020 เล มที่4/4 คู มือวิชาการระบบบําบัดน้ําเสียแบบไม ใช อากาศ เล มที่2

เลขทะเบยน คพ. 08-020 เลมท 4/4

คมอวชาการระบบบาบดนาเสยแบบไมใชอากาศ เลมท 2

ISBN 974-9558-56-1 กรมควบคมมลพษ

กระทรวงทรพยากรธรรมชาตและสงแวดลอม

I

รายการของรายงานหลกและรายงานประกอบ

การจดทาคมอวชาการระบบบาบดนาเสยแบบไรอากาศ

เลมท 1/4 รายงานสรปสาหรบผบรหาร เลมท 2/4 รายงานหลก เลมท 3/4 คมอวชาการระบบบาบดนาเสยแบบไมใชอากาศ ชดท 1 เลมท 4/4 คมอวชาการระบบบาบดนาเสยแบบไมใชอากาศ ชดท 2

II

งานทปรากฏในเอกสารฉบบนรวมทงโสตทศนวสด สงบนทกเสยงและงานอนๆ เปนลขสทธของกรมควบคมมลพษ ซงทปรกษาของกรมควบคมมลพษไดจดทาขนเพอใชเปนแนวทางในการแกไขปญหาสงแวดลอม หามผใดนางานนไมวาทงหมดหรอบางสวนไปทาซา ดดแปลง เผยแพรตอ สาธารณชนในทางการคา ใหเชา หรอกระทาการใดอนเปนการละเมดลขสทธของกรมควบคมมลพษ เวนแตจะไดรบอนญาตจากกรมควบคมมลพษตามกฎหมายวาดวยลขสทธ ทงนผไดรบอนญาตจะตองอางองชอกรมควบคมมลพษในฐานะ เจาของลขสทธทกครงทนางานไปใชไมวาทงหมดหรอบางสวน กรมควบคมมลพษไมรบผดชอบในความเสยหายทเกดขนหรออาจเกดขนเพราะการนางานนไปใชไมวาโดยวธใดวธหนง ฉะนน การนางานนไปใชไมวาทงหมดหรอบางสวนควรปรกษากบผทมความรความชานาญเกยวกบงานนนๆ ดวย

คานา

III

กรมควบคมมลพษกอตงขนตามพระราชกฤษฎกาแบงสวนราชการกรมควบคมมลพษ กระทรวงวทยาศาสตร เทคโนโลยและสงแวดลอม พ.ศ. 2535 มอานาจหนาทตามกฎกระทรวงแบงสวนราชการกรมควบคมมลพษ กระทรวงทรพยากรธรรมชาตและสงแวดลอม พ.ศ.2545 ดงตอไปน เสนอความเหนเพอจดทานโยบายและแผนการสงเสรมและรกษาคณภาพสงแวดลอมแหงชาตดานการควบคมมลพษ เสนอแนะการกาหนดมาตรฐานคณภาพสงแวดลอมและมาตรฐานควบคมมลพษจากแหลงกาเนด จดทาแผนจดการคณภาพสงแวดลอม และมาตร-การในการควบคม ปองกนและแกไขปญหาสงแวดลอม ตดตาม ต ร ว จ ส อ บ คณภาพสงแวดลอม และจดทารายงานสถานการณมลพษ พฒนาระบบ รปแบบ และวธการทเหมาะสมสาหรบระบบตางๆ เพอนามาประยกตใชในการจดการ คณภาพนา อากาศ ระดบเสยง สารอนตราย และกากของเสย ดาเนนการตามกฎหมายวาดวยการสงเสรมและรกษาคณภาพสงแวดลอมแหงชาตดานการ ควบคมมลพษ และดาเนนการเกยวกบเรองราวรองทกขดานมลพษ ฝายคณภาพสงแวดลอมและหองปฏบตการ มอานาจหนาทในการสนบสนนงานวจยและพฒนาเกยวกบการจดการมลพษ พฒนาระบบ รปแบบ และวธการตรวจประเมนเทคโนโลยการควบคมมลพษ ใหคาปรกษาแนะนาเกยวกบงานดานวศวกรรมสงแวดลอม สนบสนนและสรางกลไกการแปลงแนวคดของเทคโนโลยการจดการมลพษสการใชในทางปฏบต สนบสนนการเสรมสรางศกยภาพการแขงขนเกยวกบผลตภณฑและธรกจเทคโนโลยการควบคมมลพษ และวเคราะหตวอยางสงแวดลอมของกรม

IV

โครงการจดทาคมอวชาการระบบบาบดนาเสยแบบไรอากาศ มวตถประสงคเพอ พฒนาความรทางวชาการในดานระบบบาบดนาเสยแบบไมใชอากาศ อนเปนเทคโนโลยการบาบดนาเสยทเหมาะสมกบสภาพภมอากาศเขตรอนของประเทศไทย การมคมอวชาการนจะชวยใหผบรหาร วศวกร ชางเทคนค ตลอดจนถงนกศกษา สามารถใชเปนคมออางองเพอเสรมสรางความรความเขาใจ ซงจะทาใหการปฏบตงานมประสทธภาพตอไป หากทานมขอสงสยหรอขอเสนอแนะเกยวกบรายงานน ทานสามารถตดตอไดทฝายคณภาพสงแวดลอมและหองปฏบตการ กรมควบคม มลพษ โทรศพท 0 2298 2554 ฝายคณภาพสงแวดลอมและหองปฏบตการ กรมควบคมมลพษ

V

กตตกรรมประกาศ โครงการการจดทาคมอวชาการระบบบาบดนาเสยแบบไมใชอากาศ ดาเนนการโดย ศนยบรการวชาการแหงจฬาลงกรณมหาวทยาลย โดยม รศ.ดร.มนสน ตณฑลเวศม เปนหวหนาโครงการ คณะทางานของทปรกษาขอขอบพระคณอธบดกรมควบคมมลพษและรองอธบดกรมควบคมมลพษทไดกรณาใหคาแนะนาอนมคาตอโครงการน และขอขอบคณเจาหนาทกรมควบคมมลพษทกทานทใหความอนเคราะหและรวมมอในดานตางๆ รวมทงผเขารวมการสมมนาผลการดาเนนงานของโครงการทกทานทไดใหความเหนในการปรบปรงรายงานใหสมบรณยงขน สดทายนทปรกษาขอขอบพระคณเจาหนาทกรมควบคมมลพษทไดชวยเหลอและใหคาปรกษารวมทงใหขอคดเหนทเปนประโยชนตอการจดทารายงานและการดาเนนงานโครงการจนเสรจสนสมบรณดงมรายนามตอไปน

1. นายชนนทร ทองธรรมชาต ผอานวยการสานกจดการคณภาพนา 2. นางกญชล นาวกภม ผอานวยการสวนนาเสยเกษตรกรรม 3. นางสาวสรรตน ถมยาศรกล นกวชาการสงแวดลอม 6 ว 4. นายภทรพล ตลารกษ นกวชาการสงแวดลอม 5 5. นางสาวนวนช ทองแปน นกวชาการสงแวดลอม 4

คมอวชาการระบบบาบดนาเสยแบบไมใชอากาศ เลมท 2 โครงการจดทาคมอวชาการระบบบาบดนาเสยแบบไรอากาศ คายอ

vi

รายการคายอและคาเตม คายอ คาเตม AD Anaerobic Digestion A2O Anaerobic Anoxic Oxic

AF Anaerobic Filter AFB Anaerobic Fluidized Bed APB Acid Producing Bacteria ADP Adenosine Diphosphate ATP Adenosine Triphosphate BAT Best Available Technology BOD Biochemical Oxygen Demand COD Chemical Oxygen Demand DO Dissolved Oxygen EGSB Expanded Granular Sludge Blanket EB Expanded Bed FB Fluidized Bed FMN Flavin Mononucleotide GJ Giga Joule GSS Gas Solid Separator GTZ Deutsche Gesellschaft fur Technische

Zusammenarbeit IC Internal Circulation IEA International Energy Agency kJ Kilo Joule MPB Methane Producing Bacteria

คมอวชาการระบบบาบดนาเสยแบบไมใชอากาศ เลมท 2 โครงการจดทาคมอวชาการระบบบาบดนาเสยแบบไรอากาศ คายอ

vii

คายอ คาเตม OECD Organization for Economic Cooperation

and Development ORP Oxidation Reduction Potential RNA Ribonucleic Acid

SRB Sulfate Reducing Bacteria

SRT Solids Retention Time

SS Suspended Solids

TSIC Thailand Standard Industrial Classification

TVS Total Volatile Solids

UASB Upflow Anaerobic Sludge Blanket

VSS Volatile Suspended Solids

คมอวชาการระบบบาบดนาเสยแบบไมใชอากาศ เลมท 2 โครงการจดทาคมอวชาการระบบบาบดนาเสยแบบไรอากาศ คาศพท

viii

รายการคาศพทและคาแปล คาศพท คาแปล

Acid Fermentation ปฏกรยาแบบไมใชอากาศทมการสรางกรดไขมนระเหยจากสารอนทรยอยางงาย เชน กลโคส หรอ กรดอะมโน

Acid Forming การสรางกรดไขมนระเหยในกระบวนการบาบดแบบไมใชอากาศ

Aerobic Oxidation กลไกพนฐานในการบาบดนาเสยดวยกระบวนการทางชวภาพแบบใชอากาศโดยมสารใหอเลกตรอนเปนสารอนทรยในนาเสย และสารรบอเลกตรอนเปนออกซเจน

Anaerobic สภาวะแวดลอมทไมมไนเตรทและไมมออกซเจน

Anaerobic Digestion (AD)

มความหมาย 2 อยางดงน 1. โดยทวไปหมายถงระบบการหมกแบบไม

ใชอากาศทกรปแบบทมการสรางมเทน หรอ

2. ถงปฏกรยาแบบกวนสมบรณทใชสรางเสถยรภาพ(ยอย)ใหกบตะกอนอนทรยหรอสลดจจลนทรยหรอนาเสยเขมขน

Anoxic สภาวะแวดลอมทมไนเตรทแตไมมออกซเจน

Anoxic-Oxic (AO) ระบบกาจดไนโตรเจนทมถงปฏกรยาแบบ Anoxic และแบบ Oxic

ATP สารประกอบฟอสเฟตทมพลงงานสง


ix

คาศพท คาแปล Autotrophic ใชสารอนนทรย เชน คารบอนไดออกไซดเปน

แหลงคารบอน Binary Fission การขยายพนธแบบเพมเทาตว

Chemiosmosis ปรากฎการณการขนสงโปรตอนผานแผนเยอบางเปนผลใหเกดความตางศกย ซงสามารถนาไปใชประโยชนได

Chemoheterotroph แบคทเรยทดารงชพและเจรญเตบโตโดยไดรบพลงงานจากปฏกรยาเคมในการยอยสลายสารอนทรยตางๆ ซงเปนทงแหลงคารบอนและสารใหอเลกตรอน เชน กรดไขมนระเหยหรอแอลกอฮอล

Chemolithoautotrophs จลนทรยทใชสารอนนทรยเปนแหลงพลงงานและใชคารบอนไดออกไซดเปนแหลงคารบอน

Chemolithotrophs จลนทรยทใชสารอนนทรยเปนแหลงพลงงาน

Chemoorganotroph จลนทรยทใชสารอนทรยเปนแหลงพลงงาน

Chemostat ถงปฏกรยาทใชในการเพาะเลยงจลนทรยภายใตสภาวะมการปอนสารละลายสบสเตรทอยางตอเนอง

Co Digester ถงหมกไมใชอากาศทใชยอยสบสเตรทมากกวา 1 อยาง เชน ยอยมลสตวรวมกบการยอยนาเสย อตสาหกรรม เปนตน

Denitrification ปฏกรยาทเปลยนไนเตรตเปนไนไตรทและไนโตรเจนโดยมไนเตรตเปนสารรบอเลกตรอน


x

และสารอนทรยคารบอนเปนสารใหอเลกตรอน คาศพท คาแปล

Emden-Meyerhof Pathway (EMP)

วถเมตาบอลสมทใชยอยกลโคสเปนกรดไพรวก ชอทนยมเรยกคอ ไกลโคลยซส (Glycolysis)

Enrichment การเพาะเลยงจลนทรยดวยอาหารสงเคราะหเพอใหเจรญเตบโตไดเตมท

Enrichment Culture สายพนธจลนทรยทไดรบการเลยงดวยอาหารสงเคราะห

Facultative Anaerobes แบคทเรยทอยไดทงสภาวะทมอากาศหรอไมมอากาศ

Fermentation การหมก คอปฏกรยารดอกซทางชวภาพของสาร ประกอบอนทรยทเกดขนในภาวะทไมมสารรบอเลกตรอนภายนอก

Gram Negative ประเภทของแบคทเรยแบบแกรมลบ

Gram Positive ประเภทของแบคทเรยแบบแกรมบวก

Granular Sludge แบคทเรยทเลยงใหเตบโตเปนเมด

Heterotrophic ใชสารอนทรย เชน บโอด เปนแหลงคารบอน

Lyse การแตกของเซลล ทาใหสารภายในรวออกนอกเซลล

Luxury Phosphorus Uptake

กลไกการกาจดฟอสฟอรสดวยกระบวนการชวภาพ โดยการเลยงเพาะเชอแบบไมใชออกซเจนตามดวยถงแบบใชออกซเจนหรอแอโรบกทาใหเกดการคดพนธแบคทเรยชนดพเศษ ซงสามารถจบฟอสฟอรสไดมากกวาปรมาณทเซลลตองการ


xi

ใชในการเจรญเตบโต คาศพท คาแปล

Mesophilic ชวงของอณหภม 8-45 oซ ทเหมาะสมตอการเจรญเตบโตของแบคทเรย

Methane Fermentation ปฏกรยาแบบไมใชอากาศทมการสรางกาซมเทนจากกรดอะซตก

Methanogens แบคทเรยสรางมเทน

Mixotrophs จลนทรยทใชสารอนทรยเปนแหลงคารบอนและใชทงสารอนทรยและสารอนนทรยเปนแหลง พลงงาน

Obligate Anaerobes แบคทเรยไมใชอากาศชนดเดดขาด

Oxic สภาวะแวดลอมทมออกซเจน

Predator จลนทรยผทาลาย (ผลา)

Prey จลนทรยผถกทาลาย (เหยอ)

Stoichiometric Equation สมการแสดงสมดลยทงสองขาง

Sulfate Reduction กระบวนการไมใชอากาศแบบเดดขาดทอาศยแบคทเรยรดวซงซลเฟต(SRB) ทาหนาทยอยสลายไฮโดรเจนหรอสารประกอบอะซเตทหรอสารอนทรยอน(ใชเปนสารใหอเลกตรอน)และม ซลเฟต ซลไฟต หรอไธโอซลเฟตเปนสารรบอเลกตรอนตวสดทาย ซงจะถกรดวสเปนซลไฟด

Syntrophy ความสมพนธของการอยรวมกนของสงมชวตแบบใหประโยชนซงกนและกน

Thermophilic ชวงของอณหภม 40-70 oซ ทเหมาะสมตอการ


xii

เจรญเตบโตของแบคทเรย คาศพท คาแปล

Xenobiotic สารอนทรยสงเคราะหซงจลนทรยไมรจก (จงยากทจะถกยอยสลายทางชวภาพ)

Yeast Extract สารอาหารชนดหนงทสมบรณไปดวยธาตและสารอนทรยตางๆทแบคทเรยตองการเลกนอยแตจาเปน

Yield ผลผลตของจลนทรยทประเมนจากสบสเตรททบรโภค

คมอวชาการระบบบาบดนาเสยแบบไมใชอากาศ เลมท 2 โครงการจดทาคมอวชาการระบบบาบดนาเสยแบบไรอากาศ สญลกษณ

xiii

ความหมายของสญลกษณ สญลกษณ ความหมาย

b อตราจาเพาะการยอยสลายเซลล (ชม.-1) bd อตราจาเพาะการยอยสลายเซลลตาย (ชม.-1) bv อตราจาเพาะการยอยสลายเซลทมชวต (ชม.-1) Es ประสทธภาพการกาจดสบสเตรท (เปอรเซนต)

fs

o สดสวนของสารใหอเลกตรอนทถกใชในการสรางเซลล

kd อตราจาเพาะการยอยสลายเซลล (ชม.-1) KI สมประสทธการชลอตว (มก./ล.)

Km ความเขมขนสบสเตรทเมออตราจาเพาะการใชสบสเตรทมคาเปนครงหนงของอตราจาเพาะการใชสบสเตรทสงสด (มก./ล.)

Ks ความเขมขนสบสเตรทเมออตราจาเพาะการเตบโตมคาเปนครงหนงของอตราจาเพาะการเตบโตสงสด (มก./ล.)

Px เซลลแบคทเรยสวนเกนทเกดขน (กรม/ชม.)

q อตราจาเพาะการใชสบสเตรท (ชม.-1) qm อตราการใชสบสเตรทจาเพาะสงสด (ชม.-1) Q อตราไหลนาเขา (ลตร/ชม.) r อตราหมนเวยนตะกอน

rdx อตราการสลายตวและตาย (มก./ล.-วน)

rDXD อตราการสลายตวของเซลลตาย (มก./ล.-ชม.)

rDXV อตราการสลายตวของเซลลมชวต ( มก./ล.-ชม.)

คมอวชาการระบบบาบดนาเสยแบบไมใชอากาศ เลมท 2 โครงการจดทาคมอวชาการระบบบาบดนาเสยแบบไรอากาศ สญลกษณ

xiv

สญลกษณ ความหมาย rGXV อตราการเพมเซลลมชวต (มก./ล.-ชม.)

rs อตราการใชสบสเตรท (มก./ล.-ชม.)

Smin ความเขมขนสบสเตรทตาสดททาใหอตราการเตบโตของแบคทเรยเทากบอตราการตาย (ความเขมขนสบสเตรทนาออกตาสดทสามารถทาได) (มก./ล.)

S ความเขมขนสบสเตรทในนาออก (มก./ล.) So ความเขมขนสบสเตรทนาเขา (มก./ล.)

Vmax อตราการใชสารอาหารจาเพาะสงสด (ชม.-1) X ความเขมขนของแขงแขวนลอย (มก./ล.)

Xd ความเขมขนเซลลตาย

Xr ความเขมขนของแขงแขวนลอยทกนถงตกตะกอน (มก./ล.)

Xv ความเขมขนของเซลลทมชวต (มก./ล.)

Yg ยลดแท (มก.VSS/มก.ซโอดทถกกาจด)

Yobs ยลดปรากฎ (มก.VSS/มก.ซโอดทถกกาจด)

μ อตราจาเพาะการเจรญเตบโต (ชม.-1)

μm อตราจาเพาะการเจรญเตบโตสงสด (ชม.-1)

θc เวลากกตะกอน (ชม.)

θcmin เวลากกตะกอนตาสดทแบคทเรยสามารถเพมจานวนได (ชม.)

τ เวลากกนาของถง (ชม.)

τmin เวลากกนาตาสด (ชม.)

คมอวชาการระบบบาบดนาเสยแบบไมใชอากาศ เลมท 2 โครงการจดทาคมอวชาการระบบบาบดนาเสยแบบไรอากาศ สารบญ

สารบญ–1

สารบญ

บทท 1 บทนา 1.1 หลกการบาบดนาเสยดวยวธชวภาพ 1-1 1.2. การจาแนกประเภทของจลนทรย 1-6

1.2.1 การจาแนกตามลกษณะโครงสรางของเซลล 1-6 1.2.2 การจาแนกตามแหลงพลงงานและแหลงคารบอน 1-12 1.2.3 การจาแนกตามชวงอณหภม 1-14 1.2.4 การจาแนกตามสารรบอเลกตรอนตวสดทาย 1-14

1.3 หลกการบาบดแบบไมใชอากาศ 1-17 บทท 2 จลชววทยาและชวเคมของกระบวนการยอยแบบไมใชอากาศ

2.1 ประเภทของแบคทเรยในกระบวนการยอยแบบไมใชอากาศ 2-1 2.1.1 แบคทเรยสรางกรดไขมนระเหย (Acidogenic Bacteria) 2-1 2.1.2 แบคทเรยสรางกรดอะซตก (Acetogenic Bacteria) 2-3 2.1.3 แบคทเรยสรางมเทน 2-7

2.2 ชวเคมของแบคทเรยสรางมเทน 2-12 2.2.1 โคเอนไซมเฉพาะ 2-12 2.2.2 กระบวนการสรางมเทนจากไฮโดรเจนและ

คารบอนไดออกไซด 2-12 2.2.3 กระบวนการสรางมเทนจากสารประกอบเมทล 2-17 2.2.4 กระบวนการสรางมเทนจากอะซเตต 2-19


สารบญ–2

สารบญ (ตอ) 2.3 ขนตอนของปฏกรยายอยแบบไมใชอากาศ 2-21 2.4 ตวอยางวถชวเคมทเกดขนในขนตอนการสรางกรดไขมนระเหย จากกลโคส 2-26 2.5 บทบาทของไฮโดรเจนทมตอกระบวนการยอยไมใชอากาศ 2-30

2.5.1 ผลกระทบตอการสรางกรดไขมนระเหย 2-31 2.5.2 ผลกระทบตอการสรางกรดอะซตก 2-32

2.6 ปจจยทางสภาวะแวดลอมทสงผลการทางานของ แบคทเรยสรางมเทน 2-33

2.6.1 อณหภม 2-33 2.6.2 พเอช 2-35 2.6.3 กรดไขมนระเหยและสภาพดาง 2-35 2.6.4 ธาตอาหาร (nutrient) 2-36 2.6.5 สารพษ 2-38 2.6.6 พษของซลไฟด 2-40 2.6.7 พษจากสารอนๆ 2-40

บทท 3 จลชววทยาและชวเคมของกระบวนการไนเตรทรดกชน

3.1 แบคทเรยดไนตรฟายเออร 3-1 3.2 ชวเคมของปฏกรยาไนเตรทรดกชนแบบสรางพลงงาน 3-2

3.2.1 วถชวเคมของปฏกรยาดไนตรฟเคชน 3-2


สารบญ–3

สารบญ (ตอ) 3.2.2 สารใหอเลกตรอน 3-5 3.2.3 ทอยอาศยของดไนตรฟายเออร 3-5 3.2.4 บทบาทของออกซเจนละลาย (DO) 3-6 3.2.5 บทบาทของพเอช 3-7

บทท 4 จลชววทยาและชวเคมของกระบวนการซลเฟตรดกชน

4.1 จลชววทยาของแบคทเรยรดวซซลเฟต 4-1 4.2 ชวเคมของแบคทเรยรดวซซลเฟต 4-11 4.3 ปจจยทางสภาวะแวดลอมทสงผลการทางานของ แบคทเรยรดวซซลเฟต 4-25

บทท 5 ความสมพนธระหวางแบคทเรยกลมตางๆ ในระบบไมใชอากาศ

5.1 แบคทเรยสรางมเทนกบแบคทเรยสรางกรดอะซตก 5-2 5.2 ความสมพนธระหวางแบคทเรยกลมตางๆ ในการยอยสลาย สารอนทรยในนาเสยทมซลเฟต 5-5

5.2.1 การแขงขนระหวางแบคทเรยสรางอะซเตทและ แบคทเรยรดวซซลเฟต 5-7 5.2.2 การแขงขนระหวางแบคทเรยรดวซซลเฟตและแบคทเรย สรางมเทนในการแยงใชไฮโดรเจน 5-9 5.2.3 การแขงขนระหวางแบคทเรยรดวซซลเฟตและแบคทเรย สรางมเทนในการแยงใชอะซเตท 5-11


สารบญ–4

สารบญ (ตอ)

5.3 ปจจยแวดลอมทมผลตอความสมพนธของแบคทเรยรดวซซลเฟต และแบคทเรยสรางมเทน 5-15

บทท 6 จลนศาสตรของระบบบาบดแบบไมใชอากาศ 6.1 กจกรรมตาง ๆ ทเกดขนในระหวางการดารงชวตของจลนทรย 6-1

6.1.1 การเตบโตของจลนทรยและการบรโภคสบสเตรต 6-4 6.1.2 การยอยสลายตวเองของจลนทรย (Microbial Decay)6-6 6.1.3 คาของยล 6-11

6.2 สมการของโมโนด (Monod Equation) 6-16 6.2.1 รปแบบของกราฟโมโนด 6-16 6.2.2 สารอาหารทเปนตวกาหนดอตราการเจรญเตบโตของเซลล6-24 6.2.3 อทธพลของ μm และ Ks ทมตอสมการของโมโนด 6-25 6.2.4 คาของ μm และ Ks 6-25

6.3 การใชประโยชนจากสมการโมโนด 6-31 6.3.1 การใชสมการของโมโนดในการออกแบบระบบถงยอยไมใชอากาศ

(Anaerobic Digester) 6-31 6.3.2 โมเดลคณตศาสตรของถงเอเอสแบบไมใชอากาศ

(Anaerobic Contact หรอระบบเอซ) 6-39 6.3.3 การใชกราฟโมโนดในการคดเลอกพนธเดน ของแบคทเรย 2 ชนด 6-41

เอกสารอางอง

คมอวชาการระบบบาบดนาเสยแบบไมใชอากาศ เลมท 2 โครงการจดทาคมอวชาการระบบบาบดนาเสยแบบไรอากาศ บทท 1

1-1

บทท 1 บทนา

1.1. หลกการบาบดนาเสยดวยวธชวภาพ คนบรโภคอาหารเพอการดารงชวต เพอการเจรญเตบโต เพอใหมกาลงในการทากจการงานตางๆ แตไมสามารถใชอาหารทบรโภคเขาไปนนไดทงหมด สวนทไมสามารถนาเอาไปใชไดนจะถกขบออกมาทางปสสาวะและอจจาระ เมอคนมาอยรวมกนเปนชมชนใหญๆ ปรมาณของเสยกเรมมมากขนตามจานวนคน ซงในอดตถงแมจะมคนมาอยอาศยรวมกนเปนชมชนขนาดใหญ มของเสยเกดขนในปรมาณมาก แตปญหาแมนาลาคลองเนาเสยกมไมมากและไมรนแรงเชนในปจจบน เนองจากจานวนคนในอดตมนอยกวาจานวนคนในปจจบนมาก แตในปจจบนนนอกจากจานวนประชากรทเพมขนกวาเดมอยางมากมายแลว ยงมโรงงานอตสาหกรรมทงใหญและเลกอยเปนจานวนมากทชวยกนปลอยนาเสยลงสแมนาลาคลองจนปญหาสะสมรนแรงและเหนกนไดชดเจนในขณะน และเมอปญหาทเกดขนสงผลตอคนสวนใหญในสงคม คนทวไปจงเรมเอาใจใสพรอมทงไดเรมตระหนกวาตนกเปนสาเหตหนงของปญหาทเกดขน สงผลใหสงคมเรมหาทางแกไขและปองกนขน รปธรรมทพอจะเหนกนไดคอนขางชดเจน เชน การออกกฎหมายเกยวกบสงแวดลอม การออกกฎกระทรวงฉบบตางๆ การกอสรางโรงบาบดนาเสย การเขมงวดกบโรงงานอตสาหกรรมปลอยนาทงลงสแหลงนา การเรยนการสอนในโรงเรยนทมเนอหาวชาเกยวกบสงแวดลอมรอบตวและการอ น ร ก ษ ส ง แ ว ด - ลอมมากขนหรอการนาเสนอของสอโทรทศนและวทยตางๆ เหลานเปนตน


1-2

ในแหลงนาตามธรรมชาตทเหนโดยทวไปมสงมชวตอาศยอยมากมาย ทงสงมชวตขนาดเลกและขนาดใหญ เชน ปลา กง ฯ และสงมชวตขนาดเลกทไมสามารถมองเหนไดดวยตาเปลาซงรวมเรยกวา ‘จลนทรย’ สงมชวตขนาดเลกทมบทบาทสาคญในการทาใหนาเนาเสยกคอ ‘แบคทเรย’ เนองจากแบคทเรยเปนสงมชวต จงตองการอาหารในการดารงชวตและมการสบพนธเชนเดยวกนกบคน แตอาหารของแบคทเรยคอสงสกปรกในนาเสยทปลอยลงสแหลงนาแบคทเรยไมไดบรโภคสงสกปรกในนาเสยเหลานนทงหมด สงสกปรกสวนทแบคทเรยสามารถใชเปนอาหารไดกคอ สารอนทรยในนาเสยและแรธาตบางอยางทจาเปนตอการดารงชวตและสรางเซลลใหม เชน ไนโตรเจนและฟอสฟอรส เปนตน แบคทเรยไมไดกนแตสารอนทรยในนาเสยเพยงอยางเดยว แตแบคทเรยยงตองการออกซเจนในนาดวย เนองจากแบคทเรยตองนาออกซเจนมาใชในกระบวนการเผาผลาญอาหารเพอใหไดพลงงานในการดารงชวต สารอนทรยถกเอนไซมทแบคทเรยขบออกมานอกเซลลยอยใหมขนาดเลกลงพอทจะขนสงเขาเซลลได แลวจงนาสารอนทรยทเลกลงแลวนนผานผนงเซลลของแบคทเรยเขาสภายในเซลล สารอนทรยทมขนาดเลกลงนนจะผานกระบวนการยอยสลายดวยเอนไซมภายในเซลลหลายชนด จนทายทสดสารอนทรยเหลานนสวนหนงจะถกเปลยนเปนคารบอนไดออกไซดกบนา อกสวนหนงถกนาไปใชในการสรางเซลลใหม (สบพนธ) พรอมกบไดพลงงานมาใชในการสรางเซลลใหมและการดารงชวตดวย แบคทเรยทงทมอยเดมและทเกดขนใหมกจะกนสารอนทรยในนาเสยทยงเหลออยตอไปจนกวาสารอนทรยในนาเสยนนจะหมดลงหรอออกซเจนในนาไมเพยงพอตอความตองการ ซงจะเหนไดวา การปลอยนาเสยลงสแหลงนาจะทาใหปรมาณออกซเจนในนานนลดลง แตโดย


1-3

ปกตในธรรมชาตจะมการเตมออกซเจนใหกบแหลงนาอยตลอดเวลาอยแลว เชน จากการไหลของนาซงทาใหนาสมผสกบอากาศ หรอจากพชนาสงเคราะหแสง เปนตน แตในกรณทมปรมาณนาเสยมากๆ หรอนาเสยปรมาณไมมากแตมความสกปรกสงไหลลงสแหลงนา ปรมาณออกซเจนทมอยในแหลงนาและอตราการเตมอากาศตามธรรมชาตไมเพยงพอตอความตองการออกซเจนของแบคทเรย แบคทเรยจะใชออกซเจนในแหลงนานนจนหมด เมอออกซเจนในแหลงนานนหมดลง นาในแหลงนากเรมเนาเสย สงมชวตในแหลงนาทตองใชออกซเจนนนกจะตายในขณะทออกซเจนลดลงตา หรอแมแตแบคทเรยเองเมอขาดออกซเจน แบคทเรยซงเปน ผใชออกซเจนและเปนสาเหตใหนาเนาเสยกตองตายดวยเชนกน ในสภาวะเชนน แบคทเรยอกพวกหนงซงไมใชอากาศในการดารงชวตจะเจรญเตบโตขนมาแทนโดยใชสารอนทรยทยงเหลออยในแหลงนาเปนอาหาร แบคทเรยกลมทไมใชอากาศนจะยอยสลายสารอนทรยในลกษณะทตางออกไปจากแบคทเรยกลมแรก โดยแบคทเรยกลมนจะเปลยนสารอนทรยโมเลกลใหญใหเลกลงและขนสงเขาสเซลลดวยเอนไซมทขบออกมานอกเซลลเชนเดยวกบพวกทใชออกซเจน แตแบคทเรยทไมใชอากาศเพยงชนดเดยวไมสามารถยอยสลายสารอนทรยไดอยางสมบรณเชนเดยวกบแบคทเรยทใชออกซเจน จาตองอาศยแบคทเรยหลายๆ ชนดในการยอยสลายสารอนทรยจนกระทงไดผลตภณฑสดทายทเสถยรและไมสามารถยอยสลายไดตอไป โดยปกตแบคทเรยทไมใชอากาศกลมแรกทจะทาหนาทยอยสลายสารอนทรยคอแบคทเรยสรางกรดซงจะยอยสลายสารอนทรยใหเปนกรดอนทรยแลวขบออกมานอกเซลล ตอจากนนแบคทเรยทไมใชอากาศอกกลมหนงจงจะใชกรดอนทรยทขบออกมานนเปลยนใหเปนกรดอนทรยทมขนาดเลกลง กาซไนโตรเจน กาซมเทน สารประกอบเมอรแคปเทนหรอกาซไฮโดรเจน-ซลไฟด (เปนสาเหตททาใหเกดกลนเหมน) นอกจากนนซลไฟดทเกดขนยง


1-4

ตกตะกอนโลหะหนกไดด ทาใหแหลงนาทเนาเสยนนมสดานารงเกยจ (ซลไฟดเกดขนในภาวะไมใชอากาศและในนานนมสารอนทรยและซลเฟต โดยซลเฟตมาจากสารสมทใชเตมในกระบวนการผลตนาประปา สวนตะกอนโลหะซลไฟดสดาสวนใหญเปนเหลกซลไฟด โดยเหลกสวนใหญมาจากทอทเปนสนม) ภาวะเชนนจะหมดไปไดเมอสารอนทรยในนาเสยหมดลงหรอมเหลออยนอยมาก แบคทเรยหมดสารอาหารทใชในการดารงชวต จากนนการเตมอากาศโดยธรรมชาต (หรอโดยเครองจกร) กจะคอยๆ ทาใหนาในแหลงนานนมออกซเจนเพมขนจนเขาสระดบปกต เพอปองกนการเนาเสยของแหลงนา ระบบบาบดนาเสยหลายๆแบบจงถกคดคนและพฒนาขน โดยใชวธการทงทางกายภาพ ทางเคมและทางชวภาพ ระบบบาบดนาเสยจงอาจมทงวธกายภาพ, เคมและชวภาพประกอบกน แตกระบวนการบาบดทางชวภาพจดเปนวธการทใชบาบดนาเสยอยางไดผลและมประสทธภาพ นอกจากนนยงมตนทนการบาบดตากวาวธการแบบอนและเปนเทคโนโลยทสะอาดเพราะไมเพมสารเคมใหกบสงแวดลอม หลกการของการบาบดนาเสยดวยวธทางชวภาพสวนใหญจะใชหลกการเดยวกน คอ การเลยนแบบธรรมชาต กลาวคอ ใชแบคทเรยในการยอยสลายสารอนทรยในนาเสย สาหรบกระบวนการบาบดนาเสยทางชวภาพทใชออกซเจนกจะใชแบคทเรยทใชออกซเจนยอยสลายสารอนทรยสวนหนงใหเปนคารบอนได- ออกไซดกบนา และอกสวนหนงเปลยนไปเปนเซลลแบคทเรย เชนเดยวกบทเกดขนในธรรมชาต แตในระบบบาบดนาเสย แบคทเรยในระบบจะมปรมาณมากกวาในธรรมชาตมาก อตราการยอยสลายสารอนทรยในระบบบาบดนาเสยจะเกดขนในอตราทเรวกวาหลายเทา จงตองมการเตมอากาศใหกบนาเสยเพอให


1-5

เพยงพอกบความตองการออกซเจนของแบคทเรย นาทผานระบบบาบดนาเสยมความสกปรกนอยและไดคาบโอดตา อยางไรกตาม ระบบบาบดแบบใชอากาศมขอเสยทตองสนเปลองพลงงานในการเตมอากาศมาก และเซลลแบคทเรยทเกดขนมปรมาณมาก ทาใหตองเสยคาใชจายในการนาสลดจอนเกดจากเซลลแบคทเรยทเกดขนไปทง แตขอดของระบบบาบดแบบใชอากาศกคอสามารถบาบดนาเสยใหมคาบโอดตากวามาตรฐานได และมความนาเชอถอสง ในสวนของระบบบาบดแบบไมใชอากาศ กจะใชการเลยนแบบธรรมชาตเชนเดยวกน แตใชแบคทเรยทไมใชอากาศในการบาบดนาเสยแทน โดยแบคทเรยทไมใชอากาศจะยอยสลายสารอนทรยสวนหนงเปนกรดอนทรย กาซมเทน กาซไฮโดรเจนซลไฟด และคารบอนไดออกไซด อกสวนหนงจะถกเปลยนเปนเซลลแบคทเรย ขอดของระบบบาบดแบบนกคอ ไมตองสนเปลองพลงงานในการเตมอากาศ ทาใหประหยด อกทงยงไดกาซมเทนซงสามารถนาไปใชเปนเชอเพลงเผาผลาญใหพลงงานไดอกดวย นอกจากนนเซลลแบคทเรยทเกดขนกมปรมาณนอยกวาระบบบาบดแบบใชอากาศมาก ทาใหสนเปลองคาใชจายในการกาจดสลดจนอยกวา แตขอเสยกคอ เปนระบบทมกลนและใชไดกบนาเสยบางประเภท เชน นาเสยทมความเขมขนคอนขางสง เปนตน นอกจากนนาทผานระบบบาบดไมใชอากาศไมสามารถทงไดในทนทเนองจากคาบโอด ไนโตรเจนและของแขงแขวนลอยมกมคาเกนมาตรฐานนาทง ดงนนระบบบาบดแบบไมใชอากาศจงเหมาะสาหรบใชกบนาเสยอตสาหกรรมทมคาบโอดสง โดยใชเพอลดคาบโอดของนาเสยใหตาลงกอนผานเขาสระบบเตมอากาศ เพอประหยดพลงงานในการเตมอากาศและลดคาใชจายในการกาจดสลดจทเกดขน สวนระบบแบบใชอากาศมกนยมใชกบนาเสยชมชนซงมคาบโอดไมสงนก


1-6

1.2. การจาแนกประเภทของจลนทรย การจาแนกจลนทรยออกเปนกลมตางๆ เปนสงจาเปนสาหรบการศกษา เพราะทาใหการศกษาเปนไปอยางมระบบระเบยบ และทาใหเพอไดทราบถงการทางานของกลมจลนทรยไดละเอยดขน แตโดยอาศยหลกเกณฑทแตกตางกน ทาใหสามารถแบงจลนทรยออกไดเปนหลายๆ กลม ตามแตการพจารณาของผแบง

1.2.1 การจาแนกตามลกษณะโครงสรางของเซลล ในป ค.ศ. 1866 เฮกเกล (E.H. Haeckel) นกสตววทยาเยอรมนจาแนกสงมชวตออกเปน 3 อาณาจกร ไดแก อาณาจกรพช อาณาจกรสตวและอาณาจกรโปรตสตา (อาณาจกรของสงมชวตเซลลเดยว) ตอมาในชวงทศวรรษ 1950 การพฒนากลองจลทรรศนอเลกตรอนทาใหนกวทยาศาสตรทราบถงโครงสรางของเซลลละเอยดมากขน จงไดมการจาแนกเซลลของสงมชวตออกเปน 2 แบบ คอ เซลลโปรคารโอต (Procaryotic Cell) ซงเปนเซลลของสงมชวตทไมมเยอหมนวเคลยส และเซลลยคารโอต (Eucaryotic Cell) คอเซลลของสงมชวตทมเยอหมนวเคลยส พวกแรกไดแก แบคทเรยและสาหรายสเขยวแกมนาเงน สวนพวกหลงไดแก รา โปรโตซว สาหรายชนดอน พช และสตว ลกษณะของเซลลโปรคารโอตแสดง ดงรปท 1.1 สวนลกษณะของเซลลยคารโอตแสดงดงรปท 1.2 ตอมาในป ค.ศ. 1969 วทเทเกอร (R.H. Whittaker) ไดจาแนกสงมชวตออกเปน 5 อาณาจกร ไดแก

• อาณาจกรโมเนรา (Monera) ซงเปนอาณาจกรของสงมชวตเซลลเดยวทไมมเยอหมนวเคลยสไดแก แบคทเรยและไซยาโนแบคทเรย (Cyanobacteria)

• อาณาจกรโปรตสตา (Protista) เปนอาณาจกรของสงมชวตเซลลเดยวทมเยอหมนวเคลยสไดแก สาหรายขนาดเลก โปรโตซว


1-7

รปท 1.1 ลกษณะทวไปของเซลลโปรคารโอต (Kenneth Todar 2001)


1-8

รปท 1.2 ลกษณะทวไปของเซลลยคารโอต (Kenneth Todar 2001)


1-9

• อาณาจกรเหดรา (Fungi) เปนทงพวกทมเซลลเดยวและหลายเซลล ไดอาหารจากการดดซมผานเยอหมเซลล ไดแกยสต รา และเหด

• อาณาจกรพช ซงเปนสงมชวตขนาดใหญ มหลายเซลล ไดอาหารจากการสงเคราะหแสง ไดแกพชสเขยว และสาหรายชนสง

• อาณาจกรสตว เปนสงมชวตขนาดใหญ มหลายเซลล และไดอาหารจากการกน

แตตอมาในป ค.ศ.1977 คารล อาร โวเซ (Carl R. Woese) และคณะไดจาแนกสงมชวตโดยอาศย Small Subunit Ribosomal RNA (ssrRNA) ทาใหสามารถจาแนกสงมชวตออกเปน 3 กลมใหญ คอ อารเค (Archaea เดมเรยกอารเคแบคทเรย), แบคทเรย (Bacteria เดมเรยกยแบคทเรย) และยคารอา (Eukarya) ดงแสดงในรป 1.3 จากการจาแนกดวยวธน โดยแทจรงแลวจะทาใหสงมชวตแยกออกเปน 2 กลมใหญๆ คอ สงมชวตทไมมเยอหมนวเคลยสหรอพวกโปรคารโอต ไดแก แบคทเรย และอารเค (Archaea) สวนกลมทมเยอหมนวเคลยสคอ พวกยคารโอต ไดแก ยคารอา (Eukarya) ความแตกตางของแบคทเรย, อารเค และยคารอาแสดงดงตารางท 1.1 แบคทเรยสรางมเทนจดอยในกลมอารเค สวนแบคทเรยอน ไดแก แบคทเรยสรางกรด แบคทเรยดไนตรฟายเออร และแบคทเรยรดวซซลเฟต ถกจดอยในกลมแบคทเรยทงหมด


1-10

รปท 1.3 การจาแนกสงมชวตดวย ssrRNA ตามเกณฑของ Woese (Madigan และคณะ 2000)


1-11

ตารางท 1.1 ลกษณะทตางกนของแบคทเรย อารเค และยคารอาในสวน ทเกยวของกบการบาบดนาเสย (Rittmann McCarty 2001)

ลกษณะสมบต ประเภทจลนทรย

แบคทเรย อารเค ยคารอา

เยอหมนวเคลยส ไมม ไมม ม ผนงเซลล (Cell Wall) มกรดมวรามก ไมมกรดมวรามก ไมมกรดมวรามก การสงเคราะหแสง ทาได ทาไมได ทาได การสรางมเทน ทาไมได ทาได ทาไมได การสราง H2S จาก S ทาได ทาได ทาไมได

ไนตรฟเคชน ทาได ทาไมได ทาไมได ดไนตรฟเคชน ทาได ทาได ทาไมได

การตรงไนโตรเจน ทาได ทาได ทาไมได การสราง PHA* ทาได ทาได ทาไมได ไวตอสารปฏชวนะ** ไว ไมไว ไมไว ไรโบโซมไวตอทอกซนได- พเธเรย (diphtheria toxin)

ไมไว ไว ไว

* Poly-β- Hydroxyalkanoate **Chloramphenicol, Streptomycin และ Kanamycin


1-12

1.2.2 การจาแนกตามแหลงพลงงานและแหลงคารบอน สงมชวตขนาดเลกไดพลงงานมาจาก 2 แหลง คอ จากการสงเคราะหแสงและ จากปฏกรยาเคม พวกทไดพลงงานจากการสงเคราะหแสงเรยกวา Phototrophs สวนพวกทไดพลงงานจากปฏกรยาเคมเรยกวา Chemotrophs สวนคารบอนกมทมาจาก 2 แหลงเชนกน คอ คารบอนจากอนนทรยสาร คอ คารบอนไดออกไซด และคารบอนจากสารอนทรย แบคทเรยทไดคารบอนจากสารอนนทรยเรยกวา Autotrophs และแบคทเรยทไดคารบอนจากสารอนทรยจะถกเรยกวาHeterotrophs (Chemoorganotroph) การจาแนกจลนทรยดงกลาวขางตนสามารถสรปไดดงแสดงอยในตารางท 1.2

ตารางท 1.2 การจาแนกจลนทรยตามแหลงพลงงานและแหลงคารบอน

แหลงคารบอน แหลงพลงงาน

แสง เคม

สารอนทรย Photoherotrophs Chemoheterotrophs แบคทเรยบางอยางและ

แอลจยคารโอตกบางอยาง สตวชนสง โปรโตซว ฟงไจและ แบคทเรยสวนใหญ

คารบอนได- Photoautotrophs Chemoautotrophs ออกไซด พชชนสง แอลจยคารโอตก แอลจนา

เงนแกมเขยวและแบคทเรยบางอยาง แบคทเรยบางอยาง

จากเกณฑในการจาแนกขางตน ทาใหสามารถจาแนกแบคทเรยออกไดเปน 4 กลม ไดแก


1-13

• Photoautotrophs คอ แบคทเรยทไดพลงงานจากการสงเคราะหแสงและไดคารบอนจากสารอนนทรย ตวอยางเชน พวก Photosynthetic Purple and Green Sulfur Bacteria บางชนด และ Cyanobacteria เปนตน

• Photoheterotrophs คอแบคทเรยทไดพลงงานจากการสงเคราะหแสงและไดคารบอนจากสารอนทรย เชน พวก Photosynthetic Purple and Green Bacteria เปนตน จะสงเกตเหนไดวา แบคทเรยสมวงและสเขยวสามารถใชแหลงคารบอนไดทงสองชนด

• Chemoautotrophs คอแบคทเรยทไดพลงงานจากปฏกรยาเคมและไดคารบอนจากสารอนนทรย ตวอยางเชน ไนตรฟายองแบคทเรยและแบคทเรยสรางมเทนทบรโภคไฮโดรเจน เปนตน

• Chemoheterotrophs คอแบคทเรยทไดพลงงานจากปฏกรยาเคมและไดคารบอนจากสารอนทรย ตวอยางเชน โปรโตซว รา และแบคทเรยสวนใหญ เปนตน

แบคทเรยกลม Chemoheterotroph จดเปนแบคทเรยทมบทบาทมากทสดในกระบวนการบาบดนาเสย เพราะมแบคทเรยในกระบวนการบาบดนาเสยหลายชนดทงทใชและไมใชอากาศถกจดอยในกลมน


1-14

1.2.3 การจาแนกตามชวงอณหภม แบคทเรยอาจถกจาแนกออกไดเปน 4 ชนดตามชวงอณหภมทอาศยอย (Rittmann และ McCarty 2001)ไดแก

• Psychrophile คอทอณหภม -5 ถง 20 องศาเซลเซยส

• Mesophile คอทอณหภม 8 ถง 45 องศาเซลเซยส

• Thermophile คอทอณหภม 40 ถง 70 องศาเซลเซยส

• Hyperthermophile คอทอณหภม 65 – 110 องศาเซลเซยส แบคทเรยในระบบบาบดนาเสยมกอยในชวงอณหภม 2 ชวง คอ Mesophile และ Thermophile เทานน

1.2.4 การจาแนกตามสารรบอเลกตรอนตวสดทาย ดงทไดกลาวมาแลวขางตน หากใชสารรบอเลกตรอนตวสดทายเปนเกณฑจะทาใหแบงกลมจลนทรยออกไดเปน 2 กลมใหญ คอ

• แบคทเรยทไมใชสารรบอเลกตรอนภายนอกไดแก Fermenting Bacteria ตางๆ

• แบคทเรยทมสารรบอเลกตรอนภายนอก ซงจะแบงยอยออกไดเปน 2 กลมยอย คอ ใชออกซเจนเปนสารรบอเลกตรอนกบใชสารอนทไมใชออกซเจน

แตหากพจารณาถงออกซเจนเปนหลกกจะสามารถแยกออกไดเปน 3 กลมใหญ คอ


1-15

• แบคทเรยใชอากาศ (Aerobes, Aerobic Bacteria) เปนแบคทเรยทใชออกซเจนเปนสารรบอเลกตรอนตวสดทายซงไมสามารถมชวตอยไดถาขาดออกซเจน แบคทเรยใชอากาศยงแบงยอยออกไปอก 2 ชนด คอ - Obligate Aerobes เปนแบคทเรยใชอากาศตองหายใจดวยออกซเจนเสมอและไมสามารถขาดออกซเจน

- Microaerophiles เปนแบคทเรยใชอากาศทหายใจดวยออกซเจนทมความเขมขนตา

• แบคทเรยไมใชอากาศ (Anaerobes, Anaerobic Bacteria) เปนแบคทเรยทใชสารอนซงไมใชออกซเจนเปนสารรบอเลกตรอน และไมสามารถอยไดหากมออกซเจนเขมขนมากเกนขดจากด แบคทเรยไมใชอากาศยงแบงยอยออกไปอก 2 ชนด คอ - Obligate Anaerobes เปนแบคทเรยไมใชอากาศทไมอาจทนตอออกซเจนแมเพยงเลกนอย

- Aerotolerant Anaerobes เปนแบคทเรยไมใชอากาศททนตอออกซเจนไดแตเจรญเตบโตไดไมดนก

• แบคทเรยทอยไดทงสภาวะทมหรอไมมอากาศ (Facultative bacteria)

การจาแนกโดยใชออกซเจนเปนเกณฑในการแบงดงกลาวขางตนพรอมตวอยางของแบคทเรยไดแสดงอยในตารางท 1.3


1-16

ตารางท 1.3 ความสมพนธของออกซเจนกบแบคทเรย (Madigan และคณะ, 2000) ประเภท แบคทเรย

ความสมพนธกบออกซเจน

ประเภท เมตาบอลสม

ตวอยาง ทอยอาศย

ประเภทใชอากาศ (Aerobe)

เดดขาด (Obligate )

ตองใช หายใจดวยออกซเจน Micrococcus

luteus

ผวหนง,ฝน

ใชทงสองแบบ (Facultative)

ไมจาเปน แตโตไดดกวาในทมออกซเจน

หายใจโดยใชและไมใชออกซเจน, เฟอรเมนเตชน

Escherichia coli

ลาไสใหญของสตวเลยงลกดวยนม

Microaerophilic จาเปน หายใจดวยออกซเจน Spirillum volutans

นาทะเลสาบ

ประเภทไมใชอากาศ (Anaerobe) Aerotolerant ทนออกซเจน

ไดบาง เฟอรเมนเตชน Streptococcus

pyogenes Respiratory Tract(Upper)

เดดขาด (Obligate)

เปนอนตราย ถามออกซเจน

ไมใชออกซเจน , เฟอรเมนเตชน

Methano- bacterium formicicum

ถงยอยสลดจ ตะกอนกนทะเลสาบ


1-17

ถาพจารณาเฉพาะจลนทรยกลมทไมใชอากาศและใชชนดสารรบอเลกตรอนเปนเกณฑในการแบงเปนหลกสามารถแบงแบคทเรยออกไดเปน 4 กลมใหญๆ ไดแก

• แบคทเรยสรางกรด

• แบคทเรยดไนตรฟายเออร • แบคทเรยสรางมเทน

• แบคทเรยรดวซซลเฟต

1.3 หลกการบาบดแบบไมใชอากาศ ในการบาบดนาเสยดวยกระบวนการทางชวภาพ ไมวาจะเปนแบบใชอากาศหรอไมใชอากาศกตาม จะมลกษณะเหมอนกนคอ เปนปฏกรยาเคมแบบออกซเดชน–รดกชนหรอปฏกรยารดอกซ (ดรปท 1.4) ปฏกรยารดอกซหมายถงปฏกรยาทมการถายเทอเลกตรอนเกดขนระหวางสารใหอเลกตรอนและสารรบอเลกตรอนซงมผลทาใหไดพลงงานเกดขนจานวนหนง สารใหอเลกตรอนจงถอวาเปนแหลงพลงงานเสมอ พลงงานทเกดขนนสวนหนงสญเสยไปในรปของพลงงานความรอน อกสวนหนงถกนาไปใชการดารงชวตและสรางเซลลใหม สารใหอเลกตรอนในนาเสยสวนใหญมกเปนสารอนทรยซงมกเปนแหลงคารบอนของจลนทรยดวย สารอนทรยจงเปนไดทงแหลงคารบอนและแหลงพลงงาน อยางไรกตามจลนทรยอาจมแหลงพลงงานและแหลงคารบอนเปนสารคนละชนดได ขอมลรดอกซของจลนทรยชนดตางๆแสดงอยในตารางท 1.4


1-18

ตารางท 1.4 ขอมลรดอกซของจลนทรยชนดตางๆ ชนดจลนทรย สารให สารรบ แหลง ชอปฏกรยา

อเลกตรอน อเลกตรอน คารบอน

Aerobic บโอด ออกซเจน บโอด แอโรบกออกซเดชน Heterotroph

Denitrifier บโอด ไนเตรท บโอด Heterotrophic Denitrification

ไฮโดรเจน ไนเตรท CO2 Autotrophic Denitrification

กามะถน ไนเตรท CO2 Autotrophic Denitrification

Nitrifying แอมโมเนย ออกซเจน CO2 Nitrification

Autotroph ไนไตรต ออกซเจน CO2

Methanogen อะซเตท อะซเตท อะซเตท Methanogenesis ไฮโดรเจน CO2 CO2 Methanogenesis

Sulfide Oxidizing Autotroph

ไฮโดรเจน ซลไฟด

ออกซเจน CO2 ซลไฟดออกซเดชน

Sulfate Reducer ไฮโดรเจน ซลเฟต CO2 ซลเฟตรดกชน

อะซเตท ซลเฟต อะซเตท ซลเฟตรดกชน

Fermenter บโอด บโอด บโอด เฟอรเมนเตชน


1-19

สวนสารรบอเลกตรอนในนาเสยมหลายชนดและมกเปนสารอนๆทไมใชสารอนทรย เชน ออกซเจน,ไนเตรทหรอซลเฟตเปนตน ผลของปฏกรยาทเกดขนกตางกนไปตามชนดของสารรบอเลกตรอน เชน ถาสารรบอเลกตรอนเปนออกซเจน ปฏกรยาทเกดขนเรยกวา Aerobic Oxidation ถาสารรบอเลกตรอนเปนไนเตรทกจะเกดปฏกรยาดไนตรฟเคชนขนเปนตน จงสามารถแบงชนดของปฏกรยารดอกซทเกดขนภายในเซลลของแบคทเรยออกไดเปน 2 ประเภทใหญๆ ตามสารรบอเลกตรอน คอ ก. การหมก (Fermentation) คอ ปฏกรยารดอกซของสารประกอบอนทรยทเกดขนในภาวะทไมมสารรบอเลกตรอนภายนอก

ข. การหายใจ (Respiration) คอ ปฏกรยารดอกซทมสารรบอเลกตรอนภายนอกเปนสารรบอเลกตรอนตวสดทาย ซงสามารถแบงยอยลงไปไดอก 2 ประเภท

Aerobic Respiration เปนปฏกรยารดอกซทมโมเลกลของออกซเจนเปนสารรบอเลกตรอนตวสดทาย Anaerobic Respiration เปนปฏกรยารดอกซทไมใชโมเลกลของออกซเจนเปนสารรบอเลกตรอนตวสดทาย สารรบอเลกตรอนทใชแทนออกซเจน ไดแก ไนเตรท ซลเฟต หรอ คารบอนไดออกไซด

รายละเอยดของปฏกรยารดอกซทเกดขนในการบาบดนาเสยแสดงดงรปท 1.4

คมอว

ชาการระบ

บบาบดน

าเสยแบบ

ไมใชอากาศ เลม

ท 2

โครงการจดท

าคมอ

วชาการระบบ

บาบด

นาเสยแบบ

ไมใชอากาศ

บทท

1

1-20

รป

ท 1.4

ปฏก

รยารดอ

กซในการบ

าบดน

าเสย

(มนส

น ตณ

ฑลเวศ

ม 25

42)

สารใหอเลกตรอน

สารรบอเลกตรอน

ผลของปฏกรยา

ชอปฏ

กรยารดอกซ

สารอนทรยในนาเสย

ออกซเจน

สารอนทรย

ไนเตรต

ซลเฟต

CO2

CO2


โมเลกลเลกลง

ไนโตรเจน

ซลไฟด

มเทน

Aero

bic

Oxid

ation

Ferm

enta

tion

Denit

rifica

tion

Sulfa

te

Redu

ction

Met

hano

-

gene

sis

คมอวชาการระบบบาบดนาเสยแบบไมใชอากาศ เลมท 2 โครงการจดทาคมอวชาการระบบบาบดนาเสยแบบไมใชอากาศ บทท 1

1-21

จากรปท 1.4 จะเหนไดวาระบบบาบดนาเสยแบบไมใชอากาศแตกตางจากระบบใชอากาศตรงทสารรบอเลกตรอนตวสดทายไมใชออกซเจน แตเปนสารรบอเลกตรอนอนในนาเสย เชน ไนเตรท, ซลเฟต หรอคารบอนไดออกไซด เปนตน ปฏกรยาชวเคมทเกดขนแตกตางกนออกไปตามชนดของสารรบอเลกตรอนตวสดทาย สงทจะกาหนดวาจะมปฏกรยาชนดใดเกดขนกคอ สภาพของนาเสยในขณะนนวา มสารใหและสารรบอเลกตรอนชนดใดในนาเสย พเอช และอณหภมเทาใด ขอใหพจารณาแหลงนาแหงหนงซงมอณหภม, พเอช, มปรมาณธาตอาหารและปรมาณสารอนทรยอยในชวงทเหมาะสมกบการเจรญเตบโตของแบคทเรย มระดบนาทไมสงนก (ทาใหออกซเจนสามารถละลายลงไปในดนตะกอนใตนา)บรเวณผวนาตอนบนจะมแบคทเรยกลมทใชออกซเจนเปนสารรบอเลกตรอนตวสดทายอาศยอย ดารงชพดวยการใชสารอนทรยในนาบรเวณนนเปนสารอาหาร แบคทเรยกลมอน เชน แบคทเรยทใชไนเตรทหรอซลเฟตจะไมสามารถอาศยอยได เนองจากการใชออกซเจนเปนสารรบอเลกตรอนจะไดพลงงานสงกวาการใชไนเตรทหรอซลเฟตมาก ทาใหแบคทเรยกลมอนเจรญเตบโตและแยงใชสารอนทรยในนาสกบพวกทใชออกซเจนไมได แมวานาในบรเวณนนจะมไนเตรทหรอซลเฟตอยกตาม ในดนทลกลงไปออกซเจนในนาจะเรมลดลงเนองจากออกซเจนจากอากาศแพรลงไปไดนอยลงและจากการใชออกซเจนของแบคทเรย แบคทเรยกลมอนจะเจรญเตบโตขนมาแทนท โดยแบคทเรยกลมทใชไนเตรทเปนสารรบอเลกตรอนตวสดทายจะเปนกลมตอไปทเจรญเตบโตขนมา เนองจากการใชไนเตรทเปนสารรบอเลกตรอนตวสดทายไดพลงงานรองลงมาจากออกซเจน เชนเดยวกน ในบร เวณทไนเตรทเรมหมดไป แบคทเรยกลมอน ไดแก พวกทใชซลเฟต , คารบอนไดออกไซด และสารอนทรย เปนสารรบอเลกตรอนตวสดทายจะ


1-22

เจรญเตบโตขนมาแทน แตแบคทเรยกลมใดจะเปนกลมเดนขนอยกบปจจยหลายประการเพราะแบคทเรยทงสามกลมนมความเกยวของสมพนธกนเปนอยางมากทงการพงพาอาศยกนและแขงขนกน ปฏกรยาทเกดขนในระบบบาบดนาเสยแบบไมใชอากาศกเปนเชนเดยวกบทเกดขนในธรรมชาตในบรเวณทไมมออกซเจน แตสงทระบบบาบดนาเสยตางออกไปจากธรรมชาตกคอ ปรมาณของแบคทเรยในระบบบาบดนาเสยจะมมากกวาในธรรมชาตมาก สารอนทรยถกทาใหลดลงไดในเวลาทรวดเรวโดยแบคทเรยจานวนมากในระบบ แตระบบบาบดนาเสยแบบไมใชอากาศเปนระบบทซบซอน มกลมจลนทรยอาศยอยรวมกนมากมายหลายกลม ความสมพนธของก ล ม จลนทรยเหลานมทงการพงพาอาศยกนและการแขงขนกน สารอนทรยทเขาสระบบจะถกเปลยนรปไปเนองจากการยอยสลายโดยกลมจลนทรยหลายๆ กลมตอๆ กน ผลตภณฑทเกดจากการยอยสลายของกลมจลนทรยหนงจะถกยอยสลายตอโดยกลมจลนทรยอกกลมหนง เกดเปนความสมพนธแบบพงพาอาศยกน แตถาผลตภณฑทเกดขนสามารถใชไดโดยกลมจลนทรยหลายกลม กลมจลนทรยทใชสารอาหารชนดเดยวกนกทาใหเกดความสมพนธแบบแขงขนกนขน กลมจลน-ทรยหลายกลมทอาศยอยรวมกนและมปฏสมพนธกนเหลาน เองททาใหเกดปฏกรยารดอกซและเปลยนรปสารอนทรยในนาเสยใหอยในรปตางๆ เชน กรดอนทรย,มเทน,คารบอนไดออกไซด หรอซลไฟด เปนตน แตสารอนทรยในระบบจะถกใชโดยจลนทรยกลมใดและถกใชไปในสดสวนเทาใดนน ขนอยกบปจจยตางๆ มากมาย โดยเฉพาะอยางยงปจจยทางสภาวะแวดลอมซงจะสงผลใหแบคทเรยกลมใดกลมหนงโดดเดนทสดในระบบ ถาหากพจารณาในระบบบาบดนาเสยแบบไมใชอากาศโดยทวไปทผลตมเทน จลนทรยกลมทโดดเดนทสดใน


1-23

ระบบกคอแบคทเรยสรางมเทนและแบคทเรยสรางกรดททางานรวมกน ไดผลตภณฑหลกเปนกาซมเทน ดงนนพนฐานของการบาบดนาเสยดวยกระบวนการไมใชอากาศกคอการเปลยนรปสารอนทรยดวยปฏกรยารดอกซโดยแบคทเรยกลมทไมใชอากาศ ผลตภณฑทไดกจะแตกตางหลากหลายกนออกไปขนอยกบสภาพของนาเสยกบปรมาณและชนดของแบคทเรยในระบบ


2-1

บทท 2 จลชววทยาและชวเคมของกระบวนการยอยแบบไมใชอากาศ

กระบวนการยอยแบบไมใชอากาศ (Anaerobic Digestion) หมายถงการเปลยนสารอนทรยในนาเสยหรอในสลดจใหกลายเปนกาซมเทน โดยทวไปเมอกลาวถงการบาบดนาเสยแบบไมใชอากาศ มกหมายถงการยอยแบบไมใชอากาศนนเอง กาซมเทนเปนผลผลตของกระบวนการไมใชอากาศนเสมอ กระบวนการไมใชอากาศเกดขน 4 ขนตอนตามลาดบ (รปท 2.1) ดงน

ไฮโดรไลซส การสรางกรดไขมนระเหย (Acidogenesis) การสรางอะซเตท (Acetogenesis) การสรางมเทน (Methanogenesis)

ขนตอนทง 4 ตองอาศยแบคทเรย 3 ประเภท ไดแก แบคทเรยสรางกรดไขมนระเหย (Volatile Fatty Acid : VFA) แบคทเรยสรางอะซเตท และแบคทเรยสรางมเทน

2.1 ประเภทของแบคทเรยในกระบวนการยอยแบบไมใชอากาศ 2.1.1 แบคทเรยสรางกรดไขมนระเหย (Acidogenic Bacteria) ในขนตอนการสรางกรดไขมนระเหยของกระบวนการไมใชอากาศ กรดจะผลตขนโดยแบคทเรยไมใชอากาศชนดเดดขาด (Obligate Anaerobes) มากกวาชนด Facultative ทงนเพราะแบคทเรยชนดเดดขาดมจานวนมากกวา


2-2

รปท 2.1 ขนตอนของปฏกรยาไมใชอากาศ (Wheatley,A.D 1997)


2-3

แบคทเรยไมใชอากาศชนดเดดขาดทมบทบาทในการสรางกรดไขมนระเหย กคอกลม Clostridium ซงมเมตาบอลซมหลายแบบ จงสามารถใชสารอาหารทงทเปนพวกแปงหรอโปรตนได ผลปฏกรยาทไดมหลากหลายชนดเชน กรดบวทรก กรดอะซตก กาซคารบอนไดออกไซด กาซไฮโดรเจน เอทานอล บวทานอล อะซโตน เปนตน นอกจากนยงมแบคทเรยในกลม Propionibacterium ทผลตกรดพรอพออนก (Propionic Acid) และกรดอะซตกจากกรดแลกตก (Fenchel and Finlay 1995, Madigan และคณะ 1997)

2.1.2 แบคทเรยสรางกรดอะซตก (Acetogenic Bacteria) เมอผลผลตจากแบคทเรยสรางกรดมหลายชนดดงทกลาวขางตน และบางชนดยงเปนสารโมเลกลใหญทแบคทเรยสรางมเทนไมสามารถนาไปใชเปนสารอาหารได จงตองมการเปลยนสารเหลานนใหกลายเปนสารอาหารอยางงายสาหรบแบคทเรยทสรางมเทนเพอใหสามารถดดซมเขาไปใชไดในเซลล แบคทเรยทยอยกรดไขมนระเหยโมเลกลใหญใหกลายเปนกรดอะซตก ไฮโดรเจน และคารบอนไดออกไซดไดนน สามารถแบงไดเปน 2 ชนด ดงน 2.1.2.1) แบคทเรยผลตอะซเตทอยางเดยว (Homoacetogenic Bacteria) แบคทเรยชนดนเปนแบคทเรยทใชกาซคารบอนไดออกไซดเปนสารรบอเลก-ตรอนและผลตกรดอะซตกขนมา (เปนกระบวนการหายใจแบบไมใชอากาศ) ผานวถชวเคมทเรยกวา Acetyl-CoA ตวอยางแบคทเรยชนดน ไดแก Acetobacterium woodii และClostridium aceticum สามารถเจรญเตบโตทงในแบบออโทโทรฟก (autotrophic) คอใชกาซคารบอนไดออกไซดเปนสารรบอเลกตรอนและแหลงคารบอนและใชกาซไฮโดรเจนเปนสารใหอเลกตรอนเพอเปลยนคารบอนได-ออกไซดเปนกรดอะซตก


2-4

2CO2 + 4H2 → CH3COOH + 2H2O ออโทโทรฟก อกทงเจรญเตบโตในแบบเฮทเธอโรโทรฟก (Heterotrophic) กได โดยการหมก นาตาลดงสมการขางลาง

C6H12O6 → 3CH3COOH เฮทเธอโรโทรฟก แบคทเรยทอยในจนส Clostridium พบอยทงในกลมแบคทเรยทสรางกรดไขมนระเหยทวไป (Acidogenic Bacteria) และกลมแบคทเรยทสรางกรดอะซตก (Acetogeneic Bacteria) แบคทเรยกลมนจงมเมตาบอลซมหลายแบบดงแสดงในตารางท 2.1

ตารางท 2.1 ลกษณะสมบตของแบคทเรยบางกลมในจนส Clostridium (Medigan et al., 1997)

ลกษณะสาคญ ผลผลตและลกษณะอน ชนด

1. ยอยคารบอไฮเดรท ยอยเซลลโลสได อะซเตท,แลคเตท,

ซสสเนท, ไฮโดรเจน, เอทธานอล, คารบอนไดออกไซด

C. cellobioparum C. thermocellum

ยอยนาตาล,แปงและ เปคตน (pectin) ได บางชนดตรงไนโตรเจนได

ผลผลตคอ อะเซโทน, บวทานอล, เอทธานอล, ไอโซพรอพนอล, บวไทเรต, อะซเตท, พรอพโอเนท, ซสสเนท, ไฮโดรเจน, คารบอนไดออกไซด

C. butyricum C. acetobutylicum C. pasteurianum C. perfringens C. thermosulfurogenes


2-5

ตารางท 2.1 ลกษณะสมบตของแบคทเรยบางกลมในจนส Clostridium (Medigan et al., 1997) (ตอ)

ลกษณะสาคญ ผลผลตและลกษณะอน ชนด ยอยนาตาลใหเปน กรดอะซตก ได

ผลตอะซเตทจากคารบอนไดออกไซด

C. aceticum C. thermoaceticum C. formicoaceticum

ยอยเฉพาะ pentoses หรอ methylpentoses

ได

ผลผลตคอ อะซเตท, พรอพโอเนท, n- บวทานอล, ไฮโดรเจน, คารบอนไดออกไซด

C. methylpentosum

2. ยอยโปรตนและ กรดอะมโนได อาจยอยนาตาลได

ผลผลตคอ อะซเตท, กรดไขมนระเหยอน, แอมโมเนย, คารบอน ไดออกไซด, อาจใหไฮโดรเจน ผลผลตคอ บวไทเรตและอะซเตท อาจผลตเอกโซทอกซน (exotoxins)

C. sporogenes C. tetani C. botulinum C. tetanomorphum

ยอยสารประกอบทมคารบอน 3 อะตอม

พรอพออเนท,อะซเตทและคารบอนไดออกไซด

C. propionicum

3. ยอยคารบอไฮเดรท หรอกรดอะมโนได

อะซเตท, ฟอรเมท, มไอโซบวไทเรทและ ไอโซวาเลอเรท (isovalerate) เลกนอย

C. bifermentans

4. ยอยพวรน (Purine) ได

อะซเตท, purines, forming acetate, คารบอนไดออกไซด, แอมโมเนย

C. acidurici

5.ยอยเอทธานอล ใหเปนกรดไขมนได

ใชอะซเตทเปนสารรบอเลกตรอน C. kluyveri


2-6

2.1.2.2) แบคทเรยสรางอะซเตททผลตไฮโดรเจนได (H2-Producing Acetogenic Bacteria ) แบคทเรยชนดนจะใชกรดไขมนระเหย (ทไมใชกรดอะซตก) หรอแอลกอฮอลลเปนสารอาหาร แลวสรางกรดอะซตกและกาซไฮโดรเจนซงเปนสารอาหารของแบคทเรยสรางมเทนขนมา ดงนนแบคทเรยชนดนจงมบทบาทสาคญ เพราะเปนตวเชอมระหวางแบคทเรยสรางกรดกบแบคทเรยสรางมเทน อยางไรกด แบคทเรยชนดนจะไมเจรญเตบโตเมออยตามลาพง ทงนเพราะเมอมการสะสมของกาซไฮโดรเจนทผลตขนมา (ทาใหมความดนพารเชยลของไฮโดรเจนสง) ปฏกรยาสรางกรดอะซตกจะไมสามารถเกดขนได (ดหวขอ 2.4) เนองจากแบคทเรยสรางกรดอะซตกหยดการเจรญเตบโต ดงนน จะตองมการกาจดไฮโดรเจนกอน แบคทเรยสรางกรดอะซตกจงจะเจรญเตบโตได แบคทเรยสรางมเทนจงเขามามบทบาทในตรงนเพราะแบคทเรยสรางมเทนสามารถบรโภคไฮโดรเจนได การอยรวมกนระหวางแบคทเรยสรางกรดอะซตกและแบคทเรยสรางมเทนใหประโยชนซงกนและกน เรยกความสมพนธนวา Syntrophy และตางกไมสามารถเจรญเตบโตไดถาอยเพยงลาพง นนคอ แบคทเรยสรางกรดอะซตกจะสรางอาหารใหแกแบคทเรยทสรางมเทน สวนแบคทเรยทสรางมเทนกชวยทาลายกาซไฮโดรเจนใหกบแบคทเรยทสรางกรด แบคทเรยชนดนอยในกลม Synthrophomonas และกลม Synthrophobacter แบคทเรย Synthrophomonas wolfei ยอยกรดไขมนระเหยทมคารบอนตงแต 4 ถง 8 อะตอม ใหกลายเปนกรดอะซตก ไฮโดรเจน และคารบอนไดออกไซด สวนแบคทเรย Syntrophobacter wolinii จะยอยกรดพรอพออนกใหกลายเปนกรด อะซตก ไฮโดรเจนและคารบอนไดออกไซดเชนกน


2-7

2.1.3 แบคทเรยสรางมเทน แบคทเรยสรางมเทนเปนแบคทเรยไมใชอากาศชนดเดดขาด ไมอาจทนตอออกซเจนไดแมมปรมาณเพยงเลกนอย จดอยในกลมของแบคทเรยชนดเคโมเฮ-เทโรทรอพ ดารงชวตอยและเจรญเตบโตโดยไดรบพลงงานจากการยอยสลายสารอนทรยประมาณ 10 ชนดเทานน (ดในตารางท 2.2) สารอาหารชนดอนนอกเหนอจากน ไมวาจะเปนกรดไขมนระเหย เชน บวทรก หรอพรอพออนก ซงปกตเปนสารอาหารของแบคทเรยรดวซซลเฟต แบคทเรยสรางมเทนไมสามารถนาไปใชได แบคทเรยกลมนสามารถจาแนกออกไดเปน 3 ชนด ตามชนดของสารอาหารทใช ไดแก

• เมทธานอเจนทบรโภคเฉพาะอะซเตท (Obligate Acetoclastic Methanogen) เปนแบคทเรยสรางมเทนทใชกรดอะซตกเปนแหลงพลงงาน ตามสมการดงน

CH3COOH → CH4 + CO2

• เมทธานอเจนทบรโภคเฉพาะไฮโดรเจน (Obligate Hydrogenotrophic Methanogen หรอ Hydrogen Utilizer) เปนแบคทเรยทใชกาซไฮโดรเจนในการผลตกาซมเทนโดยใชคารบอนไดออกไซดเปนแหลงคารบอน ตามสมการดงน

4H2 + CO2 → CH4 + 2H2O


2-8

ตารางท 2.2 สารอาหารทแบคทเรยสรางมเทนนาไปใชได

(Madigan และคณะ 1997)

สบสเตรทประภทคารบอนไดออกไซด

คารบอนไดออกไซด

CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O; ΔG0′ = -131 kJ/reaction

ฟอรเมต, HCOO-

4HCOO- + 4H+ → CH4 + 3CO2 + 2H2O; ΔG0′ = -145 kJ/reaction

คารบอนมอนอกไซด, CO

4CO + 2H2O → CH4 + 3CO2; ΔG0′ = -210 kJ/reaction

สบสเตรทประภทเมทธล

Methanol, CH3OH

4CH3OH → 3CH4 + CO2 + 2H2O; ΔG0′ = -319 kJ/reaction

Methylamine, CH3NH+

4CH3NH3+ + 2H2O → 3CH4 + CO2 + 4NH4+; ΔG0′ = -230 kJ/reaction

Dimethylamine, (CH3)2NH2+

(CH3)2NH2+ + 2H2O → 3CH4 + CO2 + 2NH4+; ΔG0′= -230

Trimethylamine, (CH3)3NH+

4(CH3)3NH+ + 6H2O → 9CH4 + 3CO2 + 4NH4+; ΔG0′ = -666

Methylmercaptan, CH3SH

Dimethylsulfide, (CH3)S

อะซเตท

Acetate, CH3COO-

CH3COO- + H+ → CH4 + CO2; ΔG0′ = -31 kJ/reaction


2-9

นอกจากกาซไฮโดรเจนแลว แบคทเรยชนดนยงสามารถใชกรดฟอรมกเปนแหลงอาหารเพยงอยางเดยวได เพราะกรดฟอรมกสามารถแตกตวเปนไฮโดรเจนและคารบอนไดออกไซดได

• เมทธานอเจนทบรโภคไดทงไฮโดรเจนและอะซเตท (Hydrogenotrophic/ Acetoclastic Methanogen) เปนแบคทเรยทสรางมเทนไดทงจากกรดอะซตกหรอกาซไฮโดรเจน แตใชไฮโดรเจนไดดกวา

รปรางของเซลลของแบคทเรยสรางมเทนแสดงดงรปท 2.2 และถาแบงแบคทเรยสรางมเทนตามลกษณะทางกายภาพและลกษณะในระดบโมเลกล จะแยกแบคทเรยสรางมเทนออกไดเปน 7 กลมใหญๆ ดงแสดงในตารางท 2.3

รปท 2.2 รปรางของเซลลของแบคทเรยสรางมเทน (Madigan และคณะ, 1997)


2-10

ตารางท 2.3 แบคทเรยสรางมเทนจาแนกตามลกษณะทางกายภาพและสมบต ในระดบโมเลกล (Madigan และคณะ, 1997)

จนส รปราง ปฏกรยา แกรม

จานวน ชนด

สบสเตรท

Group I

Methanobacterrium ทอนยาว + or - 8 H2 + CO2, formate

Methanobrevibacter ทอนสน + 3 H2 + CO2, formate

Methanosphaera กลม + 1 ใช Methanol + H2 ทงค

Group II

Methanothermus เปนทอน + 2 H2+CO2,can also

reduce S0

Group III

Methanococcus กลมบบ - 5 H2 + CO2, pyruvate +

CO2, formate

Group IV Methanomicrobium ทอนสน - 2 H2 + CO2, formate

Methanogenium กลมบบ - 3 H2 + CO2, formate

Methanospirillum เปนสาย - 1 H2 + CO2, formate

Methanoplanus เปนแผนมขอบคม

- 2 H2 + CO2, formate


2-11

ตารางท 2.3 แบคทเรยสรางมเทนจาแนกตามลกษณะทางกายภาพและสมบต ในระดบโมเลกล (Madigan และคณะ, 1997) (ตอ)

จนส รปราง ปฏกรยา แกรม

จานวน ชนด

สบสเตรท

Group V

Methanosarcina กลมบบขนาดใหญจบกนเปนกลม

+ 6 H2 + CO2,acetate,

methanol, methylamines

Methanolobus กลมบบจบกน เปนกลม

- 5 Methanol, methylamines

Methanoculleus กลมบบ - 4 H2 + CO2, alcohol, formate

Methanohalobium กลมบบ - 1 Methanol, methylamines; halophilic

Methanococcoides กลมบบ - 2 Methanol, methylamines

Methanohalophilus กลมบบ - 3 Methanol, methylamines, methyl sulfides; halophile

Methanothrix (Methanosaeta)

ทอนยาวและเปนเสนใย

- 3 Acetate

Group VI

Methanopyrus ทอนยาวตอเปนสายโซ

+ 1 H2 + CO2; growth at 110°c

hyperthermophile, Group VII

Methano- corpusculum

กลมบบ - 3 H2 + CO2, formate,

alcohols


2-12

2.2 ชวเคมของแบคทเรยสรางมเทน 2.2.1 โคเอนไซมเฉพาะ โคเอนไซมเปนสารตวกลางททาหนาทขนสงอเลกตรอนในเซลลของสงมชวต ดงนนโคเอนไซมจงมบทบาทสาคญในกระบวนการสงวนพลงงานของจลนทรย โคเอนไซมจะแตกตางกนออกไปในเซลลของสงมชวตแตละชนด แบคทเรยสรางมเทนมโคเอนไซมบางตวซงเปนโคเอนไซมเฉพาะแตกตางจากสงมชวตอน ไดแก (ดในรปท 2.3)

• โคเอนไซมททาหนาทขนสงสารประกอบทมคารบอน 1 อะตอม เชน Methanofuran, Methanopterin, Coenzyme M, Coenzyme F430 และ

• โคเอนไซมททาหนาทเกยวของกบปฏกรยารดอกซเชน Coenzyme F420, HS-HTP (7-mercaptoheptanoyl threonine phosphate)

2.2.2 กระบวนการสรางมเทนจากไฮโดรเจนและคารบอนไดออกไซด โดยทวไปแลวปฏกรยารดกชนของคารบอนไดออกไซดเปนมเทนนนจะขนอยกบไฮโดรเจนซงเปนสารใหอเลกตรอน แตฟอรเมต คารบอนมอนอกไซดหรอแมแตธาตเหลก (Fe0) กทาหนาทเปนสารใหอเลกตรอนไดเชนกน โดยในกรณของธาตเหลก เหลกจะใหอเลกตรอนกบโปรตอนกลายเปนไฮโดรเจน

Fe + 2H+ → Fe2+ + H2 จากนนแบคทเรยสรางมเทนจงใชไฮโดรเจนเปนสารใหอเลกตรอนอกทอดหนง


2-13

รปท 2.3 โคเอนไซมของแบคทเรยสรางมเทน (Madigan และคณะ 1997)


2-14

ปฏกรยารดกชนของคารบอนไดออกไซดเปนมเทนโดยไฮโดรเจนพอสรปไดเปนขนตอนดงน

1) คารบอนไดออกไซดถกกระตนโดย methanofuran พรอมกบถกรดวซใหเปน formyl carbon

2) กลมฟอรมลถกสงจาก methanofuran ไปยง tetrahydromethanopterin (MP) พรอมกบถกรดวซให methylene carbon และรดวซตอใหเปน methyl carbon

3) กลมเมทลถกสงจาก methanopterin ไปยงโคเอนไซมเอม 4) Methyl-coenzyme M ถกรดวซไปเปนมเทนโดยระบบ methyl reductase

ซงม F430 และ HS-HTP เกยวของดวย โดย HS-HTP จะเปนตวใหอเลกตรอน ไดผลตภณฑเปนมเทน ไดซลไฟดของโคเอนไซมเอมและ HTP (CoM-S-S-HTP) ผลตภณฑอนทไดนอกเหนอจากมเทนแลวจะถกรดวซโดยไฮโดรเจนไดผลตภณฑเปน CoM และ HS-HTP กลบมาใชใหม พลงงานทไดจากการรดวซ methyl-CoM เปนมเทนถกสงวนไวใชดวยกลไก chemiosmosis

ขนตอนทงหมดแสดงดงรปท 2.4

ในขนสดทาย HS-HTP จะรวมกบ CH3-S-CoM เกดเปน CH4 และ CoM-S-S-HTP ซง CoM-S-S-HTP จะถกกระตนดวยเอนไซม Heterodisulfide Reductase ใหเกดปฏกรยารดอกซกบไฮโดรเจนหรอโคเอนไซม F420 ทอยในรปรดวซเพอให CoM-S-S-HTP กลายเปน CoM-SH และ HS-HTP และนากลบไปใชใหม ขนตอนนเปนขนตอนการคายพลงงาน ซงพลงงานสวนนจะถกสงวนไวดวย กลไก chemiosmosis สวนกระบวนการชวสงเคราะหของแบคทเรยสรางมเทนจะ


2-15

ใชวถทางชวเคมบางสวนรวมกบวถทางชวเคมของกระบวนการสงวนพลงงาน ดงแสดงในรปท 2.5 จะเหนวาการเตบโตไดกลมเมธล (CH3- )จากการสรางมเทน

รปท 2.4 วถการสรางมเทนจากคารบอนไดออกไซด (Madigan และคณะ, 1997)


2-16

รปท 2.5 ความสมพนธระหวางวถทางชวเคมของกระบวนการชวสงเคราะหและ กระบวนการสงวนพลงงานของแบคทเรยสรางมเทน (Madigan และคณะ, 1997)

แบคทเรยสรางมเทนจะใหกลมเมทลทไดจาก Methyl Tetrahydromethanopterin (CH3-MP) ในวถการสรางมเทนกบเอนไซมทม Corrinoid เกดเปน CH3-Corrinoid จากนนกปลอยกลมเมทลตอใหกบ Carbon Monoxide Dehydrogenase เพอใชในการสรางอะซตลโคเอซงถกนาไปใชในกระบวนการชวสงเคราะหตอไป เมอเทยบกบคารบอนไดออกไซดทถกใชในการสรางมเทนแลว คารบอนได-ออกไซดทถกเปลยนเปนสวนประกอบของเซลลมปรมาณนอยมากและจะเหนไดวาในการใชวถทางชวเคมบางสวนรวมกนระหวางการสรางเซลลและการสงวนพลงงาน ทาใหแบคทเรยสามารถดงเอากลมเมทลทเกดขนในวถการสรางมเทนมาใชไดเลยโดยไมตองสรางเอนไซมทเรงการสรางกลมเมทลจากคารบอนได-


2-17

ออกไซดขนมาใหม แบคทเรยสรางมเทนจงประหยดพลงงานทใชสรางเอนไซมสวนนลงได

2.2.3 กระบวนการสรางมเทนจากสารประกอบเมทล ในขนตอนแรกของการสรางมเทนจากสารประกอบเมทล เชน เมทานอล เปนตน สารประกอบเมทลจะใหกลมเมทลกบ Corrinoid เพอสราง CH3-Corrinoid ซง Corrinoid นมโครงสรางเปนวงแหวน Porphyrin-Like Corrin ทมโคบอลตอยตรงกลางและเปนโครงสรางตนแบบของสารประกอบบางอยางเชน วตามนบ 12 เปนตน จากนน CH3-Corrinoid จะใหกลมเมทลตอกบโคเอนไซมเอมเกดเปน CH3-CoM และ CH3-CoM จะรบอเลกตรอนกลายเปนมเทน ซงอเลกตรอนทใหกบ CH3-CoM จะไดมาจากการเปลยนโมเลกลเมทานอลอนเปนคารบอนไดออก-ไซด ดงแสดงในสมการตอไปน

CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e- สวนกระบวนการชวสงเคราะห เรมจากการใชกลมเมทลทไดจากเมทานอลมารบอเลกตรอนเพอสรางคารบอนไดออกไซด ซงรวมกบกลมเมทลเขาดวยกนเพอสรางอะซตลโคเอในขนตอมาทงนโดยใชเอนไซม Carbon Monoxide Dehydro-genase ดงแสดงในรปท 2.6


2-18

รปท 2.6 วถทางชวเคมของกระบวนการชวสงเคราะหและกระบวนการสงวนพลงงาน ของแบคทเรยสรางมเทนทใชเมทานอล (Madigan และคณะ 1997)


2-19

จะเหนไดวาแบคทเรยสรางมเทนทใชสารประกอบเมทล ตองใชกลมเมทลรบอเลกตรอนจากไฮโดรเจนเพอผลตมเทน แตในกรณทไมมไฮโดรเจน แบคทเรยจะใช Sodium Pump แทนเพอสรางความแตกตางของความเขมขนของโซเดยมระหวางเซลลเมมเบรนซงจะทาใหเกดความตางศกยขน วธนเปนการเปลยนรปพลงงานเคมจากปฏกรยารดอกซมาเกบอยในรปพลงงานไฟฟา เซลลจะใชพลงงานทเกบไวนผลกดนใหเกดปฏกรยาออกซเดชนของกลมเมทลและเกดการสรางมเทน นอกจากน Sodium Pump ยงเกยวของกบการเปลยน CH3-Tetrahydromethanopterin เปน CH3-CoM และการ Carboxylation ของ Methano-furan (MF) ของแบคทเรยสรางมเทนทใชไฮโดรเจนและคารบอนไดออกไซดดวย

2.2.4 กระบวนการสรางมเทนจากอะซเตท แบคทเรยสรางมเทนจากอะซเตทสามารถนาอะซเตทไปใชในกระบวนการชว-สงเคราะหไดโดยตรง สวนในกระบวนการสงวนพลงงาน แบคทเรยสรางมเทน จากอะซเตทจะกระตนอะซเตทใหมพลงงานสงขน โดยการสรางเปนอะซตลโค-เอ ซงจะไปทาปฏกรยากบ Carbon Monoxide Dehydrogenase ตอ และตามมาดวยการสงกลมเมทลจากอะซเตทใหกบเอนไซม Corrinoid เพอสราง CH3-corrinoid จากขนตอนนเอง กลมเมทลถกสงตอใหกบ Tetrahydromethanopterin และสงตอไปใหกบโคเอนไซมเอมอกทอดหนงเพอสรางเมทลโคเอม (CH3CoM) แบคทเรยสรางมเทนจะใชเมทลโคเอม รบอเลกตรอนทไดจากการเปลยนคารบอนมอนอกไซดเปนคารบอนไดออกไซดโดยเอนไซมชอ CO dehydrogenase และไดผลตภณฑสดทายเปนมเทนและคารบอนไดออกไซด ดงแสดงในรปท 2.7


2-20

รปท 2.7 วถทางชวเคมของกระบวนการชวสงเคราะหและกระบวนการสงวนพลงงานของ แบคทเรยสรางมเทนทบรโภคอะซเตท (Madigan และคณะ 1997)

การสราง ATP เกดขนในขนตอนการเปลยน CH3CoM เปนมเทนซงเปนขนตอนสดทายดวยกลไก Chemiosmosis เชนเดยวกบทเกดในแบคทเรยสรางมเทนทใชไฮโดรเจนกบคารบอนไดออกไซด


2-21

2.3 ขนตอนของปฏกรยายอยแบบไมใชอากาศ ดงไดกลาวแลววา กระบวนการไมใชอากาศม 4 ขนตอนซงเกดขนอยางตอเนองไปตามลาดบ ดงน

ไฮโดรไลซส การสรางกรดไขมนระเหย (Acidogenesis) การสรางอะซเตท (Acetogenesis) การสรางมเทน

รปท 2.8 แสดงวถการเปลยนแปลงดวยกระบวนการไมใชอากาศของสารอาหารทง 3 ประเภทคอไขมน, โปรตนและคารโบไฮเดรต หรอแปง ขนตอนท 1 "ไฮโดรไลซส (Hydrolysis)" ไฮโดรไลซสปนขนตอนการยอยสลายสารประกอบโมเลกลใหญ เชน คารโบไฮ-เดรต โปรตนและไขมน ใหกลายเปนสารประกอบโมเลกลเลก เชน นาตาล กรดอะมโน และกรดไขมนชนดยาวตามลาดบ ขนตอนนสามารถเกดขนไดภายนอกเซลลแบคทเรยโดยอาศยเอนไซมทแบคทเรยปลอยออกมาใชในการยอยสลายดงกลาว ขนตอนท 2 "การสรางกรดไขมนระเหย (Acidogenesis)" ผลผลตของขนตอนท 1 จะถกแบคทเรยสรางกรดดดซมเขาไปภายในเซลล เพอไปใชเปนอาหารและถกเปลยนเปนกรดไขมนระเหย (Volatile Fatty Acid) เชน กรดอะซตก กรดบวไทรก กรดพรอพออนก เปนตน และผลตไฮโดรเจนกบคารบอนไดออกไซดออกมาดวยกระบวนการทางชวเคมทเกดขนในระหวางการ


2-22

ยอยสลายสารประกอบโมเลกลเลกและชนดของผลผลตทไดขนอยกบปจจย 2 ประการ คอ ชนดของสบสเตรท และความดนพารเชยลของไฮโดรเจนทเกดขน ยกตวอยางเชน กรดไขมนชนดยาวจะถกยอยสลายกลายเปนกรดอะซตกและไฮโดรเจน ภายใตสภาวะทความดนพารเชยลของไฮโดรเจนมคาตา แตจะยอยสลายกลายเปนกรดบวไทรกและกรดพรอพออนก เมออยภายใตสภาวะทไฮโดร-เจนมความดนพารเชยลสง นาตาลถกยอยสลายเปนกรดอะซตก ไฮโดรเจนและคารบอนไดออกไซดโดยผานวถ Embden-Meyerhof ภายใตสภาวะทมความดนพารเชยลของไฮโดรเจนมคาตา แตถาไฮโดรเจนมความดนพารเชยลสงผลผลตทไดคอ กรดอะซตก กรดพรอไพออนก กรดบวไทรก ไฮโดรเจน และ คารบอนไดออกไซด (ดรปท 2.9) ขนตอนท 3 "การสรางกรดอะซตกจากกรดไขมนระเหยอนๆ (Acetogenesis)" แบคทเรยอะเซโตจนก (แบคทเรยสรางอะซเตท) มบทบาทสาคญในการเปนตวเชอมระหวางขนตอนการสรางกรดและขนตอนการสรางมเทน แบคทเรยสรางมเทนนนตองการสบสเตรตเฉพาะเจาะจงมากไดแก กรดอะซตก กรดฟอรมก ไฮโดรเจน เมทานอล และเมทธลามน (Methylamine) กรดไขมนระเหยทมคารบอนมากกวา 2 อะตอมไมอาจใชเปนสบสเตรตในการผลตมเทนไดโดยตรง แบคทเรยอะเซโตจนค (ทผลตไฮโดรเจนไดดวย) มความสามารถในการยอยสลายกรดไขมนระเหยทมคารบอนมากกวา 2 อะตอมใหกลายเปนคารบอนไดออกไซดกรดอะซตก และไฮโดรเจนภายใตสภาวะทไฮโดรเจนมความดนพารเชยลตากวา 2x10-3 บรรยากาศ และตากวา 9x10-3 บรรยากาศ สาหรบการยอยสลายกรดบวไทรกและกรดพรอพออนก ตามลาดบ


2-23

รปท 2.8 ขนตอนการยอยสลายไขมน โปรตน และคารโบโฮเดรต แบบไมใชอากาศ (Sam-Soon 1987)


2-24

EMP = Embden-Meyerhof pathway HPr = กรดโพรพออกนก (Propionic acid) PYR = กรดไพรวก (Pyruvic acid) HAc = กรดอะซตก(Acetic acid)

รปท 2.9 การยอยกลโคสทสภาวะความดนพารเชยลของกาซไฮโดรเจนตาและสง (Sam-Soon 1987)


2-25

CH3CH2COOH + 2H2O → CH3COOH + CO2 + 3H2 CH3CH2CH2COOH + 2H2O → 2CH3COOH + 2 H2

ขนตอนท 3 น จะเกดขนไดเฉพาะในสภาวะทไฮโดรเจนมความดนพารเชยลตาเทานน กรดไขมนระเหยไมสามารถยอยสลายกลายเปนกรดอะซตกภายใตสภาวะทไฮโดรเจนมความดนพารเชยลสง ขนตอนท 4 "การสรางมเทน" กรดอะซตกและไฮโดรเจนจะถกแบคทเรยใชสรางกาซมเทนภายใตสภาวะไมใชอากาศอยางเดดขาด

CH3COOH + H2O → CH4 + H2CO3

4H2 + H2CO3 → CH4 + 3H2O

กรดไขมนระเหยทมคารบอนมากกวา 2 อะตอม ไมสามารถถกเปลยนเปนมเทนไดโดยตรง แบคทเรยจะตองเปลยนกรดไขมนระเหยตางๆ ใหเปนกรดอะซตกหรอไฮโดรเจนเสยกอนจงจะใชผลตมเทนได นอกจากกรดอะซตกและไฮโดรเจนแลว แบคทเรยอาจใชสบสเตรตอยางงายอกเพยงไมกชนดในการผลตมเทน เชน เมทานอล, กรดฟอรมก (HCOOH)

4CH3OH → 3CH4 + CO2 + 2H2O

4HCOOH → CH4 + 3CO2 + 2H2O


2-26

2.4 ตวอยางวถชวเคมทเกดขนในขนตอนการสรางกรดไขมนระเหยจากกลโคส

แบคทเรยทไมสรางมเทนจะดดซมกลโคสเขาไปยอยสลายภายในเซลลภายใตวถทางชวเคมแบบ Embden-Meyerhof Pathway (EMP) กลโคสจะถกออกซไดซกลายเปนกรดไพรวก ดงน

C6H12O6 + 2 NAD+ + 2 ADP + 2P →

2CH3COCOOH + 2NADH + ATP (2.1)

แตละโมลของกลโคส จะผลตกรดไพรวก 2 โมล และ ATP 1 โมล โคเอนไซม NAD+ จะถกใชเปนพาหะของอเลกตรอนและไฮโดรเจน ทาใหเกด NADH เนองจาก NAD+ มจากด จงตองมวธปลดปลอย H+ ออกจาก NADH ใหกลายเปน NAD+ ใหม เพอใหมพาหะสาหรบขนสงอเลกตรอนตลอดไป โดยปกตการฟนอานาจของ NAD+ เกดขนไดดงน

NADH + H+ → NAD+ + H2 (2.2)

สมการ (2.2) สามารถเกดขนเองไดตราบเทาท H2 (ในดานขวาของสมการ) สามารถหนออกไปจากปฏกรยาได ถาไฮโดรเจนทอยในบรรยากาศเหนอนามความดนพารเชยลตาจนทาใหไฮโดรเจนละลายนาไดนอยมาก ไฮโดรเจนทเกดขนในสมการ (2.2) กจะหนจากนาสบรรยากาศไดงาย ทาใหสมการ (2.2)

สามารถเกดจากซายไปขวาไดเอง ทาใหมการคนกลบของ NAD+ เกดขนอยางตอเนอง


2-27

กรดไพรวกทเกดขนจะถกออกซไดซตอไปกลายเปนอะเซทลโคเอ (CH3CoA) ดงน

2CH3COCOOH + 2NAD+ →

2 CH3CoA + 2 CO2 + 2NADH (2.3)

NAD+ กยงทาหนาทเปนตวพาหะของอเลกตรอนอกเหมอนเคย อะเซทลโคเอจะถกยอยสลายตอไป กลายเปนกรดอะซตก พรอมกบการสราง ATP ดงน

2CH3CoA + 2 ADP + 2 P → 2 CH3COOH + 2 ATP (2.4)

เมอรวมสมการ (2.1), (2.3) และ (2.4) เขาดวยกน จะไดปฏกรยาเฟอรเมนเตชนทสมบรณดงน

C6H12O6 + 2H2O + 4ADP + 4P→

2CH3COOH + 2CO2 + 4H2 + 4ATP (2.5)

จะเหนไดวาการยอยสลายแบบไมใชอากาศของกลโคส 1 โมล จะไดกรดอะซตก 2 โมล คารบอนไดออกไซด 2 โมล ไฮโดรเจน 4 โมล และ ATP 4 โมล ทงน ปฏกรยาของสมการ (2.5) จะเกดขนภายใตบรรยากาศทไฮโดรเจนมความดนพารเชยลตามากเทานน


2-28

เมอปฏบตการไมใชอากาศสามารถทางานไดอยางมประสทธภาพ ไฮโดรเจนทเกดขนจะถกใชผลตมเทนโดยแบคทเรยทเรยกวา ตวบรโภคไฮโดรเจน (H2 Utilizer) ซงเปนแบคทเรยสรางมเทนชนดหนง

4 H2 + H2 CO3 → CH4 + 3 H2O (2.6) เปนผลทาใหความดนพารเชยลของไฮโดรเจนมคาตาเสมอ อยางไรกตาม หากมปญหาเกดขนทาใหแบคทเรยบรโภคไฮโดรเจนหรอ H2 Utilizer ไมสามารถดารงอยได หรอไมมแบคทเรยชนดนอาศยอยในถงหมกไมใชอากาศ ไฮโดรเจนทเกดขนกจะไมถกนาไปใชประโยชนและมการสะสมตวของไฮโดรเจน จนกระทงความดนพารเชยลมคาสง ผลกระทบจะเกดขนกบการปลดปลอย H+ ออกจาก NADH นนคอวธการปลดปลอย H+ แบบปกต (ดสมการ 2.2) จะไมสามารถเกดขนเองได เนองจาก H2 ไมสามารถหนไปจากปฏกรยาได แบคทเรยชนดไมสรางมเทนจงตองใชวธการอนในการฟนอานาจของ NADH เพอใหปฏกรยาเฟอรเมนเตชนสามารถเกดขนตอไปได วธการทใชคอ สรางปฏกรยาทเกดขนเองไดและใชเปนปฏกรยาควบคในการเปลยน NADH ใหกลายเปน NAD+ ปรากฏวาการเปลยนกรดไพรวกใหกลายเปนกรดพรอพออนก สามารถทาให NADH ปลดปลอย H+ ไดดงน

CH3COCOOH + 2NADH + ADP + P →

CH3CH2COOH + 2NAD+ + ATP + H2O (2.7)


2-29

จะเหนไดวากรดไพรวกเพยง 1 โมลสามารถใชปลดปลอย H+ จาก NADH 2 โมล ซงไดจากการยอยสลายกลโคสในขนตอนแรกของปฏกรยาเฟอรเมนเตชน แตกลโคส 1 โมลใชผลตกรดไพรวกได 2 โมล จงยงมกรดไพรวกเหลออก 1 โมล ซงจะถกยอยสลายเปน Acetyl CoA ไปตามปกต ดงน

CH3COCOOH + NAD+ → CH3CoA + CO2 + NADH (2.8)

เมอถงขนตอนน กมปญหาในการฟนอานาจใหกบ NAD+ อกเหมอนเดม กลาวคอ ถาความดนพารเชยลของไฮโดรเจนมคาตา การปลดปลอย H+ จาก NADH กคงเปนวธปกต (ตามสมการ 2.2) แตถาความดนพารเชยลมคาสง การปลดปลอย H+ จะตองเกดขนควบคกบการเปลยน Acetyl CoA ใหเปนกรดอะซตก ดงน CH3CoA + NADH → CH3COOH + H2 + NAD+ (2.9)

เมอรวมสมการ (2.1), (2.3), (2.8) และ (2.9) เขาดวยกนจะไดสมการเฟอรเมน- เตชนทใชยอยสลายกลโคส 1 โมลภายใตบรรยากาศทความดนพารเชยลของไฮโดรเจนมคาสง ดงน

C6H12O6 + 3ADP + 3P →

CH3COOH + CH3CH2COOH + CO2 + H2 + 3ATP (2.10)


2-30

นนคอแตละโมลของกลโคสสามารถผลตกรดอะซตก 1 โมล กรดพรอพออนก 1 โมล คารบอนไดออกไซด 1 โมล ไฮโดรเจน 1 โมล และ ATP 3 โมล เมอเปรยบเทยบสมการท (2.6) และ (2.7) จะเหนไดวาการยอยแบบไมใชอากาศภายใตสภาวะทมความดนพารเชยลตา จะให ATP 4 โมลและผลตกรดอะซตก 2 โมล (ไมมกรดพรอพออนก เกดขน) แตถาความดนพารเชยลของไฮโดรเจนสง จะได ATP เพยง 3 โมล และสรางกรดอะซตกและพรอพออนก อยางละ 1 โมล

2.5 บทบาทของไฮโดรเจนทมตอกระบวนการยอยไมใชอากาศ เปนททราบกนอยางแนนอนแลววา ขนตอนตางๆ ของการยอยไมใชอากาศมการผลตไฮโดรเจน เกดขนตลอดเวลา ไฮโดรเจนเกดขนจากปฏกรยาปลดปลอย H+

ของโคเอนไซม NADH ดงน NADH + H+ → NAD+ + H2 (2.11)

ปฏกรยาขางตนเปนการฟนอานาจของ NAD+ เพอใชเปนพาหะของอเลกตรอนในปฏกรยารดอกซ

NAD+ + 2e- + H+ → NADH (2.12) ในสภาวะทความดนพารเชยลของไฮโดรเจนมคาตา H2 ในสมการ (2.10) จะสามารถหนจากนาขนสบรรยากาศภายในถงยอย เปนผลใหปฏกรยา (2.11) สามารถเกดขนจากซายไปขวาไดตลอดเวลาปฏกรยาเชนนจงเกดขนไดเอง ดงนน


2-31

จะเหนไดวา การถายเทอเลกตรอนของปฏกรยายอยไมใชอากาศจะม H2 เกดขนพรอมๆ กน หากปฏบตการไมใชอากาศสามารถทางานไดอยางมประสทธภาพแลว ไฮโดรเจนทเกดขนจะถกใชผลตมเทนโดยอาศยแบคทเรยสรางมเทนทเรยกวา Hydrogen Utilizer หรอผบรโภคไฮโดรเจน 4H2 + H2CO3 → CH4 + 3H2O (2.13)

การสะสมตวของไฮโดรเจนจงไมเกดขน ความดนพารเชยลของไฮโดรเจนจงมคาตาตลอดเวลา อยางไรกตาม ถาการทาลายไฮโดรเจนมไดเกดขนอาจเปนเพราะไมมแบคทเรยผบรโภคไฮโดรเจนหรอเพราะเหตอนๆ ไฮโดรเจนละลายจะสะสมตวมากขนจนถงจดอมตวและทาใหความดนพารเชยลสงขน สภาพเชนนมผลกระทบตอปฏบตการไมใชอากาศ 2 อยางคอ ผลกระทบตอการสรางกรดไขมนระเหยและผลกระทบตอการสรางกรดอะซตกจากกรดพรอพออนก

2.5.1 ผลกระทบตอการสรางกรดไขมนระเหย เมอไฮโดรเจนละลายนามากจนมความดนพารเชยลสง ปฏกรยา (2.11) จะไมสามารถเกดขนไดเองเนองจาก H2 ทเกดขนไมสามารถหนจากปฏกรยา (2.11) นนคอ NADH ไมสามารถปลดปลอย H+ ไดดวยวธปกต แบคทเรยจงจาเปนตองใชวธอนในการปลดปลอย H+ จาก NADH ใหกลบคนเปน NAD+ ใหม นกวจยพบวาการปลดปลอย H+ ของNADHสามารถเกดขนควบคกบปฏกรยาออกซเดชนของกรดไพรรวกใหกลายเปนกรดพรอพออนก ดงน


2-32

CH3COCOOH+2NADH+ADP+P →

CH3CH2COOH+2NAD++ATP+H2O (2.14)

ปฏกรยาขางตนเกดขนไดภายใตสภาวะทความดนพารเชยลของไฮโดรเจนมระดบสงกวา 2x10-3 บรรยากาศ (เทากบไฮโดรเจนละลายนา 4 x 10-3 มก./ล.) อนง ถาความดนพารเชยลของไฮโดรเจนมระดบตา กรดไพรวกจะถกออกซไดซกลายเปนกรดอะซตก

2CH3COCOOH + NAD+ + 2ADP +2P →

2CH3COOH+2ATP+2NADH +2CO2 (2.15)

2.5.2 ผลกระทบตอการสรางกรดอะซตก หากมกรดพรอพออนกเกดขนในระหวางการยอยไมใชอากาศ กรดพรอพออนกจะตองถกเปลยนเปนกรดอะซตกกอนจงจะใชสรางมเทนได ปฏกรยาชวเคมจะเปนดงน

CH3CH2COOH + 2 H2O → CH3COOH + CO2 + 3H2 (2.16)

จะสงเกตไดวามไฮโดรเจนเกดขนดวย หากไมสามารถกาจดไฮโดรเจนทเกดขนได ปฏกรยากจะหยดและไมสามารถเปลยนกรดไพรไพโอนคใหเปนกรดอะซตก นกวจยรายงานวา ปฏกรยา (2.16) สามารถเกดขนได หากความดนพารเชยลของไฮโดรเจนมคาไมเกน 9 x10-3 บรรยากาศ หากความดนพารเชยลของไฮโดรเจนม


2-33

คาสงกวา 9x10-3 บรรยากาศ จะมกรดพรอพออนกสะสมตวอยในระบบเนองจากไมสามารถเปลยนเปนกรดอะซตก ในทานองเดยวกนถาความดนพารเชยลของไฮโดรเจนตากวา 2x10-3 บรรยากาศ กรดบวไทรกสามารถเปลยนเปนกรด อะซตกไดดงน

CH3CH2CH2COOH + 2H2O →

2 CH3COOH + 2H2 (2.17)

ปฏกรยา (2.17) จะไมเกดขน หากความดนพารเชยลของไฮโดรเจน เกน 2x10-3

บรรยากาศการสะสมตวของกรดพรอพออนก หรอกรดไขมนระเหยตางๆ จะทาใหพเอชของระบบมคาตาลง จนกระทงอยในสภาวะทไมเหมาะสมสาหรบการเจรญเตบโตของแบคทเรย นอกจากน นกวจยยงพบวา กรดพรอพออนกเปนพษตอแบคทเรยไมใชอากาศอกดวย

2.6 ปจจยสภาวะแวดลอมทมผลตอการทางานของแบคทเรยสรางมเทน 26.1 อณหภม ชวงอณหภมทเหมาะสมตอการเจรญเตบโตของแบคทเรยในกระบวนการไมใชอากาศมอย 2 ชวง คอ

- ชวง 8 – 45°C เรยกวา เมโซฟลก (mesophilic) - ชวง 40 – 70°C เรยกวา เทอรโมฟลก (thermophilic)


2-34

ตามปกตแลว เมออณหภมเพมขน อตราการเกดปฏกรยาเคมและการทางานของเอนไซมภายในเซลลจะเรวขน อตราการเจรญเตบโตกเพมขน แตอณหภมทเพมขนถาเพมสงเกนกวาทเซลลทางานได โปรตน กรดนวคลอก และสวนประกอบของเซลลหลายสวนจะถกทาลายจนไมอาจกลบคนสภาพได การเพมขนของอณหภมจงเพมการเจรญเตบโตและการทางานของเซลลไดจนถงอณหภมหนง เมออณหภมสงกวานน การทางานและการเจรญเตบโตจะลดลงเปนศนยอยางรวดเรวมาก (ดรปท 2.10)

รปท 2.10 ผลของอณหภมทมตออตราการเจรญเตบโตของเซลล

(Rittmann และMcCarty 2001)


2-35

2.6.2 พเอช จลนทรยแตละชนดสามารถเจรญเตบโตไดในชวงพเอชชวงหนง คาพเอชทสามารถเจรญเตบโตไดดทสดกจะอยในชวงน จลนทรยสวนใหญมกมคาพเอชทเหมาะสมอยในชวงพเอช 5–10 เพราะสภาพแวดลอมสวนใหญในธรรมชาตมกมพเอชอยในชวง 5–10 จลนทรยทเจรญเตบโตไดทพเอชตากวา 5 เรยกวา Acidophiles เชน ราและแบคทเรยบางชนด สวนพวกทเจรญเตบโตไดทพเอช 10–11 เรยกวา Alkaliphiles พเอชทเหมาะสมตอกระบวนการไมใชอากาศควรอยระหวาง 6.8–7.2 ซงเปนคาทเหมาะสมตอการทางานของแบคทเรยสรางมเทน ถาพเอชนอยกวา 6.2 ประสทธภาพของระบบจะลดลงอยางรวดเรว

2.6.3 กรดไขมนระเหยและสภาพดาง โดยปกต กรดไขมนระเหย (VFA)ในถงบาบดนาเสยแบบไมใชอากาศททางานไดดควรมคาประมาณ 20-200 มก.กรดอะซตกตอลตร กรดไขมนระเหยทสะสมจนมความเขมขนสงกวาระดบทกลาวแสดงวาระบบมแบคทเรยสรางมเทนนอยเกนไปหรอแสดงวาแบคทเรยสรางกรดผลตกรด VFA ไดเรวเกนไป กรดไขมนระเหยทเพมขนอยางรวดเรวจะเปนสญญาณวาระบบกาลงเสยสมดล เพราะทาใหพเอชลดลงจนไมอยในชวงทเหมาะสมของแบคทเรยทอยในระบบไมวาจะเปนแบคทเรยสรางมเทนหรอแบคทเรยสรางกรด แมวาแบคทเรยสรางกรดจะทนตอกรดทผลตขนไดมากกวาแบคทเรยสรางมเทนกตาม สงเกตไดจากแบคทเรยสรางกรดสามารถอยไดในชวงพเอชทกวางกวา ดงนนสภาพดางจงแสดงถงกาลงบฟเฟอรของระบบซงจะรกษาระบบใหมพเอชคอนขางคงทและทนตอการเปลยนแปลงของกรดไขมนระเหยได โดยทวไปกระบวนการไมใชอากาศควรมสภาพดาง (Alkalinity) ประมาณ 1,500–2,000 มก./ล.สาหรบยอยสลดจหรอนาเสยเขมขน ปรมาณสภาพดางทพอเพยงขนอยกบความเขมขนของซโอดทยอยสลายได


2-36

นอกจากจะดสภาพดางแลว ยงตองพจารณาอตราสวนของกรดไขมนระเหยในรปกรดอะซตกตอสภาพดางดวย โดยคาอตราสวนกรดไขมนระเหยตอสภาพดางนอยกวา 0.4 ถอไดวาระบบยงทางานไดด แตถาอตราสวนกรดไขมนระเหยตอสภาพดางสงกวา 0.8 แลว แสดงวาระบบมบฟเฟอรตา ควรหาสาเหตททาใหอตราสวนสงขนและแกไข เพราะพเอชมแนวโนมลดลงจนระบบอาจลมเหลวได

2.6.4 ธาตอาหาร (nutrient) ถงแมวาเซลลของแบคทเรยทสรางขนมาในกระบวนการไมใชอากาศจะมนอยกวาแบบใชออกซเจน แตจากอตราสวนคารบอนตอไนโตรเจนตอฟอสฟอรสตอซลเฟอร (C:N:P:S) ในเซลลมคาประมาณ 100:10:1:1 จงจาเปนตองรกษาอตราสวนนไวไมใหนอยกวาน จลนทรยจงตองการอาหารเสรมนอกเหนอจากคารบอน เชน ไนโตรเจนและฟอสฟอรส ซงอตราสวนระหวางบโอดตอไนโตรเจนตอฟอสฟอรสอยางนอยควรมคาเทากบ 100:1:0.2 (McCarty 1964) สาหรบกระบวนการไมใชอากาศ นอกจากนยงมธาตบางอยางทแบคทเรยสรางมเทนตองการในปรมาณนอยแตขาดไมได ไดแก เหลก โคบอลต นกเกล และซลเฟอร นอกจากนยงมรายงานถงความตองการธาตอก 3 ชนด คอ โมล บ ด น ม , ท ง ส เ ต น แ ล ะ เซเลเนยม แตยงไมมขอยนยนอยางแนนอนเหมอนอก 4 ธาตขางตน • เหลกและโคบอลต เหลกเปนธาตอาหารทละลายนาไดนอยและสามารถรวมกบซลไฟดในระบบแยกตวออกจากนา ตกตะกอนผลกในรปของเหลกซลไฟด ทาใหอาจเกดปญหาการจากดของเหลกได สวนโคบอลตมความสามารถในการละลายนาไดดกวา แตกอาจเกดปญหาเดยวกนได


2-37

• นกเกล นกเกลเปนสวนประกอบสาคญของโคเอนไซม F430 ซงเปนหนงในโคเอนไซมสาคญตอแบคทเรยสรางมเทน ซงไดแก โคเอนไซม F420, F430 และ 2-Mercaptoethane Sulfonic Acid โดยปกตแลวนกเกลเปนมลทนทตดอยใน Yeast Extract และในเกลอแรอนๆ ทาใหแบคทเรยสรางมเทนไดรบนกเกลโดยไมไดตงใจ อยางไรกตามนกเกลอาจรวมกบซลไฟดและตกผลกไดเชนเดยวกบผลกเหลก จงอาจมความจาเปนตองเตมนกเกลบางในกรณทไมมหรอมนกเกลไมเพยงพอ • ซลไฟด บทบาทของซลไฟดทมตอระบบไมใชอากาศมทงเชงบวกและเชงลบ ซลไฟดมผลเสยตอแบคทเรยสรางมเทนเนองจากสามารถตกผลกเหลก นกเกลและโลหะหนกทจาเปนตางๆ นอกจากนซลไฟดในรปกาซไฮโดรเจนซลไฟดทระดบความเขมขนสงกวา 100–150 มก./ล. เปนพษตอแบคทเรยสรางมเทน (มนสน ตณฑลเวศม, 2536) แตอยางไรกด ซลไฟดในปรมาณเพยงเลกนอยกเปนสารทจาเปนและขาดไมไดสาหรบแบคทเรยสรางมเทน เมอวเคราะหเซลลของแบคทเรยสรางมเทนปรากฏวาพบซลไฟดสงถง 2.6 เปอรเซนตของนาหนกแหงทงหมด ในขณะทโคเอนไซม 2-Mercaptoethane Sulfonic Acid มซลไฟดเพยง 4 เปอรเซนตของทพบทงหมด ดงนนซลไฟด 2.6 เปอรเซนตนตองเปนสวนประกอบทสาคญของแบคทเรย ความตองการซลไฟดของแบคทเรยสรางมเทนอาจแปรเปลยนอยในชวง 1–25 มก./ล. ซงปรมาณซลไฟดในนาทแบคทเรยนาไปใชไดจะถกกาหนดโดยพเอชและความดนพารเชยลของกาซไฮโดรเจนซลไฟดในบรรยากาศเหนอนาของถงปฏกรณ


2-38

2.6.5 สารพษ สารทเปนพษตอแบคทเรยในระบบไมใชอากาศโดยเฉพาะแบคทเรยสรางมเทนมอยหลายชนด ระดบความรนแรงขนอยกบชนดและความเขมขนของสารเหลานน สารทเปนพษบางตวเปนสารอาหารทจาเปนแตตองมปรมาณพอเหมาะ ถามปรมาณมากเกนไปจะกลายเปนพษได • พษของอออนบวก อออนบวกในนาเสยทอาจเปนพษตอแบคทเรยได ไดแก โซเดยม, โปแตสเซยม, แมกนเซยมและแคลเซยมอออนเหลานถามความเขมขนทพอเหมาะจะเปนประโยชนตอแบคทเรย แตถาความเขมขนสงเกนไปกจะเรมเปนพษตอแบคทเรย โดยอออนบวกทมวาเลนซสงจะมความเปนพษมากกวาอออนทมวาเลนซตา ซงพษจากอออนของแมกนเซยมและแคลเซยมมมากกวาโซเดยมและโปแตสเซยมถง 10 เทา ดงนนพษของอออนบวกจงเพมขนเมอวาเลนซสงขน แตความเขมขนของอออนบวกททาใหเกดการยบยงการผลตมเทนยงไมเปนทแนนอนวาเกดขน ณ ความเขมขนเทาใด มรายงานถงความเขมขนของโซเดยมททาใหเกดการยบยงการผลตมเทนท 50 เปอรเซนตอยเปนจานวนมาก โดยคาความเขมขนในงานเหลานนมคาอยระหวาง 6 – 40 ก./ล.

• โลหะหนก โลหะหนกทอาจเปนพษตอแบคทเรย ไดแก แมงกานส, สงกะส, แคดเมยม, นกเกล, โคบอลต, ทองแดง และโครเมยม โลหะหนกเหลานจะอยในรปอออน พบวาลาดบความเปนพษของโลหะหนกจะเรยงตามลาดบดงน คอ ทองแดง,


2-39

เหลก, แคดเมยม และสงกะส แตความเปนพษของโลหะหนกลดลงไดถานาเสยมปรมาณซลไฟดพอเหมาะ เพราะสามารถรวมกบโลหะหนกเกดเปนโลหะซลไฟดซงสามารถตกตะกอนได • พษของแอมโมเนย แอมโมเนยในระบบบาบดนาเสยแบบไมใชอากาศมาจากการยอยสลายสารพวกโปรตน ซงมไนโตรเจนรวมอยในโมเลกลดวย โดยไนโตรเจนทปลอยออกมาจะอยในรปแอมโมเนยและแอมโมเนยมอออน ดงสมการ

NH4+ ↔ NH3 + H+

ถาพเอชตากวา 7.2 ปฏกรยาจะดาเนนไปทางซาย ถาพเอชมากกวา 7.2 ปฏกรยาจะดาเนนไปทางขวา ดงนนทพเอชสงขนกจะมแอมโมเนยอยในระบบมากขน แอมโมเนยจะเปนพษตอแบคทเรยไมใชอากาศมากกวาแอมโมเนยมอออน ผลของแอมโมเนยไนโตรเจนตอระบบบาบดนาเสยแสดงไดดงตารางท 2.3

ตารางท 2.3 ผลของแอมโมเนยไนโตรเจนทมตอ ระบบบาบดนาเสยแบบไมใชอากาศ (McCarty, 1964)

แอมโมเนย (มก.N/ล.) ผลตอระบบ

50 – 200 ปรมาณพอเหมาะ 200 – 1,000 ยงไมเกดผลเสย

1,500 – 3,000 เรมยบยงเมอพเอชสง มากกวา 3,000 เปนพษโดยตรง


2-40

2.6.6 พษของซลไฟด ถาปรมาณของซลไฟดในระบบมความเขมขนถงระดบหนง ซลไฟดจะเปนพษตอแบคทเรยสรางมเทน ไมวาซลไฟดนนจะมาจากนาเสยทเขาระบบหรอการยอยสลายของซลเฟตกตาม ทงนขนอยกบปรมาณอออนบวกในระบบดวย เพราะถาในระบบมโลหะหนก ซลไฟดจะรวมตวกบโลหะหนกแลวตกตะกอนผลกลงมา ทาใหความเขมขนของซลไฟดลดลงได ระดบความเขมขนของซลไฟดทเปนพษตอแบคทเรยสรางมเทนแสดงดงตารางท 2.4

2.6.7 พษจากสารอน ๆ สารพษอนๆทมอยในนาและอาจทาใหเกดการยบยงกระบวนการผลตมเทน ไดแก ออกซเจน - เปนพษอยางมากแมจะมปรมาณเพยงเลกนอย เพราะจะทาการแตกของโมเลกลของเอนไซม F420 Dehydrogenase สารรบอเลกตรอนอน เชน ไนเตรท หรอซลเฟต ถามอยในปรมาณมากจะทาใหผลตกาซมเทนไดลดลง เนองจากเสนทางการไหลของอเลกตรอนกจะเปลยนไป ทงนเพราะแบคทเรยทใชไนเตรทหรอซลเฟตไดพลงงานมากกวาจากการรดวซคารบอนไดออกไซด และมอตราการเจรญเตบโตทสงกวา ทาใหสารอนทรยสวนหนงถกใชโดยแบคทเรยกลมอน แบคทเรยสรางมเทนจงใชสารอนทรยไดลดลง


2-41

ตารางท 2.4 ไฮโดรเจนซลไฟดและความเขมขนของซลไฟดทงหมดททาใหเกดการยบยง การผลตมเทนจากกรดอะซตกท 50 เปอรเซนต (Visser 1994)

ลกษณะเชอ พเอช อณหภม

( °ซ )

ไฮโดรเจนซลไฟด (มก./ล.)

ของแขงทงหมด (มก./ล.)

แขวนลอย 6.5-7.4 30 100 - 7.7-7.9 125 - 6.3-6.4 55 18 33 7.1-7.2 21 78 7.9-8.0 24 400

เปนเมด 6.4-6.6 30 246 357 7.0-7.2 252 810 7.8-8.0 50 841 6.3-6.4 55 54 81 7.1-7.2 75 338 7.9-8.0 24 450

สารเคมบางชนด เชน 2-Bromoethanesulfonic Acid (BES; BrCH2CH2SO3) ขดขวางการทางานของแบคทเรยสรางมเทน เนองจากมลกษณะสมบตคลายกบ โคเอนไซมเอม, สารพวก Chlorinated Methanes อยางคลอโรฟอรมหรอคารบอนเตตระคลอไรด, สารทมพนธะระหวางคารบอนอะตอมสองตวทไมอมตว อยาง อะเซตลน หรอเอธลน, Corrinoid Antagonists และ Monensin เปนตน


3-1

บทท 3 จลชววทยาและชวเคมของกระบวนการไนเตรทรดกชน

3.1 แบคทเรยดไนตรฟายเออร (Denitrifier Bacteria) กระบวนการดไนตรฟเคชน (Denitrification) คอ กระบวนการทางเคมทใช ไนเตรทเปนสารรบอเลกตรอนตวสดทายและไดผลตภณฑเปนกาซไนโตรเจน แบคทเรยดไนตรฟายเออรพบอยในทกกลมของแบคทเรย แตสวนใหญอยในกลมแบคทเรยเคโมเฮเทโรทรอพ (Chemoheterotroph) เกอบทงหมด ดารงชวตอยและเจรญเตบโตโดยไดรบพลงงานจากการยอยสลายสารอนทรย โดยใชออกซเจนเปนสารรบอเลกตรอนตวสดทายในกรณทมออกซเจน และใชไนเตรทแทนออกซเจนในกรณทไมมออกซเจน จงจดเปนแบคทเรยทอยไดทงสภาวะทมหรอไมมอากาศ อยางไรกตาม นอกเหนอจากไนเตรทแลว ยงพบวาในกรณทไมมท งออกซ เจนและไนเตรท แบคท เรยดไนตรฟายเออรบางชนดสามารถเจรญเตบโตโดยใชเหลกเฟรค (Fe3+) เปนสารรบอเลกตรอนตวสดทายแทนไนเตรทไดดวย นอกจากนนแบคทเรยดไนตรฟายเออรทอยในกลมเคโมลโท

ทรอพ (Chemolithotroph) สามารถใชซลเฟอร (HS-, S), เหลกเฟรส (Fe2+) หรอ ไฮโดรเจนเปนแหลงพลงงานโดยใชไนเตรทเปนสารรบอเลกตรอนตวสดทายไดอกดวย ดไนตรฟายเออรทกตวจดอยในกลม Facultative Aerobes ซงหมายความวาสามารถหายใจดวยออกซเจน แตถาไมมออกซเจนกสามารถหายใจดวยไนเตรท หรอไนไตรท แบคทเรยกลมนมกอยในตระกล Gram Negative Proteobacteria เชน Pseudomonas, Alcaligenes และ Thiobacillus อยางไรกตาม แบคทเรยใน


3-2

กลม Gram Positive รวมทง Bacillus กสามารถหายใจดวยไนเตรทได รวมทงแบคทเรยอารเค (Archaea) ซงเปนแบคทเรยดกดาบรรพ เชน Halobacterium กหายใจดวยไนเตรทไดเชนกน แสดงวาแบคทเรยดไนตรฟายเออรมหลากหลายชนด

แบคทเรยในกลม Pseudomonas และกลม Alcaligenes ถอเปนแบคทเรยดไนตร-ฟายเออรทพบมากทสดในธรรมชาต เชน ในดนและตะกอนกนบอ ตารางท 3.1 เปนรายชอแบคทเรยตางๆทพบวาสามารถหายใจดวยไนเตรทได

3.2 ชวเคมของปฏกรยาดไนตรฟเคชน 3.2.1 วถชวเคมของปฏกรยาดไนตรฟเคชน ไนเตรทเปนสารรบอเลกตรอนทพบไดสามญทสดชนดหนงของสภาวะไมใชอากาศ ภายใตปฏกรยารดกชน ไนเตรท (NO3) จะกลายเปน N2O, NO และ N2 ซง

ลวนแตเปนกาซทสญหายไปในอากาศ ปฏกรยารดกชนทเปลยนไนเตรทเปนกาซเรยกวา ดไนตรฟเคชน (Denitrification)

ในการเปลยนแปลงจากไนเตรทจนกลายเปนกาซไนโตรเจน เอนไซมทเกยวของกบดไนตรฟเคชน 4 ชนด คอ

Nitrate reductase (NaR) เปลยน NO3 ใหกลายเปน NO2

Nitrite reductase (NiR) เปลยน NO2 ใหกลายเปนกาซ NO

Nitric Oxide reductase (NOR) เปลยน NO ใหกลายเปนกาซ N2O

Nitrous Oxide reductase (N2OR) เปลยน N2O ใหกลายเปนกาซ N2


3-3

ตารางท 3.1 รายชอของแบคทเรยดไนตรฟายเออร

ชอจนส ตวอยาง

Achromobacter เดยวนเรยกวา Alcaligenes รวม Denitrifying Methane Oxidizer

Alcaligenes Alcaligenes faecalis, Alcaligenes eutrophus, Alcaligenes denitrificans , Alcaligenes odorans Pseudomonas P.aerogenes,P.aureofaciens,P.caryophylli, P.chlororaphis, P.denitrificans ,

P.fluorescens ,

P.lemoignei ,P.mallei , P.mendocina, P.perfectomarinus , P.picketti, Pstutzeri, P.pseudoalcaligenes, P.pseudomallei , P.solonacearum

Spirillum Spirillum lipoferum ,Spirillum psychrophilum Bacillus Bacillus Azotofomans, Bacillus licheniformis Chromobacterium Chromobacterium lividum, Chromobacterium violaceum Corynebacterium Corynebacterium nephridii Flavobacterium Halobacterium Halobacterium marismortui Hyphomicrobium Hyphomicrobium vulcare Neisseria Neisseria sicca, Neisseria flavescens, Neisseria subflavo ,

Neisseria mucosa Paracoccus

(Micrococcus) P.halodenitrificans

Thiobacillus Thiobacillus denitrificans


3-4

แบคทเรยหลายชนด (ดงกลาวในหวขอ 3.1) มบทบาทในปฏกรยาดไนตรฟเคชน แตละชนดมจานวนเอนไซมไมเทากน แบคทเรยทมเอนไซมเฉพาะทาหนาทในขนตอนของปฏกรยาตามชนดเอนไซมทมอย เอนไซมตวแรกคอ Nitrate Reductase มบทบาทในขนตอนท 1 เปลยนไนเตรทใหเปนไนไตรท (NO2) เอนไซมตวนเปนโปรตนทมโลหะหนกโมลบดนมเปน

แกนกลาง การเปลยนไนไตรทเปนไนตรกออกไซดจะตองอาศยเอนไซม NiR ปฎกรยาเกดขนเปนขนตอนทละขน ดงแสดงในสมการขางลางน

NO3- + 2e- + 2H+ = NO2- + H2O Nitrate Reductase

NO2- + e- + 2H+ = NO + H2O Nitrite Reductase

NO + e- + H+ = 0.5N2O + 0.5H2O Nitric Oxide Reductase

0.5N2O + e- + H+ = 0.5N2 + 0.5H2O Nitrous Oxide Reductase

NO3- + 5e- + 6H+ = 0.5N2 + 3H2O

จะเหนไดวา ปฏกรยารวมมการรบอเลกตรอนทงหมด 5 ตวตอ 1 ไนโตรเจน ขนตอนแรกรบอเลกตรอน 2 ตวซงมากทสด ขนตอนอนๆ รบ 1 อเลกตรอนตอไนโตรเจน 1 อะตอม


3-5

3.2.2 สารใหอเลกตรอน ดไนตรฟายเออรทถกนามาใชประโยชนในเทคโนโลยชวภาพสงแวดลอม จดเปนคโมทรอพ (Chemotroph) ทสามารถใชสารใหอเลกตรอนทเปนสารอนทรย (เชน BOD) หรอใชสารอนนทรย เชน H2 หรอซลเฟอร (รปรดวซ)

ขอมลรดอกซของปฏกรยาดไนตรฟเคชนแสดงอยในตารางท 3.2

ตารางท 3.2 ขอมลรดอกซของปฏกรยาดไนตรฟเคชน

สารให สารรบ แหลง สมการรดอกซ อเลกตรอน อเลกตรอน คารบอน

BOD NO3- BOD 5CH3COOH + 8NO3-+ 4H2O →

4N2 + 10H2CO3 + 8OH-

H2 NO3- CO2 5H2 + 2NO3- → N2 + 4H2O + 2OH-

S NO3- CO2 5S + 6NO3- + 2H2O → 3N2 + SO42- + 4H+

สารอนทรยเปนสารใหอเลกตรอนทพบมากทสด ดไนตรฟายเออรทบรโภคสารอนทรยจะเปนแบคทเรยทพบไดเปนประจาในถงเตมอากาศของระบบเอเอส แบคทเรยกลมนมกเปน Heterotroph ทมชอวา Proteobacteria

3.2.3 ทอยอาศยของดไนตรฟายเออร เนองจากดไนตรฟายเออรพบอยในทกกลมของแบคทเรย และมวถเมตาบอลกทหลากหลาย จงพบดไนตรฟายเออรไดทกแหง เชน ในดน, ตะกอนกนบอ, นาผวดน, นาใตดน, ระบบบาบดนาเสย เปนตน


3-6

3.2.4 บทบาทของออกซเจนละลาย (DO) ดไนตรฟายเออรจะหายใจดวยไนโตรเจนไดหรอไม ขนอยกบ ความเขมขนของ DO ในนา กลไกในการควบคมดไนตรฟเคชนของ DO ม 2 อยางคอ • ยบยงการสรางเอนไซม Nitrogen Reduction • ชะลอหรอยบยงปฏกรยารบอเลกตรอน กลไกแรกเกดเมอ DO มคาสงกวา 2.5-5 มก./ล. กลไกนมผลทาใหไมเกดปฏกรยาดไนตรฟเคชน สวนกลไกหลงมความไวตอ DO สงมาก ระดบความเขมขนตาถง 0.1 มก./ล. กมผลตอการถายเทอเลกตรอนซงมความหมายวา ปฏกรยาดไนตรฟเคชนยงเกดไดแตไมสมบรณ บทบาทของ DO ขางตน ทาใหพบวาปฏกรยาดไนตรฟเคชนสามารถเกดขนไดในนาทม DO สงถง 2 มก./ล. หรอมากกวา เนองจากในกรณดงกลาวมดไนตรฟายเออรอาศยอยภายในฟลอค หรอฟลมชวภาพซงออกซเจนเขาไมถงภายใน ปฏกรยาดไนตรฟเคชนจงเกดขนภายในฟลอค หรอฟลมชวภาพได (กรณน กลาวไดวา Microenvironment ของดไนตรฟายเออรมออกซเจนละลายตาทงๆทสภาวะแวดลอมในนาภายนอกในฟลอค หรอฟลมชวภาพมออกซเจนละลายสงกวามาก) ในกรณทสารใหอเลกตรอนมปรมาณนอยเกนไป ปฏกรยาจะเกดไมสมบรณ การ

รบอเลกตรอนอาจหยดอยท NO2- หรอ Intermediate เนองจากไมม e- มาสงให

NO2- เพอเปลยนเปนไนโตรเจน ในกรณทม DO สงเกนไป ปฏกรยากจะเกดไม

สมบรณ เชน การสะสมของ Internediate จะเกดขนเหมอนกรณแรก DO ทสง


3-7

เกนไปจะยบยงการทางานของเอนไซมทเปลยนแปลง NO2- และ NO กอนทจะม

การยบยงการเปลยนแปลง NO3- เปน NO2- เกดขน

3.2.5 บทบาทของพเอช ดไนตรฟายเออรไมไวตอการเปลยนแปลงของคาพเอช ระดบพเอชทไมเหมาะสม

มผลทาใหปฏกรยาดไนตรฟเคชนเกดไดไมสมบรณ การสะสมของ NO2- หรอ

Intermediate อน จงอาจพบไดในกรณทสภาวะแวดลอมมพเอชอยนอกชวง 7-8


4-1

บทท 4 จลชววทยาและชวเคมของกระบวนการซลเฟตรดกชน

4.1 จลชววทยาของแบคทเรยรดวซซลเฟต สงมชวตหลายชนดในธรรมชาตทวๆ ไปไมวาจะเปนพชชนสง สาหราย รา และเซลลของพวกโปรคารโอตหลายชนดสามารถใชซลเฟตเปนแหลงซลเฟอรทใชในการสรางเซลล แตความสามารถในการใชซลเฟตเปนสารรบอเลกตรอนจากดอยแตในแบคทเรยรดวซซลเฟตเทานน แบคทเรยรดวซซลเฟตเปนแบคทเรยไมใชอากาศชนดเดดขาด (Desulfovibrio คอนขางจะทนตอออกซเจนและแบคทเรย รดวซซลเฟตบางสวนสามารถรดวซไนเตรทเปนแอมโมเนยไดดวย) จดอยในกลมของแบคทเรยชนดเคโมเฮเทโรทรอพ (Chemoheterotroph) ดารงชพและเจรญเตบโตโดยไดรบพลงงานจากปฏกรยาทางเคมในการยอยสลายสารอนทรย ลกษณะเดนของแบคทเรยกลมนคอ ความสามารถในการรดวซซลเฟตทาใหซลเฟตเปลยนไปอยในรปของซลไฟด เนองจากแบคทเรยรดวซซลเฟตจะใชซลเฟตเปนสารรบอเลกตรอนตวสดทายในการออกซไดสไฮโดรเจนโมเลกลหรอสารประกอบอนทรยหลายชนด ในกรณทสารใหอเลกตรอนคอโมเลกลไฮโดรเจนหรออะซเตท ขนตอนดงกลาวนจดเปนขนตอนสดทายของกระบวนการยอยสลายแบบไมใชอากาศเชนเดยวกบขนตอนการสรางมเทนตามปกต ดงนนในกระบวนการบาบดนาเสยทมซลเฟตแบบไมใชอากาศจงมกจะพบแบคทเรยรดวซซลเฟต อยรวมกบแบคทเรยสรางกรดอนทรยระเหยและแบคทเรยสรางมเทนอยเสมอ


4-2

ในการแบงกลมของแบคทเรยรดวซซลเฟตอยางกวางๆ ตามความสามารถในการยอยสลายสารอนทรยเพอการดารงชพและเจรญเตบโต สามารถแบงออกไดเปน 2 กลม คอ

• แบคทเรยรดวซซลเฟตชนดยอยสลายสารอนทรยไดไมสมบรณ (Incompletely Oxidizing Sulfate Reducing Bacteria; I-SRB) โดยสารอนทรยทเหลอจากการยอยสลายกคอ อะซเตท

• แบคทเรยรดวซซลเฟตชนดยอยสลายสารอนทรยไดอยางสมบรณ (Completely Oxidizing Sulfate Reducing Bacteria; C-SRB)

แบคทเรยรดวซซลเฟตสามารถใชสารอาหารไดหลายชนด ซงจะตางกบแบคทเรยสรางมเทนตรงทสามารถใชสารอนทรยทมคารบอนอะตอมมากกวา 1 อะตอมได แตไมสามารถใชสารอนทรยกลมเมทลได ตวอยางของสารอนทรยทเปนสารอาหารและปฏกรยาการยอยสลายสารอนทรยโดยแบคทเรยรดวซซลเฟตแสดงดงตารางท 4.1 เนองจากแบคทเรยกลม I-SRB ไดอะซเตทเปนผลตภณฑจากการยอยสลายสารอนทรยและไมสามารถนาอะซเตทไปใชไดแมจะเปนสารอาหารทมอยเพยงประเภทเดยวกตาม มสาเหตเนองมาจาก I-SRB ขาดกลไกทเกยวของกบการจดการเอนไซมบางชนดทมบทบาทตอการยอย อะซเตทนนเอง อยางไรกตาม I-SRB อาจใชอะซเตทเปนแหลงคารบอนไดเมอสารใหอเลกตรอนคอไฮโดรเจนหรอฟอรเมท ขอแตกตางอกประการหนงของแบคทเรยรดวซซลเฟตทงสองกลมนคอ แบคทเรยกลม I-SRB มอตราการเจรญเตบโตทเรวกวากลม C-SRB เมออยในภาวะทเหมาะสมตอการเจรญเตบโตของแบคทเรยทงสองกลม


4-3

ตารางท 4.1 ตวอยางปฏกรยาการยอยสลายสารอนทรยของ I-SRB และ C-SRB (Widdel, 1988)

ลาดบท

สารใหอเลกตรอน

ประเภท แบคทเรย

ปฏกรยาซลเฟตรดกชน

1 ไฮโดรเจน ฟอรเมท

I-SRB และ C-SRB

4H2 + SO42- + H+ → 4H2O + HS-

2 อะซเตท C-SRB CH3COO- + SO42- → 2HCO3- + HS-

3 พรอพออเนท C-SRB 4CH3CH2COO- + 7SO42- → 12HCO3- + 7HS- + H+

I-SRB 4CH3CH2COO- + 3SO42- →

4CH3COO- + 4HCO3- + 3HS- + H+

4 บวทเรต C-SRB 2CH3(CH2)COO- + 5SO42- → 8HCO3- + 5HS- + H+

I-SRB 2CH3(CH2)COO- + SO42- → 4CH3COO- + HS- + H+

5 แลกเตท C-SRB 2CH3CHOHCOO- + 3SO42- → 6HCO3- + 3HS- + H+

I-SRB 2CH3CHOHCOO- + SO42- →

2CH3COO- + 2HCO3- + HS- + H+

6 เบนโซเอต C-SRB 4C6H5COO- + 15SO42- + 16H2O →

28HCO3- + 15HS- + 9H+

I-SRB 4C6H5COO- + 3SO42- + 16H2O →

12CH3COO- + 4HCO3- + 3HS- + 9H+

C-SRB = SRBชนดยอยไดอยางสมบรณ I-SRB = SRBชนดยอยไดไมสมบรณ


4-4

ถาแบงแบคทเรยรดวซซลเฟตตามลกษณะทางสรระและสมบตในระดบโมเลกลสามารถแยกแบคทเรยรดวซซลเฟตออกไดเปน 2 กลมใหญๆ ดงแสดงในตารางท 4.2 ภาพตวอยางลกษณะของเซลลแบคทเรยรดวซซลเฟต สามารถดไดจากรปท 4.1-4.4

ตารางท 4.2 ลกษณะสมบตของแบคทเรยรดวซซลเฟต (Madigan และคณะ 1997)

จนส ลกษณะสมบต

กลมท 1:ไมบรโภคอะซเตท Desulfovibrio Polarly flagellated, curved rods, no spores; gram-

negative; contain desulfoviridin; twelve species, one thermophilic

Desulfomicrobium Motile rods, no spores; gram-negative; desulfoviridin absent; two species

Desulfobotulus Vibrios; gram-negative; motile; deslufoviridin absent; one species

Desulfotomaculum Straight or curved rods; motile by peritrichous or polar flagellation; gram-negative; desulfoviridin absent; produce endospores; four species, one thermophilic; one species capable of utilizing acetate as energy source

Desulfomonile Rod; capable of reductive dechlorination of 3-chlorobenzoate to benzoate

Desulfobacula Oval to coccoid cells, marine; can oxidize various aromatic compounds including the aromatic hydrocarbon toluene, to CO2; one species


4-5

ตารางท 4.2 ลกษณะสมบตของแบคทเรยรดวซซลเฟต (Madigan และคณะ 1997) (ตอ)

จนส ลกษณะสมบต Archaeoglobus Archaean; hyhyperthermophile, temperature

optimum, 83°C; contains some unique coenzymes of methanogenic bacteria, makes small amount of methane during growth; H2, formate, glucose, lactate, and pyruvate are electron donors, SO42-, S2O32-, or SO32-, electron acceptors; two species

Desulfobulbus Ovoid or lemon-shaped cells; no spores; gram-negative; desulfoviridin absent; if motile, by single polar flagellum; utilizes propionate as electron donor with acetate + CO2 as products; three species

Thermodusulfo-bacterium

Small, gram-negative rods; desulfoviridin present; thermophilic, optimum growth at 70°C

กลมท 2:บรโภคอะซเตท Desulfobacter Rods; no spores, gram-negative; desulfoviridin absent;

if motile, by single polar flagellum; utilizes only acetate as electron donor and oxidizes it to CO2 via the citric acid cycle; four species

Desulfobacterium Rods, some with gas vesicles, marine; capable of autotrhphic growth via the acety-CoA pathway; three species

Desulfococcus Spherical cells; nonmotile; gram-negative; desulfoviridin present, no spores; utilizes C1 to C14 fatty acid as electron donor with complete oxidation to CO2; capable of autotrophic growth via the acetyl-CoA pathway; two species


4-6

ตารางท 4.2 ลกษณะสมบตของแบคทเรยรดวซซลเฟต (Madigan และคณะ 1997) (ตอ)

จนส ลกษณะสมบต Desulfonema Large, filamentous gliding bacteria; gram-positive, no

spores; desulfoviridin present or absent; utilizes C2 to C12 fatty acids as electron donor with complete oxidation to CO2; capable of autotrophic growth via the acetyl-CoA pathway (H2 as electron donor); two species

Desulfosarcina Cells in packets (sarcina arrangement); gram-negative; no spores; desulfoviridin absent; utilizes C2 to C14 fatty acids as electron donor with complete oxidation to CO2; capable of autotrophic growth via the acetyl-CoA pathway (H2 as electron donor); one species

Desulfoarculus Vibrios; gram-negative; motile; desulfoviridin absent; utilizes only C1 to C18 fatty acids as electron donor

Desulfacinum Cocci to oval-shaped cells; gram-negative; utilizes C1 to C18 fatty acids, very nutritionally diverse, capable of autotrophic growth; thermophile

Desulforhabdus Rods; no spores; gram-negative; nonmotile; utilizes fatty acids with complete oxidation to CO2

Thermodesulfor-habdus

Gram-negative motile rods; thermophilic; uses fatty acids up to C18


4-7

รปท 4.1 แบคทเรยรดวซซลเฟตทเจรญเตบโตบนผวทอนามน (www.corrosion-doctors.org)


4-8

รปท 4.2 แบคทเรยรดวซซลเฟต D.desulfuricans (www.icbm.de/pmbio)


4-9

รปท 4.3 แบคทเรยรดวซซลเฟตทพบในบรเวณหนองซงเปนดนเคม (saltmarsh)


4-10

รปท 4.4 ตวอยางภาพขยายของแบคทเรยรดวซซลเฟต (Widdel 1988)


4-11

4.2 ชวเคมของแบคทเรยรดวซซลเฟต แบคทเรยรดวซซลเฟตหลายชนดสามารถเจรญเตบโตไดดวยการรดวซไนเตรทใหเปนแอมโมเนยไดในกรณทมไนเตรทหรอสามารถใชไทโอซลเฟต (S2O32-) และซลเฟอร (S0) ไดดวย นอกจากน แบคทเรยรดวซซลเฟตยงสามารถใชสารอนทรยบางตวเปนแหลงพลงงานโดยการเกดการหมกไดในกรณทไมมซลเฟตหรอสารรบอเลกตรอนตวอนซงโดยทวไปแลวแบคทเรยรดวซซลเฟตสามารถหมกไพรเวตเปนอะซเตทคารบอนไดออกไซดและไฮโดรเจนไดเมอไมมซลเฟต แตไมสามารถหมกแลกเตทหรอเอทานอลไดเพราะไดพลงงานไมเพยงพอตอการดารงชพ ดงนนในกรณทไมมซลเฟตอย แบคทเรยรดวซซลเฟตบางสวนกยงมชวตรอดอยได แตพลงงานทไดจากการหมกมคานอยกวาพลงงานทไดจากการ รดวซซลเฟต ดงนนแบคทเรยรดวซซลเฟตจะใชซลเฟตในระบบใหหมดกอนจงจะหนไปใชกระบวนการหมก (เฟอรเมนเตชน) เมอพจารณาถงชวเคมของแบคทเรยรดวซซลเฟตในการรดวซซลเฟตใหเปนไฮโดรเจนซลไฟด จะมสารอนเทอรมเดยทจานวนมากเขามาเกยวของ เนองจากซลเฟตอออนเปนสารทเสถยรจงตองมการกระตนซลเฟตใหมพลงงานสงขนกอนดวยการสลายพนธะพลงงานสงใน ATP และเกดการรวมตวกนระหวางหมฟอสเฟตใน ATP กบซลเฟต โดยมเอนไซม ATP Sulfurylase เปนตวเรงปฏกรยา เกดเปน Adenosine Phosphosulfate (APS) และ PP (Pyrophosphate) ซงเปนขนแรกของกระบวนการรดวซซลเฟต ดงแสดงในรปท 4.5


4-12

รปท 4.5 วถทางชวเคมของแบคทเรยรดวซซลเฟต (Madigan และคณะ 1997 )


4-13

ปฏกรยาการสราง APS ถกผลกดนใหเกดขนเรอยๆ ดวยการทางานของเอนไซม Pyrophosphatase ซงทาหนาทกระตนปฏกรยาไฮโดรไลซสของ PP เปน 2Pi อยางไรกตาม การทางานของเอนไซม Pyrophosphatase ยงไมเปนทแนชด เพราะเอนไซมชนดนม Activity ตา จงเกดขอโตแยงถงกลไกทใชผลกดนใหเกด APS แตนกวจยกยงเชอวาแมจะม Activity ตาแตเอนไซมชนดนกยงสามารถกระตนใหเกดปฏกรยาไดด สาหรบการรดวซซลเฟตเพอสราง ATP สารอนเทอรมเดยท APS ถกรดวซเกดเปน AMP และซลไฟตดวยการกระตนของเอนไซม APS Ruductase โดยม FAD เขามาเกยวของ เรมจากในขนแรก FAD รบอเลกตรอนเกดเปน FADH2 จากนน FADH2 ทาปฏกรยากบ APS ทาใหหมซลไฟตใน APS สงผานมายง FADH2 โดยจะตดอยกบ N ในตาแหนงท 5 ของวงแหวน Isoalloxazine จากนนจงแตกสารใหซลไฟตและได FAD กลบคนมา ดงแสดงในสมการ

E-FAD + Red ←⎯→ E-FADH2 + Ox

E-FADH2 + APS ←⎯→ E-FADH2(SO3) + AMP

E-FADH2(SO3) ←⎯→ E-FAD + SO32- สวนการรดวซซลเฟตเพอสรางเซลล APS จะรวมกบฟอสเฟตทเกดจากการแตกพนธะพลงงานสงใน ATP เกดเปน Phosphoadenosine Phosphosulfate (PAPS) ดงแสดงในรป 4.5 แลว PAPS จงถกรดวซตอเกดเปน PAP และซลไฟตตอไป จะเหนไดวาทงสองกรณคอทงการสราง ATP และการสรางเซลล ในขนแรกของการรดวซซลเฟตจะไดซลไฟตเปนผลตภณฑ เมอเกดซลไฟตขนกจะเกดปฏกรยาอนๆ


4-14

ตอเนองตามกนมา จนกวาจะไดซลไฟดเปนผลตภณฑสดทาย แตขนตอนของปฏกรยาเหลานยงคงเปนเรองทตองศกษาเพมเตมกนอกมาก เอนไซมทใชในปฏกรยากยงไมเปนททราบแนชดเชนกน เอนไซมทระบไดม เพยง Sulfite Reductase ซงกยงไมทราบวารบผดชอบปฏกรยาการเปลยนซลไฟตเปนซลไฟดในทกๆ ขนตอนหรอมสวนเพยงบางขนตอน เชนเดยวกบกระบวนการสงวนพลงงานทยงคงคลมเครอในเรองของรายละเอยดอกมาก แตเฉพาะขนตอนของการเปลยนซลไฟตเปนซลไฟดในเวลานแบงไดเปน 2 สมมตฐาน โดยสมมตฐานแรก ซลไฟตถกรดวซดวยอเลกตรอน 6 ตวเกดเปนซลไฟดในขนตอนเดยว สวนอกสมมตฐานหนง การรดวซซลไฟตเปนซลไฟดจะมสารอนเทอรมเดยท 2 ตวเกดขน ไดแก ไตรไทโอเนท และไทโอซลเฟต ปฏกรยารดวซไทโอซลเฟตเปนซลไฟดเกดขนเปนขนสดทาย ดงแสดงในสมการขางลางน

2e- 2e- 2e-

3SO32- ↔ S3O62- ↔ S2O32- + SO32- ↔ S2- + SO32- (sulfite) (trithionate) (thiosulfate)

การขนสงอเลกตรอนในแบคทเรยรดวซซลเฟตเกดขนผานไซโตโครม 2 ตวคอ Ferredoxin และ Flavodoxin ไซโตโครมในแบคทเรยรดวซซลเฟตคอ ไซโตโครมซทมสมบตเปนลบทางไฟฟามาก เรยกวา ไซโตโครม C3 ไซโตโครมนเปน ไซโตโครมเฉพาะซงไมพบในสงมชวตทใชสารรบอเลกตรอนชนดอน ทาหนาทขนสงอเลกตรอนจากสารใหอเลกตรอนไปใหกบหมซลเฟตใน APS และซลไฟต แตนอกจากไซโตโครม, ferredoxin และ flavodoxin แลว แบคทเรยรดวซซลเฟตบางชนดยงมไซโตโครมชนดบอยในลกโซขนสงอเลกตรอนดวย แบคทเรย


4-15

รดวซซลเฟตบางชนดซงขาดไซโตโครมบจะไมสามารถยอยสลายกรดไขมนไดทาใหแบคทเรยกลมนใชสารอาหารไดเฉพาะแตอะซเตทหรอไฮโดรเจนเทานน เมอพจารณาจากสารอาหารของแบคทเรยรดวซซลเฟต เชน ฟอรเมท, ฟมาเรต, พรอพออเนท, บวทเรต และกรดอนทรยทมคารบอนอะตอมมากถง 18 ตว ดงแสดงในตารางท 4.1 และ 4.2 สามารถแบงแบคทเรยรดวซซลเฟตออกไดเปน 2 กลม ไดแก กลมทใชไฮโดรเจนหรอแลกเตท กบกลมทใชอะซเตท ซงการแบงกลมในลกษณะนจะมแบคทเรยรดวซซลเฟตบางตวทอาจพจารณาไดวาอยไดทงสองกลมคอ แบคทเรยทบรโภคไฮโดรเจนแตใชอะซเตทเปนแหลงคารบอน

• กระบวนการซลเฟตรดกชนทใชไฮโดรเจนหรอแลกเตทเปนสารอาหาร เนองจากการขาดความรความเขาใจในเรองของขนตอนตางๆ ของกระบวนการสงวนพลงงานโดยแบคทเรยรดวซซลเฟต ทาใหไมอาจแสดงรายละเอยดของกระบวนการสงวนพลงงานทเกดขนในแบคทเรยรดวซซลเฟต ในลกษณะทเปนบรรทดฐานสาหรบแบคทเรยรดวซซลเฟตในกลมเดยวกนได แตสามารถอธบายไดดวยการยกตวอยางกระบวนการท เกดขนในแบคท เรยรดวซซล เฟต Desulfovibrio ซงถกศกษาและสามารถเขาใจรายละเอยดทเกดขนไดคอนขางแนนอนแลว ใน Desulfovibrio ไฮโดรเจนทถกใชไมวาจะมาจากสภาพแวดลอมในขณะนนทมไฮโดรเจนอยแลวหรอผลตขนจากการหมกของสารอนทรยกตาม จะเกดขนดงแสดงในรปท 4.6


4-16

รปท 4.6 การใชไฮโดรเจนเปนสารอาหารโดยแบคทเรยรดวซซลเฟต (Madigan และคณะ, 1997)


4-17

จากรปท 4.6 ขนตอนของกระบวนการซลเฟตรดกชนโดยแบคทเรยรดวซซลเฟตพอจะสรปไดดงน

• เอนไซมไฮโดรเจนเนส (Hydrogenase) ซงอยใน Periplasm ใกลกบไซโต-โครม C3 จะออกซไดสไฮโดรเจนและทาหนาทเปนตวขนสงอเลกตรอน ไฮโดรเจนทถกออกซไดสเกดเปนไฮโดรเจนอออนอยนอกเซลล เนองจากการจดตวของระบบขนสงอเลกตรอนในเซลลเมมเบรน อเลกตรอนจากเอนไซมไฮโดรเจนเนสจะถกสงตอใหไซโตโครม C3 และขนสงเขาสภายในเซลล ซงการขนสงอเลกตรอนผานเซลลเมมเบรนและการสรางไฮโดรเจนอออนรอบๆ เซลลจะทาใหเซลลสามารถสงเคราะห ATP ไดดวยกลไก Chemiosmosis

• อเลกตรอนจากไซโตโครม C3 ทถกสงเขาเซลลจะเขาไปอยในไซโตปลาสซม และจะถกนาไปใชในการรดวซ APS และซลไฟตเกดเปนไฮโดรเจนซลไฟด

สวนการใชคารบอนไดออกไซดเปนแหลงคารบอนจะเกดขนผานวถอะซทลโคเอ( Acetyl-CoA Pathway) ดงจะกลาวถงในหวขอตอไป จากทกลาวมาขางตน โปรตอนทถกใชไปในการขนสงซลเฟตเขาสเซลลหรอ ATP ทถกใชในการกระตนซลเฟตเปน APS และซลไฟต จะทาให ATP สทธทไดมคานอยลง คายลจงควรจะมคาตา แตนกวจยพบวาคา ยลทพบจรงกลบมคามากกวาทควรจะเปนตามทฤษฎ แสดงใหเหนถงการขาดความรความเขาใจในเรองของกลไกการสงวนพลงงานอยอกมาก


4-18

• กระบวนการซลเฟตรดกชนทใชอะซเตทเปนสารอาหาร แบคทเรยรดวซซลเฟตบางชนดสามารถเจรญเตบโตไดดวยการใชอะซเตทเพยงอยางเดยวเปนสารอาหาร สวนใหญของแบคทเรยรดวซซลเฟตประเภทนเปนแบคทเรยทอาศยอยในนาเคม แบคทเรยรดวซซลเฟตสามารถยอยสลายอะซเตทไดอยางสมบรณจนเกดเปนคารบอนไดออกไซด การยอยสลายอะซเตทในสงมชวตสวนใหญจะเกดขนผานวฏจกรกรดซตรก (Citric Acid Cycle) ดงแสดงในรปท 4.7 แตแบคทเรยรดวซซลเฟตประเภทนจะใชอะซเตทผานวฏจกรกรดซตรกแบบประยกต (Modified Citric Acid Cycle) และวถอะซตลโคเอแบบยอนกลบ (Reversed Acetyl-Coa Pahtway) แทน

• Modified Citric Acid Cycle ในขนแรก Succinyl-CoA จะทาปฏกรยากบอะซเตทดวยการกระตนของเอนไซมชนดหนง ได Succinate และอะซตลโคเอเปนผลตภณฑ อะซตลโคเอจะเขาสวฏจกรกรดซตรกดวยการทาปฏกรยากบ Oxaloacetate ผานการกระตนของเอนไซม ATP–Citrate Lyase ไดซเตรตเปนผลตภณฑ ดงแสดงในรปท 4.8

NADPH หรอ Ferredoxin ทถกรดวซในวฏจกรกรดซตรกจะถายเทอเลกตรอนไปสซลเฟต เปลยนซลเฟตใหเปนซลไฟด พลงงานทไดจากการถายเทอเลกตรอนไปสซลเฟตจะถกเกบไวในรปของ ATP ดวยกระบวนการ Chemiosmosis


4-19

รปท 4.7 วฏจกรกรดซตรก (Madigan และคณะ 1997)


4-20

รปท 4.8 กลไกการออกซไดสอะซเตทเปนคารบอนไดออกไซด ดวยวฏจกรกรดซตรก (Madigan และคณะ, 1997)


4-21

ดงทกลาวมากอนหนาน ในขนตอนแรกของการเกดกระบวนการซลเฟตรดกชน พลงงานสวนหนงประมาณ 2 ATP จะตองถกใชในการกระตนใหเกด APS ทาใหเกดปญหาวาพลงงานทไดจากการรดวซซลเฟตดวยอะซเตทผานวฏจกรกรดซตรกจะไดพลงงานเพยงพอหรอไม เพราะพลงงานทใชกระตนใหเกด APS มคาใกลเคยงกบพลงงานทไดจากการรดวซซลเฟต แตเมอดถงพลงงานสทธทไดจากการยอยสลายอะซเตทหลายๆ โมเลกลแลว พลงงานทไดกเพยงพอตอการสราง ATP และตอการเจรญเตบโต เหตผลทใชอธบายกคอแบคทเรยรดวซซลเฟตประเภทนมเอนไซม Citrate Lyase ซงสราง ATP ไดจากกระบวนการ Substrate-Level Phosphorylation ในขนตอนการเปลยนอะซตลโคเอเปนอะซเตท ดงแสดงในรป 4.9 ระหวางการผลตกรดซตรก โดยอะซเตท 1 โมลทถกออกซไดสเปนคารบอน-ไดออกไซด 2 โมลจะสราง ATP 1 โมลจากกระบวนการ Substrate-Level Phosphorylation ATP ทเพมขนนจะทาใหแบคทเรยรดวซซลเฟตสามารถเจรญเตบโตไดเมอใชอะซเตทเปนสารอาหาร ตวอยางของแบคทเรยรดวซซลเฟตทยอยสลายอะซเตทโดยใชวถชวเคมแบบ Modified Citric Acid Cycle ไดแก Desulfobacter


4-22

รปท 4.9 กระบวนการ Substrate-Level Phosphorylation ทเกดขน ในการเปลยนอะซตลโคเอเปนอะซเตท (Fenchel และ Finlay, 1995)


4-23

• Acetyl-CoA Pathway การใชอะซเตทโดยแบคทเรยรดวซซลเฟตเกดขนโดยผานทาง Acetyl-CoA Path-way แบบยอนกลบ วถชวเคมแบบ Acetyl-CoA เรมตนจากคารบอนไดออกไซดถกรดวซดวยไฮโดรเจน (รปท 4.10) โมเลกลหนงของคารบอนไดออกไซดถกรดวซเปนกลมเมทลของอะซเตทดวยปฏกรยาหลายขนทเกยวของกบโคเอนไซม Tetrahydrofolate โดยขนแรกคารบอนไดออกไซดถกเปลยนใหอยในรปของฟอรเมทกอนโดยเอนไซม Formate Tetrahydrofolate จากนนจะรบอเลกตรอนอก 4 ตวกลายเปน Methyl Tetrahydrofolate กลมเมทลจะถกสงตอไปใหกบเอนไซมทมวตามนบ 12 เปนโคแฟคเตอร สวนคารบอนไดออกไซดอกโมเลกลหนงถก รดวซเปนกลมคารบอนลของอะซเตทโดยเอนไซมทมบทบาทสาคญกคอ Carbon Monoxide Dehydrogenase ซงเปนเอนไซมทประกอบดวยโลหะนกเกล เหลก และสงกะสเปนโคแฟคเตอร ทาหนาทเรงปฏกรยาการรดวซคารบอนไดออกไซดใหเปนคารบอนมอนอกไซด ทายทสดกลม CH3 จะเขารวมอยกบกลม CO ใน Carbon Monoxide Dehydrogenase โดย CH3 จะอยตดกบนกเกลสวน CO อยตดกบเหลก จากนนกจะรวมกบ CoA เกดเปนอะซตลโคเอ แลวจงเกดเปนอะซเตทขนมา กระบวนการซลเฟตรดกชนกจะใชอะซเตทในทศทางทยอนกลบกบปฏกรยาทกลาวมา แตผลตภณฑทไดจะไมใชคารบอนไดออกไซดและไฮโดรเจนเพราะซลเฟตทาหนาทเปนสารรบอเลกตรอนไดผลตภณฑเปนซลไฟดและคารบอนไดออกไซดแทน

ตวอยางแบคทเรยรดวซซลเฟตทยอยสลายอะซเตทโดยใชวถ Reversed Acetyl-CoA ไดแก Desulfomena และ Deslufobacterium เปนตน


4-24

รปท 4.10 Acetyl-CoA pathway (Madigan และคณะ, 1997)


4-25

สวนแบคทเรยรดวซซลเฟตทใชสารประกอบอนทรยทไมใชอะซ เตทจะเกดปฏกรยารดอกซขนในลกษณะเดยวกบการใชไฮโดรเจน ขนสงอเลกตรอนดวยลกโซขนสงอเลกตรอนแบบเดยวกนเพอสรางความตางศกยระหวางในและนอกเซลลเมมเบรน และสราง ATP ไดดวยกระบวนการ Chemiosmosis

จากการศกษาแบคทเรยรดวซซลเฟต Desulfovibrio ทาใหทราบวาแบคทเรยรดวซซลเฟตสามารถสราง ATP สทธได 1 โมเลกลตอซลเฟตทถกเปลยนเปนซลไฟด 1 โมเลกล และได ATP 3 โมเลกลตอซลไฟตทถกเปลยนเปนซลไฟด 3 โมเลกล

4.3 ปจจยทางสภาวะแวดลอมทสงผลตอการทางานของแบคทเรยรดวซ- ซลเฟต

• อณหภม โดยทวไป แบคทเรยรดวซซลเฟตทไดจากการเลยงเชอบรสทธจะมชวงอณหภมท

เหมาะสมตอการเจรญเตบโตในชวง 30–40°C การเปลยนแปลงอณหภมมผลตอแบคทเรยรดวซซลเฟตคอนขางมาก โดยมรายงานการวจยทพบวาการเกดซลเฟต-รดกชนโดยแบคทเรยรดวซซลเฟตในดนตะกอนนาเคมลดลงระหวาง 2–3.9 เทา เมออณหภมเปลยนแปลงไปจากชวงทเหมาะสม 10 องศาเซลเซยส

• ความตองการเกลอและความทนตอเกลอ ความตองการเกลอของแบคทเรยรดวซซลเฟตขนอยกบแหลงทมาของแบคทเรย ซงแยกเปนพวกทไดจากแหลงนาเคมหรอนากรอยกบพวกทไดจากแหลงนาจด แบคทเรยดวซซลเฟตทไดจากแหลงนาเคมหรอนากรอยมกตองการปรมาณเกลอในระดบหนงจงจะเจรญเตบโตไดด และในทางตรงขาม ถานาแบคทเรยรดวซ


4-26

ซลเฟตกลมนมาเลยงในสภาพทมความเคมตากจะไดผลในทางลบตอการเจรญเตบโต ชนดและปรมาณของเกลอสาหรบแบคทเรยรดวซซลเฟตจากแหลงนาเคมทเหมาะสมคอ โซเดยมคลอไรด 20 ก./ล. และแมกนเซยมคลอไรด 1.5 ก./ล. นอกเหนอจากเกลอทงสองชนดนแลว บางสายพนธยงตองการแคลเซยมคลอไรดทความเขมขนขนตา 0.5 ก./ล. ปรมาณความตองการเกลอจะลดลงสาหรบกลมทมาจากนากรอย สวนแบคทเรยรดวซซลเฟตทมาจากนาจดอาจถกยบยงการเจรญเตบโตไดถามโซเดยมคลอไรดในระดบทเขมขนเทากบทมอยในนาทะเล (ประมาณ 27 ก./ล.) อยางไรกตาม มรายงานถงความสามารถในการปรบตวของแ บ ค ท เ ร ย รดวซซลเฟตจากแหลงนาจดบางสายพนธ ซงสามารถทนอยไดในตวกลางทระดบความเขมขนของโซเดยมคลอไรดสงเทากบในระดบความเขมขนในนาทะเลและบางพวกสามารถปรบสารใหอยไดทงในระดบความเขมขนของโซเดยมคลอไรดเทากบ 60 ก./ล. หรอแมแตในสภาวะทไมมโซเดยมคลอไรดอยเลยกตาม

• พเอช ชวงพเอชทเหมาะสมตอแบคทเรยรดวซซลเฟตจะอยในชวงทเปนกลาง คอ ประมาณ 7 และมกถกยบยงเมอคาพเอชตากวา 6 หรอสงกวา 9 อยางไรกตามพบวาปฏกรยาซลเฟตรดกชนสามารถเกดขนไดในแหลงนาจากเหมองแรซงมคา พเอชในแหลงนาประมาณ 3–4 แตเมอนาแบคทเรยรดวซซลเฟตจากแหลงนานมาเพาะเชอและทดสอบกลบพบวาถกยบยงการเจรญเตบโตเมอพเอชตากวา 6 ทาใหเกดขอสนนษฐานวา แบคทเรยรดวซซลเฟตทอยในแหลงนาของเหมองแรอาจมสภาพแวดลอมเลกๆ เชน โพรง หรอซอกหนขนาดเลกมากๆ (Microniches) หรอสภาพแวดลอมโดยรอบๆตวของแบคทเรย (Microenvironment) มคาพเอชทสงกวาพเอชของทงระบบ เนองจากปฏกรยาซลเฟตรดกชนโดยแบคทเรยรดวซ


4-27

ซลเฟตเปนปฏกรยาทใชโปรตอนหรออออนไฮโดรเจน การใชสารอาหารของแบคทเรยรดวซซลเฟตจงสรางสภาพดางใหกบระบบ (ยกเวนกรณการเกดซลเฟต-รดกชนของสารอาหารทมจานวนอะตอมของคารบอนมากซงจะสรางสภาพกรด แตจานวนแบคทเรยรดวซซลเฟตประเภทนกมอยในปรมาณทนอยกวามาก) จงทาใหแบคทเรยรดวซซลเฟตสามารถดารงชวตไดแมพเอชโดยรวมของระบบจะมคาตากตาม


5-1

บทท 5 ความสมพนธระหวางแบคทเรยกลมตางๆ ในระบบไมใชอากาศ

จลนทรยไมใชอากาศทมบทบาทสาคญในการบาบดนาเสยและสลดจเปนแบคทเรยประเภทตางๆ ดงน

• แบคทเรยเฟอรเมนตง (Fermenting Bacteria) • แบคทเรยสรางกรดอนทรยระเหย (Acidogenic Bacteria) • แบคทเรยดไนตรฟายเออร (Denitrifying Bacteria) • แบคทเรยรดวซซลเฟต (Sulfate Reducing Bacteria) • แบคทเรยสรางมเทน (Methanogenic Bacteria) • แบคทเรยสรางอะซเตท (Acetogenic Bacteria)

ภายใตสภาวะทมอากาศ แบคทเรยสวนใหญขางตนจะไมสามารถมชวตอยได ถาไมมอากาศแตมไนเตรท แบคทเรยดไนตรฟายเออรจะสามารถเจรญเตบโตไดดและไมมแบคทเรยอนสามารถเตบโตแขงขนได แตถาไมมอากาศและไมม ไนเตรท แบคทเรยทงหมดขางตนยกเวนดไนตรฟายเออรจะเจรญเตบโตอยได บางชนดอยรวมกนโดยมชวตอยรวมกนอยางเปนมตร (Syntrophy) ซงหมายความวาเตบโตไปดวยกน แตถามแบคทเรยชนดใดชนดหนงในกลมไปอยตามลาพงจะไมสามารถเจรญเตบโตได การอยรวมกนอยางเปนมตรเปนปฏสมพนธทเดนชดและเปนปจจยทขาดไมไดของปฏกรยาสรางมเทนจากการบาบดนาเสยและสลดจ อยางไรกตามบางครงแบคทเรยคนละพนธจะแยงชงอาหารกนหรอแมแตแบคทเรยคนละชนดทอยในกลมพนธเดยวกนกอาจแยงชงอาหารตวเดยวกนได


5-2

5.1 แบคทเรยสรางมเทนกบแบคทเรยสรางกรดอะซตก ถงแมวากาซมเทนจะเปนสารประกอบคารบอนทเปนสวนนอยของวฏจกรคารบอนในธรรมชาต แตเนองจากกาซมเทนเปนผลผลตสดทายจากกระบวนการเมตาบอลซมของจลนทรยในระบบไมใชอากาศ ทาใหการผลตกาซมเทนดวยแบคทเรยสรางมเทนเปนขนตอนสาคญของระบบไมใชอากาศ จากทไดกลาวมาแลววาในการผลตกาซมเทนนน แบคทเรยสรางมเทนจะใชกาซคารบอนได-ออกไซดเปนสารรบอเลกตรอนในกระบวนการหายใจและเปลยนเปนกาซมเทนและมสารให อ เลกตรอนเปนสารประกอบทมคารบอนอะตอมนอย เชน ไฮโดรเจน หรอกรดอะซตก ฯลฯ สารประกอบเหลานสวนใหญมกจะเปนผลตผลของการหมกโดยแบคทเรยชนดอนๆ ดงนน การผลตกาซมเทนดวยแบคทเรยสรางมเทนในระบบไมใชอากาศ จงขนอยกบขนตอนการยอยสารอาหารทซบซอนใหกลายเปนสารประกอบทมอะตอมคารบอนนอยโดยแบคทเรยชนดอน จากทไดกลาวไวแลวในบทท 2 วา การยอยสลายสารอนทรยโมเลกลใหญ เชน สารพอลแซคคาไรด โปรตน และไขมน จนกลายเปนกาซมเทนตองอาศยการทางานรวมกนของแบคทเรยหลายชนดโดยสารประกอบสาคญทเกดขนระหวางขนตอนการยอยสารอนทรยแบบไมใชอากาศคอ ไฮโดรเจนและคารบอนได-ออกไซด กลมแบคทเรยทบรโภคไฮโดรเจน (H2-Consuming Bacteria) ซงไดแก แบคทเรยสรางมเทน แบคทเรยสรางกรดอะซตก และแบคทเรยรดวซซลเฟต ลวนสามารถใชไฮโดรเจนเปนสารอาหาร


5-3

แบคทเรยทเปนกญแจสาคญของการยอยสลายสารอนทรยซบซอน คอ แบคทเรยเฟอรเมนตงทผลตไฮโดรเจน (H2-Producing Bacteria) ซงสามารถใชสารอาหารพวกกรดไขมนหรอแอลกอฮอลลเปนแหลงพลงงาน แบคทเรยประเภทนผลตคารบอนไดออกไซดและกรดอะซตกพรอมกบไฮโดรเจนซงลวนเปนสารอาหารสาหรบแบคทเรยสรางมเทน นกวจยพบมานานแลววาแบคทเรยชนดนจะไมสามารถเจรญเตบโตไดดเมอทาการเพาะเปนเชอบรสทธ แตเมออยรวมกบแบคทเรยทใชกาซไฮโดรเจนเปนสารอาหารแลว แบคทเรยจะเจรญเตบโตอยางรวดเรว เรยกปรากฏการณนวา การอยรวมกนแบบ Syntrophy ซงมความหมายวา “กนดวยกน” ซงเปนทมาของชอแบคทเรยชนดนเชน Syntrophomonas และ Syntro-phobacter ทยอยกรดอนทรยและแอลกอฮอลลบางชนดใหเปนกรดอะซ-ตก กาซไฮโดรเจน และกาซคารบอนไดออกไซด ตวอยางของการกนอยรวมกนแบบสงเสรมกนหรอเปนมตรกน (Syntrophy) ทโจษขานกนจนเปนตานานคอ เรองของแบคทเรยทมชอวา Methanobacillus omelianskii ซงเคยเชอกนวาเปนแบคทเรยสรางมเทนทสามารถบรโภคเอทานอลได แตในทกวนนรกนแลววาแบคทเรยสรางมเทนไมสามารถบรโภคเอทานอลได Bryant และคณะ (1967) ไดพบวา จรงแลว M.omelianskii ไมมตวตน หากแตประกอบดวยแบคทเรย 2 ชนดอาศยอยรวมกนแบบสงเสรมกน กลาวคอประกอบดวยจลนทรยแบบคโมโทรฟกชอวาจลนทรย S (S-organism) และแบคทเรยสรางมเทนชอ Methanobactrium Bryantii ไบรแอนทและคณะไดพบวาวถชวเคมของการยอยเอทานอลใหกลายเปนมเทนเรมจาก S-organism ยอยเอทานอลดวยกลไกไมใชอากาศใหกลายเปนอะซเตทและไฮโดรเจน แบคทเรยสรางมเทน (ทอาศยอยดวยกน) บรโภคไฮโดรเจนไดและผลตมเทน ความสมพนธระหวางแบคทเรย 2 กลมนแสดงในรปท 5.1


5-4

รปท 5.1 ตวอยางความสมพนธแบบ Syntrophy (Fenchel and Finlay, 1995)

กรณดงกลาวขางตนน ไฮโดรเจนทเกดขนเปนอนตรายตอ S-organism จลนทรย-S ตองอาศยแบคทเรยสรางมเทนในการกาจดกาซไฮโดรเจนมใหสะสมอยในระบบจนเปนอนตรายตอผสรางเอง ในขณะเดยวกนแบคทเรยสรางมเทนกไดไฮโดรเจนเปนสบสเตรตในการเจรญเตบโต ถาไมมแบคทเรยสรางมเทน จลน-ทรย-S กเตบโตไมได การขาดแบคทเรยตวใดตวหนง แบคทเรยอกตวหนงอาจไมสามารถเจรญเตบโตได การอาศยอยรวมกนแบบสงเสรมกนเรยกวา Syntrophy

S-organism

2 Ethanol

+ 2H2O

Methanogen CO2

CH4 + 2H2O

2 Acetate + 4H2


5-5

5.2 ความสมพนธระหวางแบคทเรยกลมตางๆ ในการยอยสลายสารอนทรยในนาเสยทมซลเฟต

ปฏกรยาการยอยสลายสารอนทรยทเกดขนในระบบไมใชอากาศ ขนอยกบสารรบอเลกตรอนและประเภทของแบคทเรยในระบบ ในกรณทมซลเฟตอยในระบบบาบดนาเสยแบบไมใชอากาศ กลไกการยอยสลายสารอนทรยในระบบจะเกดขนจากการทางานรวมกนของแบคทเรยสรางกรด, แบคทเรยสรางอะซเตท, แบคทเรยรดวซซลเฟตและแบคทเรยสรางมเทน แตแบคทเรยหลายกลมในระบบใชสารอาหารประเภทเดยวกน ในขณะทแบคทเรยบางกลมกใชผลตภณฑทเกดขนจากแบคทเรยอกกลมหนงเปนสารอาหาร ความสมพนธของแบคทเรยกลมตางๆในกระบวนการยอยสลายสารอนทรยแบบไมใชอากาศจงเปนเรองทคอนขางซบซอน ดงแสดงรายละเอยดโดยสงเขปในรป 5.2 แตพอทจะแบงความสมพนธทเกดขนระหวางแบคทเรยกลมตางๆ ไดดงน

• การแขงขนระหวางแบคทเรยรดวซซลเฟต แบคทเรยสรางม เทน และแบคทเรยสรางอะซเตททบรโภคไฮโดรเจน ในการแยงใชไฮโดรเจนและการแขงขนระหวางแบคทเรยสรางมเทนและแบคทเรยรดวซซลเฟตในการแยงใชอะซเตท ซงผลของการแขงขนจะเปนตวกาหนดผลตภณฑสดทายของกระบวนการยอยสลายแบบไมใชอากาศวาเปนมเทนหรอซลไฟด

• การแขงขนระหวางแบคทเรยรดวซซลเฟตและแบคทเรยสรางอะซเตท ในการแยงใชกรดไขมนระเหยทมคารบอนมากกวา 2 อะตอม


5-6

รปท 5.2 ความสมพนธของแบคทเรยกลมตางๆ ในระบบบาบดแบบไมใชอากาศ (อนตร เปยงแกว 2542)

กรดอนทรยโมเลกล

แบคทเรยสรางกรดอะซตก แบคทเรยรดวซซลเฟต

ชนดยอยสลายไมสมบรณ

แบคทเรยรดวซซลเฟต

ชนดยอยสลายสมบรณ

กรดอะซตก ไฮโดรเจน +


แบคทเรยสรางกรด

อะซตกจากไฮโดรเจน

แบคทเรยสรางมเทน แบคทเรยรดวซซลเฟต

ชนดยอยสลายสมบรณ


แบคทเรยสรางกรด

มเทน +


ไฮโดรเจนซลไฟด +



5-7

5.2.1 การแขงขนระหวางแบคทเรยสรางอะซเตทและแบคทเรยรดวซซลเฟต ถงแมวาแบคทเรยรดวซซลเฟตจะมความสามารถในการใชสารอาหารทมจานวนคารบอนอะตอมสงได (Desulfoarculus และ Thermodesulforhabdus ใชกรดอนทรยทมคารบอนอะตอมไดสงถง 18 อะตอม) แตความสามารถดงกลาวกจากดอยเฉพาะบางชนด สารอาหารทใชไดโดยทวไปมเพยง ไฮโดรเจน, แลกเตท และไพรเวต เทานน สวนสารอาหารอนนอกเหนอจากนจะมขอจากดในการใชมากขน การแขงขนเพอแยงใชสารอาหารกบแบคทเรยสรางอะซเตทจงนาจะเกดขนคอนขางรนแรงในสารอาหารทงสามชนดน แตไพรเวตเปนสารอนเทอรมเดยททสาคญมากในกระบวนการหมก ทาใหการยอยสลายสารอนทรยในกระบวนการบาบดนาเสยทไมใชอากาศมเสนทางทหลากหลายมากขนหากมซลเฟตอยในระบบดวย โดยเสนทางการยอยสลายอาจแยกออกไดเปน 2 เสนทางผานแบคทเรยสรางกรดหรอแบคทเรยรดวซซลเฟต คอ

• สารอนทรยในระบบถกยอยสลายโดยแบคทเรยสรางกรด และถกยอยสลายตอกลายเปนอะซเตทและไฮโดรเจนผานแบคทเรยสรางอะซเตท แลวจงถกแบคทเรยรดวซซลเฟตและแบคทเรยสรางมเทนยอยสลายตอ

• สารอนทรยในระบบถกยอยสลายโดยแบคทเรยสรางกรดและถกยอยสลายตอโดยแบคทเรยรดวซซลเฟตโดยตรง ถาเปนพวกทยอยสลายไดอยางสมบรณจะไดผลตภณฑเปนคารบอนไดออกไซดและซลไฟด แตถาเปนพวกทยอยสลายไดไมสมบรณจะไดผลตภณฑเปนอะซเตทกบซลไฟด อะซเตททเกดขนจะถกใชตอโดยแบคทเรยรดวซซลเฟตทสามารถใชอะซเตทไดและแบคทเรยสรางมเทน


5-8

แตจนถงบดน ความรเกยวกบการแขงขนระหวางแบคทเรยรดวซซลเฟตและแบคทเรยสรางอะซเตทยงคงมไมมากนก เสนทางใดจะเปนเสนทางทเกดขนจรงในระบบบาบดไมใชอากาศยงคงไมเปนทกระจางชด ปจจยทเปนตวกาหนดเสนทางการยอยสลายสารอนทรยนาจะเปนอตราสวนซโอดตอซลเฟตหรอความเขมขนของซลเฟต

• กรณอตราสวนซโอดตอซลเฟตสง ทอตราสวนซโอดตอซลเฟตสง ความเขมขนของซลเฟตจะเปนตวจากดการเจรญเตบโตของแบคทเรยรดวซซลเฟตในระบบ ทาใหแบคทเรยรดวซซลเฟตทใชไฮโดรเจนไดเปรยบในการแยงใชซลเฟต เปนเหตใหแบคทเรยรดววซลเฟตทออกซไดสกรดอนทรยโดยตรงไมอาจแขงขนกบแบคทเรยสรางอะซเตทได เสนทางการยอยสลายสารอนทรยสวนใหญจงเกดขนผานการทางานรวมกนของแบคทเรยสรางกรด แบคทเรยสรางอะซเตท และแบคทเรยสรางมเทน ไดผลตภณฑหลกเปนมเทนและคารบอนไดออกไซด

• กรณอตราสวนซโอดตอซลเฟตตา ในกรณน ซลเฟตในระบบมอยอยางไมจากด แบคทเรยรดวซซลเฟตแตละกลมไมตองแยงใชซลเฟตกนเอง จงคาดวาสารอนทรยในระบบนาจะถกยอยสลายผานทางแบคทเรยรดวซซลเฟต ผลตภณฑทเกดขนจะขนอยกบแบคทเรยรดวซซลเฟตวาเปนชนดยอยสลายสมบรณหรอไม แตจากปจจยทางจลนศาสตรของแบคทเรยรดวซซลเฟต พบวาแบคทเรยรดวซซลเฟตชนดยอยสลายไมสมบรณมอตราการเจรญเตบโตสงกวา เสนทางการยอยสลายสารอนทรยจงนาจะเกดผานแบคทเรย รดวซซลเฟตชนดยอยสลายไมสมบรณ และแบคทเรยรดวซซลเฟตทบรโภค อะซเตท ไดคารบอนไดออกไซดและซลไฟดเปนผลตภณฑหลก


5-9

จากเหตผลดงทกลาวมา อตราสวนซโอดตอซลเฟตนาจะเปนปจจยสาคญในการกาหนดเสนทางในการยอยสลายสารอนทรยและเปนตวกาหนดวาแบคทเรยชนดใดจะแยงใชสารอนทรยไดมากกวากน อยางไรกตาม ดงทไดกลาวมาแลวขางตนวาความร เกยวกบการแขงขนระหวางแบคทเรยรดวซซลเฟตและแบคทเรย สรางอะซเตทยงคงมไมมากนก งานวจยทศกษาเกยวกบแบคทเรยทงสองชนดนโดยตรงกยงมไมมากนก จงเปนการยากทจะระบอยางชดเจนวาแบคทเรยชนดใดจะเปนแบคทเรยทมบทบาทสาคญในการยอยสลายสารอนทรย แตสามารถสรปไดวาแบคทเรยรดวซซลเฟตจะมบทบาทมากขนในการยอยสลายกรดอนทรยระเหยซงเปนผลตภณฑจากกระบวนการหมก เมออตราสวนซโอดตอซลเฟตมคาลดตาลง

5.2.2 การแขงขนระหวางแบคทเรยรดวซซลเฟตและแบคทเรยสรางมเทนในการ

แยงใชไฮโดรเจน ไฮโดรเจนเปนสารอนเทอรมเดยททสาคญในกระบวนการไมใชอากาศ เนองจากการยอยสลายสารอนทรยโดยทวไปแลว ประมาณ 20–30 เปอรเซนตของซโอดจะถกยอยสลายผานทางไฮโดรเจน ซงทงแบคทรดวซซลเฟตและแบคทเรยสรางมเทนตางกสามารถใชเปนสารอาหารได ผลของการแขงขนระหวางแบคทเรยทงสองชนด สามารถดไดจากขอมลทาง เทอรโมไดนามกสและจลนศาสตร


5-10

• ปจจยทางเทอรโมไดนามกส คาพลงงานทางเทอรโมไดนามกสทไดจากการใชไฮโดรเจนเปนแหลงพลงงานของแบคทเรยรดวซซลเฟต, แบคทเรยสรางมเทน และแบคทเรยสรางอะซเตททบรโภคไฮโดรเจนแสดงดงตารางท 5.3 ซงจะเหนไดถงแนวโนมทไดเปรยบของแบคทเรยรดวซซลเฟตทบรโภคไฮโดรเจนเหนอแบคทเรยสรางมเทน และแนวโนมทไดเปรยบของแบคทเรยสรางทเทนเหนอแบกทเรยสรางอะซเตททสรางไฮโดรเจน ในสวนของแบคทเรยสรางอะซเตททบรโภคไฮโดรเจน เนองจากคาพลงงานทางเทอรโมไดนามกสทนอยกวาแบคทเรยกลมอนทบรโภคไฮโดรเจนดวยกน อกทงยงมความสาคญนอยในระบบทความดนพารเชยลของไฮโดรเจนตา เพราะการแขงขนแยงไฮโดรเจนเกดขนอยางรนแรง จงไมนาแบคทเรยชนดนมารวมพจารณาดวย สวนแบคทเรยรดวซซลเฟตและแบคทเรยสรางมเทน ขอมลทางเทอรโมไดนามกสเพยงลาพงยงไมเพยงพอตอการทานายผลการแขงขนของแบคทเรยทงสองกลมนได จาเปนตองพจารณาถงปจจยทางจลนศาสตรรวมดวย

ตารางท 5.3 คาพลงงานทางเทอรโมไดนามกสของแบคทเรยทบรโภคไฮโดรเจน (ปรบปรงจาก Madigan และคณะ, 1997)

ประเภทแบคทเรย

สารอาหาร สมการปฏกรยา ΔG0′ (kJ/mol)

SRB ไฮโดรเจน 4H2 + SO42- + H+ → 4H2O + HS- -38.0

MPB ไฮโดรเจน 4H2 + CO2 → CH4 + 2H2O -33.9

Homoacetogens ไฮโดรเจน 4H2 + H+ + 2HCO3- →

CH3COO- + 4H2O

-26.2


5-11

• ปจจยทางจลนศาสตร คาพารามเตอรทางจลนศาสตรทใชพจารณาในการแขงขนเพอแยงใชไฮโดรเจนของแบคทเรยทงสองกลม แสดงดงตารางท 5.4 ซงจะเหนไดวา แบคทเรยรดวซ

ซลเฟตสวนใหญมคา qmax/Km , μmax และ μmax/Ks สงกวาแบคทเรยสรางมเทน แตแบคทเรยสรางมเทนบางชนดกมพารามเตอรทางจลนศาสตรทไดเปรยบกวาแบคทเรยรดวซซลเฟตเชนกน อยางไรกตาม ถาพจารณาถงคายลดในตารางท 5.5 ประกอบดวย จะพบวาแบคทเรยรดวซซลเฟตมคายลดทสงกวาอยางเหนไดชด

ขอมลทไดจากตารางท 5.4 และ 5.5 ชใหเหนวาแบคทเรยรดวซซลเฟตทบรโภคไฮโดรเจนสวนใหญจะมคาอตราการเจรญเตบโตทสงกวา, มความชอบทจะใชไฮโดรเจนมากกวา (higher affinity) และมคายลดทสงกวาแบคทเรยสรางมเทนทบรโภคไฮโดรเจน จงพอจะสรปไดวา ในทางจลนศาสตร แบคทเรยรดวซซลเฟตสวนใหญมสมบตในการเจรญเตบโตทเหนอกวาแบคทเรยสรางมเทนทบรโภคไฮโดรเจน

5.2.3 การแขงขนระหวางแบคทเรยรดวซซลเฟตและแบคทเรยสรางมเทนในการ

แยงใชอะซเตท อะซเตทเปนสารอนเทอรมเดยททสาคญทสดในกระบวนการยอยสลายแบบไมใชอากาศ เนองจากประมาณ 70 เปอรเซนตของซโอดทถกกาจดจะถกยอยสลาย ผานอะซเตท ซงในกระบวนการไมใชอากาศทมซลเฟต แบคทเรยรดวซซลเฟตและแบคทเรยสรางมเทนตางกแขงขนกนเพอใชอะซเตททมอยในระบบ แตแบคทเรยประเภทใดจะเปนฝายชนะและสามารถกลายเปนกลมทโดดเดน


5-12

ตารางท 5.4 คาพารามเตอรทางจลนศาสตรสาหรบการใชไฮโดรเจน โดยแบคทเรยรดวซซลเฟตและแบคทเรยสรางมเทน (Widdel, 1988)

แบคทเรย อณห- สาหรบการบรโภคไฮโดรเจน สาหรบการเตบโตดวยไฮโดรเจน

ภม Vmax Km Vmax/Km μmax Ks μmax/Ks

°C μmol⋅g-⋅h-1 μmol⋅l-1 L⋅g-1⋅h-1 (h-1) μmol⋅l-1 L⋅μmol⋅h-1

แบคทเรยรดวซซลเฟต Desulfovibrio Vulgaris (Marburg) 35 880 1.3 660 nd วดไมพบ วดไมพบ 35 79,000 วดไมพบ nd 0.23 วดไมพบ วดไมพบ Vulgaris 37 1,770 1.9 930 วดไมพบ วดไมพบ วดไมพบ Desulfuricans 37 5,280 1.8 2,930 วดไมพบ วดไมพบ วดไมพบ sp.G11 37 3,300 11 3,000 0.057 3.3 0.017 sp.PS1 37 3,300 0.7 4,710 วดไมพบ วดไมพบ วดไมพบ

Lake sediment + SO42- 20 วดไมพบ 1.1 วดไมพบ วดไมพบ วดไมพบ วดไมพบ

(freshwater, eutrophic) แบคทเรยสรางมเทน Methanobrevibacter 35 8,510 6.6 1,290 วดไมพบ วดไมพบ วดไมพบ Arboriphilus 33 215,000 วดไมพบ วดไมพบ 0.144 วดไมพบ วดไมพบ 23 วดไมพบ วดไมพบ วดไมพบ วดไมพบ 5 วดไมพบ Methanospirillum Hungatei 37 4,200 5.0 840 0.053 0.6 0.008 sp.PM1 37 5,400 2.5 2,160 วดไมพบ วดไมพบ วดไมพบ Methanococcus 37 วดไมพบ วดไมพบ วดไมพบ 0.18 วดไมพบ วดไมพบ

Maripaludis Methanosarcina 37 6,600 13 510 0.058 วดไมพบ วดไมพบ Barkeri Lake sediment 20 วดไมพบ 4.7 วดไมพบ วดไมพบ วดไมพบ วดไมพบ (freshwater, eutrophic) 10-14 วดไมพบ 1.1-4.1 วดไมพบ วดไมพบ วดไมพบ วดไมพบ

Sewage digester Sludge 33 วดไมพบ 78 วดไมพบ วดไมพบ วดไมพบ วดไมพบ


5-13

ตารางท 5.5 คายลด (Y) ของแบคทเรยรดวซซลเฟต, แบคทเรยรดวซซลเฟอรและ

แบคทเรยสรางมเทนในการใชไฮโดรเจน (Widdel, 1988)

ชนด สบสเตรท ยลดแท ( ก.เซลล/โมล ไฮโดรเจน)

Desulfovibrio H2 + SO42- 2.1; 2.9

Vulgaris (Marburg) H2 + S2O32- 4.2

Desulfotomaculum H2 + SO42- 1.9; 3.1

Orientis (Singapore I) H2 + SO32- 4

H2 + S2O32- 4.5

แบคทเรยสรางมเทน Methanosarcina H2 + CO2 0.7-2.2

เมทธาโนเจนบรโภค H2 + CO2 0.5-1.0

ไฮโดรเจนตวอน

ในระบบนนขนอยกบปจจยหลายประการ ปจจยประการแรกๆ ทนามาพจารณากอนไดแกปจจยทางเทอรโมไดนามกสและปจจยทางจลนศาสตร

• ปจจยทางเทอรโมไดนามกส คาพลงงานทางเทอรโมไดนามกสทไดจากการใชอะซเตทเปนแหลงพลงงานของแบคทเรยรดวซซลเฟตและแบคทเรยสรางมเทน แสดงในตารางท 5.6


5-14

ตารางท 5.6 คาพลงงานทางเทอรโมไดนามกสของแบคทเรยรดวซซลเฟตและแบคทเรย

สรางมเทนทบรโภคอะซเตท (ปรบปรงจาก Mizuno และคณะ, 1994)

ประเภทแบคทเรย

สารอาหาร สมการ ΔG0 (kJ/mol)

SRB อะซเตท CH3COO- + SO42- → HS- + 2HCO3- -47.6

MPB อะซเตท CH3COO- + H2O → CH4 + HCO3- -28.0

จะเหนไดวาพลงงานทไดจากการใชซลเฟตเปนตวรบอเลกตรอนโดยแบคทเรย รดวซซลเฟต จะมากกวาพลงงานทไดจากการผลตมเทนของแบคทเรยสรางมเทน ดงนนเมอพจารณาเฉพาะปจจยทางเทอรโมไดนามกส กรณทสารอาหารไมเปนตวจากดอตราการเจรญเตบโตแลว แบคทเรยรดวซซลเฟตมแนวโนมทจะเอาชนะแบคทเรยสรางมเทนได • ปจจยทางจลนศาสตร คาพารามเตอรทางจลนศาสตรทนามาพจารณาในการแขงขนกนแยงใชอะซเตทของแบคทเรยรดวซซลเฟตและแบคทเรยสรางมเทน แสดงในตารางท 5.7 ซงจากขอมลทางเทอรโมไดนามกส พบวาแบคทเรยรดวซซลเฟตมขอไดเปรยบแบคทเรยสรางมเทนอยางชดเจน สวนขอมลทางจลนศาสตรในตารางท 5.7 พจารณาคา μmax/Ks ทสภาพแวดลอมในการวจยคลายๆ กน (เชน เปรยบเทยบ

ระหวาง Enrichment culture ดวยกน หรอ Granular sludge ดวยกน) พบวาคา μmax/Ks ของแบคทเรยรดวซซลเฟตมคามากกวาทงหมด โดยเฉพาะอยางยงท

ความเขมขนของอะซเตทตา แบคทเรยรดวซซลเฟตสามารถเอาชนะแบคทเรย


5-15

สรางมเทนไดเนองจากอตราการใชสารอาหารทสงกวา และเมอพจารณาถง คายลดกพบวาแบคทเรยรดวซซลเฟตสวนใหญกมคายลดทสงกวาดวย แสดงใหเหนถงความสามารถในการใชสารอาหารและการเจรญเตบโตทเหนอกวาของแบคทเรยรดวซซลเฟต

5.3 ปจจยแวดลอมทมผลตอความสมพนธของแบคทเรยรดวซซลเฟตและแบคทเรยสรางมเทน

ในประเดนเรองการแขงขนระหวางแบคทเรยรดวซซลเฟตและแบคทเรยสรางเทน ความรทางทฤษฎแสดงใหเหนแลววา แบคทเรยรดวซซลเฟตควรจะชนะแบคทเรยสรางมเทนในการแยงใชสบสเตรท อยางไรกตาม การทดลองวจยในหองปฏบตการไดผลทขดแยงกน บางชนกสนบสนนขอมลจลนศาสตรและเทอรโมไดนามกซ แตหลายชนกขดแยง ดงจะเหนไดจากตารางท 5.8 ซงแสดงผลวจยทไดจากการทดลองบาบดนาเสยทมซลเฟตสง (Visser 1994) การทดลองนมการเลยงแบคทเรยในสภาพทเปนเมดและทเปนฟลมดวยสบสเตรท 2 ชนดคอ อะซเตทและกรดอนทรยระเหยอน ปรากฎวาบางการทดลองมเฉพาะกาซมเทนแตกมการทดลองทไมเกดกาซมเทนเลย Visser (1994) อธบายวา ในสภาพแวดลอมบางอยางทเหมาะสม แบคทเรยสรางมเทนยงมโอกาสทจะเอาชนะแบคทเรยรดวซซลเฟตได นนกคอ นอกเหนอจากปจจยทางเทอรโมไดนามกสและจลนศาสตรทจะตองนามาพจารณาแลว ยงคงมปจจยอนๆ อกทตองนามาพจารณาประกอบ เพอดวาแบคทเรยประเภทใดจะเปนฝายชนะในการแยงใชอะซเตท ปจจยทอาจมผลตอการแขงขนระหวางแบคทเรยรดวซซลเฟตและแบคทเรยสรางเทน ปจจยเหลานน ไดแก


5-16

ตารางท 5.7 คาพารามเตอรทางจลนศาสตรของแบคทเรยรดวซซลเฟตและแบคทเรย

สรางมเทนทใชอะซเตทเปนสารอาหาร (Visser, 1994) ชนด KS

(mM)

μmax

(วน –1)

μmax/KS ยลดแท

(g VSS⋅mol-1)

พเอช อณหภม

(°ซ)

SRB Desulfobacter postagei 1.03 2.56 28 Desulfotomaculum Acetoxidans 0.55 5.52 7.1 36 Acetoxidans 1.44 7.55 7.1 36 Deslufonema limicola 0.55 7.6 30 Enrichment culture 0.10 0.51 5.1 31 Biofilm 0.17 0.015 0.088 3.7 7.5 30 Granular sludge 0.9 0.11 0.12 7.5 30 crushed granular sludge 0.17 0.06 0.35 7.5 30 MPB Methanothrix Soehngenii 0.44 0.11 0.25 1.47 7.6 37 Concilii 1.20 0.69 0.575 1.15 7.2 35 Methanosarcina barkeri 0.69 2.4 3.47 6.3 35 Enrichment culture 5.60 0.26 0.046 30 Enrichment culture 0.55 0.037 0.067 3.2 7.5 30 Granular sludge 0.9 0.08 0.089 7.5 30

Crushed granular sludge 0.41 0.04 0.098 7.5 30


5-17

ตารางท 5.8 ผลการวจยของการใชถงปฏกรณไมใชอากาศบาบดนาเสยทมซลเฟตสง

(ดดแปลงจาก Visser, 1994) สบสเตรท Biomass % COD กลายเปน

ไฮโดรเจนซลไฟล อตราสวน CH4:H2S

Ref.

อะซเตท ฟลมชวภาพ 62.5 0.5 1 อะซเตท ฟลมชวภาพ - >0.9 1 อะซเตท สลดจเมด 0.0 ∞ 2 อะซเตท สลดจเมด 100 0 3

กรดไขมน สลดจเมด 25 3 4 ระเหยตางๆ สลดจเมด 66.7 0.5 5

1. Yoda และคณะ, 1988; 2. Renzema, 1988; 3. Visser, 1994; 4. Rinzema และคณะ,1986 5. Rinzema และ Schultz, 1987

• อณหภม แบคทเรยรดวซซลเฟตและแบคทเรยสรางมเทนทใชอะซเตทมชวงอณหภมทสามารถเจรญเตบโตไดและอณหภมทเหมาะสมทสดตอการเจรญเตบโตใกลเคยงกนโดยเฉพาะในชวงอณหภมเมโซฟลก ซงจากผลการทดลองของ Visser (1994) พบวา activity ของสลดจของแบคทเรยรดวซซลเฟตและของแบคทเรยสรางมเทนมคาใกลเคยงกนซงคา activity นเปนฟงกชนของอณหภม ดงนนเมอพจารณาในชวงเวลาสนๆ จงคาดวาจะไมมผลกระทบจากอณหภมในชวงเมโซฟลก Visser และคณะ (1993 อางถงใน Visser, 1994) ศกษาถงผลกระทบเนองจากอณหภมทเปลยนแปลงอยางกระทนหนทมตอกระบวนการซลเฟตรดกชน และกระบวนการสรางมเทนในถงปฏกรณยเอเอสบ พบวาการเพมอณหภมเขาสชวง


5-18

55–65 องศาเซลเซยสอยางกระทนหน ทาใหแบคทเรยรดวซซลเฟตไดเปรยบแบคทเรยสรางมเทนในการแยงใชอะซเตทและหลงจากการเพมอณหภมนกพบวาการใชสารอาหารเนองจากแบคทเรยรดวซซลเฟตมคาสงขน แสดงใหเหนวาสภาวะในชวงเทอรโมฟลกเอออานวยใหแบคทเรยรดวซซลเฟตเอาชนะแบคทเรยสรางมเทนได ทงในการแยงใชไฮโดรเจนและอะซเตท • ความเขมขนของอออนของเหลก (Fe2+) กระบวนการไมใชอากาศทมซลเฟตอยดวยมกไดผลตภณฑเปนซลไฟดเกดขนเสมอ และกเปนทรกนมานานแลววาแบคทเรยรดวซซลเฟตมความตองการเหลกในปรมาณทสง ดงนนการตกตะกอนของเหลกซลไฟดสามารถทาใหเกดการจากดการเจรญเตบโตของแบคทเรยรดวซซลเฟตเนองจากการขาดเหลกได และอาจทาใหแบคทเรยสรางมเทนมขอไดเปรยบและสามารถเอาชนะแบคทเรยรดวซซลเฟตได • การเกาะตดของแบคทเรย นอกจากลกษณะสมบตเฉพาะตว (ทางจลนศาสตรสและเทอรโมไดนามกส)แลว ความสามารถในการเกาะตดหรอสรางเมดตะกอนเปนอกปจจยหนงทกาหนดผลการแขงขน สงททาใหถงปฏกรณแบบไมใชอากาศแบบฟลมชวภาพสามารถทางานไดทอตราบาบดสงอยางมประสทธภาพนน ขนอยกบการเกาะตดของมวลชวภาพและเวลากกเซลล แบคทเรยทไมมความสามารถในการเกาะตวเปนเมดสลดจหรอฟลมชวภาพจะถกพดพาออกไป ในขณะทแบคทเรยทมความสามารถในการเกาะตดจะยงคงอยในถงปฏกรณ


5-19

Isa และคณะ (1986) ทาการทดลองหาบทบาทของความสามารถในการเกาะตดของแบคทเรยรดวซซลเฟตและแบคทเรยสรางมเทนในถงกรองไมใชอากาศทปอนดวย อะซเตท, เอทธานอลและซลเฟตมากเกนพอ พบวาอะซเตทและเอทธานอลจานวนมากถกยอยสลายไดอยางมประสทธภาพ นอกจากน Isa ยงสงเกตเหนวาอตราสวนระหวางจานวนของแบคทเรยสรางมเทนทมอยในถงปฏกรณตอจานวนทมอยในนาทงมคาสงกวาอตราสวนของแบคทเรยรดวซซลเฟตมาก ยงไปกวานน Isa ยงพบวา activity ทวดไดในถงปฏกรณจะสมพนธกบแบคทเรยสรางมเทนมากกวา สวนในนาทงจะสมพนธกบแบคทเรยรดวซซลเฟตมากกวา ขอมลเหลานแสดงใหเหนถงความสามารถในการเกาะตดทเหนอกวาของแบคทเรยสรางมเทน ทาใหแบคทเรยสรางมเทนสามาถแขงขนกบแบคทเรยรดวซซลเฟตไดอยางมประสทธภาพ แต Visser (1994) ไดแสดงความคดเหนเกยวกบการทดลองของ Isa และคณะ (1986) ไววาการทดลองของ Isa ขาดความถกตองในเรองการนบจานวนแบคทเรยและการวด activity ซงอาจทาใหผลการทดลองทไดคลาดเคลอนจากความเปนจรง ตอมา Alphenaar และคณะ (1993) และ Visser และคณะ (1993b) (อางถงใน Visser, 1994:8) ไดศกษาถงกระบวนการเกดเปนเมดสลดจในถงปฏกรณยเอเอสบทบาบดนา เสยทมซลเฟต พบวากระบวนการซลเฟตรดกชนจะกลายเปนกระบวนการหลกในการกาจดสารอนทรยถาหากมเวลามากพอ เมดสลดจเกดขนไดดและเปนเมดสลดจททาใหเกดการรดวซซลเฟตเปนหลก แตอยางไรกตามในการทดลองเดยวกนนพบวา แบคทเรยรดววซลเฟตไมสามารถสรางเมดสลดจขนมาไดเองโดยไมมแบคทเรยสรางมเทน โดยสลดจทเกดขนจะมลกษณะเปนเ พ ย ง


5-20

ฟลอคเทานน ซงสนนษฐานวาแบคทเรยรดวซซลเฟตอาจใชแบคทเรยสรางมเทนเปนแกนในการเกดเมด แสดงวาในระบบผสมทมทงแบคทเรยรดวซซลเฟตและแบคทเรยสรางมเทน แบคทเรยรดวซซลเฟตจะมความสามารถในการเกาะตดเพยงพอทจะแขงขนกบแบคทเรยสรางมเทนในการใชสารอาหารทงไฮโดรเจนและอะซเตท ดงนน จงนาจะตงสมมตฐานไดวาความสามารถในการเกาะตดของแบคทเรยสรางมเทนและแบคทเรยรดวซซลเฟตมคาใกลเคยงกนมากกวาทจะแตกตางกนอยางมากมาย

• อตราสวนซโอดตอซลเฟต จากปจจยทางจลนศาสตรและเทอรโมไดนามกสทไดกลาวมาแลวขางตน จะเหนไดวาแบกทเรยรดวซซลเฟตไดเปรยบแบคทเรยสรางมเทนในการแขงขนใชสารอาหารและมแนวโนมวาจะชนะแบคทเรยสรางมเทนได แตในทางปฏบตแลวแบคทเรยชนดใดจะเปนผชนะขนอยกบสภาพแวดลอมในขณะนนเปนอยางมาก เชน ในกรณทซลเฟตเปนตวจากดการเจรญเตบโตของแบคทเรยรดวซซลเฟต แบคทเรยสรางมเทนกมโอกาสทจะเอาชนะแบคทเรยรดวซซลเฟตได หรอในกรณทสารอนทรยในระบบมอยอยางจากดในขณะทมซลเฟตอยอยางเหลอเฟอ ซโอดเปนตวจากดการเจรญเตบโตของแบคทเรยทงสองประเภท แบคทเรยรดวซซลเฟตกมโอกาสเอาชนะแบคทเรยสรางมเทนไดเชนกน ดงนน ปจจยอกประการหนงทสาคญมากในการตดสนวาแบคทเรยประเภทใดจะเปนฝายชนะในระบบหนงๆ จงขนอยกบอตราสวนระหวางซโอดตอซลเฟต โดยทศกยภาพของแบคทเรยสรางมเทนในการเอาชนะแบคทเรยรดวซซลเฟตจะมมากขนเมออตราสวนนมคาสงขน ในทางกลบกนแบคทเรยรดวซซลเฟตกมโอกาสเอาชนะแบคทเรยสรางมเทนไดมากขนเมออตราสวนนลดตาลงและความเขมขนของซลไฟดทเกดขนไมสะสมจนทาใหเกดการยบยงการใชสารอาหาร แตขอมล


5-21

เกยวกบอตราสวนนยงไมเปนทแนนอนเชนเดยวกบความเขมขนของซลไฟดททาใหเกดการยบยงการทางานของแบคทเรย โดยงานวจยของ Choi และ Rim (1991 อางถงใน McCartney และ Oleskiewicz, 1993: 656) พบวาอตราสวนนมคาระหวาง 1.7–2.7 ถาอตราสวนซโอดตอซลเฟตมคาอยระหวางนจะเกดการแขงขนระหวางแบคทเรยทงสองประเภท แตถาอตราสวนสงกวาน แบคทเรยสรางมเทนจะเปนฝายชนะ ในทางกลบกนถาอตราสวนซโอดตอซลเฟตตากวาคาน แบคทเรยรดวซซลเฟตกจะเอาชนะไดเชนกน งานวจยของ Prasad (1991 อางถงใน McCartney และ Oleskiewicz, 1993: 656) พบวาอตราสวนนมคาเทากบ 1 และในงานวจยของ McCartney และ Oleskiewicz (1993:663) เองพบวาอตราสวนนมคาระหวาง 1.6–3.7 จากงานวจยทงหลายทไดกลาวมานสามารถสรปไดดงตารางท 5.9 ตารางท 5.9 ผลของอตราสวนซโอดตอซลเฟตตอการแขงขนของแบคทเรยสรางมเทน

และแบคทเรยรดวซซลเฟตในงานวจยตาง ๆ อตราสวนซโอดตอซลเฟต ลาดบ

ท SRB ชนะ MPB ชนะ

ชนดของ สารอาหาร

ลกษณะถง ปฏกรณ

ผวจย

1 0.5 6 บวทเรต chemostat Mizuno O., Li Y.Y. และ Noike T. (1994)

2 1.6 3.7 - ขวดซรม McCartney และ Oleszkiewicz (1993)

3* 1.7 2.7 แลกเตท - Choi และคณะ (1991) 4* - > 1 - - Prasad และคณะ (1991)

* อางถงใน McCartney และ Oleszkiewicz (1993)


5-22

• ความเขมขนของซลเฟต ดงทไดกลาวมาแลวกอนหนาน การเจรญเตบโตของแบคทเรยรดวซซลเฟตสามารถถกจากดไดเนองจากความเขมขนในระบบของสารใหอเลกตรอน (อะซ-เตท) และสารรบอเลกตรอน (ซลเฟต) ดงแสดงในรปท 5.3 ซงแสดงใหเหนถงผลกระทบของความเขมขนของซลเฟตทมตอพารามเตอรทางจลนศาสตรทวดไดจากเมดสลดจ รปท 5.3 แสดงใหเหนไดอยางชดเจนวา ทความเขมขนของซลเฟตตาๆ นน แบคทเรยสรางมเทนเจรญเตบโตไดดกวาแบคทเรยรดวซซลเฟต

รปท 5.3 ความเขมขนของซลเฟตทมผลตอการเตบโตของแบคทเรยรดวซซลเฟต และแบคทเรยสรางมเทน


5-23

นอกเหนอจากการจากดอตราการเจรญเตบโตเนองจากซลเฟตโดยตรงแลว ทระดบความเขมขนของซลเฟตตาๆ แบคทเรยรดวซซลเฟตทยอยสลายอะซเตทจะตองแขงขนกบแบคทเรยรดวซซลเฟตชนดอนๆ เพอแยงซลเฟตทมอยดวย ซงแบคทเรยรดวซซลเฟตแตละชนดกมความสามารถในการนาซลเฟตมาใชทแตกตางกน ดงแสดงในตารางท 5.10 จะเหนไดวา Desulfobacter postagei ซงเปนแบคทเรยทบรโภคอะซเตทมความชอบซลเฟต (Sulfate Affinity, KS) นอยกวา Desulfovibrio ซงเปนพวกบรโภคไฮโดรเจน Visser (1994) แสดงใหเหนวาความชอบซลเฟตจะลดลงตามลาดบตอไปน คอ Desulfovibrio, Desulfobulbus และ Desulfobacter ซงมความสามารถในการยอยสลายไฮโดรเจน, โพรพโอเนตและอะซเตทตามลาดบ

ตารางท 5.10 ความชอบซลเฟต (Sulfate Affinity, KS) ของแบคทเรยรดวซซลเฟต

Species KS (mg/l SO4)

Desulfovibrio vulgaris (Marburg) 0.5 Desulfovibrio vulgaris (Hildenborough) 3

Desulfovibrio sapovorans 0.7

Desulfovibrio salexigens 7 Desulfobacter postagei 19 ฟลมชวภาพ, อะซเตทเปนตวใหอเลกตรอน 45 สลดจแขวนลอย, อะซเตทเปนตวใหอเลกตรอน 30


5-24

ดงนนภายใตสภาวะทมซลเฟตอยอยางจากด จงเปนทคาดกนวาแบคทเรยรดวซซลเฟตทบรโภคอะซเตทจะถกแบคทเรยรดวซซลเฟตประเภทอนๆ เอาชนะได ซงจะทาใหแบคทเรยสรางมเทนสามารถแขงขนกบแบคทเรยรดวซซลเฟตไดในการแยงใชอะซเตท แตสาหรบนาเสยทมซลเฟตมากเกนพอ การแขงขนเพอแยงซลเฟตดเหมอนวาจะมความสาคญลดลง อยางไรกตาม เนองจากมขอจากดในการแพรของซลเฟตเขาไปในฟลมชวภาพหรอเมดสลดจ อาจทาใหการจากดเนองจากซลเฟตในมวลชวภาพยงคงมอย นกวจยยงพบวาความเขมขนของซลเฟตทนอยกวา 50 มก./ล. ทาใหเกดการจากดเนองจากซลเฟตในฟลมชวภาพและสาหรบการเตบโตเปนสลดจ ระดบความเขมขนซลเฟตทตากวา 300 มก./ล. ทาใหเกดการจากดเนองจากซลเฟต • พเอช เชนเดยวกบสงมชวตขนาดเลกในนาทวไป การเจรญเตบโตของแบคทเรยรดวซซลเฟตและแบคทเรยสรางมเทนขนอยกบพเอชในนาทอาศยอย Visser และคณะ (1994) ศกษาถงผลกระทบของพเอชทมตอกระบวนการซลเฟตรดกชนและ

กระบวนการสรางมเทนภายใตสภาวะเทอรโมฟลก (55°ซ) ผลการศกษาแสดงดงตารางท 5.11 ซงแสดงใหเหนอยางชดเจนวาทพเอชสง กระบวนการซลเฟตรดกชนจะกลายเปนกระบวนการทโดดเดน ในขณะทคาพเอชเขาใกลคาพเอชทเปนกลางมากขน แบคทเรยสรางมเทนกสามารถแขงขนกบแบกทเรยรดวซซลเฟตไดมากขน สวนผลการทดลองในชวงเมโซฟลกกไดผลทคลายคลงกน (Visser, 1994)


5-25

ตารางท 5.11 สดสวนการใชซโอดของแบคทเรยรดวซซลเฟตและแบคทเรยสรางมเทน

(Visser และคณะ1994)

%สบสเตรททยอยโดย SRB และ MPB*

ระดบพเอชทใช ซโอดทงหมด** อะซเตท

SRB MPB SRB MPB

6.5-7.5

เฉลย 48 52 33 67

8.0-8.5 เฉลย 85 15 79 21

* การทดลองใชถงปฏกรณยเอเอสบ, อณหภม 55 องศาเซลเซยส ** ใชอะซเตท, พรอพโอเนท และบวทเรท รวมกบซลเฟต

• สารประกอบทเปนพษ แบคทเรยสรางมเทนและแบคทเรยรดวซซลเฟตกเหมอนกบแบคทเรยอนทถกยบยงเนองจากสารประกอบทเปนพษชนดตางๆ กน ซลไฟดทเกดขนจากระบวนการซลเฟตรดกชนกเปนสารประกอบทเปนพษชนดหนงดวย ความเปนพษทเกดจากซลไฟดมผลตอการแขงขนระหวางแบกทเรยทงสองกลม


6-1

บทท 6 จลนศาสตรของระบบบาบดแบบไมใชอากาศ

6.1 กจกรรมตางๆ ทเกดขนในระหวางการดารงชวตของจลนทรย การสรางโมเดลทางจลนศาสตรของระบบชวเคม จาเปนตองจาแนกกจกรรมตางๆทเกดขนในระหวางการดารงชวตของจลนทรยใหไดเสยกอน จากนนจงวเคราะหจลนศาสตรของกจกรรมเหลานนทละอยางใหมความสมพนธกบพารามเตอรหลกของระบบชวเคม เชน ความเขมขนของจลนทรยและของสบสเตรต เปนตน จลนศาสตรของระบบชวเคมตางประเภทกนจะประกอบดวยจลนศาสตรของกจกรรมตางๆ ของจลนทรยรวมกนในหลากหลายแงมม กจกรรมตาง ๆ ของจลนทรยทมชวตสามารถจาแนกออกไดเปน 3 อยาง ดงน ก) การเจรญเตบโตของเซลล (ใชหรอบรโภคสบสเตรต) ข) การยอยสลายตวของเซลล (Decay) ซงรวมถงกจกรรมทกอยางททาใหมวล

ชวภาพลดนอยลง ค) การตาย การเจรญเตบโตและการใชสบสเตรตเกดขนตอเนองกน จงสามารถกลาวไปพรอมๆ กนได จลนทรยบรโภคสบสเตรตเพอใหไดพลงงานสาหรบดารงชวตและเพอสรางเซลลใหมหรอซอมแซมสวนสกหรอ เมอเตมแบคทเรยทมชวตจานวนเลกนอยลงไปในขวดเพาะเชอทมสารละลายอาหารอยอยางสมบรณและพอเพยง สภาวะแวดลอมทเหมาะสมจะทาใหแบคทเรยมการเจรญเตบโตอยางเตมท การเตบโตของเซลลเปนการสะทอนใหเหนถงการ


6-2

ทางานของระบบเอนไซมทใชผลตมหโมเลกลตางๆใหกบไซโตพลาสม อยางไรกตาม การเพมมวลใหกบไซโตพลาสมและการเจรญเตบโตของจลนทรยมขดจากด กลาวคอ เมอเตบโตขนถงขนาดแลว เซลลจะมการแบงตวทาใหไดเซลลใหมเกดขนซงถอวาเปนการขยายพนธนนเอง อตราการเจรญเตบโตของแบคทเรยสวนใหญจะมรปแบบดงแสดงไดดวยกราฟในรปท 6.1 กราฟในภาพนเรยกวา กราฟของการเตบโต (Growth Curve) การเตบโตของจลนทรยอาจแบงออกไดเปน 6 ระยะ ดงน 1. ระยะปรบตว (Lag Phase) จลนทรยกาลงปรบตวใหเขากบสงแวดลอมใหมจง

ตองการเวลาแบงตวมาก ไมมการเตบโตเกดขน ขนาดของเซลลและอตราการเกดเมตาบอลสมมคาสงสด

2. ระยะเรงเตบโต (Acceleration Phase) เวลาแบงตวสนลง และมอตราเจรญเตบโตเพมขน

3. ระยะเจรญเตบโตถงขดสด (Exponential Phase) เวลาแบงตวคงทและสนทสด อตราการเจรญเตบโตจาเพาะถงระดบสงสดและคงท การบรโภคสบสเตรตมอตราสงสด ระยะนถอวาเปนสภาวะคงตว (Steady State) ของเซลล ซงแสดงใหเหนไดจากการทพารามเตอรตางๆ เชน DNA/Cell,RNA/Cell, Protein/Cell ความหนาแนนของเซลล เปนตน มคาคงทและเซลลมขนาดเลกทสด

4. ระยะลดการเตบโต (Declining Growth หรอ Retardation Phase) ตองการเวลาแบงตวของเซลลเพมขนและอตราการเจรญเตบโตเรมลดลงเพราะสบสเตรตมปรมาณลดลง ระยะนมการสะสมของเมตาบอไลตทเปนพษเพมขน

5. ระยะพกการเตบโต (Stationary Phase) ไมมอาหารหรอสบสเตรตเหลออกแลว เมตาบอไลตทเปนพษมปรมาณสง


6-3

รปท 6.1 กราฟของการเตบโตของจลนทรย


6-4

6. ระยะยอยสลายตวเอง (Endogenous Phase) การขาดแคลนอาหารทอยภายนอกเซลล ทาใหแบคทเรยในระยะนตองยอยสลายตวเอง เพอใหไดพลงงานสาหรบใชดารงชวต (ทาใหความเขมขนของแบคทเรยมปรมาณลดลง) อตราตายของแบคทเรยอยในระดบสง และมการแตกของเซลลเกดขนดวย

อนง ควรตองตระหนกวา การเตบโตเปนระยะทง 6 ชวงนไมไดเปนคณสมบตรวมขนพนฐานของเซลลแบคทเรยทวไป กลาวคอ แบคทเรยไมจาเปนตองมการเตบโตทง 6 ระยะการเพาะเลยงแบคทเรย (แบบไมตอเนอง) ในถงเท (Batch Reactor) มโอกาสจะพบการเตบโตทง 6 ระยะเกดขนตามลาดบ แตการเพาะเลยงแบคทเรยแบบตอเนอง อาจสามารถกาหนดและรกษาระยะเตบโตใหอยในชวงใดๆ ทตองการได

6.1.1 การเตบโตของจลนทรยและการบรโภคสบสเตรต เนองจากแบคทเรยแบงตวโดยอาศยวธไบนารฟซซน (Binary Fission) ซงเปนผลใหจานวน (หรอมวล) ของมนเพมขนอยางทวคณ (Exponential) อตราเรวของการเตบโตของแบคทเรยจงเปนปฏกรยาทมลาดบหนงดงน

rGXv = μ Xv (6.1)

โดยท rGXv = เปนอตราการเพมของแบคทเรยทมชวต (มก./ล.- ชม.) Xv = เปนความเขมขนของแบคทเรยทมชวต (มก./ล.)

μ = เปนอตราจาเพาะของการเตบโต (Specific Growth Rate) (ชม-1)


6-5

μ นบเปนคาจาเพาะ เพราะหมายถงอตราการเตบโตของเซลลทวดในเทอมของความเขมขนของเซลลทมอยในขณะททาการวด กลาวคอ เปนอตราการเพมของเซลลทมชวตตอหนงหนวยมวลของเซลลทมชวตทมอยแลวในขณะนน ดงไดกลาวมาแลววา Yg (True Growth Yield) เปนยลทไดจากการเจรญเตบโตซงไมตองแบงสบสเตรตใหกบการสรางพลงงาน อาจเขยนแทน Yg ไดดวยสมการดงน Yg = rGXv / rs (6.2) โดย rs = เปนอตราการบรโภคสบสเตรต (มก./ล. - ชม.) เมอรวมสมการ (6.1) และ (6.2) เขาดวยกน จะไดสมการลาดบหนงทมรปคลายกบสมการ (6.1) ดงน rs = ( μ / Yg ) Xv (6.3) จะเหนไดวา rs แปรโดยตรงกบปรมาณของแบคทเรยทมชวต (Xv) ถาให q = μ/Yg และเรยก q วาเปนอตราจาเพาะในการกาจดสบสเตรต (Specific Rate of Substrate Removal) จะไดสมการใหมจากสมการ (6.3) ดงน rs = q Xv (6.4)

สมยกอนเชอกนวา การเพมจานวนของแบคทเรยแบบทวคณนสามารถเกดขนได กตอเมอมสบสเตรตและสารอาหาร (Nutrient) อยางอนอยเปนจานวนมาก


6-6

อยางไรกดนบตงแตป พ.ศ.2483 เปนตนมา มขอพสจนวา แบคทเรยสามารถเพมจานวนแบบทวคณได แมกระทงในขณะทมสารอาหารและสบสเตรตในจานวนนอย (1) นอกจากนยงพบอกวา μ ขนอยกบความเขมขนของสารทเปนตวกาหนดอตราการเตบโตเทานน (Growth Limiting Nutrient) สารทกาหนดอตราเรวของการเตบโตคอสารทมปรากฏอยในจานวนนอยกวาจานวนทเซลลตองการใช สาหรบการเจรญเตบโต (เมอเปรยบเทยบกบสารอาหารตวอน ซงมจานวนเหลอเฟอ) สารนอาจจะเปนสารอนทรยสบสเตรต, ไนโตรเจน, ฟอสฟอรส, ออกซเจน หรอธาตอะไรกไดทจาเปนตองใชในการเจรญเตบโตของเซลล อยางไรกตาม สารกาหนดอตราการเตบโตจะตองมอยตวเดยวและเปนตวแปรตามทมปรมาณเปลยนแปลง นบตงแตเวลานนเปนตนมา แนวความคดหรอการคนพบดงกลาวไดรบการขยายความเพมเตมออกไปเปนอนมาก และเปนทยอมรบกนในปจจบนวาเปนพนฐานของความรในดานจลนศาสตรของจลนทรย

6.1.2 การยอยสลายตวเองของจลนทรย (Microbial Decay) การยอยสลายตวเองของเซลล เปนพารามเตอรทรวมถงการสญเสยของมวลชว-ภาพทกแบบ การทตองใหนยามของพารามเตอรตวนกอน เพราะวาการสญเสยมวลชวภาพโดยเฉพาะในการเลยงจลนทรยแบบผสม (Mixed Culture) มสาเหตมาจากหลายทางนอกเหนอจากการยอยสลายตวเองอยางแทจรงของเซลล ซงหมายถงการใชสวนประกอบภายในเซลลเพอสรางพลงงานสาหรบดารงชวตในระหวางทไมมสบสเตรตอยภายนอกเซลล ตวอยางกคอความสมพนธระหวาง ผลาและเหยอ (Predator and Prey) เชน โปรโตซวกนแบคทเรย ทาใหมวลของโปรโตซวเพมขน สวนมวลของแบคทเรยจะลดลง แตเนองจากประสทธภาพของการเจรญเตบโตไมมทางถง 100% มวลทเพมขนของโปรโตซวยอมนอยกวามวลของ


6-7

แบคทเรยทถกกนเสมอ ผลสทธทปรากฏกคอมการลดลงของมวลชวภาพทงหมด แมวาปฏสมพนธระหวาง Prey และ Predator สามารถถายทอดออกมาใหเหนเปนโมเดลได แตกมความสลบซบซอนมาก ดงนนสมการทใชออกแบบปฏบตการชวเคม มกพอใจแคเพยงสะทอนความสมพนธระหวาง Predator และ Prey ออกมาใหเหนเปนการสญเสยมวลชวภาพทรวมอยในเทอม อตราการยอยสลาย (Decay) ของเซลล ตวอยางอกประการหนงของการสญเสยมวลชวภาพกคอ การแตกของเซลล (Cell Lysis) เปนเหตใหมการรวไหลออกมาภายนอกเซลลของโปรโตพลาสม หรอสวนประกอบอยางอนของเซลล ดวยเหตน จงเหนไดวาการยอยสลายของเซลลเปนเทอมรวมทมาจากสาเหตหลายอยางๆ ในการเขยนสมการสาหรบการยอยสลายของเซลลจงมกสมมตวา อตราเรวของการสลายตวของเซลลขนอยกบชนดของเซลล (ตายหรอมชวต) ดงน อตราการสลายตว ของเซลลมชวต = rDXv = bv Xv (6.4) อตราการสลายตวของเซลลตาย = rDXd = bd Xd (6.5) โดยท bv และ bd เปนอตราจาเพาะของการยอยสลายของเซลลทมชวตและเซลลตายตามลาดบ เซลลทมชวตจะสญเสยมวลชวภาพไปไดโดยทกแบบของการยอยสลายของเซลล (เชนยอยสลายตวเอง, เซลลแตก และถกกนโดยเซลลทอยตระกลสงกวา สวนการสญเสยมวลของเซลลทตายแลวมอย 2 แบบ คอ โดยทางไลซส และถกกนโดยจลนทรยอน ดงนนจงนาจะเปนไปไดวา คา bv ควรจะสงกวา bd โมเดลทางจลนศาสตรโดยทวไป มกไมแยกความแตกตางระหวาง bv และ bd กลาวคอมกใชคา b เพยงอยางเดยวแทนทง bv และ bd ทงนโดยถอวา b เปน


6-8

คาเฉลยของเซลลทมชวตและไมมชวต เนองจากดงกลาวมาแลววา bd ควรจะตากวา bv ดงนนในกรณทระดบความมชวต (Viability) ของกลมจลนทรยลดนอยลง คาของ b จงควรจะลดลงดวยหมายความวา b ไมควรมคาคงทเพราะสามารถเปลยนแปลงไดตามสภาวะการเจรญเตบโตของเซลล อยางไรกด ในทางปฏบตมกถอวา คา b จะคงทสาหรบการเพาะเลยงจลนทรยนนคอ b = bd = bv (6.6) เนองจากในเอกสารอางองสวนใหญมกจะกลาวถงเฉพาะแตคาของ b ขอมลเกยวกบ bd และ bv หาไดยากมาก จงสมมตวาสมการ 6.6 สามารถใชไดในทางปฏบต ตารางท 6.1 เปนคาทวไปของ b ทไดจากการเพาะเลยงจลนทรยใชอากาศแบบผสมในนาเสยจากแหลงตางๆ (ขอมลของตารางนไดมาจากการเลยงจลนทรยใหเตบโตอยางชาๆ) งานวจยแสดงใหเหนวาชนดของจลนทรยมอทธพลตอคาของ b และแหลงคารบอนทใชกมอทธพลบางเหมอนกน ทงนอาจเนองมาจากอทธพลทมตอชนดของสารพลงงานสงทสะสมอยภายในเซลล ขอทนาสนใจยงกวาคอ ความแตกตางของคา b ทไดจากการเพาะเลยงจลนทรยแบบบรสทธและแบบผสม คา b ทไดมาจากการเลยงเซลลผสมมกนอยกวาประมาณ 10 เทา สาหรบการออกแบบระบบเอเอสทใชบาบดนาเสยชมชนเมอง คา b ควรมคาระหวาง 0.002-0.003 ชม-1 สวนคา b ทใชในการบาบดแบบไมใชอากาศมคาอยในชวง 0.009-0.04 ตอวน (ดตารางท 6.2) ขอใหสงเกตวาขอมลดงกลาวเปนของแบคทเรยหลกทง 4 ชนดทมบทบาทรวมกนในการยอยแบบไมใชอากาศ


6-9

ตารางท 6.1 คา b ของจลนทรยผสมแบบใชอากาศทเลยงในนาเสยประเภทตางๆ

ชนดของนาเสย b , ชม.-1

นาเสยชมชน 0.0020-0.0029 โรงงานสตวปก 0.030 กระดาษและเยอกระดาษ 0.0083 กระดาษและเยอกระดาษ 0.0015 โรงกลนนามน 0.010 แปรรปกง 0.067 ถวเหลอง 0.006 สงทอ 0.030-0.05 สงทอ 0.001 ไทโอซลเฟต 0.00042-0.00083 แปรรปผกและผลไม 0.0012-0.0079 เนยสด เนยแขงและ หางนม 0.0023

ทมา: Grady, C.P.L. Jr. and Lim,H.C (1980)

ในกรณของระบบ UASB ทมเชอแบคทเรยแบบเปนเมด Dollfing (อางถงใน Sam Soon PALNS และคณะ 1991) รายงานวาสวนผสมของเมดเชอแบคทเรยทบาบดนาเสยของโรงงานนาตาลมสวนประกอบดงน Acidogen :H2 Utilizing Methanogen : Acetoclastic Methanogen:Acetogen= 0.9:0.08:0.01:0.01


6-10

จะเหนไดวา แบคทเรยสรางกรดอนทรยระเหยเปนสวนประกอบทมมากทสด (90%) คาคงทตางๆ จงควรพจารณา จากแบคทเรยสรางกรด ดงนน b จงควรมคาประมาณ 0.04 ตอวน

ตารางท 6.2 คาคงท b และ Yg ทรวบรวมโดยSam Soon PALNS และคณะ (1991) ชนดของแบคทเรยและทมาของขอมล b Yg

(ตอวน ) Acidogens Hill and Barth (1977) 0.04 0.14 Denac et al. (1988) 0.04 0.03 Zoetemeyer et al. (1982) - 0.10 Acetogens Lawrence and McCarty (1969) 0.01 0.042 Heyes and Hall (1983) 0.015 - Heyes and Hall (1983) - - Gujer and Zehnder (1983) - 0.036 Acetoclastic methanogens Hill and Barth (1977) 0.04 0.04 Denac et al. (1988) 0.015 0.03 Ten Brummeler et al. (1985) - 0.031-0.034 Lawrence and McCarty (1969) 0.037 0.038 Smith and Mah (1978) - 0.04 Gujer and Zehnder (1983) 0.015 0.04 Lawrence and McCarty (1969) 0.02 0.04 H2-utilising methanogens Shea et al. (1968) 0.009 0.043 Denac et al. (1988) 0.09 0.029 Gujer and Zehnder (1983) - 0.04 Kaspar and Wuhrmann (1978) - -


6-11

6.1.3 คาของยล ยล (Yield) หมายถง ผลผลตมวลชวภาพ (จลนทรย) ทเกดขนจากการบรโภค สบสเตรทคดตอ 1 หนวยของสบสเตรททถกใชไป ยลม 2 ชนดคอ ยลปรากฎ (Apparent Yield) และยลแท (True Growth Yield) สญลกษณทใชคอ Y และ Yg ตามลาดบ ขอยกตวอยางการเลยงกงกลาดาซงใชเวลาเลยงประมาณ 4 เดอน สมมตวาชาวนากงใสอาหารกงไปทงหมด 1.5 ตน ในการเลยงกงใหได 1 ตน ยลหรอผลผลตกงทไดคอ 1/1.5 = 0.67 ตน/ตนอาหาร ตวเลขนเปนยลปรากฎ (Y) ชาวนาแตละคนจะไดคายลปรากฎไมเทากน ผทมความสามารถจะไดคา Y สงกวา ในทางจลนศาสตรของระบบบาบดนาเสย คายลปรากฎเปนผลทไดจากการบาบดนาเสยภายใตสภาวะตางๆ จงมคาไมคงท ในการวเคราะหทางจลนศาสตร วศวกรตองการคายลทมความคงทมากกวายลปรากฎ ถาสบสเตรตทงหมดถกใชในการสงเคราะหเซลลโดยไมตองนาไปใชเปนพลงงาน ยลทไดเรยกวายลแทหรอ True Growth Yield (Yg) และอาจถอวา Yg ข อ ง จลนทรยมคาคงท โดยปกตจลนทรยไมสามารถนาสบสเตรตไปใชสรางเซลลไดทงหมดเนองจากตองใชสรางพลงงานดวย ในทางปฏบต คา Yg ไมมจรงและวดไมได แตคาทใกลเคยงทสด คอ ยลทวดไดในขณะทจลนทรยเจรญเตบโตอยางรวดเรวโดยไมถกจากดดวยสารอาหารใดๆ สบสเตรทแตละตวควรใหคาผลผลตเทากน Yg เปนคายลทดทสดทมอย


6-12

ถาบางสวนของสบสเตรตถกนาไปใชสรางพลงงานเพอดารงชวต ยลทไดจะเปนยลปรากฏหรอ Observed Yield (Yobs) พารามเตอรตวนมคาไมคงทและจะขนอยกบสภาวะการเจรญเตบโตของจลนทรย ซงสามารถควบคมได ตารางท 6.3 แสดงถงคายลแท (Yg) ของจลนทรยตางๆ ของกระบวนการบาบดนาเสย จะเหนไดวา Heterotroph (ในระบบเอเอส) มคา Yg สงกวาแบคทเรยอน (ขอใหเปรยบเทยบในหนวยเดยวกน) MPB มคา Yg ตากวามาก

สาหรบการบาบดนาเสยชมชนและสลดจ คา Yg และคาคงทอนๆ แสดงอยในตารางท 6.4 และ 6.5 ตามลาดบ คา Y ในตารางนหมายถงคา Yg จะเหนไดวา Yg ตองเกดจากแบคทเรย APB และ MPB และมคา 0.18 มก./มก.ซโอด คานคอนขางสงกวาตวเลขทพบในทอน แตกยงตากวา Yg ของระบบใชอากาศ เนองจากสารอาหารแตละชนดใชเลยงแบคทเรย 2 ตระกล (คอพวกสรางกรดและพวกสรางกาซ) ผลผลตเซลลจงตองคดรวมกนจากแบคทเรยทง 2 พวก ตารางท 6.6 แสดงคายลดทไดจากการยอยสลายอาหารตางๆชนดภายใตสภาวะทไมใชอากาศ คารโบไฮเดรตใหพลงงานมากกวาโปรตน จงสามารถสรางเซลลไดมากกวาดงจะเหนไดจากคา Yg ทสงกวา

ตารางท 6.7 ชใหเหนวาแบคทเรยรดวซซลเฟตทบรโภคไฮโดรเจนสวนใหญจะมคายลดทสงกวาแบคทเรยสรางมเทนทบรโภคไฮโดรเจน


6-13

ตารางท 6.3 คายลแทของจลนทรยชนดตางๆ (Rittmann, B.E and McCarty, P.L 2001)

ชนดจลนทรย สารให สารรบ แหลง fso ยลแท,Yg

อเลกตรอน อเลกตรอน คารบอน คา หนวย

Aerobic, Carbohydrate O2 BOD 0.7 0.49 ก.VSS/ก. BODL Heterotroph Other BOD O2 BOD 0.6 0.42 ก.VSS/ ก.BODL

Denitrifier BOD NO3- BOD 0.5 0.25 ก.VSS/ก. BODL

H2 NO3- CO2 0.2 0.81 ก.VSS/ก. H2

S(s) NO3- CO2 0.2 0.15 ก.VSS/ก.S

Nitrifying NH4+ O2 CO2 0.14 0.34 ก.VSS/ ก.NH4

+-N

Autrotroph NO2- O2 CO2 0.1 0.08 ก.VSS/ก. NO2

--N

Methanogen Acetate BOD Acetate Acetate 0.05 0.035 ก.VSS/ก. BODL H2 CO2 CO2 0.08 0.45 ก.VSS/ก. H2

Sulfide Oxidizing Autrotroph

H2S O2 CO2 0.2 0.28 ก.VSS/ ก. H2S-S

Sulfate Reducer H2 SO4- CO2 0.05 0.28 ก.VSS/ก. H2

Acetate BOD SO4- Acetate 0.08 0.057 ก.VSS/ก. BODL

Fermenter Sugar BOD Sugar Sugar 0.18 0.13 ก.VSS/ก. BODL


6-14

ตารางท 6.4 คาคงทจลนศาสตรของการยอยสลายแบบไมใชอากาศของนาเสยชมชนเมอง (Henzen,M and Harremoes,P 1983 )

คาคงท หนวย APB MPB รวม

μm วน-1 2.0 0.4 0.4

Ks มก.ซโอด /ล. 200 50 -

Y มก.VSS/มก.ซโอด 0.15 0.03 0.18

Km มก.ซโอด/มก.VSS -วน-1 13 13 2

ตารางท 6.5 คาคงทจลนศาสตรของการยอยสลดจของนาเสยครวเรอนแบบไมใชอากาศ (Grady,C.P.Jr and Lim,H.C1980)

คาคงท หนวย ชวง คาเฉลย

K วน-1 0.5-2 1.0

Ks มก.ซโอด /ล. 500-2500 1500

Y มก.VSS/มก.ซโอด 0.05-0.15 0.1

kd วน-1 0.02-0.05 0.03


6-15

ตารางท 6.6 คายลดทไดจากการยอยสลายอาหารตางๆ ชนดภายใตสภาวะทไมใชอากาศ (Grady,C.P.Jr and Lim,H.C1980)

ชนดของสารอาหาร Yg (กรมเซลล/กรมซโอดทถกกาจด)

คารโบไฮเดรท 0.35 โปรตน 0.20 อะซเตท 0.032 พรอพออเนท 0.037 บวไทเรท 0.058 ไฮโดรเจน 0.030 ไขมน 0.038

ตารางท 6.7 คายลด (Y) ของแบคทเรยรดวซซลเฟต, แบคทเรยรดวซซลเฟอรและ แบคทเรยสรางมเทนในการใชไฮโดรเจน (Widdel, F 1988)

ประเภทแบคทเรย แหลงพลงงาน ยล (กรม/ โมล ไฮโดรเจน)

Desulfovibrio H2 + SO42- 2.1;2.9 vulgaris (Marburg) H2 + S2O32- 4.2

Desulfotomaculum H2 + SO42- 1.9;3.1 orientis (Singapore I) H2 + SO32- 4

H2 + S2O32- 4.5

Methanosarcina H2 + CO2 0.7-2.2 barkeri strains

Other H2-utilizing H2 + CO2 0.5-1.0 methanogens


6-16

6.2 สมการของโมโนด (Monod Equation) 6.2.1 รปแบบของกราฟโมโนด กราฟโมโนดแบบธรรมดา โมโนด (Monod) ไดทาการทดลองศกษา เกยวกบพฤตกรรมของจลนทรยทเจรญเตบโตในขวดเพาะเชอจลนทรย การทดลองเรมจากการเตรยมขวดเพาะเชอหลายๆ ใบซงภายในขวดแตละใบบรรจสารละลายเจอจางทมสารอาหาร (Nutrient) ตางๆ อยอยางครบถวนในจานวนทพอเพยง ตอไปเตมสารอนทรยใหเปนสบสเตรต (ทกาหนดอตราการเตบโต) ในจานวนตางๆ กน แตตองระวงอยาใหมากเกนไปและเตมเชอแบคทเรยจานวนเลกนอยลงไปดวย แบคทเรยทเตมลงไปจะตองถกทาใหคนเคยกบสารอนทรยทตองการศกษามากอน จากนนใหตดตามการเปลยนแปลงของความเขมขนของเซลลในเวลาตางๆ รปท 6.2 เปนกราฟทไดจากการทดลองนจะเหนไดวาเมอสบสเตรตมความเขมขนสง จะใหกราฟทมความชนมากกวาสบสเตรตทมความเขมขนตา ความชนของกราฟเหลานจะแทนอตราเรวของการเจรญเตบโตของเซลล และดเหมอนวาความชนของกราฟเหลานมคาจากด โดยจะสงเกตเหนวาเมอความเขมขนของสบสเตรตมคาสง กราฟจะอยไมหางกนมาก ดงนน ถาเพมความเขมขนขนไปอกเชอวากราฟเหลานจะตองทบกน ถานาเอาคาความเขมขนของเซลลไปพลอตบนสเกล Log จะไดรปท 6.3 ซงเปนกราฟเสนตรงอยสวนหนง กราฟเสนตรงจะแทนอตราการเพมอยางทวคณของแบคทเรย การหาคา μ สามารถกระทาไดโดยใชสตร μ = 0.693/td โดยท td เปนเวลาทตองการในการเพมมวลของเซลลใหเปนสองเทา ถานาเอาคา μ�ทคานวณจากคาความเขมขนเรมตนของสบสเตรตตางๆ (S) มาพลอตเขาดวยกนดงแสดงในรปท 6.3 กจะเหนความสมพนธระหวาง S และ μ�อยางชดเจน การเพม S จะทาให μ�เพมตาม แตเมอ S มคาสง อตราการเพมของ μ จะ


6-17

ชาลงจนกระทงถงระดบหนงของ S คา μ�จะไมเพมอกเลย (อนทจรงเพมขนแตดวยอตรานอยมาก) กลาวไดวา ถงจดสงสดหรอ μ m โมโนดไดสรางสมการทใชแสดงความสมพนธระหวาง S และ μ ขนดงน

μ = μm S / (Ks + S) (6.7) สมการ (6.7) จงมชอเรยกวาเปน "สมการของโมโนด" ปจจบนสมการโมโนดถอไดวาเปนจดเรมตนของจลศาสตรของระบบชวเคมทมแบคทเรยเปนตวเรงของปฏกรยาในการยอยสลายสารอนทรยและในปฏกรยาทมการเปลยนรปของสาร อนนทรย ในสมการ (6.7) S เปนสารกาหนดอตราเรวของปฏกรยา (ในทนคอการเตบโต) μm เปนคาสงสดทเปนไปไดของ μ�สวน Ks เปนคาคงทซงมคาเทากบความเขมขนของสบสเตรต ในขณะท μ = 1/2 μm


6-18

รปท 6.2 อทธพลของความเขมขนเรมตนของสบสเตรตทมตอ อตราการเจรญเตบโตของจลนทรย

( Grady, C.P.L. Jr. and Lim,H.C 1980)


6-19

รปท 6.3 ลกษณะของกราฟโมโนด (Grady, C.P.L. Jr. and Lim,H.C 1980)


6-20

ถงแมวาในการทดลองขางตนจะใชสารอนทรยเปนสบสเตรตทกาหนดอตราเรวของการเจรญเตบโต การใชสารอนนทรยเชน N, P เปนตน เปนสารกาหนดอตราเรวกจะไดผลอยางเดยวกน ขอสาคญกคอ สารกาหนดอตราเรวจะตองมเพยงตวเดยวและเปนตวทตองการศกษา สารอาหารตวอนๆนอกเหนอจากนนจะตองมจานวนอยางเหลอเฟอ รปรางของกราฟ (ระหวาง S และ μ) อาจผดแผกไปจากรปท 6.3 บาง ทงนขนอยกบคณสมบตของสารทตองการศกษาและปจจยอนๆ เนองจากความคลายคลงระหวางสมการของโมโนดกบสมการของ Michaelis-Menten ทใชในเรองจลนศาสตรของเอนไซมมกทาใหมผเขาใจผดวา สมการทงสองเปนสมการเดยวกน บางคนจงเรยกสมการของโมโนดวาเปนสมการของ Michaelis Menten ความเขาใจขางตนตองถอวาคลาดเคลอน (แมวาจะไมไดสงผลกระทบตอการวเคราะหดานจลนศาสตรหรออนๆ ปรากฏใหเหนกตาม) ทงน เพราะสมการของโมโนดนนเปนสมการทตงเพอใหสอดคลองกบขอมลทไดจากการทดลอง จงควรถอวาเปนสมการเอมไพรคล (Empirical) สวนสมการของ Michaelis-Menten นนมกาเนดมาจากทฤษฎของเอนไซม ไมถอวาเปนสมการเอมไพรคล

กราฟโมโนดแบบทองอตรากาจดสบสเตรท การใชกราฟเจรญเตบโตดงเชนในรปท 6.3 อาจไมตรงกบความตองการของวศว-กรหรอนกวทยาศาสตรสงแวดลอมซงคานงถงการกาจดหรอบรโภคสบสเตรทมากกวา จงมการปรบรปแบบของกราฟโมโนดใหอยในรปของอตราจาเพาะในการกาจดสบสเตรต (q) ดงน เนองจาก q = μ / Yg จาก μ = μm S / (Ks + S)


6-21

ดงนน q = μm S / (Ks + S) Yg (6.8) ถาให (μm /Yg) = qm (6.9) จะได q = qm S / (Ks + S) (6.10) สมการ 6.10 นเปนสมการเอมไพรคลทมลกษณะเดยวกบสมการ 6.7 ซงเปน สมการโมโนด รปท 6.4 เปนตวอยางของกราฟโมโนดทอยในรปของอตราจาเพาะในการกาจดสบสเตรต (q) จะเหนไดวามลกษณะคลายกบกราฟโมโนดแบบธรรมดา

0

1

2

3

4

5

6

0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250

acetate conc,mg/l

rem

oval

rate

kmax = 2 day-1Ks = 20 mg/l

กราฟกาจดสบสเตรทของ M.saeta

รปท 6.4 ตวอยางของกราฟโมโนดทอยในรปของอตราจาเพาะในการกาจดสบสเตรต

(Speece,R.E 1996)


6-22

สมการโมโนดแบบทมการชลอการเจรญเตบโต สบสเตรทบางชนดอาจชลอการเจรญเตบโตของจลนทรยเมอความเขมขนสงเกนระดบทเหมาะสม ขอใหดกราฟโมโนดในรปท 6.5 เปนตวอยาง สบสเตรทดงกลาวมกเปนสารอนทรยเคมประเภท Xenobiotic สมการโมโนดไมสามารถใชอธบายการเจรญเตบโตทมการชลอเชนนไดครบถวน นกวจยหลายคนไดเสนอโมเดลคณตศาสตรของกราฟดงกลาว แตโมเดลทใชกนอยมากทสดคอ สมการของ Andrews ซงองมาจากโมเดลเอนไซมของ Haldane สมการเจรญเตบโตทมการชลอเปนดงน

μ = μm S / (Ks + S + S2 / KI) (6.11) โดยท KI เปนสมประสทธของการชลอตว

รปท 6.5 ลกษณะของกราฟโมโนดทมการชลอการเตบโต

(Grady, C.P.L. Jr.,Daigger,G.T and Lim,H.C 1999)


6-23

จะเหนไดวา เมอ KI มคามากๆ สมการชลอตวนจะกลายเปนสมการโมโนดแบบธรรมดา นนคอ สบสเตรททมผลในการชลอการเตบโตไดมาก จะมคา KI ตา สบสเตรททมผลนอยกวาจะมคา KI สง ในกรณทมการชลอการเตบโตเชนน ทาใหไมสามารถหาคา μm ไดจากการทดลอง Ks จงเปนคาทหาไดอยางไมแมนยานก คา μ สงสดของกราฟในรปท 6.5 จงเปนคา μ* ซงไดจากการทดลอง

μ* = μm / [2(Ks / KI)0.5 + 1] (6.12) และ S* = (Ks x KI)0.5 (6.13) โดยท S* เปนความเขมขนของสบสเตรท เมอ μ มคาเทากบ μ* จากสมการท (2) จะเหนไดวา (Ks/KI) ยงมคาตา μ* กยงมคาสง แตถา (Ks/KI) มคาสง μ* กยงมคาตา แสดงถง การชลอเจรญเตบโตยงมมาก ดงนน ระดบของการชลอตว ควรขนอยกบเทอม Ks/KI มากกวา คา KI โดยลาพง


6-24

6.2.2 สารอาหารทเปนตวกาหนดอตราการเจรญเตบโตของเซลล คา S ในสมการของโมโนดหรอสมการทเกยวของ จะตองเปนคาความเขมขนของสารอาหารทกาหนดอตราเรวของการเจรญเตบโตของเซลล และเปนสบสเตรตหรอสารอาหารทเราตองการศกษา สาหรบในกรณของปฏบตการชวเคมทใชในการบาบดนาเสย สารกาหนดอตราเรวจะเปนสารทตองการกาจด ซงมกจะเปนสารอนทรยคารบอนตางๆ ทละลายอยในนาเสย กรณเชนน ควรมสารอาหารอยางอนอยในปรมาณทสงเกนความตองการของเซลล (นอกจากคารบอนแลว สารอาหารทจา เปนตอการเจรญเตบโตของเซลลทสาคญมอก 3 ชนดคอ ออกซเจน ไนโตรเจนและฟอสฟอรส) สมการสตอยชโอเมตรค (Stoichiometric Equation) อาจใชคานวณปรมาณของสารอาหารเหลาน แตละตวทตองการใชในการเตบโตของเซลล ความเขมขนของสารอาหารทไมตองการศกษาจะตองสงกวาปรมาณทคานวณได จากสมการสตอยชโอเมตรคเพอปองกนมใหเกดการขาดแคลนขนไดในระหวางการเลยงจลนทรยทงนหากสารอาหารตวใดเกดมจานวนทไมพอเพยงสารนนจะกลายเปนสาร กาหนดอตราเรวดวยทาใหเกดความยงยากตางๆ ขนได หลกปฏบตทนยมกนในเรองนไดแก การรกษาระดบความเขมขนของ N, P และ O2 ในนาเสยใหมคาสงกวาคาทคานวณไดจากสมการสตอยชโอเมตรคไมนอยกวา 1 มก./ล. , 0.5 มก./ล. และ 1 มก./ล. ตามลาดบ ในกรณทตองการกาจดแอมโมเนยดวยกระบวนการไนตรฟเคชน (Nitrification) แอมโมเนย และไนไตรต จะเปนสารกาหนดอตราเรวของปฏกรยา และตองระวงใหม P, C และ O2 อยในปรมาณทสงมากเกนความตองการของเซลลอยเสมอ


6-25

6.2.3 อทธพลของ μm และ Ks ทมตอสมการของโมโนด ผลกระทบของ μm และ Ks ทมตอรปรางของกราฟโมโนดสามารถเหนไดงายดวยรปท 6.6 และ 6.7 ตามลาดบ รปท 6.6 เปนกราฟทแสดงถงอทธพลของ μm ทมตอสมการโมโนด โดยใหม Ks คงท จะเหนไดวาเมอ μm มคาสงจะทาให μ ททกระดบของ S มคาสงดวยเสมอ สวนรปท 6.7 เปนกราฟระหวาง μ และ S ทระดบตางๆ ของ Ks โดยม μm คงท จะเหนไดวาเมอ Ks มคาตา กราฟจะชนขนอยางรวดเรวและหกไปทางขวาทนท ในกรณเชนน μ จะมความไวตอการเปลยนแปลงของ S ทมคาตา กลาวคอถา S มคาตา การเปลยนแปลงของ S เพยงเลกนอยจะสงผลกระทบใหกบคา μ เปนอนมาก แตในกรณท Ks มคาสงความชนของกราฟจะตา ทาใหการเปลยนแปลงของ S สงผลกระทบใหกบ μ นอยกวา กรณท Ks มคาตา ระบบชวเคมทใหกราฟทมความชนตา ดงเชนในกรณของกราฟ A และ E ในรปท 6.6 และ 6.7 ตามลาดบ จะเปนระบบทมเสถยรภาพดกวา

6.2.4 คาของ μm และ Ks คา μm และ Ks ขนอยกบชนดของจลนทรยและสบสเตรตเปนอยางมาก ถาเลยงจลนทรยชนดหนงในสบสเตรตหลายๆ ชนดทละอยางภายใตสภาวะแวดลอมทเหมอนกนทกครง คา μm และ Ks จะขนอยกบชนดของสบสเตรต ในทานองเดยวกน ถาเลยงจลนทรยทละชนดใหเตบโตในสบสเตรตชนดเดยวกน ภายในสภาวะแวดลอมเชนเดยวกน คาของ μm และ Ks จะขนอยกบชนดของจลนทรย โดยทวไปแลว สบสเตรตซงยอยสลายไดยากจะมคา μm ตา และ Ks สง ในทางตรงกนขาม สบสเตรตทยอยไดงายมกจะม μm สงและ Ks ตา


6-26

รปท 6.6 อทธพลของ μm ทมตอลกษณะรปรางของกราฟโมโนด (Grady, C.P.L. Jr.and Lim,H.C 1980)


6-27

รปท 6.7 อทธพลของ Ks ทมตอลกษณะรปรางของกราฟโมโนด (Grady, C.P.L. Jr.and Lim,H.C 1980)


6-28

Ks เปนพารามเตอรทแปรเปลยนมากและคาดคะเนไดยากทสด คาของ Ks ขนอยกบความสามารถในการใชประโยชนจากสบสเตรท (Substrate Affinity) เชน Ks ทมคาตา หมายถง ความสามารถในการเจรญเตบโตไดดภายใตสภาวะทมสบ สเตรทตา (แสดงวามชวตอยไดแมจะมอาหารนอย) เนองจากประเภทของจลนทรยมอทธพลในการกาหนดคาของ μm และ Ks การเพาะเลยงจลนทรยแบบผสมจงมคาพารามเตอรทงสองแปรเปลยนไดมาก ถงแมวาจะเลยงอยในสบสเตรตชนดเดยวกตาม เมอนาสมการของโมโนดไปใชกบการบาบดแบบไมใชอากาศ พบวาคาของ μm จะตากวาทใชกบระบบใชอากาศ สวนคาของ Ks จะสงกวาทใชกบระบบใชอากาศ หลายเทา ตารางท 6.8 เปนการรวบรวมคาคงทจลนศาสตรและคาคงทสตอยซโอเมตรกของแบคทเรยไมใชอากาศ 4 ประเภท (Sam–Soon, PALNS et al 1991)จะเหนไดวา คาคงทมความแปรปรวนสง ยกตวอยางเชน μm ของ Acetogen มคาอยในชวง 0.16–1.4 ตอวน สวน Ks มคาอยในชวง 48–330 มก./ล.COD ขอใหเปรยบเทยบคาคาคงทจลนศาสตรของแบคทเรยใชอากาศในตารางท 6.9


6-29

ตารางท 6.8 คาคงท μm และ Ks ทรวบรวมโดยSam Soon PALNS และคณะ (1991) ชนดของแบคทเรยและทมาของขอมล μm Ks

(ตอวน) (มก./ล. COD)

แบคทเรยสรางกรดไขมนระเหย (Acidogens) Hill and Barth (1977) 0.4 150 Denac et al. (1988) 1.2 140 Zoetemeyer et al. (1982) 7.2 22 แบคทเรยสรางอะซเตท(Acetogens) Lawrence and McCarty (1969) 0.31 48 Heyes and Hall (1983) 1.4 250 Heyes and Hall (1983) 1.2 330 Gujer and Zehnder (1983) 0.155 246 Acetoclastic Methanogens Hill and Barth (1977) 0.4 25 Denac et al. (1988) 0.34 237 Ten Brummeler et al. (1985) 0.45-0.72 320 Lawrence and McCarty (1969) 0.24 356 Smith and Mah (1978) 0.60 320 Gujer and Zehnder (1983) 0.34 165 Lawrence and McCarty (1969) 0.39 180 H2-Utilising Methanogens Shea et al. (1968) 1,06 9 Denac et al. (1988) 1.40 0.6 Gujer and Zehnder (1983) 1.40 0.6 Kaspar and Wuhrmann (1978) - 1.26


6-30

ตารางท 6.9 คาของ μm และ Ks สาหรบจลนทรยผสมแบบใชอากาศ ทเลยงในสบสเตรตชนดตางๆ (Grady, C.P.L. Jr.and Lim,H.C 1980)

สบสเตรต μm (ชม.-1) Ks หนวยของ Ks กลโคส 0.31-0.77 11-181 มก./ล. ซโอด กลโคส 0.69 26 มก./ล. ซโอด กลโคส 0.18 - - กลโคส - 133 มก./ล. บโอด กลโคส 0.36 103 มก./ล. ซโอด กลโคส 0.38-0.49 11-29 มก./ล. กลโคส กลโคส 0.35 8 มก./ล. กลโคส แลคโตส 0.20-0.53 33-55 มก./ล. แลคโตส หางนม (Skim Milk) 0.10 100 มก./ล. บโอด หางนม (Skim Milk) 0.12 110 มก./ล. ซโอด

ซโครส 0.28-0.55 6-17 มก./ล. กลโคส กรดกลตามก 0.59-0.78 47-95 มก./ล.กรดกลตามก เซอรน (Serine) 0.43-0.54 30-50 มก./ล. Serine เปปโทน (Peptone) 0.26 109 มก./ล. บโอด เปปโทน - 296 มก./ล. บโอด กรดอะซตก 0.29-0.36 41-47 มก./ล. กรดอะซตก กรดพรอพออนก 0.37-0.38 6-7 มก./ล. กรดอะซตก นาเสยสตวปก 3.0 300 มก./ล. บโอด นาเสยถวเหลอง 0.50 355 มก./ล. บโอด นาเสยฟอกยอม 0.29 86 มก./ล. บโอด


6-31

6.3 การใชประโยชนจากสมการโมโนด 6.3.1 การใชสมการของโมโนดในการออกแบบระบบถงยอยไมใชอากาศ ในการเรยนรเกยวกบระบบบาบดนาเสยแบบชวภาพ จาเปนตองอาศยแนวคดในเรองการเจรญเตบโตของจลนทรยมาอธบายใหผศกษาไดมความเขาใจอยางชดเจน ทฤษฎจลชววทยาทเปนโมเดลสาหรบใชอธบายม 2 ชนด คอ โมเดลทมสภาวะนง (Stable หรอ Steady State Model) และแบบไดนามก (Dynamic Model) ซงมการเคลอนไหว โมเดลแบบนงสามารถอธบายหรอสรางโมเดลไดงายกวา ใชกบถงหมกทมการปอนนาเสยอยางคงทภายใตสภาวะทมอณหภมคงท นาทงและผลผลตตางๆ กมคาคงทดวย ในขณะทโมเดลไดนามกใชกบโลกแหงความเปนจรงมากกวา แตการสรางโมเดลคณตศาสตรเชนนกระทาไดยากมาก ในทกวนน แมวาจะมผสรางโมเดลไดนามกมาใชได แตกไมสามารถครอบคลมสภาวะทเปนจรงไดมากจนถงจดทโมเดลจะมประโยชนไดตามทหวงไว โมเดลแบบนงกยงมประโยชนกวาและใชไดงาย ในทนจงจะพดเฉพาะโมเดลแบบทมสภาวะคงทหรอแบบนง สมการของ Monod ไดมาจากการทดลองเพาะเลยงจลนทรยพนธเดยว (Pure Culture) ในสบสเตรตทประกอบดวยสารอนทรยชนดเดยว ดงนนเมอนาไปใชอธบายถงพฤตกรรมของกลมแบคทเรยทอยในระบบบาบดนาเสยแบบไมใชอากาศ จะเกดปญหายงยากทสบเนองมาจากสาเหต 2 ประการ ประการแรกเกดขนเพราะระบบบาบดนาเสยมสบสเตรตหลายชนด ทาใหการวดคา S ตองกระทาดวยการวดคาซโอด (COD) ของสบสเตรต แตเนองจาก COD ไมใชคาเฉพาะของสารอนทรย จงอาจทาใหความสมพนธของพารามเตอรตางๆ กบสบสเตรตทวดในเทอมของ COD มความคลาดเคลอนไปจากทฤษฎ สาเหตประการทสองเกดจากการทระบบบาบดนาเสยมกลมจลนทรยทประกอบดวย


6-32

แบคทเรยหลายชนด ทาให Ks และ μm มคาแตกตางกนไดอยางกวางขวาง นอกจากนความยงยากยงอาจเกดขนไดจาก ความไมคงทของกลมจลนทรยเพราะส ว น ป ร ะ ก อ บ ข อ ง ก ล ม จลนทรยขนอยกบสภาวะแวดลอมของการเจรญเตบโตดวย การศกษาถงความสมพนธระหวาง μ และ S ดวยการเลยงจลนทรยหลายพนธผสมกน (Mixed Culture) อยในสบสเตรตนานาชนดผสมกน (Mixed Substrate) ทาใหพบวา สมการของโมโนดกยงใชการไดดอย นกวจยไดชใหเหนถงอทธพลของสภาวะแวดลอมทมตอพฤตกรรม และสวนประกอบของกลมจลนทรยและไดพบวาคา μm และ Ks ทจะใชในสมการของโมโนดควรเปนคาเฉลยทคดจากกลมแบคทเรยหลกซงเปนสวนประกอบสาคญของกลมเทานน คา Ks และ μm ทจะใชควรเปนคาทอยในชวงอนหนงมากกวาจะเปนคาเดยว ดงนน จงอาจสรปไดวา สมการของโมโนดสามารถจะนามาใชอธบายถงพฤตกรรมของแบคทเรยในระบบบาบดนาเสยได ตวอยางลกษณะทางจลนศาสตรของแบคทเรยสรางมเทน 2 ชนดคอแบคทเรยบรโภคอะซเตทและแบคทเรยบรโภคไฮโดรเจนแสดงอยในตารางท 6.10 ขอมลนแสดงวาแบคทเรยบรโภคอะซเตทเตบโตชากวาแบคทเรยบรโภคไฮโดรเจนเปนอยางมากและยงมยลนอยกวามาก การออกแบบถงยอยสลดจทมการกวนอาศยโมเดลทสรางมาจากถงปฎกรยาแบบอดมคตทเรยกวา Simple CSTR (Continuous Stirred Tank Reactor) รปท 6.8 เปนลกษณะทวไปของถงกวนสมบรณ แบบธรรมดา (Simple CSTR)


6-33

ตารางท 6.10 ลกษณะทางจลนศาสตรของแบคทเรยสรางมเทน 2 ชนด

แบคทเรยบรโภคอะซเตท แบคทเรยบรโภคไฮโดรเจน

สารใหอเลกตรอน อะซเตท ไฮโดรเจนและฟอรเมต สารรบอเลกตรอน อะซเตท คารบอนไดออกไซด แหลงคารบอน อะซเตท คารบอนไดออกไซด FSo 0.05 0.08 Y 0.04 ก.VSS/ก. อะซเตท 0.45 ก.VSS/ก. H2

q at 35 °C 7 ก. อะซเตท/ก.VSS- วน 3 ก. H2/ก.VSS- วน

K 400 มก. อะซเตท/ลตร ? b 0.03 /วน 0.03 /วน θxmin 4 วน 0.76 วน Smin 48 มก. อะซเตท/ลตร ?


6-34

รปท 6.8 ถงยอยไมใชอากาศแบบธรรมดา

• นาเขามความเขมขนของสารละลายสบสเตรตเทากบ So และมอตราไหลเทากบ Q

• กาหนดใหถงปฏกรยามปรมาตร V และมของแขงแขวนลอย X • นาออกมความเขมขนของสบสเตรต, ของแขงแขวนลอยเทากบ S1 และ X

ตามลาดบ

การคานวณ ความเขมขนของสบสเตรตทละลายนา จากการเขยนสมดลทางมวลของจลนทรยทอยภายในถงปฏกรยา จลนทรยทมชวตออกจากถงปฏกรยาดวยความเขมขน X ซงเทากบความเขมขนทมอยในนาออก เทอมปฏกรยาจะม 2 เทอม คอ เตบโต, ตายและสลายตวเอง เทอมแรกเปนการสรางมวล สวนเทอมหลงเปนการลดมวลของจลนทรย ดงนน เทอมแรกจะมเครองหมายบวกและเทอมหลงจะมเครองหมายลบทายทสด เนองจากพจารณาเฉพาะในขณะทมสภาวะคงท เทอมสะสมจงมคาเทากบศนย เขา - ออก + สราง - สลายตวและตาย = สะสม หรอ 0 - Q.X + rGX V - rdX V = 0 (6.15)

- QXv + μ XV - bXV = 0

μ V = Q + bV

μ = VQ + b

และ τ = QV

จะได μ = τ1 + b (6.16)


6-35

สมการ 6.16 ชใหเหนวา เนองจาก b มคาคงท อตราการเจรญเตบโต จงอาจ

ควบคมไดโดยการเลอกคา τ ซงสามารถกระทาไดโดยการปรบคาอตรานาไหล (Q) เมอถงปฏกรยามขนาดคงทหรอปรบขนาดของถงปฏกรยา ถากาหนด F ใหคงท

การหาคา S ในเทอมของ τ อาจกระทาไดโดยแทนคา μ�ใน สมการ 6.16 ลงในสมการโมโนด ดงนน

μ = τ1 + b =

SsK

Sm+

μ

จะได S = b)

1(m

)b1

( sK

+−

+

τμτ

(6.17)

สมการ 2.6 กลาววา คาความเขมขนของสบสเตรต, S, ใน CSTR จะถกกาหนด

โดยคา τ เพยงอยางเดยว นอกจากนแลว เนองจากไมปรากฏเทอม So อยใน สมการ 6.17 จงหมายความวา S ไมขนอยกบ So

เมอพจารณาสมการ 6.16 ใหละเอยดจะพบวา หาก τ มคาสงมากๆ (จนกระทง

1/τ เขาใกลศนย) อตราจาเพาะของการเจรญเตบโตของจลนทรยมคาเทากบผลบวกของอตราสลายตว (b) นหมายความวา ภายใน CSTR จะตองมสบสเตรต อยจานวนหนงเสมอ (แมวาจะนอยมากกตาม) เพอใชผลกดนใหเกดมการเจรญ


6-36

เตบโต ดวยเหตน CSTR จะตองม S ไมนอยกวาคาตาสด ซงไดจากการให 1/τ เขาใกลศนยมากๆ ทาใหสมการ 6.17 กลายเปนดงน

Smin = bm

b sK

+μ (6.18)

สมการ 6.18 แสดงวา Smin ขนอยกบพารามเตอรจลนศาสตร นนคอขนอยกบธรรมชาตหรอลกษณะของสบสเตรตและประเภทของจลนทรยทยอยสบสเตรตนน ถาใช CSTR ในการกาจดสบสเตรตจะไมสามารถลดสบสเตรตใหนอยกวา Smin ได สมการของโมโนดบอกใหทราบวาแบคทเรยจะมอตราจาเพาะของการเตบโตสงสดหรอ ∃μ กตอเมอ S มคาสงสดเทาทจะเปนไปได หรอ S = So ในกรณดงกลาวนสมการ 6.7 จะกลายเปน ดงน

μ สงสด = ∃μ = oSsK

oS

+

μm (6.19)

เนองจาก μ แปรผกผนกบ τ ดงนน เมอ μ มคาสงสด ( ∃μ ) τ จะมคาตาทสด

(τmin) ดงนนจงสามารถคานวณคาตาสดของเวลากกนาหรอ τmin ไดโดยแทน

คา ∃μ ในสมการ 2.5 ดวย ∃μ และแทนคา ∃μ ทไดอกครงหนงในสมการ 6.19

จากนนจงจดเรยงสมการใหมเพอหาคา τmin จะไดดงน


6-37

τmin = )bsKb)m(μoSoSsK

−−

+ (6.20)

ถงกวนสมบรณหรอ CSTR จะตองม τ สงกวา τmin เสมอ ถา τ ตากวา τmin จะเกด Washout ซงหมายความวาจลนทรยจะออกจากถงกวนสมบรณเรวกวา อตราการเพมของจลนทรยภายในถง ทาใหไมมการเจรญเตบโตเกดขนและไมมการทาลายสบสเตรตดวย การคานวณ ความเขมขนของตะกอนแขวนลอย ความเขมขนของจลนทรยสามารถหาไดโดยสรางสมการแสดงสมดลทางมวลของสบสเตรต ดงน

Q . So - Q . S - rs V = 0 โดยท r เปนอตราการใชสบสเตรต ซงอยในเทอมของ X ดงน

rs = (μ /Yg)X จดรปสมการสมดลทางมวลของสบสเตรตใหม จะไดสมการของ X ดงน

X = τμ .

)SoS(gY − (6.21)


6-38

ถาแทนคา μ ในสมการ 6.21 ดวยนพจนของ μ ในสมการ 6.16 จะกลายเปนดงน

X = ) b(1

S)o(SgY

τ+−

(6.22)

เนองจาก S ขนอยกบ τ (ดสมการ 6.17) ดงนน จานวนเซลล (X) จงอยกบ So , τ และพารามเตอรทางจลนศาสตรตางๆ ผอานจะตองตระหนกวา CSTR ทไดรบ

สบสเตรตจานวนคงท จานวนเซลลจะขนอยกบ τ ซงไมเปนตวแปรอสระทจะเปลยนแปลงไดโดยผควบคม ไดกลาวแลววา ยลปรากฎ (Y) จะเปลยนไปตามสภาวะของการเตบโตของเซลลในถงปฏกรยาลกษณะของการเปลยนแปลงนจะเหนไดจากการจดรปสมการ 6.22 ใหม ดงน ถาหาร (So-S) ใหกบทงสองขางของสมการ 6.22

S-oS

X = S) -o)(Sb1(

)S-oS(gY

τ+ (6.23)

ตามคานยาม, Y = S-oS

X

จะได Y = τ+ b1

gY (6.24)


6-39

จะเหนไดวาคายลปรากฎ (Y) แปรผกผนกบ τ ถา τ ยงมากคายล (Y) กยงนอย นกเปนผลโดยตรงจากการสลายตวเองของจลนทรย

6.3.2 โมเดลคณตศาสตรของถงเอเอสแบบไมใชอากาศ (Anaerobic Contact ) การวเคราะหทางจลนศาสตรของระบบเอซเพอหาสมการออกแบบสามารถทาไดคลายกบหวขอ 6.3.1 ซงเปนการวเคราะหสาหรบระบบถงยอยไมใชอากาศซงเปนมรปแบบเปนถงปฏกรยา CSTR แบบธรรมดา สาหรบถงเอเอสแบบไมใชอากาศ (ระบบเอซ) มรปแบบเปนถงปฏกรยา CSTR แบบหมนเวยนสลดจ (ดรปท 6.9) ทาใหสมการจลนศาสตรมความแตกตางจากของถงยอยไมใชอากาศซงเปน CSTR แบบธรรมดา ความแตกตางดงกลาวอยทคาของเวลากกสลดจหรอ SRT ดงน ในกรณของ CSTR ธรรมดา SRT = เวลากกนาหรอ

HRT = V/Q

ในกรณของ CSTR ทมการหมนเวยนสลดจ SRT ≠ HRT สมการจลนศาสตรของระบบเอซหรอถงปฏกรยา CSTR แบบหมนเวยนสลดจมลกษณะคลายกบของถงปฏกรยา CSTR แบบธรรมดาโดยมขอแตกตางอยทคาของ SRT ซงแตกตางกน ตารางท 6.11 แสดงใหเหนถงความแตกตางดงกลาว


6-40

รปท 6.9 ถงยอยไมใชอากาศแบบเอซ


6-41

ตารางท 6.11 การเปรยบเทยบใหเหนถงขอแตกตางและขอเหมอนของสมการจลนศาสตร ของถง CSTR ทง 2 แบบ (Lawrence, A.W ,1971)

พารามเตอร CSTR แบบธรรมดา CSTR แบบหมนเวยนตะกอน

ประสทธภาพกาจด สบสเตรท(%)

Es = 0

10

S

)S100(S − Es =

0S

)1S0100(S −

ความเขมขนสบสเตรท ในนาทง(มก./ล.)

S1 = 1b)(Yk

)]b([1sK

cθcθ

−−

+ S1 =

1b)(Yk

)]b([1sK

cθcθ

−−

+

ความเขมขนเซลลแบคทเรย ในถงปฏกรยา (มก./ล.)

X = cθb1

)1S0Y(S

+

− X = ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

+

−

τcθ

cθb1

)1S0Y(S

เซลลแบคทเรยสวนเกน ทเกดขน (กรม/วน)

Px = cθb1

)1S0YQ(S

+

− Px =

cθb1

)1S0YQ(S

+

−

เวลากกนา (HRT) τ = V/Q τ = V/Q

เวลากกตะกอน (SRT) Solid retention times

θc = τ θc = τ / [1 + r - r (Xr / X)]

6.3.3 การใชกราฟโมโนดในการคดเลอกพนธเดนของแบคทเรย 2 ชนด ขอยกตวอยางทมการแขงขนของแบคทเรยสรางมเทน 2 ชนด คอ M.mazei และ M.saeta ในการบรโภคอะซเตท รปท 6.10 แสดงถงกราฟโมโนดสาหรบในระบบยเอเอสบ แบคทเรย M.saeta ทมคา Ks ตาจะบรโภคสบสเตรทไดดกวา โดยดไดจากคา Ks = 20 มก./ล. ซงนอยกวาของ M.mazei (มคา Ks = 400 มก./ล.) และโต


6-42

เรวกวา M.mazei ภายใตสภาวะทมอะซเตทตา แตเมอมความเขมขนของอะซเตทสง M.mazei จะเจรญเตบโตไดดกวา M.saeta ใชประโยชนจากอะซเตทไดดกวา

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0.16

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

ความเขมขนอะซตก, มก/ล.

อตราเตบโ

ตจาเพ

าะ, ตอว

น

M.Sarcina

Methanotrix μm = 0.3 day-1

Ks = 200 mg/l

μm = 0.1 day-1

Ks = 30 mg/l

รปท 6.10 กราฟโมโนดของแบคทเรย Acetoclastic Methanogen 2 ชนด (คานวนมาจากขอมลของ van Haandel,A.C และ Lettinga,G 1994)

ลกษณะกราฟโมโนดขางตนใชอธบายการเกดปญหาสลดจไมจมตว (Sludge Bulking) ของระบบเอเอส (Activated Sludge) ไดเชนกน เมอถงเตมอากาศมแบคทเรยสรางฟลอคและแบคทเรยแบบเสนใยเจรญเตบโตอยดวยกน แบคทเรยเสนใยจะมคา Ks ตากวาของแบคทเรยสรางฟลอค ดงนน แบคทเรยเสนใยจะ


6-43

เจรญเตบโตไดดกวาภายใตสภาวะทมคาซโอดตา ปญหาสลดจไมจมตว (Sludge Bulking) เนองจากมแบคทเรยเสนใยเตบโตเปนพนธเดน จงพบไดเสมอกบระบบเอเอสทผลตนาทงทมคณภาพสง (มคาซโอดตา) ตวอยางของการใชประโยชนจากสมการจลนศาสตรอกอยางหนงคอ การอธบายถงความสมพนธระหวางแบคทเรยรดวซซลเฟตและแบคทเรยสรางมเทน ขอใหพจารณาสมการของโมโนดของแบคทเรยรดวซซลเฟตและแบคทเรยสรางมเทน

μ1 = SS1K

Sm1+

μ

และ μ2 = SS2K

Sm2+

μ

โดยตวหอย 1 และ 2 เปนคาตวแปรของแบคทรดวซซลเฟตและแบคทเรยสรางมเทนตามลาดบ พจารณาอตราสวน μm1

μ1 = μm1 x (KS2 + S ) (6.26) μ2 μ m2 x (K S1 + S)

• กรณ S นอยกวา Ks มาก ๆ μ1 = μm1 / KS1 (6.27) μ2 μ m2/ KS2


6-44

จากสมการท 6.27 จะไดวาอตราสวน μm/KS จะเปนพารามเตอรทกาหนดอตราการเจรญเตบโตของแบคทเรยแตละกลม และสามารถนาไปเปรยบเทยบการแขงขนระหวางแบคทเรยสองกลม ในสภาวะทสารอาหารเปนตวกาหนดการเจรญเตบโต เมออยในสภาวะแวดลอมเดยวกนได

• กรณท S มากกวา Ks มาก ๆ

μ1 = μm1 (6.28) μ2 μ m2

จากสมการท 6.28 จะไดวา เมออยในสภาวะทสารอาหารมากเกนพอ คาอตราการเจรญเตบโตสงสด (μm) จะเปนพารามเตอรทใชเปรยบเทยบการแขงขนของแบคทเรยสองกลมทอยในสภาวะแวดลอมโดยเดยวกนได ดงนน คาพารามเตอรทางจลนศาสตรทสาคญในการใชพจารณาการแขงขนเพอดารงชพและการเจรญเตบโตในสภาวะแวดลอมเดยวกน กคอ μm และอตราสวน μm/KS โดยคาทมากกวาแสดงใหเหนถงความสามารถในการเจรญเตบโตทดกวา สมการทางจลนศาสตรอกสมการหนงคอสมการทแสดงความสมพนธของอตราการใชสารอาหารจาเพาะของแบคทเรยกบความเขมขนของสารอาหาร ดงแสดงในสมการท 6.29

R = Vm × S (6.29) Km + S


6-45

โดย R = อตราการใชสารอาหารจาเพาะ, เวลา-1 Vm = อตราการใชสารอาหารจาเพาะสงสด, เวลา-1 S = ความเขมขนของสารอาหารทพจารณา, มวลสารอาหารตอปรมาตร Km = ความเขมขนของสารอาหารทพจารณาเมออตราการใช

สารอาหารจาเพาะมคาเปนครงหนงของอตราการใชสารอาหารจาเพาะสงสด, มวลสารอาหารตอปรมาตร

สมการท 6.29 สมพนธกบสมการท 6.25 ดงน

μ = R × Yg โดย Yg = ยลดแท ในทานองเดยวกบกอนหนาน คาพารามเตอรทางจลนศาสตรทสาคญซงใชในการใชพจารณาการแขงขนเพอการดางชพและการเจรญเตบโตในสภาวะแวดลอมเดยวกนของแบคทเรยสองกลม กคอ Vm และอตราสวน Vm/Km

คาพารามเตอรทางจลนศาสตรทใชพจารณาในการแขงขนเพอแยงใชไฮโดรเจนของแบคทเรยทงสองกลม แสดงดงตารางท 6.7 และ 6.11 ซงจะเหนไดวาแบคทเรยรดวซซลเฟตสวนใหญมคา Vm/Km, คา μm และ μm/KS สงกวาแบคทเรยสรางมเทน แตแบคทเรยสรางมเทนบางชนดกมพารามเตอรทาง จลนศาสตรทไดเปรยบกวาแบคทเรยรดวซซลเฟตเชนกน อยางไรกตาม ถามองถงคายลดในตารางท 6.7 ประกอบดวยพบวาแบคทเรยรดวซซลเฟตมคายลดทสงกวาอยางเหนไดชดและเมอมองถงอตราการเจรญเตบโตของแบคทเรยรดวซ


6-46

ซลเฟตและแบคทเรยสรางมเทนทความเขมขนของไฮโดรเจนคาตางๆ จะไดกราฟ ดงแสดงในรปท 6.7 ซงชใหเหนวาแบคทเรยรดวซซลเฟตมอตราการเจรญเตบโตทสงกวาแบคทเรยสรางมเทนเสมอ ไมวาความเขมขนของไฮโดรเจนจะมากหรอนอยกตาม อาศยขอมลทไดจากตารางท 6.7 และ 6.12 ซงชใหเหนวาแบคทเรยรดวซซลเฟตทบรโภคไฮโดรเจนสวนใหญจะมคาอตราการเจรญเตบโตทสงกวา, มความชอบทจะใชไฮโดรเจนมากกวา (higher affinity) และมคายลทสงกวาแบคทเรยสรางมเทนทบรโภคไฮโดรเจน จงพอจะสรปไดวา ในทางจลนศาสตร แบคทเรยรดวซซลเฟตสวนใหญมสมบตในการเจรญเตบโตทเหนอกวาแบคทเรยสรางมเทนทบรโภคไฮโดรเจน


6-47

ตารางท 6.12 คาพารามเตอรทางจลนศาสตรสาหรบการใชไฮโดรเจน ของ MPB และ SRB(Visser,A.1994)

ชนดแบคทเรย อณห- ใชกบสมการบรโภคสบสเตรท ใชกบสมการเตบโตดวย H2

หรอระบบ ภม Vm Km Vm/Km μm KS μm/KS

°ซ μmol⋅g-1⋅h-1 μmol⋅l-1 l⋅g-1⋅h-1 (h-1) μmol⋅l-1 l⋅μmol⋅h-1 Sulfate Reducers Desulfovibrio vulgaris (Marburg) 35 880 1.3 660 ไมพบ ไมพบ ไมพบ 35 79,000 ไมพบ ไมพบ 0.23 ไมพบ ไมพบ vulgaris 37 1,770 1.9 930 nd ไมพบ ไมพบ desulfuricans 37 5,280 1.8 2,930 nd ไมพบ ไมพบ sp.(G11) 37 3,300 11 3,000 0.057 3.3 0.017 sp.(PS1) 37 3,300 0.7 4,710 ไมพบ ไมพบ ไมพบ Lake sediment + SO42- 20 ไมพบ 1.1 ไมพบ ไมพบ ไมพบ ไมพบ (freshwater, eutrophic) Methanogens Methanobrevibacter 35 8,510 6.6 1,290 ไมพบ ไมพบ ไมพบ arboriphilus (AZ) 33 215,000 ไมพบ ไมพบ 0.144 ไมพบ ไมพบ 23 ไมพบ ไมพบ ไมพบ ไมพบ 5 ไมพบ Methanospirillum hungatei (JF-1) 37 4,200 5.0 840 0.053 0.6 0.008 sp.(PM1) 37 5,400 2.5 2,160 ไมพบ ไมพบ ไมพบ Methanococcus 37 ไมพบ ไมพบ ไมพบ 0.18 ไมพบ ไมพบ Maripaludis Methanosarcina 37 6,600 13 510 0.058 ไมพบ ไมพบ barkeri(MS) Lake sediment 20 ไมพบ 4.7 ไมพบ ไมพบ ไมพบ ไมพบ (freshwater, eutrophic) 10-14 ไมพบ 1.1-4.1 ไมพบ ไมพบ ไมพบ ไมพบ Sewage digester sludge 33 ไมพบ 78 ไมพบ ไมพบ ไมพบ ไมพบ

คมอวชาการระบบบาบดนาเสยแบบไมใชอากาศ เลมท 2 โครงการจดทาคมอวชาการระบบบาบดนาเสยแบบไรอากาศ เอกสารอางอง

เอกสารอางอง 1

เอกสารอางอง 1. Barton, L.L, Editor (1995) “Sulfate Reducing Bacteria”, Plenum Press, New

York, London 2. Cheynoweth, D.P. and Isaacson, R (1987), Editors “Anaerobic Digestion of

Biomass”, Elseveir Applied Science, London and New York. 3. Erickson, L.E. and Fung, D.Y-C Co Editors (1988) “Handbook on

Anaerobic Fermentations”, Marcel Dekker, Inc, New York, Basel 4. Fenchel T. and Finlay J.B.(1995) Ecology and Evolution in Anoxic Worlds.

New York: Oxford University Press 5. Grady, C.P.L. Jr. and Lim,H.C (1980) "Biological Wastewater Treatment :

Theory and Applications " Marcel Dekker, Inc.,New York and Basel 6. Grady, C.P.L. Jr.,Daigger,G.T and Lim,H.C (1999) "Biological Wastewater

Treatment : " Second Edition, Marcel Dekker, Inc.,New York and Basel 7. Harada H., Uemura S. and Komonoi K. Interaction Between Sulfate

Reducing Bacteria and Methane Producing Bacteria in UASB Reactors Fed with Low Strength Wastes Containing Different Levels Of Sulfate. Water Research. Vol. 28, No. 2, 1994: 355-367.

8. Henzen,M and Harremoes,P 1983 "Anaerobic Treatment of Wastewater in Fixed Film Reactors-a Literature Review" Water Science and Technology,15,1



9. Hughes, D.E et al. Editors (1981) “Anaerobic Digestion 1981”, Proceedings of the 2nd. International Symposium on Anaerobic Digestion, Travemunde, Federal Republic of Germany,6-11 Sept.1981 Elseveir Biomedical Press, Amsterdam, New York-Oxford

10. Lawrence, A.W (1971) "Application of Process Kinetics to Design of Anaerobic Processes " in Anaerobic Biological Treatment Processes ,American Chemical Society Advanced in Chemical series 105: 163-189

11. Lawrence, A.W and McCarty, P.L (1969) "Kinetics of Methane Fermentation in Anaerobic Treatment" J.WPCF,41(2) ,R1-R17

12. Macfarlane G.T. and Gibson G.R. (1991) Sulphate Reducing Bacteria. In Levett P.N. (ed.), Anaerobic Microbiology: A Practical Approach. pp. 201-222. New York: IRL Press, .

13. Macfarlane G.T. and Gibson G.R. Sulphate-reducing bacteria. In Levett P.N. (ed.), Anaerobic Microbiology: A Practical Approach. pp. 201-222. New York: IRL Press, 1991.

14. Madigan T.M., Martinko J.M. and Parker J. Brock Biology of Microorganisms. 8th ed. USA.: Prentice Hall International, 1997.

15. Madigan T.M., Martinko J.M. and Parker J. Brock Biology of Microorganisms. 8th ed. USA.: Prentice Hall International, 1997.

16. McCarty, P.L (1964) “Anaerobic Waste Treatment Fundamentals” Public Works.



17. Mosey,F.E (1982) “New Developments in the Anaerobic Treatment of Industrial Wastes” Wat.Pollut.Control., 1982: 540-552.

18. Rittmann, B.E and McCarty, P.L (2001) "Environmental Biotechnology: Principles and Applications" McGraw-Hill International Editions

19. Sam Soon ,PALNS ,et al (1991) "Mathematical Modelling of Upflow Anaerobic Sludge Bed (UASB) Systems Treating Carbohydrate Wastewater " Water SA, Vol.17,No.2 ,pp.91-106

20. Sam-Soon ,Palns et al (1987) "Hypothesis for Pelletisation in the Upflow Sludge Bed Reactor" Water SA, 13,2, 69-80

21. Speece, R.E (1996) “Anaerobic Biotechnology for Industrial Wastewaters”, Archae Press, Nashville, Tennessee

22. Speece,R.E (1983) "Anaerobic Biotechnology for Industrial Wastewater Treatment" Environ.Sci.Technol.,17 ,9, 416A-427A

23. van Haandel, A.C and Lettinga, G (1994) “Anaerobic Sewage Treatment: a practical Guide for Regions with a Hot Climate”, John Wiley & Sons.

24. van Haandel, A.C and Lettinga, G (1994) “Anaerobic Sewage Treatment: a practical Guide for Regions with a Hot Climate”, John Wiley & Sons.

25. Visser A. (1994.) Anaerobic Treatment of Sulfate Containing Wastewaters. International Training Course on Anaerobic and Low Cost Treatment of Wastewater and Wastes. 10 to 21 October, 1994, Asian Institute of Technology. Thailand



26. Visser, A.,Gao, Y and Lettinga, G (1992) "Anaerobic Treatment of Synthetic Sulfate containing Wastewater under Thermophilic Conditions" Wat.Sci.Tech., 25, 193-202

27. Widdel ,F.(1988) Microbiology and Ecology of Sulfate and Sulfur Reducing Bacteria. In Widdel ,F. (ed.), Biology of Anaerobic Microorganisms, pp. 469-585.

28. Wheatley,A.D (1997) "Applications of Anaerobic Digestion for the Treatment of Industrial Wastewaters in Europe" Water and Environmental Management,11,39-46

29. Zehnder, A.J.B. Editor (1988) “Biology of Anaerobic Microorganisms”, A Wiley-Interscience Publication, John Wiley & Sons.



ภาษาไทย 1. ธงชย พรรณสวสด (2544), “ การกาจดไนโตรเจนและฟอสฟอรสทาง

ชวภาพ”, สมาคมวศวกรรมสงแวดลอมแหงประเทศไทย 2. มนสน ตณฑลเวศม (2542) , “เทคโนโลยบาบดนาเสยอตสาหกรรม เลม 1,2”

, พมพครงท 1 สานกพมพจฬาลงกรณมหาวทยาลย 3. โสภา ชนเวชกจวานชย และ มนสน ตณฑลเวศม( 2543) "ความสาคญ

ของสภาพดางในระบบบาบดแบบไรอากาศ" การประชมวชาการประจาประดบชาต ครงท 13 สวสท.’43

4. อนตร เปยงแกว "การควบคมระดบการเกดซลเฟตรดกชนดวยปรมาณซลเฟตและชนดของแหลงคารบอน" วทยานพนธปรญญาวศวกรรมศาสตรมหาบณฑต ภาควชาวศวกรรมสงแวดลอม บณฑตวทยาลย จฬาลงกรณมหาวทยาลย 2542.

ISBN 974-9558-

56-1 ฝายคณภาพสงแวดลอมและหองปฏบตการ เลมท 4/4 กรมควบคมมลพษ กรกฎาคม 2546 การจดทาคมอวชาการระบบบาบดนาเสยแบบไรอากาศ • คมอวชาการระบบบาบดนาเสยแบบไมใชอากาศ เลมท 2 ดาเนนการศกษาโดย : ดร.มนสน ตณฑลเวศม ศนยบรการวชาการแหงจฬาลงกรณมหาวทยาลย 344 ซ.จฬา 22 ถ.บรรทดทอง เขตปทมวน กรงเทพฯ 10330

กรมควบคมมลพษ กระทรวงทรพยากรธรรมชาตและสงแวดลอม

เปนเจาของกรรมสทธและมลขสทธในเอกสารฉบบน

Documents

020 เล มที่4/4 คู มือวิชาการระบบบําบัดน้ําเสียแบบไม ใช อากาศ เล มที่2