°С), то на коже, в местах толстого кишечника ближе к передней брюшной стенке (подвздошные области — нижние боковые части живота) на 2-й—3-й день появляются пятна зеленого цвета (трупная зелень), которые затем распространяются по всему телу и покрывают его целиком на 12-й—14-й день.
Образующиеся при гниении газы пропитывают подкожную клетчатку и раздувают ее (трупная эмфизема). Особенно раздутыми оказываются лицо, губы, молочные железы, живот, мошонка, конечности. Тело при этом значительно увеличивается в объеме. Вследствие загнивания крови в сосудах венозная сеть начинает просвечивать через кожу в виде ветвистых фигур грязно-зеленого цвета, хорошо видимых при наружном осмотре трупа. Под действием газов язык может быть вытолкнут из полости рта. Под поверхностным слоем кожи образуются гнилостные пузыри, наполненные кровянистой жидкостью, которые со временем лопаются. Образующиеся при гниении в брюшной полости газы способны даже вытолкнуть плод из матки беременной женщины и одновременно вывернуть ее (посмертные роды).
В процессе гниения кожа, органы и ткани постепенно размягчаются и превращаются в зловонную кашицеобразную массу, обнажаются кости. Со временем все мягкие ткани расплавляются и от трупа остается один скелет. В зависимости от условий захоронения (характер почвы и др.) полное разрушение мягких тканей и скелетирование трупа наступает примерно в течение 3-х— 4-х лет. На открытом воздухе этот процесс заканчивается значительно быстрее (в летнее время — в течение нескольких месяцев). Кости скелета могут сохраняться десятки и сотни лет. У трупов, находящихся в земле, меняется цвет волос.
Ориентировочные сроки развития гнилостных изменений [1]
| 1. Разрешение трупного окоченения | Начало 3-х суток |
| 2. Трупная зелень в подвздошных областях | |
| А) летом на открытом воздухе | 2-3 суток |
| Б) при комнатной температуре | 3-5 суток |
| 3. Трупная зелень всей кожи живота | 3-5 суток |
| 4. Трупная зелень всей кожи трупа (если нет мух) | 8-12 суток |
| 5. Гнилостная венозная сеть | 3-4 суток |
| 6. Выраженная гнилостная эмфизема | 2-я неделя |
| 7. Появление гнилостных пузырей | 2-я неделя |
| 8. Гнилостная деструкция (если нет мух) | 3 мес. |
Скорость развития гнилостных процессов во многом определяется условиями среды. Каспером было предложено правило (см. Правило Каспера), согласно которому одного и того же состояния труп достигает в трех средах в определенной закономерности. Так, регистрируемые процессы гниения через неделю после наступления смерти при нахождении трупа на воздухе соответствуют двухнедельной давности трупа, находящегося в воде, и восьминедельной давности при нахождении трупа в земле.
| Гниение на воздухе | 1 неделя | 2 недели | 3 недели | 4 недели |
| Гниение в воде | 2 недели | 4 недели | 6 недель | 8 недель |
| Гниение в земле | 8 недель | 16 недель | 24 недели | 32 недели |
При условии температуры трупа равной или незначительно превышающей температуры окружающей среды (на 1-1,5°С) решение вопроса определения продолжительности интервала времени, необходимого для появления признаков гниения при той или иной конкретной температуре тканей осуществляется по формуле:
где τ – продолжительность гниения исследуемого объекта, час; TС – температура среды, °С. [2]
Химическая жизнь мусора
Что происходит с отходами, когда они попадают на свалку?
Совсем недалеко от вашего дома — может быть, в паре десятков километров, а может быть и значительно ближе — работает масштабный химический реактор, куда каждый день загружают новые порции ингредиентов, состав которых точно не знает никто, да и результат работы самого реактора не вполне предсказуем. Реактор этот называют свалкой, или, в переводе на бюрократический язык, полигоном твердых бытовых отходов. Все, что выбрасывают жители городов, в конечном счете оказывается здесь. Редакция N+1 решила выяснить, что происходит с мусором, когда он оказывается на свалке.
В 2015 году в России, по данным аналитической компании Frost&Sullivan, было произведено 57 миллионов тонн твердых бытовых отходов, это лишь немногим меньше объема производства стали (71 миллион тонн). В Москве и области бытовой мусор (около 11 миллионов тонн в год) в основном состоит из пищевых отходов (22 процентов), бумаги и картона (17 процентов), стекла (16 процентов) и пластика (13 процентов), на ткань, металл и древесину приходится по 3 процента, еще около 20 процентов — на все остальное. В России на мусорные полигоны попадает до 94 процентов мусора, только 4 процента перерабатывается и 2 процента — сжигается. Для сравнения: в ЕС в переработку идет 45 процентов мусора, 28 процентов — попадает на свалки, а 27 процентов — сжигается.
Российские свалки за год выделяют в атмосферу 1,5 миллиона тонн метана и 21,5 миллиона тонн СО2. Всего в России на 2015 год было 13,9 тысячи действующих мусорных полигона, из них в Московской области — 14. Только одна московская свалка в Чеховском районе (полигон «Кулаково») за год выдала в атмосферу 2,4 тысячи тонн метана, 39,4 тонны углекислого газа, 1,8 тонны аммиака и 0,028 тонны сероводорода.
Мусорный полигон в разрезе
Химическую жизнь мусора на свалке условно можно разделить на четыре главных фазы. Во время первой фазы аэробные бактерии — бактерии, которые способны жить и развиваться в присутствии кислорода, — расщепляют все длинные молекулярные цепочки углеводов, белков, липидов, из которых состоит органический мусор, то есть, в основном пищевые отходы. Главный продукт этого процесса — углекислый газ, а также азот (количество которого постепенно снижается в течение жизни свалки). Первая фаза продолжается до тех пор, пока в мусоре остается достаточно кислорода, и она может занимать месяцы или даже дни, пока мусор относительно свеж. Содержание кислорода сильно варьируется в зависимости от степени спрессованности мусора и от того, насколько глубоко он захоронен.
Вторая фаза начинается, когда весь кислород в мусоре уже использован. Теперь главную роль играют анаэробные бактерии, которые превращают вещества, созданные их аэробными коллегами, в уксусную, муравьиную и молочную кислоту, а также в спирты — этиловый и метиловый. Среда на свалке становится очень кислотной. По мере того, как кислоты смешиваются с влагой, это высвобождает питательные вещества, делая азот и фосфор доступными для многоликого сообщества бактерий, которые в свою очередь интенсивно вырабатывают углекислый газ и водород. Если свалка будет потревожена или в толщу мусора каким-то образом проникнет кислород, все возвращается к первой фазе.
Четвертая фаза — самая длинная — начинается, когда состав и уровень производства газов на свалке становится относительно стабильным. На этой стадии свалочный газ содержит от 45 до 60 процентов метана (по объему), от 40 до 60 процентов — углекислого газа, и от 2 до 9 процентов других газов, в частности, соединений серы. Эта фаза может продолжаться примерно 20 лет, но даже через 50 лет после того, как на свалку перестали привозить мусор, она продолжает выделять газ.
Динамика объема различных газов, выделяемых мусором в зависимости от времени
Что может пойти не так
Завкафедрой экологического мониторинга и прогнозирования РУДН Марианна Харламова объясняет, что точный состав свалочного газа зависит от множества факторов: от времени года, от соблюдения технологий при строительстве и эксплуатации полигона, от возраста свалки, от состава мусора, от климатической зоны, от температуры воздуха и влажности.
Технология эксплуатации мусорных полигонов предполагает, что свалочный газ собирается с помощью системы дегазации, затем его очищают от примесей и сжигают в факелах, либо используют в качестве топлива. Харламова отмечает, что сжигание неочищенного свалочного газа, как это делалось, например, на полигоне Кучино, может создать множество новых проблем с токсичными продуктами горения.
«В этом случае образуется, например, диоксид серы (при горении сероводорода), и другие токсичные сернистые соединения. При нормальной утилизации газа необходимо сначала очистить его от соединений серы», — говорит она.
Еще одна угроза возникает, когда в толще мусора начинается сильный разогрев, пожар без доступа воздуха, похожий на торфяной. В этом случае свалка резко меняет свой репертуар, в выбросах в большом количестве появляются альдегиды, полиароматические углеводороды, хлорированная полиароматика. «При этом возникает характерный запах. Обычный запах свалки — это запах гниения, который дают сероводород и меркаптаны. В случае пожара начинает пахнуть жареной картошкой — это запах фтороводорода, который образуется при горении», — объясняет Харламова.
По ее словам, иногда пытаются прекратить поступление в атмосферу свалочного газа, закрывая полигон сверху пленкой, а затем слоем земли. Но это создает дополнительные проблемы: «При гниении образуются пустоты и возникают провалы грунта, кроме того, пленка не пропускает воду, а значит сверху будут возникать болота», — говорит она.
Главный источник проблем со свалками, отмечает Харламова — пищевые и органические отходы. Именно они в основном создают условия для «производства» метана и сероводорода. Без пищевых отходов мусор намного лучше поддается сортировке и переработке. «Если бы нам удалось организовать систему сбора мусора так, чтобы органика не попадала на полигоны ТБО, это решило бы большую часть проблем со свалками, которые возникают сегодня», — считает ученый.
Гниение
Гние́ние (аммонификация) — процесс разложения азотсодержащих органических соединений (белков, аминокислот), в результате их ферментативного гидролиза под действием аммонифицирующих микроорганизмов с образованием токсичных для человека конечных продуктов — аммиака, сероводорода, а также первичных и вторичных аминов при неполной минерализации продуктов разложения:
«Гниение» в переносном смысле — процесс изменения чего-либо или кого-либо в худшую сторону.
Содержание
Аммонифицирующие микроорганизмы
Аммонифицирующие микроорганизмы (иначе гнилостные микроорганизмы, гнилостная микрофлора) широко распространены в почве, воздухе, воде, животных и растительных организмах. Поэтому любой подходящий субстрат быстро подвергается гниению. Наиболее глубокий распад белка с образованием безазотистых и азотистых соединений (индол, скатол, NH3,H2S) идет при участии спорообразующих бактерий рода Bacillus (например Bacillus subtilis, Bacillus mycoides), Clostridium (Clostridium perfringens, Clostridium tetani, Clostridium histolyticum), и семейства Enterobacteriaceae(например Proteus, Escherichia).
Умеренное, контролируемое иммунитетом организма бактериальное гниение белков также является необходимой частью пищеварения и происходит в толстом кишечнике человека и животных. Их активаторами являются Proteus, Escherichia, Morganella, Klebsiella, Pseudomonas. По мнению И. И. Мечникова, постоянно образующиеся в кишечнике продукты гниения (скатол, индол и др.), вызывают хроническую интоксикацию и являются одной из причин преждевременного старения. Чрезмерно интенсивное гниение в толстом кишечнике является причиной гнилостной диспепсии, диареи и дисбактериоза толстого кишечника.
Этапы гниения
Первой стадией разложения белков является их гидролиз как микробными протеазами, так и протеазами клеток погибшего организма, высвобождаемыми из лизосом в результате смерти клеток (аутолиз). Протеолиз происходит в несколько стадий- в начале белки расщепляются до всё ещё крупных полипептидов, затем образовавшиеся полипептиды расщепляются до олигопептидов, которые в свою очередь расщепляются до дипептидов и свободных аминокислот. [1] Образовавшиеся свободные аминокислоты затем подвергаются ряду превращений, приводящих к выделению характерных для гниения продуктов. Первыми стадиями является дезаминирование аминокислот, в результате которого аминогруппа аминокислоты отщепляется и высвобождается свободный ион аммония и декарбоксилирование, в результате которого карбоксильная группа отщепляется с высвобождением двуокиси углерода (реакция декарбоксилирования чаще всего происходит в условиях пониженного pH). В результате декарбоксилирования высвобождаются также первичные амины:
Выделяют так называемое окислительное дезаминирование (наиболее распространённый вид дезаминирования, в результате которого NAD(P) восстанавливается до NAD(P)H2) и гидролитическое дезаминирование, при котором аминогруппа аминокислоты заменяется на гидроксильную.
Также некоторые аминокислоты трансаминируются путём перемещения аминогруппы аминокислоты на 2-оксикислоту (в результате этого процесса также происходит дезаминирование аминокислот, кроме этого синтезируются те аминокислоты, которые бактерии не могут синтезировать путём аминирования ионами аммония).
Образовавшиеся в результате дезаминирования и декарбоксилирования продукты могут как окисляться микроорганизмами с целью получения энергии в виде АТФ, так и участвовать в реакциях промежуточного обмена. [2]
Образование скатола и индола
Анаэробное разложение белков представителями рода Clostridium
Характерной особенностью так называемых протеолитических клостридиев (то есть разрушающих белки — например Clostridium hystoliticum) является способность сбраживать аминокислоты (таким образом используя их для получения энергии и как источник углерода) и продуцировать протеолитические ферменты. Представители рода Clostridium способны сбраживать глутаминовую кислоту, глутамин, гистидин, лизин, аргинин, фенилаланин, серин, треонин, аланин и цистеин. Некоторые аминокислоты могут сбраживаться одиночно (например лизин, в результате сбраживания которого происходит образование аммиака, масляной и уксусной кислот), а некоторые лишь парами (при котором происходит сопряжённая окислительно-восстановительная реакция, в которой одна аминокислота выступает в роли донора электронов, а вторая- акцептора). Донорами электронов в реакциях парного сбраживания могут выступать аспарагин, аланин, валин, серин, гистидин, в роли акцептора — глицин, пролин, орнитин, аргинин.
Хорошо изучено сопряжённое окисление-восстановление пары аланина и глицина. Суммарно реакция выглядит так:
В результате парного сбраживания аланина и глицина бактерия получает 1 молекулу АТФ на каждую молекулу аланина. [3]
Анаэробная и гнилостная инфекция
Анаэробная инфекция — тяжелая токсическая раневая инфекция, вызванная анаэробной гнилостной микрофлорой, с преимущественным поражением соединительной и мышечной ткани.
В хирургии принято выделять: [4]
При анаэробной инфекции (газовой гангрене) ткани, омертвевшие под действием экзотоксинов, образуемых бактериями рода Clostridium, колонизируются вторичной гнилостной микрофлорой.
Возбудителями анаэробной неклостридиальной инфекции являются представители нормальной микрофлоры человека, находящейся на коже, в полости рта, желудочно-кишечного тракта. Это бактероиды, пептококки, пептострептококки, актиномицеты, микрококки.
Гнилостная инфекция — инициируется представителями анаэробной неклостридиальной микрофлоры в сочетании с аэробными микроорганизмами (чаще стафилококками или граммотрицательными палочками Pseudomonas aeruginosa, Escherichia coli, Proteus vulgaris, Enterobacter aerogenes, Klebsiella)
Судебная медицина
Под гниением трупа человека в судебной медицине понимают такие поздние трупные явления, при которых под воздействием микроорганизмов происходит разложение сложных органических соединений тканей человека (прежде всего белков). Гниение трупа начинается через сутки-двое после смерти человека. При гниении трупа выделяется много газообразных продуктов (аммиака, сероводорода, метана), при этом труп распухает (так называемая трупная эмфизема, особенно распухают ткани лица, конечности, мошонка и молочные железы), при этом ткани могут разрываться с выделением жидкости, окрашенной в коричневые и зелёные тона, представляющей собой разложившиеся внутренние органы тела.
Гниение наиболее интенсивно происходит в условиях повышенной влажности воздуха и повышенной температуры. В условиях доступа свежего воздуха гниение также происходит быстрее, чем в воде или почве (в гробах и других герметично закрытых ёмкостях гниение происходит медленнее). При низких температурах гниение замедляется, при температурах ниже нуля может совсем приостановиться. При наличии гнойных процессов, а также сепсиса гниение значительно ускоряется.
Толстый кишечник первым вовлекается в процесс гниения (из-за обильной обсеменённости кишечника симбионтными бактериями), при этом при комнатной температуре через сутки на нижней части брюшной стенки появляются зелёные пятна, распространяющиеся через 11—13 суток на всё тело. Тело распухает из-за выделяющихся газообразных продуктов гниения, кровь окрашивается в грязно-зелёный цвет. В дальнейшем все мягкие ткани человека разлагаются, становятся кашицеобразными, превращаясь в дурнопахнущую жидкость и наступает скелетизация трупа, при этом остаётся один скелет. [5]
