CC BY
11
2. ЕКОЛОГ1Я ТА ДОВК1ЛЛЯ
m
нлты
ы КРАЖИ i «bJHTÜ» ,
Hl/IVB
Науковий BicH и к Н/1ТУ УкраТни Scientific Bulletin of UNFU http://nv.nltu.edu.ua https://doi.org/10.15421/40280513
Article received 08.05.2018 р. Article accepted 31.05.2018 р.
УДК 628.54
"ф~| ISSN 1994-7836 (print) ШЯ ISSN 2519-2477 (online)
@ El Correspondence author V. V. Katysheva katyshevakt@gmail.com
В. В. Дячок, В. В. Катишева
Нацюнальний утверситет "Львiвська полтехтка", м. Львiв, Украта
ВСТАНОВЛЕННЯ ВИДУ 1НГ1Б1ЮВАННЯ Б1ОХ1М1ЧНОГО ПРОЦЕСУ
ПОГЛИНАННЯ ВУГЛЕКИСЛОГО ГАЗУ
На шляху до прогресивного суспшьства постало питання регулювання обсягу забруднювальних речовин у навко-лишньому середовищi. Здiйснювати це можна завдяки застосуванню технологiй очищення, в яких поеднуються три елемен-ти - фiзичш, хiмiчнi та бюлопчш. Прикладом таких технологш е бютехнологи i3 застосуванням фотосинтезувальних мшро-водоростей. Мжроводоросп, на вiдмiну вiд наземних рослин, поглинають у 7-10 раив бшьше дiоксиду карбону за однако-вий промiжок часу та володшть здатнiстю адаптуватися у вкрай несприятливих умовах. У продуктах спалювання палива, окрiм дiоксиду карбону, завжди мютяться й iншi оксиди, зокрема дюксид сульфуру через присутнiстю сполук арки у пали-вi. Вiдтак по^бно дослiдити процес очищення промислових газових викидiв за участi хлорофiлсинтезувальних мжроводо-ростей у присутностi SO2, що адекватно вивченню впливу дiоксиду сульфуру на процес фотосинтезу. Представлено результата експериментальних дослщжень з вивчення впливу дiоксиду сульфуру на динамшу поглинання вуглекислого газу хло-рофшсинтезувальними мiкроводоростями типу Chlorella. Опрацьоваш експериментальш данi згiдно з теорiею Лайнуiвера-Берка пiдтверджують випадок зворотного неконкурентного шпбшвання. Встановлено допустимi значення концентрацш дь оксиду сульфуру для процесу поглинання вуглекислого газу хлорофшсинтезувальними мшроводоростями.
Krnuoei слова: дiоксид сульфуру (SO2); дiоксид карбону (CO2); мшроводоростц фотосинтез; iнгiбiювання зворотне; нез-воротне; константа нестшкостг
Вступ. Нещодавно науковцi вперше розробили ма-тематичне piBHHHHH опису впливу людськоТ дiяльностi на Землю. На 0CH0Bi нього дослiдники з Australian National University встановили, що люди провокують змшу ктмату в 170 разiв швидше за природш чинники. Ос-таннi 60 рошв показали, що людська дiяльнiсть "приз-вела до неймовiрно швидких темпiв змiни бiогенних процесiв системи ЗемлГ' i започаткувала перiод Антро-поцену (TSN.ua, 2017).
Наукова спшьнота наполегливо стверджуе, що вiд-ходи сучасних виробництв становлять серйозну загро-зу цившзацц, а отже, потребують утилiзацil. Технологи утилiзацil мають бути близькими до тих, що iснують у природних умовах - бiосферi. Ввдомо, що природному середовищу притаманна цимчнють процесiв. Запози-чення такоТ здатносп бiосфери мае стати основою про-цесiв, як1 пов'язанi з рецимзащею i знешкодженням забруднювач.
Напрям в екологп, що передбачае використання жи-вих органiзмiв для знешкодження антропогенних заб-руднювач, називають бiологiчним очищениям. Вщтак до бiологiчного очищення вiд дюксиду карбону можна вiднести фотосинтез.
Мжроводоросп, як i iншi зеленi рослини, потребу-
ють дюксид карбону для приросту бюмаси. На ввдмшу вщ наземних рослин, вони ростуть у 7-10 разiв швидше та вщповвдно "вбивають" бiльше дiоксиду карбону та володшть здатнiстю адаптуватися у вкрай несприятливих умовах (Stepan et al., 2002; Miyachi et al., 2003). Так1 властивостi мiкроводоростей е об'ективною умовою розроблення та впровадження у практику технолопч-них процеав очищення промислових газових викидiв ввд дiоксиду карбону. Проте у продуктах спалювання завжди мютяться й iншi оксиди, зокрема дiоксид сульфуру, як наслвдок присутностi сполук арки у природних покладах палива. За своею будовою молекули дюксиду сульфуру та дюксиду карбону подiбнi, а тому, можна припустити, що на етат транспортування СО2 у внутрiшнiй об'ем клiтини мщроводоросп, за цим самим механiзмом потрапляе i SO2. Потрапивши у внутршнш об'ем клiтини мiкроводоростi, молекули SO2 блокують процес фотосинтезу. Тому юнуе нагальна потреба дос-лвдження процесу очищення промислових газових ви-кидiв за участi хлорофiлсинтезувальних мжроводорос-тей за умови присутносп SO2, що адекватно вивченню впливу дюксиду сульфуру на процес фотосинтезу фу-achok et al., 2017; Singh & Singh, 2014].
MaTepiai i методи досл1дження. Для дослвдження впливу дюксиду сульфуру на процес поглинання вугле-
1нформащя про aBTopiB:
Дячок Василь Володимирович, д-р техн. наук, професор, кафедра ЕЗП. Email: dyachokvasil@gmail.com Катишева Вiкторiя В'ячеслaвiвнa, магiсrр, аспiрант, кафедра ЕЗП. Email: katyshevakt@gmail.com
Цитування за ДСТУ: Дячок В. В., Катишева В. В. Встановлення виду шпбшвання 6ioxiMi4Horo процесу поглинання вуглекислого
газу. Науковий вкник НЛТУ УкраТни. 2018, т. 28, № 5. С. 61-64. Citation APA: Dyachok, V. V., & Katysheva, V. V. (2018). Establishing the type of inhibition of the biochemical process of carbon dioxide absorption. Scientific Bulletin of UNFU, 28(5), 61-54. https://doi.org/10.15421/40280513
кислого газу використовували культуру зелених MiKpo-водоростей - Chlorella vulgaris. Використовували базове живильне середовище, у яке помщали однакову шль-к1сть шокулянту i3 культурою мiкpoвoдopoстей. Водо-росп отримували однакову к1льк1сть вiдпoвiднoгo спектра свггла та дioксиду карбону, який барботуеться, рН середовища - 6,5, температура - 25±:°С. Культивування проводили впродовж 12 дiб у фотобюреакторах об'емом 1,5 дм3 за умови присутносп йoнiв HSO3-2 (дюксид сульфуру з водного середовища засвоюеться мжрово-доростями у виглядi йону HSO3-2). Кoнцентpацiя HSO3-2 у фотобюреакторах становила 0,0001 мг/мл; 0,0002 мг/мл; 0,001 мг/мл; 0,002 мг/мл; 0,003 мг/мл; 0,004 мг/мл ввдповщно i контрольний, який не мю-тив HSO3-.
Вiдбip проб бioмаси м^оводоростей з фотобюрек-тopiв здiйснювали кожен день. Концентрацш м^ово-доростей визначали фотоколориметричним методом при синьому свилофшк^ в кюветi з товщиною шару 10 мл. Як контрольний розчин використовували дис-тильовану воду. Осшльки оптична густина пpoпopцiйна концентраци м^оводоростей, що було пiдтвеpдженo калiбpувальним графшом, то oтpиманi експерименталь-нi даш накопичення бioмаси мiкpoвoдopoстей залежно вщ часу в межах дослвджуваних концентрацш (HSO3-2 ) вiдпoвiдали значениям оптичних густин.
Результата та ix обговорення. П1д час оброблення експериментальних даних було отримано гpафiчнi за-лежносп, що iлюстpують змiну концентраци м^ово-доростей у часi за piзних значень дioксиду сульфуру в розчиш за одноразового його введення (рис. 1). Дюксид сульфуру у водному сеpедoвищi культивування мжро-водоростей юнуе у виглядi йона (HSO3-2 ). Отримаш да-нi свiдчать про те, що (HSO3- ) ютотшше впливае на кoнцентpацiю клiтин мжроводоростей пopiвиянo з контролем. 3i зростанням концентраци дioксиду сульфуру, прирют бioмаси мiкpoвoдopoстей зменшуеться. У контрольному зразку натомють спoстеpiгаеться l'i стабiльне збiльшения. Тому, дoцiльним е припущення, що дюк-сид сульфуру в умовах експерименту виступае в poлi шпбггора процесу поглинання дюксиду карбону (фотосинтезу).
Це рiвняння в координатах 1пС/С0 = f© дае змогу визначати коефiцiент приросту - £ (рис. 2 та 3) фуас-hok ег а1., 2017).
Коефiцiент приросту, як випливае з рис. 2, може бути ¡£>0, за умови ди певно! концентраци негативного зовнiшнього чинника (iнгiбiтора фотосинтезу) може на-бувати вщ'емного значения £<0, рис. 3, а також дорiв-нювати нулю.
Експериментальш данi дослщжень (див. рис. 1), у координатах 1пС/С0 = f (г), графiчно представленi пря-мими на рис. 2.
Рис. 2. Залежиiсть змши логарифму концентраци клiтии мжро-водоростей вщ часу за вiдпoвiдиих кoицеитpацiй HSO3-
Рис. 1. Змша концентраци юптин мжроводоростей у часi за ввд-пoвiдних значень кoнцеитpацiй iигiбiтopа
Докладнший аналiз даних, наведений на рис. 1, дае тдстави стверджувати, що змша чисельнoстi клiтин мiкpoвoдopoстей за одиницю часу в умовах експерименту визначаеться шльшстю народжених та ввдмерлих клiтин. Кiлькiснo цей процес можна описати таким вь домим piвнянням
C = C(ß±M1. (1)
Час доби
Рис. 3. Залежшсть змши логарифму концентраци китин мжро-водоростей вщ часу за вщповщних коицеитрацiй Ж03"
Тобто чисельнють клiтин мiкроводоростей зростае з часом i коефiцiент приросту становить £/=0,0517 д-1; £2=0,039 д-1; ¡5=0,035 д-1 (див. рис. 2). За значення кон-центрацiй HSOз-2 (див. рис. 3): 0,001мг/мл; 0,002 мг/мл; 0,003 мг/мл; 0,004 мг/мл, чисельнють особин з часом спадае, коефщенти приросту е меншими вiд нуля £<0.Числовi значення цього коефiцiента: £4=-0,0563 д-1; £5=-0,0543 д-1; £¿=-0,0537 д-1; £7=-0,0406 д-1 вiдповiдно (див. рис. 3). Отже, iнгiбуючi властивостi дюксид сульфуру очевидна
Швидк1сть бiохiмiчних процесiв залежить не лише вщ природи i концентраци субстрату [СО2] i ферменту, а i вщ присутностi iнших речовин, як1 мають назву шп-бiтори та активатори. У живш клiтинi iнгiбiювания чи активування ферментiв та !х системи е важливими чин-никами регулювання метаболiзму i пристосування до умов культивування.
Найпростша схема впливу iнгiбтора на фермента-тивнi перетворення субстрату СО2 у продукт бюмаси, передбачае зворотну взаемодш iнгiбiтора з ферментом або ферментсубстратним комплексом.
Значну теоретичну i практичну зацiкавленiсть мають два варiанти iнгiбiювания, як1 отримали назву кон-курентне i неконкурентне. У цих випадках константу
piBHOBara з iHri6iTopoM позначимо KI. Повне конкурен-тне iнгiбiювання iснуe, коли шпбпор перешкоджае ут-воренню ферментсубстратному комплексу, тобто досяг-нення субстратом активного центру ферменту стае не-можливим. Кiнетичний опис повного конкурентного ш-гiбiювання зображають такий рiвнянням:
V =-
Vmax [ S ]
Ks\ 1 +
к
(2)
+ [S ]
тальш данi залежносп
1
Vm
■"7 \ S
пoвиннi утворюва-
Рис. 4. Графж Лайну1вера-Берка для конкурентного (а) та неконкурентного (б) 1нпб1ювання за лггературними даними (Dу-асЬок, НиЫусИ, Katysheva & Mandryk, 2017)
На противагу конкурентному шпбшванию, некон-курентне iнгiбiювания зменшуе актившсть ферменту i не займае активного центру ферменту, тобто не запобь гае утворенню ферментсубстратного комплексу. Мате-матичний опис неконкурентного iнгiбiювания мае такий вигляд (Мапакоу & Pobedimskiy, 1990):
К +[5 ]
V = ^ 1 + [ I ] / К/
(3)
не зачшаючи його активного центру, не перешкоджа-ючи утворенню фермент-субстратного комплексу, вш зв'язуеться зворотньо, як з вшьним ферментом, так i у фермент-субстратному комплекс^ утворюючи неактив-ш комплекси.
де: Ki - константа неспйкосп комплексу; S - концен-трацiя субстрату; I - концентращя iнгiбiтора; Vmax -максимальна швидюсть приросту; KS - константа наси-ченостi.
За будь-яко! концентраци шпбггора, експеримен-
ти в координатах Лайнуiвеpа-Беpка пряму, яка пересь кае вюь у тoчцi. У серп експерименпв за piзних значень кoнцентpацiй шпбпора буде виходити низка прямих (рис. 4), як пеpесiкаються в однш тoчцi на oсi ординат, ввдакають вiдpiзoк. 1/V
Рис. 5. Графж Лайиуiвера-Берка для визначеиня типу iигiбу-вання Б02 у дослiджуваиому об'екл
Характерним для отриманого графiка (див. рис. 5) е змшне 1/Ктах, тодi як константа Км залишаеться без змiн, а це означае, що за будь-яко! концентраци iигiбi-тора експериментальнi кривi в координатах Лайнуiвера-Берка утворюють прямi, що перетинаються в точцi 1/Км ввдсшаючи вiдрiзки 1/Ктах, що дае змогу визначати значения Км та 1/^тах. за концентрацiй iнгiбiтора -0,0001 мг/мл, Км=6,2 мг/мл, а 1/Ктах=24,29 мг/мл^добу, за концентраци - 0,0002 мг/мл, Км=6,2 мг/мл, 1/^тах=16,54 мг/мл^добу, для контрольного дослiду Км =6,2 мг/мл, а 1/Ктах=3,44 мг/мл-добу.
У серп експерименпв з визначениям 1/Ктах за рiзних концентрацiй шпбпора Ж03-2 i постшних концентраци НСОз- i концентраци ферменту, повинна виходити пряма в координатах 1/Ктах=Д/). За концентраци iнгiбiтора [1]=0,0001 мг/мл; [1]=0,0002 мг/мл, знаходимо константу нестшкосп комплексу ферменту за умови неконкурентного шпбшваиия К].
Оск1льки кожна з прямих на ос ординат вiдсiкае вiдрiзок рiвний 1/Ртах, то за допомогою ординат цих то-чок та певних значень концентрацш iнгiбiтора було по-будовано пряму (рис. 6), тангенс кута нахилу яко! дав змогу визначити константу нестшкосп К;=10,425 мг/мл.
Рiвняння (7) також подiбне до рiвияния Мiхаелiса-Ментена, проте швидюсть залежить ввд концентраци ш-
пбиора = f (I) .
^тах
На цьому етат дослiджень важливо було встанови-ти конкурентне чи неконкурентне шпбшваиия проце-су. Для цього, обробивши експериментальнi данi згiдно з представленою теоретичною базою, отримали графiч-ш залежностi Лайнуiвера-Берка в координатах 1/У вiд 1/Б (рис. 5).
Порiвнюючи лiтературнi данi, графiк Лайнуiвера-Берка (див. рис. 4,б) з побудованою графiчною залеж-нiстю (див. рис. 5) за експериментальними даними (див. рис. 1), можна констатувати 1х подiбнiсть. Тому вва-жаемо, що отримаш результати пiдтверджують неконкурентне шпбшвання, цей випадок коли шпбпор приедиуеться до ферменту не в активному центр^ де зв'язуеться субстрат, а в шшому мiсцi молекули. Тобто неконкурентний шпбпор знижуе актившсть ферментiв,
0 0,0001 0,0002 Рис. 6. Графж знаходження константи нестшкосп за зворотно-го неконкурентного iнгiбiювання.
Висновки. Дослiджено вплив дюксиду сульфуру на динамшу поглинання вуглекислого газу хлорофшсинте-зувальними мiкроводоростями типу Chlorella. Доведено зворотне шпбшвання дюксином сульфуру процесу поглинання вуглекислого газу хлорофшсинтезувальни-ми мiкроводоростями вiдповiдно до теорн Лайнуiвера-Берка. Встановлено допустимi значення концентрацiй iнгiбiтора, дiоксиду сульфуру, для процесу фотосинтезу м^оводоростями. Визначено константу нестшкосп
комплексу ферменту та ферментсубстратного комплексу з iнгiбiтором.
Перелш використаних джерел
Dyachok, V., Huhlych, S., Yatchyshyn, Y., Zaporochets, Y., & Katysheva, V. (2017). About the problem of biological processes complicated by mass transfer. Chemistry & chamical technology, 11(1), 111-116. https://doi.org/10.23939/chcht11.01.111 Dуachok, V. V., Huhlych, S. I., Katysheva, V. V., & Mandryk, S. T. (2017). Pohlynannia vuhlekysloho hazu iz sumishi povitria z di-oksydom sirky. Naukovipratsi, 81(1), 59-65. Manakov, M. N., & Pobedimskiy, D. G. (1990). Teoreticheskie os-novyi tehnologii mikrobiologicheskih proizvodstv. [Theoretical bases of microbiological productions technology]. Moscow: Agropro-mizdat. [In Russian].
Miyachi, S., Iwasaki, I., & Shiraiwa, Y. (2003). Historical perspective on microalgal and cynobactaterial acclimation to low- and extremely high-CO2 conditions. Photosynthesis Research, 77, 139-153. http://doi.org/10.1023/A:1025817616865 Poltorak, O. M., & Chuhray, O. S. (1972). Fiziko-himicheskie osnovyi fermentativnogo kataliza. [Physico-chemical basis of enzymatic catalysis]. Moscow: Visshaya shkola. [In Russian]. Singh, S. P., & Singh, P. (2014). Effect of CO2 concentration on algal growth: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 38, 172-179. https://doi.org/10.1016/irser.20K05.043 Stepan, D. J., Shockey, R. E., Moe, T. A., & Dorn, R. I. (2002). 2.3 carbon dioxide sequestration using microalgae systems. Energy and Environmental Research Center, University of North Dakota, 1, 27. https://doi.org/10.2172/882000
В. В. Дячок, В. В. Катышева
Национальный университет "Львовская политехника", г. Львов, Украина
УСТАНОВЛЕНИЕ ВИДА ИНГИБИРОВАНИЯ БИОХИМИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
ПОГЛОЩЕНИЯ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА
На пути к прогрессивному обществу стоит вопрос регулирования количества загрязняющих веществ в окружающей среде. Реализовать это возможно путем использования технологий очистки, в которых объединяются три элемента - физические, химические и биологические. Примером таких технологий являются биотехнологии с использованием фотосинтезиру-ющих микроводорослей. Микроводоросли, в отличие от наземных растений, поглощают в 7-10 раз больше диоксида углерода за одинаковый промежуток времени и обладают способностью адаптироваться в крайне неблагоприятных условиях. В продуктах сжигания топлива всегда содержатся и другие оксиды, в частности диоксид серы из-за присутствия соединений серы в его природных залежах. Следовательно, существует необходимость исследования процесса очистки промышленных газовых выбросов с участием хлорофилсинтезирующих микроводорослей в присутствии SO2, что адекватно изучению влияния диоксида серы на процесс фотосинтеза. Представлены результаты экспериментальных исследований по изучению влияния диоксида серы на динамику поглощения углекислого газа хлорофилл синтезирующими микроводорослями типа Chlorella. Обработанные экспериментальные данные по теории Лайнуивера-Берка подтверждают случай обратного неконкурентного ингибирования. Установлены допустимые значения концентраций диоксида серы для процесса поглощения углекислого газа хлорофилсинтезирующими микроводорослями.
Ключевые слова: диоксид серы (SO2); диоксид углерода (CO2); микроводоросли; ингибирование обратимое; необратимое; фотосинтез; константа нестойкости.
V. V. Dyachok, V. V. Katysheva
Lviv Polytechnic National University, Lviv, Ukraine
ESTABLISHING THE TYPE OF INHIBITION OF THE BIOCHEMICAL PROCESS
OF CARBON DIOXIDE ABSORPTION
According to the Australian National University, people provoke climate changes 170 times faster than the natural factors. The scientists increasingly argue that the waste of modern industries pose a serious threat to civilization. The wastes generated as a result of technological processes come into environment and need more rigorous recycling processes. So on the way to a progressive society is the issue of regulation the amount of pollutants in the environment. The advanced technologies are those that combine three elements - physical, chemical and biological. The technology built on this principle provides the final product with minimal production costs and minimal emissions to the environment. The example of such technologies is biotechnology with the use of photosynthesis. The main condition for photosynthesis is the presence of carbon dioxide molecules, the product of combustion solid, and liquid or gaseous fuels. Microalgae, unlike terrestrial plants, absorb 7-10 times more carbon dioxide at the same period of time and have the ability to adapt in adverse conditions. Such properties of microalgae are an objective condition for the purification of industrial gas emissions from carbon dioxide by photosynthesis. The products of the fuel combustion always contain other oxides, particularly sulphur dioxide because of the presence of sulphur compounds in its natural deposits. Therefore, there is a need to study the process of purification the industrial gas emissions with participation of chlorophyllsynthesizing microalgae in the presence of SO2, which corresponds to the study of the effect of sulphur dioxide on the process of photosynthesis. The paper presents the results of experimental studies on the influence of sulphur dioxide on the dynamics of the carbon dioxide absorption by chlorophyll synthesizing Chlorella microalgae. The experimental data, which were processed according to the Lineweaver - Burk theory, confirm the case of reverse uncompetitive inhibition. Valid values of concentrations of sulphur dioxide for the process of carbon dioxide absorption by chlorophyll synthesizing microalgae are established.
Keywords: sulphur dioxide (SO2); carbon dioxide (CO2); Chlorella microalgae; competitive inhibition; uncompetitive inhibition; photosynthesis; instability constant.
