课件03-环境生物技术的理论基础.ppt

1、环 境 生 物 技 术,2012.03.01,第3章 环境生物技术的理论基础,生化反应计量学研究生化反应化合物组成及其反应 转化程度数量关系，主要体现生化反应物质的守恒原理,生化反应动力学研究生化反应的快慢程度，主要包括细胞生长动力学、基质消耗动力学和产物生成动力学,生化反应热力学研究生化反应自由能的变化及反应体系的平衡性质以判断生化反应进行的方向。,3.1 生化反应计量学,化学反应平衡方程式基于化学计量学建立的，是化学反应过程中反应物和产物之间的摩尔关系。 C8H12O3N2+3O2 C5H7O2N+NH3+3CO2+H2O 铬蛋白 细菌细胞 相对分子量 184 96 113 17 132

2、18 =280 =280,3.1.1 化学计量方程式,这个方程式表明什么？,为了使反应正常进行，微生物每消耗184g铬蛋白，必须提供96g氧。,当处理1000kg/d铬蛋白时，必须通过曝气提供520kg/d的氧，有610 kg/d生物固体（也就是干污泥）需要进行脱水和处置。,细胞中各种元素的相对比例取决于系统含有的微生物、用于产生能量的基质以及微生物生长所需的营养物质等特性。,3.1.2 微生物细胞的经验分子式,活性污泥：C5H7O2N C60H87O23N12P C118H170O51N17P C7H10O3N 大肠杆菌：C4.2H8O1.3N,在一定条件下，同一类微生物的细胞元素组成可以视

3、为相对稳定。常用微生物的无灰干燥细胞的元素组成来表示细胞的组成。,微生物细胞的组成式,测量完全氧化单位质量细胞碳所需要的氧量，是细胞经验分子式的一个极其重要的方法。COD(计算需氧量）。 CnHaObNc+（ ）O2 cNH3+nCO2+ （ ） H2O COD/质量= 其中n=%C/12T , a=%H/T , b=%O/16T，c=%N/14T,3.1.2 微生物细胞的经验分子式,以及 T=%C/12+ %H+%O/16+%N/14,细胞的组成（质量分数为）48.9%的C，5.2%的H，24.8%的O，9.46%的N和9.2%的灰分。请写出细胞的经验分子式。,例：,假设，c=1，即除以0.

4、0588，得到细胞的经验分子式为C6.0H7.7O2.3N,T=%C/12+ %H+%O/16+%N/14=48.9/12+5.2+24.8/16+9.46/14=11.50,n=48.9/(1211.5)=0.354a=5.2/11.5=0.452b=24.8/(1611.5)=0.135c=9.46/(1411.5)=0.0588,氧化还原反应总是包括一个电子供体和一个电子受体。 在氧化还原反应中，凡是失去电子（或氢)的物质称为电子供体（也称供氢体），接受电子（或氢）的物质称为电子受体（或受氢体）。 微生物利用电子供体基质进行合成代谢，一部分电子（ ）用于能量代谢，一部分电子（ ）用于细胞

5、合成，且fs+fe=1。,3.1.3 能量反应,在研究微生物生长的一个完全的计量学方程式的过程中，建立能量反应是一个非常有意义的开端。 半反应是最直接的，特别是对于非常复杂的反应，并且和反应能量学完全符合。,例：葡萄糖被硝酸盐氧化的反应建立过程。 以一个电子当量为基础，葡萄糖氧化的半反应可以表示为：,仍以一个电子当量为基础，硝酸盐还原的半反应可以表示为：,将上两式相加，得到完整的平衡反应式：,在上式两边分别乘以120，就可以得到反硝化的方程式：,细菌的生长包括2个基本反应，一个是产生能量的反应，另一个细胞合成反应。 电子供体给电子受体提供电子，产生能量。 生化反应可写成3种形式的半反应：供体半

6、反应以Rd表示，受体半反应以Ra表示，细胞物质合成半反应以Rc表示。 能量半反应以Re表示，则有： 合成反应式为：,3.1.4 生物生长的总反应,例：假设提供安息香酸盐作为电子供体，硝酸盐为电子受体，氨为氮源。基于净产率，假设安息香酸盐电子当量中40%用于合成（fs=0.40），另外的60%用于产生能量（fe=0.60）。写出完整的能量和合成反应式。,左表是以一个电子的还原反应表示。 如果一个半反应用于氧化反应，等式左右调换。,例：假设提供安息香酸盐作为电子供体，硝酸盐为电子受体，氨为氮源。基于净产率，假设安息香酸盐电子当量中40%用于合成（fs=0.40），另外的60%用于产生能量（fe=0

7、.60）。写出完整的能量和合成反应式。 能量反应： Ra： -Rd： Re：,合成反应： Rc： -Rd： Rs：,总反应： feRe： fsRs： R：,总之， 即：,R=feRa+fsRc-Rd,上式是一个普遍的方程式，可以用来建立微生物合成和生长的各种各样的化学计量式。,例:硝化反应的化学计量学,在废水处理中，用无机营养型微生物在有氧条件下把氨氧化为硝酸盐，以降低进水因为硝化反应而产生的耗氧量。如果废水中氨的浓度为22mg / l （以N表示），处理1000m3 的废水，硝化反应消耗多少氧？将产生多少细胞物质（以kg干重计）？处理后度水中硝态氮的浓度是多少？假设fs为0.10，无机碳用于

8、细胞合成。,已知： 电子供体氨 电子受体氧 fs=0.10 fe=0.90 氨同时作为细胞合成的氮源,则： Ra： Rc： -Rd：,则： feRa： fsRc： -Rd： R:,好氧微生物反应： CHmOna NH3bO2 = Yx/cCHxOyNzYp/cCHuOvNw(1-Yx/c-Yp/c)CO2cH2O a=zYx/c+wYp/c b=(1-Yx/c-Yp/c+m/4-n/2)+(Yp/c/4)(-u+2v+3w)+(Yx/c/4)(-x+2y+3z) c=m/2+( Yp/c/2)(-u+3w)+ (Yx/c/2)(-x+3z),SYxXYpP,微生物反应综合方程,3.1.5 微生

9、物反应的计量关系,计量学限制性物质：细胞生长过程中首先完全消耗掉的物质,生长速率限制性基质：在一定的环境条件下，向反应系统中加入某一基质，能使微生物生长速率增加，则该基质被称为生长速率限制性基质。（富营养化湖泊的营养限制因子）,反应系统中细胞的生长量（细胞干燥质量）与反应消耗掉的基质的质量之比单位：kg (细胞) /kg (基质) ,细胞产率系数 以基质质量为基准的细胞产率系数Yx/s,YX/S值的大小：,可能小于1，也可能大于1,间歇培养过程中的细胞产率,总产率系数(overall cell yield),3.2 生化反应动力学,3.2.1 微生物生长速率,td: 倍增时间(doubling

10、 time),微生物的生长速率的定义,【例题】用50mL的培养液培养大肠杆菌，大肠杆菌细胞的初期总量为8105 个，培养开始后即进入对数生长期（无诱导期）。在284 min后达到稳定期（细胞浓度3109 个/mL），试求大肠杆菌的和td。（设在培养过程中保持不变）,解：开始时的细胞浓度X0=8105/50=1.6104 个/mL。 根据细胞增长方程,设培养过程中保持不变，则,微生物的Logistic增长曲线,dX/dt=a(Xm-X)X,微生物生长速率与基质浓度的关系,S：生长限制性基质的浓度，mg/L； max ：最大比生长速率，h-1； Ks：饱和系数，mg/L。Ks与max/2时的S值相

11、等,Monod（莫诺特）方程,随着细胞质量的增加，细胞内所有物质如蛋白质、RNA、DNA、水分等以同样的比例增加，即细胞内各组分含量保持不变。这种生长称为协调型生长(balanced growth)。 系统中各细胞具有相同的生理生化特性，或不考虑细胞间的差异，即用平均性质和量来描述。 培养系统中只存在一种生长限制性基质，其它成分过量存在且不影响微生物的生长。 在培养过程中，细胞产率不变，为一常数。,Monod方程成立的假设条件,富营养细胞(Eutroph)与贫营养细胞(Oligotroph)的比较,富营养细胞：Ks值较大，在低基质浓度时的生长速率低。,贫营养细胞：Ks值较小，在低基质浓度时的亦

12、能快速生长。即 能使基质消耗到很低的水平。,环境治理中哪种微生物比较理想？,Monod方程与麦氏(Michaelis-Menten)方程的区别,Michaelis-Menten方程中的Ks有明确的物理意义（与基质和酶的亲和力有关），而Monod方程中的Ks仅是一个试验值。 Michaelis-Menten方程有理论推导基础，而Monod方程是纯经验公式，没有明确的理论依据。,细胞质 (反应区),培养液主体,黏液层 (扩散区),细胞壁/细胞膜(运输区),S, 进入细胞质（反应区）的基质，在细胞内被分解, 从培养液主体穿过黏液层，到达细胞壁表面(有时伴随着水解反应), 细胞壁表层的基质产物进入细胞

13、质,3.2.2 基质消耗速率,基质消耗反应的微观步骤,基质消耗速率的表达式,基质消耗速率(volumetric substrate consumption rate),3.2.2 基质消耗速率,当可以用Monod方程表达时，可改写为：,式中max为最大比基质消耗速率,考虑维持代谢的基质消耗速率表达式,基质消耗速率= 用于微生物生长的消耗速率用于维持细胞活性 的消耗速率,维持系数,3.2.3 生物膜的基质消耗速率,微生物膜：附着生长在固体表面上的微生物的聚集体。,可视为固体催化剂,微生物膜的物料衡算与基本方程,基质S在厚度为dz，面积为dxdy的微小单元内的物料衡算 （微生物膜表面光滑、内部均匀

14、）,扩散进入量：,扩散出的量：,反应消耗量：,在稳态状态下： 扩散进入量扩散出的量反应消耗量,微生物膜内的基质浓度分布,微生物膜内的基质消耗反应为一级反应时,掌握膜内各处的浓度对评价生物特性，指导操作有重要意义,球形催化剂的西勒数,修正西勒数,rss定义式如下：,以微生物膜表面积为基准的反应速率,微生物膜单位体积的反应速率难以计算，以微生物膜表面积为基准的基质消耗速率(rss)较易计算。,rssksS*,rSS与rS的关系式:,一级反应,微生物膜面积基准的基质消耗速率与扩散速率的关系,微生物膜面积基准的基质消耗速率的最大值,微生物膜的有效系数,微生物生长速率与基质消耗速率的关系,在环境工程中，

15、常常需要根据污染物的生物降解速率预测微生物的生长量,在污水生物处理中 ：污泥真实转化率或污泥真实产率 b：微生物的自身氧化率(衰减系数) 污水的活性污泥法处理系统的b值为0.0030.008 h1,3.3 生化反应热力学,3.3.1 生物能学的几个基本概念,热力学第一定律 第一定律是关于能量转换原理，研究热、功与体系内能的关系，反映了能量守恒规律，是焓(enthapy) 的变化，焓是在恒压下反应的热。,热力学第二定律 第二定律主要研究系统和环境之间的熵的变化，帮助判断 一个过程是否自发进行。熵是难于描述和难于测定的。熵的变化 对生物化学特别重要。,热力学的这两个定律可用自由能变化使其联系起来。

16、自由能是一个化合物分子结构中所固有的能量，是一种能在恒温恒压下做功的能量。自由能的热力学表达式为： G H TS （1） G：自由能； H：焓，以热表示总能量； T：绝对温度；S：熵。 所有自发的过程总伴随着自由能的降低。 自由能的释放与利用体现了产物和反应物之间自由能含量的差别： GG产物 G反应物 （2） 据（1）式： G(HTS) 产物 (HTS) 反应物 (H产物 H反应物) T (S产物S反应物) H TS （3）,热力学第三定律 第三定律是以自由能为参数，研究反应过程的能量变化。,自由能对生物体重要，不仅可用以判断生物体内的某一过程能否自发进行，且生物体内能用于作功的能也正是体内生

17、物化学反应释放出的自由能。,对于涉及反应物A和B及产物C和D来说,即: A + B C + D 其自由能的变化具有如下的关系： G = G0+RTln (CDAB)= G0+RTlnKc,R:气体常数=8.315J/mol； T：绝对温度，,当反应达到平衡时，则G0；由于反应达到平衡状态， 此时的浓度比实际上是平衡常数： Keq = CDAB 测定了某个化学反应的平衡常数，就可用每摩尔反应物多少焦耳（joules，J）或千焦耳(kJ)来计算标准自由能的变化。,根据标准自由能的变化判断化学反应的方向 当Keq是： 则G0是： 化学反应的方向： 1.0 负值 正向进性释放自由能，反应自发进行 = 1.0 0 处于平衡状态，只做体积功，不做有 用功，反应可逆 1.0 正值 逆向进行，反应不能自发进行，需要 提供能量,反应的G仅决定于反应物（初始状态）的自由能与产物（最终状态）的自有能，而与反应途径和反应机制无关。 G是判断一个化学反应能否向某个反向进行的根据，而与反应速度无关。