微生物在載體表面的固定機(jī)理

1、第二第二章章微生物微生物在載體表面的固定機(jī)理在載體表面的固定機(jī)理主講：主講：xxxxxxPPTPPT制作：制作：xxxxxx1/36 微生物固定的一般過程目錄目錄 微生物固定動力學(xué) 硝化細(xì)菌在在體表面的固定措施 影響微生物固定的重要因素2/36微生物固定的一般過程2.12.1液相中懸浮微生物液相中懸浮微生物微生物向載體表面運送微生物向載體表面運送可逆附著可逆附著不可逆附著不可逆附著固定微生物增長、形成生物膜固定微生物增長、形成生物膜沒有附著的微生物沒有附著的微生物圖圖1.1.微生物在載體表面固定的一般過程微生物在載體表面固定的一般過程3/36液相中懸浮微生物液相中懸浮微生物微生物向載體表面運送

2、微生物向載體表面運送可逆附著可逆附著不可逆附著不可逆附著固定微生物增長、形成生物膜固定微生物增長、形成生物膜4/36 細(xì)菌從液相向載體表面的運送，主要細(xì)菌從液相向載體表面的運送，主要通過以下兩種方式完成：通過以下兩種方式完成：1 1、主動運輸：指細(xì)菌借助水力動力學(xué)及各、主動運輸：指細(xì)菌借助水力動力學(xué)及各種擴(kuò)散力向載體表面遷移；種擴(kuò)散力向載體表面遷移；2 2、被動運輸：由布朗運動、細(xì)菌自身運動、被動運輸：由布朗運動、細(xì)菌自身運動、重力或沉降作用完成的。重力或沉降作用完成的。& 微生物向載體表面運送微生物向載體表面運送5/36液相中懸浮微生物液相中懸浮微生物微生物向載體表面運送微生物向載體表面運送

3、可逆附著可逆附著不可逆附著不可逆附著固定微生物增長、形成生物膜固定微生物增長、形成生物膜6/36& 可逆附著可逆附著 在細(xì)菌與載體表面接觸的最初階段，微生在細(xì)菌與載體表面接觸的最初階段，微生物與載體間首先形成的是可逆附著，微生物在物與載體間首先形成的是可逆附著，微生物在載體表面的可逆附著實際上反映的是附著與脫載體表面的可逆附著實際上反映的是附著與脫析的雙向動態(tài)過程。析的雙向動態(tài)過程。 原因：環(huán)境中存在的水力學(xué)力或是簡單原因：環(huán)境中存在的水力學(xué)力或是簡單的布朗運動或是細(xì)菌自身的運動都可能使已附的布朗運動或是細(xì)菌自身的運動都可能使已附著在載體表面的細(xì)菌重新返回懸浮液相中去。著在載體表面的細(xì)菌重新返

4、回懸浮液相中去。一般講，造成這種可逆附著過程的力主要是物一般講，造成這種可逆附著過程的力主要是物理及化學(xué)相互作用。理及化學(xué)相互作用。7/36物理力物理力化學(xué)力化學(xué)力斥力斥力范德華力范德華力氫鍵，酯化反應(yīng)等氫鍵，酯化反應(yīng)等范德華力范德華力異電引力異電引力離子對的形成（例如：離子對的形成（例如：-NH-NH3 3+ +.OOC-.OOC-）粒子空間位粒子空間位阻阻熱力學(xué)力熱力學(xué)力正離子對的形成（例如：正離子對的形成（例如：-COO.Ca-COO.Ca2+2+OOC-OOC-） 同電斥力等同電斥力等表面張力表面張力粒子橋鍵等粒子橋鍵等表面自由表面自由能能表面功表面功表面臨界表面臨界張力張力表一、導(dǎo)致

5、微生物可逆吸附的各種引力和斥力 總而言之，微生物可逆附著取決于微生物與載體表面間力的作用強(qiáng)度。8/36液相中懸浮微生物微生物向載體表面運送可逆附著不可逆附著固定微生物增長、形成生物膜9/36& 不可逆附著不可逆附著 不可逆附著過程通常是由于微生物分泌一些粘性代謝物質(zhì)所造成的，例如多聚糖等。這些體外多聚糖類物質(zhì)起到了生物“膠水”作用，因此，這階段附著的細(xì)菌不易被中等水力剪切力所沖刷掉。 事實上，可逆與不可逆附著的區(qū)別在于是否有生物聚合物參與細(xì)菌與載體表面間的相互作用。 不可逆附著是形成生物膜群落的基礎(chǔ)。10/36微生物固定動力學(xué)2.22.2一、可逆附著動力學(xué)一、可逆附著動力學(xué)式中式中a a1 1

6、、a a2 2細(xì)菌附著及反附著常數(shù)細(xì)菌附著及反附著常數(shù) 微生物在載體表面的可逆附著過程主要是一種微生物在載體表面的可逆附著過程主要是一種物理化學(xué)力起作用的過程，即可歸結(jié)成物理化學(xué)反物理化學(xué)力起作用的過程，即可歸結(jié)成物理化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)問題。應(yīng)動力學(xué)問題。微生物在載體表面的可逆附著過程：微生物在載體表面的可逆附著過程：11/36圖圖2 2. .亞硝化細(xì)菌在亞硝化細(xì)菌在PEPE、PPPP及及PSPS表面積累曲線（表面積累曲線（LiuLiu，19941994）12/36 根據(jù)圖根據(jù)圖2 2表明，亞硝化細(xì)菌的附著過程遵循一表明，亞硝化細(xì)菌的附著過程遵循一級可逆反應(yīng)動力學(xué)。級可逆反應(yīng)動力學(xué)。LiuLiu明

7、確提出微生物在載體表明確提出微生物在載體表面的可逆附著行為遵守一級可逆反應(yīng)動力學(xué)準(zhǔn)則。面的可逆附著行為遵守一級可逆反應(yīng)動力學(xué)準(zhǔn)則。 微生物附著固定速度可表示為：微生物附著固定速度可表示為：13/36二二、微生物不可逆附著模型、微生物不可逆附著模型 已附著、固定的微生物開始其各種生理活動，已附著、固定的微生物開始其各種生理活動，可用如下過程模式描述：可用如下過程模式描述：式中式中a a3 3生物膜或固定微生物凈積累常數(shù)，生物膜或固定微生物凈積累常數(shù)，T T-1 -1 其實驗結(jié)果表明在生物膜形成初期，生物量積其實驗結(jié)果表明在生物膜形成初期，生物量積累過程遵循一級反應(yīng)動力學(xué)（見圖累過程遵循一級反應(yīng)動

8、力學(xué)（見圖3 3）。）。14/36圖圖3.3.生物膜積累隨時間變化（生物膜積累隨時間變化（Re=17200Re=17200以及以及=0.28h=0.28h-1-1）15/36 在一個連續(xù)運行的生物反應(yīng)器中，早期生物膜形在一個連續(xù)運行的生物反應(yīng)器中，早期生物膜形成速率主要依賴以下兩個因素：意識微生物與載體表成速率主要依賴以下兩個因素：意識微生物與載體表面接觸頻度；再則是懸浮微生物的增長活性。面接觸頻度；再則是懸浮微生物的增長活性。 大量實驗表明，微生物與載體間接觸頻度直接取大量實驗表明，微生物與載體間接觸頻度直接取決于懸浮微生物濃度、微生物體的性質(zhì)及水力學(xué)強(qiáng)度，決于懸浮微生物濃度、微生物體的性質(zhì)

9、及水力學(xué)強(qiáng)度，這些通常由可測定的懸浮微生物濃度（這些通常由可測定的懸浮微生物濃度（X X）和雷諾數(shù)）和雷諾數(shù)（ReRe）表示。至于懸浮微生物活性可通過其增長比速）表示。至于懸浮微生物活性可通過其增長比速度（度（ ）來描述。）來描述。16/36影響微生物固定的重要因素影響微生物固定的重要因素2.32.3 影響微生物在載體表面附著、生長的因素可歸納影響微生物在載體表面附著、生長的因素可歸納為三大類，即微生物自身的性質(zhì)，載體表面的性質(zhì)以為三大類，即微生物自身的性質(zhì)，載體表面的性質(zhì)以及環(huán)境特性。及環(huán)境特性。微生物性質(zhì)微生物性質(zhì)載體表面的性質(zhì)載體表面的性質(zhì)環(huán)境特性環(huán)境特性種類種類表面親水性表面親水性PH

10、PH培養(yǎng)條件培養(yǎng)條件表面電荷表面電荷離子強(qiáng)度離子強(qiáng)度活性活性表面化學(xué)組成表面化學(xué)組成水力剪切水力剪切濃度濃度表面粗糙度表面粗糙度溫度溫度與微生物接觸與微生物接觸環(huán)境組成環(huán)境組成表二、影響微生物在載體影響微生物在載體表面固定的表面固定的因素因素17/36 結(jié)合動力學(xué)模型重點討論以下幾種因素對微生物結(jié)合動力學(xué)模型重點討論以下幾種因素對微生物附著、固定的影響。附著、固定的影響。一、懸浮微生物濃度一、懸浮微生物濃度圖圖4 4. .懸浮消化細(xì)菌濃度對懸浮消化細(xì)菌濃度對a a的影響的影響18/36圖圖5.5.懸浮消化細(xì)菌濃度對懸浮消化細(xì)菌濃度對B Bmaxmax的影響的影響19/36二二、液相、液相PHP

11、H 除了等電點以外，細(xì)菌表面在不同環(huán)境下帶有不除了等電點以外，細(xì)菌表面在不同環(huán)境下帶有不同的電荷。液相環(huán)境中，同的電荷。液相環(huán)境中，pHpH的變化將直接影響微生物的變化將直接影響微生物的表面電荷特性。的表面電荷特性。 當(dāng)液相當(dāng)液相pHpH大于細(xì)菌等電點時，細(xì)菌表面由于氨基大于細(xì)菌等電點時，細(xì)菌表面由于氨基酸的電離作用而呈負(fù)電酸的電離作用而呈負(fù)電性；當(dāng)液相性；當(dāng)液相pHpH小于小于細(xì)菌等電點細(xì)菌等電點時時，細(xì)菌表面呈正電性。，細(xì)菌表面呈正電性。20/36圖圖6 6. .液相液相pHpH對硝化細(xì)菌固定速率的影響對硝化細(xì)菌固定速率的影響21/36圖圖7.7.液相液相pHpH對硝化細(xì)菌在不同載體表面的

12、對硝化細(xì)菌在不同載體表面的B Bmaxmax影響影響22/36三、液相三、液相離子強(qiáng)度離子強(qiáng)度液液相相離子強(qiáng)度由下式計算離子強(qiáng)度由下式計算 IS=0.5CIS=0.5Ci iZ Zi i2 2式式中：中：ISIS離子強(qiáng)度；離子強(qiáng)度； C Ci i 離子離子i i的濃度，的濃度，ML-3ML-3； Z Zi i 離子離子i i的電荷數(shù)。的電荷數(shù)。23/36圖圖8 8. .液相離子強(qiáng)度對液相離子強(qiáng)度對a a影響影響24/36圖圖9 9. .液相離子強(qiáng)度對液相離子強(qiáng)度對B Bmaxmax的的影響影響25/36 隨著離子強(qiáng)度的增加，硝化細(xì)菌與載體表面的分隨著離子強(qiáng)度的增加，硝化細(xì)菌與載體表面的分離作用

13、趨于最小。有關(guān)離子強(qiáng)度對微生物在懸浮相中離作用趨于最小。有關(guān)離子強(qiáng)度對微生物在懸浮相中穩(wěn)定的影響，膠體化學(xué)中的穩(wěn)定的影響，膠體化學(xué)中的DLVDDLVD理論提供了定性及定理論提供了定性及定量的解釋，見圖量的解釋，見圖1010。圖圖10.10.在不同離子強(qiáng)度下細(xì)菌與載體表面間相互作用能的變化在不同離子強(qiáng)度下細(xì)菌與載體表面間相互作用能的變化26/36四、懸浮微生物的活性四、懸浮微生物的活性 我們通常采用微生物的比增長率（我們通常采用微生物的比增長率（）來）來描述微生物的活性，即單位質(zhì)量微生物的增長描述微生物的活性，即單位質(zhì)量微生物的增長繁殖速率。繁殖速率。 在研究微生物活性對生物膜形成最初階段在研究

14、微生物活性對生物膜形成最初階段的影響時，關(guān)鍵是如何控制懸浮微生物的的影響時，關(guān)鍵是如何控制懸浮微生物的比增比增長率（長率（）。）。27/36圖圖11.11.不同活性下硝化細(xì)菌在不同活性下硝化細(xì)菌在PSPS表面固定動力學(xué)表面固定動力學(xué)28/36圖圖12.12.不同活性下多聚糖在不同活性下多聚糖在PSPS表面積累動力學(xué)表面積累動力學(xué)29/36圖圖13.13.懸浮硝化細(xì)菌比活性懸浮硝化細(xì)菌比活性（）與硝化生物膜初始形成速率的關(guān)系）與硝化生物膜初始形成速率的關(guān)系30/36五、載體表面結(jié)構(gòu)與性質(zhì)五、載體表面結(jié)構(gòu)與性質(zhì) 在正常生長環(huán)境下，微生物表面帶有負(fù)電在正常生長環(huán)境下，微生物表面帶有負(fù)電荷，通過一定的

15、表面改良技術(shù)，使載體表面具荷，通過一定的表面改良技術(shù)，使載體表面具有正電性，這將使微生物在在體表面附著、固有正電性，這將使微生物在在體表面附著、固定的過程更易進(jìn)行。定的過程更易進(jìn)行。圖圖14.14.載體表面電性對硝化細(xì)菌固定的影響載體表面電性對硝化細(xì)菌固定的影響32/36 載體表面的粗糙度有利于細(xì)菌在其表面附載體表面的粗糙度有利于細(xì)菌在其表面附著、固定，主要由于以下兩個方面的原因：著、固定，主要由于以下兩個方面的原因： 1 1、與光滑表面相比，粗糙的載體表面增、與光滑表面相比，粗糙的載體表面增加了與細(xì)菌間的有效接觸面積；加了與細(xì)菌間的有效接觸面積； 2 2、在體表面的粗糙部分，如孔洞、裂縫、在體表面的粗糙部分，如孔洞、裂縫等對已附著的細(xì)菌起到屏蔽保護(hù)，使它們免受等對已附著的細(xì)菌起到屏蔽保護(hù)，使它們免受水力學(xué)剪切的沖刷作用。水力學(xué)剪切的沖刷作用。33/36六六、水力剪切作用、水力剪切作用 在實際水處理中，水力剪切力的強(qiáng)弱決定在實際水處理中，水力剪切力的強(qiáng)弱決定了生物膜反應(yīng)器啟動周期。了生物膜反應(yīng)器啟動周期。 最常用于描述水力剪切作用對細(xì)菌在載體最常用于描述水力剪切作用