Anaerob fermentált szennyvíziszap biokémiai jellemzése enzimaktivitás vizsgálatokkal

Átírás

1 Eötvös Loránd Tudományegyetem Természettudományi Kar Környezettudományi Centrum Anaerob fermentált szennyvíziszap biokémiai jellemzése enzimaktivitás vizsgálatokkal Készítette: Vaszkó Virág Környezettudomány szakos hallgató Témavezetı: Kardos Levente tanársegéd Budapesti Corvinus Egyetem Kertészettudományi Kar Talajtan és Vízgazdálkodás Tanszék Belsı konzulens: Dr. Barkács Katalin adjunktus Eötvös Loránd Tudományegyetem Természettudományi Kar Analitikai Kémiai Tanszék június 19.

2 Problémafelvetés, célkitőzés Fosszilis energiahordozók (kıszén, kıolaj, földgáz) használata ma még meghatározók az energiaellátásban Hatásaik veszélyesek a földi környezetre: CO 2 üvegházhatás globális éghajlatváltozás SO 2 savas esık kıolaj szállításkor olajszennyezés Környezetkímélı megoldás megújuló energiaforrások (vízenergia, napenergia, ár-apály, geotermikus energia, biogáz, biomassza, szélenergia) használata A biogáz energiatartalma nagy, így az energiaválságban kitőnıen alkalmazható elektromos és hıenergiaként Anaerob rothasztás folyamatának vizsgálata enzimaktivitás mérésekkel

3 A biogáz és képzıdése Szerves anyagok baktériumok által történı anaerob rothasztása során keletkezik. Összetétele: metán (~70 %), szén-dioxid (~30 %), kénhidrogén (H 2 S), ammónia (NH 3 ) és egyéb gázok Biogáz elıállítható: kommunális hulladékból, szennyvíziszapból, mezıgazdasági termékekbıl (növényi, állati), élelmiszeripari melléktermékekbıl. A biogáz felhasználása: meleg víz, generátor elektromos energia, hıforrás (közvetlen elégetés gázkazánokban), motorüzemanyag (CO 2 eltávolítása után). Szennyvíziszap anaerob fermentációjából nagy mennyiségő biogáz nyerhetı szennyvíztelepek helybeni és lakossági energiaellátás

4 A lebontást meghatározó legfontosabb tényezık Szubsztrát összetétel Szubsztrát terhelés Hımérséklet (mezofil: ~ 35ºC, termofil: ~ 55ºC) Oltóanyagban lévı mikroorganizmusok faja, száma Toxikus anyagok Üzemeltetési körülmények (tartózkodási idı, keveredés, tartály kialakítás)

5 Az anaerob lebontás 3 lépcsıre bontható: 1. lépcsı: a hidrolízis a savtermelı baktériumok extracelluláris enzimjei végzik (vízoldható vegyületek keletkeznek) 2. lépcsı: acidogenezis folyamata - a hidrolízis végtermékei ecetsavvá és nagyobb molekulatömegő zsírsavakká alakulnak (ecetsav (CH 3 COOH), propionsav (C 2 H 5 COOH), tejsav (C 3 H 6 O 3 ), vajsav (C 3 H 7 COOH), CO 2, H 2, stb. képzıdik acetogenezis folyamata - az elızı lépések intermedierjei (propionsav, vajsav stb.) ecetsavvá alakulnak 3. lépcsı: metánképzıdés folyamata - elızı folyamatok köztitermékeibıl, metanogén baktériumok által metán (CH 4 ) és szén-dioxid (CO 2 ) Az iszaprothasztás gyakorlatában kevert reaktorokat alkalmaznak

6 Az anaerob lebontás vázlata szénhidrátok Nyers iszap proteinek zsírok monoszacharidok peptidek,aminosavak glicerin, zsírsavak propionsav, vajsav, alkoholok, stb. Baktériumszintézis Baktériumszintézis H 2, CO 2, ecetsav H 2, CO 2, ecetsav NH 4+, H 2 S, stb. Biogáz ~70% CH 4, ~30% CO 2 Baktériumszintézis

7 Szennyvíztelepi vizsgálatok A folyamatokat ellenırzı paraméterekkel és enzimaktivitás vizsgálatokkal lehet nyomon követni: Klasszikus ellenırzı paraméterek: száraz- és szerves anyag (MSZ 318/3-79), ph (MSZ 318/4-79), illósav (Standard Methods 16th Edition,1985.), lúgosság (Standard Methods 16th Edition,1985.), gázösszetétel (MSZ ). Enzimaktivitás mérések: dehidrogenáz (MSZ /3-86), proteáz (Thiel, P.G. és Hattingh W.H.J, 1967.), lipáz (Vorderwülbecke, T. et al., 1992.), celluláz (Hofmann, 1955.)

8 Üzemi anaerob fermentorok (FCSM Zrt. Délpesti Szennyvíztisztító Telep)

9 A szennyvíztelepen alkalmazott enzimaktivitás vizsgálatok Dehidrogenáz enzimaktivitás meghatározása A dehidrogenáz aktivitás összaktivitás jellemzı paraméter, a hidrogén átvitelét katalizálja a redukált hidrogén donorról az oxidált hidrogén akceptor szubsztrátra. Mesterséges hidrogén akceptor: 2,3,5-trifenil-tetrazóliumklorid (TTC) az enzim által katalizált folyamat eredményeképpen vörös színő trifenil-formazánná (TF) redukálódik mennyisége a színreakció után spektrofotometriásan mérhetı. A mérés elve: rothasztott szennyvíziszap + telített NaHCO 3 (puffer) + TTC-oldat (szubsztrát) inkubálás 1 órán keresztül 37 ºC-on a biokémiai folyamat leállítása etanollal szőrés abszorbancia mérése 485 nm-en etanollal szemben

10 Dehidrogenáz enzimaktivitás mérése során alkalmazott változtatások Mérések során változtatott paraméterek: Iszapminta térfogata: 0,5, 1,0, 2,0 ml (szárazanyag-tartalom: ~30-50 g/kg) Inkubálás hımérséklete: szobahımérséklet, 37, 45 és 55 ºC Mérési eredmények: Iszaptérfogat: 1,0 ml Ideális inkubálási hımérséklet: 37 ºC az inkubálás hımérséklete függ az anaerob rothasztás körülményeitıl (mezofil vagy termofil) Kevésbé volt érzékeny a mérési körülmények változtatására

11 A Formazán-koncentráció változása mg For rmazán/g sz.a.i iszap*h Hımérséklet

12 A szennyvíztelepen alkalmazott enzimaktivitás vizsgálatok Proteáz enzimaktivitás meghatározása A proteázok a fehérjékben található peptidkötések hidrolízise révén bontják le a fehérjéket kisebb peptidekre, majd aminosavakra. A mérés elve: rothasztott szennyvíziszap + kazein-oldat (szubsztrát) minták: 1/3 rész iszapminta + 1/3 rész szubsztrát + 1/3 rész desztillált víz inkubálás 1 órán kersztül szobahımérsékleten reakció leállítása triklórecetsavval szőrés lúgosítás szőrés hígított Folin-reagens hozzáadása után abszorbancia mérése 660 nm-en a vak mintával szemben (kék színő oldat)

13 Proteáz enzimaktivitás mérése során alkalmazott változtatások Mérések során változtatott paraméterek: Iszapminta térfogata: elıször 1,0, 2,0 és 4,0 ml, késıbb 0,5, 1,0 és 2,0 ml, végül csak 1,0 és 2,0 ml Inkubálás hımérséklete: szobahımérsékletrıl 37 ºC-ra Inkubálás leállítása triklórecetsavval: 10 %-os helyett 15 és 20 %-os alkalmazása Töményebb NaOH-oldat: 0,5 M helyett 1,0, 1,5 és 2,0 M- os oldatok Szőrés: vákuumszőrés (pórusátmérı: 0,45 µm) Folin-reagens hozzáadásával kialakuló kék szín idıfüggése

14 Mérési eredmények Mintatérfogatok: 1,0 és 2,0 ml megbízhatóbb adatok Ideális inkubálási hımérséklet: 37 ºC nagyobb biológiai aktivitás, azaz nagyobb enzimaktivitás értékek A reakció leállításához 15 %-os triklórecetsav-oldat Lúgosításhoz 1,0 M-os NaOH-oldat Folin-reagens hozzáadása után 15 perc várakozás a kialakuló kék szín stabilizálódásához

15 Folin-reagens idıbeli stabilitásának kialakulása Minta Abszorbancia 0 5 perc 10 perc 15perc 25perc 30perc 35perc vak1 0,621 0,641 0,648 0,643 0,641 0,639 0,642 vak2 0,686 0,724 0,740 0,728 0,728 0,727 0, ,793 0,796 0,802 0,798 0,790 0,785 0, ,712 0,711 0,714 0,706 0,700 0,695 0, ,770 0,774 0,774 0,771 0,771 0,763 0,

16 Összefoglalás Dehidrogenáz: viszonylag homogén eredmények Proteáz: különbözı mintákban eltérı eredmények, a reakciók érzékenyen reagáltak a változtatott paraméterekre további elemzések szükségesek Laboratóriumban és üzemi gyakorlatban egyaránt fontos a mérési módszerek további fejlesztése, egyszerősítése, tökéletesítése (dehidrogenáz, proteáz, celluláz, lipáz)

17 Köszönöm a figyelmet!