Давайте сначала опишем эксперимент по осмотическому давлению: используем полупроницаемую мембрану для разделения двух солевых растворов разной концентрации. Молекулы воды из солевого раствора низкой концентрации пройдут через полупроницаемую мембрану в солевой раствор высокой концентрации, а молекулы воды из солевого раствора высокой концентрации также пройдут через полупроницаемую мембрану в солевой раствор низкой концентрации, но их число будет меньше, поэтому уровень жидкости со стороны солевого раствора высокой концентрации поднимется. Когда разница высот уровней жидкости по обе стороны создаст достаточное давление, чтобы предотвратить повторное течение воды, осмос прекратится. В этот момент давление, создаваемое разницей высот уровней жидкости по обе стороны, и есть осмотическое давление. Вообще говоря, 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 эквивалентна полупроницаемой мембране. Когда концентрация ионов хлора меньше или равна 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 будет превышать 5–6 атмосфер. Однако, когда концентрация ионов хлора в водном растворе превышает 5000 мг/л, осмотическое давление увеличится примерно до 10–30 атмосфер. Под таким высоким осмотическим давлением большое количество молекул воды из микроорганизма проникнет в экстракорпоральный раствор, вызывая дегидратацию клеток и плазмолиз, а в тяжелых случаях микроорганизм погибнет. В повседневной жизни люди используют соль (хлорид натрия) для маринования овощей и рыбы, стерилизации и консервирования продуктов, что является применением этого принципа.
Данные инженерного опыта показывают, что при концентрации хлорид-ионов в сточных водах более 2000 мг/л активность микроорганизмов подавляется и скорость удаления ХПК существенно снижается; при концентрации хлорид-ионов в сточных водах более 8000 мг/л происходит расширение объема ила, на поверхности воды появляется большое количество пены, а микроорганизмы один за другим погибают.
Однако после длительного одомашнивания микроорганизмы постепенно адаптируются к росту и размножению в высококонцентрированной соленой воде. В настоящее время некоторые люди одомашнили микроорганизмы, способные адаптироваться к концентрации хлорид-ионов или сульфатов выше 10000 мг/л. Однако принцип осмотического давления говорит нам, что концентрация соли в клеточной жидкости микроорганизмов, приспособившихся 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 разрушение и гибель. Поэтому микроорганизмам, которые были одомашнены в течение длительного времени и могут постепенно адаптироваться к росту и размножению в высококонцентрированной соленой воде, необходимо, чтобы концентрация соли в биохимическом потоке всегда поддерживалась на достаточно высоком уровне и не могла колебаться, в противном случае микроорганизмы погибнут в большом количестве.
Время публикации: 28 февраля 2025 г.