23影响微生物围定的重要因素23 结构同样会引起细菌与细菌之间的空间位阻,这都不利于微生物在载体表面附着和固定。 当微生物处于其等电点环境中时,情形与上述完全不同。在等电点时,细菌表面Zeta电 位趋于零,表面溶剂化结构基本消失,这时的微生物在液相中处于一种极端稳定状态,为 了减少表面自由能,微生物趋于吸附到载体表面或自由聚集,以达到新的稳定。这种分析 与图2-10中所观察到的实验结果是一致的。 至于液相pH对Bax的影响,图21l表明当液相pH超过70时,Bax微弱降低,然 而这些变化并不显著。 5 0 6 图211液相pH对硝化细菌在不同载体表面的Bm影响(Liu,1995) 2.33液相离子强度 显然,液相离子强度将直接影响悬浮微生物的表面电荷,特别是影响细菌周围的双电 层结构,根据 Lewis酸-碱理论,液相离子强度可由下式计算: 1-5=0.5C.Z2 (2-23) 式中JS—离了强度; C1离子i的浓度,ML3; Z—离子i的电荷数。 在Lju(1994,1995)的研究中,选用了硝化细菌作为研究对象,硝化细菌( Nitrosomonas) 般是培养于无机环境下,以无机碳(如 NaHCO3)为唯一碳源,在这种菌种的培养过程 中,液相离子强度可以达到很高的水平。图2-12及图213分别显示了液相离子强度的变 化对a及Bm的影响。 0.2 离子强度(M 图2-12液相离子强度对a的影响(LJu,1995)
24第2章微生物在载体表面的固定机理 0 离子强度M 图213液相离子强度对Bam3的影响(Liu,995) 正如前所述,液相离子强度同样不影响Bamx,但它对硝化细菌的固定速率常数a的影 响是非常显著的。 随着离子强度的增加,硝化细菌与载体表面的分离作用趋于最小。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DLVD理论提供了定性及定量解释,见图214 能量G 中等 图214在不同离子强度下细菌与载体表面间相互作用能的变化 根据DLVD理论,对于微生物及载体表面带有相同电荷的体系,当主体溶液中离子 强度较低时,微生物在接近载体表面时要超越显著的势能壁垒,这使得徽生物与载体表面 间接触得相当困难或不可能。 随着溶液中离子强度的进一步增加,细菌周围扩散层被压缩,而使排斥力起作用;电 势能就会减少。换言之,总势能曲线在较远的距离处有一个很小的极小值,形成微生物与 载体间的弱引力范围,若向悬浮液中进一步添加电解质,总势能曲线的形状随之进一步变 化,最后使微生物与载体表面处于接近状态。事实上,Ii(1994)应用X光电子表面分 析仪(XPS)测定了在给定实验条件下,硝化细菌及所用PS载体表面均带有负电荷,这 就为上述理论解释提供了基础。 在生物活性方面, Watson(1965)报导:在液相NaCl浓度小于045M时,随着NaC 浓度的增加,硝化细菌活性增加,见图2-15。 图2-15为图2-2的结果提供了生物学解释。有关悬浮微生物活性对细菌附着、固定 的影响将在下面详细讨论
2.3影响微生物固定的重要因素25 10 图2-15液相NaCl浓度对硝北细菌活性的影响( Watson,1965) 2.3.4悬浮微生物的活性 在环境L程及应用微生物研究领域,通常用微生物的比增长率(4)来描述微生物的 活性,即单位质量微生物的增长繁殖速率 在研究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比 增长率(4)。Liu(1994)在其对硝化生物膜的研究中,应用如下实验装置来实现对的 有效控制,见图2-16。 pH电b pH调节仪 缓冲溶液 电机 空气 沉淀池 储液罐 图2-16研究生物膜形成初期动力学的流动系统(Lu,1994) 悬浮微生物的比增长率由悬浮培养系统稳态泥龄控制。图2-1和图2-18分别绐岀了 在不问悬浮硝化细菌活性下,硝化细菌在PS载体表面的附着、成膜动力学。 显然,当μ从0.075d增加至0.13d时,固定微生物COD及多聚糖几乎增加一倍
第2章微生物在载体表面的圊定杌理 同时,我们注意到,在较高悬浮硝化细菌活性下,其初始固定速率同样较快。图219进 步给出了硝化生物膜初始形成速率与悬浮细菌比活性间的关系。 8圳型 o=0.075d 10 图217不同活性下硝化细菌在PS表面定动力学(Liu,194) ●=0.13d1 o0.075d 图2-18不同活性下多聚糖在PS表面积累动力学(Liu,1994) 0 005 010 图2-19悬浮硝化细菌比活性(μ)与硝化生物膜初始形成速率的关系(Liu,1994)
2.3影响微生物围定的重要因素27 以上这些结果清楚的表明硝化细在PS载体表面的附着固定量及初始速率均正比于 悬浮硝化细菌的活性。 Bryers等人(1981)同样报导了在异氧生物膜形成过程中,悬浮细 菌活性对其最初成膜速率的影响(参见图2-7)。这些实验现象可从以下三个方面得到解 释 正如图2-18所示,当悬浮细菌的生物活性较高时,其可分泌体外多聚糖的能力较 强。大量事实表明,这种粘性的体外多聚糖在细菌与载体之间起到了生物粘合剂作用,使 细茵较为容易的实现在载体的附着、固定,这一点在 Fletcher等人(1973)的实验中同样 得到了证实。 2.微生物所处的能量水平直接与它们的增长率相关( Fletcher,1977;Liu,1994)。当 μ增加时,悬浮微生物的动能随之增加,这些能量有助于克服在固定过程中微生物载体表 面间的能垒,正如图2-19所示,这使得细菌初始积累速率与悬浮细菌活性成正比。 3.值得一提的是,微生物表面结构将随着其活性的不同而相应变化, Herben等人 (1990)同样发现了悬浮细菌活性对细菌在载体表面的附着固定过程的影响。然而,他们 进一步确定了在不同活性下的微生物的表面。结果表明,细菌表面的化学组成,如OC (CO)+(CN)C及C=OC等官能团的量随细菌活性的变化有显著变化。 watson等人 (1980)报导了硝化细菌的表面结构,例如细胞膜等随悬浮细菌活性的变化有显著变化。 正如前面所述,细菌表而的这些变化将直接影响徵生物在载体表面的附着、固定动力学过 程。上述结果表明由于悬浮微牛物活性变化而引起的细菌表面生理状态或分子组成的变化 是有利于细菌在载体表面附着、固定的。作为结论,悬浮微生物的培养历时是影响细菌在 载体表面附着、固定的重要因素之一。 23.5载体表面结构与性质 在微生物附着、固定过程中,载体表面的电荷性及表面粗糙度将直接影响微生物附着 的动力学过程。在正常生长环境下,微生物表面带有负电荷,如果通过一定的表面改良技 术使载体表面具有正电性,这将使微生物在载体表面附着、固定过程更易进行。现在常用 的载体材料有多种,但其中较为普遍的是聚合物质,如PE、PP、PS及PVC等。经过 定的表面处理,如化学氧化、低温等离子体处理(Liu,1994,1995),均可使这些材料表 面带正电荷。图2-20表明,在动态实验中,硝化细菌在未经处理的PS(带负电荷)表面 以及经过低温等离子体Fe覆盖技术处理的PS表面的附着固定动力学。 ●PS带止电荷 oP未经处理 20。0o 18 10 图2-20载体表面电性对硝化细菌固定的影响(Liu,1994)