Náš e-shop podporuje charitativní akci "Nezávodím-pomáhám". Využijte slevový kód MTS20 pro 20% slevu na všechny enzymatické přípravky.

Enzymy pro biologické čištění odpadních vod

Co jsou to enzymy?

Enzymy jsou sloučeniny, které svým působením umožňují a usnadňují průběh biochemických reakcí. Bez působení enzymů:

  • za normálních podmínek (např. teplota, tlak, nízké koncentrace reagujících složek) by se tyto reakce nemohly vůbec rozběhnout
  • reakční rychlosti by byly extrémně nízké
  • by se výrazněji projevovaly negativní vlivy na danou reakci
  • by docházelo k neřízeným negativním doprovodným jevům jako např. neřízený vývoj tepla, změny pH apod.

Enzymy mají tedy obdobnou funkci jako katalyzátory v chemických reakcích, a jsou proto někdy nazývány biokatalyzátory.

Po chemické stránce se jedná o organické látky bílkovinné povahy. Podle skladby výsledné molekuly se dělí enzymy na dvě základní skupiny:

Enzymy proteinické (jednosložkové) jsou složeny jen z bílkoviny, na které je vytvořeno v určitém místě z několika aminokyselin aktivní centrum, které určuje specifitu enzymu (tj. reakcí jakých látek se bude zúčastňovat). Mezi jednosložkové enzymy patří např. hydrolázy, tj. enzymy katalyzující proces hydrolýzy neboli štěpení složitějších látek v látky s jednoduššími molekulami. Základními hydrolytickými reakcemi při odstraňování znečištění z odpadních vod jsou

  • hydrolýza poly- a oligosacharidů v monosacharidy
  • hydrolýza bílkovin a peptidů (kratší řetězce aminokyselin)
  • rozštípnutí tuků na glycerol a příslušné mastné kyseliny

Enzymy proteidické (dvousložkové) mají komplikovanější strukturu neboť se sestávají z molekuly proteinu, tzv. apoenzymu a z nízkomolekulární sloučeniny nebílkovinného charakteru, tzv. koenzymu. Úlohu aktivního centra ve dvousložkovém enzymu má tento koenzym (nebo též kofaktor). Chemická reakce měnící substrát se děje právě na určitém místě koenzymu. Protein enzymu (tj. apoenzym) je opět důležitý pro specifitu enzymu, která se projevuje tím, že enzym působí jen na určitou látku a ze všech možných reakcí, do kterých tato látka může vstupovat, katalyzuje jen některé. Na druhé straně specifičnost účinku enzymu (tj. typ reakce), určuje koenzym.

Koenzymy jsou s proteiny (apoeznymy) spojeny buď labilní adsorpční vazbou, iontovou vazbou nebo pevnou kovaletní vazbou, po chemické stránce patří mezi hlavní koenzymy nukleotidy, nukleotidfosfáty, porfyrinové koenzymy, koenzymy obsahující vitamíny, apod.

Rozdělení enzymů

Enzymů, které zprostředkovávají biochemické reakce v rostlinném i živočišném světě, jsou tisíce, neboť může docházet i k různým kombinacím apoenzymů a koenzymů. Z hlediska jejich hlavního působení jsou enzymy klasifikovány obvykle do 6 hlavních skupin:

1. skupina: Oxidoreduktázy

Enzymy, které katalyzují oxidačně-redukční reakce v buňkách. Jsou to tedy hlavně enzymy spojené s dýchacím řetězcem a s elektronovým transportním systémem, např. cytochromoxidázy, cytochromy, nitrátreduktázy důležité pro biologickou denitrifikaci apod.

2. skupina: Transferázy

Enzymy, které katalyzují přenos různých skupin látek z donora na akceptor. Např. aminotransferázy katalyzují při látkové výměně aminokyselin přenos aminoskupin.

3. skupina: Hydrolázy

Enzymy katalyzující hydrolytické reakce. Jde o velký komplex reakcí nesmírně důležitých v prvních fázích odstraňování organického znečištění z odpadních vod. Výchozí látka se rozkládá na své komponenty při katalyzovaném působení molekuly vody, což lze obecně znázornit následující rovnicí:

Tyto enzymy patří často k extracellulárním enzymům, tj. působí i v médiu mimo vlastní buňky. Působením hydroláz vznikají z původních velkých molekul menší fragmenty, které mohou být transportovány dovnitř buněk transportními enzymy k dalšímu metabolismu.

4. skupina: Lyázy

Enzymy z této skupiny rovněž štěpí chemické vazby, nikoli ovšem hydrolytickou cestou, ale přímo štěpením vazby mezi atomy uhlíku C - C.

5. skupina: Isomerázy

Tyto enzymy katalyzují komplikované změny uvnitř molekul, které vedou k přeměnám z cis- na trans- postavení a obráceně (cis- a trans- konformerie, isomery).

6. skupina: Ligázy

Tato skupina enzymů katalyzuje reakce vedoucí k syntéze složitějších molekul, kdy je zapotřebí energie uvolňované z přenašeče energie ATP (adenosintrifosfát). Syntézu se spotřebou energie lze schematicky naznačit takto:

Již v případě hydroláz bylo zmíněno, že enzymy lze členit na extracellulární a intracellulární podle lokalizace, kde dochází ke katalyzovanému ději.

Další rozdělení enzymů směřuje k popsání toho, zda-li je příslušný enzym v buňce k dispozici stále v aktivní formě (tzv. konstitutivní enzym), nebo zda-li buňka musí nejdříve před příslušnou reakcí enzym syntetizovat (tzv. induktivní enzym). V biologickém čištění odpadních vod patří k nejznámějším induktivním enzymům nitrátreduktáza.

Působení enzymů

První funkcí enzymu je iniciace reakce. K tomu, aby reakce mohla proběhnout, musí být v médiu určité minimální množství molekul reagujících látek. Při setkání těchto molekul reagujících látek je k nastartování reakce zapotřebí určité množství energie. Tato energie se nazývá aktivační energie a velikost aktivační energie závisí na okolních podmínkách, zejména na teplotě. Průběh biochemických reakcí je většinou silně omezen co do výše teplot, neboť při vyšších teplotách by došlo k poškození reagujících složek. Při teplotách okolo 20 C, které jsou běžné pro médium odpadních vod, je aktivační energie mnoha reakcí tak vysoká, že by reakce vůbec nemohla probíhat. Díky katalytickému účinku enzymů se tato aktivační energie může výrazně snížit a enzymy tak vůbec umožňují proběhnutí rekce.

Kromě funkce na snížení aktivační energie lze další působení enzymů shrnout následovně:

  • enzymy působí v minimálních koncentracích, které jsou na hranicích prahových koncentrací
  • podobně jako katalyzátory enzymy vystupují z reakce nezměněny a nespotřebovány (to ovšem neznamená, že enzymy zůstávají v médiu s nezměněnou koncentrací, neboť vzhledem k jejich bílkovinnému základu dochází k jejich přirozenému rozkladu činnosti baktérií)
  • enzymy nemají žádný vliv na rovnovážnou polohu, do které se chemická reakce dostává (změna termodynamické energie G je stejná u nekatalyzované i katalyzované reakce)

Enzymy tedy umožňují a urychlují reakce, ale neposunují rovnovážný stav ani na stranu substrátu, ani produktu.

Mnohé enzymy začínají působit až pod vlivem jiné látky, tzv. aktivátoru. Kromě chemických látek mohou hrát roli aktivátoru faktory jako teplota, pH či redox potenciál, tzn. fyzikálně-chemické parametry prostředí (média).

Průběh enzymatické reakce

Při biologickém čištění odpadních vod musí substrát (vlastně znečišťující látka v odpadní vodě) podstoupit několik enzymatických kroků než se přemění v určitý konečný produkt (např. zbytkové nerozložitelné znečištění nebo biomasa). Každý z těchto kroků je katalyzován samostatným enzymem, takže v průběhu celého odstraňování daného substrátu jich může být zapojeno několik desítek, stovek i více enzymů. Důvodem pro tento vysoký počet nutných enzymů je jejich vysoká specifita. Ta je dána speciální trojrozměrnou strukturou enzymu, ve které se nachází aktivní centrum. Následující obrázek schematicky znázorňuje navázaní substrátu na aktivní místo specifického enzymu. Základem enzymatické reakce je tedy vytvoření komplexu enzym - substrát.

Komplex enzym - substrát; vysvětlení substrátové specifity enzymů

Jak vidět z následujícího schématu, komplex enzym-substrát je v rovnováze mezi výchozími a konečnými produkty. Pro narušení této rovnováhy platí všeobecná pravidla chemické kinetiky, neboli reakce vedoucí ke tvorbě komplexu enzym-substrát mohou být rušeny různými chemickými i fyzikálně-chemickými vlivy, které se obecně zahrnují pod pojem inhibice.

Před případnou umělou aplikací enzymů do systému je tedy nutno prověřit, zda-li proti těmto enzymatickým reakcím nebudou působit inhibiční vlivy.

Kinetika enzymatických reakcí

Rychlost enzymatických reakcí se řídí saturačním typem kinetiky, tj. rychlost děje stoupá s rostoucí koncentrací substrátu nejprve téměř lineárně, ale při vyšších koncentracích substrátu je již přírůstek rychlosti nižší a rychlost reakce se pomalu přibližuje k maximální hodnotě Vmax. Toto chování je dáno tím, že aktivní centrum enzymu je schopno zpracovat za jednotku času jen určité maximální množství molekul substrátu. Rychlost tvorby produktu je přímo úměrná koncentraci komplexu ES:

Koncentrace komplexu ES je výsledkem rovnováhy, kde disociační konstanta činí:

Disociační konstanta Km závisí na fyzikálně-chemických parametrech systému, zejména na teplotě a pH. Pro konstantní koncentraci enzymu (jako katalyzátoru, který se reakce "nezúčastní" ani není v reakci spotřebováván) je výsledná rychlost tvorby produktu P popsána známou rovnicí Michaelis-Mentenové:

Konstanta Km se v tomto vztahu nazývá konstanta Michaelis-Mentenové a fyzikálně se rovná koncentraci substrátu, při níž rychlost enzymatické reakce V dosahuje právě 1/2 maximální rychlosti Vmax, tj. rychlosti, kdy je enzym substrátem nasycen.

Číselná hodnota konstanty Km vyjadřuje afinitu enzymu k danému substrátu, tj. malé hodnoty této konstanty znamenají, že enzym je vysoce specifický k danému substrátu a je aktivní již při malých koncentracích tohoto substrátu. V opačném případě vykazuje enzym k danému substrátu jen velmi nízkou aktivitu.

Hodnoty konstant Vmax a Km jsou specifické vždy pro určitou dvojici enzym - substrát a nelze je bez experimentálního ověření generalizovat a přenášet na jiné enzymy či substráty.

Role enzymů při biologickém čištění odpadních vod

Jak vyplývá z teorie enzymatických reakcí, většina biochemických reakcích probíhajících v omezených okrajových podmínkách (zejména v malém rozsahu teplot) musí být katalyzována těmito biokatalyzátory, jinak by nemohla probíhat s technologicky přijatelnými rychlostmi. Mikrobiální konsorcia používaná při biologickém čištění odpadních vod jsou samovolně vzniklá a dlouhodobě adaptována na příslušné vnější podmínky, tj. zejména na teplotu a chemické složení média - odpadní vody. Proto by i za normálních podmínek měla být rozmanitost i koncentrace enzymů produkovaná takovým konsorciem jako je např. aktivovaný kal dostatečná k dosahování potřebných rychlostí jednotlivých enzymatických dějů významných z hlediska čištění odpadních vod.

Pokud tomu tak není, je možno příčiny problémů spatřovat v následujících okolnostech či v kombinacích těchto jednotlivých příčin:

  • mikroorganismy produkující příslušné enzymy nejsou v konsorciu přítomny; důvodem může být nevhodnost podmínek pro jejich růst, např. příliš nízká teplota, extrémní pH, nedostatek rozpuštěného kyslíku ale i např. nedostatečná doba zdržení biomasy (stáří kalu), kdy dochází k vyplavování těchto mikroorganismů
  • zastavení reakce či snížení její rychlosti v důsledku působení inhibujících látek (zejména při podílu průmyslových odpadních vod)
  • koncentrace produkovaných enzymů je nedostatečná vůči koncentraci zpracovávaného substrátu (jež může být dána již vysokou koncentrací v odpadní vodě), takže všechna aktivní místa enzymů jsou plně vytížena a rychlost enzymatické reakce tak již dosahuje svého maxima
  • daný substrát se může v odpadní vodě vyskytovat jen nárazově s krátkou periodou trvání jeho výskytu, což může vyvolávat problémy s účinností induktivních enzymůV takovýchto případech je i účelné uvažovat o umělém přidávání těch enzymů, jejichž koncentrace jsou z nejrůznějších důvodů v aktivační směsi nedostatečné. Nutno ovšem předem pečlivě vyloučit inhibiční vlivy. I když z teorie inhibice vyplývá, že míru inhibice lze částečně snížit koncentrací či aktivitou příslušného enzymu, ve většině praktických případů by bylo dávkování enzymů do inhibovaných biologických systémů zbytečné a ekonomicky nezdůvodnitelné.

V dosavadní čistírenské praxi lze považovat za úspěšně ověřené dávkování následujících typů enzymů vedoucí k řešení praktických provozních problémů.

Zlepšení nitrifikace amoniakálního dusíku

Jedním z nejcitlivějších procesů při současném biologickém čištění odpadních vod je biologická oxidace amoniakálního dusíku na dusík dusičnanový - nitrifikace. Zde se může jednat o dávkování specifických enzymů podporujících některý z kroků přenosu elektronů z amoniakálního dusíku na rozpuštěný molekulární kyslík. Proces nitrifikace je také často limitován nedostatečnou koncentrací rozpuštěného kyslíku v biomase, která se pohybuje pod hodnotou saturační koncentrace pro kyslík. V takovém případě by mohly pomoci k snazšímu přestupu kyslíku do biomasy specifické enzymy urychlující transfer tohoto akceptoru elektronů.

Zmírnění důsledků vláknitého bytnění aktivovaných kalů

V konsorciu aktivovaného kalu se může vyskytovat mnoho mikroorganismů, které mají vláknitou morfologii. Výskyt mikroorganismů v této formě vede ke zhoršení sedimentačních a i zahušťovacích vlastností aktivovaných kalů (jev známý jako vláknité bytnění aktivovaného kalu). Většina vláknitých mikroorganismů způsobujících tento problém preferuje jako substráty jednodušší cukry, které mohou být produktem rozkladu polysacharidů. K problémům dochází tehdy, jestliže produkty tohoto rozkladu jsou uvolňovány do media ve velkých objemech aeračních nádrží a nikoli v kompartmentech kontaktních zón, které jsou za účelem prevence vláknitého bytnění do aktivačních systémů vkládány. Urychlení rozkladu polymerních sloučenin a využití produktů jejich rozkladu ještě v kontaktní zóně by bylo možné dosáhnout přídavkem specifických štěpících enzymů, např. amyláz.

Zmírnění problémů s tvorbou biologických pěn

Problém zvýšené tvorby biologických pěn je aktuálním problémem našich aktivačních ČOV v posledních cca 15 letech. Systematický výzkum prováděný v ČR na VŠCHT Praha ve spolupráci s předními zahraničními pracovišti potvrdil, že bezprostřední příčinou tvorby biologických pěn je opět zvýšený výskyt vláknitých mikroorganismů, tentokráte ovšem jiných druhů. Jedná se převážně o vlákna aktinomycetového druhu, charakterizovaná těmito základními vlastnostmi

  • vysoká hydrofobnost buněčného povrchu vláken
  • tvorba biologických povrchově aktivních látek, které biologickou pěnu stabilizují
  • vysoká afinita k substrátům typu tuky či oleje a nebo k prvním produktům jejich štěpení, tj. k dlouhým mastným kyselinám

Dominantní část ostatních mikroorganismů aktivovaných kalů (tzv. vločkotvorných) není schopna utilizovat tuky či dlouhé mastné kyseliny přímo. Podpořit růst těchto vločkotvorných mikroorganismů na úkor pěnotvorných vláken může přídavek enzymů, které urychlují hydrolýzu tuků (tj. rozrušují vazbu glycerol - dlouhá mastná kyselina C16-C18) a zároveň podporují štěpení C-C vazeb a tudíž rozklad dlouhých mastných kyselin na tzv. těkavé mastné kyseliny s uhlíkovými řetězci C2-C6. Přídavek těchto enzymů by přispěl k požadované selekci tím, že by nežádoucím vláknitým mikroorganismům ztížil přístup k těmto specifickým substrátům.

Biologické pěny a špatně sedimentující kaly s obtížně odseparovávají od vyčištěné odpadní vody v dosazovacích nádržích a přispívají tak ke zvýšenému výnosu nerozpuštěných látek, které vzhledem ke svému biologickému původu výrazně zvyšují ukazatel zbytkového znečištění CHSKCr, který je dle naší legislativy při vypouštění odpadních vod zpoplatněn.

Možnost zvýšené biologické rozložitelnosti tzv. refraktorních látek

Odtok z biologických čistíren odpadních vod obsahuje tzv. refraktorní neboli zbytkové organické látky, které pocházejí částečně ze špatně biologicky rozložitelných podílů organického znečištění surových odpadních vod, částečně jsou produkovány metabolismem mikroorganismů tvořících biologická konsorcia v čistírnách odpadních vod. Tyto látky tvoří součást zbytkové CHSKCr (v rozpuštěné formě) a přispívají tak ke zvyšování poplatků za vypouštěné znečištění.

Příčin špatné biologické rozložitelnosti této skupiny organických látek je celá řada, nicméně jednou z nich může být i nedostatečná koncentrace enzymů např. ze skupiny lyáz, iniciujících štěpení organických vazeb C-C. Přitom i malá koncentrace těchto enzymů přirozeně generovaných nemusí být dostatečná k iniciaci reakcí vzhledem k malému počtu aktivních míst na enzymech, a tudíž k malému počtu interakcí mezi těmito aktivními místy a molekulami refraktorních látek přítomných v relativně malých koncentracích (vzhledem ke koncentracím substrátů v odpadní vodě). Zvýšení koncentrace těchto enzymů zvýší i pravděpodobnost těchto interakcí a může iniciovat štěpení tohoto typu látek. Dávkování tohoto typu enzymů je pak výsledkem ekonomické rozvahy mezi náklady na dávkování enzymů a případnými úsporami za vypouštěné znečištění v parametru CHSKCr.