微生物在载体表面固定机理

1、第二第二章章微生物微生物在载体表面的固定机理在载体表面的固定机理主讲：主讲：xxxxxxPPTPPT制作：制作：xxxxxx1/36 微生物固定的一般过程目录目录 微生物固定动力学 硝化细菌在在体表面的固定措施 影响微生物固定的重要因素2/36微生物固定的一般过程2.12.1液相中悬浮微生物液相中悬浮微生物微生物向载体表面运送微生物向载体表面运送可逆附着可逆附着不可逆附着不可逆附着固定微生物增长、形成生物膜固定微生物增长、形成生物膜没有附着的微生物没有附着的微生物图图1.1.微生物在载体表面固定的一般过程微生物在载体表面固定的一般过程3/36液相中悬浮微生物液相中悬浮微生物微生物向载体表面运送

2、微生物向载体表面运送可逆附着可逆附着不可逆附着不可逆附着固定微生物增长、形成生物膜固定微生物增长、形成生物膜4/36 细菌从液相向载体表面的运送，主要细菌从液相向载体表面的运送，主要通过以下两种方式完成：通过以下两种方式完成：1 1、主动运输：指细菌借助水力动力学及各、主动运输：指细菌借助水力动力学及各种扩散力向载体表面迁移；种扩散力向载体表面迁移；2 2、被动运输：由布朗运动、细菌自身运动、被动运输：由布朗运动、细菌自身运动、重力或沉降作用完成的。重力或沉降作用完成的。& 微生物向载体表面运送微生物向载体表面运送5/36液相中悬浮微生物液相中悬浮微生物微生物向载体表面运送微生物向载体表面运送

3、可逆附着可逆附着不可逆附着不可逆附着固定微生物增长、形成生物膜固定微生物增长、形成生物膜6/36& 可逆附着可逆附着 在细菌与载体表面接触的最初阶段，微生在细菌与载体表面接触的最初阶段，微生物与载体间首先形成的是可逆附着，微生物在物与载体间首先形成的是可逆附着，微生物在载体表面的可逆附着实际上反映的是附着与脱载体表面的可逆附着实际上反映的是附着与脱析的双向动态过程。析的双向动态过程。 原因：环境中存在的水力学力或是简单原因：环境中存在的水力学力或是简单的布朗运动或是细菌自身的运动都可能使已附的布朗运动或是细菌自身的运动都可能使已附着在载体表面的细菌重新返回悬浮液相中去。着在载体表面的细菌重新返

4、回悬浮液相中去。一般讲，造成这种可逆附着过程的力主要是物一般讲，造成这种可逆附着过程的力主要是物理及化学相互作用。理及化学相互作用。7/36物理力物理力化学力化学力斥力斥力范德华力范德华力氢键，酯化反应等氢键，酯化反应等范德华力范德华力异电引力异电引力离子对的形成（例如：离子对的形成（例如：-NH-NH3 3+ +.OOC-.OOC-）粒子空间位粒子空间位阻阻热力学力热力学力正离子对的形成（例如：正离子对的形成（例如：-COO.Ca-COO.Ca2+2+OOC-OOC-） 同电斥力等同电斥力等表面张力表面张力粒子桥键等粒子桥键等表面自由表面自由能能表面功表面功表面临界表面临界张力张力表一、导致

5、微生物可逆吸附的各种引力和斥力 总而言之，微生物可逆附着取决于微生物与载体表面间力的作用强度。8/36液相中悬浮微生物微生物向载体表面运送可逆附着不可逆附着固定微生物增长、形成生物膜9/36& 不可逆附着不可逆附着 不可逆附着过程通常是由于微生物分泌一些粘性代谢物质所造成的，例如多聚糖等。这些体外多聚糖类物质起到了生物“胶水”作用，因此，这阶段附着的细菌不易被中等水力剪切力所冲刷掉。 事实上，可逆与不可逆附着的区别在于是否有生物聚合物参与细菌与载体表面间的相互作用。 不可逆附着是形成生物膜群落的基础。10/36微生物固定动力学2.22.2一、可逆附着动力学一、可逆附着动力学式中式中a a1 1

6、、a a2 2细菌附着及反附着常数细菌附着及反附着常数 微生物在载体表面的可逆附着过程主要是一种微生物在载体表面的可逆附着过程主要是一种物理化学力起作用的过程，即可归结成物理化学反物理化学力起作用的过程，即可归结成物理化学反应动力学问题。应动力学问题。微生物在载体表面的可逆附着过程：微生物在载体表面的可逆附着过程：11/36图图2 2. .亚硝化细菌在亚硝化细菌在PEPE、PPPP及及PSPS表面积累曲线（表面积累曲线（LiuLiu，19941994）12/36 根据图根据图2 2表明，亚硝化细菌的附着过程遵循一表明，亚硝化细菌的附着过程遵循一级可逆反应动力学。级可逆反应动力学。LiuLiu明

7、确提出微生物在载体表明确提出微生物在载体表面的可逆附着行为遵守一级可逆反应动力学准则。面的可逆附着行为遵守一级可逆反应动力学准则。 微生物附着固定速度可表示为：微生物附着固定速度可表示为：13/36二二、微生物不可逆附着模型、微生物不可逆附着模型 已附着、固定的微生物开始其各种生理活动，已附着、固定的微生物开始其各种生理活动，可用如下过程模式描述：可用如下过程模式描述：式中式中a a3 3生物膜或固定微生物净积累常数，生物膜或固定微生物净积累常数，T T-1 -1 其实验结果表明在生物膜形成初期，生物量积其实验结果表明在生物膜形成初期，生物量积累过程遵循一级反应动力学（见图累过程遵循一级反应动

8、力学（见图3 3）。）。14/36图图3.3.生物膜积累随时间变化（生物膜积累随时间变化（Re=17200Re=17200以及以及=0.28h=0.28h-1-1）15/36 在一个连续运行的生物反应器中，早期生物膜形在一个连续运行的生物反应器中，早期生物膜形成速率主要依赖以下两个因素：意识微生物与载体表成速率主要依赖以下两个因素：意识微生物与载体表面接触频度；再则是悬浮微生物的增长活性。面接触频度；再则是悬浮微生物的增长活性。 大量实验表明，微生物与载体间接触频度直接取大量实验表明，微生物与载体间接触频度直接取决于悬浮微生物浓度、微生物体的性质及水力学强度，决于悬浮微生物浓度、微生物体的性质

9、及水力学强度，这些通常由可测定的悬浮微生物浓度（这些通常由可测定的悬浮微生物浓度（X X）和雷诺数）和雷诺数（ReRe）表示。至于悬浮微生物活性可通过其增长比速）表示。至于悬浮微生物活性可通过其增长比速度（度（ ）来描述。）来描述。16/36影响微生物固定的重要因素影响微生物固定的重要因素2.32.3 影响微生物在载体表面附着、生长的因素可归纳影响微生物在载体表面附着、生长的因素可归纳为三大类，即微生物自身的性质，载体表面的性质以为三大类，即微生物自身的性质，载体表面的性质以及环境特性。及环境特性。微生物性质微生物性质载体表面的性质载体表面的性质环境特性环境特性种类种类表面亲水性表面亲水性PH

10、PH培养条件培养条件表面电荷表面电荷离子强度离子强度活性活性表面化学组成表面化学组成水力剪切水力剪切浓度浓度表面粗糙度表面粗糙度温度温度与微生物接触与微生物接触环境组成环境组成表二、影响微生物在载体影响微生物在载体表面固定的表面固定的因素因素17/36 结合动力学模型重点讨论以下几种因素对微生物结合动力学模型重点讨论以下几种因素对微生物附着、固定的影响。附着、固定的影响。一、悬浮微生物浓度一、悬浮微生物浓度图图4 4. .悬浮消化细菌浓度对悬浮消化细菌浓度对a a的影响的影响18/36图图5.5.悬浮消化细菌浓度对悬浮消化细菌浓度对B Bmaxmax的影响的影响19/36二二、液相、液相PHP

11、H 除了等电点以外，细菌表面在不同环境下带有不除了等电点以外，细菌表面在不同环境下带有不同的电荷。液相环境中，同的电荷。液相环境中，pHpH的变化将直接影响微生物的变化将直接影响微生物的表面电荷特性。的表面电荷特性。 当液相当液相pHpH大于细菌等电点时，细菌表面由于氨基大于细菌等电点时，细菌表面由于氨基酸的电离作用而呈负电酸的电离作用而呈负电性；当液相性；当液相pHpH小于小于细菌等电点细菌等电点时时，细菌表面呈正电性。，细菌表面呈正电性。20/36图图6 6. .液相液相pHpH对硝化细菌固定速率的影响对硝化细菌固定速率的影响21/36图图7.7.液相液相pHpH对硝化细菌在不同载体表面的

12、对硝化细菌在不同载体表面的B Bmaxmax影响影响22/36三、液相三、液相离子强度离子强度液液相相离子强度由下式计算离子强度由下式计算 IS=0.5CIS=0.5Ci iZ Zi i2 2式式中：中：ISIS离子强度；离子强度； C Ci i 离子离子i i的浓度，的浓度，ML-3ML-3； Z Zi i 离子离子i i的电荷数。的电荷数。23/36图图8 8. .液相离子强度对液相离子强度对a a影响影响24/36图图9 9. .液相离子强度对液相离子强度对B Bmaxmax的的影响影响25/36 随着离子强度的增加，硝化细菌与载体表面的分随着离子强度的增加，硝化细菌与载体表面的分离作用

13、趋于最小。有关离子强度对微生物在悬浮相中离作用趋于最小。有关离子强度对微生物在悬浮相中稳定的影响，胶体化学中的稳定的影响，胶体化学中的DLVDDLVD理论提供了定性及定理论提供了定性及定量的解释，见图量的解释，见图1010。图图10.10.在不同离子强度下细菌与载体表面间相互作用能的变化在不同离子强度下细菌与载体表面间相互作用能的变化26/36四、悬浮微生物的活性四、悬浮微生物的活性 我们通常采用微生物的比增长率（我们通常采用微生物的比增长率（）来）来描述微生物的活性，即单位质量微生物的增长描述微生物的活性，即单位质量微生物的增长繁殖速率。繁殖速率。 在研究微生物活性对生物膜形成最初阶段在研究

14、微生物活性对生物膜形成最初阶段的影响时，关键是如何控制悬浮微生物的的影响时，关键是如何控制悬浮微生物的比增比增长率（长率（）。）。27/36图图11.11.不同活性下硝化细菌在不同活性下硝化细菌在PSPS表面固定动力学表面固定动力学28/36图图12.12.不同活性下多聚糖在不同活性下多聚糖在PSPS表面积累动力学表面积累动力学29/36图图13.13.悬浮硝化细菌比活性悬浮硝化细菌比活性（）与硝化生物膜初始形成速率的关系）与硝化生物膜初始形成速率的关系30/36五、载体表面结构与性质五、载体表面结构与性质 在正常生长环境下，微生物表面带有负电在正常生长环境下，微生物表面带有负电荷，通过一定的

15、表面改良技术，使载体表面具荷，通过一定的表面改良技术，使载体表面具有正电性，这将使微生物在在体表面附着、固有正电性，这将使微生物在在体表面附着、固定的过程更易进行。定的过程更易进行。图图14.14.载体表面电性对硝化细菌固定的影响载体表面电性对硝化细菌固定的影响32/36 载体表面的粗糙度有利于细菌在其表面附载体表面的粗糙度有利于细菌在其表面附着、固定，主要由于以下两个方面的原因：着、固定，主要由于以下两个方面的原因： 1 1、与光滑表面相比，粗糙的载体表面增、与光滑表面相比，粗糙的载体表面增加了与细菌间的有效接触面积；加了与细菌间的有效接触面积； 2 2、在体表面的粗糙部分，如孔洞、裂缝、在体表面的粗糙部分，如孔洞、裂缝等对已附着的细菌起到屏蔽保护，使它们免受等对已附着的细菌起到屏蔽保护，使它们免受水力学剪切的冲刷作用。水力学剪切的冲刷作用。33/36六六、水力剪切作用、水力剪切作用 在实际水处理中，水力剪切力的强弱决定在实际水处理中，水力剪切力的强弱决定了生物膜反应器启动周期。了生物膜反应器启动周期。 最常用于描述水力剪切作用对细菌在载体最常用于描述水力剪切作用