Сетевое издание
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА СКОРОСТЬ ДЕСТРУКЦИИ РАСТВОРИМЫХ БЕЛКОВ В ПРИРОДНЫХ ВОДАХ

Мирзоева А.А. 1 Казанчева Л.А. 1 Казанчев С.Ч. 1 Кумышева Ю.А. 1
1 ФГБОУ ВПО «Кабардино-Балкарский государственный аграрный университет им. В.М. Кокова»
В экспериментальных условиях изучена скорость деструкции белков в дистиллированной и природной воде. Результаты свидетельствует, что деструкция белка в естественной воде протекает значительно быстрее, чем в дистиллированной: период полураспада белка в аэробных условиях в природной воде составляет семь суток, в дистиллированной – 30. В анаэробных условиях скорость деструкции белка снижается и соответственно составляет 12 и 16 суток. Различия скорости распада белка в природной и дистиллированной воде объясняется большей активностью естественных сообществ микроорганизмов по сравнению с искусственной средой. Исследованы влияние степени кислородного насыщения и температуры на скорость деструкции белка и развития микроорганизмов в природных водах. Увеличения температуры и содержания кислорода приводит к возрастанию скорости деструкции, что связано в основном с повышением активности микроорганизмов и в меньшей степени с их численностью. Определены константы скоростей и энергии активации белка в различных условиях.
дезаминирование
анаэробный
аэробный
гетеротрофный
гидробионт
деструкция
1. Бессонов Н.М., Привезенцев Ю.А. Гидробиологические исследования водоемов. М. 1987 с. 47-60.
2. Дебейко Е.В. Прямое фотометрическое определение растворимых белков в природных водах. Гидробиология, 1983 3,4 с. 25-29.
3. Кузнецов С.И. К вопросу о влиянии температуры на скорость распада одноатомных фенолов в природных водах. Гидрохимические материалы, 1984, 37 с. 65-76.
4. Казанчев С.Ч., Казанчева Л.А. Характеристики зональных особенностей экологидрохимического режима водоемов. Кабардино-Балкарская республика. – Нальчик, 2003.-163с.
5. Казанчев С.Ч., Казанчева Л.А. Гидрохимическая характеристика Черекского водохранилища. Известия Оренбургского ГАУ, Оренбург, 2010, №3 (27) с. 241-244.
6. Казанчев С.Ч., Кожаева Д. К. Биолого-экологическая характеристика пресных водоемов. Кабардино-Балкарская республика (флора и фауна), Нальчик, 2011 с.94-100.
7. Липин А.Н. Пресные воды и их жизнь. – М. Госучпедгиз, 1950, с.261-273.

Скорость деструкции органических соединений в водоемах и водотоках представляет значительный интерес в связи с исследованием процессов трансформации веществ и механизма самоочищения, а также в связи с изучением отдельных звеньев круговорота биологически важных элементов в природных водах. В литературе имеются лишь отдельные сведения о возможных путях, механизме и скорости распада органических соединений естественного происхождения в зависимости от условий среды [2-4].

Изучение динамики содержания органических соединений в натурных условиях не позволяет получить однозначную и достаточно надежную информацию о происходящих процессах, так как в этих условиях одновременно могут проходить как деструкция, так и поступление соединений из различных источников (донных отложений, прижизненные выделения гидробионтов, разложение клеток отмерших организмов и т.д.). Кроме того, на происходящие в водоеме процессы одновременно влияет ряд факторов, часто противодействующих друг другу.

В связи с этим опыты по определению влияния температуры и степени кислородного насыщения воды на скорость деструкции растворимых белков как начальных продуктов распада клеток гидробионтов является новым научным направлением в гидробиологии и требует доказательства в лабораторных условиях.

Материалы и методика исследования

Использован метод добавок [3,5], так как естественное содержание белков в природных водах недостаточно для того, чтобы с помощью существующих методов анализа получить надежные и достаточно четкие результаты.

В качестве добавок использовали бычий альбумин. Замена растительного белка животным, как нам представляется, не должна существенно влиять на ход физико-химических процессов, так как эти белки имеют сходную структуру.

Исследование проводили с использованием дистиллированной и природной воды, взятой с прудовых хозяйств II и V эколого-фенологической зоне. Воду предварительно выдерживали в течение 10 суток, после чего определяли содержание ряда химических ингредиентов, а также некоторых физиологических групп бактерий. Периодически в течение опытов устанавливали (по обще принятым в гидрохимической практике методикам) величину рН, содержание О2, минерального азота, карбонатов, аминокислот, растворимого белка [1], бихроматную окисляемость с улавливанием летучих органических соединений [6], а также общее количество бактерий и численность гетеротрофов, в том числе обладающих протеолитическими свойствами [5]. Опыты проводили в колонках из оргстекла емкостью 10 л. Содержание растворенного в воде кислорода регулировали, периодически продувая воздух через колонки. Анаэробные условия создавали добавлением рассчитанного количества сульфата натрия или продуванием азота.

Результаты лабораторных исследований

Опыты проводили с использованием дистиллированной воды и воды с рыбоводных прудов V эколого-фенологической зоны в аэробных и анаэробных условиях при температуре 200С. Во все колонки в начале опыта добавляли альбумин, в расчете 200 мг на литр. Ниже приведены данные по содержанию основных ингредиентов в исходной воде (V эколого-фенологическая рыбоводная зона) (табл. 1), динамике деструкции белка в процессе опыта, а также изменение общей численности микроорганизмов и гетеротрофных бактерий, в том числе обладающих протеолетическими свойствами (рис.1).

Таблица 1

Химический состав воды из рыбоводного пруда V эколого-фенологической зоны и динамика содержания некоторых ингредиентов в процессе опытов

 

 

Ингредиенты

Природная вода

Дистиллированная вода

8 мг О2

0 мг О2

8 мг О2

0 мг О2

Время снятия показаний после начала опытов, сут.

0

4

8

17

26

0

4

8

17

26

0

4

8

17

26

0

4

8

17

26

NH4+мг/л

1,56

0

3,1

5,70

8,6

1,56

0

0,90

0,97

2,20

1,56

0,3

0,3

1,20

0,50

1,56

0,3

0,4

0,86

0,77

NO3- мг/л

0,58

0

0

0

0

0,58

0

0

0

0

0,58

0

0

0

0

0,58

0

0

0

0

СО32- мгС/л

0,6

0

0

0

0

0,6

0

0

0

0

0,6

0

0

0

0

0,6

0

0

0

0

НСО3- мгС/л

12,0

6,5

7,9

12,0

17,0

12,0

5,9

26,0

33,0

-

12,0

5,9

5,9

5,80

7,10

12,0

6,5

4,1

1,8

4,40

СО2мгС/л

0

1,9

-

13,0

14,1

0

10,2

-

17,8

24,5

0

1,7

-

8,40

18,9

0

3,1

-

27,5

31,5

Примечание: содержание белков 110, аминокислот - 40 мкг/л; Fe общ. -1,1, Са2+-50, Mg2+-11, К++Na+ -19, CI- -16, SO42-- 22мг/л, Cu2+-3,8 мкг/л.

Полученные результаты показывают, что деструкция белка в естественной воде протекает значительно быстрее, чем в дистиллированной: период полураспада белка в аэробных условиях в природной воде составляет 7 суток, в дистиллированной – 30. В анаэробных условиях скорость деструкции белка снижается и соответственно составляет 12 и 62 суток. Так как опыты проводили в нейтральных условиях, общая численность микроорганизмов в колонках с дистиллированной водой уже на восьмые сутки возросла до 25 млрд. кл/мл и все же количество бактерий в них было в два раза ниже, чем в колонках с природной водой, снижение количества микроорганизмов в течение опыта проходило аналогично во всех вариантах и к 44-му дню стало практически одинаковым. Численность гетеротрофных бактерий спустя 5-6 суток после внесения белка в колонках с дистиллированной водой превысила таковую в природной воде. Однако процент микроорганизмов, обладающих протеолитическими свойствами был значительно меньше (исключением были опыты в анаэробных условиях).

Различия в скорости распада белка в природной и дистиллированной воде можно объяснить большей активностью естественных сообществ микроорганизмов по сравнению с получившими развитие в искусственной среде (дистиллированная вода после внесения в нее белка).

Динамика содержания других ингредиентов позволяет сделать лишь предварительные выводы о происходящих процессах. Во всех случаях величина рН изменилась в пределах 6,5-8,0. Почти во всех вариантах наблюдалось увеличение содержания бикарбонатов и свободной углекислоты за счет минерализации органических веществ. Отмечено увеличение в значительной степени содержания NH4+. Это позволяет предположить, что распад аминокислот происходил преимущественно по пути дезаминирования. Концентрация нитрат-ионов в исходной воде составляла 0,6 мг/л. В дальнейшем через трое суток, в связи с развитием микрофлоры содержание нитратов снизилось до аналитического нуля и не повышалось в течение всего опыта.

Количество органического углерода, вычисленное по бихроматной окисляемости, на 26-е сутки опыта также снизилось и составляла в аэробных условиях 63% начального, в анаэробных, при использовании воды V эколого-фенологической рыбоводной зоны – 72%, дистиллированной – 80%. Содержание минеральных форм углерода увеличилось соответственно на 18,2 и 20%. Уменьшение количество органического углерода и свободной углекислоты в аэробных условиях по сравнению с анаэробными можно объяснить частичным удалением легколетучих органических соединений, СО2 при барбатировании воды воздухом.

Рис.1. Деструкция белка и динамика численности микроорганизмов в природной (1,2) и дистиллированной (3,4) воде: а – белки; б – общая численность бактерий; в – численность гетеротрофов; г – микроорганизмов, обладающих протеолитическими свойствами 1,3 – содержание О2 8мг/л, 2,4 – 0 мг/л.

Более детально влияние температуры на скорость деструкции белков в аэробных и анаэробных условиях исследовали на воде IV эколого-фенологических рыбоводных зон химический состав которой приведен ниже (табл.2).

Таблица 2

Химический состав воды IV эколого-фенологической рыбоводной зоны и некоторые химические ингредиенты (мгС/л) в начале (1) и в конце (2) опытов

 

t,C0

 

O2 мг/л

СО2

НСО3-

Сумма

1

2

1

2

1

2

10

10,2

5

6,0

38

33,5

43

39,5

10

0

5

19,1

38

31,7

43

50,8

20

9,4

5

6,5

38

32,9

43

39,4

20

0

5

18,6

38

33,5

43

52,1

30

8,6

5

4,5

38

35,4

43

39,9

30

0

5

17,1

38

32,3

43

49,4

Примечание. Содержание белков - 120, аминокислот - 30 мкг/л; Fe общ. - 0,2; Са2+- 43; Mg2+ - 8,7; К+ + Na+ - 8,8; CI- - 10,3; SO42- - 17,4 мг/л; Cu2+ - 3 мкг/л. Исходное и конечное содержание СО32- равно нулю.

Температуру воды поддерживали на уровне 100, 200 и 300С. С целью приближения к естественным условиям была взята меньшая исходная концентрация белка (15 мг/л). Кроме изменения содержания белков и развития микрофлоры в процессе опытов определяли также величину рН, суммарное содержание азота, минеральных форм углерода до и после опытов и составляли их баланс (табл.2,3, рис. 2).

Таблица 3

Концентрации азотсодержащих соединений (мг/л) в начале (1) и в конце (2) опытов

t,0C

O2 мг/л

NH4+

NO3-

NO2-

Белок

Аминокислота

Сумма

1

2

1

2

1

2

1

2

1

2

1

2

10

10,2

0,52

1,60

0,13

0,08

0,0007

0,0002

2,5

0,70

0,23

1,25

3,40

3,63

10

0

0,52

1,4

0,13

0,08

0,0007

0,0001

2,5

1,0

0,23

0,88

3,40

3,36

20

9,4

0,52

1,0

0,13

0,12

0,0007

0,0003

2,5

0,83

0,23

1,78

3,40

3,73

20

0

0,52

1,2

0,13

0,10

0,0007

0,0002

2,5

1,2

0,23

0,86

3,40

3,36

При рассмотрении данных по динамике содержания белка (рис. 2а) отчетливо проявляется влияние температуры на скорость его деструкции в аэробных условиях в начальный период опыта. Периоды полураспада составляют 1,5; 5,0 и 9,5 суток при температуре соответственно 300, 200 и 100С. Однако, по истечении определенного времени (в нашем случае около 15 суток) процесс деструкции резко замедляется и содержание белка остается почти неизменным в течение длительного времени, составляя около 5мг/л. В аэробных условиях наибольшая численность бактерий зарегистрировано при 100С. Однако, максимум в их развитии при этой температуре наступил на четверо суток позже, чем при 20 и 300С. Количество гетеротрофных бактерий (рис.2г) при 20 и 300С превышало их численность чем при 100С. К 14-му дню опыта общее содержание микроорганизмов при 20 и 300С практически сравнялось, при 100С продолжало оставаться намного выше. Стабилизация в развитии бактерии наступило на 18 сутки.

Рис.2. Влияние температуры на деструкцию белка и развитие микроорганизмов: 1-100(содержание О2 10,2 мг/л); 2-200(9,2 мг О2/л); 3-300 (8,8 мг О2/л); 4-100, 5-200, 6-300(0 мг О2/л); а - белки; б - общая численность бактерий в аэробных условиях; в - то же в анаэробных условиях; г-численность гетеротрофов; д-микроорганизмов

В анаэробных условиях динамика содержания белков носит иной характер. Кривые имеют волнообразный вид, что может быть объяснено вторичным загрязнением воды за счет белка имеющихся микроорганизмов. Процесс деструкции идет значительно медленнее - период полураспада составляет для всех случаев около 33 суток.

Интересно отметить, что в аэробных условиях по сравнению с анаэробными количество микроорганизмов значительно меньше при большей скорости деструкции белка. Это однозначно указывает на более высокую активность микроорганизмов в аэробных условиях по сравнению с анаэробными.

Мы попытались дать количественную характеристику активности микроорганизмов. Для этого по данным их развития (рис.2 г, д) рассчитали среднее количество ко времени, соответствующее половине максимального роста ( ½ млн.кл/мл). При этом исходим из того, что в начальный период развития число жизнеспособных бактерий значительно выше числа отмирающих. В связи с чем можно пренебречь количеством белка, поступающим в воду за счет распада микроорганизмов. Одновременно по кривым (рис.2а) находим количество распавшегося белка за то же время (∆С, мг/л условный коэффициент активности).

(КА) микроорганизмов рассчитывали по соотношению:

КА=

Из полученных данных (табл.4) следует, что активность микрофлоры в аэробных условиях на порядок выше, чем в анаэробных. В то же время не замечено четкой зависимости между активностью микроорганизмов и температурой (в интервале 10-300С).

Для определения порядка реакции деструкции белка по начальным участкам кривых (рис.2а) построена зависимость lgC=f (t, сутки) прямолинейный ход которой (рис.3) показывает, что как в аэробных, так и анаэробных условиях в начальный период деструкция белка описывается уравнением реакции при различных условиях по уравнению:

К = lg

где С0 - начальная концентрация белка; Сt – его концентрация через время t (сутки).

Результаты приведены в табл.5. По этим данным построена кривая изменения lgК в зависимости от температуры (рис.4).

                            

Рис.3. Изменение скорости деструкции белка в аэробных (1-3) и анаэробных (4-6) условиях: 1,4-100; 2,5-200; 3,6-300.

Рис.4. Влияние температуры на константу скорости деструкции белка: 1-аэробные, 2-анаэробные условия.

Таблица 4

Условные коэффициенты активности микроорганизмов

 

t, 0C

 

O2, мг/л

 

DС, мг/л×103

Количество микроорганизмов (N1/2)млн.кл/мл

КА=

 

1

2

1

2

1

2

10

10,1

5,0

2,5

0,6

0,05

8,3×10-3

5×10-3

20

9,2

4,0

7,0

1,5

0.5

2,7×10-3

14×10-3

30

8,8

8,0

9,5

1,3

0,2

6,1×10-3

47×10-3

10

0

1,6

1,5

1,4

0,7

11,0×10-4

21×10-3

20

0

1,8

1,8

6,0

2,5

3,0×10-4

1,2×10-4

30

0

4,0

4,0

7,0

2,2

5,7×10-4

18×10-4

Примечание. 1-гетерогенные бактерии; 2-микроорганизмы, обладающие протеолитическими свойствами.

Непрямолинейный характер полученной зависимости указывает на заметное изменение энергии активации при изменении температуры. В связи с этим провели расчеты величины энергии активации процесса деструкции белка (табл.5) для интервалов температур 10-20º и 20-30º по формуле [7].

Таблица 5

Константы скорости (К) и энергии (Е) деструкция растворимого белка под действием микроорганизмов

t, ºC

К, сутки

Интервалы температур, ºC

Е, ккал/моль×град

аэробные условия

анаэробные условия

аэробные условия

анаэробные условия

10

0,09

0,0023

10 – 20

9,4

7,2

20

0,159

0,0040

2 - 30

 

 

30

0,377

0,0077

 

15,0

11,8

E = lg , где Е – энергия активации (кал/моль×град), К1 и К2 – константы скоростей реакций при абсолютных температурах Т1 и Т2.

Величина Е в анаэробных условиях несколько ниже, чем в аэробных, а с повышением температуры энергия активации увеличивается. Порядок величин энергии активации (7-15 ккал/моль×град) позволяет предположить, что деструкция белков происходит в результате ферментативной реакций при участии радикалов [7].

При рассмотрении изменения состава минеральных форм углерода (табл.2) видно, что концентрация СО2 в анаэробных условиях возрастает к концу опытов частично за счет бикарбонатов, частично вследствие минерализации органических соединений. Сравнительно небольшую убыль суммарного содержания минеральных форм углерода в аэробных условиях можно объяснить удалением СО2 при аэрировании колонок воздухом. Расчеты количества минеральных и органических форм азота до и после опытов (табл.3) показывают сравнительно хороший их баланс. В аэробных условиях отмечено значительное увеличение концентрации аминокислот при соответствующем уменьшении содержания белка.

Повышение содержания минеральных форм азота происходит во всех случаях за счет аммония с одновременным уменьшением концентрации нитрит- и нитрат ионов.

Влияние содержания кислорода в воде на скорость деструкции белка проводили на свежеотобранной воде V эколого-фенологических рыбоводных прудах следующего состава:

 

мг/л

 

мг/л

Ca2+

32,0

CI-

12

Mg2+

9,0

SO42-

18

K+ + Na+

9,2

HCO2-

80

Cu2+

2,2

CO2

0

Mg2+

13,0

CO32-

2,5

Перед началом опытов путем продувания смеси воздуха с азотом установили требуемое насыщение воды кислородом. После стабилизации режима в колонки добавляли альбумин в количестве 13 мг/л.

Опыты проводили при температуре 20º, поддерживая во время всего эксперимента следующее содержание кислорода (мг/л): 1колонка – 10 ± 1; II – 5 ± 1; III- 2 ± 0,4; IV – около нуля. Определяли показатели: содержание кислорода, белка, общее количество бактерий, численность гетеротрофов и микроорганизмов, обладающих протеолитическими свойствами. Температура поддерживалась автоматически.

Как видно из приведенных данных (рис.5а – кривая 1 и рис.2а-кривая 2), состав воды не оказывает существенного влияния на скорость деструкции белка, однако этот процесс в значительной степени зависит от содержания кислорода. Как правило, при его уменьшении скорость деструкции снижается за счет замедленного в начальный период развития микрофлоры. Этот эффект проявляется сильнее, чем ниже содержание кислорода.

Рис. 5. Влияние содержания кислорода на деструкцию белка и развитие микроорганизмов.

1-4- содержания О2 соответственно 10,5,2 и 0 мг/л: а – белки; б – общая численность бактерий; в – гетеротрофов; г – микроорганизмов, обладающих протеолитическими свойствами.

После периода адаптации идет довольно быстрый распад белков, но уже не за счет повышения активности микрофлоры, а вследствие резкого возрастания ее численности (табл.6). Как и в предыдущем опыте, скорость деструкции уменьшается после разрушения 60-70% исходного содержания белка.

Таблица 6

Условные коэффициенты активности микроорганизмов

 

О2, мг/л

 

DС, мг/л×10-3

Количество микроорганизмов (N1/2), млн.кл/мл

КА=

 

1

2

1

2

1

2

10

3,5

5,5

1,75

0,25

2,0 × 10-3

22,0 × 10-3

5

1,2

1,5

6,75

1,25

0,77 × 10-3

1,2 × 10-3

2

3,0

3,3

9,00

1,75

0,33 × 10-3

1,9 × 10-3

0

1,0

1,5

9,00

0,62

0,11× 10-3

2,4 × 10-3

Примечание. 1-гетеротрофные бактерии; 2-микроорганизмы, обладающие протеолитическими свойствами.

Дальнейший распад описывается другой кинетической кривой. В анаэробных условиях наблюдается увеличение содержание белка, что обусловлено вторичным загрязнением в связи с отмиранием клеток бактерий. Весьма примечателен тот факт, что снижение содержание кислорода до 50% насыщения приводит к резкому (на целый порядок) увеличению численности гетеротрофов, то есть значительному ухудшению санитарного состояния воды. Это обстоятельство необходимо учитывать при использовании воды для питьевого водоснабжения, и в местах водозабора добиваться максимального насыщения ее кислородом, путем искусственной аэрации.

Выводы:

1. В природной воде деструкция белка проходит в 2-3 раза быстрее, чем в дистиллированной.

2. Увеличение температуры (10º - 30ºС) и содержание кислорода (0-10мг/л) приводит к возрастанию скорости деструкции белка, что обусловлено главным образом повышением активности микроорганизмов и в меньшей степени ростом их численности.

3. В начальный период деструкции белка (2 - 6 суток) процесс описывается уравнением реакции первого порядка. Константы скоростей и величины энергии активации процесса деструкции колеблются в пределах 0,002-0,38 сутки-1 и 7-15 ккал/моль×град.

4. В условиях эксперимента происходит распад белка до более простых органических соединений, причем это процесс сопровождается дезаминированием.

5. Уменьшение степени кислородного насыщения воды до 50% и ниже сопровождается резким увеличением количества микроорганизмов, что приводит к ухудшению санитарного состояния воды.

Рецензенты:

Гетоков О.О., д.б.н., профессор кафедры зоотехнии КБГАУ им. В.М. Кокова, г. Нальчик;

Карашаев М.Ф., д.б.н., доцент кафедры «Ветеринарно-санитарная экспертиза» ФВМиБ КБГАУ им. В.М. Кокова, г. Нальчик.


Библиографическая ссылка

Мирзоева А.А., Казанчева Л.А., Казанчев С.Ч., Кумышева Ю.А. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА СКОРОСТЬ ДЕСТРУКЦИИ РАСТВОРИМЫХ БЕЛКОВ В ПРИРОДНЫХ ВОДАХ // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 6. ;
URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=23985 (дата обращения: 22.09.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074