光合細(xì)菌生物膜生長(zhǎng)特性實(shí)驗(yàn)及模擬.pdf

1、隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人類對(duì)能源需求的日益增加，對(duì)清潔能源的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用是大勢(shì)所趨，而氫能作為一種潔凈的可再生的能源，具有非常大的發(fā)展?jié)摿?。光合?xì)菌可以在光能的驅(qū)動(dòng)下降解有機(jī)廢物為氫氣，實(shí)現(xiàn)污染治理的資源化利用；利用光合細(xì)菌生物膜反應(yīng)器能有效地完成有機(jī)廢物的處理，同時(shí)高效地產(chǎn)生清潔的能源氫氣，這在有機(jī)廢物的綜合利用和環(huán)境保護(hù)方面是很有前途的處理技術(shù)。
　　本文針對(duì)光合細(xì)菌在平板式生物膜反應(yīng)器中的生長(zhǎng)過(guò)程，采用在線觀察光合細(xì)菌生物膜微觀結(jié)構(gòu)和

2、離線分析生物膜生長(zhǎng)特性參數(shù)相結(jié)合的方法，實(shí)驗(yàn)研究了在不同的入射光波長(zhǎng)、強(qiáng)度、循環(huán)液流量和底物濃度條件下，高效光合產(chǎn)氫細(xì)菌生物膜在固體基質(zhì)表面上生長(zhǎng)特性，討論了其對(duì)沼澤紅假單胞菌生物膜表面覆蓋率、膜厚、干重和密度的影響。在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，采用元胞自動(dòng)機(jī)模型對(duì)生物膜生長(zhǎng)過(guò)程中的生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)和形態(tài)進(jìn)行了模擬。本研究工作的開(kāi)展，揭示了光合細(xì)菌在固體基質(zhì)表面上的吸附及生長(zhǎng)機(jī)理，同時(shí)為光合細(xì)菌生物膜反應(yīng)器的掛膜啟動(dòng)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)，并且為污水處理和光生物

3、制氫技術(shù)的發(fā)展提供基礎(chǔ)性材料。實(shí)驗(yàn)和模擬研究所取得的主要研究成果如下：
　　1）當(dāng)光照波長(zhǎng)范圍為420nm-590nm時(shí)，在相同時(shí)間間隔內(nèi)，生物膜表面覆蓋率隨著光照波長(zhǎng)的增加而增加；光照波長(zhǎng)對(duì)生物膜干重的影響很小，在實(shí)驗(yàn)運(yùn)行4天后，生物膜的厚度隨波長(zhǎng)的增加而減??；光照波長(zhǎng)越長(zhǎng)，生物膜密度越高。
　　2）當(dāng)入射光強(qiáng)度范圍為1000lx-8000lx時(shí)，在相同實(shí)驗(yàn)運(yùn)行時(shí)間，5000lx條件下生物膜覆蓋率最高；當(dāng)光強(qiáng)小于5000l

4、x時(shí)，實(shí)驗(yàn)運(yùn)行4天后，生物膜干重、密度隨光強(qiáng)的增加而增加，膜厚隨光強(qiáng)的增加而減??；8000lx條件下生物膜干重、厚度最低，密度與1000lx條件下差別不明顯。
　　3）當(dāng)循環(huán)液流量為37.8 ml·h-1-1080 ml·h-1時(shí)，在相同實(shí)驗(yàn)運(yùn)行時(shí)間，生物膜覆蓋率隨流量的增加先增加后減??；當(dāng)流量大于228 ml·h-1時(shí)，循環(huán)液流量對(duì)生物膜生長(zhǎng)特性參數(shù)影響不大；當(dāng)流量為37.8 ml·h-1時(shí)，生物膜厚度最大，密度最低。
　

5、　4）當(dāng)?shù)孜餄舛葹?.05 g·L-1-10 g·L-1時(shí)，在相同實(shí)驗(yàn)運(yùn)行時(shí)間，10 g·L-1條件下的生物膜覆蓋率最高；底物濃度對(duì)生物膜干重及厚度影響規(guī)律不明顯，但生物膜密度隨底物濃度的增加而增加。
　　5）在各種影響參數(shù)中，光照條件對(duì)光合細(xì)菌形態(tài)和生物膜結(jié)構(gòu)影響最大，當(dāng)入射光波長(zhǎng)為420nm時(shí)，光合細(xì)菌的分裂增殖及生長(zhǎng)代謝功能受到抑制，進(jìn)而使個(gè)體細(xì)菌形態(tài)和相應(yīng)的生物膜結(jié)構(gòu)發(fā)生變化；當(dāng)入射光強(qiáng)度為8000lx時(shí)，生物膜變?yōu)閺?fù)雜的

6、長(zhǎng)條狀不規(guī)則結(jié)構(gòu)，且生物膜覆蓋率最低。循環(huán)液流量對(duì)光合細(xì)菌在固液界面的成膜速率影響最大，當(dāng)流量為37.8 ml·h-1時(shí)，生物膜生長(zhǎng)最慢，但生長(zhǎng)速率并非隨流速的增加而增加。底物限制性條件可促使懸浮光合細(xì)菌以固定化方式生長(zhǎng)，且生物膜結(jié)構(gòu)疏松，這是光合細(xì)菌應(yīng)對(duì)不利環(huán)境的生存戰(zhàn)略。
　　6）結(jié)合光合細(xì)菌生長(zhǎng)和生物膜內(nèi)底物擴(kuò)散的控制方程，建立了光合細(xì)菌生物膜生長(zhǎng)的元胞自動(dòng)機(jī)模型，對(duì)光合細(xì)菌生物膜在不同實(shí)驗(yàn)工況下的生長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，模