微生物聚集體的相互作用及形成機(jī)制.pdf

1、生物處理是目前水污染控制的主要技術(shù)手段。在廢水處理反應(yīng)器中起重要作用的微生物通常以絮體污泥、生物膜和顆粒污泥三種聚集體的形式存在。這些微生物聚集體的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、功能、特性影響并決定著廢水生物處理系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性、處理效率和出水水質(zhì)。另一方面，微生物聚集體的形成過(guò)程卻極為復(fù)雜，不僅形成過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)，而且影響因素眾多。因此，對(duì)微生物聚集體的相互作用以及形成機(jī)制的研究是十分必要的。本論文基于大量的試驗(yàn)研究結(jié)果和DLVO理論的拓展應(yīng)用，系統(tǒng)研究了

2、廢水處理反應(yīng)器中微生物聚集體的表面特性、相互作用以及形成機(jī)制，深入探討了微生物胞外多聚物EPS在微生物相互作用中的作用機(jī)制，并成功構(gòu)建了微觀尺度下微生物聚集體的三維模型。主要研究?jī)?nèi)容和研究成果如下： 1.基于表面熱力學(xué)分析所反映的微生物表面性質(zhì)的差異，以一株產(chǎn)氫光合細(xì)菌(Rhodopseudomonas acidophila)為對(duì)象，建立了利用DLVO理論來(lái)解析與預(yù)測(cè)微生物之間的吸附與絮凝行為的理論方法，并探索了導(dǎo)致細(xì)菌絮凝性

3、能變化的本質(zhì)原因。在0.1 mol L<'-1>電解質(zhì)濃度下以及pH約為7.0時(shí)候，體系具有最優(yōu)的絮凝性能；Ca<'2+>的加入可以有效地提高體系菌液的絮凝性能；EPS對(duì)體系絮凝性能的變化影響很大；導(dǎo)致光合細(xì)菌絮凝性能較差的主要原因是光合細(xì)菌自身特殊的表面性質(zhì)，即較小的Hamaker常數(shù)值(2.27×10<'-23>J)與正的界面吸附自由能(21.75 mJ m<'-2>)。 2.通過(guò)對(duì)真氧產(chǎn)堿桿菌(Ralstonia eut

4、ropha)生長(zhǎng)周期的研究，成功地對(duì)微生物生長(zhǎng)周期中表面特性以及絮凝性能的變化進(jìn)行了定量表征。在生長(zhǎng)周期中真氧產(chǎn)堿桿菌的水接觸角與甲酰胺接觸角在24 h內(nèi)迅速下降，其疏水性在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期內(nèi)迅速降低；細(xì)菌表面張力中非極性作用項(xiàng)與極性作用項(xiàng)的比值(γ<'LW><,B>/γ<'AB><,B>)在生長(zhǎng)周期中先迅速下降，隨之維持在一個(gè)較低的水平，這說(shuō)明在生長(zhǎng)周期中細(xì)菌表面由疏水性為主變?yōu)橐杂H水性為主，從而導(dǎo)致在培養(yǎng)過(guò)程中細(xì)菌的穩(wěn)定性逐漸升高；Lew

5、is酸-堿水合作用項(xiàng)在整個(gè)培養(yǎng)過(guò)程中對(duì)總位能貢獻(xiàn)由最初的吸附轉(zhuǎn)變?yōu)榕懦馐菍?dǎo)致體系穩(wěn)定性變化的主要因素。 3.通過(guò)對(duì)真氧產(chǎn)堿桿菌不同生長(zhǎng)條件的優(yōu)化分析，提出了一種能夠快速、有效地定性預(yù)測(cè)不同底物狀態(tài)下細(xì)菌絮凝性能大小的新方法。在30 g/L葡萄糖為底物、初始pH約為8.0的較優(yōu)生長(zhǎng)條件下，R．eutropha的生長(zhǎng)快速，絮凝性能良好，合成PHAs的量也較多；而在其他條件下，真氧產(chǎn)堿桿菌的生長(zhǎng)反而出現(xiàn)抑制現(xiàn)象；同時(shí)，在不同底物類型

6、下細(xì)菌具有不同的斥力勢(shì)壘水準(zhǔn)，其絮凝性能的大小可以通過(guò)預(yù)測(cè)其斥力勢(shì)壘的高低來(lái)判斷。 4.利用快速、靈敏、選擇性高的三維熒光光譜方法，表征了好氧活性污泥與厭氧產(chǎn)甲烷污泥EPS的特性。好氧污泥中存在兩個(gè)熒光峰，位置分別在280-285/340-350 nm和340-350/430-450 nm處，分別對(duì)應(yīng)于蛋白與NADH的特征吸收峰；而在厭氧產(chǎn)甲烷污泥中除去出現(xiàn)蛋白特征吸收峰外，還在Ex/Em=400-410/465-475 nm

7、處出現(xiàn)輔酶F<,420>特征吸收峰，它是產(chǎn)甲烷菌所特有的物質(zhì)；兩種EPS的三維熒光光譜參數(shù)(如峰位置、峰強(qiáng)度、不同峰強(qiáng)度比)都有所不同，說(shuō)明了兩者在成分和結(jié)構(gòu)上的差異性。 5.通過(guò)好氧和厭氧污泥表面EPS的提取實(shí)驗(yàn)，觀察到污泥絮凝性能的變化。研究結(jié)果表明：無(wú)論是松散結(jié)合EPS(LB-EPS)還是緊密結(jié)合EPS(TB-EPS)都對(duì)污泥絮凝性能有著有益的貢獻(xiàn)，且隨著EPS的不斷剝離，污泥的絮凝性能逐漸變差。以DLVO理論為基礎(chǔ)構(gòu)建

8、了定量表征EPS在微生物相互作用中作用機(jī)制的新方法，利用該方法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的解析結(jié)果表明，在活性污泥中TB-EPS對(duì)于微生物的絮凝性能變化的貢獻(xiàn)較大。 6.成功建立了微觀尺度下微生物聚集體的三維全局優(yōu)化模型，并利用建立的模型優(yōu)化了微生物聚集體數(shù)目從3增加到100所有的穩(wěn)定最優(yōu)構(gòu)型。該方法是基于分子力學(xué)手段，將DLVO理論作為優(yōu)化體系的勢(shì)能函數(shù)，從而利用全局優(yōu)化算法建立三維構(gòu)型的優(yōu)化模型。通過(guò)對(duì)構(gòu)型結(jié)果的分析，提出了微生物聚集體生