Tüm işlerimizi yaptırdığımız bu küçük canlıları ne
kadar iyi tanırsak; tesisimizi o derece rahat işletiriz
ve karşılaştığımız sorunları o derece rahat çözeriz.
2 MİKROBİYAL METABOLİZMA VE BÜYÜME
Biyolojik arıtma direk olarak mikroorganizmaların gerçekleştirdiği bir proses olduğundan,
biyolojik arıtmanın tam olarak anlaşılabilmesi için öncelikle mikroorganizmaların
metabolizmaları, bakteri büyümesi gibi temel konuların bilinmesi gerekmektedir.
2.1
Bakteri Metabolizması
Yaşamak için
beslenmelidirler.
Ortamda aşırı atık
birikmesi bir zamandan sonra
canlılıklarını olumsuz
etkilemeye başlar.
Şekil 1 Bakteriyel metabolizmanın şematik gösterimi (Crites ve Tchobanoglous, 1998)
Mikroorganizma büyümesi, elde edilen enerji gibi prosesler oldukça karmaşık proseslerdir.
Bakteri metabolizması basit bir şekilde Şekil 1’de gösterilmiştir. Şekilden de görüleceği gibi
2
hücre içerisinde katabolik ve anabolik reaksiyonlar meydana gelmektedir. Katabolik
reaksiyonlarla büyük hücreli moleküller küçük moleküllere dönüştürülürken enerji açığa
çıkmaktadır. Anabolik reaksiyonlarla yeni hücreler meydana getirilmekte ve bu süreç için
enerji gerekmektedir.
2.2
Enzimlerin Rolü
Bizim bu konuda sahip olmamız gereken bilgi: Olayları anlamak ve grafikleri
yorumlamakla sınırlı. Varlıklarında ve yoklarında ne gibi olaylar gerçeklerşir.
Enzimler protein yapıda, yüksek katalitik güce sahip, kolloidal, kompleks, geniş kullanım
alanlı ve kimyasal katalistlere kıyasla çok daha hızlı tepkime veren biyokatalizörlerdir.
Enzimler basit olarak yumaklanmış proteinler olabildiği gibi birden fazla alt-ünite içeren
kompleks protein yapıya da sahip olabilirler (Kargı, 1998). Her biyolojik dönüşüm bir enzim
tarafından katalizlenir. İki binden fazla çeşidi bilinen enzimler, etki ettikleri maddenin isminin
sonuna “-az” eki getirilerek adlandırılır (Maltaz, laktaz, amilaz v.b. gibi). Hücreye bağlı
olmadan etki gösterebilirler.
Bazı enzimler “kofaktör” olarak adlandırılan Mg, Zn, Fe, Mn, NAD, FAD, CoA gibi protein
olmayan gruplar içerirler. Enzimler çoğunlukla; yüksek molekül ağırlığında protein yapısında
olan taşıyıcı görevini yapan “apoenzim”, diğeri düşük molekül ağırlığında ve basit organik
yapıdaki “koenzim” veya “prostetik grup”’ tan oluşur. Apoenzim ve koenzim birlikte aktif
“holoenzim” i oluşturur. Değişik moleküler formda olmakla beraber aynı tepkimeyi
katalizleyen enzimlere “Isozim” adı verilir. Bazı koenzimlerin bir kısmını bir vitamin
oluşturur. B vitaminlerinin çoğu koenzimlerin asıl maddesini oluşturur. Enzimin etki ettiği
maddeye “substrat” denir. Bazı enzimler birden fazla substrat bağlayabilirler (düzenleyicialosterik enzimler). Substratın bağlanması enzimin üç boyutlu yapısını değiştirebilir. Enzime
başka moleküllerin bağlanması aktif kısım özelliklerini değiştirip enzimatik tepkime hızını
düşürebilir ya da durdurabilir (Kargı, 1998). Biyolojik arıtmada organik bileşikler
organizmaların salgıladığı enzimler tarafından parçalanırlar. Biyolojik arıtma kinetiği enzim
kinetiğine benzemektedir (Kargı, 1998).
Enzim yokluğunda reaksiyon zor gerçekleşiyor.
Açıklamamızda bu tür
çizelgeler olunca bilimsel
oluyor
Enzim
varlığında
işler
kolaylaşıyor.
Her iki reaksiyondada ürünlerin elde edilmesinin bedeli olarak enerji düşüşü net görülüyor. Enzimler sıfır enerjiyi garanti etmiyor. Sadece düşük
enerji sarfiyatı ile reaksiyonların gerçekleşmesini sağlıyor.
Şekil 2 Enzimatik tepkimelerin aktivasyon enerjisi üzerine etkisi (Kargı, 1998)
Enzimler, tepkimenin serbest enerji değişimini ya da denge sabitini etkilememelerine karşın;
substrata (reaktant) bağlanarak katalizledikleri tepkimenin aktivasyon enerjisini düşürür ve
hızını artırırlar. Enzimatik tepkimelerde aktivasyon enerjisinin düşürülmesi grafiği Şekil 2’de
gösterilmiştir (Kargı, 1998). Substratın, enzimin “Aktif Kısım” denilen özgül bir kısmına
bağlanarak oluşturduğu ES kompleksindeki bağlar zayıf Vander Waals ya da hidrojen bağları
3
olup, ES kompleksi kararlı değildir. Bu etkileşim Şekil 3’de gösterilen anahtar-kilit (substratenzim) modeli ile açıklanabilir.
Şekil 3 Enzimatik katalizleme için anahtar kilit modeli (Kargı, 1998)
Enzimatik tepkimelerin kinetiği, “Doygunluk Kinetiği” ya da “Michael-Menten” adıyla
bilinmektedir. Substrat, enzim molekülüne bağlanarak oluşturduğu kararsız enzim-substrat
(ES) kompleksi, bozunarak ürün verir. Bu işlem neticesinde enzim değişmeden açığa çıkar.
k1
k3
E + S → ES → E + P
(2.1)
k2
Burada;
E
=
Enzim
S
=
Substrat
ES
=
Enzim-substrat kompleksi
P
=
Ürün (Product)
k1, k2, k3
=
Reaksiyon sabitleri
Enzim üzerinde belli sayıda substrat bağlanma (aktif) kısmı vardır. Düşük substrat
konsantrasyonlarında enzimin aktif kısımlarının bir kısmı boş olup tepkime hızı substrat
konsantrasyonu ile artar. Yüksek substrat konsantrasyonlarında, enzimin aktif kısımları
tamamen dolu olup reaksiyon hızı sabittir (Doygunluk durumu). ES’ in ürüne dönüşmesi
tepkimesi, tek yönlü kabul edilmiştir ve bu kabul ancak ürün konsantrasyonunun düşük
olduğu, başlangıç hızları için geçerlidir (Şekil 4)(Kargı, 1998).
Şekil 4 Enzimatik tepkimelerde S, P ve ES’ in zamanla değişimi (Kargı, 1998)
4
Enzimatik tepkimelerde ürün oluşum hızı aşağıdaki ifade ile verilir.
V=
dP
dS
=−
= k 3 (ES)
dt
dt
(2.2)
burada; V = Ürün oluşum ya da substrat giderme hızıdır (mol/l.s)
ES kompleksinin değişim hızı aşağıdaki şekilde ifade edilir.
d(S)
= k 1 (E)(S) − k 2 (ES) − k 3 (ES)
dt
(2.3)
Enzimin korunumu şu şekildedir:
( E ) = ( E ) + ( ES )
2.2.1
(2.4)
Bazı tuzların suda çözünme ve doygunluk derişimi
tanımına tıpa tıp uyuyor.
Enzim Aktivitesine Sıcaklık Etkisi
Enzimatik tepkimelerin hızları belli bir noktaya kadar sıcaklık artışıyla artmasına karşın
(aktivasyon), bu noktadan sonra hız sıcaklık artışıyla düşer (enzim denaturasyonuinaktivasyon). Bu nedenle, optimum bir sıcaklık aralığında hız maksimum olur (Şekil 5).
Enzim inaktivasyonu, aktivasyonundan daha hızlı olur. Sıcaklık 30°C’ den 40°C’ ye
arttığında enzim aktivitesi 1,8 defa artar. Ancak, inaktivasyon 41 defa artar (Kargı, 1998).
Enzimler 50°C’ nin üstünde inaktive olmalarına karşın, -18°C’ de bile inaktive olmazlar
(Özçelik, 1996).
Bir noktaya kadar iyi
Sonrasında ise zararlı
olmaya başlıyor.
Şekil 5 Enzim aktivitesi üzerine sıcaklığın etkisi (Kargı, 1998)
2.2.2
Enzim Aktivitesine pH Etkisi
Bazı enzimler, aktif kısımlarında iyonik gruplar içerirler. Ortamın pH’ ına bağlı olarak bu
iyonik gruplar asidik ya da bazik olabilirler. Enzimin aktivite gösterebilmesi için asidik ya da
5
bazik aktif kısım özelliklerine sahip olması gerektiğinden, enzim aktivitesi pH’ a bağlı olarak
değişir. Çoğu enzim için optimum etki pH aralığı 5,0-8,0 aralığındadır. Optimum pH deneysel
olarak saptanır. Şekil 6, enzim aktivitesinin pH ile değişimini göstermektedir (Kargı, 1998).
Şekil 6 Enzim aktivitesinin pH ile değişimi (A: Tripsin, B: Kolinesteraz)(Kargı, 1998)
2.3
Enerji ve Karbon Kaynakları
Hücre sentezi için gerekli karbonun kaynağına göre mikroorganizmalar hetetrofik ve ototrofik
olarak iki gruba ayrılırlar. Eğer gerekli karbon için CO2 veya karbonat kullanılıyorsa bu tür
organizmalara ototrofik organizma, organik karbon kullanılıyorsa hetetrofik organizma adı
verilir. Hetetrofik organizmalar enerji kaynağı olarak organik maddeleri kullanırlarken,
ototrofik organizmalar ise ışığı ya da inorganik oksidasyon-redüksiyon denklemlerini
kullanırlar. Eğer bir ototrofik organizma gerekli enerjiyi ışıktan sağlıyorsa fotosentetik
organizma, inorganik oksidasyon-redüksiyon denklemlerinden sağlıyorsa kemosentetik
organizma adı verilir. Açığa çıkarılan bu enerji hücrede bir takım organik bileşikler tarafından
tutulur. Bu maddelerin en sık rastlanılanı Adenozin Tri Fosfat (ATP)’ dır. Bu enerjinin hücre
sentezi vb. faaliyetlerde kullanılmasından sonra ATP molekülü Adenozin Di Fosfat (ADP)’ e
dönüşür ve tekrar enerji depolamaya hazır hale gelir. Canlı organizmaların hücre sentezi
yaparak çoğalmaları olayına asimilasyon, asimilasyon ve hareket gibi işler için gerekli
enerjiyi üretmeleri ve depo etmeleri işlemine de disimilasyon adı verilir.
Hetetrofik organizmalar yeni hücre sentezi için gerekli olandan daha fazla organik maddeyi
parçalarlar. Bu fazlalık kısım enerji amacıyla kullanılan kısımdır. Atıksudaki organik madde
sınırlı olduğunda organik madde yerine hücre materyali kullanılır ve hücre yapısında bir
azalma olur. Hücre yapısındaki bu azalmaya içsel solunum denir. Aerobik, anaerobik,
kemolitrofik ve fototrofik solunumda hücre sentezi için kullanılan karbon ve enerji akışı Şekil
7’de gösterilmiştir.
6
Download

2 2 MİKROBİYAL METABOLİZMA VE BÜYÜME Biyolojik arıtma direk