污染控制第三章-3.ppt

第五节微生物生长曲线及其在污染控制工程中的应用 一 生长曲线的概念 1 细菌群体生长特征单细胞微生物的群体生长特征是指数生长 2 生长曲线 二 混合微生物群体的生长 轮虫等级最高 1 微生物的演替现象 活性污泥由多种微生物组成生物群体 每种微生物具有各自生长规律和生长曲线 每条生长曲线在共栖环境中有自己的形状和位置 例 有机物含量丰富 则以有机物为食的细菌数量多 然后必然以细菌为食的原生生物出现 最后以细菌和原生生物为食的后生生物才可能产生 2 演替现象在废水处理中的意义 意义 定性地推测水质情况鞭毛虫存在 有机物高 需处理 镜检固着纤毛虫则有机物和细菌少 轮虫出现说明水质稳定 三 内源呼吸 1 内源呼吸的概念 在细胞内部 细胞物质的自身代谢即内源呼吸 2 内源呼吸的特点 1 内源呼吸贯穿微生物整个生命期 2 内源呼吸在对数生长期影响极小 可以忽略 但在非对数生长期 内源呼吸的影响不能忽略 四 生化反应动力学 1 反应动力学研究的主要目的 1 探索影响因素与反应速度的关系 指导生产工艺 底物降解速率和底物浓度 生物量等因素的关系 微生物增长速率和底物浓度 生物量等因素的关系 2 研究反应机理 以数学模型的形式抽象反应速度的本质 2 米氏方程 M M方程 V 酶反应速度Vmax 最大酶速度Cs 底物浓度Km 米氏常数 1 底物浓度和酶促反应速度的关系 底物浓度 Cs 与反应速度 v 的定量关系该式为酶反应动力学的最基本方程式 酶反应速度V 取决于底物浓度Cs 米氏常数Km 和最大反应速度Vmax Km为常数 当反应体系中酶的总浓度不变时 Vmax也为常数 因此酶反应速度V主要取决于底物浓度Cs 1 底物浓度和酶促反应速度的关系 当底物浓度很低时 Cs Km Km Cs Cs M M方程 即底物浓度与酶催化反应速度无关 酶活性部位已全部被底物占据 反应达到最大速率 呈零级反应 当Cs Km时 反应级数介于0级与1级之间 2 米氏常数 Km 研究酶作用机制的一个重要特征常数Km是酶的特征常数 反应了酶和底物之间的亲和力 一般以1 Km来表示亲和力 1 Km越大则酶与底物之间亲和力越大 表示酶催化反应更容易进行 反之 Km越大 则反应进行越困难 3 酶反应速度与酶浓度的关系 根据中间络合物理论和米氏方程 当底物浓度足够大时 Cs Km时 V k2CE0成立 即酶浓度与反应速度具有线性关系 该结论对于酶的分离和提纯具有重要意义 例如A B两种酶催化同一底物时 如果A0 2mol L与B0 6mol L催化反应速度相同 则认为A的活力是B的活力的3倍 3 温度对催化反应速度的影响 1 酶的最适温度 在较低的温度范围内 酶反应速度随温度升高而增大 但超过一定温度后 反应速度反而下降 此转折点温度称为 最适温度 最适温度不仅与酶本身特性有关 也同时受到酶纯度 反应条件 底物等多种因素影响 因此不是酶的特征物理常数 对于特定反应 要根据实验结果确定酶催化反应的最适温度作为反应的温度条件 2 温度对反应速度的作用 a 温度提高 反应速度增加 一般化学反应 温度提高10 反应速度提高约1倍 Arrhenius公式 称为温度系数 Vt 10 Vt 酶反应速度温度系数约1 4 2 0 略低于一般无机催化化反应和非催化反应 2 温度对反应速度的作用 b 温度提高 蛋白质变性 酶失活 反应速度下降 4 pH值对酶催化反应速度的影响 pH值对活力的影响主要是因为pH值改变底物和酶分子的带电状态 1 pH值改变底物的带电状态当底物为蛋白质 肽 氨基酸等两性电解质时 随pH值变化表现为不同的解离状态 带正电荷 负电荷或不带电荷 等电点 但酶的活性部位通常仅能与一种电荷状态的底物结合 2 pH值改变酶分子的带电状态酶的化学本质是蛋白质 故具有两性解离特性 pH值的改变导致酶活性部位有关基团的解离状态改变 从而影响酶与底物结合 不同的酶最适pH值不同 如蔗糖酶只有在等电点时才具有催化能力 在偏酸或偏碱行溶液中都会失活 5 酶促反应过程的其它影响因素 1 激活剂 许多酶促反应必须在其它适当物质存在时才能表现酶的催化活性或加强其催化效力 这种作用称为酶的激活作用 引发激活作用的物质称为激活剂 激活剂与辅酶或辅基作用不同 前者不存在时 酶仍能表现一定催化活性 而后者不存在时 酶完全不具备催化能力 2 抑制剂 酶在不变性的情况下 由于必需基团或活性中心化学性质的改变而引起的酶活性的降低或丧失 称为抑制作用 inhibition 引起抑制作用的物质称为抑制剂 inhibitor 抑制剂可能是外来物 也可能是反应产物 产物抑制 或底物 底物抑制 五 Monod模型 探讨底物浓度和微生物生长速度的定量关系 六 生长曲线与处理工艺 根据微生物生长曲线的阶段性 设计完全混合活性污泥法 推流式活性污泥工艺 批式活性污泥法以及AB法等不同的处理工艺 所产生的有机物处理效果各异 七 生长曲线与污泥产率 停滞期 微生物调整对环境的适应 污泥总量变化不大 产率几乎为零对数期 微生物快速生长 产率达到最大量稳定期 微生物的生长速度为零 新生与死亡数量相同 污泥产率维持在一个稳定的水平衰老期 微生物不断死亡 总量下降 污泥产率为负值 八 生长曲线与处理效果 1 迟缓期 微生物数量少 几乎无处理效果 2 对数期 微生物生长旺盛 系统负荷高 但污泥沉降性能不好 残留有机物浓度高 出水效果不好 3 静止期末期 污泥沉降性能好 负荷低 出水效果好 4 老化期 抗