課件03-環(huán)境生物技術(shù)的理論基礎(chǔ)

1、環(huán) 境 生 物 技 術(shù),2012.03.01,第3章 環(huán)境生物技術(shù)的理論基礎(chǔ),生化反應(yīng)計(jì)量學(xué)——研究生化反應(yīng)化合物組成及其反應(yīng) 轉(zhuǎn)化程度數(shù)量關(guān)系，主要體現(xiàn)生化反應(yīng)物質(zhì)的守恒原理,生化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)——研究生化反應(yīng)的快慢程度，主要包括細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)、基質(zhì)消耗動(dòng)力學(xué)和產(chǎn)物生成動(dòng)力學(xué),生化反應(yīng)熱力學(xué)——研究生化反應(yīng)自由能的變化及反應(yīng)體系的平衡性質(zhì)以判斷生化反應(yīng)進(jìn)行的方向。,3.1 生化反應(yīng)計(jì)量學(xué),化學(xué)反應(yīng)平衡方程式——基于化學(xué)計(jì)量學(xué)建立的，是化

2、學(xué)反應(yīng)過程中反應(yīng)物和產(chǎn)物之間的摩爾關(guān)系。 C8H12O3N2+3O2 C5H7O2N+NH3+3CO2+H2O 鉻蛋白 細(xì)菌細(xì)胞 相對(duì)分子量 184 96 113 17 132 18

3、 ∑=280 ∑=280,3.1.1 化學(xué)計(jì)量方程式,,這個(gè)方程式表明什么？,為了使反應(yīng)正常進(jìn)行，微生物每消耗184g鉻蛋白，必須提供96g氧。,當(dāng)處理1000kg/d鉻蛋白時(shí)，必須通過曝氣提供520kg/d的氧，有610 kg/d生物固體（也就是干污泥）需要進(jìn)行脫水和處置。,細(xì)胞中各種元素的相對(duì)比例取決于系統(tǒng)含有的微生物、用于產(chǎn)生能量的基質(zhì)以及微生物生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)等特

4、性。,3.1.2 微生物細(xì)胞的經(jīng)驗(yàn)分子式,活性污泥：C5H7O2N C60H87O23N12P C118H170O51N17P C7H10O3N大腸桿菌：C4.2H8O1.3N,在一定條件下，同一類微生物的細(xì)胞元素組成可以視為相對(duì)穩(wěn)定。常用微生物的無灰干燥細(xì)胞的元素組成來表示細(xì)胞的組成。,微生物細(xì)胞的組成式,測(cè)量完全氧化單位質(zhì)量

5、細(xì)胞碳所需要的氧量，是細(xì)胞經(jīng)驗(yàn)分子式的一個(gè)極其重要的方法?！狢OD’(計(jì)算需氧量）。 CnHaObNc+（ ）O2 cNH3+nCO2+ （ ） H2O COD’/質(zhì)量= 其中n=%C/12T , a=%H/T , b=%O/16T，c=%N/14T,3.1.2 微生物細(xì)胞的經(jīng)驗(yàn)分子式,,以及 T=%C/12

6、+ %H+%O/16+%N/14,細(xì)胞的組成（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為）48.9%的C，5.2%的H，24.8%的O，9.46%的N和9.2%的灰分。請(qǐng)寫出細(xì)胞的經(jīng)驗(yàn)分子式。,例：,假設(shè)，c=1，即除以0.0588，得到細(xì)胞的經(jīng)驗(yàn)分子式為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/(12×11.5)=0.354a=5.2/

7、11.5=0.452b=24.8/(16×11.5)=0.135c=9.46/(14×11.5)=0.0588,氧化還原反應(yīng)總是包括一個(gè)電子供體和一個(gè)電子受體。在氧化還原反應(yīng)中，凡是失去電子（或氫)的物質(zhì)稱為電子供體（也稱供氫體），接受電子（或氫）的物質(zhì)稱為電子受體（或受氫體）。微生物利用電子供體基質(zhì)進(jìn)行合成代謝，一部分電子（ ）用于能量代謝，一部分電子（ ）用于細(xì)胞合成，且fs+fe=1。,3.1.3

8、 能量反應(yīng),在研究微生物生長(zhǎng)的一個(gè)完全的計(jì)量學(xué)方程式的過程中，建立能量反應(yīng)是一個(gè)非常有意義的開端。半反應(yīng)是最直接的，特別是對(duì)于非常復(fù)雜的反應(yīng)，并且和反應(yīng)能量學(xué)完全符合。,例：葡萄糖被硝酸鹽氧化的反應(yīng)建立過程。以一個(gè)電子當(dāng)量為基礎(chǔ)，葡萄糖氧化的半反應(yīng)可以表示為：,仍以一個(gè)電子當(dāng)量為基礎(chǔ)，硝酸鹽還原的半反應(yīng)可以表示為：,將上兩式相加，得到完整的平衡反應(yīng)式：,在上式兩邊分別乘以120，就可以得到反硝化的方程式：,細(xì)菌的生長(zhǎng)包括2個(gè)基本反應(yīng)

9、，一個(gè)是產(chǎn)生能量的反應(yīng)，另一個(gè)細(xì)胞合成反應(yīng)。電子供體給電子受體提供電子，產(chǎn)生能量。生化反應(yīng)可寫成3種形式的半反應(yīng)：供體半反應(yīng)以Rd表示，受體半反應(yīng)以Ra表示，細(xì)胞物質(zhì)合成半反應(yīng)以Rc表示。能量半反應(yīng)以Re表示，則有：合成反應(yīng)式為：,3.1.4 生物生長(zhǎng)的總反應(yīng),例：假設(shè)提供安息香酸鹽作為電子供體，硝酸鹽為電子受體，氨為氮源?；趦舢a(chǎn)率，假設(shè)安息香酸鹽電子當(dāng)量中40%用于合成（fs=0.40），另外的60%用于產(chǎn)生能量（fe=0

10、.60）。寫出完整的能量和合成反應(yīng)式。,,左表是以一個(gè)電子的還原反應(yīng)表示。如果一個(gè)半反應(yīng)用于氧化反應(yīng)，等式左右調(diào)換。,,,,例：假設(shè)提供安息香酸鹽作為電子供體，硝酸鹽為電子受體，氨為氮源?；趦舢a(chǎn)率，假設(shè)安息香酸鹽電子當(dāng)量中40%用于合成（fs=0.40），另外的60%用于產(chǎn)生能量（fe=0.60）。寫出完整的能量和合成反應(yīng)式。能量反應(yīng)：Ra：-Rd：Re：,,合成反應(yīng)：Rc：-Rd：Rs：,,總反應(yīng)：feRe：f

11、sRs：R：,,總之，即：,,R=feRa+fsRc-Rd,上式是一個(gè)普遍的方程式，可以用來建立微生物合成和生長(zhǎng)的各種各樣的化學(xué)計(jì)量式。,例:硝化反應(yīng)的化學(xué)計(jì)量學(xué),在廢水處理中，用無機(jī)營(yíng)養(yǎng)型微生物在有氧條件下把氨氧化為硝酸鹽，以降低進(jìn)水因?yàn)橄趸磻?yīng)而產(chǎn)生的耗氧量。如果廢水中氨的濃度為22mg / l （以N表示），處理1000m3 的廢水，硝化反應(yīng)消耗多少氧？將產(chǎn)生多少細(xì)胞物質(zhì)（以kg干重計(jì)）？處理后度水中硝態(tài)氮的濃度是多少

12、？假設(shè)fs為0.10，無機(jī)碳用于細(xì)胞合成。,已知：電子供體——氨電子受體——氧fs=0.10fe=0.90氨同時(shí)作為細(xì)胞合成的氮源,則：Ra：Rc：-Rd：,則：feRa：fsRc：-Rd：R:,,好氧微生物反應(yīng)：CHmOn＋a NH3＋bO2 = Yx/cCHxOyNz＋Yp/cCHuOvNw＋(1-Yx/c-Yp/c)CO2＋cH2O a=zYx/c+wYp/c

13、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),S＝Y(jié)xX＋YpP,微生物反應(yīng)綜合方程,3.1.5 微生物反應(yīng)的計(jì)量關(guān)系,計(jì)量學(xué)限制性物質(zhì)：細(xì)胞生長(zhǎng)過程中首先完全消耗掉的物質(zhì),生長(zhǎng)速率限制性基質(zhì)：在一定的環(huán)境條件下，向反應(yīng)系統(tǒng)中加入某一基質(zhì)，能使微生物生長(zhǎng)速率增加，則該基質(zhì)被稱為

14、生長(zhǎng)速率限制性基質(zhì)。（富營(yíng)養(yǎng)化湖泊的營(yíng)養(yǎng)限制因子）,反應(yīng)系統(tǒng)中細(xì)胞的生長(zhǎng)量（細(xì)胞干燥質(zhì)量）與反應(yīng)消耗掉的基質(zhì)的質(zhì)量之比[單位：kg (細(xì)胞) /kg (基質(zhì)) ],細(xì)胞產(chǎn)率系數(shù)以基質(zhì)質(zhì)量為基準(zhǔn)的細(xì)胞產(chǎn)率系數(shù)Yx/s,,YX/S值的大?。?可能小于1，也可能大于1,間歇培養(yǎng)過程中的細(xì)胞產(chǎn)率,總產(chǎn)率系數(shù)(overall cell yield),3.2 生化反應(yīng)動(dòng)力學(xué),3.2.1 微生物生長(zhǎng)速率,td: 倍增時(shí)間(doubling time

15、),微生物的生長(zhǎng)速率的定義,【例題】用50mL的培養(yǎng)液培養(yǎng)大腸桿菌，大腸桿菌細(xì)胞的初期總量為8×105 個(gè)，培養(yǎng)開始后即進(jìn)入對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期（無誘導(dǎo)期）。在284 min后達(dá)到穩(wěn)定期（細(xì)胞濃度3×109 個(gè)/mL），試求大腸桿菌的μ和td。（設(shè)在培養(yǎng)過程中μ保持不變）,解：開始時(shí)的細(xì)胞濃度X0=8×105/50=1.6×104 個(gè)/mL。根據(jù)細(xì)胞增長(zhǎng)方程,設(shè)培養(yǎng)過程中μ保持不變，則,,微生物的Logi

16、stic增長(zhǎng)曲線,,dX/dt=a(Xm-X)X,微生物生長(zhǎng)速率與基質(zhì)濃度的關(guān)系,S：生長(zhǎng)限制性基質(zhì)的濃度，mg/L；μmax ：最大比生長(zhǎng)速率，h-1；Ks：飽和系數(shù)，mg/L。Ks與μ＝μmax/2時(shí)的S值相等,Monod（莫諾特）方程,,,,,①隨著細(xì)胞質(zhì)量的增加，細(xì)胞內(nèi)所有物質(zhì)如蛋白質(zhì)、RNA、DNA、水分等以同樣的比例增加，即細(xì)胞內(nèi)各組分含量保持不變。這種生長(zhǎng)稱為協(xié)調(diào)型生長(zhǎng)(balanced growth)。②系統(tǒng)中各細(xì)

17、胞具有相同的生理生化特性，或不考慮細(xì)胞間的差異，即用平均性質(zhì)和量來描述。③培養(yǎng)系統(tǒng)中只存在一種生長(zhǎng)限制性基質(zhì)，其它成分過量存在且不影響微生物的生長(zhǎng)。④在培養(yǎng)過程中，細(xì)胞產(chǎn)率不變，為一常數(shù)。,Monod方程成立的假設(shè)條件,富營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞(Eutroph)與貧營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞(Oligotroph)的比較,富營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞：Ks值較大，在低基質(zhì)濃度時(shí)的生長(zhǎng)速率低。,貧營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞：Ks值較小，在低基質(zhì)濃度時(shí)的亦能快速生長(zhǎng)。即

18、 能使基質(zhì)消耗到很低的水平。,環(huán)境治理中哪種微生物比較理想？,Monod方程與麥?zhǔn)?Michaelis-Menten)方程的區(qū)別,Michaelis-Menten方程中的Ks有明確的物理意義（與基質(zhì)和酶的親和力有關(guān)），而Monod方程中的Ks僅是一個(gè)試驗(yàn)值。Michaelis-Menten方程有理論推導(dǎo)基礎(chǔ)，而Monod方程是純經(jīng)驗(yàn)公式，沒有明確的理論依據(jù)。,,,細(xì)胞質(zhì)(反應(yīng)區(qū)),培養(yǎng)液主體,,,,,黏液層(擴(kuò)散區(qū)),

19、細(xì)胞壁/細(xì)胞膜(運(yùn)輸區(qū)),S,③ 進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)（反應(yīng)區(qū)）的基質(zhì)，在細(xì)胞內(nèi)被分解,① 從培養(yǎng)液主體穿過黏液層，到達(dá)細(xì)胞壁表面(有時(shí)伴隨著水解反應(yīng)),② 細(xì)胞壁表層的基質(zhì)產(chǎn)物進(jìn)入細(xì)胞質(zhì),3.2.2 基質(zhì)消耗速率,基質(zhì)消耗反應(yīng)的微觀步驟,基質(zhì)消耗速率的表達(dá)式,基質(zhì)消耗速率(volumetric substrate consumption rate),3.2.2 基質(zhì)消耗速率,當(dāng)μ可以用Monod方程表達(dá)時(shí)，可改寫為：,,式中νmax為最大比基質(zhì)

20、消耗速率,考慮維持代謝的基質(zhì)消耗速率表達(dá)式,基質(zhì)消耗速率= 用于微生物生長(zhǎng)的消耗速率＋用于維持細(xì)胞活性 的消耗速率,,,維持系數(shù),,,,,,3.2.3 生物膜的基質(zhì)消耗速率,微生物膜：附著生長(zhǎng)在固體表面上的微生物的聚集體。,可視為固體催化劑,微生物膜的物料衡算與基本方程,基質(zhì)S在厚度為dz，面積

21、為dxdy的微小單元內(nèi)的物料衡算（微生物膜表面光滑、內(nèi)部均勻）,擴(kuò)散進(jìn)入量：,擴(kuò)散出的量：,反應(yīng)消耗量：,在穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下：擴(kuò)散進(jìn)入量＝擴(kuò)散出的量＋反應(yīng)消耗量,微生物膜內(nèi)的基質(zhì)濃度分布,微生物膜內(nèi)的基質(zhì)消耗反應(yīng)為一級(jí)反應(yīng)時(shí),,掌握膜內(nèi)各處的濃度對(duì)評(píng)價(jià)生物特性，指導(dǎo)操作有重要意義,球形催化劑的西勒數(shù),,,修正西勒數(shù),－rss定義式如下：,以微生物膜表面積為基準(zhǔn)的反應(yīng)速率,微生物膜單位體積的反應(yīng)速率難以計(jì)算，以微生物膜表面積為基準(zhǔn)的基質(zhì)消

22、耗速率(－rss)較易計(jì)算。,－rss＝ksS*,－rSS與－rS的關(guān)系式:,一級(jí)反應(yīng),,,微生物膜面積基準(zhǔn)的基質(zhì)消耗速率與擴(kuò)散速率的關(guān)系,,,,微生物膜面積基準(zhǔn)的基質(zhì)消耗速率的最大值,,微生物膜的有效系數(shù),微生物生長(zhǎng)速率與基質(zhì)消耗速率的關(guān)系,在環(huán)境工程中，常常需要根據(jù)污染物的生物降解速率預(yù)測(cè)微生物的生長(zhǎng)量,,,在污水生物處理中 ：污泥真實(shí)轉(zhuǎn)化率或污泥真實(shí)產(chǎn)率 b：微生物的自身氧化率(衰減系數(shù))

23、 污水的活性污泥法處理系統(tǒng)的b值為0.003～0.008 h－1,3.3 生化反應(yīng)熱力學(xué),3.3.1 生物能學(xué)的幾個(gè)基本概念,熱力學(xué)第一定律 第一定律是關(guān)于能量轉(zhuǎn)換原理，研究熱、功與體系內(nèi)能的關(guān)系，反映了能量守恒規(guī)律，是焓(enthapy) 的變化，焓是在恒壓下反應(yīng)的熱。,熱力學(xué)第二定律 第二定律主要研究系統(tǒng)和環(huán)境之間的熵的變化，幫助判斷一個(gè)過程是否自發(fā)進(jìn)行。熵是難于描述

24、和難于測(cè)定的。熵的變化對(duì)生物化學(xué)特別重要。,熱力學(xué)的這兩個(gè)定律可用自由能變化使其聯(lián)系起來。自由能是一個(gè)化合物分子結(jié)構(gòu)中所固有的能量，是一種能在恒溫恒壓下做功的能量。自由能的熱力學(xué)表達(dá)式為： G ＝ H － TS （1） G：自由能； H：焓，以熱表示總能量； T：絕對(duì)溫度；S：熵。 所有自發(fā)的過程總伴隨著自由能的降低。 自由能的釋放與利用體現(xiàn)了產(chǎn)物和反

25、應(yīng)物之間自由能含量的差別： △G＝G產(chǎn)物 －G反應(yīng)物 （2）據(jù)（1）式： △G＝(H－TS) 產(chǎn)物 － (H－TS) 反應(yīng)物 ＝(H產(chǎn)物－ H反應(yīng)物) － T (S產(chǎn)物－S反應(yīng)物) ＝△H － T△S （3）,熱力學(xué)第三定律

26、 第三定律是以自由能為參數(shù)，研究反應(yīng)過程的能量變化。,自由能對(duì)生物體重要，不僅可用以判斷生物體內(nèi)的某一過程能否自發(fā)進(jìn)行，且生物體內(nèi)能用于作功的能也正是體內(nèi)生物化學(xué)反應(yīng)釋放出的自由能。,對(duì)于涉及反應(yīng)物A和B及產(chǎn)物C和D來說,即: A + B ←→ C + D 其自由能的變化具有如下的關(guān)系： △G = △G0+RTln ([C][D]／[A][B])= △G0+RTlnKc,R:氣體常數(shù)

27、=8.315J/mol；T：絕對(duì)溫度，,當(dāng)反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，則△G＝0；由于反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)， 此時(shí)的濃度比實(shí)際上是平衡常數(shù)： Keq = [C][D]／[A][B] 測(cè)定了某個(gè)化學(xué)反應(yīng)的平衡常數(shù)，就可用每摩爾反應(yīng)物多少焦耳（joules，J）或千焦耳(kJ)來計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)自由能的變化。,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)自由能的變化判斷化學(xué)反應(yīng)的方向 當(dāng)Keq是： 則△G0是： 化學(xué)反應(yīng)的方向：

28、 >1.0 負(fù)值 正向進(jìn)性釋放自由能，反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行 = 1.0 0 處于平衡狀態(tài)，只做體積功，不做有 用功，反應(yīng)可逆 < 1.0 正

29、值 逆向進(jìn)行，反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行，需要 提供能量,反應(yīng)的△G僅決定于反應(yīng)物（初始狀態(tài)）的自由能與產(chǎn)物（最終狀態(tài)）的自有能，而與反應(yīng)途徑和反應(yīng)機(jī)制無關(guān)?！鱃是判斷一個(gè)化學(xué)反應(yīng)能否向某個(gè)反向進(jìn)行的根據(jù)，而與反應(yīng)速度無關(guān)。,對(duì)于一個(gè)化學(xué)反應(yīng)方程式，在各種反應(yīng)物與生成物的自由能已知的情況下，整個(gè)反應(yīng)式的自由能為生成物自由能

30、之和減去反應(yīng)物自由能之和。,標(biāo)準(zhǔn)自由能的變化亦可看成：在標(biāo)準(zhǔn)條件下，產(chǎn)物所固有的自由能與反應(yīng)物所固有的自由能之差。因此標(biāo)準(zhǔn)自由能的變化又可用下式表示： △G0 = G0產(chǎn)物－G0反應(yīng)物 （3）,自由能的變化(ΔG)：產(chǎn)物的自由能與反應(yīng)物的自由能之差，與反應(yīng)轉(zhuǎn)變過程無關(guān)。標(biāo)準(zhǔn)自由能的變化(ΔG0)：298K，101.3KPa，反應(yīng)物濃度為1mol/L。生化反應(yīng)中標(biāo)準(zhǔn)自由能的變化(ΔG0’