談產(chǎn)酸相穩(wěn)定發(fā)酵類型微生物生態(tài)學

1、談產(chǎn)酸相穩(wěn)定發(fā)酵類型微生物生態(tài)學                          作者：趙丹任南琪王愛杰陳曉蕾 論文關鍵詞:產(chǎn)酸發(fā)酵反應器生態(tài)因子頂極群落生態(tài)演替生態(tài)位 論文摘要:通過產(chǎn)酸發(fā)酵反應器的動態(tài)試驗,考察生態(tài)因子(ph、orp)等制約的不同發(fā)酵類型頂極群落的結(jié)構(gòu)、優(yōu)勢種群的組成和生態(tài)演替的規(guī)律,闡明不同發(fā)酵類型代謝及其頂極群落

2、的典型特征,揭示產(chǎn)酸發(fā)酵過程中頂極群落內(nèi)平衡與反饋調(diào)節(jié)的生理代謝機制,并以ph值、orp來表征生態(tài)演替過程中優(yōu)勢種群的生態(tài)位圖。 ghosh和poland在1971年提出了利用相分離的原理:分別控制適應于產(chǎn)酸發(fā)酵菌和產(chǎn)甲烷菌的最佳生理及生態(tài)條件,從而形成具有較高運行穩(wěn)定性和處理效率的兩相厭氧生物處理系統(tǒng)。目前,對于兩相厭氧生物處理的微生物生態(tài)學的研究普遍受到重視,但是由于產(chǎn)甲烷菌具有種類少、生長繁殖慢、利用底物種類有限、對環(huán)境條件敏感等特性,使得人們長久以來認為產(chǎn)甲烷相是兩相厭氧處理系統(tǒng)中的關鍵“限速步驟”,因此大多數(shù)研究集中于產(chǎn)甲烷相微生物的生態(tài)學研究上。事實上產(chǎn)酸相不同生態(tài)條件下形成的末端

3、發(fā)酵產(chǎn)物作為產(chǎn)甲烷細菌利用的底物,對產(chǎn)甲烷相乃至整個工藝的穩(wěn)定運行具有至關重要的作用1。以往的研究表明,產(chǎn)甲烷相微生物對底物的轉(zhuǎn)化速率依次為乙醇>戊酸>丁酸>乙酸>丙酸,而乙酸的轉(zhuǎn)化是系統(tǒng)產(chǎn)甲烷即去除效率的“限速步驟”。從整個系統(tǒng)角度出發(fā),產(chǎn)酸相最佳發(fā)酵類型應為乙醇型發(fā)酵2。因此利用連續(xù)流產(chǎn)酸發(fā)酵反應器,通過對限制性因子(ph、orp)的調(diào)控,考察在人工創(chuàng)建生境中,微生物所遵循的群落與種群生態(tài)學演替規(guī)律,不同發(fā)酵類型的頂級群落內(nèi)平衡與反饋調(diào)節(jié)的生理代謝機制,得出以ph、orp表征的生態(tài)演替過程中優(yōu)勢種群的三維實現(xiàn)生態(tài)位,這對于進一步闡明產(chǎn)酸相不同發(fā)酵類型的生態(tài)學規(guī)律,提

4、高兩相厭氧的整體處理水平具有新的思路和理論指導意義。 1試驗材料與方法 1.1實驗裝置 采用沉淀區(qū)和反應區(qū)一體化、內(nèi)設氣液固三相分離裝置的連續(xù)流攪拌槽式厭氧反應器(cstr)作為產(chǎn)酸相反應器,有效容積為3.1l,通過對ph、orp進行調(diào)控進行平行實驗;反應器外部纏繞電熱絲結(jié)合溫控儀保證內(nèi)部溫度(30±1)的厭氧條件,實驗中控制cod負荷為8kg/m3·d,進水cod濃度為4000mg/l。具體流程見圖1所示。 1.2實驗底物與分析方法 采用廢糖蜜為底物,并按照codnp=800100051配以少量n、p。采用標準方法分析測定cod、ph、orp(以電極電位eh計,mv)。液

5、相發(fā)酵產(chǎn)物采用sc-7氣相色譜分析儀,按照任南琪1(1994)建立的檢測方法進行分析。厭氧細菌的培養(yǎng)采用改進的hungate技術,鑒定方法參見參考文獻3。 2結(jié)果與討論 產(chǎn)酸發(fā)酵類型指依據(jù)酸性末端產(chǎn)物中揮發(fā)性脂肪酸(vfa)的分布判斷微生物的生理代謝途徑。酸性末端產(chǎn)物中始終占據(jù)主導地位的物質(zhì)定義為相應的代謝類型,并將產(chǎn)酸發(fā)酵生態(tài)系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)時代謝的優(yōu)勢種群定義為頂極群落。產(chǎn)酸相的三種發(fā)酵類型中,丁酸型發(fā)酵和丙酸型發(fā)酵分別以丁酸或丙酸為主要液相末端發(fā)酵產(chǎn)物,而乙醇型發(fā)酵的主要液相末端產(chǎn)物為乙醇和乙酸。 生態(tài)演替是生物群落的一個動態(tài)變化特性,具有定向性、可調(diào)控性、趨于穩(wěn)定性。由于環(huán)境因素(因變因子

6、:ph、orp)、微生物內(nèi)部群落及末端代謝產(chǎn)物組成的協(xié)調(diào)控制,產(chǎn)酸相微生物群落在隨環(huán)境因素定向演替的同時,由于群落的內(nèi)平衡和反饋調(diào)節(jié)機制,又保持了相對的穩(wěn)定性,即形成與不同發(fā)酵類型相對應的特征頂級群落生態(tài)系統(tǒng),頂級群落中微生物通過種間競爭和協(xié)同作用選擇優(yōu)勢種群,形成復雜的生態(tài)學決定關系45(圖2)。 2.1乙醇型頂極群落的結(jié)構(gòu)模式及生態(tài)演替 產(chǎn)酸發(fā)酵反應器的乙醇型發(fā)酵是以h2為主要氣相產(chǎn)物,乙醇、乙酸為主要液相產(chǎn)物的發(fā)酵類型,在orp、ph特別低的情況下,以產(chǎn)生乙醇的方式保證細胞內(nèi)部的正常ph值,以維持機體正常產(chǎn)能和合成代謝,同時每產(chǎn)生1mol乙醇,氧化nadh的量為2mol,以此實現(xiàn)nad+

7、/nadh的耦聯(lián),并產(chǎn)生1mol氫氣見表1。乙醇型發(fā)酵具有很強的穩(wěn)定性,不同反應器及不同運行階段的乙醇型發(fā)酵微生物優(yōu)勢菌群見表2。 2.2丙酸型頂極群落的結(jié)構(gòu)模式及生態(tài)演替 丙酸的產(chǎn)生和積累對厭氧生物處理系統(tǒng)有重要的影響,導致系統(tǒng)ph降低而發(fā)生“酸化”,致使產(chǎn)甲烷菌失活6。主要原因是丙酸在產(chǎn)甲烷相的產(chǎn)乙酸過程緩慢。丙酸型發(fā)酵的典型細菌丙酸桿菌屬無氫化酶,不產(chǎn)生氫氣。丁酸型發(fā)酵的主要限制性因素為較高的orp和ph5.0。不同反應器及不同運行階段的丙酸型發(fā)酵的頂級群落中優(yōu)勢種群見表3。 2.3丁酸型頂極群落的結(jié)構(gòu)模式及生態(tài)演替 從微生物代謝角度講,ph接近中性時細菌以合成代謝為主,數(shù)量的增殖增加了

8、atp的消耗量,而丁酸型發(fā)酵的單位atp產(chǎn)量是3,因此被選擇。在環(huán)境中orp較低、ph為6.0和5.0左右發(fā)生的是丁酸型發(fā)酵。而較高orp、ph為5.0時的丙酸型發(fā)酵是由于丙酸桿菌的兼性需氧性所致。不同反應器及不同運行階段的丁酸型發(fā)酵的頂級群落中優(yōu)勢種群見表4。按照odum生態(tài)學的觀點分析,在調(diào)節(jié)ph、orp的生態(tài)演替過程中,環(huán)境中的頂極群落受環(huán)境中生態(tài)因子的制約而呈現(xiàn)一定的演替過程,最終被環(huán)境條件所選擇的微生物成為優(yōu)勢菌群,這是群落“進化”過程中功能由量變到質(zhì)變的過程,這一過程包括以下階段:(1)各種發(fā)酵類型微生物之間復雜的種群關系通過微生物的生理代謝調(diào)節(jié)作用,與生境相適應的優(yōu)勢種群得以生長

9、繁殖;(2)同種發(fā)酵類型微生物頂極群落的內(nèi)平衡與反饋調(diào)節(jié)能力;(3)不同發(fā)酵類型代謝末端產(chǎn)物對群落的制約、調(diào)控;(4)頂極群落中某些優(yōu)勢種群(如2）反應器的擬桿菌屬)的生態(tài)位與反應器內(nèi)生態(tài)條件相似,污泥馴化初期已是優(yōu)勢種群,其優(yōu)勢地位不易動搖。    2.4演替過程中優(yōu)勢種群的生態(tài)位 圖4所示是以orp、ph值組成的產(chǎn)酸相不同發(fā)酵類型頂極群落中優(yōu)勢種群的二維實現(xiàn)生態(tài)位圖。由圖3可見,生態(tài)因子制約了優(yōu)勢種群的生態(tài)演替,在這一過程中,各種類型微生物為形成穩(wěn)定的頂極群落,通原因。膜組件的材料、mbr的運行條件和活性污泥的性質(zhì)決定了這些因素的影響程度。(3)通過

10、合理的設計及優(yōu)化運行條件,結(jié)合有效的反沖洗和清洗措施,能夠最大限度地控制膜污染和恢復膜通量。 參考文獻 1高以,葉凌碧.膜分離技術基礎m.北京:科學出版社,1989. 2mukai t. ultrafiltration, behavior of extracellular and metablicproducts in activated sludge system with uf seperation processj. wat res, 2000, 34(3): 902908. 3徐慧芳,樊耀波.膜生物反應器中溶解微生物產(chǎn)物的研究進展j.環(huán)境污染治理技術與設備, 2002,3(1):172

11、1. 4鄒聯(lián)沛,王寶貞,張捍民.膜生物反應器中膜的堵塞與清洗的機理研究j.給水排水,2000,29(9):7375. 5何義亮.膜生物反應器生物降解與膜分離共作用特性研究j.環(huán)境污染與防治,1990,20(6):1821. 6高從楷.水處理中的膜生物反應器簡介j.水處理技術,2002,28(1):6062. 7王猛,柴曉利.膜生物反應器處理生活污水的工藝及膜材料的選擇j.環(huán)境科學與技術,2001,24(3):14. 8張穎,任南琪,陳志強.膜生物反應器在日本的應用現(xiàn)狀j.中國給水排水,2002,18(2):9192. 9a van bentem,d lawrence,f horjus,等.mb

12、r pilot re-search in beverwijk side studiesj. h2o mbr special,2001: 1621. 10桂萍,黃霞,陳穎,等.膜生物反應器運行條件對膜過濾特性的影響j.環(huán)境科學,1999,20(3):3941. 11劉銳,汪誠文,錢易.影響一體式好氧膜生物反應器膜清洗周期的幾個因素j.環(huán)境科學,1998,19(4):2729. 12劉銳,黃霞,錢易,等.一體式膜生物反應器處理生活污水的中試研究j.給水排水,1999,25(1):2429. 13張穎,顧平,鄧曉欽.膜生物反應器在污水處理中的應用進展j.中國給水排水,2002,18(4):9092.

13、 14 j a howell,w liu,t c arnot.membrane bioreactors forcleaner ernational symposium on menbranetechnology and environmental protection,北京:2000,1223. 15 w liu.a novel extractive membrane bioractor to treatchlorinated wastes in the presence of salt d. phd the-sis,unversity of bath, 2000. 16 zeng