《理学其它相关论文-谈产酸相稳定发酵类型微生物生态学研究.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《理学其它相关论文-谈产酸相稳定发酵类型微生物生态学研究.doc（7页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、理学其它相关论文 -谈产酸相稳定发酵类型微生物生态学研究 作者：赵丹 任南琪 王爱杰 陈晓蕾 论文关键词 :产酸发酵反应器 生态因子 顶极群落 生态演替 生态位 论文摘要 :通过产酸发酵反应器的动态试验 ,考察生态因子 (pH、 ORP)等制约的不同发酵类型顶极群落的结构、优势种群的组成和生态演替的规律 ,阐明不同发酵类型代谢及其顶极群落的典型特征 ,揭示产酸发酵过程中顶极群落内平衡与反馈调节的生理代谢机制 ,并以 pH 值、 ORP 来表征生态演替过程中优势种群的生态位图。 Ghosh 和 Poland 在 1971 年提出了利用相分离的原理 :分别控制适应于产酸发酵菌和产甲烷菌的最佳生理及
2、生态条件 ,从而形成具有较高运行稳定性和处理效率的两相厌氧生物处理系统。目前 ,对于两相厌氧生物处理的微生物生态学的研究普遍受到重视 ,但是由于产甲烷菌具有种类少、生长繁殖慢、利用底物种类有限、对环境条件敏感等特性 ,使得人们长久以来认为产甲烷相是两相厌氧处理系统中的关键“限速步骤” ,因此大多数研究集中于产甲烷相微生物的生态学研究上。事实上产酸相不同生态条件下形成的末端发酵产物作为产甲烷细菌利用的底物 ,对产 甲烷相乃至整个工艺的稳定运行具有至关重要的作用 1。以往的研究表明 ,产甲烷相微生物对底物的转化速率依次为乙醇 戊酸 丁酸 乙酸 丙酸 ,而乙酸的转化是系统产甲烷即去除效率的“限速步骤
3、”。从整个系统角度出发 ,产酸相最佳发酵类型应为乙醇型发酵 2。因此利用连续流产酸发酵反应器 ,通过对限制性因子 (pH、 ORP)的调控 ,考察在人工创建生境中 ,微生物所遵循的群落与种群生态学演替规律 ,不同发酵类型的顶级群落内平衡与反馈调节的生理代谢机制 ,得出以 pH、 ORP 表征的生态演替过程中优势种群的三维实现生态位 ,这对于进一步阐明 产酸相不同发酵类型的生态学规律 ,提高两相厌氧的整体处理水平具有新的思路和理论指导意义。 1 试验材料与方法 1.1 实验装置 采用沉淀区和反应区一体化、内设气 液 固三相分离装置的连续流搅拌槽式厌氧反应器 (CSTR)作为产酸相反应器 ,有效容
4、积为 3.1L,通过对 pH、 ORP 进行调控进行平行实验 ;反应器外部缠绕电热丝结合温控仪保证内部温度 (301 )的厌氧条件 ,实验中控制 COD 负荷为 8kg/m3d,进水 COD 浓度为 4000mg/L。具体流程见图 1 所示。 1.2 实验底物与分析方法 采用废 糖蜜为底物 ,并按照 COD N P=8001000 5 1 配以少量 N、 P。采用标准方法分析测定 COD、 pH、 ORP(以电极电位 Eh 计 ,mV)。液相发酵产物采用SC-7 气相色谱分析仪 ,按照任南琪 1(1994)建立的检测方法进行分析。厌氧细菌的培养采用改进的 Hungate 技术 ,鉴定方法参见参
5、考文献 3。 2 结果与讨论 产酸发酵类型指依据酸性末端产物中挥发性脂肪酸 (VFA)的分布判断微生物的生理代谢途径。酸性末端产物中始终占据主导地位的物质定义为相应的代谢类型 ,并将产酸发酵生态系统达到稳态时代谢的优势种群定义为顶极群落。产酸相的三种发酵类型中 ,丁酸型发酵和丙酸型发酵分别以丁酸或丙酸为主要液相末端发酵产物 ,而乙醇型发酵的主要液相末端产物为乙醇和乙酸。 生态演替是生物群落的一个动态变化特性 ,具有定向 性、可调控性、趋于稳定性。由于环境因素 (因变因子 :pH、 ORP)、微生物内部群落及末端代谢产物组成的协调控制 ,产酸相微生物群落在随环境因素定向演替的同时 ,由于群落的内
6、平衡和反馈调节机制 ,又保持了相对的稳定性 ,即形成与不同发酵类型相对应的特征顶级群落生态系统 ,顶级群落中微生物通过种间竞争和协同作用选择优势种群 ,形成复杂的生态学决定关系 45(图 2)。 2.1 乙醇型顶极群落的结构模式及生态演替 产酸发酵反应器的乙醇型发酵是以 H2 为主要气相产物 ,乙醇、乙酸为主要液相产物的发酵类型 ,在 ORP、 pH 特别低的情况下 ,以产生乙醇的方式保证细胞内部的正常 pH值 ,以维持机体正常产能和合成代谢 ,同时每产生 1mol乙醇 ,氧化 NADH的量为 2mol,以此实现 NAD+/NADH 的耦联 ,并产生 1mol 氢气见表 1。乙醇型发酵具有很强
7、的稳定性 ,不同反应器及不同运行阶段的乙醇型发酵微生物优势菌群见表 2。 2.2 丙酸型顶极群落的结构模式及生态演替 丙酸的产生和积累对厌氧生物处理系统有重要的影响 ,导致系统 pH 降低而发生“酸化” ,致使产甲烷菌失活 6。主要原因是丙酸在产甲烷相的产乙酸过程缓慢。丙酸型发酵的典型细菌丙酸杆菌属无氢化酶 ,不产生氢气。丁酸型发酵的主要限制性因素为较高的 ORP 和 pH5.0。不同反应器及不同运行阶段的丙酸型发酵的顶级群落中优势种群见表 3。 2.3 丁酸型顶极群落的结构模式及生态演替 从微生物代谢角度讲 ,pH 接近中性时细菌以合成代谢为主 ,数量的增殖增加了 ATP 的消耗量 ,而丁酸
8、型发酵的单位 ATP 产量是 3,因此被选择。在环境中 ORP较低、 pH 为 6.0 和 5.0 左 右发生的是丁酸型发酵。而较高 ORP、 pH 为 5.0 时的丙酸型发酵是由于丙酸杆菌的兼性需氧性所致。不同反应器及不同运行阶段的丁酸型发酵的顶级群落中优势种群见表 4。按照 Odum生态学的观点分析 ,在调节 pH、ORP 的生态演替过程中 ,环境中的顶极群落受环境中生态因子的制约而呈现一定的演替过程 ,最终被环境条件所选择的微生物成为优势菌群 ,这是群落“进化”过程中功能由量变到质变的过程 ,这一过程包括以下阶段 :(1)各种发酵类型微生物之间复杂的种群关系通过微生物的生理代谢调节作用
9、,与生境相适应的优势种群得以生长繁殖 ;(2)同种 发酵类型微生物顶极群落的内平衡与反馈调节能力 ;(3)不同发酵类型代谢末端产物对群落的制约、调控 ;(4)顶极群落中某些优势种群(如 2）反应器的拟杆菌属 )的生态位与反应器内生态条件相似 ,污泥驯化初期已是优势种群 ,其优势地位不易动摇。 2.4 演替过程中优势种群的生态位 图 4 所示是以 ORP、 pH 值组成的产酸相不同发酵类型顶极群落中优势种群的二维实现生态位图。由图 3 可见 ,生态因子制约了优势种群的生态演替 ,在这一过程中 ,各种类型微生物为形成稳定的顶极群落 ,通原因。膜组件的材料、 MBR 的运行条件和活性污泥的性质决定了
10、这些因素的影响程度。 (3)通过合理的设计及优化运行条件 ,结合有效的反冲洗和清洗措施 ,能够最大限度地控制膜污染和 恢复膜通量。 参考文献 1 高以 ,叶凌碧 .膜分离技术基础 M.北京 :科学出版社 ,1989. 2 Mukai 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 生物反应器中溶解微生物产物的研究
11、进展 J.环境污染治理技术与设备 , 2002,3(1):1721. 4 邹联沛 ,王宝贞 ,张捍民 .膜生物反应器中膜的堵塞与清洗的机理研究 J.给水排水 ,2000,29(9):7375. 5 何义亮 .膜生物反应器生物降解与膜分离共作用特性研究 J.环境污染与防治 ,1990,20(6):1821. 6 高从楷 .水处理中的膜生物反应器简介 J.水处理技术 ,2002,28(1):6062. 7 王猛 ,柴晓利 .膜生物反应器处理生 活污水的工艺及膜材料的选择 J.环境科学与技术 ,2001,24(3):14. 8 张颖 ,任南琪 ,陈志强 .膜生物反应器在日本的应用现状 J.中国给水排
12、水 ,2002,18(2):9192. 9 A Van Bentem,D Lawrence,F Horjus,等 .MBR Pilot Re-search in Beverwijk Side StudiesJ. H2O MBR Special,2001: 1621. 10桂萍 ,黄霞 ,陈颖 ,等 .膜 生物反应器运行条件对膜过滤特性的影响 J.环境科学 ,1999,20(3):3941. 11刘锐 ,汪诚文 ,钱易 .影响一体式好氧膜生物反应器膜清洗周期的几个因素J.环境科学 ,1998,19(4):2729. 12刘锐 ,黄霞 ,钱易 ,等 .一体式膜 生物反应器处理生活污水的中试研究 J
13、.给水排水 ,1999,25(1):2429. 13张颖 ,顾平 ,邓晓钦 .膜生物反应器在污水处理中的应用进展 J.中国给水排水 ,2002,18(4):9092. 14 J A Howell,W Liu,T C Arnot.Membrane Bioreactors forCleaner ProcessesC.International 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 Ping, Wu zichao, Wu Tao, et al. The Study of Mem-brane Cleaning in Membrane BioreactorC. InternationalSymposium on Menbrane Technology and EnvironmentalProtection,Beijing:2000,7377.