（水产养殖专业论文）改性聚乳酸微球在固定化生物脱氮技术中的应用.pdf

硕士学位论文 删删i l l i l j j j i i l l i i i p y 18 1 , 8 , | i i | 3 l l i l l l l 8 l l l l l l 7 l i i i i 改性聚乳酸微球在固定化生物脱氮技 术中的应用 高鹏 上海水产大学生命科学与技术学院 2 0 0 7 年5 月 m s c i d i s s e r t a t i o n m o d i f i e dp o l y l a c t i d em i c r o s p h e r e sa n dt h e a p p l i c a t i o n i ni m m o b i l i z a t i o n t e c h n o l o g y f o rb i o d e n i t r i f i c a t i o n b y g a o p e n g c o l l e g eo fa q u a l i f es c i e n c ea n dt e c h n o l o g y s h a n g h a if i s h e r i e su n i v e r s i t y m a y ，2 0 0 7 上海水产大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位 论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除 眵 文中已经明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体己经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我 对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 厶 学位论文作者签名：向酗拉斗 日期：文茹硅f 月f 莎日 上海水产大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅或借阅。本人授权上海水产大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密d，在弓年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 ， 不保密 口 学位论文作者签名：、褪指导教师签名：舜灸孑尼 日期：文。谛6 月晤白广日期：l 却年月塘日 摘要 本论文将改性聚乳酸( p l a ) 微细胞载体材料引入到微生物固定化技术中，为 固定化技术在生物脱氮方面的应用提供新的实验思路。实验分为以下几个内容： 1 以壳聚糖为外水相，利用搅拌蒸发法制备聚乳酸微球。采用氨解技术在聚乳酸 微球表面引入自由氨基，再利用戊二醛将氨基转化为醛基，最后采用接枝涂层技 术将壳聚糖固定到聚乳酸微球表面，制备了壳聚糖表面改性的聚乳酸细胞微载体。 采用茚三酮紫外( n i n h y d r i n u v ) 光谱法测定氨解后微球表面的氨基含量，发现 氨基的量初始随氨解时间的延长而增大，氨解8 m i n 达到最大( 2 8 5 x 1 0 4 m o l g p l a ) 后基本保持不变。 2 将壳聚糖表面改性的聚乳酸微球浸入硝化细菌制剂( 菌浓度为9 x 1 0 9 c f u m 1 ) 中静态黏附，使得硝化细菌能够附着在微球表面，形成以改性聚乳酸微球为载体 的固定化硝化细菌。实验中发现，微球粒径( 粒径约为1 0 0 3 0 0 t m 、5 0 0 - - 一7 0 0 t m 、 1 0 0 0 3 5 0 0 f l m ) 及浸泡黏附时间( 3 h 、6 h 、1 2 h 、2 4 h 、4 8 h ) 均对微球固定化细菌 的硝化性能有影响，粒径的增大及浸泡时间的增长都能提高微球固定化颗粒的硝 化性能。将固定化颗粒在培养基中培养后进行去除废水氨氮的实验，发现与未经 培养的颗粒相比硝化性能有所提升，而且随着培养时间的增长，颗粒的除氨时间 减少，除氨速率提高，当培养1 5 d 时，固定化颗粒的除氨速率达到 1 3 0 m g n h 4 + - n g p l a h 。在将固定化颗粒做重复处理废水氨氮的实验中发现，两次 实验后废水中氨氮浓度变化不大，第二次实验的硝化时间增长，表明微球固定化 颗粒还不能循环使用，需对该固定化方法做进一步的改善。 3 通过实验对以海藻酸钠为包埋剂、改性聚乳酸微球固定化颗粒为添加剂制备的 固定化小球分析其性能的优异状况。 引入渗透速率的概念宏观判断凝胶渗透性能，实验所用海藻酸钠溶液浓度为 3 ，交联剂c a c l 2 溶液浓度为4 2 ，改性聚乳酸微球不做硝化细菌附着处理，设 计不同的固化时间( 5 m i n 、l o m i n 、1 5 m i n 、3 0 m i n 、6 0 m i n ) 、微球添加量( 0 0 0 1 、 0 0 0 5 、0 0 1 、o 0 2 9 m 1 ) 进行实验。结果表明，固化时间及微球添加量均对凝胶的 离子渗透性能有影响，固化时间为1 5 m i n 时凝胶的n h 4 + 渗透速率最高，可达1 9 8 1 0 母m o l m m 3 m i n ；添加5 m g m l ( g ：v ) 微球的凝胶n h 4 + 渗透性能最佳。 选用经过硝化细菌黏附处理的微球固定化颗粒，添加入海藻酸钠固定化小球中， 根据微球粒径的不同( 粒径大小见上) 分析小球性能。结果表明，微球粒径越大， 小球的机械性能越强，粒径为5 0 0 - 7 0 0l am 时传质性能、硝化性能较强。 通过比较添加微球固定化颗粒前后海藻酸钠固定化小球的性能差异的实验发 现，添加微球能较大幅度提高固定化小球的硝化性能，并有效的增强小球的强度， 延长小球的寿命，重复除氨实验的平均除氨速率提高一倍左右。 在比较不同方法制备的固定化小球性能差异的实验中发现，添加入微球硝化细 菌的固定化小球在机械强度、硝化性能及寿命上均优于以粉状活性炭为添加剂的 固定化小球，但传质性能有所不如；经过戊二醛表面交联处理后的固定化小球， 机械强度明显提高，但是传质性能下降，硝化速率受到影响。 关键词：聚乳酸，壳聚糖，硝化细菌，静态黏附，固定化小球 i b a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h es t u d yi nt h e a r e ao ft i s s u ee n g i n e e r i n g ，t a k ec h i t o s a n m o d i f i e d s u r f a c eo fp o l y l a c t i d e ( p m i c r o s p h e r e sa sak i n do fm i c r o c a r r i e r si n t oi m m o b i l i z e d m i c r o b i a l t e c h n o l o g y , p r o v i d e an e wt h o u g h tt ot h ei m m o b i l i z a t i o na r e af o r b i o d e n i t r i f i c a t i o n t h ee x p e r i m e n t si n c l u d e dt h r e ep a n s ： 1 t a k ec h i t o s a na sa q u e o u sp h a s e ，a d o p ta g i t a t i n g e v a p o r a t e dm e t h o dp r e p a r e dp l a m i c o s p h e r e s c h i t o s a n - m o d i f i e dp l am i c r o s p h e r e sw e r ef a b r i c a t e db yc o m b i n a t i o no f s u r f a c ea m i n o l y s i sa n ds u b s e q u e n tg r a f t i n g - c o a t i n gm e t h o d s t h ep l am i c r o s p h e r e s w e r et r e a t e df i r s t l yb y1 , 6 一h e x a n e d i a m i n et oi n t r o d u c ef r e ea m i n og r o u p so nt h e i r s u r f a c e n i n h y d r i n u va n a l y s i sf o u n dt h a tt h ei n t r o d u c e da m o u n to ft h ea m i n og r o u p s i n c r e a s e da l o n gw i t ht h ep r o l o n g a t i o no fa m i n o l y s i st i m ei nt h ef i r s tf e wm i n u t e s ，t h e n r e a c h e dt oam a x i m u mv a l u et h a tw a su pt o2 8 5 1 0 m o l g p l aw h e n8 m i n a f t e r t r a n s f e r r e dt h ea m i n og r o u p si n t oa l d e h y d eg r o u p sb yg l u t a r a l d e h y d et r e a t m e n t ， c h i t o s a nw a sc o v a l e n t l yg r a f t e da n dp h y s i c a l l yc o a t e do n t ot h es u r f a c eo ft h ep l a m i c r o s p h e r e s 2 d i p p i n gt h em o d i f i c a t i v ep l am i c r o s p h e r e s i n t ot h ep r e p a r a t i o no fn i t r i f y i n g b a c t e r i a ( 9 1 0 9 c f u m 1 ) f o r c e l la d h e s i o n ，a n dt h e nt e s t e dt h en i t r i f i c a t i o ni nt h e s e l f - m a d ew a s t e w a t e r i ti sf o u n dt h a tt h es i z eo fp l a m i c r o s p h e r e s ( a b o u t1 0 0 - 3 0 0 x m ， 5 0 0 - 7 0 0 t m ，1 0 0 0 3 5 0 0 t m ) a n dt h ea d h e s i o nt i m e ( 3 h ，6 h ，1 2 h ，2 4 h ，4 8 h ) c a ne f f e c tt h e n i t r i f i c a t i o no fi m m o b i l i z e dm i c r o s p h e r e s b i g g e rs i z ea n dl o n g e rt i m ea l lc a ne n h a n c e t h en i t r i f i c a t i o no ft h ei m m o b i l i z e d t h ec o m p a r i s o nb e t w e e nt h en i t r i f i c a t i o no ft h e i m m o b i l i z e dm i c r o s p h e r e sb e f o r ea n da f t e rc u l t i v a t i n gi nt h ec u l t u r em e d i u ms h o w e d t h a t ，t h ee f f e c to ft h el a t t e rw e r eb e t t e rt h a nt h ef o r m e r a l o n gw i t he x t e n d i n gt h e c u l t i v a t i n gt i m e ，t h er a t eo fa m m o n i a - n i t r o g e nr e m o v a lg r a d u a l l yi n c r e a s e d ，a f t e r 1 5 d a y si nt h ec u l t u r em e d i u m ，t h er a t eo fa m m o n i a n i t r o g e nr e m o v a lw a s1 3 0m i l l i g r a m p e rg r a mm i c r o s p h e r e si na nh o u r r e p e t i t i v e r e s e a r c ho ft h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n t r e v e a l e dt h a tt h e r ew a sl i t t l ec h a n g eo ft h ec o n c e n t r a t i o no fa m m o n i a - n i t r o g e na f t e rt w o t i m e se x p e r i m e n t s ，a n di nt h es e c o n de x p e r i m e n t ，i tt o o kl o n g e rt i m eo nn i t r a t i o nt h a n t h ef i r s t i tc o u l db ec o n s i d e r e dt h a tt h ei m m o b i l i z e dm i c r o s p h e r e sc o u l dn o tr e u s e d f o rb i o d e n i t r i f i c a t i o n t h i si m m o b i l i z a t i o nn e e d e dt of u r t h e ri m p r o v e 3 w ea n a l y s e dt h ep e r f o r m a n c ec o n d i t i o no fi m m o b i l i z e db a l lm a d eb ys o d i u m a l g i n a t e a se m b e d d i n gm e d i u ma n dm o d i f i e dp o l y l a c t i d em i c r o s p h e r e si m m o b i l i z e d p a r t i c l ea sa d d i t i v e w ee v a l u a t e dt h ep e r m e a b i l i t ym a c r o s c o p i c l yt h r o u g hi n t r o d u c i n gc o n c e p to f p e n e t r a t i n gv e l o s i t yi n t ot h ee x p e r i m e n t t h ec o n c e n t r a t i o no fs o d i u ma l g i n a t es o l u t i o n a n dc r o s sl i n k e r ( c a c l 2 ) u s e dw a s3 ，a n d4 2 r e s p e c t i v e l y , a n dm o d i f i e dp o l y l a c t i d e m i c r o s p h e r e s w a s n t i n a d h e r i n g t h e n i t r i f y i n g b a c t e r i a w e d e s i g n e d d i f f e r e n t s o l i d i f i c a t i o nt i m e ( 5 m i n 、1 0 m i n 、15 m i n 、3 0 m i n 、6 0 m i n ) a n dd i f f e r e n tm i c r o s p h e r e s a d d i t i v eq u a n t i t y ( 0 0 0 1 、0 0 0 5 、0 0 1 、0 0 2 9 m 1 ) i ne x p e r i m e n t t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a t b o t hs o l i d i f i c a t i o nt i m ea n dm i c r o s p h e r e sa d d i t i v eq u a n t i t yh a df u n c t i o no ng e l a t i n o u s i o np e r m e a b i l i t y , a n dt h eg e l a t i n o u sn h 4 + p e n e t r a t i n gv e l o s i t yh a dh i g h e s tv a l u eo f 1 9 8 x 1 0 一m o l m m 3 m i nw h e ns o l i d i f i c a t i o nt i m ew a s1 5 m i n ，t h ep e r m e a b i l i t yw a sb e s t w h e nm i c r o s p h e r e sa d d i t i v ew a s5 m g m l ( g ：v ) t h em i c r o s p h e r e si m m o b i l i z e dp a r t i c l ew eu s e dw a sm a d ei np r o c e s so f2 4 h a d h e s i o na n d5 dc u l t u r e w ep u ti ti n t ot h es o d i u ma l g i n a t ei m m o b i l i z e db a l la n d a n a l y s e di t sp e r f o r m a n c ea c c o r d i n gt od i f f e r e n ts i z em i c r o s p h e r e s t h er e s u l t si n d i c a t e d t h a tt h em o r eb i gm i c r o s p h e r e ss i z ew a s ，t h em o r ep o w e r f u li t sm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e w a s t h em a s st r a n s f e rp e r f o r m a n c ea n dn i t r i f i c a t i o np e r f o r m a n c ew e r eh i g hi np a r t i c l e s i z er a n g eo f5 0 0 - 7 0 0 z m t h r o u g hc o m p a r i n gp e r f o r m a n c ed i f f e r e n c eo fs o d i u ma l g i n a t e i m m o b i l i z e db a l l w i t hm i c r o s p h e r e si m m o b i l i z e dp a r t i c l ea n dw i t h o u t ，w ef o u n dt h a tm i c r o s p h e r e s i m m o b i l i z e dp a r t i c l ea d d i t i v ec o u l di n c r e a s en i t r i f i c a t i o np e r f o r m a n c eo fi m m o b i l i z e d b a l lg r e a t l y , i n c r e a s ei n t e n s i t yo ft h eb a l le f f e c t i v e l ya n dp r o l o n gt h ea g eo ft h eb a l l t h e a v e r a g ea m m o n i ae l i m i n a t i o nv e l o c i t yc o u l di n c r e a s eo n ef o l di nr e p e a t e da m m o n i a e l i m i n a t i o ne x p e r i m e n t c o m p a r e dp e r f o r m a n c ed i f f e r e n c eo fi m m o b i l i z e db e a d si ns e v e r a lw a y s ，w ef o u n d t h a t ，a sa d d i t i v e ，i m m o b i l i z e dm i c r o s p h e r e sw a sb e t t e rt h a np o w e r e d a c t i v a t e dc a r b o n o ni n c r e a s i n gm e c h a n i c a li n t e n s i t y 、n i t r i f i c a t i o np e r f o r m a n c ea n da g eo fi m m o b i l i z e d b e a d s ，b u tc o n t r a s to ni n c r e a s i n gt r a n s f e rp e r f o r m a n c e ；t h em e c h a n i c a li n t e n s i t yo f i m m o b i l i z e db e a d si n c r e a s e dg r e a t l ya f t e rt r e a t e dw i t hg l u t a r a l d e h y d e ，b u tt r a n s f e r p e r f o r m a n c ed e c r e a s e d ，a n dr a t eo fn i t r i f i c a t i o nw a s a l s oa f f l u e n c e d k e y w o r d ：p o l y l a c t i d em i c r o s p h e r e s ，n i t r i f y i n g b a c t e r i a ，b i o d e n i t r i f i c a t i o n ， i m m o b i l i z a t i o n 目录 引言1 1 文献综述1 1 1 固定化生物催化剂一1 1 1 1 固定化生物催化剂的定义1 1 1 2 固定化生物催化剂的发展背景1 1 1 3 固定化生物催化剂的优越性2 1 1 4 固定化技术在废水生物脱氮中的应用2 1 1 5 固定化技术的发展趋势3 1 2 生物材料的细胞相容性设计4 1 2 1 基体材料( 支架) 的重要性4 1 2 2 生物材料和细胞的相互作州5 1 3 改性聚乳酸生物材料6 1 3 1 聚乳酸的性质及应用6 1 3 2 聚乳酸性能的改进7 1 3 3 壳聚糖的性质8 1 3 4 壳聚糖与聚乳酸共混或共聚对聚乳酸性能的改善8 2 本研究的实验原理1 0 2 1 载体材料吸附吸附原理1 0 2 1 1 改性聚乳酸的亲水性1 0 2 1 2 壳聚糖的仿生机制1 0 2 1 3 细菌黏附研究1 0 2 2 生物脱氮原理1 1 2 3 固定化微生物技术原理1 2 3 研究的主要内容、目的和意义1 3 第一章壳聚糖涂层聚乳酸微球的制备1 5 1 药品及化学试剂15 2 壳聚糖涂层聚乳酸的制备及分析1 6 2 1 聚乳酸微球的制备搅拌蒸发法1 6 2 2 壳聚糖表面改性聚乳酸微球的制备1 6 2 3 样品的表征1 6 3 结果与讨论16 3 1 聚乳酸微球1 6 3 2 聚乳酸微球表面的氨解1 7 3 3 壳聚糖在氨基化聚乳酸微球上的接枝涂层1 8 4 ，j 、结1 9 第二章改性聚乳酸微球固定化微生物方法的研究2 0 1 实验材料2 0 2 实验方法2 1 2 1 硝化细菌的静态黏附2 1 2 2 黏附固定在微载体上的硝化细菌的活性2 1 2 3 固定化微球的硝化性能2 1 2 4 模拟废水、硝化细菌培养基的配制及水质指标的测定2 1 2 4 1 模拟废水的组成2 1 2 4 2 培养基的配制2 1 2 4 3 水质测定2 1 3 结果与讨论。2 2 3 1 硝化细菌的鉴别2 2 3 2 改性聚乳酸固定硝化细菌的电子显微观察2 3 3 3 影响改性聚微球固定化硝化细菌硝化性能的因素2 3 3 3 1 黏附时间的影响2 3 3 3 2 粒径的影响2 4 3 3 3 同定在微载体上硝化细菌的活性2 5 3 4 改性聚微球固定化颗粒脱氮效率的分析2 6 4 小结2 7 第三章海藻酸钠包埋改性聚乳酸微球的研究2 8 1 实验材料2 8 2 固定化颗粒的制备2 8 2 1 海藻酸钠包埋法固定化小球的制备2 8 2 2 海藻酸钠包埋与戊二醛腹膜相结合的固定化小球的制备2 9 2 3 海藻酸钠+ 活性炭粉法固定化小球的制备2 9 3 固定化小球性能的测定2 9 3 1 固定化小球的强度测试2 9 3 2 固定化小球传质性能的测试3 0 3 3 固定化载体渗透速率的测试3 0 3 4 固定化小球硝化性能的测试3 1 4 实验结果3 1 4 1 不同固定化方法的成球特点3 1 4 1 1 海藻酸钠包埋3 1 4 1 2 海藻酸钠包埋与戊二醛交联结合3 1 4 1 3 海藻酸钠+ 粉状活性炭3 2 4 2 固定化小球的强度分析3 2 4 3 固定化小球的传质性能3 3 4 4 固定化载体渗透速率的测试3 4 4 4 1 固定剂中浸泡时间对离子渗透速率的影响3 5 4 4 2 改性聚乳酸微球添加量对材料离子渗透速率的影响3 6 上海水产大学硕士学位论文 引言 1 文献综述 1 1 固定化生物催化剂 1 1 1 固定化生物催化剂的定义 “固定化生物催化剂( i m m o b i l i z e db i o c a t a l y s t s ) ”这一术语于1 9 8 3 年首次出 现在美国著名的杂志e n z y m em i c r o b i a lt e c h n o l 上，国内也很快采用。然而，到 目前为止，尚没有任何权威机构对固定化生物催化剂做出准确的定义。王建龙【1 】 参照1 9 7 1 年召开的首届国际酶工程会议对“固定化酶”所做的定义，对固定化生 物催化剂定义如下：“固定化生物催化剂是指用物理或化学方法限制或定位在某一 特定空问范围内，保留了其固有的催化活性，能被重复和连续使用的酶、微生物 细胞、动植物细胞、细胞器等生物催化剂。” 因此，固定化生物催化剂包括： ( 1 ) 吸附在固体表面的生物催化剂； ( 2 ) 包埋的生物催化剂； ( 3 ) 系统截留的生物催化剂； ( 4 ) 颗粒化或絮凝的生物催化剂。 1 1 2 固定化生物催化剂的发展背景 最早的固定化可以追溯到古代，人们在酿造工业中添加各种固形物，使微生 物附着在其表面，以提高微生物的酿造效果。 1 9 1 6 年，n e l s o n 和g r i f f i n 2 】发现蔗糖酶吸附在骨炭微粒上仍保持与游离酶同 样的活性。现在所讲的固定化则主要是以此为开端。随后，人们为了更有效地利 用酶，积极地进行了各种固定化技术研究和开发。 在我国，固定化生物催化剂的研究始于2 0 世纪7 0 年代初期。1 9 7 3 年，中国 科学院微生物所固定化酶研究小组首先成功地将黑曲酶葡萄糖淀粉酶吸附到 d e a e s e p h a d e x a 5 0 上。随后，应用s e s a 与甘蔗渣纤维素进行醚化反应得到 a b s e 纤维素，通过载体苯氨基重氮化偶联葡萄糖淀粉酶。7 0 年代后期，许多单 位相继开展了固定化酶和固定化细胞的应用研究。1 9 7 8 年全国首届酶工程会议后， 1 上海水产大学硕士学位论文 固定化生物催化剂的研究和应用迅速扩展到全国各地并取得了一些可喜的成绩。 现在，固定化生物催化剂如雨后春笋般迅猛发展。它已由原来的单一固定化 酶、固定化微生物细胞发展到固定化动植物细胞、固定化细胞器、固定化原生质 体、固定化微生物孢子以及酶与微生物细胞、好氧微生物与厌氧微生物的联合固 定化等。其应用研究已涉及食品与发酵工业、化学合成工业、医疗诊断、环境净 化、能源开发等各个领域，充分展示了固定化技术美好的发展前景。 1 1 3 固定化生物催化剂的优越性 固定化生物催化剂的研制成功，开辟了生物催化剂实际应用的新途径。酶或 细胞通过物理或化学的方法加以固定后，明显地改善了其催化性能、提高了使用 效率，使之更加经济合理化。 固定化生物催化剂与游离生物催化剂相比，具有许多优点： ( 1 ) 生物催化剂经固定化后，在连续反应过程中不会流失，而且可用简单 的方法回收； ( 2 ) 生物催化剂经固定化后，一般对热、p h 值等的稳定性提高，对抑制剂 的敏感性下降； ( 3 )固定化生物催化剂体系适合于连续化、自动化，催化过程易于控制； ( 4 )固定化生物催化剂易与产物分离，改善了后处理过程，提高了利用效 率，降低了成本。 1 , 1 4 固定化技术在废水生物脱氮中的应用 随着经济的发展，废水的成分日益复杂，尤其当废水中含有有毒、难降解的 污染物时，由于对该类污染物具有专项降解能力的微生物在环境中的种类、数量 较少，同时它在种间竞争中处于劣势，因此，在传统的生物处理体系中投加具有 特定功能的微生物、某些基质或生物强化制剂，增强其对特定污染物的降解能力， 从而改善整个污水处理体系的处理效果。所投加的微生物可以来源于原有处理体 系，经过驯化、富集、筛选、培养，从而达到一定数量的微生物，也可以是原来 不存在的外源微生物或遗传工程菌，而且，所投加的微生物应满足三个基本条件： ( 1 ) 投加后，菌体活性高；( 2 ) 菌体可快速降解目标污染物；( 3 ) 在系统中不仅 能竞争生存，而且可维持相当数量。 上海水产大学硕士学位论文 目前，固定化技术在废水处理中的应用主要有：有色废水脱色【3 5 】，硝化脱氮【6 、 7 1 ，处理含酚废水【8 、9 1 ，处理制药废水【1 0 、1 1 】，处理洗涤剂废水【1 2 】，处理其它有机废 水( 如含氰废水、喹啉废水、豆制品废水等) 【1 3 1 5 1 、处理重金属废水【1 6 】等几方面。 其中，在废水的生物脱氮方面，固定化技术有着重要的意义。已有的活性污泥生 物脱氮工艺在废水脱氮方面起到了一定的作用，但仍然存在着许多问题。因为硝 化细菌是一类具有硝化作用的化能自养细菌，包括亚硝化菌和硝化菌两个生理菌 群，其增殖速度慢，且世代期长，难以维持较高生物浓度，因此造成系统总水力 停留时间较长，有机负荷较低，增加了基建投资和运行费用。硝化细菌在硝化过 程中产生的酸度，需要加碱中和，增加了处理费用。另外，硝化细菌完全硝化氨 氮，需要大量的氧，使动力费用增加等。由于硝化细菌的上述特点，在一般的污 水处理系统中，细菌的含量直接影响硝化速度【”】。如何提高硝化细菌的含量，以 及如何防止硝化细菌在污水处理过程中的流失，已越来越受到人们的重视。利用 固定化技术将硝化细菌加以固定，就可以解决这一系列问题。因此，固定化技术 成为各国学者研究的热点，研究开发硝化细菌的富集培养技术及固定化技术，不 仅在污水脱氮处理和环境保护等方面具有重要的意义，而且也是生物脱氮技术今 后发展的一个重要方向。 1 1 5 固定化技术的发展趋势 目前，固定化生物催化剂的研究大多还处于实验室阶段，要实现其实用化及 工业化，还有许多问题需要进一步解决，主要的研究方向如下： ( 1 ) 混合固定化技术。实际废水是一个十分复杂的混合体系，用单一菌种 处理，很难达到实际应用的要求，因此，采用混合菌固定化技术，或利用某一高 效菌种进行分级处理，是很有前景的。 ( 2 ) 载体是固定化技术重要的组成部分，进一步开发性能稳定、传质好、 强度高、寿命长、价格低的固定化载体。 ( 3 ) 发展多种生物共生的固定化体系。 ( 4 ) 开发高效的固定化反应器，使之能克服包埋载体对基质( 尤其是氧气) 与代谢产物扩散的阻碍作用，使固定化细胞处于良好的微环境中，进行生长与代 谢作用。 上海水产大学硕士学位论文 通过不断的研究和改进，细胞固定化技术必将成为项高效而实用的废水处 理技术，在废水处理与环境工程领域中发挥越来越重要的作用。 1 2 生物材料的细胞相容性设计 1 2 1 基体材料( 支架) 的重要性 支架在组织工程研究中的地位非常重要【1 8 2 2 1 。组织工程支架具有将细胞传递 到体内的特定位置，然后为再生的组织预先占据一定的空间，并引导组织发展的 作用【2 3 、2 4 1 。有研究者采用直接注射细胞悬液的方法，但这种做法很难控制移植细 胞的生长位置。绝大多数哺乳动物细胞是贴壁型的细胞，如果没有支架提供粘附 的空间细胞将不能成活。聚合物基材可以作为组织工程支架，将高密度细胞移植 到指定的位置。聚合物基材具有非常优异的物理机械性能，具有足够的抗压缩和 抗拉伸能力，因而可以在体内培养的条件下保持原有的形状和结构。支架可以根 据不同设计，作为隔绝宿主免疫系统的物理阻碍，也可作为引导组织再生的基体。 支架的形态可以影响工程化组织的结构，包括组织的尺寸、形状和血管化。理想 的支架材料应该发挥特异性的细胞功能，引导细胞细胞之间的相互作用。组织工 程支架材料作为合成的细胞外基质，其正确的设计可以模拟天然细胞外基质所具 有的力学和生理功能。 目前组织工程所应用的材料很多，主要分为两类： 1 天然的生物大分子材料 天然大分子材料，如胶原、明胶、透明质酸、壳聚糖和海藻酸钠及其衍生物， 其优点在于可以作为组织填充物而长期存在，有较好的组织相容性和亲和性，完 整的天然大分子材料内可能存在着某些复合生长因子，可诱导调节细胞的生长、 繁殖、分化等。但生物大分子材料一般由植物、动物或人体组织分离获得，价格 昂贵而且不同批次材料之间的性质还会有所差异，因此不适于大规模的批量生产。 此外生物大分子材料的物理机械性能较差，不能满足根据组织工程需要而对降解 时间等性能进行设计的要求。 2 合成聚合物材料 合成聚合物材料的研究主要集中于聚羟基乙酸( p g a ) ，聚乳酸( p l a ) 及两 者的共聚物( p l g a ) 聚1 3 羟基丁醋、聚原酸酯、聚磷酸酯、聚酸酐、p v a 、p l u r o n i c s 上海水产大学硕士学位论文 等。 合成聚合物材料的共同特点是：具有生物相容性及可塑性。成聚合物材料的 性质通常可以通过分子设计得到精确的控制，还可以通过大规模的生产获得性质 相同的材料。针对不同的组织工程要求，合成聚合物材料的物理和机械性能可以 很容易的通过分子结构的变化而调整。p l a 和p g a 等聚酯类材料是组织工程应用 最为广泛的合成可降解聚合物材料，也是被f d a 批准应用最早的材料之一。它们 还广泛应用于其它生物医用领域，如手术缝线，药物控制释放载体，骨科植入物 等。其它合成可降解聚合物材料还包括聚氨基酸、聚原酸酯等等。虽然合成聚合 物材料具有优异的物理机械性能，但相对天然大分子材料来说，其生物相容性远 远不能满足组织工程和其它生物医用领域飞速发展的需要，尤其是一般的合成聚 合物材料上缺乏可用于键接生物活性因子的官能团，这为其进一步生物相容性化 增加了难度。合成聚合物材料一般通过表面改性的方法在材料表面引入活性官能 团，并可进步固定生物活性因子，如蛋白质、多肽和多糖等。通过对一组织工 程材料的表面改性，在保持材料本身所具有的物理机械性能的同时赋予材料表面 良好的组织和细胞相容性。材料的表面改性对组织工程的发展正起着越来越重要 的作用。 1 2 2 生物材料和细胞的相互作用 与生体系统接触的天然材料或合成材料都可以被认为是生物材料。这里所说 的生体系统可以指体外培养体系，比如组织培养瓶中的细胞和培养基；或半体内 ( e xv i v o ) 体系，比如经过体外透析膜的血流；还有体内体系，比如植入物周围 的组织。 几乎所有的生物作用都由特定的生物识别反应所调控，如细胞膜表面受体对 生物材料表面配体的高度特异性结合。这种配体可以来自材料表面培养介质中吸 附、固定的蛋白质或其它生物大分子。既然生物特异性识别决定细胞和组织与材 料之间的相互作用，人们就可以有目的的调控这些生物相互作用。蛋白质的吸附 和生物特异性识别是理解生物相互作用的两个基本要素。 当聚合物与细胞培养体系接触时，聚合物表面