（化学工程专业论文）磁场强化—高梯度磁分离处理废水的研究.pdf

摘要 水是生命之源，是地球上唯一不可替代的自然资源。随着我国经济的快速增 长，水体污染和水环境生态日益恶化已严重制约了我国经济发展，水资源的保护 及废( 污) 水的有效治理己成为我国面临的最严峻的挑战之一。 作为污水处理技术的一种强化措施，磁处理技术与活性污泥法、厌氧流化床 技术、人工生态法等的藕合，在实际应用中均取得了可喜的效果。 为了探索磁场强化废水生物降解机理，并为下一步磁技术在废水处理中的应 用打下基础，本文采用磁场强化高梯度磁分离复合工艺，在实验中对实际废 水处理进行了深入研究，为此技术废水处理工艺过程的开发和应用研究提供技术 储备。 研究中先对待处理污水中取的活性污泥进行磁场驯化、培养和分离纯化，利 用所得菌群，对磁场强化生物降解过程进行了详细的实验研究。确定了三种废水 ( 合成废水、青年湖水和卫津河水) 的最佳降解条件，包括降解时间、磁感强度、 温度、p h 值、初始c o d c ，浓度等。另外，分析认为磁场对物质能量变化、自 由基反应、生物体内酶活性、生物膜通透性的影响是磁场强化生物降解的机理。 在高梯度磁分离实验中，利用自制高梯度磁分离器，考察了不同镍丝形式、 磁感强度、镍丝填充率、液体流速、温度和填料使用次数对分离的影响，研究表 明，镍丝与水流方向平行时处理效果最好，温度对分离没有影响，磁感强度越大、 流速越小、镍丝填充率越大、使用次数越少分离效果越好。另外，通过对细菌或 悬浮物在高梯度磁场中的受力计算和分析，确定其被分离出来所需要的最小磁感 强度为1 8 8 g s 。细菌在磁场中运动时会产生感应电流，电流达到一定阈值会使细 胞破坏，或者改变离子通过细胞膜的途径，使蛋白质变性及破坏酶的活动。 最后根据此前得到的最佳操作条件：强化阶段为磁感强度2 0 0 g s 处理4 8 h ， 分离阶段为磁感强度6 0 0 0 g s 、流速4 2 5c 州m i n 、镍丝1 2 0 处理7 d ，应用复合 工艺连续处理实际废水。实现出水c o d c ，1 6 3 8 m g l ，总磷o 0 4 7m g l ，达到国 家地表水环境质量类标准，满足非人体接触游乐区的水质要求，符合景观娱乐 用水c 类标准。 关键词：磁场强化高梯度磁分离生物降解废水处理 a b s t r a c t w r a t e ri st h es o u r c eo fl i f eo ne a r t ha n dt h eo n l yi 1 1 r e p l a c e a b l en a t u r a lr e s o u r c e s w i t hm er a p i d d e v e l o p m e n to fe c o n o m y ， w a t e r p o l l u t i o na n de n v i r o n m e n t a l d e t e r i o r a t i o nh a db e e n s e r i o u s l yc o n s t r a i n e dt h ed e v e l o p m e n to fo u rc o u n t 以 p r o t e c t i o n a n de h e c t i v e m a n a g e m e n to fw a t e rh a v eb e c o m et h em o s ts e r i o u s c h a l l e n g e so fo u rc o u n t 叮 a sas 骶n g t h e nm e a s u r eo fs e w a g et r e a t m e n tt e c h n o l o g y ， t h e c o u p l i n go f m a g n e t i ct e c i l l l o l o g ) ，w i t ha c t i v a t e ds l u d g e ，a n a e r o b i cf l u i d i z e db e dt e c h n o l o g ya n d a r t i f i c i a le c o s y s t e m s ，i np r a c t i c a la p p l j c a t i o n sa c h i e v e dg 翔t i 黟i n gr e s u l t s i no r d e rt oe x p l o r et h em e c h a n i s mo fm a g n e t i cf i e l d se n h a n c e dd e g r a d a t i o na n d 印p l ym a g n e t i ct e c h n o i o g ) ，f o rt h en e x ts t e pi nw a s t e w a t e rt r e a t m e n t ，i nt h i sp a p e r m a g n e t i cf i e l d se n h a n c e db i o d e g r a d a t i o n - h i g hg r a d i e n tm a g n e t i c s e p 蹦狐o n ( s h o n e db ym f e b - h g m s ) c o m p l e xp r o c e s si si n i t i a t e d n e 讹a t m e n ts c h e m ei s d i s c u s s e da n dp r o b e di n d e t a i l ， i nw h i c ht h em a g n e t i cf i e l dc a ne n h a n c et h e d e g r a d a t j o ne 用c i e n c yo fm i c r o b i o ni nt h ea c t u a lw a s t e w a t e rt r e a n n e n t 7 r h i sr e s e a r c h g i v e sf i r s t h a n dd a t as u p p o r r t i n gt h ec o n s e q u e n tr e s e a r c ho ft h ed e v e i o p m e n t 锄d 印p “c a t i o no ft h em a g n e t i cf i e l dt e c h n o l o g yi nw a s t ew a t e rt r e a t m e n tp r o c e s s i nt h er e s e a r c h ，t h ea c t i v a t e ds i u d g et a k e nf r o mt h es e w a g ei sa c c i i m a t e da n d c u l t i v a t e di nm a g n e t i cf i e l d ，a n dt h e ni s o l a t e da n dp u r i 6 e d b ym i x e db a c t e r i u m ，t h e m a g n e t i cf i e l de n h a n c e db i o d e 铲a d a t i o np r o c e s sc a r r i e do u ti nad e t a i l e de x p e r i m e n t a l s t u d y t h r e ew a s t e w a t e rs a m p i e sw h i c hc o m ef 沁m ：s y n t h e t i cs e w a g e ，q i n gn i a n h u a n dw b ij i n h ea r es t u d i e d t h eo p t i m u mb i o d e g r a d a t i o nc o n d i t i o n sf o rw a s t e w a t e r s u c ha st i m e ，i n t e n s i t yo f m a g n e t i z a t i o n ，t e m p e r a t u r e ，p ha n di n i t i a lc o n c e n t r a t i o no f c o d c r ，a r ec o n f i m e d i na d d i t i o n ，t h e o r e t i c a la n a l y s i sf i n d st h a tt h ei n f l u e n c eo ft h e m a g n e t i c 行e l da b o u tt h ec h a n g e so fm a t e r i a le n e 曜弘f r e er a d i c a lr e a c t i o n ，e n 巧m e a c t i v i 够a n db i o f i l mp e r m e a b i i i t yw i l lb et h em e c h a n i s mo fm a g n e t i ce n h a n c e d b i o d e g r a d a t i o n s e p a r a t i o no fb a c t e r i aa n ds u s p e n d e ds u b s t a n c ef r o mw a s t el i q u i dw a ss t u d i e d u s i n gh i g h i n t e n s i 妙h i g h g r a d i e n tm a g n e t i cs e p a r a t o rw i t hn i c k e lw i r e s 1 h er e s u l t i n d i c a t e st h a tt h eh i 曲e rt h em a g n e t i cn e l ds t r e n 酵ha n dt h el o n g e rt h ed u r a t i o n ，t h e b e 舵rs e p a r a t i o ne n e c t t b eo p t i m u ms e p a r a t i o nc o n d i t i o n sf o rt h ew a s t e w a t e rs u c ha s t h ed i 贷e r e n tf 0 咖so fn i c k e lw i r e ，m a g n e t i ci n d u c t i o n ，p a c k e dr a t i oo fn i c k e lw i r e ， l i q u l df l o wr a t e ，t e m p e r a t u r ea n dr e u s en - e q u e n c yo fn i c k e lw i r ea r ec o n f i n n e d t h e r e s u l ta l s oi n d i c a t e st h a tt h e 仃i ：a t m e n te n e c t i st h eb e s tw h e nt h en i c k e lw i r c p a r a l l e l e dt h ed i r e c t i o no fw a t e rf l o w ，t h et e m p e r a t u r eh a sn oi m p a c t0 nt h es e p a r a t i o n ， t h eh i 曲e rt h em a g n e t i ci n d u c t i o n ，t h es l o w e rt h ev e l o c i t y ，t h eg r e a t e rp a c k e dr a t i oo f n i c k e lw i r e ，t h ef e w e rr e u s et i m e s ，t h eb e 仳rs e p a r a t i o ne 虢c t i na d d i t i o n ，c a l c u l a t i o n 锄d 卸a l y s i sf i n dt h a ti tn e e d s18 8 g st 0s e p a r a t et h eb a c t e r i ao rs u s p e n s i o ni nt h eh i g h g r a d l e n tm a g n e t i cs e p a r a t o r t h e r ew i l lb ei n d u c t i o nc u r r e n ti nt h eb a c t e r i at r i g g e r e d b ye i e c 圩o m a g n e t i ci n d u c t i o n w h e nt h ec u r r e n tr e a c h e dac e r t a i nt h r e s h o l d “w i l l d a m a g ec e i l s ，c h a n g et h ew a yt h a ti o n st h r o u g ht h ec e l lm e m b r a n eo rd e n a t l l r ep r o t e i n ， a n dt h e nb a c t e r i aw o n tb es u r v i v e d a tl a s t ，t h ea c t u a lw a s t e w a t e ri st r e a t e db yt h em f e b h g m sc o m p r c h e n s i v e t e c h n o l o g yc o n t i n u o u s l yu n d e rt h eo p t i m u mo p e r a t i o nc o n d i t i o n 、| a s t e w a t e ri s t r 。e a t e di nt h ee n h a n c e ds t a g ef o r4 8h o u r sw i t h2 0 0 g sa n di nt h es e p a r a t i o ns t a g ef o r7 d a y sw i t h6 0 0 0 g s ，4 2 5 c m m i na n dp a c k e dr a t i oo fn i c k e lw i r ei s1 2 o u s et h e m f e b - h g m sp r o c e s s e s t h eq u a l i 够0 fp u r i f i e dl i q u i di sc o d c r 16 38 m g la n dt p 0 0 4 7m g ，l ，w h i c hm e e tt h e c a t e g o 秽o f t h es t a t ee n v i r o n m e n t a lq u a l i 够g t a n d a r d s f o rs u r f a c ew a t e ra n dcs t a n d a r d so fw a t e r q u a l i 妙s t a n d a r df o rs c e n e r ya n dr e c r e a t i o n a r e a k e yw o r d s ：m a g n e t i cf i e i de n h a n c e d ，h i g hg r a d i e n t m a g n e t i cs e p a r a t i o n ， b i o d e g r a d a t i o n ，w a s t ew a t e rt r e a t m e n t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：散延基， 签字日期： 矽。7 年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：秀；j l c 感， 签字日期：妒宫年月乡日 导师签名： 签字日期：9 据b 月l 日 第一章文献综述 第一章文献综述 水是生命之源，是地球上唯一不可替代的自然资源，人类的生存和发展都离 不开水。我国水资源匮乏，人均水资源占有量不足世界平均水平的四分之一，是 世界上最缺水的国家之一。同时，随着我国经济的快速增长，在实现工业化和城 市化进程的过程中，由于基础设施投资不足，加之管理不善，大量的生活污水和 工业废水未经处理或没有达到排放标准就直接排入河流湖泊中，使水体污染和水 环境生态日益恶化，清洁水变得越来越少。水资源不足和水体污染已严重制约了 我国经济发展，据保守估计，我国每年因缺水造成上千亿元工业产值的损失，水 污染对人类健康的损失每年至少也在四百亿元以上。因此，水资源的保护及废 ( 污) 水的有效治理己经成为我国面临的最严峻的挑战之一。 但长期以来，我国废( 污) 水治理一直受到两个方面的困扰：一是基建投资过 大，运行费用过高；二是处理效率较低、运行效果不稳定。二者已成为阻碍环保 事业发展的最大障碍。因此，尽快研究出高效低耗的污水处理技术将是解决水环 境污染问题的关键1 2 j 。 磁处理水技术是近几年发展起来的一门新兴的水处理技术。污水磁处理应用 主要集中在磁生物技术与磁分离技术两方面。磁生物技术是基于磁生物效 应，在目前应用比较成熟的微生物处理技术中引入磁场，利用磁场对微生物产生 正的磁生物效应来提高生化反应速率，从而达到较好的处理效果。磁分离技术则 基于磁力效应，对废水施加磁场，使废水中的磁性颗粒磁化、凝聚，形成易 于分离的絮凝体后，直接分离出去，；对非磁性颗粒，通过投加磁种，进行化学 絮凝，生成磁性絮凝体，从而得以分离，目前磁分离技术主要应用在高梯度磁分 离技术方面。作为污水处理技术的一种强化措施，磁处理技术与活性污泥法、厌 氧流化床技术、人工生态法等的藕合，在实际应用中均取得了可喜的效果。因此， 对磁处理强化污水处理的效果、机理、应用，做进一步的研究是必要的，也是可 行的。 1 1 污水生物处理方法 污水处理的方法可分为物理法、化学法和生物法【3 1 。其中生物法在整个处理 过程中占有非常重要的位置。生物法是利用微生物的代谢活动来降解水中污染物 ( 主要是有机物) 的一种水处理方法。按照污水处理生物反应器中微生物的生长状 态，污水生物处理可划分为悬浮生长工艺和附着生长工艺。前者以活性污泥法为 第一章文献综述 代表，微生物在曝气池内以活性污泥的形式呈悬浮状态；后者以生物膜法为代表， 微生物以膜状附着在某种载体的表面上。 1 1 1 污水生物处理方法的发展 生物处理方法经历了百余年的发展和应用，发挥了重要作用。废水生物处理 技术的发展大致可分为三个阶段【4 j ： 第一阶段：( 1 8 8 1 年1 9 1 5 年) 废水处理的早期阶段。在此阶段主要发明有m o r i s 池( 1 8 8 1 年) 、生物滤池( 1 8 9 3 年) 和活性污泥法( 1 9 1 4 年) 。 第二阶段：( 1 9 15 年1 9 6 0 年) 这是废水生物处理的普及阶段。在此阶段，废 水生物处理技术成为城市废水处理的主要工艺，并得到了不断的发展。如对传统 的活性污泥法进行了多种改良，出现了阶段曝气法，生物接触稳定法，完全混合 曝气法，延时曝气法，纯氧曝气法等新工艺；普通生物滤池也得到不断发展，产 生了高负荷生物滤池，塔式生物滤池，生物转盘，生物接触氧化法等新工艺；厌 氧生物处理也出现了二缓消化池，两相消化池等新工艺。 第三阶段：( 1 9 6 1 年至今) 这是废水生物处理技术发展的新时期。在这个时期， 环境工程技术得到较大发展，废水生物处理技术也有了较大飞跃。在好氧生物处 理方面，出现了氧化沟，a b 法，s b r 反应器，高浓度活性污泥法，深井曝气， 好氧生物流化床等新工艺，以及高效曝气器，新型填料等设备，并发展了一些将 悬浮生长的生物系统与附着生长的生物系统设置在一个反应器中的复合式反应 器，如投加载体的活性污泥法；对于生物处理系统中的固液分离装置，近1 0 余年 来有了十分引人注目的发展，特别是膜一生物反应器系统的研究和应用。此外， 在自然生物净化系统方面也进行了大量研究，并使其应用范围扩大。同时，在活 性污泥微生物的研究方面还取得了极大的进展，如丝状菌的成因和控制等。在厌 氧生物处理方面，其进步较好氧生物处理更为显著，先后出现了厌氧接触法，厌 氧生物滤池，厌氧附着膜膨胀床，升流式厌氧污泥层反应器，厌氧生物流化床， 厌氧生物转盘，关于厌氧微生物的研究也取得了极大的成就。因此，厌氧生物处 理的应用范围已从污泥消化扩大到高浓度有机废水的处理，进而到低浓度有机废 水，并出现了一系列厌氧和好氧相结合的生物处理系统，使生物处理工艺的范围 扩大，如可进行生物脱氮的a o 工艺，可进行生物脱磷的o 工艺，及同时脱去 氮磷的a 2 o 工艺等。在自然生物净化系统方面也有了很大的发展，使其应用范围 有了扩大，形成了科学体系，并不断地趋向完善。如发展了废水稳定塘系统，发 展了废水土地处理系统和废水，污泥湿地净化系统。 第一章文献综述 1 1 2 污水生物处理方法存在的不足 虽然生物处理方法发展迅速，并在废水处理中发挥了巨大作用，但也必须看 到，它仍然存在一些缺点，主要是：微生物生长环境不够理想，微生物数量不够 多，反应速率较低，对于难降解有机物的处理效果还较差等。特别是后者，在很 多类型的废水中，含有大量难生物降解物质和有毒物质，仅靠生物处理难以实现 对其有效净化。有些难降解废水含有对微生物有毒害的成分，使生物降解效率很 低，如染料工业废水，农药废水，制药废水等。即使不含对生物处理有毒害成分 的难降解废水，由于它们可生化性极低，生物难以利用，处理时间很长，效率很 低，难以达到水处理的要求。如焦化废水，其污染物组成复杂，是较难降解的高 浓度有机工业废水。目前国内外用于去除焦化废水中c o d 和氨氮的主要方法是生 物法，其中又以普通活性污泥法为主，但普通活性污泥法对难生物降解有机物处 理效果较差，难以满足处理要求。 因而，如何强化生物处理，提高其水处理的范围和能力，以增强去除污染物 的能力和适应日益严格的水质标准是当前水处理研究的前沿课题，具有重要的意 义。 目前，对生物法的改进大多是基于对设备工艺和流程的改进，但是从提高活 性污泥的生物活性，以提高微生物的降解有机物的能力方面的研究还是少见的。 废水生物处理的基础设施和工艺流程己较为成熟，而对生物处理起主要作用的微 生物的研究还不够。要想充分发挥生物处理方法的优势，提高其处理污染物的能 力和扩大其应用范围，不仅要对工艺不断改进，更重要的是加强对提高微生物生 物活性的各种研究，以及加强构建高效转化降解工程菌的研究，从而促进废水生 物处理技术的发展。 1 1 3 环境微生物技术的发展 对于传统的废水生物处理技术，仅靠从自然界中获取的土著菌种对许多污染 物的降解是无能为力的。为了提高废水生物处理方法的净化效率和提高去除某种 特定有机污染物的能力，可以运用生物技术去改造生物处理构筑物中的微生物特 性，如通过驯化、诱变等方法使之获得高耐毒性、高降解活性等的优良性状，并 将其应用于污染治理，特别是难降解有机废水的处理，从而提高生物处理的效率 和扩大生物处理的范围，这是生物处理方法发展的现代方向，同时也是近年来生 物处理方面的一个前沿研究领域。 第一章文献综述 1 1 3 1 污泥驯化 污泥驯化是一个在一段时间内逐渐加大微生物降解或耐受负荷的过程，从而 使污泥微生物达到一个较稳定、相对高的负荷阈值。提高微生物污泥驯化要达到 两个目的f 5 】：一是培养微生物的抗毒性，即使污泥中的微生物群落能够适应较高 毒性的水质，且污染物去除率不降低；二是培养出具有特异和高效降解特性的微 生物，即使微生物对于待处理废水中的碳源、氮源营养物质由不利用到利用，由 缓慢利用达到快速降解。 微生物在废水中发生的突变一般是自发的、低频的和随机的，其中只有发生 了正向突变的、能适应新的生存环境的种类才能保存下来。在驯化过程中，不断 增大的污染物负荷作为施加的选择压力，使得整个微生物群落的正向自发突变得 以积累，最终改变了多种降解酶的结构而提高了降解活性。此外，突变还可能引 起微生物细胞膜的通透性或某些敏感酶的结合位点的改变，使之忍受某些生物毒 性物质的能力得到加强。 1 1 3 2 诱变育种 诱变育种是指利用物理或化学诱变剂处理微生物群体细胞，提高随机突变频 率，通过一定的筛选方法获得所需要的高产优质菌株。通过改变外界条件，使微 生物发生变异，变异后的性状传给下一代，就得到了变异菌或变异株，进而可以 筛选出活性高的菌株。诱发突变是利用物理或化学的因素处理微生物群体，促使 少数个体细胞的遗传物质( 主要是d n a ) 的分子结构发生改变，使基因内部的碱基 配对发生差错，从而引起微生物的遗传性状发生突变。 诱变又分为物理诱变和化学诱变。化学诱变剂是一些分子结构不太稳定的化 合物，如甲基黄酸乙酯、叠氮化钠等烷化剂的诱变效果非常好。物理因子诱变通 常是辐照诱变，主要有紫外线、丫射线、激光、快中子、x 射线和电场磁场等， 近年来，随着物理技术的不断发展，离子注入、激光辐照成为诱变育种的新方法。 不管是用物理因素( 如紫外光、x 光、激光等) 还是用化学药剂处理微生物，都可 引起微生物或者茵体d n a 的异变f 6 】。这些经诱变而改变的形状中的一部分对增强 微生物菌体降解有机污染物的能力十分有利。将经诱变处理的菌液投加到活性污 泥等废水处理实验装置中运行，运行初期是对菌种进行驯化和优胜劣汰，适者生 存的筛选过程。随着废水处理实验装置运行时间的增加，对目标有机污染物不适 应的菌种将被淘汰，对废水处理环境适应能力较强的菌种将会大量繁殖并占有更 大的生活空间。同时，他们将会消耗更多的目标有机污染物，从而使废水处理装 置对c o d 或b o d 的去除效率有较大的提高。从现有的文献来看，物理能场对活 性污泥法的影响的研究还仅限于紫外光场和磁场。 第一章文献综述 1 1 3 3 遗传工程技术构建高效转化降解工程菌 基因工程技术在环境保护中的应用始于8 0 年代。利用基因工程育种可以集中 目的基因，使调控某一特性的基因优先突变，促使微生物的降解特性向有益的方 向转变。 基因工程是以分子遗传学的理论为基础，综合分子生物学和微生物遗传学的 最重要技术而发展起来的一门新兴技术科学，它是用人工方法把所需要的某一供 体生物的遗传物质d n a 大分子提取出来，在离体的条件下进行切割后，把它的 载体的d n a 分子连接起来，然后导入某一受体细胞内，以便外来的遗传物质在 其中进行复制和表达，从而获得新品种。基因工程克服了传统的常规诱变以及体 内遗传重组等方法的随机性大、间接、费时、费力，而且突变仅能使少数几对核 苷酸碱基对发生改变的缺点。d n a 体外重组技术或基因工程则可以调换到1o o o 个碱基对的d n a 片段，可以把有用的信息直接输入微生物细胞，因而基因工程 技术为微生物育种提供了定向的、直接的方法，是构建培育高效环境工程菌的最 先进方式1 7 j 。 将遗传工程技术应用于实际水处理中，还存在一些问题，如工程菌在生物处 理构筑物中的生存能力以及遗传工程菌可能对环境造成新的污染时，需慎重使 用。 1 2 磁生物技术 磁生物技术是基于磁一生物效应的一种技术，在目前应用比较成熟的微生 物处理技术中引入磁场，利用磁场对微生物产生正的磁生物效应来提高生化反应 速率，从而达到较好的处理效果。任何生物体都带有各自的生物电或含有磁性物 质而具有磁性，磁场对于磁性物质会产生力的作用。因此外加磁场、环境磁场和 生物体内的磁场都会对生物的组织和生命活动产生影响，称为磁场生物效应。这 种磁场生物效应的性质和强弱既同磁场的性质和强弱有关，也同生物的种类和受 磁场的组织等有关1 8 j 。 1 2 1 影响磁场生物学效应的因素 对磁场生物学效应有影响的磁场因子主要有：磁场类型、磁感应强度、作用 时间、均匀性、方向等【9 1 。 第一章文献综述 1 2 1 1 磁场类型 磁场可分为稳恒磁场和变磁场，恒磁场和变磁场的生物效应既有相同之处， 也存在差异。变磁场分为三类，即：磁场的强度和方向规律变化的交变场，磁感 强度规律变化而方向不变的脉动场以及用间歇振荡器产生间歇脉冲电流后将这 种电流通人电磁铁线圈而产生的脉冲磁场。变磁场因低频高频、连续断续、脉冲 调制的不同而生物效应不同。张小云【1 0 】等在研究恒磁场对细胞分裂影响时发现， 用o 6 t 磁场处理2 d 后的脉冲标记法显示，实验组的标记指数在细胞离开磁场时明 显高于对照组8 2 9 。m i nw e il l l 】等采用6 0 h z ，0 3 1 2 g s 正弦磁场作用3 7 2 h ， 能够引起星状胶质细胞增殖增加，且具有剂量依赖性。稳恒磁场又称为静磁场， 其磁场的强度和方向保持不变，是最基本的磁场类型，适合做基础性的研究，目 前常用的稳恒磁场发生装置是永磁铁和通电螺线管。本实验即是采用永磁铁的磁 场类型。 1 2 1 2 磁场( 感) 强度 磁场对生物的影响与磁场( 感) 强度有较大关系，磁场( 感) 强度不同，表现出 的生物效应可能也不同。随着强度的变化，生物效应可以表现为促进、抑制、致 死或无作用。磁场对生物的作用可能存在临界场强范围，即阈值。超过一定的阈 值则表现为另一种生物效应。马跃【1 2 j 等用7 种强度的磁场处理番茄种子，观察幼 苗过氧化氢酶和过氧化物酶活性的变化时发现，磁感强度在l0 0 0 2 0 0 0 g s 范围 内，种子发芽率最高，两种酶的活性最高，磁感强度高于3 0 0 0 g s 时，酶活性下 降。 1 2 1 - 3 作用时间 磁场的作用时间也是影响磁场生物效应的重要方面，当磁场的各种物理学参 数一定时，作用时间不同，所产生的生物效应可能出现明显的不同。陈树烈1 3 】 等检测了脉冲磁场作用对人表皮细胞增殖的影响。实验发现，脉冲磁场对人表皮 细胞作用l m i n 和5 m i n 均产生了促进细胞增殖的效应，而较长时间( 1 0 3 0 m i n ) 则会 抑制细胞的正常增殖。 1 2 1 4 均匀性 磁场的均匀与否，所产生的生物效应也可能随之改变。y o s h i m a s a 【1 4 】等研究 发现，5 2 6 1t 的非均匀磁场抑制细胞死亡，培养温度、培养液的组成及磁场作 用时间对磁场的生物学效应产生明显的影响。当培养温度为3 7 时，衰亡期磁场 作用下的细胞数量为对照的3 倍，当培养温度为4 3 时，细胞数量继续增加。将 第一章文献综述 培养液稀释3 倍，并添加谷氨酸使其浓度为1 5 9 l ，再研究磁场对细胞死亡的抑 制作用，结果显示磁场作用下细胞数量为对照的l o 巧倍。 1 2 1 5 磁场方向 磁场是矢量场，有方向的不同。对于某些生物，磁场方向改变可能带来不同 类型的生物效应或不同大小的生物效应。由于磁场或磁场梯度的矢量性质，他们 所引起的物理效应，例如，有磁场或磁场梯度产生的作用力、作用力矩、感应电 动势、磁致伸缩变形等也具有大小和方向的矢量性质。这些矢量性质是会对所引 起的生物效应产生影响的。如果在磁场作用过程中，这些磁场矢量发生变化，而 所引起的各种生物效应也与此有关的话，那么，这些效应就会在磁场大小和方向 改变的过程中产生减弱或低效的效果。 磁场的生物学效应即磁场对生物体的作用，是磁场和生物体两者共同作用的 结果。因而磁场的生物效应性质和大小不仅和磁场的各种参数有关，也与生物机 体的种类和特性有关。生物机体因子一般包括机体的组成、种类、敏感性、磁性 等。另外，磁场对生物体的作用存在一定的作用强度域、时间域和场放大效应。 而且生物体是一个高度复杂的有序结构，在一定的程度上可以修复自身的损伤， 所以当磁场作用于生物体时，上述几个方面共同影响着磁场的生物效应，使生物 体所表现出的生物效应呈现出较大的复杂性。 1 2 2 磁场作用机理的现有理论 生物体是一个高度复杂的有序结构，磁场的生物效应涉及的因素也很多，因 而磁场的作用机理是非常复杂的，至今对磁场生物效应的机理也尚未有统一的认 识。中科院物理研究所的李国栋认为，磁场对微生物的作用主要通过以下几个方 面产生：蛋白质效应、生物膜效应、生物分子结构效应、磁致水效应、磁致生物 自由基效应【1 5 】。 1 2 2 1 磁致蛋白质效应 蛋白质是构成生物体的重要组成部分，是由多种氨基酸组成的生物大分子， 与生物的生长、代谢和繁殖等生命活动有密切联系。酶也是蛋白质，酶在细胞的 正常代谢过程中是十分重要的，酶活性的改变会对生物的生理活动产生较大影 响。一些蛋白质和酶含有少量的如铁、钻和锰等过渡族金属原( 离) 子，在一定条 件下具有顺磁性，这些原( 离) 子的活性部位又常常是酶的活性中心。外加磁场可 以通过影响这些原( 离) 子，影响酶的活动。磁场对微生物酶( 包括离体酶) 活性的 影响相当明显。 第一章文献综述 k o n e r a c k a 【1 6 j 用磁性粒子固定一些蛋白质和酶，发现其活性可保持在原活性 的9 0 以上。麻海珍7 j 在p h 等于8 条件下，发现磁性固定化紫色非硫光合细菌 ( p s b ) 脱氢酶比未磁化的固定化脱氢酶活力提高约2 0 ，并且磁性酶在5 0 6 0 仍能保持一定活力，而未磁化酶几乎完全失活，磁化酶对温度稳定性提高。张吉 先等l l8 】研究了磁场对土壤微生物和酶活性的影响，发现适当的磁场作用 ( 0 1 5 0 3 5 t ) 可使土壤呼吸作用增强，放线菌菌落数增加，转化酶和磷酸酶活性 提高；而细菌生长和过氧化物酶的活性受到一定的抑制。张军等【l9 j 报导磁场会使 过氧化氢酶( c a t ) 的构象产生变化，c a t 酶经0 2 3 t 磁场处理，相对平均活力有一 定的升高，并且温度不同，活力增加幅度不同，2 5 酶活力变化较1 5 酶明显。 张军【2 0 】还研究了经0 6 l t 磁场处理1 h 所得磁化过氧化氢酶的滞后活力的变化。磁 化酶在放置过程中，活力下降慢于天然酶，相对活力随滞后时间的延长而增加， 活力变化曲线的线型随磁感应强度增加而呈现规律性变化。 磁场对酶的影响可能是改变了酶的构象形式。安燕【2 l 】等通过研究表明：不同 磁感强度( 1 0 3 5 0 m t ) 处理下酪氨酸酶( t y r ) 酶活性均有提高，荧光发射光谱分析 表明，磁化酪氨酸酶的荧光强度增强，构象发生了变化。林沁瑛【2 2 】认为，磁力线 对蛋白质中某些基团的扰动和对其共轭结构中自由电子跃迁的影响，使分子的内 部运动形式不同寻常状态，造成一定时间内活性部位构象微区性发生扰动，并形 成某些具有更高活力的构象形式，使酶的活力提高。而酶活力的波动性和最终完 全恢复的情况又表明：微生物蛋白质( 酶) 结构并未被破坏，而仅是发生了某些可 逆性的变化。贺华君【2 3 】也认为磁场能影响酶的构象，并且酶的构象变化与温度、 介质、磁化时间、场强等有关，而且构象变化的同时往往伴随着酶活力的变化。 王山杉【2 4 j 等对近年来国内外关于脉冲磁场和恒定磁场对于生物体内各种酶的活 性、构象、酶促反应动力学的效应的研究进行了综述。得出以下结论：在恒磁场 的实验中，以小于4 0 0 m t 的低磁感强度对酶处理数分钟至数小时后，常会对酶的 活性起到促进作用，而脉冲磁场的效果则没有一定的规律。酶活性的改变主要源 于其分子构象的改变，构象的变化也与场强、温度、处理时间、介质等许多因素 相关。磁场下酶促反应动力学的改变与酶分子、底物分子和介质的变化都相关。 1 2 2 2 磁致生物膜效应 生物膜是由蛋白质和类脂双分子层等组成的双层结构物，对稳定细胞内环境 起重要作用。细胞膜是一种选择通透性屏障，通过不同方式的的物质跨膜运动， 产生并维持了膜两侧不同物质特定的浓度分布。对某些离子来说，这一差异性的 物质跨膜运动就形成了膜两侧的电位差，细胞膜电位具有重要的生物学意义。细 胞膜对n a + 、k + 、c a 2 + 等离子有主动和被动运输作用。这些离子是细胞代谢、能 第一章文献综述 量交换、细胞兴奋和抑制的基础。因而生物膜对离子的主动和被动运输对生物的 新陈代谢和能量转换具有重要作用。而外加磁场能改变交换物质中带电离子的受 力作用，因而影响对生物膜的渗透能力，即对生物体内的新陈代谢作用和生物化 学反应速度产生影响。 范寰掣2 5 】研究了直流稳恒磁场对酸胁迫作用下悬浮培养南方红豆杉细胞生 长和代谢的影响。结果表明，磁场提高了红豆杉细胞的抗酸胁迫能力，并认为磁 场加速离子的跨膜运输，很可能是磁场增强红豆杉细胞抗酸胁迫能力的原因之 一。而无论是胞外h + 进入胞内，还是胞内碱性物质向胞外的分泌，磁场的作用均 使其得到加速。 姜常珍【2 6 】等研究了轴对称e l f 磁场作用下球细胞的感应电场和跨膜电位，并 通过相关实验讨论了磁场对c a 2 + 的影响，对不同磁场激励模式、不同频率下的跨 膜电位进行了仿真模拟。结果显示，e l f 磁场可以改变球细胞的跨膜电位，并与 频率相关。 1 2 2 3 磁致生物分子结构效应 生物体中含有结构复杂的生物大分子，它们既具有化学键能高的稳定的基本 结构，也具有化学键能较低的较不稳定的高级结构。如d n a 或i a 具有靠氢键 等次级键作用形成的三维结构，而这些弱作用力容易受到外界的干扰，在磁场作 用下，结构也会发生相应的变化。 n o v i k o v 【2 7 】等将恒磁场和交变电磁场作用于腹水癌细胞，发现可使其d n a 失去稳定性。黄德盈【2 8 】等发现经磁场作用过的d n a 区段内产生了新序列，证明 了磁场作用能引起d n a 突变。 但另外一些研究结果却与此不同：m a h d i 【2 9 】等研究表明，d n a 在磁场作用下 性能稳定；另外k a z u h i r on a k a m u r a 【3 0 】等的研究表明新植入菌体内的d n a 在强磁 场作用下也是稳定的。这也显示出磁场生物效应的复杂性，不同的磁场条件可能 导致截然不同的效果。 1 2 2 4 磁致水效应 水经磁化处理后获得的磁化水，其物理性质和化学性质都发生了一系列变 化。张敬贵【3 l 】报道磁处理后的液体密度、表面张力系数和粘稠度降低及p h 值、 渗透压、挥发性、折射率和电导率增大。磁化水渗透压的升高能促进物质交换和 生物体吸收、排泄：磁化水还能提高机体吸收酶分解产物能力。由于磁场可破坏 水溶液中离子的水合状态，使缔和度减少，渗透压增加自然水中含有多种溶质、 电解质、微生物等。当水流作切割磁力线运动时，水分子就会产生电离子，而水 第一章文献综述 中的溶质、有机物、无机物等也同样产生一定量的电离子。某种水产生电离子能 量的多少，随水中溶质含量的增加而增加。当生物细胞吸收了这种含有电离子能 量的水，同时也获得了水分子携带的这些电离子能量，所以就会产生与在磁场直 接处理相同的“磁生物电”效应【32 | 。 1 2 2 5 磁致生物自由基效应 自由基是带有孤对电子的原子或原子团，具有较大的化学活性。在许多生命 活动中都伴随有自由基的产生、变化或消失。细胞的程序化死亡，光合反应，种 子萌发过程中过氧化物酶体的活动等生命活动中都有自由基的活动。自由基带有 未抵消的电荷和自旋磁矩，因此在外加磁场作用下，自由基会受到l o r e n t z 力的作 用，自旋磁矩又会受到磁力的作用，外加磁场也就通过自由基影响了生物的生理 活动。杨修益【3 3 】等用旋转磁场作用于离体血液的研究显示，超氧化物歧化酶活性 明显升高，而过氧化脂质明显降低，说明磁场具有抑制自由基，增强抗氧化能力 的作用。 1 2 3 磁场生物效应的应用研究及发展 近年来，磁场的生物效应引起人们的广泛关注。磁场作用于生物体后可引起 生物体内一系列的变化，但各种研究结果表明，磁场对生物体产生的影响不同。 有的起抑制作用，使酶钝化或失活；有的却能增强酶活性，提高酶反应速度，促 进微生物的生长和新陈代谢。影响的结果主要取决于磁场性质及应用的微生物的 种类。 1 2 3 1 磁场对微生物生长的影响 磁场对微生物生长的影响较复杂，研究结果亦不甚一致，通常较强的磁感强 度会抑制微生物的生长，而弱磁场对微生物生长可能有促进作用，不同种类微生 物其磁效应的结果亦不同。 k a z u m a s a 【3 4 j 等研究了磁场对大肠杆菌在固定相中生长的影响，发现低强度 磁场下其生长具有明显的优势，高强度磁场下这种生长优势消失。代群威等【”3 6 】 亦发现静磁场对大肠杆菌的生长有一定的促进作用，它缩短了大肠杆菌生长周期 的“迟缓期”，而使“对数期”提前。他们还通过4 0 m t 和l2 0 m t 两种静磁场作用下表 皮葡萄球菌生长过程的研究，发现试验磁场加速了表皮葡萄球菌在对数生长期的 生长速率，而进入稳定生长期后其生长速率反而低于对照组，就整个生长周期而 言，静磁场作用下表皮葡萄球茵的总量大于对照组，表明了试验所选静磁场对表 皮葡萄球菌生长有一定促进作用。郑必胜【3 7 l 等系统研究外加磁场作用对螺旋藻生 第一章文献综述 长及其胞外多糖分泌的影响。研究发