（材料学专业论文）炭材料对微生物生长影响的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 炭材料具有良好的生物兼容性的事实已被学界和业界普遍认 同，并得到了非常广泛的应用。但是，炭材料生物亲和性的本质， 却一直困扰着人们，各国学者也在努力探索。本论文着重探讨了炭 材料对微生物生长过程的影响，它将有助于解释炭材料微生物亲和 性的本质和生物膜法污水处理工艺中炭材料表面牢固、快速固着活 性污泥现象的机理。 为探寻炭材料对微生物生长的促进作用，本研究主要采用枯草 芽孢杆菌和枯草芽孢杆菌黑色变种、啤酒酵母和白色念珠菌作为受 体微生物，通过调整培养基成分和控制受体微生物的生长环境的方 式：即对不同菌种分别添加化学抑制剂和石墨的方法，观察外界环 境对受体微生物生长过程的影响情况，进而确定抑制剂和炭材料的 存在对于微生物生长的影响程度。 通过以上不同对比组中的不同菌种、不同培养条件等因素的对 比，可以得到如下主要结论： 1 、 受体微生物生长在部分受到抑制的条件下，石墨能显示 出很强的生长促进作用，且这种促进作用能穿透玻璃传 ，递给受体微生物，由此推测该作用不是化学作用，而可 能是相互间的电磁作用； 2 、受体微生物生长在没有受到抑制和完全受到抑制两种 条件下，石墨的作用不显着。 关键词石墨；微生物；促进作用：生物亲和性 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t t h ee x c e l l e n t b i o c o m p a t i b i l i t y o fc a r b o nm a t e r i a l sa r ew i d e l y a c c e p t e d a n du t i l i z e d b y r e s e a r c h e r sa n dc o m m e r c i a la p p l i c a t i o n s c u r r e n t l y h o w e v e r ，t h em e c h a n i s mo fi t s e x c e l l e n t b i o c o m p a t i b i l i t y r e m a i n su n k n o w nf o ral o n gt i m e m a n ye f f o r t s a r ep l a c e do nt h e b i o c o m p a t i b i l i t yo fc a r b o nm a t e r i a l st h r o u g hi n t e r n a t i o n a lc o o p e r a t i o n r e s e a r c h e s t h ef o c u s c so fc u r r e n tr e s e a r c hm a i n l yc o n c e r nt h eg r o w t h p r o m o t i o ne f f e c t so fm i c r o o r g a n i s ma f f e c t e db yg r a p h i t ep o w d e r s t h e r e s e a r c hi s e x p e c t e dt ob es i g n i f i c a n ti ne l u c i d a t i n g t h eh y p o s t a s i s a b o u tt h eb i o c o m p a t i b i l i t yo fc a r b o nm a t e r i a l s ，a n de x p l a i n i n gw h yt h e s u r f a c eo fc a r b o nf i b e r sc o u l db o t hq u i c k l ya n df i r m l yi m m o b i l i z e m u c ho fa c t i v a t e ds l u d g ei nb i o - f i l mw a s t e w a t e rt r e a t m e n t f o rv e r i f y i n gt h eg r o w t h p r o m o t i o ne f f e c t so fc a r b o nm a t e r i a l so n m i c r o o r g a n i s m ，t h e c u r r e n tr e s e a r c ha d o p t e db a c i l l u ss u b t i l i s a n d b a c i l l u ss u b t i l i s v a r n i g e r ，s a c c h a r o m y c e sc e r e v i s i a e a n dc a n i d i a a l b i c a n sa sr e c e p t o rm i c r o o r g a n i s m s ，c o n t r o l l e dt h eg r o w t hc o n d i t i o n s u c ha sc h a n g i n gt h ec o m p o n e n tc o n c e n t r a t i o no fc u l t u r em e d i u m ， a d d i n gc h e m i c a li n h i b i t o ra n dg r a p h i t ep o w d e r ，f i n a l l yo b s e r v e dt h e g r o w t hp r o c e s so fm i c r o o r g a n i s m ，c o n s e q u e n t l yc o n f i r m e dt h ea f f e c t i o n o fi n h i b i t o r sa n dg r a p h i t eo nt h e s em i c r o o r g a n i s m s a c c o r d i n gt ot h ec o m p a r i s o nb e t w e e nd i f f e r e n ti n h i b i t o r sa n dg r o w t h c o n d i t i o n sm e n t i o n e da b o v e ，i ti sc o n c l u d e dt h a t ： 1 g r a p h i t ep l a c e sas t r o n gp r o m o t i o ne f f e c to nt h eg r o w t ho f m i c r o o r g a n i s m sw h e ni n h i b i t e dp a r t i a l l y t h i sp r o m o t i o ne f f e c t c a np e n e t r a t et h r o u g ht h eg l a s so ft h ep e t r id i s h e sa n dt r a n s f e r t o r e c e p t o rm i c r o o r g a n i s m s ，s o i tc o u l db ec o n s i d e r e da s e l e c t r o m a g n e t i ce f f e c tr a t h e rt h a nc h e m i c a lf a c t o r 2 w h e nt h eg r o w t ho fr e c e p t o rm i c r o o r g a n i s mw a si n h i b i t e d a b s o l u t e l yo rn o ta ta l l ，g r a p h i t e c a n ta c c e l e r a t et h eg r o w t h s p e e de v i d e n t l y k e yw o r d s ：g r a p h i t e ；m i c r o o r g a n i s m ；g r o w t h p r o m o t i o n e f f e c t s ； b i o c o m p a t i b i l i t y 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本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 被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 l 2 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：只缸j 孑l j 日期：加叼f 弓q 指剥币签名：裁免拳 日期：2 妒，8 df 口 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工 作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其它个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和 集体，均已在文中作了明确的说明a 本人完全意识到本声明的法律结果由 本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 、采用多种浓度的氯化钠、氯化汞和碘酒等化学抑制剂，以及稀释 培养基等方式抑制微生物生长； 2 、选取多种微生物培养以作比较，同为细菌的枯草芽孢杆菌和枯草 芽孢杆菌黑色变种，同为真菌的啤酒酵母和白色念珠菌； 3 、以鳞片石墨和膨胀石墨作为影响因素，探讨了炭材料的种类以及 存在方式对微生物生长的影响。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 论文研究背景 第一章绪论 随着全球经济的高速发展，人们在满足于物质生活日益丰富的 同时，不得不面对繁荣表象背后的一系列问题，譬如环境污染、资 源匮乏等。其中，对于人们生活生产有着非常重要地位的水资源遭 到了极大的破坏。为了保护人类赖以生存的水资源，大量防治和处 理污水的技术不断涌现，并被广泛应用于生产实际中。 近来有学者发现，水中碳纤维表面可以快速且牢固地固着大量 的微生物和含有大量微生物的活性污泥；同时，粒状生物活性炭作 为生物膜技术中的挂膜固着填料，在污水处理过程中也有着广泛的 应用。但是，长期以来，影响水中微生物在多孔炭材料表面固着的 关键制约因素一直不明确。深入研究炭材料表面大量微生物牢固、 快速固着现象及其关键影响因素，对于揭示炭材料生物亲和性本质、 开发新型生态环境材料、开发新型水环境整备技术等具有重要的学 术价值和指导意义。 炭材料具有很好的生物相容性，在生物学上具有独特作用，比 如，由炭材料制成的人工心脏瓣膜具有抗凝血性能1 1 ：1 ；炭牙植入物 对牙龈组织有很好的亲合性吲；炭纤维作为生物膜载体可促进微生物 繁殖l t 】；而活性炭用于污水处理时能使细菌活动加速从而缩短处理时 间等1 5 l 。此外，炭材料还能促进细菌的繁殖，如好碳杆菌、淋球菌、 百日咳嗜血杆菌和军团菌等1 6 d z l ；有机碳的加入可以增强细菌降解硫 酸的能力1 1 3 1 ；活性炭能促进啤酒酵母发酵等1 1 4 。到目前为止，关于 炭材料对微生物生长可能存在的影响，国内还鲜有报道。 本文的研究意义就在于，找出炭材料对微生物生长的影响，从 而为碳纤维在治理环境污水方面的应用提供理论支持。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 炭材料及其性能简介 炭和炭材料是促进人类进步、推动社会文明发展的重要材料， 是当今发展空间技术和战略武器必不可少的结构材料和耐烧蚀材 料。碳原子序数为6 ，是与周期表中与其它元素“友好而“合群 的元素：地球上的含碳化合物约有三百多万种，是周期表中其它元 素的所有化合物总和的六十多倍1 1 5 l 。碳及其化合物遍及地球各个角 落，是构成动、植物的基本元素。所以碳元素及炭材料对人类的文 明生活和生产实践至关重要。 1 2 1 碳与炭的区分 “碳与“炭这两个词，在有关食品和药品的文章中经常出现， 如碳水化合物，活性炭等。“碳与“炭 有时混用，意思表达不清， 有时导致误解。为了能更好的对炭材料进行研究，首先必须对碳、 炭进行较为准确的定义及区分，以避免概念与理解上的混乱。 1 、“碳 “炭 的定义和关系 “碳 与“炭 的关系式可表述为：炭= 无定形碳+ 杂质。英文 c a r b o n 一词二义，即碳和炭。美国材料试验学会( a s t b t ) 在其标准 中，就c a r b o n 作为两条术语列出： 碳，一种元素，在元素周期表中序号6 ，电子基态1 s 2 2 s 2 2 p 2 。 炭，就人造炭和人造石墨工艺而言，是一种主要由元素碳组成 的、具有有限的长程有序( 1 i m i t e dl o n g r a n g eo r d e r ) 的人造制 品( a r t i f a c t ) 。 2 、“碳 “炭 的区分方法 按照碳的定义、炭的第三种定义( 炭是以碳且以无定形碳为主 的人造物质) 以及碳与炭的关系式，可以区分“碳”与“炭 二字 的使用。具体来讲，首先看被判断的术语是否属于化学术语，若是， 则用“碳字：若不知是否，运用“炭是碳且以无定形碳为主的人 造物质 的定义加以判断即可，重点看是不是无定形碳，从而定出 该用何字1 1 6 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 “碳是化学元素c 的中文名称，左旁“石字表明碳是一种 非金属元素，代表原子序数为6 的一类原子。由碳元素组成的单质 有非晶态碳，石墨，金刚石等同素异形体，而由碳元素组成的化合 物则为数极多，最简单的如一氧化碳，二氧化碳等无机化合物，而 有机化合物则都含碳元素。所以，“碳 是一个与化学的“元素 密 切相关的概念，是2 0 世纪初西方近代化学传入我国创造出来并流行 的。 “炭是概括的工业性名词，我国用炭这个字已有两千多年的历 史，如木炭，煤炭和焦炭等。炭是化学成分不纯，随着原料及制备 工艺和条件不同而形成的无恒定组成及性质的含碳物质。木炭随所 用木料及烧制工艺和条件的不同，其化学组成和性质也不同。煤炭 有不同种类，其成分及性质也有所不同。焦炭由于配煤及工艺的不 同，所含杂质和性质也经常变化。与化学元素有关的名词均用“碳 。 例如：碳水化合物，碳源，碳酸盐，碳化，渗碳，脱碳，碳素钢， 碳链，碳环，碳化物，二十碳酸，二十碳五烯酸等。“炭”则都是物 质的名称，而所指的物质是混合物。除上述木炭等外，还可举出骨 炭，血炭，动物炭，木质炭，活性炭，炭黑，炭砖，炭精电极，炭 精棒等。以上虽然就“碳和“炭两个词的关系和区别进行了基 本说明，但事物是复杂的，有时在区分上可能存在不同的认识。在 此情况下，就宜以全国科学技术名词审定委员会公布的名词为准。 1 2 2 石墨简介 炭在自然界中的两种代表性物质为金刚石和石墨，其中绝大多 数是以层状石墨的形态存在的。从自然界的地质学上说：金刚石存 在于由地壳下地幔上部的岩浆，在火山爆发时遗留下来的金伯利岩 火山筒中。由大陆盾状地带发现的这种超盐基性矿物形成的火山筒， 垂直穿过堆积起来的地壳砂层，其断面的形状和大小不一。石墨存 在于变质岩和变质的石灰岩层中，因折皱而被压入地壳深处的有机 质堆积物，在高压下，因受岩浆及其伴随的气体和热水等高温作用 而变为石墨。石墨几乎都同粘土或其它矿物一起被开采出来。其形 状为块状、鳞片状、粉状等1 1 7 l 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 - l _ _ _ - - _ i _ - _ _ _ _ _ _ l _ - _ _ l _ - _ _ - - _ _ 一_ 由j i 会刚石和石墨的原了- j l 列不f 司，故使得二者的性质有很人 的区别，金刚行存自然界巾硬度最人，是不良导体，而石墨质软， 有优良的导电性。孑f 此仪对石翠进行着重介绍。图1 1 中所示为放 大2 0 0 0 倍的石墨图片。 图1 1 放大2 0 0 0 倍的孑i 墨i ”1 早在公元日矿五世纪的山海经中的两山经、中山经中， 就记载了出产石涅的情况，据清代学者郝懿行研究认定石涅就是石 墨( 郝氏撰书山海经笺疏以留后世，这是巾国最早的一部地理 书) 。公元自仃五世纪的战国时期，中幽最早约物学神农本草经成 节，其中“五色石脂”条列有石墨。其日：一名青、赤、黄、门、 黑符。黑符一名石泥，桐君其目无毒，生洛西山空地。北魏郦道远 水经注卷一f 。五：“洛水之侧有石墨山，【i4 - 7 尽墨，r j 1 以书疏”； i 司书卷二十“黄水：i 匕有墨l li ，l li 石奚黑，绘彩仓发，黝然若墨，故 i 胃之墨山，今河南新安有石墨【l1 ，斯其类也”。西晋、东晋和明清也 都有天j 二行墨资料的记载。近代地质学家章鸿钊所著石雅，其中 的石涅、石炭两篇也对石墨有过详细的论证。建国后，行墨 = 业得以长足的发展，石墨理论不断推“ ，技术0 ：断更新。特别是 近几年来，石墨工、i kj r 始改变单一的传统电炭产品结构，向着科技 深度和广度迈进，并发展出彳：少的新技术理论并研制许多高技术 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 产品1 1 8 1 。 我国具有十分丰富的石墨资源，探明储量占世界的2 3 ，全国 2 0 个省( 区) 有石墨矿产出，其中黑龙江、山东、内蒙、四川、河 北等省储量较丰富。因此，进一步深入开展石墨材料研究，具有积 极和显着的经济效益与社会效益1 1 9 。 1 2 3 石墨的结构与性能 石墨晶体的结构是层状结构，在同一层内，相邻的碳原子以共 价键结合，排列成平面的网状结构，在层与层之间，相邻的碳原子 以范德华力相结合，层与层之间易于滑移，表现了石墨晶体的滑腻 图1 2 六面体石墨晶体结构1 2 0 l 图1 - 3 菱面体石墨晶体结构1 2 0 l 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 性。图1 2 和1 3 分别体现了六面体结构和菱面体结构的石墨。在石 墨的每个碳原子的4 个带电子中，有3 个电子形成单健，而第4 个 电子则形成比较复杂的键( 大p 键) ，可以在层内移动，表现出石墨 具有金属光泽，能导热和导电。在石墨结构中，同层碳原子采用s p 2 杂化轨道以s 键与同层其它碳原子构成六边形的蜂窝式层状结构， 层内碳原子间为共价键，极难破坏，所以石墨的熔点很高，化学性 质很稳定；同时，由于每个碳原子都有垂直于每层平面的p 轨道， 层间碳原子可形成离域p 键。层间的p 键比层内的共价键要弱许多， 认为是范德瓦尔斯力。 图1 - 4 六方晶系石墨的晶体构造t 2 0 1 图1 - 5 石墨的x 光衍射图1 2 0 l 英国贝纳尔( b e r n a lj d ) 用x 射线衍射法( 图1 5 所示) 研究 了石墨的结构，他于1 9 2 4 年提出理想石墨的结构，又称贝纳尔结构。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 石墨属于六方晶系构造，如图1 4 所示。碳原子六角网格第一层对 第二层错开六角形对角线的1 2 面平行叠合，第三层和第一层位置 重复，成a b a b 序列。在石墨中，碳网层面的这种有规则的叠 合方式，层面之间相互关系，常称为石墨关系。从第一层到第三层 的a a 距离为石墨晶胞的c 向距离，常记为c 。在常温下，c o = 6 7 0 8 a ， 层间a b 距离为3 3 5 4 a 。层面上按碳原子点阵划出许多互相连接 的等边平行四边形，其边长为2 4 6 1 2 a 。六方晶系石墨简称六方石 墨1 2 0 】。 石墨由于其特殊结构，故具有耐高温性、导电导热性、润滑性、 化学稳定性、可塑性、抗热震性等优良品性。世界范围内石墨资源 非常丰富，因此其应用也十分广泛，在工业上主要应用以下几种性 能： ( 1 ) 润滑性：由于石墨材料层间结合力很小，当其与金属摩擦 时，在金属表面极易形成石墨薄膜，可以起到减摩润滑的作用。对 于表面抛光的钢，高强石墨在常温、大气中的动摩擦系数约为o 3 5 。 因此，石墨常被作为润滑剂、制造石墨轴承、模锻石墨乳等原料。 ( 2 ) 热膨胀性小：一般在2 0 - - 2 0 0 之间，挤压成型的石墨 制品，沿挤压方向的热膨胀系数为( 1 2 ) x 1 0 一 c ，垂直于挤压方 向为( 2 - - 3 ) x 1 0 一 c 。膨胀石墨板的热膨胀系数较大，如沿面方向 为5 x 1 0 6 ，沿厚度方向为1 0 0 x 1 0 一。c 。石墨制品具有较高的抗热 震性，石墨在常温下使用时能经受住温度的剧烈变化而不致破坏， 温度突变时，石墨的体积变化不大，不会产生裂纹，如电炉炼钢用 的石墨电极要承受急冷、急热作用等等。 ( 3 ) 良好的导热、导电性：一般沿晶体层面方向的传导性比垂 直于层面方向的大得多。但石墨的导热率和电阻均受温度影响，如 电阻系数在7 0 0 k - - - 9 0 0 k 以下为负值，9 0 0 k 以上为正值，导热率在 某一温度达到最大值，其余均会下降。正由于其各向异性的良导热、 导电性，才使石墨大量用作耐火材料、隔热材料和石墨电极。 ( 4 ) 可在广温度范围下使用：石墨的熔点为3 8 5 0 ，沸点达4 2 5 0 ，因此它在空气中可用到2 0 0 - - 4 5 0 0 ，在真空或还原性气氛中 可用到2 0 0 - - 3 0 0 0 。石墨的强度和硬度随温度的升高不是降低而 是升高。石墨在室温下基本属于脆性材料，在1 7 0 0 以上开始产生 蠕变，且蠕变量很小，因此在现代科技和工业中，它常被用在极高 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 温条件下。 ( 5 ) 化学性能稳定且无毒性：石墨对人体无毒。它在4 0 0 时 开始发生氧化，7 0 0 以上可与水蒸汽反应。9 0 0 以上可与c 0 2 反 应，1 0 0 0 以上才与氢反应。除王水、铬酸、浓硫酸及硝酸外，可 抵抗各种酸、碱和有机溶剂的侵蚀。在高温下，石墨可与许多金属 或非金属或它们的氧化物发生反应。由于石墨的耐辐照性和热中子 截面小，使它成为核反应堆中唯一可供选择的慢化材料。 ( 6 ) 其它特性：石墨具有可涂敷性、质轻、可塑性大、易加工 成形等特点，它还是一种重要碳源，可提供各种材料中所需的纯度 较高的碳。 1 2 4 石墨的分类 根据石墨的来源、表观性质、晶体片度、化学成分、用途及石 墨的特殊性能，可以作如下分类： ( 1 ) 依据来源：石墨分为天然石墨和人造石墨。人造石墨又叫 做电极石墨或电石墨，主要用于制造石墨电极，是用石油焦于高温 高压下挤压成形后，在缺氧状态下，如电炉中，在1 4 0 0 - - - 1 8 0 0 高 温下焙烧除去硫和挥发分后，再于2 2 0 0 - - 3 0 0 0 高温下石墨化而制 成的。 ( 2 ) 依据表观性质：天然石墨可分为鳞片石墨和无定形石墨， 晶质和非晶质石墨。 ( 3 ) 依据石墨晶体大小( 片度) ：隐晶石墨( 晶体片度 o 1 5 m m ) 。 ( 4 ) 依据用途：电碳石墨、电池用石墨、铸造用石墨、铅笔用 石墨。 ( 5 ) 依据化学成分：高纯石墨( 固定碳9 9 9 9 9 9 9 ) 、高碳石 墨( 固定碳9 4 0 - 9 9 o ) 、中碳石墨( 固定碳8 0 0 - 9 3 0 ) 、低碳 石墨( 固定碳5 0 0 7 9 o ) 。 ( 6 ) 依据石墨的特性：可膨胀石墨和不可膨胀石墨。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 ( 7 ) 依据粒度：石墨粉、石墨球、石墨粒、石墨砂，另外，还 有一种产品称为胶体石墨，这种产品是用胶体磨将高纯石墨粒度研 磨成到5 微米以下和一定的液体分散剂( 如水、油) 掺合形成的石 墨。 1 2 5 膨胀石墨 在本论文的实验操作中，选用鳞片石墨和膨胀石墨作为影响微 生物生长的材料，所以详细介绍这两种石墨。 膨胀石墨( e x p a n d e dg r a p h i t e ) 是由天然鳞片石墨与插层剂反应 生成石墨层间化合物( g r a p h i t ei n t e r c a l a t i o nc o m p o u n d 。g i c ) ，然后 经高温膨化而成的1 2 1 1 。其外观是_ 种疏松多孔而又蜷曲呈许多封闭 或半封闭似蠕虫状物质1 2 2 l 。它是一种性能优良的无机材料，广泛应 用于化工、冶金、机械乃至宇航领域l ：，- 2 4 l 。 膨胀石墨除了具备天然石墨本身的耐冷热、耐腐蚀、自润滑等 优良性能以外，还由于其特殊成型工艺及特殊的微观组织，而具有 天然石墨所没有的柔软、回弹性、低的应力松弛率等1 2 5 】。用于石油 化工、电力、冶金、机械等行业的各种动、静密封件，并表现出成 本低，耗能少，寿命长，效果好等优点l ：乱z ，】。随着科技进步和高科技 的开发，膨胀石墨这种新的无机材料，在高速、耐腐蚀、耐磨和节 能等高新领域中，逐步取代了某些金属材料和有机合成材料。 此外，膨胀石墨经烧伤动物模型及临床应用观察，具有吸附性 强、创面引流完全，无刺激、不染黑、不吸收、不影响伤口愈合的 特点，作为纱布的替代物具有一定优势1 2 8 。 1 2 6 鳞片石墨 天然鳞片石墨的含碳量为7 0 9 0 ，最高达到9 9 9 ，因 其形状为鳞状，故称鳞片石墨，属于晶质石墨，较隐晶质( 土状) 石墨含碳量高、灰分少、导电、导热、抗氧化性能好等，应用范围 非常广泛| 2 9 1 。 鳞片石墨属六方晶系，是碳元素同素异形体，呈鱼鳞片状，如 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 图1 8 所示，色泽银灰，具有金属光泽，质软富有滑腻感，比重2 1 2 3 ，在真空中熔点为3 8 5 0 ，挥发点为4 2 5 0 。从鳞片石墨的结 构看，为六方晶系，碳原子六角密排，每层原子间结合力很强，而 层间结合力较弱，因而多呈鳞片状1 3 0 1 。 天然鳞片石墨有许多优秀的性能，它是人类已知的最耐高温的 材料之一，它具有类似金属的良好导电性和导热性；它质轻，可塑 性好；化学稳定性突出，耐酸、抗氧化，因而成为国民经济各个工 业部门中应用极其广泛的重要材料。 鳞片石墨系由晶质( 鳞片状) 石墨矿石经加工、选矿、有的经 提纯而得的产品。鳞片石墨根据固定碳含量分为高纯石墨、高碳石 墨、中碳石墨及低碳石墨4 类，依照产品粒径、固定碳含量共分为 2 1 2 种牌号。高纯石墨( 固定碳含量大于或等于9 9 9 ) 主要用于柔 性石墨密封材料，代替白金坩埚用于化学试剂熔融及润滑剂基料等； 高碳石墨( 固定碳含量9 4 0 - - 9 9 9 ) 主要用于耐火材料、润滑剂 基料、电刷原料、电碳制品、电池原料、铅笔原料、填充料及涂料 等1 3 ：1 ；中碳石墨( 固定碳含量8 0 - - 9 4 ) 主要用于坩埚、耐火材 料、铸造材料、铸造涂料、铅笔原料、电池原料及染料等。低碳石 墨( 固定碳含量大于或等于5 0 0 - - 8 0 o ) 主要用于铸造涂料。 1 2 7 石墨的应用 随着石墨的不断发展，石墨的应用可分为天然和人工合成两种 应用形式。虽然应用形式不同，但其在我们日常的工业生产与生活 中所占的比例基本上差不多，下面进行概括性的介绍： 1 ) 耐火材料：包括耐火砖、坩埚、耐火罩盖、连续铸造粉、i 铸 模芯、铸造涂覆剂和最耐高温材料等。 2 ) 耐磨材料和润滑剂。 3 ) 制动工业的原材料：如刹车的制动剂等。 4 ) 导电材料：用石墨作电极、电刷、电棒、炭管以及电视机显 像管的涂料等。 5 ) 在电气工业中的应用：包括在蓄电池( 碱性电池、锂电池) 、 燃料电池、负载均衡电池、计算机和电视中的应用1 3 3 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 6 ) 良好机械加工性和耐高温性方面的应用：可用作连续铸造时 采用的结晶器。 7 ) 还有一些耐蚀性材料，密封材料、防辐射材料等。 随着人们对石墨的不断研究，石墨的性能会被人们逐渐的开发 完善，使它的应用范围更广泛，为人类做出更大的贡献。 1 3 微生物学基础 微生物是自然界一个庞大的种群，在自然的生态平衡和物质循 环中起着不可替代的重要的作用，影响着人类日常的生产与生活， 可谓与人类有着密切的“共生 关系。不论什么物质，它的存在都 会有两面性的，有时会对人类产生有利的因素，而有时又会对人类 造成致命的打击。不过只要我们能掌握其规律，并加以正确利用， 就有可能把不利的转化为有利于人类的因素。目前，许多微生物被 人类广泛运用于医学研究、环境保护、工业生产、能源开发，粮食 增产等领域。 1 3 1 微生物简介 微生物并不是生物分类学上的名词，它是包括所有形体微小的 单细胞，或个体结构简单的多细胞，或没有细胞结构的低等生物的 通称。微生物是一群进化地位较低的简单生物，其类群十分庞杂， 有原核类的细菌、放线菌、蓝细菌、立克次氏体、衣原体和支原体， 真核类的酵母菌、霉菌、担子菌、原生动物和显微藻类，还有不具 细胞结构的病毒和类病毒等，因为肉眼难以分辨小于l m m 的物体细 节，所以，通常必需借助光学显微镜甚至电子显微镜才能观察微生 物的形态结构和大小。 但也有例外，有报道称德国科学家在非洲纳米比亚海岸的海床 沉积物中发现接近于肉眼可见的世界上最大细菌，这种细菌呈球状， 普遍有0 1 o 3 r a m 宽，有的可达0 7 5 r a m ，它们比一般细菌大1 0 0 0 倍以上；另外，一些真核微生物的个体也可以被肉眼观察到，有些 甚至很大，如蘑菇、木耳和马勃等担子菌。对于大多数微生物来讲， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 显微镜是观察和研究它们的必备条件l l 。 微生物( m i c r o o r g a n i s m ，m i c r o b e ) 是一切肉眼看不见或看不清 楚的微小生物( 0 1 r a m ) 的总称。它们大多为单细胞，- 少数为多 细胞，还包括一些没有细胞结构的低等生物，包括属于原核类的细 菌、放线菌、支原体、立克次氏体、衣原体和蓝细菌( 过去称蓝藻 或蓝绿藻) ，属于真核类的真菌( 酵母菌和霉菌) 、原生动物和显微 藻类，以及属于非细胞类的病毒、类病毒和朊病毒 3 5 1 等。 1 3 2 微生物特性 当前，工农业生产和生命科学研究中广泛采用微生物为材料和 对象的根本原因是由于微生物的个体一般都是一个能自我增殖的、 多功能的和小体积大面积的单细胞系统。这种体积小、面积大的优 势为工农业生产和科学研究提供了极大的便利。 因而，微生物成为生产和科研的主要材料和对象也不足为奇了。 现将微生物的一般特性概括为以下五大共性： ( 一) 体积小、面积大 微生物的个体都极其微小，要测量它们，必须用微米或纳米作 单位。各类微生物个体大小的差异也十分明显。粗略估计，真核类 的微生物、原核类微生物、非细胞微生物、生物大分子、分子和原 子间大小之比，大都以1 0 ：1 的比例递减。迄今所知的最简单与最 小的专性细胞内寄生的类病毒一一马铃薯纺锤形块茎病的病原体， 为一个以3 5 9 个核苷酸组成的裸露r n a 生物大分子，此病原体长度 仅为5 0x1 0 一m 。 ( 二) 吸收多、转化快、 生物界的一个普遍规律是，某一生物的个体越小，其单位体重 所消耗的食物就越多。营养物质吸收多、转化快的结果，为微生物 的迅速生长繁殖，以及为人们生产大量发酵产品提供了充分的物质 基础。 ( 三) 生长旺、繁殖快 ( 四) 易变异、适应强 微生物的个体一般都是单细胞或接近于单细胞的，它们通常都 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 是单倍体，加之它们具有繁殖快、数量多及与外界环境直接接触等 原因，即使变异的频率十分低( 一般为1 0 5 1 0 d o ) ，也可在短时间 内出现大量变异的后代。因此，微生物的变异性使其具有极强的适 应能力，诸如抗热性、抗寒性、抗盐性、抗干燥性、抗酸性、抗缺 氧、抗压力，抗辐射以及抗毒等能力，可谓是生物界的“绝对冠军 。 这是微生物在漫长的进化历程中所经受各种复杂环境条件的影响和 选择的结果。 ( 五) 种类多、分布广 据粗略统计表明，现今所知的动物有上百万种，而植物和微生 物加在一起约三十万种。由于微生物的发现比动植物迟得多，加上 鉴定微生物种的工作以及划分种的标准等问题较复杂，所以目前已 确定的微生物种数仅只有十万种左右。但是，从生理类型和代谢产 物的角度看，微生物就大大超过动植物。从生物圈、土壤圈、水圈、 直至大气圈、岩石圈，到处都有微生物家族的痕迹1 3 6 l 。 1 4 微生物的生长和繁殖规律 1 4 1 微生物的生长和繁殖 微生物在适宜的环境条件下，不断地吸收营养物质，并按照自 己的代谢方式进行代谢活动，如果同化作用大于异化作用，则细胞 质的量不断增加，体积得以加大，于是表现为生长。简单地说，生 长就是有机体的细胞组分与结构在量方面的增加。 单细胞微生物如细菌，生长往往伴随着细胞数目的增加。当细 胞增长到一定程度时，就以二分裂方式，形成两个基本相似的子细 胞，子细胞又重复以上过程。在单细胞微生物中，由于细胞分裂而 引起的个体数目的增加，称为繁殖。在一般情况下，当环境条件适 合，生长与繁殖始终是交替进行的。从生长到繁殖是一个由量变到 质变的过程，这个过程就是发育。 微生物处于一定的物理、化学条件下，生长发育正常，繁殖速 率也高；如果某一或某些环境条件发生改变，并超出了生物可以适 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 应的范围时，就会对机体产生抑制乃至杀灭作用。 1 4 2 细菌纯培养的群体生长规律 在适宜条件下，大多数细菌的繁殖速度都很快。大肠杆菌在合 适条件下，每2 0 分钟左右便可分裂一次，如果始终保持这样的繁殖 速度，一个大肠杆菌细胞连续分裂，在4 8 小时内，其子代群体可达 2 2 x1 0 4 3 个，质量可达2 2 1 0 2 5 t ，约为地球质量的3 6 8 0 倍。 显然，这种情况决不会发生。 将少量单细胞纯培养接种到一恒定容积的新鲜液体培养基中， 在适宜的条件下培养，定时取样测定其细菌含量，可以看到以下现 象：开始有一短暂时间，细菌数量并不增加，随之细菌数目增加很 快，既而细菌数又趋稳定，最后逐渐下降。如果以培养时间为横坐 标，以细菌数目的对数或生长速度为纵坐标作图，可以得到一条曲 线，称为繁殖曲线，通常又称为生长曲线。生长曲线代表了细菌在 新的适宜的环境中生长繁殖直至衰老死亡全过程的动态变化。根据 细菌生长繁殖速率的不同，可将生长曲线大致分为延迟期、对数期、 稳定期和衰亡期四个阶段。 ( 1 ) 延迟期 少量细菌接种到新鲜培养基后，一般不立即进行繁殖，生长速 度近于零。因此在开始一段时间，细菌数几乎保持不变，甚至稍有 减少。这段时间被称为延迟期，又称为迟缓期、调整期或滞留适应 期。处于延迟期细菌细胞的特点是分裂迟缓、代谢活跃。延迟期的 长短与菌种、种龄、接种量和培养基成分有关。 ( 2 ) 对数期 对数期又称指数期。这一阶段突出特点是细菌数以几何级数增 加，代时稳定，细菌数目的增加与原生质总量的增加，与菌液混浊 度的增加均呈正相关性。 ( 3 ) 稳定期 又称恒定期或最高生长期。处于稳定期的微生物，新增殖的细 胞数与老细胞的死亡数几乎相等，整个培养物中二者处于动态平衡， 此时生长速度又逐渐趋向零。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 稳定期的细胞内开始积累贮藏物，如肝糖、脂肪粒等，大多数 芽孢细菌也在此阶段形成芽孢。如果为了获得大量菌体，就应在此 阶段收获，因这时细胞总数最高；这一时期也是发酵过程积累代谢 产物的重要阶段，某些放线菌抗生素的大量形成也在此时期。 ( 4 ) 衰亡期 稳定期后如再继续培养，细菌死亡率逐渐增加，以致死亡数大 大超过新生数，群体中活菌数目急剧下降，出现了“负生长 ，此阶 段叫衰亡期。 1 5 环境对微生物的影响 物理因素、化学因素、生物因素对微生物的促进、抑制、杀死 作用。涉及到的学科有环境微生物物理、光微生物物理、电磁辐射 生物物理、声波物理等交叉学科。 微生物的生长繁殖是通过与外界环境进行物质和能量交换而实 现的，环境条件的改变对微生物的生长会造成不同程度的影响。外 界条件适宜时，微生物进行正常的生长繁殖；不适宜时，微生物的 生长会受到抑制，甚至导致死亡。不同类型的微生物对同一环境因 素的适应能力不尽相同，一种特定的环境条件对某些微生物而言是 适宜的，而对另一些微生物可能不利甚至有害，例如嗜热细菌在高 于5 5 的高温条件下能正常生长，而嗜温细菌在这样的条件下则不 能生长。另一方面，一种微生物对不同的环境因素的适应能力也不 同，某些特定的环境因素的变化会对微生物造成不同程度的影响。 1 5 1 微生物生长的抑制 生长是微生物与外界环境因素共同作用的结果。环境条件的改 变，可引起微生物形态、生理、生长、繁殖等特征的改变；或者抵 抗、适应环境条件的某些改变；当环境条件的变化超过一定极限， 则导致微生物的死亡。 为了抑制和消除微生物的有害作用，人们常采用多种物理、化 学或生物学方法，来抑制或杀死微生物。常用以下术语来表示对微 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 生物的杀灭程度。 1 、灭菌， 用物理或化学方法杀灭物体上所有的微生物( 包括病原微生物 和非病原微生物及细菌芽孢、霉菌孢子等) ，称为灭菌。 2 、消毒 用物理或化学方法仅能杀灭物体上的病原微生物，而对非病原 微生物及芽孢和孢子不一定完全杀死，称为消毒。用来消毒的药物 称为消毒剂。 3 、防腐 防止或抑制微生物生长和繁殖的方法称为防腐或抑菌。用于防 腐的化学药品称为防腐剂。某些化学药物在低浓度时为防腐剂，在 高浓度时则成为消毒剂。 4 、无菌 指没有活的微生物存在。采取防止或杜绝一切微生物进入动物 机体或物体的方法，称为无菌法。以无菌法操作时称为无菌操作。 在进行外科手术或微生物学实验时，要求严格的无菌操作，防止微 生物的污染。 不同的微生物对各种理化因子的敏感性不同，同一因素不同剂 量对微生物的效应也不同，或者起灭菌作用，或者可能只起消毒或 防腐作用。在了解和应用任何一种理化因素对微生物的抑制或致死 作用时，还应考虑多种因素的综合效应。例如在增高温度的同时加 入另一种化学药剂，则可加速对微生物的破坏作用。大肠杆菌在有 酚存在的情况下，温度从3 0 增至4 2 时明显加快死亡；微生物的 生理状态也影响理化因子的作用。营养细胞一般较孢子抗逆性差， 幼龄的、代谢活跃的细胞较之老龄的、休眠的细胞易被破坏；微生 物生长的培养基以及它们所处的环境对微生物遭受破坏的效应也有 明显的影响。如在酸或碱中，热对微生物的破坏作用加大，培养基 的粘度也影响抗菌因子的穿透能力；有机质的存在也干扰抗微生物 化学因子的效应，或者由于有机物与化学药剂结合而使之失效，或 者有机质覆盖于细胞表面，阻碍了化学药剂的渗入。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 1 5 2 影响微生物生长的因素 1 、温度 温度通过影响蛋白质、核酸等生长大分子的结构与功能以及细 胞结构如细胞膜的流动性及完整性来影响微生物的生长、繁殖和新 陈代谢。过高的环境温度会导致蛋白质或核酸的变性失活，而过低 的温度会使酶受到抑制，细胞的新陈代谢活动减弱。每种微生物只 能在一定的温度范围内生长，低温微生物最高生长温度不超过2 0 ， 中温微生物的最高生长温度低于4 5 ，而高温微生物能在4 5 以上 温度条件下正常生长，某些极端高温微生物甚至能在1 0 0 以上的 温度条件下生长。微生物群体生长、繁殖最快的温度为其最适生长 温度但它并不等于其发酵的最适温度，也不等于积累某一代谢产物 的最适温度。 温度是影响有机体生长与存活的最重要的因素之一。它对有机 体的影响表现在两方面：一方面随着温度的上升，细胞中的生物化 学反应速率和生长速率加快。在一般情况下，温度每升高1 0 ，生 化反应速率增加一倍；另一方面，机体的重要组成如蛋白质、核酸 等对温度都较敏感，随着温度的增高而可能遭受不可逆的破坏。因 此，只有在一定范围内，机体的代谢活动与生长繁殖才随着温度的 上升而增加，当温度上升到一定程度，开始对机体产生不利影响， 如再继续升高，则细胞功能急剧下降以至死亡。 就总体而言，微生物生长的温度范围较广，已知的微生物在零 下1 2 1 0 0 均可生长。而每一种微生物只能在一定的温度范围内 生长。各种微生物都有其生长繁殖的最低温度、最适温度、最高温 度和致死温度。 最低生长温度：是指微生物进行繁殖的最低温度界限，如果低 于此温度，则生长完全停止。 最适生长温度：能够使微生物迅速生长繁殖的温度叫做最适生 长温度，在此温度下，微生物群体生长繁殖速度最快，代时最短。 不同微生物的最适生长温度是不一样的。 最高生长温度：是指微生物生长繁殖的最高温度界限。 致死温度：最高生长温度若进一步升高，便可杀死微生物，这 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 种致死微生物的最低温度界限即为致死温度，致死温度与处理时间 有关。 微生物按其生长温度范围可分为低温微生物、中温微生物和高 温微生物三类。 2 、氢离子浓度( p h ) 环境中的酸碱度通常以氢离子浓度的负对数即p h 值来表示。 环境中的p h 值对微生物的生命活动影响很大，主要作用在于：引 起细胞膜电荷的变化，从而影响了微生物对营养物质的吸收；影响 代谢过程中酶的活性；改变生长环境中营养物质的可给性以及有害 物质的毒性。 不同微生物对p h 条件的要求各不相同，它们只能在一定的p h 范围内生长，这个p h 范围有宽、有窄，而其生长最适p h 常限于一 个较窄p h 范围，在最适范围内酶活性最高，如果其它条件适合， 微生物的生长速率也最高。大多数细菌、藻类和原生动物的最适p h 为6 5 7 5 ，在p h4 1 0 之间也可以生长；放线菌一般在微碱性即 p h 7 5 - - - , 8 最适合；酵母菌、霉菌则适合于p h 5 - - 6 的酸性环境，但 生存范围在p h l 5 1 0 之间。有些细菌甚至可在强酸性或强碱性环 境中生活。对p h 条件的不同要求在一定程度上反映出微生物对环 境的适应能力，例如肠道细