Faza metanowa stabilna. Rozpoczyna się z chwilą obniżenia ciśnienia cząstkowego wodoru, co następuje pod wpływem bakterii metanowych przekształcających wodór i CO 2

w metan. Następuje ustabilizowanie się składu produktów rozkładu substancji organicznej.

4. Faza „wyciszenia”, rozpoczyna się z chwilą zmniejszenia się produkcji składników gazowych aż do zera. Moment ten jest końcem aktywności biologicznej składowiska odpadów.

Poszczególne fazy rozkładu złoża odpadów na składowisku oraz zmiany składu procentowego powstającego biogazu ilustruje rysunek 22.

14.2. Metabolizm i biodegradacja

Metabolizm, czyli przemiana materii organicznej, zachodzi przy współudziale mikroorganizmów. Stanowi on połączenie procesów przemian biochemicznych, jakie

Rysunek 22. Fazy rozkładu i zmiany składu procentowego biogazu ulatniającego się ze składowisk odpadów w miarę upływu czasu (B.J.Alloway, D.C.Ayres, 1999; zmieniony).

Wyjaśnienie do rysunku: W pierwszym okresie eksploatacji składowiska gaz wydziela się w sposób niestabilny (następują kolejno po sobie okresy fermentacji tlenowej – faza I, fermentacji kwaśnej - faza II i fermentacji metanowej niestabilnej – faza III) do około 2 lat. Zawartość czystego CH₄ w gazie zawiera się w przedziale 5÷30%. Po upływie około 2 lat rozpoczyna się okres fermentacji metanowej stabilnej - faza IV, czyli okres powolnej stabilizacji wydzielania gazu do około 30 - 40 lat. Zawartość czystego CH4 osiąga poziom około 50÷60%. Po tym okresie, licząc od początku procesów rozkładu, ilość wydzielanego gazu zaczyna spadać aż do całkowitego zakończenia procesów rozkładu i wydzielania gazów – jest to V faza „wyciszenia”.

137 zachodzą w złożu odpadów z procesami odżywiania, przetwarzania pokarmu, syntezy składników komórki, z jednoczesnym wykorzystaniem energii zawartej w pokarmie. Procesy te prowadzą (i sprzyjają) do wzrostu i rozmnażania drobnoustrojów, jeśli są źródłem węgla, azotu, siarki, fosforu, jonów metali (a szczególnie Cl^-, K⁺, Na⁺, Ca⁺², Fe⁺³) oraz innych pierwiastków wymaganych w bardzo małej ilości nazywanej mikroelementami.

Biologiczne funkcje wybranych jonów metali ilustruje tabela 13.

Tabela 13. Biologiczne funkcje wybranych jonów metali (S.J.Lippard, J.M.Berg, 1998)

Metal Funkcja

Sód przenośnik ładunku; równowaga osmotyczna Potas przenośnik ładunku; równowaga osmotyczna Magnez struktura; hydrolaza; izomeraza

Wapń struktura; wyzwalacz; przenosnik ładunku Wanad wiązanie azotu; oksydaza

Chrom nieznana, możliwy udział w tolerancji glukozy Molibden wiązanie azotu, oksydaza; przenoszenie grup okso Wolfram dehydrogenaza

Mangan fotosynteza; oksydaza; struktura

Żelazo oksydaza; transport i magazynowanie dwutlenu;

przenoszenie elektronów; wiązanie azotu Kobalt oksydaza; przenoszenie grup alkilowych Nikiel hydrogenaza; hydrolaza

Miedź oksydaza; transport dwutlenu;

przenoszenie elektronów Cynk struktura; hydrolaza

Organizmy pobierają tylko substancje mineralne, a więc dwutlenek węgla, sole azotu, siarki, fosforu i inne. Organizmy, które mogą wykorzystać dwutlenek węgla jako jedyne źródło węgla, nazywa się samożywnymi, czyli autotrofami (są to rośliny zielone i liczne bakterie). Inne organizmy, jak wszystkie zwierzęta i grzyby oraz większość bakterii, wymagają w pożywieniu co najmniej jednego związku organicznego, jako źródło węgla. Te organizmy nazywa się cudzożywnymi, czyli heterotrofami. Substancje organiczne w swoim składzie chemicznym zawierają węglowodany (cukry, kwasy tłuszczowe, alkohole, hemicelulozę, ligninę, oraz białka) w ilości około 75%, natomiast węgla w ilości około 15%.

Biodegradacja, czy też mineralizacja odpadów jest biochemicznym rozkładem, syntezą, zmianą jednego typu związków organicznych na inne, prostsze związki mineralne (prostsze składniki chemiczne) przy współudziale wielu gatunków drobnoustrojów.

Procesom tym towarzyszy utlenianie (w warunkach tlenowych) lub redukowanie (w warunkach beztlenowych) różnych cząsteczek budujących substancje organiczne i nieorganiczne zawarte w złożu odpadów. Proste połączenia organiczne, jak cukry proste,

138 kwasy organiczne, aminokwasy, są pobierane przez drobnoustroje bezpośrednio i transportowane do wnętrza komórki. Natomiast związki wielkocząsteczkowe, jak wielocukry, białka, celuloza, lignina i inne polimery, początkowo są hydrolizowane poza komórką i dopiero w formie małocząsteczkowych produktów hydrolizy są asymilowane przez drobnoustroje.

W procesie rozkładu jeden związek jest kolejno przekształcany poprzez jeden lub wiele związków pośrednich w inny związek, aż do produktu lub produktów końcowych (CO2

i H2O). Zachodzące reakcje rozkładu są reakcjami endoergicznymi, czyli wymagają dostarczenia energii, która wykorzystywana jest w procesach życiowych mikroorganizmów.

Większość mikroorganizmów uzyskuje energię przekształcając związki chemiczne zawarte w środowisku, w którym żyją. Organizmy te nazywa się chemotrofami.

Chemotrofy dzielą się na:

 chemoorganotrofy (zwierzęta, grzyby i większość bakterii), które wykorzystują jedynie związki organiczne do pozyskania energii,

 chemolitotrofy (nieliczne bakterie), które wykorzystują związki nieorganiczne, bądź pierwiastki chemiczne do uzyskania energii. Uwalniają ją w wyniku utleniania związków nieorganicznych (np. zredukowanych soli azotu, siarki, żelaza lub wodoru cząsteczkowego).

Wszystkie chemoorganotrofy są heterotrofami, czyli związki organiczne służą im jako źródło węgla i energii. Natomiast większość chemolitotrofów, jako źródło węgla i energii wykorzystuje dwutlenek węgla, czyli są autotrofami.

Energia pobierana przez drobnoustroje najpierw jest gromadzona w postaci adenozynotrifosforanu (ATP), a dopiero później wykorzystywana jest w procesach metabolizmu komórki. Schemat metabolizmu komórkowego ilustruje rysunek 23.

W całym skomplikowanym procesie metabolizmu komórkowego i biodegradacji złoża odpadów istotne jest aby obok siebie współwystępowała symbiotyczna mikroflora i wielogatunkowa i liczebna. Wynika to ze złożoności związków chemicznych występujących w masie odpadów, z których jedne należą do substancji toksycznych inne, w wyniku zachodzących przemian, stają się takimi substancjami. Substancje toksyczne wpływają negatywnie na wiele drobnoustrojów, czego efektem jest spowolnienie zachodzących przemian, a nawet ich zatrzymanie.

Rozkład mikrobiologiczny odpadów zachodzić będzie przez okres zależny od stopnia rozdrobnienia odpadów, ich składu chemicznego oraz stopnia podatności na degradację biologiczno-chemiczną wszystkich zanieczyszczeń w określonym środowisku. Drobnoustroje

139 są wysoce zróżnicowane metabolicznie, więc – teoretycznie - każdy odpad typu organicznego powinien ulec degradacji. Wpływ na to ma odpowiedni dobór drobnoustrojów.

Należy jednak mieć na uwadze, że metody biologiczne, z uwagi na długi czas rozkładu, mogą mieć często nieznany, nieprzewidywalny, a nawet niewymierzalny wpływ na środowisko otaczające określone miejsce rozkładu.

Rysunek 23. Schemat procesów metabolizmu komórkowego (A.Szpindor, J. Łomotowski, 2002)

14.3. Procesy biochemiczne

Procesy biochemiczne, zachodzące w złożu odpadów przy udziale mikroorganizmów, są niezwykle skomplikowanymi. Jako przykład rozkładu może posłużyć:

 Cukier laktoza, który rozkładany jest przez bakterie Escherichia coli na glukozę i galaktozę. Związki te podlegają dalszym procesom rozkładu w warunkach tlenowych, a końcowym produktem jest kwas pirogronowy. Może on następnie zostać włączony do cyklu innych przemian (np. beztlenowych) i ulec redukcji: