Epurarea biologică a apelor uzate presupune: a) contactul celulei cu substanţa organică în sistemul apos; b) transferul moleculelor de substanţă prin membrana celulară de la mediul polifazic în celulă, dacă mărimea lor permite aceasta – în caz contrar apare mai înainte scindarea moleculei; c) metabolismul specific bacteriei care conduce la degradarea substanţei organice.

 

Metabolismul bacterian reprezintă totalitatea proceselor implicate în activitatea biologică a unei celule prin intermediul cărora energia şi elementele nutritive sunt preluate din mediul înconjurător şi utilizate pentru biosinteză şi creştere ca şi pentru alte activităţi fiziologice secundare – mobilitate, luminiscenţă etc.

 

Procesele biochimice din celula vie, numite metabolism, pot fi separate, după modul de utilizare a energiei în: a) procese de dezasimilaţie sau catabolism – consumatoare de materii organice şi producătoare de energie în urma degradării substanţelor (exoterme); b) procese de asimilare sau anabolism – ce cuprind reacţiile care conduc la sintetizarea unui material celular nou pe baza energiei eliberate în faza de catabolism (endoterme). În ambele faze reacţiile biochimice, deosebit de complexe, sunt conduse în trepte succesive, fiecare treaptă fiind catalizată de enzime specifice.

În procesul de catabolism apar trei faze distincte: a) macromoleculele sunt descompuse în unităţile lor de construcţie – proteinele la aminoacizi, grăsimile la glicerină şi acizi graşi, glucidele la hexoze, pentoze etc.; în această fază se degajă circa 1% din energie care se disipează prin energie termică; b) moleculele din faza anterioară sunt transformate în alţi produşi – metaboliţi – cu formarea de dioxid de carbon şi apă; rezultă circa o treime din energia conţinută în substanţele nutritive; c) faza a treia se poate desfăşura în două moduri: c1 – substanţele nutritive sunt degradate până la dioxid de carbon şi apă proces din care rezultă o mare cantitate de energie; c2 – substanţele nutritive sunt descompuse numai parţial formându-se produşi intemediari de fermentaţie cu obţinerea unei cantităţi mai mici de energie.

În procesele de asimilaţie materialele nutritive, rezultate din etapa de dezasimilaţie, sunt încorporate în substanţa proprie a unui organism. Procesele de sinteză sunt posibile datorită enzimelor specifice şi prezenţei în celula vie a materialelor genetice care joacă rol de model în biosinteză. Asimilaţia se realizează prin asamblarea în macromolecule a aminoacizilor şi a bazelor nucleice în macromolecule cu caracter specific – proteine, acizi nucleici. Reacţiile sunt catalizate de sisteme enzimatice.

Enzimele sunt catalizatori biochimici, proteine simple sau asociate – proteide, produşi de celula vie. O serie de enzime se găsesc în mod permanent în celulă – enzimele constitutive. Pentru degradarea diferitelor substanţe organice – denumite în practică substrat o deosebită importanţă o au enzimele adaptative sau induse.
Noţiunea de substrat – substratul dezvoltării microorganismelor din nămolul activ – este mult mai largă. Ea cuprinde ansamblul substanţelor şi elementelor din apă necesare creşterii biomasei. Substratul conţine: a) elemente principale: carbon şi compuşii săi, hidrogen, oxigen, azot – înglobate în substanţe organice; b) elemente secundare: fosfor, potasiu, sulf, magneziu; c) vitamine şi hormoni; d) oligoelemente: fier, nichel, cobalt etc.

Schema procesului de metabolism în regimul aerob

Activitatea enzimatică a microorganismelor, ca şi inhibiţia acesteia, constituie activitatea cheie în procesul degradării biochimice a impurităţilor organice din apele uzate. Cele mai multe enzime sunt localizate în interiorul celulei vii – enzimele intracelulare; unele sunt eliberate în mediul înconjurător – enzimele extracelulare. În general, acestea din urmă catalizează reacţii biochimice de hidroliză care scindează moleculele prea mari – lanţurile macromoleculare – pentru a trece prin membrana celulară, în unităţi mai mici capabile să pătrundă în interiorul celulei vii şi să intre în circuitul reacţiilor metabolice (de exemplu amilaza scindează amidonul în maltoză).

În interiorul celulei unităţile materiale care au pătruns prin membrană sunt folosite, pe de o parte, la obţinerea energiei în cadrul reacţiilor de dezasimilaţie, iar pe de alta, la crearea unui material celular nou în faza de asimilaţie.

Principalul fenomen producător de energie, în timpul reacţiilor metabolice de dezasimilaţie, este formarea apei prin oxidarea biochimică a substanţelor organice. Energia produsă în această fază este utilizată pentru: 1. sinteza unui material celular nou; 2. mişcarea celulelor - mobilitate; 3. respiraţie. Reacţiile de dezasimilaţie sunt catalizate de enzime ale proceselor de oxido-reducere, aşa numitele enzime ale lanţului respirator. În cazul în care reacţiile de oxido-reducere din interiorul celulei, reacţiile de respiraţie celulară, se fac în prezenţa oxigenului molecular, reacţiile sunt de aerobioză în care se eliberează ca metaboliţi în principal: dioxid de carbon, apă, şi produşi de oxidare ai azotului şi sulfului (prin termenul de metaboliţi se înţeleg substanţele care rezultă în urma procesului de metabolism – produşi ai metabolismului).

Reacţiile biochimice din mediul aerob produc mai multă energie decât cele din anaerobioză. De exemplu, prin oxidarea glucozei în mediul aerob rezultă C6H12O6 + O2  CO2 + H2O + 1,624 kJ, iar în cel anaerob C6H12O6  2CO2 + 2C5H5OH + 0,053 kJ. Reacţiile prezentate sunt efectuate în trepte complicate (de exemplu, în mediul anaerob sunt 12 reacţii succesive) fiecare treaptă fiind catalizată de enzime specifice. Apare, astfel, un sistem molecular multiplu format dintr-un şir de reacţii catalizate de enzime specifice.

Eliberarea unei cantităţi mai mici de energie, în reacţiile din mediul anaerob, conduce la sinteza unui volum mai redus de material celular, deci la creşterea mai slabă a suspensiei bacteriene.

De exemplu, pentru obţinerea drojdiei din 100 kg de zahăr se formează: a) în mediu aerob 27 kg substanţă celulară uscată + CO2 + H2O; b) în anaerobie 5 kg substanţă celulară uscată + 48 kg alcool + CO2. Dioxidul de carbon, metabolit comun celor două moduri de metabolism, provine din decarboxilarea acizilor organici formaţi în urma fixării moleculelor de apă în timpul reacţiilor de dezasimilaţie. Aşadar, oxigenul din dioxidul de carbon provine din apă; numai oxigenul din moleculele de apă, produsul final al respiraţiei aerobe, provine din aer. În acest caz celulele vii consumă oxigen pentru satisfacerea necesităţilor metabolice în degradarea substanţelor organice (respiraţie de substrat), dar şi în absenţa aportului de materii organice pentru
menţinerea activităţilor vitale (respiraţie endogenă).

Organismele care produc oxidarea substanţelor organice din apele uzate fac parte din următoarele grupe: a) obligat aerobe – reacţiile de oxido-reducere (respiraţie) fiind efectuate numai în prezenţa oxigenului; b) facultativ aerobe – reacţiile se petrec fie în prezenţa oxigenului, fie în absenţa lui; c) obligat anaerobe – reacţiile se desfăşoară numai în absenţa oxigenului (fermentaţie), mai mult oxigenul este toxic pentru organismele respective.

Procesul biologic aerob, proces biochimic cu oxigen în exces, are două faze: a) faza de carbon care începe imediat şi durează un interval de timp determinat de compoziţia, concentraţia şi temperatura – pentru 200 durează aproximativ 20 zile; b) faza azotului care începe mai târziu, după 4…5 zile şi durează de 3…4 ori mai mult – pentru 200 începe după 10 zile şi se desfăşoară pe 70…100 zile.

Viteza de consum a substanţei organice dL/dt se adoptă egală cu produsul dintre concentraţia de substrat şi concentraţia microorganismelor S care, la rândul ei, este proporţională cu concentraţia în materie organică L. Aşadar, este valabilă legea n m dL/dt = KLn Sm . Datorită faptului că valorile lui K, n, m sunt greu de apreciat se consideră, de regulă, expresia dL/dt = KL S .

Din punctul de vedere al modului cum se realizează nutriţia organismelor vii acestea se clasifică în: 1. Autotrofe – cele care îşi fabrică singure hrana cu următoarele subdiviziuni: 1.1. holotrofic sau fototrofic – cazul plantelor verzi capabile de a realiza fotosinteza; 1.2. chemotrofic – bacterii care obţin energia din metabolizarea hidrogenului sulfurat la sulf şi apoi la sulfaţi; 2. Heterotrofe – organisme vii care preiau hrana fabricată de altele, cu: 2.1. holozoic – vieţuitoare care digeră intern hrana; 2.2. sepofitic – vieţuitoare care adsorb hrana direct din mediu (nu au sistem digestiv); 2.3. parazitic; 3. Mixotrife – caracter mixt – de
exemplu plantele insectivore.

O importanţă deosebită pentru reacţiile biochimice catalizate de enzime o prezintă posibilitatea influenţării vitezelor de reacţie. Modificatorii – substanţelechimice care produc variaţii ale vitezei de reacţie – pot acţiona în ambele sensuri. Unii ioni, de exemplu Cl+, Mg2+, Mn2+, Co2+ etc., acţionează în sensul creşterii vitezei – activatorii – prin legarea substratului de enzimă sau prin stabilirea unor complexe implicate în succesiunea reacţiilor. Inhibiţia este acţiunea pe care o au unele substanţe, compuşi chimici,
elemente chimice sau fenomene mecanice, electrice, hidrodinamice asupra fiziologiei bacteriene cu efect de încetinire a metabolismului sau chiar letale. Factorii fizici care pot produce inhibiţie sunt: agitaţie mecanică violentă, ultrasunete, radiaţii violete, temperatura ridicată sau foarte joasă, şocurile de presiune-depresiune care pot distruge membrana celulară, turbulenţa accentuată etc.