（有色金属冶金专业论文）紫外线损伤微生物机理及增强活性污泥降解特性应用研究.pdf

摘要 本文首先研究r 紫外线损伤水域中微生物的作用、反应及其抵御紫外 线损伤的机理，指出虽然紫外线对域中微生物具有很强的损伤作用，但是 微生物同样具有强大的自我修复机能，微生物这种适应环境的能力，能够 确保微生物即使生活在强辐射的情况下仍然能够保持其种属特性。 本文通过机理研究还发现，微生物由于其内部结构的不同，比如微生 物细胞膜结构、膜成分的差异，细胞内含物的差异；微生物大小的不同， 生长情况的不同，均会使微生物对紫外线的敏感性存在差异，这一差异为 人们利用紫外线辐射提供了契机。 作为紫外线辐射的对象，本文综述了活性污泥中聚磷菌群和聚糖原菌 群的特点。 基于对这些理论研究的分析，本文作了紫外线辐射增强活性污泥降解 废水的实验，发现紫外线能提高活性污泥降解效率，在辐射剂量为2 0 w ( 2 5 4 n m ) 、0 5 m i n 时，紫外线可提高活性污泥降解c o d 的能力2 0 以上， 提高降解t p 的能力1 0 以上。 长期以来人们认为紫外线的增强作用是由于紫外线导致微生物产生突 变的结果，本论文洋细地研究了诱变的机理和几率后，认为紫外线对活性 污泥的增强作用不可能是紫外线诱变所致，因为，活性污泥中突变了的极 少数微生物不能发挥只有优势菌群才能发挥增强的作用。 同时，本文提出了紫外线可能会改变活性污泥优势菌群的状况导致其 具有增强作用的假说。为了证实该假说，本文利用昆明市第一污水处理厂 活性污泥进行实验，茸先对活牲污泥各优势菌群进行_ ：厂微生物分类学研 究，调查了原污泥中各优势菌群的比例，然后在紫外线辐射增强活性污泥 的t p 实验过程中，利用菌群整体参数监测、菌群整体染色监测的方法， 监测活性污泥的各种特性参数，以观察活性污泥中各优势菌群的表现。通 过对实验原始记录的静态对比和动态分析发现，紫外线增强活性污泥t p 去除率的原因就是改变了活性污泥中的菌群结构状况，紫外线辐射优化了 聚磷菌群在活性污泥中的生活环境，导致聚磷菌群的作用在活性污泥中被 突出出来，从而使得活性污泥的整体聚磷效率的提高。这一结论充分证实 了先前的假说。 紫外线对活性污泥增强作用新理论解释的发现，为人们利用紫外线增 强逶髅污混蟾处理效率羹定了蘧论基懿，炎瞧寒这方覆弱磷究撼燕了遂 路。假必须搬出的燎这些研究必须建立在对活性污泥荫群及其变化舰律透 穆静了艇上，霹疆辑言入稍瓣滔缝污潺中所霈耍静嚣轹蓠群特往越2 ，簿， 紫外线辐射对活性污泥降解能力的增强作用将越显著。 a b s t r a e t t h et h e s i s f i r s t l y r e s e a r c h e st h eb a s i ct h e o r i e s o nu vd a m a g e st o a q u a t i cm i c r o o r g a n i s m s a sw e l la sr e a c t i o n so f t h ed a m a g e sa n du vd a m 8 9 。 r e s is t a n l p r i n c i p l e sb y m i c r o o r g a n i s m s i tw a sp o i n t e d o u t t h a t m i c r o o r g a n i s m s e v o l v e dt o r e p a i r t h e m s e l v e ss t r o n g l y a n dt h e r e f o r 。c a n k e e pt h e i ru n i q u es p e c i e s c h a r a c t e r is t i c s t h o u g hl i v i n g i n h i g h i r r a d i a n c e s u r r o u n d i n g s t h et h e s i ss t i l lf i n d ss e n s i t i v ed i f f e r e n c ea m o n g o w i n gt od i f f e r e n t i nv i v os t r u c t u r es u c ha sm e m b r a n e e l e m e n t s ，i n t e r n a lp a r t i c l e s ，d i f f e r e n t s i z e sa n d d i f f e r e n c e st r i c kf u r t h e ru v u t i l i z a t i o n m l c r o o r g a n l s m s a r e s t r u c t u r e ，m e m b r a n e l i v i n gs t a g e s ，t h e a st h et a r g e t so fu vi r r a d i a t i o n ，t h e t h e s i ss u m su pt h ef e a t u r e s o f b i o pa n dg l y c o g e na c c u m u l a t e dm i c r o o r g a n i s m s t h ee d i t o ru s e du vt oe n h a n c et h ep o l l u t a n tr e m o v a lr a t e o fa c t i v a t e d s l u d g eu n d e r l i n et h ea n a l y s i so ft h ea b o v et h e o r i e s m o r et h a n2 0 o f c o d e n h a n c e df e m o v a l r a t ea n d 10 o ft pw e r e a c h i e v e du n d e r t h eu v i r r a d i 8 t i o na tt h ed o s eo f2 0 w ( 2 5 4 n m ) f o r 0 5r a i n u vm u t a l i o nw a sf o r m a l l yr e c o g n i z e da st h er e a s o no f t h ee n h a n c e m e n t t h et h e s i sr e c o g n i z e d t h a tu vm u t a t i o nr e s u l t i n g i ne n h a n c e m e n to f a c t i v a t e ds l u d g ep o l l u t a n tr e m o v a li si m p o s s i b l e ，b e c a u s ev e r yl i t t l e m u t a n t i n d e x e dc a nn o ta c h i e v es u c ha e n h a n c e dr e m o v a lr a t e t h a to n l yd o m i n a n t b a c t e r i ai na c t i v a t e ds l u d g ec a n a tt h es a m e ，t h et h e s i sp u tf o r w a r dah y p o t h e s i st h a tt h er e a s o no fu v e n h a n c e m e n ti sd u et od o m i n a n tb a c t e r i ac h a n g eo fa c t i v a t e ds l u d g eb yu v i r r a d i a t i d n t h ea c t i v a t e ds l u d g ef r o mk u n m i n g n o 。1s t pw a su s e dt op r o v e t h e h y p o t h e s i s t a x o n o m yo f d o m i n a n tb a c t e r i a i nt h ea c t i v a t e ds l u d g e i n c l u d i n gt h er a t i o o ft h e mw a st e s t e d u n i q u e a c t i v a t e ds l u d g ed a t aa n d i n - s i t u s t a i nm o n i t o rd a t aw e r e c o l l e c t e di nu ve n h a n c e d t pr e m o v a l e x p e r i m e n t t ou n d e r s t a n d h o w c o m p a r i s o na n dd y n a m i ca n a l y s i s t h ed o m i n a n t b a c t e r i ac h a n g e d s t a t i c o ft h ed a t ap r o v e dt h a tu ve n h a n c e dt p r e m o v a li sd u et ot h er e a s o no ft h ed o m i n a n tb a c t e r i ac h a n g e di na c t i v a t e d s l u d g e u vi m p r o v e d t h e l i v i n gs u r r o u n d i n g s o fb i o pa c c u m u l a t e d m i c r o o r g a n i s m sa n dm a d et h e md o m i n a t et h ea c t i v a t e ds l u d g er e s u l t i n g i n t h ee n h a n c e m e n t t h er e s u l tf u l l yp r o v e dt h eh y p o t h e s i s t h en e wt h e o r e t i ce x p l a n a t i o nt ou ve n h a n c e m e n to fa c t i v a t e ds l u d g e i m p r o v e s t h e u n d e r s t a n d i n g o fb a s i ct h e o r i e so fu ve n h a n c e da c t i v a t e d s l u d g ep o l l u t a n tr e m o v a la n df i n d so u rw a yt o m a k eu s eo fu v bu tw h a t isw o r t h p o i n t i n g o u tist h a tb e t t e ru n d e r s t a n d i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c s a n d c h a n g er e g u l a t i o n o f t a r g e t b a c t e r i au vi s v e r yi m p o r t a n t i nt h e s e r e s e a r c h e s t os u mu p ，t h eb e t t e r w eu n d e r s t a n dt h eb a c t e r i a ，v c em a y a c h i e v et h em o r ei d e a le n h a n c e da c t i v a t e ds l u d g er e m o v a lr a t e 昆明理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导艇的指导下( 或 我个人) 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内 容外，本论文不含任何其他个人或集体融经发表或撰写过的研究成 果。对本文的研究做出重要嚣献的个人稻集体，均已在论文中作了翳 确的说明并表示了谢意。本声骥的法律结果出本人零挝。 学位论文作者签名：l b 幢丸c 、 ? 1 日期：bo j年3 月厂嚣 昆明理工大学博士论文 刖置 本文通过研究紫夕 线辐射对微生物影响的机理，指出微生物对紫外线 具有天然的抗拒能力，虽然它们易于受到紫外线辐射的损伤，但是它们所 进化出的对紫外线顽强的抵御能力，在漫长的进化过程中保持种属特性的 能力是十分巨大的。本研究考察了紫外线诱变对微生物菌群作用的效果， 发现紫外线对微生物菌群的诱变根本无法改变微生物菌群的整体特性，但 是它却有能力改变自然的或人工的生态组成状况。这使得紫外线作为一种 自然环境生态影响因素能为人们所利用，从而发挥其应有的作用。笔者在 掌握了这一理论前提的基础上利用紫外线对污水处理厂的活性污泥细菌群 体进行了辐射实验，在实验过程中发现紫外线辐射确实可以增强活性污泥 去除实验废水中营养物质的能力，而实验进一步证实了紫外线在生态群体 中的作用。 本研究为了确立目标微生物菌群，对当今世界环境微生物学界研究的 前沿活性污泥细菌群体一一聚磷菌群种属发生、及它们的生理特征、种属 之间的关系等进行了广泛的研究，整个研究过程如图1 所示。 紫外线对微生物作用机 理研究 紫外线光敏化机理研究 紫外线光敏化反应研究 紫外线对微生物生理影 响研究 微生物对紫外线抵御的 研究 昆明理工大学博士论文 第一章辐射目标菌群的研究 f 1 概述 1 1 1 活性污泥额外磷降解机理的发展 活性污泥额外磷降解机理的研究始于印度，印度的s r i n a t h 1 】第一次描 述额外生物磷降解过程，他观察到在生物磷降解过程中微生物摄取磷的数 量比生长需要的多得多。 l e v i n 和s h a p i r o t 2 】首次建立活性污泥生物磷降解模式，1 9 6 7 年又将研 究重点放在活性污泥厌氧磷降解过程上，发现厌氧过程中磷的传递方式。 m i l b u r y t 3 】发现磷降解机理的证据后，认为活性污泥生化磷降解的第一步不 应是耗氧过程，并发现磷的最大储存量。自此以后，针对生化磷降解过程 的整个研究过程开始了。 由f u h s 和c h e n l 4 于7 0 年代开始的一项研究中，分离出了一系列属 于a c i n e t o b a c t e r 属的细菌，他们认为它是活性污泥中主要磷降解的微生物。 它们富集了大量的聚合磷酸和聚合酰基丁酸。他们预言厌氧过程中这类微 生物需要合成挥发性脂肪酸，以此有机质为基础供聚合磷酸微生物的聚磷 过程所用。这些细菌可以在耗氧条件下消耗这些有机质用于生长，并富集 额外的磷酸。遗憾的是他们没有将厌氧条件下磷酸的释放过程与耗氧条件 下磷酸的富集过程结合起来考虑。 1 1 2 活性污泥额外磷降解条件的研究发展 1 9 8 1 年r e n s i n k l 5 首次揭示：聚酰基脂肪酸是生物在耗氧条件下生物存 活所需要的具有能量的有机质，聚酰基脂肪酸的消耗直接导致聚合磷酸的 产生，而后者是该生物在厌氧条件下的能量储备，他首次将厌氧条件下磷 酸的释放与耗氧条件下聚合磷酸的富集过程结合起来。 1 9 8 7 年v a ng r o e n e s t i j i n l 6 ) 的文章描述道：厌氧条件下，微生物储存起 来的聚合磷酸能量在聚合磷酸酶的催化下合成a t p 。同年a u r n 【7 l 和1 9 9 4 年s m o l d e r s f 8 j 的文章中有以下见解：以上过程中合成的a t p 用于摄取低级 脂肪酸，最终形成聚合酰基脂肪酸。其转化机理与葡萄糖转化成聚合酰基 丁酸大致相同。当氧、氮和硝酸根离子在有机质出现时，聚合酰基脂肪酸 则成为原料用于繁殖，并同时储存聚磷和葡萄糖1 9 1 1 0 l 。 1 1 3 聚磷菌群生理生化形态研究的发展污水中生化磷降解无非以下两 昆明理工大学博士论文 种方式进行：一、细胞生长：二、储存于额外的含磷原生质如聚合磷酸中。后 者正式叫做”额外磷去除 2 1 是额外磷去除的关键过程，这个过程主要由污 水经厌氧区到达耗氧区的循环过程实现【】。此过程对聚磷酸微生物f 聚合磷 酸微生物p o l y p h o s p h a t ea c c u m u l a t e d ) 具有选择性，致使聚磷酸微生物在水 体中成为优势微生物种。这样高含磷活性污泥才能得到高的磷去除效果。 聚磷酸生物形成的前提是：污水先进入厌氧过程，活性污泥与污水充分混合 后，活性污泥便能从污水中摄取喜食的碳源。聚磷酸微生物能这样作的原 因是它们水解体内所储存的聚合磷酸，为厌氧摄食碳源提供能量，因此在 厌氧过程中聚磷酸生物摄取碳源并将其以聚合酰基脂肪酸的形式储存，同 时伴随着聚合磷酸的水解和正磷酸的释放。在后来的耗氧过程中，聚磷酸 微生物消耗储存的聚合酰基脂肪酸作为碳源和能量用于增殖，并摄取磷酸 恢复体内聚合磷酸的含量。由于聚合酰基脂肪酸是一种低聚物，要合成它 们必须还原。解释这一还原过程一般有两种模式：一种是源于体内储存糖元 降解的模式( m i n o ! ”1 模式) ，一种是通过柠檬酸循环氧化乙基辅酶a 产生所 需还原能的模式。 在1 9 9 1 年的时候j e n k i n s 和t a n d o i i ”1 已对额外磷去除过程的微生物 学进行了回顾。但那时虽然在1 9 7 5 年f u h s 和c h e n e4 1 ，1 9 8 3 年b u c h a n 1 4 】， 1 9 8 5 年l o t t e r 1 5 1 都认为a c i n e t o b a c t e r ( 不动杆菌属) 是主要的额外磷去除的 主要菌种。但从它的纯种特性看，没有一种a c i n e t o b a c t e r 菌在活性污泥中 表现具有额外磷去除的能力，不但如此，至今没有任何一种纯种菌被证实 为额外磷去除的主要菌。换句话说，现在没有人能将在活性污泥中主要发 挥额外磷去除作用的微生物分离出来，因此无法得到研究额外磷去除的微 生物的酶系和基因状况的有关资料。尽管额外磷去除过程至今在实践中已 得到成功应用，但对其中的微生物形态和生物生理特性，人们仍然缺乏真正 了解。 1 2 额外磷去除菌群形态学 1 2 1 不动杆菌科一c i n e t o b a o t o t 不是额外磷去除过程中主要菌群的论 述 a c i n e t o b a c t e r 真是额外磷去除过程的”主角”吗? 就现有的实验证据表 明a c i n e t o b a c t e r 不是额外磷去除过程的”主角”原因如下： ( 1 ) c l o e t ea n ds t e y n 1 6 1 使用荧光抗体染色技术表明a c i n e t o b a c t e r 数量 昆明理工大学博士论文 在整个额外磷去除过程中少于微生物个体总数的1 0 ，不具有这样大量的 额外磷去除功能： ( 2 ) h i r a i s h i ”1 ，h i r a i s h i 、m o r i s h i t a 18 1 jim a d e ”1 提出在磷富集的活 性污泥生物呼吸过程中产生醌8 和甲基醌8 。而a c t n e t o b a c t p ，的呼吸醌为 醌9 ，醌是呼吸中的主要电子载体之一。特种微生物有其独特的呼吸醌。因 此只要分析一下醌的组成就可以知道哪种微生物是优势微生物种。 ( 3 ) a u l i n g 2 0 1 报道用一种与a c i n e t o b a c t e r 相关的多胺( 二氲基丙烷d a p ) 可标示a c i n e t o b a c t e r 的存在。但在明显存在额外磷去除效果的水处理过程 中却无多胺- 氨基丙烷1 的存在。 f 4 ) 使用1 6 s r n a 寡核苷酸探针表明a c i n e t o b a c t e r 数量在整个额外磷去 除过程中少于微生物个体总数的1 0 1 1 9 1 1 2 1 】1 2 2 2 3 】。 f u h s 和c h e n t 4 1 首次于1 9 7 5 年认为a c t n e t o b a c t e rs p p 是活性污泥中负 责额外磷去除的生物。 但是后来有许多研究者也基于a p i 等方法得出了以上结论1 4 l 【” 1 2 4 。 使用这些方法，那些适应于人工培养基及特定条件的生物才能存活下来， 并得到鉴别。而这些可以培养出来的和可鉴别的微生物只占整个微生物群 体的一小部分 2 5 】1 23 】；实际上，基因探针表明，传统的基于培养的计数方法 对a c i n e t o b a c t e rs p p ，具有较强的选择性f 2 1 j ：阻上所有针对a c i n e t o b a c t e r s p p 非额外磷去除优势微生物的证据都是基于非培养的方法得来的。甚至 人们针对a c i n e t o b a c t e rs p p 进行了更广泛的研究，发现没有一种纯种的 a c i n e ，o b a c l e r s p p 具有额外磷去除的能力”1 2 6 】，因此人们不再把 a c i n e t o b a c t e rs p p 作为额外磷去除的主要生物了。 1 2 2 优势聚磷菌群的种系发生研究发展 ( 1 ) 聚磷酸微生物的种系特征综述 聚磷酸微生物的种系发生特征首次报道出自f u h s 和c h e n t 4 】的文章。他 们利用显微镜观察了聚磷酸微生物富集的活性污泥，发现它们是不能动的 杆状物或球菌，常以团状或串状出现，聚合酰基丁酸染色阳性，胞内包含 n e i s s e r 染色阳性颗粒，革兰氏染色阴性，但后来也有人提出是阳性l 【2 ”。 虽然试图进行纯种分离额外磷去除中聚磷酸生物，但都失败了。后来培养 出来了a c i n e t o b a c t e rs p p ，证明不是所谓的聚磷菌属。 其它人也分离了一些微生物种但没有一种看起来具有典型的额外磷去 昆明理工大学博士论文 除过程的特点( 如厌氧摄取乙酸转化为聚合酰基脂肪酸，同时水解聚合磷 酸，接着释放正磷酸) 【”】。n a k a m u r a 2 8 】 2 9 1 在实验室中分离的聚合磷酸富集 生物，命名为m i r o l u n a t u sp h o s p h o v o r o u s ，( n m 1 ) 它在耗氧条件下富集聚 合磷酸用于厌氧条件下摄取葡萄糖和蛋白质以及氨基酸的同化，但其中z i 包括乙酸。u b u a t a 和t a k i i l 3 0 1 在1 9 9 4 年分离出的微生物有相似的代谢过程， 表现为微生物在经过厌氧和耗氧交替的反应系统之后在厌氧的时候利用聚 合磷酸，而在耗氧时则积累聚合磷酸。他们同时暗示：虽说与其相关的酶 并非组成酶，但这些酶都是可诱导酶。n m 1 生理上接近于磷酸富集生物， 但其种属关系上属于革兰氏阳性微生物，高g + c 组成，这点与聚磷酸生物 相似。但它并不一定是额外磷去除过程中的主要微生物原因有：( 1 ) 在厌氧 条件下无法将乙酸转化成聚合酰基脂肪酸( 2 ) 它体内含有醌9 ，而不是聚磷 酸生物代谢过程中的醌8 或甲基醌8 。l i u 2 7 11 3 1 1 在s b r ( 连续批量水处理条 件控制反应器) 中分离了几种微生物种，它们具有聚合脂肪酸和糖元聚合磷 酸的代谢模式，属于革兰氏阳性，高g + c 组成，其中几种微生物的代谢过 程以甲基醌8 作为主要代谢醌。有些微生物厌氧条件下将乙酸转化成聚合 酰基脂肪酸，同时消耗磷酸。 s t a n t e i ”1 从s b r ( 专为额外磷去除设计的) 中分离了一种含有聚合酰基 丁酸的菌株认为是( l a m p r o p e d i as p p ) 。n e i s s e r 染色为阳性，表示存在聚 合磷酸。它可以在厌氧条件摄取乙酸，储存为聚合酰基丁酸，但这种微生 物在s b r 反应器中呈片状聚集，这显然与额外磷去除生物的形态不符。 ( 2 ) 现代分子生物技术推动了聚磷菌群的研究 现代分子生物技术为额外磷去除过程的研究开辟了新的途径，通过原位 杂化荧光染色技术( f i s h ) 生物探针发现在额外磷去除的活性污泥中包含大 量革兰氏阳性高g + c 组成微生物群体。据推测这些微生物就是在额外磷去 除中发挥主要”角色”的微生物1 2 3 1 2 5 1 。b o n d 2 2 1 使用克隆技术报道说：只有少 量的革兰氏阳性高g + c 组成的微生物在额外磷去除反应器中出现。并指出 具有额外磷去除功能的反应器和不具有此功能的反应器存在有一个关键差 别，即存在一种亚纲蛋白菌属，并认为该微生物是额外磷去除过程中唯 一关键的微生物种1 2 5 i 。 人们习惯认为额外磷去除过程的活性污泥中只有一种优势微生物。但 事实告诉我们这个过程中的微生物种类成千上万。l i u i 27 1 年报道，具有额外 s 昆明理工大学博士论文 磷去除的活性污泥( 磷的质量百分数占8 1 2 5 ) 中已发现的有三类微生物。 同样基因探针也发现了几种不同的生物种群 2 2 2 3 1 2 5 】。d g g e ( 变性梯度凝 胶电泳) 技术2 3 】i33 1 【3 4 1 和d n a 限制性长度多态性分析( r f l p ) 证实在额外磷 去除过程中存在着不同的d n a 碎片，它表明额外磷去除过程活性污泥中不 仅仅是一种优势微生物种，而是一组。此外，以往的实验观察说明额外磷 去除微生物群可能无法全部确认，因为这些微生物变异，因时而变，因地 而变。例如f u h sa n dc h e n “，b u c h a n 1 ”，s t r e i c h a n 3 引，m a t s u o 3 6 1 所描述 的聚磷酸生物都不同。就最近的研究结果认为，聚磷酸微生物不是单一的， 而是多微生物群的，此外，不同的微生物种群在富集磷酸的过程中各司其 职，这并不影响聚磷酸微生物在整个微生物群中的相对数量。至此，由于 有关聚磷酸微生物的种系资料太少了，因此无法知道究竟聚磷酸微生物群 的组成如何。既然分子技术真能帮助我们揭开微生物种群之秘，它将最终 帮助我们了解微生物生态学的奥秘。 ( 3 ) 聚磷酸菌群的生理形态特征 综合近期的资料表明聚磷酸菌群具有如下生理形态特性：如表1 1 所 示。 6 昆明理工大学博士论文 表1 1 聚磷酸截类的预期生理形态特点 项目聚磷酸菌类生物特性参考文 献 形态学细胞形态大多数为短杆菌和球菌以窜 装出现 革兰氏染色不定 n e i s s e r 染色耗氧生长后强阳性 聚合酰基丁酸厌氧摄取基质后强阳性 染色 内部结构可以见到聚合磷酸和聚合酰 基脂肪酸颗粒 化学分醌醌8 或醌8 ( h 4 1 h i r a s h ia n d 类 m o r l s h i t a 【l 8 】 脂肪酸 161 d 9 e ，16 ：0 ，o r 18 ：1d 1 1 c l i ul 2 7 j 基因分 或n 亚纲蛋白菌 性菌高g + e w a g n e r o n d ，“”8 类学 生理学厌氧代谢摄食乙酸转化成聚合酰基脂 m a t s u oa n d 肪酸，同时降解糖原和聚合磷m i y a 3 6 】a r u n 酸以及释放磷酸：摄食小分子 er 口，f 37 j bc 有机物如糖、羧酸、氨基酸： u b u k a t aa n d 厌氧代谢，酶为可诱导 t a k i i 【3 0 1 耗氧和缺氧代将存储的聚合酰基脂肪酸转 u b u k a t aa r l d 谢化为糖原积累聚合t a k i i 3 0 l 磷酸以备碳源枯竭时使用； 出现碳源则抑制磷酸摄取； 某些属可以利用硝酸根作为 w e n t z e l 2 4 s m o 】d e r 电子受体 1 8 】 资料表明：由于额外磷去除具有以上分子生物学特性。那么一个以乙酸 为有机质，可以控制p h ，厌氧和耗氧交替进行的s b r 反应器是必要的，此 反应器可以同时测量污泥的聚合酰基脂肪酸、糖原、乙酸、正磷酸和磷的 含量。只有在这样装置下的实验( 如果被测活性污泥真的具有额外磷去除的 话) 才能真正推断进行试验的活性污泥到底有多少类似于我们所说的聚磷 酸微生物群富集的活性污泥。如果没有这样的实验作见证就进行分子级的 资料分析，那么原始资料就不可靠。最近生化自动放射成像技术与r r n a 原位杂化技术相结合。其中的生物探针技术可以告诉你生物种群中有那些 微生物种属：自动放射成像技术会告诉你这些微生物在进行哪些代谢过程。 这些技术可以成功应用于特定种聚磷酸微生物代谢过程的研究，并代替以 上提及的s b r 过程。 ( 4 ) 聚磷酸菌群纯种分离及其意义 昆明理工大学博士论文 为什么要对聚磷酸生物进行纯种分离，因为刹用纯种进行实验将描述 微生物在额外磷去除过程中微生物生态学和微生物化学的各个不同方面。 如果要分离聚磷酸微生物，先向您介绍一下以下几个实验： 1 ) 一般人们认为聚磷酸微生物生长相对较慢【2 8 1 8 1 要得到一定数量的聚磷 酸微生物，就需要足够的培养时间。n a k a m u r a 2 7 1 ：l i u 2 9 1 成功地分离了慢生 长的微生物，这些微生物具有储存聚磷和聚合酰基脂肪酸。使用形成微生 物菌落的方法培养1 3 周之后，在菌株上进行显微操作，使得它纯化。总 之，一周或几周的培养时间应是不可少的。 2 ) u b u k a t a 和t a k i i l 3 0 1 报道说，聚磷代谢过程如厌氧摄取有机质和利用聚 磷的过程中的酶是可诱生的。并说在纯种分离过程中交替使用耗氧和厌氧 的条件有利于诱生额外磷积累的代谢过程，促进该微生物的生长。另据报 道 38 1 ，浮动过滤器技术经过修改也可以得到这样的过程。 3 ) w e t z e l 2 “，s m o l d e r s 【1 引，k u b a1 9 1 ，b r d j u n o v i c 3 3 1 认为：碳源和磷源同 时在耗氧和缺氧条件下出现影响磷的摄取。碳源在这些条件下主要用于生 成聚合酰基脂肪酸，只有在外界碳源耗尽的条件下，磷酸的摄取才开始出 现，并暗示应防止同时出现碳源和电子受体( 如氧气、硝酸根和亚硝酸根离 子1 。 4 ) 使用选择性培养技术。如为了培养革兰氏阳性( 高g + c ) 微生物应在培养 液内使用碱抑制革兰氏阴性微生物的生长。因为革兰氏阳性微生物胞壁较 厚没有革兰氏阴性微生物对碱那样敏感，因此最终可以存活下来。 过去聚磷酸生物纯化失败的原因是违反了2 ) 和3 ) 点。聚磷酸生物 无法作为一个单一纯种生长是有可能的。一些相互联系的不同种群也可能 在聚磷酸生物生长过程中起重要作用。当我们将一些从额外磷去除过程中 的微生物以单种细胞分离出来时，它便不生长。然而，至今没有报道过这 样的实验证据。聚磷酸微生物是否就是相互依存的生物群体昵? 事实上，额 外磷去除过程的微生物生态学研究至今很少。这里有一些有限的信息是a 发酵微生物至少有利于聚磷酸生物的生长，因为它们提供挥发性脂肪酸 3 9 1 。b 聚磷酸微生物理论模式上与硫化微生物，硫酸化微生物，反硝化微 生物有着生态学上的联系1 4 0 l 在分离纯种的过程中认识聚磷酸生物与其它 种群之间的关系是很重要的。同时还应注意种与种之间的寄生与竞争等关 系。 r 昆明理工大学博士论文 13 聚糖元菌群 1 3 1 聚糖元菌群与聚磷酸菌群代谢过程的对比 c e c ha n dh a r t m a n 4 1 1 在以葡萄糖为有机质的反应器中发现这种生物， 并命名为“g b a c t e r i u m “( 下称g 细菌。这种生物即为聚糖原菌( 非聚磷酸型 g a o ) ，它的命名是基于它的生物化学特性所作出的。聚磷酸菌和聚糖菌的 对比列于表1 2 中。 表卜2 聚磷酸菌和聚糖原菌对比 代谢过程聚磷酸微生物聚糖原微生 物 厌氧阶段 吸收外界有机质 消耗体内糖原 体内富集聚合羟基脂肪酸 消耗体内聚合磷酸井释放正磷酸 耗氧阶段 恢复体内糖原 十 消耗储存的聚合羟基脂肪酸 4 - 生长 恢复体内幕合磷酸的浓度 1 3 2 聚糖元菌群与聚磷葳群形态学上对比 从形态学上看聚磷酸菌和聚糖原菌是不一样的。c e c ha n dh a r t m a n 【4 1 1 在他们的额外磷去除反应器中，当他们喂食葡萄糖时发现一种优势菌株， 他们认为是聚糖原微生物。同时出现了额外磷去除效应衰竭。这种菌是革 兰氏染色阳性菌种，形态上看起来象m e t h a a o s a r c i n a ，并以串状聚集存在。 事实上不论聚磷酸还是聚糖原微生物都很少为人所识，聚糖原微生物 n e i s s e r 染色只在胞壁上染色呈阳性，而聚磷酸微生物在胞内部却有 n e i s s e r 染色呈极阳强性的颗粒。因此两者极好辨认。最近l i u 【”jp 】j 描述 和比较了聚磷酸微生物和聚糖原微生物的形态学特征，并说聚糖原微生物 与聚磷酸微生物的最大区别是前者n e is s e r 染色呈阴性，总以两个或4 个 9 昆明理工大学博士论文 麴形式基瑗。在获襞枣壤疆摄食以兹没有隗内颞粒存在。 b r d j a n o v i c 【l0 】设计了个谶续实验的过程，在这个实验中聚磷酸微生 穆富集豹潼毪污滋在几乎释藏突掰毒簸会磷酸臣嚣，将箕撩入无磷青氧浆 培养蒸上使其重新恢复其体内的糖原水平。然后使戴在厌筑条件下摄取乙 酸。诧晴聚磷酸徽生物在耗尽体肉聚合磷酸戳詹尽镑魏靖体态僚静许多糖 原，但就是无法羁摄取乙酸了。这个结果表明聚磷酸微生物无法单独使用 糖原作为能源在厌氧条件下摄取乙酸，但聚糖原微生物却可以这样。 。3 。3 小结 聚磷酸和聚糖原微生物明最具有几乎同样的代谢途径，两者都厌氧储 存聚合酸蒸鬻获酸，在聚合蘸蒸骚薅羧熬形袋过程中，氧缘平囊巍糖骧按 制。大部分都通过e d 或通过丁二酸丙酮酸方式代谢。主鬻的不间点在于 蘸蠢滚，聚磷酸垒貔整溺聚台磷酸产蘩能囊效率离，两聚穗凝生韵透过糙 原生物酵解糖原产生聚合酰基脂肪酸和c o ：。聚糖原嫩物的糖原代谢过程熙 复杂，产能效率也较聚磷酸微鸯物的聚合磷蔽代谢低。这稀低效产能方式 使锝凝糖原微生物在代谢竞争中处于劣势。搴实上，聚磷酸微生物比聚糖 原微生物摄食乙酸更多更快1 2 8 。现有爨料表明聚糖原生物不可能在竞争中 憨滋聚磷袋激生物，这榉藏可淡褥基以下缝谂，麴聚裹磷黢生物搓取有枫 质由于这样或那样的原因放慢时，那么才会有一部分有机质在厌氧过程米 藕甏绘蒙耱藩镦垒秘，予是裁绘蒙耱藤镞塞懿缛鞋爱存熬空阉1 2 8 。综上髓 述： ( t ) 聚耱元菡群麓活往污泥中滚往壤营养穆膳静勇一类徽生耪，它可戬覆 体内聚集多于生长繁殖需要的蕾养物璇，以便在营养缺乏时使用。 ( 2 ) 聚糖元菌群与聚磷菌群热有几乎相同的形态特性和生理特性，只蹙 在垮葵黪聪候缓爝糖元耱健正磷酸，窀在自然条纷下可以赋魏象骥萤群营 养物质的竞争对手之一。 1 0 昆明理工大学博士论文 第二章紫外线影响微生物基础理论研究 2 1 紫外线对微生物影响的本质 许多年阻来人们早已了解到微生物细胞因高强度辐射而受到损伤，高 强度光辐射对许多生物来说是其生活的极端环境之一。高强度辐射不仅影 响微生物个体的生存，一般的紫外线、可见光都会对诸如：细菌、藻类、 真菌、后生生物造成损伤，早在上个世纪中后期人们1 4 2 4 3 1 1 4 4 4 5 11 4 6 便介 绍了辐射对微生物细胞及其组成和活动的影响，同时也介绍光线损伤动植 物的现象：而且影响微生物的生态环境，k a r e n t z 【4 在1 9 9 1 年发现由于 嗅氧层受到破坏，北冰洋地区u v b 辐射强度比以前强得多，从而导致北冰 洋地区的藻类种群明显发生变化。e 卜s a y e d 4 8 】注意到北冰洋硅藻受到辐射 后大量死亡。在生态环境中替代其营养位置的是一种非浮游鞭毛类植物， 直径为2 0un l 。这一变化使当地水体上层的生态系统受到严重损害。在北 冰洋生态系统由于食物链组成简单，十分脆弱，大多数生物都以浮游植物 为食，硅藻死亡而导致这里的食物链发生“真空”，大大影响了这里异养生 物的生长。这是紫外线对生态系统产生连锁反应的实例之一，这一个营养 结构所发生的变化对整个生态系统中的每一种生物都产生深远的影响。 n a s i m ，j a m e s 4 9 1 1 9 7 8 年在一本关于微生物与极端环境的书中回顾了在 强辐射下微生物生活现象的系列报道。该文章虽然重点讲述了电离和紫外 线对化能厌氧型微生物的影响，文中也包括了一些相关的微生物生理生态 学的研究。 光波为什么能够影响微生物的生存呢? 这是在观察到以上这些现象后 必须回答的问题，也是我们研究光波影响微生物以利于进一步利用光波的 理论基础。我们先认识一下光波是怎样的物质。 2 2 光的波粒二象性i ”】 光的波动学说起源于1 7 世纪6 0 年代，代表人物是荷兰的 c h r i s t i a a n h y g e n 和is a a c n e w t o n ，他们认为光具有波动性质，因为光波可 以发生衍射现象。量子这个概念是由m a x p l a n c k 在解释“黑体”辐射时首次 提出的，他提出量子是一种不连续的、微小的能量存在形式。最终p l a n c k 发现量子的能量仅与辐射波的波长有关，并假设量子能量为以下公式表示： 昆明理工大学博士论文 e = 竿1 h p l a n c k 常数，6 6 2 5 1 0 14 j s ： c 一光速2 9 9 8 1 0 ”m s ： 一波长n m 。 该公式最终由e i n s t e i n 的相对论证实。e i n s t e i n 发现当光波撞击固体、 液体或气体的表面时会产生电子流，产生电予流的强度与光强度无关，而 仅与光的波长有关。纯波动现象，如声波、潮汐，它们的能量显然与波动 强度有关。这一点说明，光不仅具有波动的性质而且具有量子性质，光量 子叫做光子。因此光波是具有波动性质和量子双重特性的物质，具有波粒 二象性的物质又是如何诱发光化学反应的呢? 2 3能量、电子轨道与键 电子在稳态下围绕原子或分子旋转时，它本身已经具有固定的能量，即 所谓的电子轨道或能级。这一理论首先由n i e ls h d b o h r ( 1 8 8 5 一1 9 6 2 ) 提出。 他同时指出电子在轨道上运行时本身也发生旋转，即自旋，只有在电子发生 轨道迁移的时候，为了达到能量平衡而产生或吸收能量，即电子本身发生 能量变化，此外d e b r o g l i e s 、e s c h r o d i n g e r ( 1 8 8 7 - 1 9 6 1 ) 、 p a m d i r a c ( 1 9 0 2 1 9 8 4 ) 等认为电子的运动也具有波动特性。在具有波动 性且自旋的电子发生能量变迁的过程中，因为光量子的能量值仅与波长有 关，而且具有波动性质和量子的双重特性，因此，光量子是充当电子能量 变迁的“媒介”之一，即电子可以通过释放光量子辐射能量或通过吸收光 量子而发生能级跃迁。 然而，原予和分子的外层轨道的能量是固定的，电子在这些轨道上跃迁， 本身能量的变化值也是固定的，因此，电子的跃迁过程一般都伴随着吸收 或辐射出同样波长的能量，即电子能级特征谱线。只有符合电子能级特征 谱线的光谱才会为电子吸收，这是特定光谱可以诱发特定光化学反应的根 本原因。 每个能级可以容纳一个或多个电子轨道，每个能级能容纳的轨道数是固 定的，每个轨道仅能容纳两个自旋相反的电子。人们常将能级分为1 、2 、 3 ，常把每个能级的轨道称为8 、p 、d 。 键事实上是原予与原予之间的外层电子通过彼此的电子轨道杂化过程 昆明理工大学博士论文 而形成分子，围绕分子正电性中心运动的分子电子轨道。生物化学中常见 的分子轨道有c h 和c c 形成的。键和c c 彤成n 键，这些分子的键往 往是光波辐射的对象也是发生光化学反应的主体。在了解光化学反应发生 以前，先介绍一f 与光化学有关的一些概念和常识。 2 4 电子轨道转换 原子、分子的能级和轨道具有基态和激发态两种存在形式，电子在两种轨 道上转换，需要吸收或辐射出特定波长的光谱，最终导致所属原子和分子 发生基态和激发态的转换。激发态原子、分子由于其外层电子离具有正电 荷的核中心相对较远，核中心对其的引力较弱，容易被其它具有正电性的 物质吸引而失去，从而发生化学反应。 基态分子最外层轨道具有两个自旋相反的电子时，人们称这种分子为 基态单线态分子，大多数生物化学分子基态时都是单线态分子。基态分子 最外层不同轨道上同时存在两个自旋相同的单电子时，我1 f 称这种分子为 三线态基态分子，氧气分子在基态时为三线态。当在n 键分子轨道上的电 子受到激发态后，越升到激发态n 键分子轨道而不导致电子自旋发生变化 时，则称这种激发态分子为单线态激发态分子，而当电子在轨道越升的过 程中自旋发生改变，则称这种分子的激发态为三线态激发态。基态单线态 分子我们用1 m 。表示，激发态单线态分子用1 m 。表示n 表示激发态的级数， n = l 、2 、3 。基态三缚态分子我们用3 m 。表示，激发态三线态分子用3 m 。 表示n 表示激发态的级数，n = l 、2 、3 。 2 5 分子的激发态和激发态衰竭以及j a b l o r s k i 图 分子在吸收光能后，最外层电予会发生轨道越升，一般单线态基态分子越 升到单线态激发态，三线态分子越升为三线态。一般单线态分子不直接跃 迁为三线态分子，