Download to read offline
![Реактор-вытеснитель: уравнение материального баланса с
элементарным объемом V , S(x) и S(x+ x) в качестве
входящей и выходящей концентрации
V S(x) = q[S(x) - S(x+ x)] t - V (S(x)) t∆ ∆∆ ∆ ∆∆ ρ
При t и x , стремящихся к 0, получим
S
t
u
S
x
S x ( ( )) u = q/A, V=A x
∆ ∆
∆ ∆
A, площадь
поперечного сечения](https://image.slidesharecdn.com/oedmppwsls8xhtqudqe7-signature-d9d562bdf95fb945082786fb4742c84adea7e7982c98933a2587ca13b3c3893d-poli-150414063510-conversion-gate01/85/slide-10-320.jpg)
![Простейшие уравнения
биологической динамики
,)(, t
0 eNtNN
dt
dN µ
µ ==
)/1( KNN
dt
dN
−= µ
,
,
][
)( t
00
0
eNKN
NK
tN µ
−+
=
,)/1(2
2
KNN
x
N
D
t
N
−+
∂
∂
=
∂
∂
µ
Malthus, 1798
Verhulst, 1838
Fisher, 1937
Kolmogoroff et al., 1937](https://image.slidesharecdn.com/oedmppwsls8xhtqudqe7-signature-d9d562bdf95fb945082786fb4742c84adea7e7982c98933a2587ca13b3c3893d-poli-150414063510-conversion-gate01/85/slide-23-320.jpg)
![В природе величина отношения стабильных
изотопов углерода 13
С/12
С составляет
небольшую величину, порядка 0,01, и в этом
случае она традиционно определяется при
помощи величин “приращения ”, которые
выражаются в промилях (тысячных долях)
разницы от стандарта Pee Dee Belemnite (PDB)
carbonate в моллюске, который отличается
высоким содержанием С13
1000]1
)/(
)/(
[)/( 1213
1213
13
×−=
PDB
обр
CC
CC
oooCδ](https://image.slidesharecdn.com/oedmppwsls8xhtqudqe7-signature-d9d562bdf95fb945082786fb4742c84adea7e7982c98933a2587ca13b3c3893d-poli-150414063510-conversion-gate01/85/slide-63-320.jpg)
Математическое моделирование и стабильные изотопы в экологии (В.А. Вавилин)
Документ обсуждает применение математического моделирования и стабильных изотопов в экологии, акцентируя внимание на анаэробных процессах и микробиологических системах. Основное внимание уделяется моделям, таким как ADM1, и их значимости для анализа экологических систем и изучения динамики роста микроорганизмов. Документ также описывает исторический контекст и развитие моделей, включая колебательные реакции и их влияние на современные исследования.
More Related Content
Similar to Математическое моделирование и стабильные изотопы в экологии (В.А. Вавилин)
Математическое моделирование и стабильные изотопы в экологии (В.А. Вавилин)
- 1. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И СТАБИЛЬНЫЕИЗОТОПЫ В ЭКОЛОГИИ В. А. Вавилин Институт водных проблем РАН http://www.iwp.ru/person/vavilin-vahttp://www.iwp.ru/person/vavilin-va Москва, ИВП РАН, 28 января, 2015г.
- 2. Содержание • Характерные размерыфизического, химического и биологического миров. Микроорганизмы, имеющие маленькие размеры и большую численность, как объект для моделирования • Введение: основные школы математического моделирования экосистем • Наша предыстория: Структурные модели анаэробной деградации органических веществ: модели ADM1 и МЕТАН. Роль обратных связей • Исследовательские центры Cemagref. Новый этап в изучении функционирования сообщества анаэробных микроорганизмов • Стабильные изотопы. Уравнение Релея •Рост водорослей (изотопы азота) • Анаэробное и аэробное окисление метана (изотопы углерода и водорода) • Метанизация ацетата (изотопы углерода) • Метанообразование в болотах (изотопы углерода) • Изменение содержания легкого и тяжелого изотопов углерода в ходе разложения целлюлозных отходов в биологическом реакторе
- 3. ФИЗИЧЕСКИЙ, ХИМИЧЕСКИЙ ИБИОЛОГИЧЕСКИЙ МИРЫ, где окружающая среда есть все, что вне человека Размер, м10-16 Атомное ядро Атом водорода 10-10 1 1010 1020 Земля Солнечная система Световой год Размер, м 10-10 Амино кислота Космос 10-7 10-4 10-1 ПростейшиеКлеточная мембрана Водоросли Галактика 102 Мир атомов Мир молекул Биологический мир Многоклеточные Рост человека Электронный микроскоп Световой микроскоп
- 4. Любая математическая модельоснована на неизбежном упрощении свойств реального объекта. Такой путь традиционно используется в физике и химии, но неоднозначно воспринимается биологами. Для биологических систем моделирование далеко не всегда может компенсировать неадекватные знания законов, управляющих этими системами.
- 5.
- 6. Простейшие уравнения химической кинетики ,)(,0 tk eStSkS dt dS − =−= , N-порядок{ } ,)(, )1/(11 0 nnn ktStSSk dt dS −− −=−= 1-порядок по субстрату
- 7.
- 8. Периодический реактор единственный субстрат t dS SS St ( ) 0 )(S dt dS ρ−= Скорость трансформации субстрата (S) Время пребывания субстрата в реакторе, чтобы получить необходимую степень его трансформации
- 9. Реактор с полнымперемешиванием единственный субстрат VdSe/dt = qSin – qSe –V (Se) вход выход +/- превращение Время пребывания ρ Стационарное состояние )( eS eS in S q V T ρ − == 0= dt dS V, объем реактора; q, расход жидкости, Sin, Se , входящая и выходящая концентрации субстрата
- 10. Реактор-вытеснитель: уравнение материальногобаланса с элементарным объемом V , S(x) и S(x+ x) в качестве входящей и выходящей концентрации V S(x) = q[S(x) - S(x+ x)] t - V (S(x)) t∆ ∆∆ ∆ ∆∆ ρ При t и x , стремящихся к 0, получим S t u S x S x ( ( )) u = q/A, V=A x ∆ ∆ ∆ ∆ A, площадь поперечного сечения
- 11. Наша история начинаетсяс исследования периодических химических реакций, которые спустя некоторое время привели нас к исследованиям микробиологических систем
- 12. Наиболее яркими и удивительнымихимическими реакциями являются колебательные реакции, когда концентрации реагентов периодически возрастают и падают
- 13. Автоколебания концентрации церияи принудительная смена стадий I и II
- 14. Периодическую химическую реакцию каталитическогоокисления лимонной кислоты броматом калия открыл в 1951г. Борис Павлович Белоусов. Лишь в 1959г. он смог опубликовать свои результаты в малоизвестном реферативном журнале.
- 15. Борис Павлович Белоусов(фото 30-х годов)
- 16. В 1961г. поинициативе Симона Эльевича Шноля его аспирант Анатолий Маркович Жаботинский начал исследовать реакцию Белоусова. Две первые статьи Жаботинского были опубликованы в академических журналах в 1964г. В группу Жаботинского входили М.Д. Корзухин, А.Н. Заикин и В.А. Вавилин
- 17. В марте 1966г.Состоялся 1-й Всесоюзный симпозиум “Колебательные процессы в биологических и химических системах”, в трудах которого появилось сразу 8 статей группы Жаботинского
- 18. Докладчик – А.М.Жаботинский (1967) ведущий – Д.А. Франк-Каменецкий
- 19. А. М. Жаботинский(справа): 2001г.
- 20. Образование спиральных структурв ходе периодической химической реакции в чашке Петри Цифры соответствуют номеру кадра с интервалом 2 мин
- 21. Сейчас во многихстатьях упоминание реакции Белоусова- Жаботинского не сопровождается литературной ссылкой. Ее называют сокращенно БЖ (BZ)-реакцией. Объявление о концерте французского джаз- оркестра, носящего имя Белоусова- Жаботинского
- 22.
- 23. Простейшие уравнения биологической динамики ,)(,t 0 eNtNN dt dN µ µ == )/1( KNN dt dN −= µ , , ][ )( t 00 0 eNKN NK tN µ −+ = ,)/1(2 2 KNN x N D t N −+ ∂ ∂ = ∂ ∂ µ Malthus, 1798 Verhulst, 1838 Fisher, 1937 Kolmogoroff et al., 1937
- 24.
- 25. Математическое моделирование экологических системначинается с работ Лотки и Вольтерра в первой половине 20-го века, при этом наибольшую известность получила модель “хищник-жертва”, описывающая периодические изменения численности популяций хищника и жертвы
- 26. Модель Лотки-Вольтерра периодическая динамикахищника (N2) и жертвы (N1) , 211 1 NNN dt dN αµ −= , 221 2 NNN dt dN λβ −=
- 27. Колебания в модели‘хищник-жертва’
- 28. К настоящему временичисло работ, посвященных анализу подобных моделей, их развитию и применению для описания некоторых экологических систем исчисляется многими сотнями. Сильнейшим толчком в развитии математических моделей экологических систем явилось появление и совершенствование ЭВМ
- 29. Владимир Васильевич Меншуткинявляется пионером (c 60-x годов прошлого столетия) применения ЭВМ для анализа поведения экологических систем и биологических сообществ. В 70-е годы прошлого столетия в СССР появились и развивались научные школы, руководимые А.А. Ляпуновым, Ю.М. Свирежевым, Р.А. Полуэктовым, А.М. Молчановым, А.Б. Горстко.
- 30.
- 31. Микроорганизмы находятся повсюду.Обладая малыми размерами, они имеют большую численность (концентрацию), сопоставимую с концентрацией химических молекул. Времена удвоения микроорганизмов невелики (от минут до суток), что позволяет получать воспроизводимые экспериментальные данные.
- 32. Модель Моно (Monod,1942) классическая модель роста биомассы B и утилизации субстрата S , ,Bk Sk S B dt dB d S m − + = µ , Sk S B Ydt dS S m + −= µ = максимальная удельная скорость роста биомассы; kS = константа полунасыщения для субстрата; Y= экономический коэффициент; kd = константа скорости распада биомассы mµ
- 33. Динамика концентраций субстратаи биомассы согласно модели Моно. Когда субстрат исчезает, начинает разлагаться и биомасса
- 34. В отличии отхимической кинетики, микробиологическая реакция прекращается, когда свободная энергия химической реакции становится ниже критического уровня. Для описания этого эффекта в зависимость Моно вводится поправка на прекращение роста при пороговой концентрации Scr. , , SSk SS B dt dB crS cr m −+ − µ= , SSk SS B Ydt dS crS crm −+ −µ −= = максимальная удельная скорость роста биомассы; kS = константа полу-насыщения для субстрата; Y= экономический коэффициент mµ
- 35. ИМИТАЦИОННЫЕ МОДЕЛИ АНАЭРОБНОГО РАЗЛОЖЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХВЕЩЕСТВ В анаэробных системах (без кислорода) идут сложные нелинейные процессы, а сами системы часто характеризуются нестабильностью. Такая нестабильность приводит к повышению концентрации жирных кислот, понижению pH, и в конечном итоге резкому снижению продукции метана. Чтобы это избежать, целесообразно предсказывать поведение анаэробной системы, что и делается с помощью имитационных моделей.
- 36. Модели анаэробных системдля непрерывного реактора с полным перемешиванием Graef & Andrews (1974) Hill & Barth (1977) Kleinstreuer & Powegha (1982) Moletta et al. (1986) Smith et al. (1988) Hill (1982) Mosey (1983) Bryers (1985) Pullammanappallil et al. (1991) Costello et al. (1991) Angelidaki et al. (1993) Siegrist et al. (1993) Вавилин и др. (1993) ADM1 (2002)
- 37. Имитационная модель (ADM1)создана (2002г.) под эгидой Международной Водной Ассоциации (IWA) в результате 4-х летнего сотрудничества группы международных экспертов по анаэробным процессам, контролю и математическому моделированию Модель предназначена для анализа процессов с полным перемешиванием
- 38. Scientific and TechnicalReport No. 13 Anaerobic Digestion Model No. 1 (ADM1) Edited by IWA Task Group for Mathematical Modelling of Anaerobic Wastewater Processes D.J. Batstone J. Keller I. Angelidaki S.V. Kalyuzhyni S.G. Pavlostathis A. Rozzi W.T.M. Sanders H. Siegrist V.A. Vavilin
- 39. Схема модели ADM1 10% 30%Inerts 10% 30% 30% 30% Proteins 30% Lipids 30% 1% 29% MS 31% AA 30% LCFA 29% 13% 16% 2% 29% 12% 20% 9% 20% 12% 6% 9% Acetic 64% H2 26% 90% Carbohydrates HPr, HBu, HVa CH4 Composite Particulate Material (100%) Disintegration Hydrolysis Acidogenesis Acetogenesis Methanogenesis Применяется фиксированная стехиометрия
- 40. Соавторы имитационной моделиADM1 (Kastanienbaum, Switzerland, February, 2000)
- 41. Число публикаций загод в ведущих научных журналах, входящих в Web of Science, посвященных моделированию анаэробных процессов (статьи далее 2004 г. не показаны). К настоящему времени модель ADM1 процитирована в мировой научной литературе более 800 раз!
- 42. ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ <METАН> Созданная вРоссии в начале 90-х годов диалоговая компьютерная модель <МЕТАН> была первой моделью, ориентированной на непрофессионального пользователя Находится в свободном доступе в Интернете www.methane.da.ru Авторы программы <Метан> В.Б. Васильев С.В. Рытов А.В. Пономарев В.А. Вавилин
- 43. УРАВНЕНИЯ Σ+−= ∂ ∂ ++−= +−= +−= pressurersgasPartial P P TRSTRS V RT T P ionsconcentratsubstrateDissolvedTRSVSSq dt dS V ionsconcentratbiomassActiveVBqBq dt dB V ionsconcentratsolidSuspendedVXqXq dt dX V T l n n lg l jSjjFjf j BiiBXFif i XkkBXFkf k , ,)( , , ρ ρ ρ XFk, BFi =входящая концентрация взвешенных частиц и биомассы; qf = расход воды; qBX = скорость изъятия избыточного количества взвешенных частиц, включая биомассу; ρXk, ρBi, ρSj = скорости трансформации взвешенных частиц, биомассы и субстратов; V = объем жидкой фазы; TRSj = скорости массообмена между газовой и жидкой фазами; T = температура (K); PT = давление газа; Vg = объем газовой фазы
- 44. В проточном реакторепри высокой величине отношения входящих концентраций сульфата и ацетата происходит ингибирование как метаногенеза, так и сульфат-редукции Символы: эксперимент (Parkin et al., 1990), кривые: модель ‘МЕТАН’ (Vavilin et al., 1994)
- 45. Колебания происходят вследствиеконкуренции различных микроорганизмов за субстрат (сульфат- редукторов, метаногенов и ацетогенов)
- 46.
- 47. После “большого взрыва”с образованием нашей Вселенной возникли химические элементы, имеющие различное содержание протонов и нейтронов в ядре атома. Классификация химических элементов, устанавливающая зависимость различных свойств элементов от заряда атомного ядра содержится в периодической таблице Менделеева
- 49. В периодической таблицекаждый химический элемент занимает определенную ячейку. Около ста лет назад было открыто (Soddy, 1910; Fajans, 1913; Aston, 1921), что один и тот же элемент может содержать различное количество нейтронов в ядре. Эти разновидности элементов, обладающие одинаковыми химическими свойствами, назвали изотопами (изо – одинаковое, топ – место в таблице элементов). В отличие от радиоактивных изотопов стабильные изотопы “живут долго” и являются абсолютно безопасными. Химические элементы углерода (С), азота (N), серы (S), водорода (H) и кислорода (O), важные для биологических систем, имеют более одного стабильного изотопа
- 50. Le centre régionald’Antony emploie 130 personnes et comprend 3 unités de recherche (HBAN, GPAN et TSAN) L’unité Hydrosystèmes et Bioprocédés (HBAN) mènent ses recherches dans des domaines tels que l’épuration, le stockage et le traitement des déchets ou encore sur l’impact des micropolluants Исследовательские центры Cemagref во Франции Центр в Antony (предместье Парижа)
- 51. ИССЛЕДОВАНИЯ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОЙ ДИНАМИКИ С УЧЕТОМ ИЗМЕНЕНИЯПРОПОРЦИИ СТАБИЛЬНЫХ ИЗОТОПОВ
- 52. Молекулярно-биологические методы, развиваемые внастоящее время, позволяют определять микроорганизмы, существенно уточняя механизм деградации органических веществ
- 53. Флуоресцентные микрографы FISHразличных видов в анаэробном реакторе с бытовыми отходами (Vavilin et al., 2008; Qu et al., 2009) : Eub338-fitc (green,Bacteria); Arc915-Cy3 (red, Archaea) идентифицированы как Methanosarcina sp. 20-th day 62-nd day 184-th day
- 54. Число фиксируемых микроорганизмовв процессе распада органического вещества может исчисляться сотнями, и поэтому крайне важным является понимание их функциональной роли в разложении органических веществ. Использование стабильных изотопов и определение содержания их в продукте реакции, субстрате и биомассе позволяет уточнить метаболический путь разложения органического вещества.
- 55. Cloning transformation Sequencing Molecular fingerprints SIP-RNA/DNA PCR Amplification FISH/nanoSIMS Extraction 13 C- methanol injection Anaerobichood Microcosms Functional diversity Исследование деградации органических веществ
- 56. Nano SIMS: NanoSecondary Ion Mass Spectrometry
- 57. Нами предложены уравнения,описывающие аккумуляцию изотопа из меченого субстрата в биомассу и продукты реакции (Vavilin, 2010): При этом P, dP/dt, B, dB/dt вычисляются согласно базовой модели, учитывающей стехиометрию реакций Субстрат (S) Продукт (P) + Биомасса (B) P P f C P 13 = B B f C Bio 13 = S S f C S 13 =где являются фракциями 13 C в продукте, биомассе и субстрате Чем выше содержание изотопа в субстрате, тем выше его содержание и в продукте реакции, а скорость обогащения зависит от микробной активности { }PSprodP CCCP ff P dtdP f dtdP dtPd P dtdP dt dP P P dt Pd Pdt df −≈ −=−= / / //1 13 2 1313 { }BioSgrowthBio CCCBio ff B dtdB f dtdB dtBd B dtdB dt dB B B dt Bd Bdt df −≈ −=−= / / //1 13 2 1313
- 58.
- 59. Деградация меченого метанола 13 CH3OH Основнаясхема Альтернативная схема CH3OH+2H2O=3H2 +H2CO3 ( =+23 kJ/mol) H2+0.25H2CO3=0.25CH4+0.75H2O ( = -136 kJ/mol) '0 G∆ '0 G∆ CH3OH= 0.75CH4+0.25H2CO3+ 0.25H2O ( = -315 kJ/mol) '0 G∆ CH3COOH+ H2O=CH4+H2CO3 ( = -31 kJ/mol)'0 G∆
- 60. Динамика системы входе мезофильной конверсии меченого метанола (адекватная схема реакции). Сначала, образование метана идет через H2/H2CO3, а далее через ацетат. Кривые: модель (Vavilin, 1910); Символы: данные (Сemagref) 13 C/C в биомассе: NanoSIMS-ISH (Nano Secondary Ion Mass Spectrometry – In Situ Hybridization).
- 61. Динамика системы входе мезофильной конверсии метанола (неадекватная схема реакции, несмотря на предпочтение по термодинамическому потенциалу). Химические компоненты описываются удовлетворительно, тогда как содержание изотопов описывается плохо 13 C/C в биомассе: NanoSIMS-ISH (Nano Secondary Ion Mass Spectrometry – In Situ Hybridization).
- 62.
- 63. В природе величинаотношения стабильных изотопов углерода 13 С/12 С составляет небольшую величину, порядка 0,01, и в этом случае она традиционно определяется при помощи величин “приращения ”, которые выражаются в промилях (тысячных долях) разницы от стандарта Pee Dee Belemnite (PDB) carbonate в моллюске, который отличается высоким содержанием С13 1000]1 )/( )/( [)/( 1213 1213 13 ×−= PDB обр CC CC oooCδ
- 64. Поскольку в стандарте(PDB) содержание 13 С является существенно выше чем в образцах (13 C/12 C=0,0112372), измеренные величины ‘delta’ C в образцах имеют, как правило, отрицательные значения При усвоении углерода живым веществом связывается преимущественно легкий изотоп 12 С. В связи с этим вещество организмов и его производные (уголь, нефть и др.) на диаграмме сдвинуты в сторону меньших содержаний тяжелого изотопа 13 С по сравнению с источниками усваиваемого организмами углерода — С02 и растворенными бикарбонатами
- 65. Наземные растения усваиваютуглерод из атмосферы, а морские — из растворенных в морской воде бикарбонатов. В этом причина существенных различий в изотопном составе органического вещества морского и наземного происхождения Атмосферный СО2 : – 5 –8 o/oo Бикарбонаты морской воды: – 3 +1 o/oo
- 66. В химических процессахфракционирование изотопов означает обогащение одного изотопа относительно другого в ходе реакции A→B (Hayes, 1993): 1000 1000 + + =→ B A BA δ δ α где ,Aδ Bδ - соотношение изотопов в субстрате А и продукте В. Чтобы анализировать процесс метанообразования применяется формула (Whiticar et al., 1999; Conrad, 2005): 1000 1000 4 13 2 13 + + = CH CO C C C δ δ α Она позволяет оценить значение вклада образования метана из H2/CO2 и ацетата. Традиционно считается, что соответствует образованию метана из Н2/СО2, а - из ацетата 065.1>Cα 055.1<Cα
- 67. Уравнение Релея (1896),изначально предложенное для описания диффузии газов, обычно применяется для вычисления коэффициента фракционирования (разделения) изотопов: - фактор фракционирования стабильных изотопов )1/1( 00 )( − = α CCRR tt 0R и tR - отношение тяжелого и легкого стабильных изотопов в субстрате 0C и tC - начальная и текущая концентрации субстрата α
- 68. Уравнение Релея традиционновыводится из кинетики 1-го порядка по субстрату Ck td Cd −= heavyheavy heavy Ck td Cd −= heavyheavyheavy Ck Ck Cd Cd = C Cd k k C Cd heavy heavy heavy = 1kk 00 0heavyheavy heavy C C CC CC − = / / / lightheavy CCR /= 0light0heavy0 CCR /= 0 t C C f = heavylight kk /=α )/( / 11 0t fRR − = α Rt / R0 – отношение содержания изотопов в конечный и начальный моменты реакции; f = Ct / C0 – доля субстрата, оставшегося неразложившимся в конце реакции, где Ct , C0 – конечная и начальная концентрации субстрата; α - кинетический коэффициент фракционирования изотопов в ходе превращения субстрата в продукт lightheavy CCC += CCC lightheavy =<<
- 69. Значительное фракционирование 13 C/12 Cи D/H в процессе анаэробного окисления метана обогащенным микробным сообществом in vitro (Holler et al., 2009) Линейная регрессия из уравнение Релея −= + + 00 ln)1/1( 1000 1000 ln C Ctt α δ δ
- 70. • Для описаниякинетического изотопного эффекта обычно предполагается химическая кинетика 1-го порядка по концентрации субстрата (S), где кинетический коэффициент меньше у субстрата с тяжелым изотопом. Традиционно, уравнением 1-го порядка по субстрату обосновывается применимость уравнения Релея • Нами утверждается, что динамика фракционирования стабильных изотопов является следствием биологической динамики, которая лишь в исключительных случаях может следовать простой кинетике 1-го порядка. Часто для описания биологической динамики можно использовать эмпирическую модель Моно, которая формально близка известной теоретической модели ферментативной кинетики Михаэлиса- Ментен. Таким образом, традиционные экологические модели могут быть дополнены динамическими уравнениями для изотопов
- 71. ),( ),()1( ),( BSy td Bd BSy td dP BS td Sd ρ ρ ρ = −= −= Уравнения для обычныхпеременных субстрат продукт биомассаS: P: B: td Bd S S td Bd BSy S S td Pd BS S S td Sd heavyheavy heavyheavy heavyheavy α ρ α ρ α 1 ),( 1 )1( ),( 1 = −= −= Уравнения для тяжелых переменных heavy S, heavy P, heavy B – “тяжелые” субстрат, продукт и биомасса y - экономический коэффициент, отражающий прирост биомассы SK SB BS S m + = ρ ρ ),( Зависимость Моно Максимальная удельная скорость роста биомассыmm yρµ = mρ Максимальная удельная скорость потребления субстрата
- 72. Пример: уравнения, описывающиединамику окисления метана с тяжелыми изотопами (13 С и 2 H), в которых скорость окисления тяжелого метана связывается со скоростью окисления общего метана Идет предпочтительное окисление метана с легким изотопом. α - коэффициент фракционирования тяжелого и легкого изотопов dt d f dt d C 13 4C134 CH α 1CH = dt d f dt d 4H2 H 3 12 CH α 1HHC = где 44 1313 /f CHCHC = 43 122 /f CHHHCH = - фракции тяжелого метана Традиционное уравнение Релея выводится из динамических уравнений для тяжелого субстрата независимо от типа кинетики реакции самого субстрата
- 73. Фракционирование изотопов 15 Nи 14 N в процессе роста биомассы фитопланктона на аммонии, нитрате и мочевине
- 74. Утилизация аммония культуройThalassiosira pseudonana Эксперимент Waser et al., 1998 PN - концентрация фитопланктона Когда концентрация субстрата становится ниже пороговой, фракционирование прекращается
- 75. Утилизация нитрата культуройThalassiosira pseudonana Эксперимент Waser et al., 1998 PN - концентрация фитопланктона Когда концентрация субстрата становится ниже пороговой, фракционирование прекращается
- 76. Утилизация смеси субстратов(аммоний, нитрат, мочевина) культурой Thalassiosira pseudonana Эксперимент Waser et al., 1998 PN - концентрация фитопланктона Согласно модели, потребление нитрата и мочевины идет только после потребления аммония, поскольку аммоний ингибирует потребление нитрата и мочевины. Интенсивное фракционирование идет в ходе утилизации аммония
- 77.
- 78. Схема серинового (Methylosinussporium) и RuMP (Methylocaldum gracile) метаболических путей аэробного окисления метана микроорганизмами OHCHO 2 1 CH 324 =+ OHHCHOO 2 1 OHCH 223 +=+ HCOOHO 2 1 HCHO 2 =+ OHCOCOHO 2 1 HCOOH 22322 +==+ RuMP 2HCOOHCOHHCHO 32 =+ 322 CO2HO2HCOOH =+ Сериновый OH2CO2OCH 2224 +=+ Общая реакция
- 79. Динамика окисления метана(Methylosinus sporium) по сериновому пути (данные: Feisthaurer et al., 2011) В процессе окисления метана наблюдается задержка, поскольку скорость роста биомассы зависит от концентрации конечного продукта (H2CO3) При небольшой концентрации метана, близкой к пороговой, возрастают экспериментальные ошибки метода измерения метана. Чтобы описать прекращение фракционирования для скорости окисления метана в функцию Моно была введена пороговая минимальной концентрации метана, при которой прекращается само окисление и, соответственно, рост биомассы.
- 80. Динамика окисления метана(Methylocaldum gracile) по RuMP пути (данные: Feisthaurer et al., 2011) Задержки окисления метана не происходит, поскольку вторым субстратом для биомассы является кислород Концентрация промежуточного продукта HCHO, обеспечивающего рост биомассы, мгновенно становится значительной
- 81. 2D-график двух формтяжелого метана (по углероду и водороду) в ходе аэробного окисления метана (данные: Feisthaurer et al., 2011) При большом коэффициенте фракционирования субстрата с тяжелым водородом нелинейная модель гораздо лучше описывает экспериментальные данные, чем простая линейная модель
- 82.
- 83. Динамика анаэробного окисленияметана сульфатом совместно с его продукцией из метанола (морские экосистемы). CH4+H2SO4 → CO2+H2S+2H2O , CH3OH → 0.75CH4+0.25CO2+0.5H2O Небольшая добавка метанола существенно изменяет изотопную динамику ‘δ13 C’ данные: Seifert et al., 2006 модель: Vavilin, 2013
- 84. Динамика анаэробного окисленияметана нитрит-ионом (учтено субстратное ингибирование высокой концентрацией нитрита) 3CH4+8HNO2 → 3CO2+4N2+10H2O Динамика фракционирования для изотопов углерода и водорода сильно зависит от лимитирующего субстрата (метана или нитрита) данные: Rasigraf et al., 2012 модель: Vavilin, Rytov, 2014
- 85. Два метаболических путиметанизации ацетата CH3COOH CH4+H2CO3 Pawthway 1: Ацетикластический метаногенез Pawthway 2: Синтрофное окисление ацетата CH3COOH+4H2O 4H2+2H2CO3 4H2+H2CO3 CH4+3H2O 1 step 2 steps
- 86. Ac = acetate Ac*= labeled acetate Параллельный эксперимент: Cemagref(Grossin-Debattista, 2011) Метанизация меченого и природного ацетата, резко отличающихся начальным содержанием 13 C, при разных концентрациях аммония и одинаковой затравке микроорганизмов
- 87. Для определения доминирующегопути образования метана часто используется следующее приближенное соотношение (Whiticar, 1999) 1000C 1000C 4CH 13 2CO 13 c + + = δ δ α app Традиционно считается, что свидетельствует о водородотрофном метаногенезе, а об ацетокластическом 0651c .app >α 0551c .app <α
- 88. Конверсия меченого иприродного ацетата в метан при низкой концентрации аммония 0.18г/л в ходе параллельных экспериментов: 13 CH3COOH 13 CH4+H2CO3 В ацетате была меченой только метильная группа 13 CH3. В итоге меченым стал только метан. Две группы ацетикластических метаногенов Methanosarcinaceae (α=1.01) и Methanosaetaceae (α=1.01) конкурировали за ацетат Экспериментальные данные: Cemagref (Grossin-Debattista, 2011)
- 89. Methanosarcinaceae и Methanosaetaceaeприсутствуют в инокуле, также как и в реакторе при низкой и средней концентрации аммония MS1414-Cy5: Methanosarcinaceae MX825-Cy3: Methanosaetaceae Inocula 0.18 г/л 1.44 г/л
- 90. Динамика конверсии меченогои природного ацетата в метан при сравнительно высокой концентрации аммония 3.6г/л. Принимают участие четыре группы микроорганизмов: Methanosarcinaceae (α=1.01), Methanosaetaceae (α=1.01), водородотрофные метаногены (α=1.065) и ацетат-окисляющие бактерии (α=1.02) Метан образуется из ацетата и только частично из угольной кислоты . В итоге меченым метан становится лишь на 75% Экспериментальные данные: Cemagref (Grossin-Debattista, 2011)
- 91. Methanosarcinaceae и Methanosaetaceaeприсутствуют и при сравнительно высокой концентрации аммония 3.6 г/л MS1414-Cy5: Methanosarcinaceae MX825-Cy3: Methanosaetaceae
- 92. Динамика конверсии меченогои природного ацетата в метан при высокой концентрации аммония 5.4г/л. Принимают участие три группы микроорганизмов: Methanosarcinaceae (α=1.021), водородотрофные метаногены (α=1.065) и ацетат-окисляющие бактерии (α=1.02). Methanosaetaceae не обнаружена Метан образуется из угольной кислоты и только частично из ацетата. В итоге меченым метан становится только на 55-60% Экспериментальные данные: Cemagref (Grossin-Debattista, 2011)
- 93. Methanosaetaceae отсутствует вреакторе при высокой концентрации аммония 5.4г/л MS1414-Cy5: Methanosarcinaceae MX825-Cy3: Methanosaetaceae
- 94. Образование метана вболотах
- 96. Болота представляют собойглобальную ловушку для органического углерода, поскольку в них происходит подавление микробного разложения в анаэробной среде, а избыточный углерод сбрасывается в виде торфа – не полностью разложенных остатков растений Основными факторами, контролирующими интенсивность образования метана, считаются температура, уровень воды и содержание органического вещества
- 97. Верховые торфяные болотас дождевым питанием характеризуются низкой концентрацией минеральных солей, кислыми pH (3-5) и низкой температурой. Масса воды, по большей части застойной, невелика. Анаэробная зона существенно больше аэробной зоны. Господствующей растительностью на верховых болотах являются сфагновые мхи, при отмирании накапливающиеся в глубине.
- 98.
- 99. Сфагнум – типичнаярастительность верховых болот
- 100. Морошка в верховомболоте
- 101. В отличие отверховых болот в низовые болота вода поступает с поверхностными и подземными притоками. Здесь уже гораздо выше минеральное питание, обуславливающее и значительную биологическую продуктивность, а следовательно и выход метана
- 103. Образование метана изцеллюлозы в болотах Cellulose Glucose Acetate Hydrogen CO2 Hydrogen CO2 Hardly degradable CH4 CH4 Canonical pathway Non-canonical pathway
- 104. Динамика образования метанаиз целлюлозы в мезотрофном болоте, где метан и диоксид углерода продуцируются в соотношении 1:1 (данные Galand et al., 2010) Идет как ацетикластический, так и водородотрофный метаногенез
- 105. Динамика образования метанаиз целлюлозы в мезотрофном болоте после добавки ингибитора (CH3F), тормозящего образование метана из ацетата (данные Galand et al., 2010) Величина понижается из-за резкого уменьшения доли метана, образующегося из ацетата. Резко падает общая продукция метана, который в результате добавки CH3F образуется из водорода и диоксида углерода 4 13 CHδ
- 106. Динамика образования метанаиз целлюлозы в олиготрофном болоте (не канонический путь), где метан и диоксид углерода продуцируются в соотношении 1:2 (данные Galand et al., 2010) Идет водородотрофный метаногенез. Продукция метана невелика.
- 107. Динамика образования метанаиз целлюлозы в олиготрофном болоте после добавки ингибитора CH3F (данные Galand et al., 2010) Величина не изменяется.4 13 CHδ
- 108. Фракционирование изотопов 13 С ,12 Св процессе образования метана из целлюлозных отходов в анаэробном реакторе Согласно динамической модели, в ходе разложения целлюлозы изменяется путь образования метана: из ацетата или H2/CO2
- 109. Динамика разложения целлюлозныхотходов в мезофильных условиях, где определяющую роль играет соотношение скоростей ацетикластического и водородотрофного метаногенеза (данные Qu et al., 2009) f – относительная скорость ацетикластического метаногенеза. Видно, что изотопная динамика подобна динамике относительной скорости ацетокластического метаногенеза f, а содержание 13 С в метане много ниже чем в CO2 из-за фракционирования изотопов δ
- 110. Динамика разложения целлюлозныхотходов в термофильных условиях, где доминирующую роль играет водородотрофный метаногенез (данные Qu et al., 2009) f – относительная скорость ацетикластического метаногенеза. Метан образуется только из H2/CO2
- 111. Применение изотопных методовпозволяет определить ключевые стадии функционирования экологических систем Динамика фракционирования стабильных изотопов является следствием биологической динамики ЗАКЛЮЧЕНИЕ
- 112.
Editor's Notes
- #51 &lt;number&gt;
- #57 &lt;number&gt; Voici une photo du NanoSIMS. En février 2007, 15 instruments étaient installés dans le monde entier. Nos tests ont été réalisés à l&apos;Institut Curie.
- #70 Double logarithmic plots of the stable isotope compositions of carbon (A, C and E) and hydrogen (B, D and F; vertical scale 10‐fold attenuated) in residual methane versus its residual proportion in anaerobic methanotrophic cultures from three habitats (● and ○ indicate duplicate experiments). For calculation of the regression line in the present approach, the impact of the zero point was the same as that of other points. y = ln(Rt/R0); x = ln(Ct/C0); α = 1/(slope + 1). A and B. Sediment‐free enrichment culture from Hydrate Ridge (experiment depicted in Fig. 1). C and D. Sediment‐free enrichment culture from Amon Mud Volcano (experiment depicted in Fig. S1). E and F. Mat sample from Black Sea gas seep (experiment depicted in Fig. S1). © This slide is made available for non-commercial use only. Please note that permission may be required for re-use of images in which the copyright is owned by a third party.
- #87 &lt;number&gt;
- #90 &lt;number&gt;
- #92 &lt;number&gt;
- #94 &lt;number&gt;