水处理生物学小论文-自来水中的生物膜特性及控制办法暨EPS对生物膜重要性探究.docx

自来水中的生物膜特性及控制办法暨EPS对生物膜重要性探究自来水中的生物膜特性及控制办法关键词：自来水、生物膜、EPS、管网。摘要：自来水中普遍存在着生物膜，而管网生物膜是导致输配过程水质下降、影响安全供水的重要原因。本文综合论述了当前有关管网生物膜的形成过程，分析讨论了影响生物膜特性的各种因素，并介绍了生物膜的主要成份-EPS，以及EPS的可行去除办法。作者：给水排水工程12-1班 皇甫泽江 2012212375 目录一、 生物膜的成因二、 生物膜的特征三、 生物膜的形成过程四、 生物膜对水质的影响五、 EPS概述六、 EPS的理化性质七、 EPS对生物膜形成的影响八、 EPS的防止措施九、 结论十、 参考文献第一章：【生物膜的成因】 目前认为的主要机理有如下几种一：管网系统中的微生物通常来源于所使用的水源水。水源水中的某些微生物经水处理过程后幸存下来进入管网系统，水中的溶解性痕量有机物可使这部分微生物在管网中修复、重新生长，并在管壁形成生物膜。二 ：由于给水系统属于贫营养生长环境, 细菌在管壁的附着生长多于悬浮生长, 即会形成生物膜，它是微生物、微生物分泌物和微生物碎屑以及被吸附的有机物的复合体。三：管网系统内与水长期接触的表面上普遍存在着微生物生长繁殖所形成的生物膜，它是微生物及其胞外聚合物( EPS) 与水中有机物、无机物相互粘合形成的聚合体系。四：给水厂处理后的饮用水经输水管网输送到用户的过程中, 由于水中仍存在可生物降解的营养物有机物、氮、磷等, 出厂水中未被消毒完全杀死的细菌或其他途径进人给水管网的细菌可以利用水中的可生物降解有机物重新生长, 部分细菌随机附着在管壁上利用营养基质生长而形成生物膜。第二章：【生物膜特征】 一：生物膜一般呈粘稠状薄膜，厚度很薄，约为200 300 m。EPS 是微生物生长繁殖排出的多糖、蛋白质、核酸、酯类等有机聚合体，占生物膜总量的50% 以上。EPS 对生物膜结构的完整性起主要影响作用，它对管道金属/生物膜/水界面过程有多方面影响: 在生物膜/金属界面上滞留水分; 捕获界面上释放的金属( 铜、锰、铬、铁等) 离子或腐蚀产物; 影响扩散速度，使金属/生物膜/水界面溶解氧和电解质传输复杂化。此外，EPS 的存在有利于细菌的附着并能促进膜内微生物获取营养物质，降低消毒剂对微生物的灭活作用。正是由于EPS 的存在，微生物个体才可以互相连接并且黏附在载体表面从而形成复杂的生物膜体系。 二：胞外聚合物由多糖、蛋白质及核酸等物质组成,是生物膜的主要组成部分. 在生物膜形成中细菌胞外聚合物参与了细菌的粘附,其产生量和性质与生物膜结构又有重要的关系. Davies等人发现P.aerug inosa的粘液状菌株与非粘液状菌株相比,可形成更多样化的生物膜结构. O - 乙酰化藻酸盐是粘液状P. aerug inosa胞外多糖的主要成分,是形成生物膜结构必不可少的物质, P. aerug inosa野生型非粘液状菌株在正常情况下形成平坦的生物膜,而藻酸盐过度表达时则形成了堆状或蘑菇状生物膜结构,细胞堆间充满分隔的水道,这些生物膜与野生型粘性菌株的生物膜结构相似.第三章：【细菌生物膜形成过程】生物膜的形成主要有如下四个过程。 (1) 生物膜的粘附期(Attachment) :粘附是细菌在物体表面形成生物膜的第一步. 浮游细菌首先粘附到物体表面,启动物体表面生物膜形成. 单个附着细胞仅由少量胞外聚合物包裹,实际上这些附着的细菌还未进入生物膜的形成过程,很多菌体还可以重新进入浮游生活方式,这时的粘附是可逆的.(2) 生物膜的生长期(Development) :细菌粘附到物体表面后,即调整其基因表达,在生长繁殖的同时分泌大量胞外聚合物,此时其对表面的粘附发展为牢固的、不可逆的. 胞外聚合物可粘结单个细菌而形成细菌团块,即微菌落(microcolony). 大量微菌落的不断堆积使生物膜加厚.(3) 生物膜的成熟期(Maturation) :细菌生物膜在经历不可逆粘附阶段后进入成熟期,成熟的生物膜形成高度有组织的结构,利用激光共聚焦显微镜观察到成熟生物膜结构是不均匀的,即具有不均质性( heterogeneity) ,它由类似蘑菇状或堆状的微菌落组成,在这些微菌落之间围绕着输水通道,可以运送养料、酶、代谢产物和排出废物等. 因此,有人将成熟的生物膜内部结构比喻为原始的循环系统(4) 生物膜的播散期(Detachment) :播散是一个用于描述细菌从生物膜或载体表面释放出来的习惯用语. 成熟生物膜通过蔓延、部分脱落或释放出浮游细菌等方式进行扩展,从生物膜中脱落或释放出来的细菌重新变为浮游生长的细菌,它们又可以在物体表面形成新的生物膜. 通过双向凝胶蛋白电泳图谱的比较分析,与浮游细菌和成熟的生物膜细菌相比,铜绿假单胞菌( P. aerug inosa) 的离散细菌更像浮游细胞,这一研究结果表明离散的生物膜细菌重新返回了浮游生长模式,完成了生物膜发展的一个循环. 活跃的播散是一种生理调控,但目前只有少数研究论证了这一过程的生物学基础第四章：【生物膜对水质的影响】给水管网管壁上生物膜的存在会引起水质等问题, 包括致病菌的生长, 色度和浊度的升高, 管道腐蚀的加剧, 过水断面的缩小, 爆管的发生, 能耗增加,输水能力降低等。国内外均有报道在给水管道生物膜检测到致病菌和条件致病菌, 因此管网生物膜的生长对饮用水的安全性构成威胁。分析管壁生物国家高技术研究发展计划资助项目。膜的主要组成是研究管壁生物膜对饮用水安全性影响、管网生物膜生长特性和控制措施中最关键也是最基本的一步。第五章：【EPS概述】胞外聚合物( EPS) 是指附着在细菌表面或围绕在细菌周围,用于自我保护和相互粘附,并在饥饿环境下为细菌提供碳源和能量的有机物质,主要来源于细菌的分泌、细菌表面物质的脱落、细菌溶解以及对周围环境物质的吸附。PS（多糖） 和PN （蛋白质）是EPS 的主要组成成分,两者占EPS 质量的70 %80 %; 以多种纯净物为基质时, PS 是主要成分,而污水处理厂的活性污泥中PN 是主要组成物质,在EPS 中SEPS 和BEPS 的质量分数在0. 6 %44. 0 %。EPS可分为紧密粘附EPS ( Tightly bound EPS,TB)和松散附着EPS (Loosely bound EPS, LB ) 。TB位于内层,与细胞表面结合较紧,稳定地附着于细胞壁外,具有一定外形; LB位于TB外层,具有比较松散的结构,是可向周围环境扩展、无明显边缘的粘液层。 EPS 有着独特的空间结构和复杂的组成成分,其中BEPS （固着）和SEPS（溶解性） 主要起到物质和能量交换、保护和维持作用以及改变混合液粘度等功能,而各种组成成分则能改变污泥的吸附絮凝性、正负电性以及亲疏水性等理化特性。 镧固定处理黄色粘球菌后用透射电镜观察发现, EPS围绕在细菌周围并呈高电子密度的纤维网格状结构。用电镜对非磷酸合成异养菌进行的观察证实生物膜中的EPS是各种微生物产生的空间结构多样化的基质,并且相互间有明显的分隔界限。顾笑梅等证实En terococcus du rans产胞外多糖EPS - I具五糖重复单元结构。第六章：【EPS理化性质】细菌胞外聚合物表现出的以下一些物化性质是它被广泛应用的原因:物理性质(1)表面负电荷性。EPS中含有多种有机官能团,如羟基、羧基等,这些官能团在溶液中呈负电荷性。(2)吸附性。组成EPS的都是一些大分子物质,表面积很大,加上表面的各种极性和非极性基团,使EPS具有吸附的能力。( 3)絮凝性。组成EPS的官能团分子量较大,在适宜条件下,一个分子可以同时与几个悬浮颗粒通过离子键、氢键的作用相结合,迅速形成网状结构而沉积,从而表现出絮凝能力。(4)亲水疏水性。蛋白质、腐殖酸、尿酸是EPS中的疏水性部分, 而糖类则是亲水性的主要成分。此外,胞外聚合物对其所附着的生物膜具有很多功能,例如移动性、保护和维持作用化学性质： EPS 可吸附金属、非金属、大分子物质, 能与许多金属离子Cd2+, Cu2+, Cr2+, Pb2+螯合形成单价、双价、多价阳离子与EPS 阴离子相结合的复合物。结合强度受离子大小/电荷的比值、EPS 组成、物理状态、pH 值、离子盐溶液等影响。pH 低时, 从结合状态释放离子, 高pH 时, 离子被螯合。EPS 中蛋白质和多糖上阴离子官能团, 如羧基、磷酸基团、硫酸基团、甘油酸基团、丙酮酸基团、琥珀酸基团均可参与金属离子的螯合。凝胶状态的EPS 比粘液状态的EPS 对金属的粘附更强。另外紫外线能增加EPS 中羧基的数量, 而促进离子螯合。第七章：【对生物膜形成的影响】生物膜是由细胞生物量和EPS 组成的一种混合微生物群体, 其中EPS 是生物膜的主要成分,又是生物膜上微生物群体产生空间结构多样化的基质, 因EPS 而相互间存在明显的分隔界限。不同环境条件下形成的生物膜的化学组成不同,所以EPS 的化学组成也存在一些差异。溶解态有机物生物膜EPS 中PS 的含量要高于胶体态有机物生物膜, PN含量的变化与胶体态有机物的水解过程相一致。研究表明,EPS 的存在有利于细菌粘附聚集到载体表面形成生物膜,尤其是对细菌粘附到载体表面的初粘阶段;若EPS 含量较少,细菌粘附到载体表面就会受到静电作用力的抑制,若EPS 含量较多则会加强细菌的粘附和促进细菌间粘附,可见EPS 是生物膜形成所必须的。第八章：【防止EPS的措施】 一些研究者发现,粉末活性炭( PAC) 可以减少料液中的EPS ,并形成生物活性炭,改变膜表面的凝胶层结构,保持较高的膜通量。KIM 等发现,从投加PAC 的活性污泥上清液中萃取的EPS的含量比普通活性污泥的减少了50 %。好氧颗粒污泥也可以很好地包裹粘附EPS ,降低其在膜表面的吸附量。此外,还可以定期选用物理清洗或化学清洗来去除沉积在膜表面的EPS ,提高膜通量。 EPS 是生物膜的重要组成部分, EPS 的消除与生物膜的消除密不可分。生物膜的消除包括细菌的离散和EPS 的崩解, 两者的因果关系和具体的机制尚不清楚。目前相关的机制研究有酶假说、饥饿假说。变形链球菌NG8 有一种外源性的表面释放蛋白酶, 该酶能释放一种表面蛋白如粘附素P1 参与生物膜的崩解7, 8。伴放线放线杆菌能产生一种外源性由dspB 编码的氮- 乙酰基- 葡糖基氨基酸酶亦即DspB, 该酶能导致细菌的离散和基质栅栏结构的崩解9。生物膜微环境中氧压、pH 值、温度、营养浓度等条件的变化可诱发伴放线放线杆菌的DspB 产生。一种观点认为DspB 底物是四型菌毛,因而影响伴放线放线杆菌的粘附和解聚集; 另一种则认为DspB 的底物是胞外多糖, 多糖被DspB 水解, 从而多糖基质降解, 细菌离散。DspB 这一作用类似于铜绿假单胞菌的褐藻酸裂解酶, 即通过胞外多糖解聚酶的方式崩解EPS。此外, E.coli K12 生物膜EPS 的成分Colanic acid 对生物膜复杂的三维结构和厚度的形成必不可少。对生长期小于60 h的生物膜, 使用DNA1 酶处理后, 发生定植微生物的离散, 说明胞外的DNA 在生物膜形成的早期可能参与了结构的形成。通过酶的方法来控制EPS对移除或稳固生物膜可能是个好方法。饥饿假说认为铜绿假单胞菌生物膜中营养底物消耗, 饥饿环境诱发了生物膜的崩解及细菌的离散。 影响生物膜消除的因素有营养底物、pH 值、流体剪切力、细菌间信号交流等。对格氏链球菌研究中发现痕量元素铜也能影响生物膜的崩解, 机械法、化学法( 如十二烷基硫酸钠) 对消除生物膜有积极作用, 此外有报道称电流即可诱导手术不锈钢器械上表皮葡萄球菌生物膜的崩解第九章：【结论】生物的存在会严重影响自来水水质，所以应当想法去除。目前研究的方向主要有从化学消毒剂、管材、温度、ph、流速、生物酶等方向来探究效果。各种条件下都有一定的结论，目前认为，效果比较好多是化学消毒和管材类型的挑选。不过，还可以尝试从生物酶的角度来尝试解决生物膜的问题，或许是个不错的思路。第十章：【参考文献】1供水管网内壁生物膜的特征及其对水质的影响 孙慧芳 中国科学院2.生物膜技术在水处理中的应用 师存杰3.生物膜和生物膜的形成菌的研究 干霞芳4.某市给水管壁中微生物生长特性研究 张向谊5.模拟陪水管网中管材和余氯对微生物形成的影响 张向谊6.模拟给水管网中管壁生物膜生成特性 周玲玲7.基于分子生物学的给水管网生物膜研究 常