微生物聚集体的相互作用及形成机制

发布时间：2020-04-22 04:26

【摘要】： 生物处理是目前水污染控制的主要技术手段。在废水处理反应器中起重要作用的微生物通常以絮体污泥、生物膜和颗粒污泥三种聚集体的形式存在。这些微生物聚集体的形态、结构、功能、特性影响并决定着废水生物处理系统的运行稳定性、处理效率和出水水质。另一方面,微生物聚集体的形成过程却极为复杂,不仅形成过程时间长,而且影响因素众多。因此,对微生物聚集体的相互作用以及形成机制的研究是十分必要的。本论文基于大量的试验研究结果和DLVO理论的拓展应用,系统研究了废水处理反应器中微生物聚集体的表面特性、相互作用以及形成机制,深入探讨了微生物胞外多聚物EPS在微生物相互作用中的作用机制,并成功构建了微观尺度下微生物聚集体的三维模型。主要研究内容和研究成果如下: 1.基于表面热力学分析所反映的微生物表面性质的差异,以一株产氢光合细菌(Rhodopseudomonas acidophila)为对象,建立了利用DLVO理论来解析与预测微生物之间的吸附与絮凝行为的理论方法,并探索了导致细菌絮凝性能变化的本质原因。在0.1 mol L~(-1)电解质浓度下以及pH约为7.0时候,体系具有最优的絮凝性能;Ca~(2+)的加入可以有效地提高体系菌液的絮凝性能;EPS对体系絮凝性能的变化影响很大;导致光合细菌絮凝性能较差的主要原因是光合细菌自身特殊的表面性质,即较小的Hamaker常数值(2.27×10~(-23)J)与正的界面吸附自由能(21.75 mJ m~(-2))。 2.通过对真氧产碱杆菌(Ralstonia eutropha)生长周期的研究,成功地对微生物生长周期中表面特性以及絮凝性能的变化进行了定量表征。在生长周期中真氧产碱杆菌的水接触角与甲酰胺接触角在24 h内迅速下降,其疏水性在对数生长期内迅速降低;细菌表面张力中非极性作用项与极性作用项的比值(γ_B~(LW)/γ_B~(AB))在生长周期中先迅速下降,随之维持在一个较低的水平,这说明在生长周期中细菌表面由疏水性为主变为以亲水性为主,从而导致在培养过程中细菌的稳定性逐渐升高;Lewis酸-碱水合作用项在整个培养过程中对总位能贡献由最初的吸附转变为排斥是导致体系稳定性变化的主要因素。 3.通过对真氧产碱杆菌不同生长条件的优化分析,提出了一种能够快速、有效地定性预测不同底物状态下细菌絮凝性能大小的新方法。在30 g/L葡萄糖为底物、初始pH约为8.0的较优生长条件下,R.eutropha的生长快速,絮凝性能良好,合成PHAs的量也较多;而在其他条件下,真氧产碱杆菌的生长反而出现抑制现象;同时,在不同底物类型下细菌具有不同的斥力势垒水准,其絮凝性能的大小可以通过预测其斥力势垒的高低来判断。 4.利用快速、灵敏、选择性高的三维荧光光谱方法,表征了好氧活性污泥与厌氧产甲烷污泥EPS的特性。好氧污泥中存在两个荧光峰,位置分别在280-285/340-350 nm和340-350/430-450 nm处,分别对应于蛋白与NADH的特征吸收峰;而在厌氧产甲烷污泥中除去出现蛋白特征吸收峰外,还在Ex/Em=400-410/465-475 nm处出现辅酶F_(420)特征吸收峰,它是产甲烷菌所特有的物质;两种EPS的三维荧光光谱参数(如峰位置、峰强度、不同峰强度比)都有所不同,说明了两者在成分和结构上的差异性。 5.通过好氧和厌氧污泥表面EPS的提取实验,观察到污泥絮凝性能的变化。研究结果表明:无论是松散结合EPS(Loosely bound EPS,LB-EPS)还是紧密结合EPS(Tightly bound EPS,TB-EPS)都对污泥絮凝性能有着有益的贡献,且随着EPS的不断剥离,污泥的絮凝性能逐渐变差。以DLVO理论为基础构建了定量表征EPS在微生物相互作用中作用机制的新方法,利用该方法对试验数据的解析结果表明,在活性污泥中TB-EPS对于微生物的絮凝性能变化的贡献较大。 6.成功建立了微观尺度下微生物聚集体的三维全局优化模型,并利用建立的模型优化了微生物聚集体数目从3增加到100所有的稳定最优构型。该方法是基于分子力学手段,将DLVO理论作为优化体系的势能函数,从而利用全局优化算法建立三维构型的优化模型。通过对构型结果的分析,提出了微生物聚集体生长的模型,即微生物粒子以一种多层分布的结构聚集在一起,从外部来看,聚集体结构呈现一种近似球形的分布。
【图文】：

照片,生物膜形态,照片

从而达到净化污水的目的[7]。微生物附着在介质“滤料”表面进行生长与繁殖[2]。微生物膜主要是由细菌(好氧、厌氧、兼性)、真菌、藻类、原生动物、后生动物以及一些肉眼可见的蠕虫等组成，其厚度约为 2mm，其形态如图1一1所示。图1一1生物膜形态的SEM照片生物膜形成大致经过如下过程。初期当污水流过滤床时，一部分污水、污染物和细菌附着在滤料表面上，微生物便在滤料表面大量繁殖，不久，形成一层充满微生物的粘膜，成为生物膜，这个阶段通常叫“挂壁”。随着微生物的不断繁殖，生物膜逐渐增厚，当超过一定厚度时，，吸附的有机物在传递到生物膜内层的微生物以前就已经被代谢掉。此时，内层的一些微生物因得不到充分的营养而进入内源代谢，失去其粘附在滤料上的性能，脱落下来随水流出滤池，而滤料表面再重新长出新的生物膜。 :21.3颗粒污泥颗粒污泥又分为好氧颗粒污泥和厌氧颗粒污泥，通常产生于序批式反应器(sBR)[8]和上流式厌氧污泥床反应器(uAsB)[9]中。与结构松散、不规则的传统絮状污泥相比

上流式厌氧污泥床反应器,氧化沟,原生,污水处理厂

在活性污泥絮凝作用中所起到的作用机制进行定量描述。4.2.2好氧和厌氧污泥好氧污泥从合肥王小郧污水处理厂的氧化沟(图4一2)中取得;厌氧产甲烷污泥从丰原生化公司的上流式厌氧污泥床反应器中取得(图4一3)。珊珊珊撇撇扩扩图4一2合肥王小郑污水处理厂氧化沟图4一3丰原生化上流式厌氧污泥床反应器 4.2.3EPS提取及成分分析好氧污泥和厌氧污泥的LB一EPS采用物理振荡与超声结合的方法提取，采用wingende:等[9，‘“]]报道的方法。对于污泥样品，首先经过3000印m离心 15min，然后再用 100mmolL一‘NaCI溶液洗涤两次，之后将污泥重新悬浮至一定体积，并转移至一提取容器中，放入玻璃珠若干，在超声仪中超声 2min，随之置于摇床上150印m水平振荡 10min
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：X703

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