Формализация процессов биотрансформации НУ в морской среде

ЛЕКЦИЯ 2-1-5.

Для описания экспериментальных данных по кинетике бактериального окисления НУ используются в качестве моделей уравнения простой реакции первого порядка Михаэлиса-Ментена и автокатализа. При этом оцениваются константы распада и периоды полураспада отдельных фракций НУ. Однако вопрос о границах адекватности используемых моделей, как правило, не исследуется. Без доказательств адекватности моделей полученные кинетические характеристики нельзя использовать при расчетах и моделировании процессов самоочищения в естественных условиях. Для этих целей предпочтительнее использовать модели, в которых учитываются экосистемные характеристики изучаемых водных объектов [Айзатуллин, Лебедев, 1977].

В гидроэкологической модели [Леонов, Сапожников, 1997],описывающейвзаимосвязанные биогеохимические циклы соединений N и P с важнейшими потоками трансформации Si, растворенного органического С (DOC), О ₂, а также НУ, учитывается широкий набор характеристик состояния водной среды (температура, освещенность, прозрачность и др.). Включенная в модель концентрация НУ служит показателем загрязнения морской среды. Их содержание и изменения могут представлять особый интерес для шельфовой зоны о-ва Сахалин при изучении режима трансформации компонентов в естественных условиях и при экологических нарушениях морской среды, вызванных разработкой месторождений нефти и газа.

Биотрансформация НУ осуществляется нефтеокисляющими бактериями (В2), которые обладают способностью утилизировать НУ в качестве основного пищевого субстрата и источника С. В гидроэкологической модели [Леонов, Сапожников, 1997] изменение во времени концентрации НУ и биомассы В2 представлено следующими уравнениями:

dНУ / dt = CZ_i - UP_{B2НУ *} В2 (1)

dB2 / dt = (UP_B2 - L_B2 - S_B2 ) _* B2 (2)

где CZ_i - суммарная скорость поступления НУ из внешних источников, мг/(л сут); UP_B2, L_B2, S_B2 - удельные скорости потребления С -содержащих субстратов, выделения продуктов обмена и отмирания биомассы В2.

Учитывается, что потенциальными источниками С для В2 служат НУ и растворенного органического С (DOC). Уравнение имеющегося запаса источников С для В2 имеет вид:

PoolC_B2 = d_{9 *} НУ + d_{10 *} DOC (3)

где d₉ и d₁₀ - коэффициенты предпочтения в потреблении НУ и растворенного органического С (DOC) нефтеокисляющими бактериями В2.

Уравнение для описания суммарного потребления субстратов В2 имеет вид:

UP_B2 = UP_B2НУ + UP_B2DOC = k(4) _* RT_B2 / (1 + B2 / PoolC_B2) (4)

где UP_B2НУ и UP_B2DOC - удельные скорости потребления НУ и DOC нефтеокисляющими бактериями В2, сут^-1; k (4) - максимальная скорость роста В2 при оптимальных условиях среды, сут^-1; RT_B2 - функция, корректирующая активность развития В2 в зависимости от температуры водной среды (безразмерный параметр):

RT_B2 = a₀ + (a_{1 *} (exp(a_{2 *} to)-1.))/(1.+a_{3 *} exp(a_{2 *} to)) -

(a_{4 *} (exp(a_{5 *} to)-1.))/(1.+a_{6 *} exp(a_{5 *} to)) (5)

где а_i - коэффициенты функции (5), to - значение температуры водной среды, ^оС.

Функция (5) предусматривает минимальную активность В2 в условиях низких температур водной среды (a₀), экспоненциальное возрастание активности В2 с ростом температуры воды до оптимальной для В2 (второй член уравнения (5)) и снижение активности В2 при значениях температуры выше оптимальных для В2 (третий член уравнения (5)).

После подстановки уравнения (3) в (4) и преобразования, получим уравнения, описывающие потребление отдельных субстратов В2:

UP_B2НУ = k(4) _* RT_{B2 *} d_{9 *} НУ / (B2 + PoolC_B2) (6)

UP_B2DOC = k(4) _* RT_{B2 *} d_{10 *} DOC / (B2 + PoolC_B2) (7)

Удельные скорости выделения продуктов метаболизма (L_B2) и отмирания биомассы В2 (S_B2) представлены уравнениями:

L_B2 = R_{B2 *} UP_B2 (8)

S_B2 = V₉ + V_{10 *} R_B2 + V_{11 *} B2 / UP_B2 (9)

где V_i - константы для оценки скорости отмирания биомассы В2; R_B2 - выделительная активность В2, вычисляемая в зависимости от значений UP_B2:

RB2 = (f_{7 *} UP_B2)/(1+f_{8 *} UP_B2) + (1 - f₇ / f₈) (10)

где f_i - константы выделительной активности В2. Первый член функции (10) показывает возрастание выделения продуктов обмена при активном развитии В2 (при увеличении UP_B2), а второй член - экономное выделение (при малых значениях UP_B2), устанавливаемое отношением констант f₇ / f₈.

Подробное описание модели с формализацией процессов, которые определяют изменения концентраций рассматриваемых химических и биологических характеристик, приведено в работе [Леонов, Сапожников, 1997].

Домашнее задание – сделать таблицу по усл. обозначениям для модели Леонова.

Реферат - важнейшие процессы трансформации нефти при ее попадании в морскую среду – уже должен быть ГОТОВ???

Дата добавления: 2014-01-07