URSS.ru - Издательская группа URSS. Научная и учебная литература
Об издательстве Интернет-магазин Контакты Оптовикам и библиотекам Вакансии Пишите нам
КНИГИ НА РУССКОМ ЯЗЫКЕ


 
Вернуться в: Каталог  
Обложка Долгоносов Б.М., Губернаторова Т.Н. Механизмы и кинетика деструкции органического вещества в водной среде
Id: 118146
 
479 руб.

Механизмы и кинетика деструкции органического вещества в водной среде

URSS. 2011. 208 с. Мягкая обложка. ISBN 978-5-396-00315-6.

 Аннотация

В настоящей монографии представлено современное состояние исследований деструкции многокомпонентного органического вещества в водной среде. Анализ механизмов и кинетики деструкции проводится на примере лигнина, составляющего до трети массы древесины и выделяющегося в окружающую среду при разложении древесных остатков. Дается подробная характеристика структуры лигнина как типичного представителя широкого класса биополимеров с хаотически организованными макромолекулами. Описывается молекулярная и топологическая структура, анализируется статистика связей и функциональных групп, выявляются доминирующие связи и группы, оцениваются размеры макромолекул и особенности молекулярно-массового распределения, рассматриваются характеристики фрактальной структуры макромолекул. Вскрываются механизмы деструкции под действием ферментных систем грибов --- основных деструкторов стойкого органического вещества. Разрабатывается математическая модель кинетики деструкции веществ из класса хаотических биополимеров, учитывающая фрактальную структуру макромолекул и их распределенность по размерам и реакционной способности. В монографии представлены новые теоретические результаты, показывающие, что кинетика деструкции органического вещества существенно нелинейна и что при определенных условиях снижение концентрации органического вещества описывается степенной зависимостью от времени. Найденные закономерности используются для анализа обширных литературных экспериментальных данных по биодеградации органического вещества в водной среде.

Книга представляет интерес для научных сотрудников, специализирующихся по геохимии, гидрохимии, экологической химии, химии переработки древесины и смежным естественно-научным и инженерным направлениям, а также для всех интересующихся применением методов математического моделирования в указанных областях науки.


 Оглавление

Введение
Глава 1. Методология моделирования биодеградации многокомпонентного органического вещества в водной среде
 1.1.Особенности деструкции многокомпонентного органического вещества
 1.2.Деструкция техногенного органического вещества
 1.3.Деструкция органического вещества в глобальном цикле углерода
 1.4.Лигнин -- эталон неупорядоченного биополимера
 1.5.Подходы к моделированию деструкции органического вещества
 1.6.Методология моделирования
 1.7.Выводы
Глава 2. Анализ структурной организации лигнина
 2.1.Молекулярная структура лигнина
 2.2.Модели структуры лигнинов
 2.3.Структурная организация лигнина
 2.4.Фрактальные свойства макромолекул
 2.5.Размеры макромолекул и молекулярная масса лигнина
 2.6.Закономерности структурной организации лигнина
Глава 3. Анализ механизмов биохимической деструкции лигнина под действием микроорганизмов
 3.1.Введение
 3.2.Грибы в водной среде
 3.3.Лигнинразрушающие грибы и их ферментные системы
 3.4.Механизмы действия лигнинразрушающих ферментов
 3.5.Структурные изменения при деструкции лигнина
 3.6.Ферментативная деструкция продуктов распада лигнина
 3.7.Основные особенности ферментативной деструкции лигнина
Глава 4. Моделирование кинетики ферментативной деструкции лигнина в водной среде
 4.1.Введение
 4.2.Постулаты модели и их обоснование
 4.3.Кинетика деструкции
 4.4.Деструкция вещества монодисперсного состава
 4.5.Деструкция вещества распределенного состава
 4.6.Спектр реактивностей и спектр времен распада
 4.7.Применение теоретических соотношений к анализу данных
 4.8.Основные результаты и перспективы развития теории
 4.9.Обозначения
Глава 5. Применение модели для описания кинетики самоочищения водной среды
 5.1.Распад планктонного детрита в донных осадках
 5.2.Деструкция органического вещества в биореакторе с активным илом
 5.3.Распад сульфатных лигнинов
 5.4.Распад хлорлигнинов
 5.5.Биопоглощение и биодеструкция макрофитами
 5.6.Химическая деструкция и фотодеструкция
 5.7.Седиментация взвешенного органического вещества
 5.8.Обсуждение
 5.9.Выводы
Заключение
Список литературы

 Введение

Интерес к деструкции органического вещества в водной среде вызван, с одной стороны, ролью этого процесса в геохимическом цикле углерода на планете, а с другой, связан с комплексом проблем антропогенного загрязнения вод органическим веществом, необходимостью оценки потенциала самоочищения водной среды и разработки соответствующей системы нормативов, регулирующих качество вод. Есть и чисто научный интерес, нацеленный на раскрытие механизмов деструкции под действием ферментов, выделяемых микроорганизмами, с учетом влияния на этот процесс структуры органических молекул, их распределенности по размерам и реакционной способности. Механизмы ферментативной деструкции низкомолекулярных соединений к настоящему времени достаточно хорошо изучены. Однако этого нельзя сказать о высокомолекулярных соединениях, в особенности, когда рассматриваются биополимеры с хаотической структурой макромолекул, например такие, как лигнин и его производные или широкий спектр гумусовых веществ. Сходные проблемы имеют место при деструкции флокул -- неупорядоченных коагуляционных агрегатов, сформированных в водной среде из органических молекул, а также при распаде протяженных хаотически организованных адсорбционных слоев органического вещества на различных подложках, в том числе на поверхностях минеральных частиц. Ключевым вопросом при этом является влияние хаотичности структуры органического вещества на кинетику его деструкции.

В последние годы появляется все больше свидетельств того, что кинетика деструкции сложного органического вещества в водной среде отклоняется от линейных законов, в частности от кинетики первого порядка с характерным экспоненциальным снижением концентрации со временем. Кинетика деструкции оказывается нелинейной; соответственно меняется и закон распада: прежняя экспоненциальная зависимость деформируется в степенную. Особенно наглядно степенная зависимость проявляется на асимптотической стадии процесса, когда распадается стойкая фракция. В качестве примера можно привести данные из работ (Middelburg, 1989; Boudreau, Ruddick, 1991), где рассматривается распад органического вещества в морских донных осадках и в условиях лабораторного эксперимента; при этом времена распада охватывают интервал от десятков часов до почти миллиона лет. Поразительно, что на всем этом огромном интервале действует степенной закон снижения концентрации с одним и тем же показателем степени, т.е. соблюдается самоподобие (или масштабная инвариантность, скейлинг) кинетики, когда произвольное изменение масштаба времени не изменяет закон распада. К самоподобию кинетики можно протянуть логическую цепочку от молекулярной структуры с ее хаотической организацией и фрактальными свойствами. Фактически речь идет о двух явлениях, принципиальных для кинетики деструкции. Первое из них -- это структурный хаос в ансамбле макромолекул. Сущность этого явления состоит в том, что макромолекулы имеют различные структуры со случайно распределенными характеристиками, и даже если взять две макромолекулы с одинаковым элементным составом, они могут отличаться по структуре. Второе явление -- фрактальность структуры отдельной макромолекулы. Макромолекулу можно рассматривать как случайный фрактал, наделенный свойствами самоподобия, понимаемого в статистическом смысле (в отличие от самоподобия регулярного фрактала, где это свойство заложено уже в самой процедуре построения фрактала).

Представляет интерес проследить истоки структурного хаоса и фрактальности макромолекул, нелинейности кинетики распада и ее масштабной инвариантности, обращаясь для этого непосредственно к молекулярной организации вещества и механизмам его ферментативного распада, чтобы затем использовать развитые представления для математического моделирования кинетики распада и применения найденных теоретических зависимостей к анализу эмпирических данных. Этому посвящена данная книга. Структура ее такова.

В первой главе рассматривается современное состояние проблемы. Анализируется роль деструкции многокомпонентного органического вещества в самоочищении водной среды. От эффективности деструкции зависит благополучие водных экосистем и их биоразнообразие, качество вод и их доступность для человека. Отмечается, что деструкция органического вещества играет ключевую роль и в формировании глобального цикла углерода, который протекает в своей значительной части в Мировом океане и определяет параметры климата и состояния биосферы. Изучение кинетики деструкции органического вещества проводится на примере лигнина. Лигнин и его производные являются повсеместно распространенными компонентами органического вещества в водной среде, куда они поступают вместе с поверхностным стоком с водосборной территории, несущим продукты разложения растительных остатков, а также со сточными водами целлюлозно-бумажной промышленности, которая занимает одно из ведущих мест по объемам потребляемой воды и сбросам загрязняющих веществ. Лигнин является эталоном неупорядоченного биополимера, что важно для понимания механизмов деструкции целого класса присутствующих в водной среде многокомпонентных органических веществ с хаотической структурной организацией и распределенной реактивностью. Рассматриваются некоторые подходы к описанию кинетики деструкции органического вещества с распределенной реактивностью. Отмечается, что существующие модели не вскрывают глубокой химической сущности используемых соотношений, не подкреплены сведениями о структуре молекул и механизмах деструкции органического вещества, а без этих сведений используемые соотношения не имеют под собой фундаментальной химической и физико-химической основы. Ставится задача развития теоретических представлений, включая выявление закономерностей молекулярного строения и деструкции лигнина, построения химически обоснованной модели кинетики этого процесса и применения полученных теоретических соотношений к анализу экспериментальных данных.

Во второй главе на обширном литературном материале проводится анализ современных представлений о структурной организации лигнина, статистики связей и функциональных групп; выявляются доминирующие связи и группы; оцениваются массы и размеры макромолекул лигнина и особенности молекулярно-массового распределения; описываются характеристики фрактальной структуры макромолекул. На этой основе формулируются ключевые представления о строении лигнина, определяющие кинетику его деструкции и используемые в дальнейшем для разработки модели этого процесса.

В третьей главе анализируются механизмы ферментативной деструкции лигнина. Описываются основные группы микроорганизмов -- деструкторов лигнина и их ферментные системы. Проводится анализ биохимических механизмов действия основных лигнолитических ферментов: лигнинпероксидазы, марганецпероксидазы, гибридной пероксидазы, лакказы. Оцениваются типичные размеры молекул ферментов и особенности молекулярно-массового распределения. Анализируется специфичность действия ферментов, а также роль кислорода в их функционировании. Рассматриваются структурные изменения при деструкции лигнина. В результате формулируются основные закономерности деструкции лигнина с целью их использования для построения модели процесса.

В четвертой главе разрабатывается математическая модель кинетики ферментативной деструкции веществ с хаотически организованными макромолекулами. Моделирование основано на результатах анализа структуры лигнина и механизмов его деструкции, изложенных в главах 2 и 3. Используется известный в методологии моделирования принцип построения минимальной модели, передающей ключевые свойства молекулярной структуры и процесса деструкции, т.е. свойства, общие для широкого класса органических макромолекул с хаотической структурой, представителем которых является лигнин. Формулируются постулаты модели, составляющие основу описания кинетики деструкции, и дается их детальное обоснование. Подробно описывается процедура построения модели. Проводится анализ построенной нелинейной модели. Изучаются разные режимы деструкции, отвечающие моно- и полидисперсному составу макромолекул. Исследуется асимптотическая стадия кинетики деструкции, и определяется закон снижения концентрации органического вещества со временем. Изучается влияние фрактальной структуры макромолекул и типа их начального молекулярно-массового распределения на кинетику деструкции. Определяется спектр реактивности макромолекул и спектр их времен распада. Анализируются некоторые экспериментальные данные, вскрывающие особенности применения теоретических соотношений.

В пятой главе разработанная модель кинетики ферментативной деструкции лигнина применяется для анализа распада органического вещества в донных отложениях водоемов, в биореакторе с активным илом, в технологических системах переработки древесины с выделением лигнинов, полученных разными способами, в водоемах при поглощении и деструкции хлорфенолов высшими водными растениями. Применяемая для описания процессов модель существенно нелинейна; она предсказывает снижение концентрации органического вещества по степенному закону, а не по экспоненте, как дает традиционная модель распада первого порядка. Чтобы подчеркнуть это различие, при теоретическом анализе экспериментальных данных повсеместно проводится сравнение предсказаний нелинейной и линейной моделей.

Есть основания полагать, что аналогичная нелинейная кинетика имеет место и в таких процессах самоочищения, как химическая деструкция и фотодеструкция, примеры которых рассматриваются в монографии. Эти процессы не являются ферментативными, тем не менее пространственный механизм распада органических макромолекул сходен: он идет на поверхности макромолекул, где под действием молекул окислителя или квантов света происходит разрыв связей и отрыв структурных единиц. Наряду с этими вопросами рассматривается самоочищение водной среды за счет седиментации взвеси, выводящей дисперсное органическое вещество из водной толщи в донные отложения. Показывается, что этот процесс описывается аналогичной нелинейной кинетикой. Для обоснования этого положения исследуются коагуляционные процессы формирования взвеси, которые протекают одновременно с осаждением взвеси и являются причиной степенного закона снижения концентрации в процессе седиментации. Таким образом, степенной закон оказывается общим для самых разных процессов самоочищения.

Монография написана по материалам исследований авторов, опубликованным в научной печати. Авторы признательны Российскому фонду фундаментальных исследований за финансовую поддержку исследований по этой тематике (проекты N96--05--66179, 97--05--79070, 04--05--64523, 06--05--64464, 07--05--00302).


 Об авторах

Борис Михайлович ДОЛГОНОСОВ

Доктор технических наук, заведующий лабораторией моделирования водно-экологических процессов Института водных проблем РАН. Область научных интересов: экология, гидрология, гидрохимия, кинетика и механизмы процессов в водной среде. В настоящее время занимается нелинейными задачами в глобальной экологии, стохастической динамикой речных расходов, теорией формирования химического, микробиологического и дисперсного состава вод. Автор монографии "Нелинейная динамика экологических и гидрологических процессов" (М.: URSS, 2009) и более 150 работ, опубликованных в ведущих российских и зарубежных журналах. Основные результаты исследований Б.М.Долгоносова -- популяционная динамика цивилизации в условиях глобальных экологических ограничений, стохастические модели формирования качества вод, кинетика коагуляционного формирования дисперсных фаз в водной среде, а также нелинейная стохастическая модель речных расходов.

Татьяна Николаевна ГУБЕРНАТОРОВА

Кандидат технических наук, научный сотрудник лаборатории моделирования водно-экологических процессов Института водных проблем РАН. Область научных интересов: экология, гидрохимия, механизмы самоочищения водной среды, биохимия, микробиология, химия природных биополимеров, химия ферментативных процессов в водной среде, микология. В настоящее время занимается исследованиями в области биодеструкции неупорядоченных биополимеров в водной среде. Автор 24 научных работ. В 2006 г. в составе авторского коллектива была удостоена звания лауреата премии МАИК "Наука/Интерпериодика" за цикл статей "Развитие теории формирования качества вод", в которых выявлены закономерности деструкции многокомпонентных органических веществ в водной среде с хаотической молекулярной структурой.

 
© URSS 2016.

Информация о Продавце