Сначала опишем эксперимент по определению осмотического давления: используем полупроницаемую мембрану для разделения двух солевых растворов различной концентрации. Молекулы воды из низкоконцентрированного солевого раствора будут проходить через полупроницаемую мембрану в высококонцентрированный солевой раствор, и молекулы воды из высококонцентрированного солевого раствора также будут проходить через полупроницаемую мембрану в низкоконцентрированный солевой раствор, но их количество будет меньше, поэтому уровень жидкости со стороны высококонцентрированного солевого раствора поднимется. Когда разница высот уровней жидкости с обеих сторон создаст достаточное давление, чтобы предотвратить дальнейшее течение воды, осмос прекратится. В этот момент давление, создаваемое разницей высот уровней жидкости с обеих сторон, и есть осмотическое давление. В общем, чем выше концентрация соли, тем больше осмотическое давление.
Ситуация с микроорганизмами в солевых растворах аналогична эксперименту с осмотическим давлением. Единичной структурой микроорганизмов являются клетки, а клеточная стенка представляет собой полупроницаемую мембрану. При концентрации хлорид-ионов менее или равной 2000 мг/л осмотическое давление, которое может выдержать клеточная стенка, составляет 0,5-1,0 атмосферы. Даже если клеточная стенка и цитоплазматическая мембрана обладают определенной прочностью и эластичностью, осмотическое давление, которое может выдержать клеточная стенка, не превысит 5-6 атмосфер. Однако, когда концентрация хлорид-ионов в водном растворе превышает 5000 мг/л, осмотическое давление возрастает примерно до 10-30 атмосфер. При таком высоком осмотическом давлении большое количество молекул воды из микроорганизма проникает во внеклеточный раствор, вызывая обезвоживание клеток и плазмолиз, а в тяжелых случаях микроорганизм погибает. В повседневной жизни люди используют соль (хлорид натрия) для маринования овощей и рыбы, стерилизации и консервирования продуктов, что и является применением этого принципа.
Данные инженерного опыта показывают, что при концентрации хлорид-ионов в сточных водах более 2000 мг/л активность микроорганизмов подавляется, а скорость удаления ХПК значительно снижается; при концентрации хлорид-ионов в сточных водах более 8000 мг/л происходит увеличение объема осадка, образование большого количества пены на поверхности воды и гибель микроорганизмов.
Однако после длительной одомашнивания микроорганизмы постепенно адаптируются к росту и размножению в высококонцентрированной соленой воде. В настоящее время некоторым людям удалось одомашнить микроорганизмы, способные адаптироваться к концентрациям хлорид-ионов или сульфатов выше 10000 мг/л. Однако принцип осмотического давления говорит нам о том, что концентрация соли в клеточной жидкости микроорганизмов, адаптировавшихся к росту и размножению в высококонцентрированной соленой воде, очень высока. Как только концентрация соли в сточных водах становится низкой или очень низкой, большое количество молекул воды из сточных вод проникает в микроорганизмы, вызывая набухание микробных клеток, а в тяжелых случаях — их разрыв и гибель. Поэтому микроорганизмам, которые были одомашнены в течение длительного времени и постепенно адаптировались к росту и размножению в высококонцентрированной соленой воде, необходимо постоянно поддерживать достаточно высокую концентрацию соли в биохимическом потоке, не допуская ее колебаний, иначе микроорганизмы будут массово погибать.
Дата публикации: 28 февраля 2025 г.