談產(chǎn)酸相穩(wěn)定發(fā)酵類(lèi)型微生物生態(tài)學(xué)

1、談產(chǎn)酸相穩(wěn)定發(fā)酵類(lèi)型微生物生態(tài)學(xué)                          作者：趙丹任南琪王愛(ài)杰陳曉蕾 論文關(guān)鍵詞:產(chǎn)酸發(fā)酵反應(yīng)器生態(tài)因子頂極群落生態(tài)演替生態(tài)位 論文摘要:通過(guò)產(chǎn)酸發(fā)酵反應(yīng)器的動(dòng)態(tài)試驗(yàn),考察生態(tài)因子(ph、orp)等制約的不同發(fā)酵類(lèi)型頂極群落的結(jié)構(gòu)、優(yōu)勢(shì)種群的組成和生態(tài)演替的規(guī)律,闡明不同發(fā)酵類(lèi)型代謝及其頂極群落

2、的典型特征,揭示產(chǎn)酸發(fā)酵過(guò)程中頂極群落內(nèi)平衡與反饋調(diào)節(jié)的生理代謝機(jī)制,并以ph值、orp來(lái)表征生態(tài)演替過(guò)程中優(yōu)勢(shì)種群的生態(tài)位圖。 ghosh和poland在1971年提出了利用相分離的原理:分別控制適應(yīng)于產(chǎn)酸發(fā)酵菌和產(chǎn)甲烷菌的最佳生理及生態(tài)條件,從而形成具有較高運(yùn)行穩(wěn)定性和處理效率的兩相厭氧生物處理系統(tǒng)。目前,對(duì)于兩相厭氧生物處理的微生物生態(tài)學(xué)的研究普遍受到重視,但是由于產(chǎn)甲烷菌具有種類(lèi)少、生長(zhǎng)繁殖慢、利用底物種類(lèi)有限、對(duì)環(huán)境條件敏感等特性,使得人們長(zhǎng)久以來(lái)認(rèn)為產(chǎn)甲烷相是兩相厭氧處理系統(tǒng)中的關(guān)鍵“限速步驟”,因此大多數(shù)研究集中于產(chǎn)甲烷相微生物的生態(tài)學(xué)研究上。事實(shí)上產(chǎn)酸相不同生態(tài)條件下形成的末端

3、發(fā)酵產(chǎn)物作為產(chǎn)甲烷細(xì)菌利用的底物,對(duì)產(chǎn)甲烷相乃至整個(gè)工藝的穩(wěn)定運(yùn)行具有至關(guān)重要的作用1。以往的研究表明,產(chǎn)甲烷相微生物對(duì)底物的轉(zhuǎn)化速率依次為乙醇>戊酸>丁酸>乙酸>丙酸,而乙酸的轉(zhuǎn)化是系統(tǒng)產(chǎn)甲烷即去除效率的“限速步驟”。從整個(gè)系統(tǒng)角度出發(fā),產(chǎn)酸相最佳發(fā)酵類(lèi)型應(yīng)為乙醇型發(fā)酵2。因此利用連續(xù)流產(chǎn)酸發(fā)酵反應(yīng)器,通過(guò)對(duì)限制性因子(ph、orp)的調(diào)控,考察在人工創(chuàng)建生境中,微生物所遵循的群落與種群生態(tài)學(xué)演替規(guī)律,不同發(fā)酵類(lèi)型的頂級(jí)群落內(nèi)平衡與反饋調(diào)節(jié)的生理代謝機(jī)制,得出以ph、orp表征的生態(tài)演替過(guò)程中優(yōu)勢(shì)種群的三維實(shí)現(xiàn)生態(tài)位,這對(duì)于進(jìn)一步闡明產(chǎn)酸相不同發(fā)酵類(lèi)型的生態(tài)學(xué)規(guī)律,提

4、高兩相厭氧的整體處理水平具有新的思路和理論指導(dǎo)意義。 1試驗(yàn)材料與方法 1.1實(shí)驗(yàn)裝置 采用沉淀區(qū)和反應(yīng)區(qū)一體化、內(nèi)設(shè)氣液固三相分離裝置的連續(xù)流攪拌槽式厭氧反應(yīng)器(cstr)作為產(chǎn)酸相反應(yīng)器,有效容積為3.1l,通過(guò)對(duì)ph、orp進(jìn)行調(diào)控進(jìn)行平行實(shí)驗(yàn);反應(yīng)器外部纏繞電熱絲結(jié)合溫控儀保證內(nèi)部溫度(30±1)的厭氧條件,實(shí)驗(yàn)中控制cod負(fù)荷為8kg/m3·d,進(jìn)水cod濃度為4000mg/l。具體流程見(jiàn)圖1所示。 1.2實(shí)驗(yàn)底物與分析方法 采用廢糖蜜為底物,并按照codnp=800100051配以少量n、p。采用標(biāo)準(zhǔn)方法分析測(cè)定cod、ph、orp(以電極電位eh計(jì),mv)。液

5、相發(fā)酵產(chǎn)物采用sc-7氣相色譜分析儀,按照任南琪1(1994)建立的檢測(cè)方法進(jìn)行分析。厭氧細(xì)菌的培養(yǎng)采用改進(jìn)的hungate技術(shù),鑒定方法參見(jiàn)參考文獻(xiàn)3。 2結(jié)果與討論 產(chǎn)酸發(fā)酵類(lèi)型指依據(jù)酸性末端產(chǎn)物中揮發(fā)性脂肪酸(vfa)的分布判斷微生物的生理代謝途徑。酸性末端產(chǎn)物中始終占據(jù)主導(dǎo)地位的物質(zhì)定義為相應(yīng)的代謝類(lèi)型,并將產(chǎn)酸發(fā)酵生態(tài)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)代謝的優(yōu)勢(shì)種群定義為頂極群落。產(chǎn)酸相的三種發(fā)酵類(lèi)型中,丁酸型發(fā)酵和丙酸型發(fā)酵分別以丁酸或丙酸為主要液相末端發(fā)酵產(chǎn)物,而乙醇型發(fā)酵的主要液相末端產(chǎn)物為乙醇和乙酸。 生態(tài)演替是生物群落的一個(gè)動(dòng)態(tài)變化特性,具有定向性、可調(diào)控性、趨于穩(wěn)定性。由于環(huán)境因素(因變因子

6、:ph、orp)、微生物內(nèi)部群落及末端代謝產(chǎn)物組成的協(xié)調(diào)控制,產(chǎn)酸相微生物群落在隨環(huán)境因素定向演替的同時(shí),由于群落的內(nèi)平衡和反饋調(diào)節(jié)機(jī)制,又保持了相對(duì)的穩(wěn)定性,即形成與不同發(fā)酵類(lèi)型相對(duì)應(yīng)的特征頂級(jí)群落生態(tài)系統(tǒng),頂級(jí)群落中微生物通過(guò)種間競(jìng)爭(zhēng)和協(xié)同作用選擇優(yōu)勢(shì)種群,形成復(fù)雜的生態(tài)學(xué)決定關(guān)系45(圖2)。 2.1乙醇型頂極群落的結(jié)構(gòu)模式及生態(tài)演替 產(chǎn)酸發(fā)酵反應(yīng)器的乙醇型發(fā)酵是以h2為主要?dú)庀喈a(chǎn)物,乙醇、乙酸為主要液相產(chǎn)物的發(fā)酵類(lèi)型,在orp、ph特別低的情況下,以產(chǎn)生乙醇的方式保證細(xì)胞內(nèi)部的正常ph值,以維持機(jī)體正常產(chǎn)能和合成代謝,同時(shí)每產(chǎn)生1mol乙醇,氧化nadh的量為2mol,以此實(shí)現(xiàn)nad+

7、/nadh的耦聯(lián),并產(chǎn)生1mol氫氣見(jiàn)表1。乙醇型發(fā)酵具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性,不同反應(yīng)器及不同運(yùn)行階段的乙醇型發(fā)酵微生物優(yōu)勢(shì)菌群見(jiàn)表2。 2.2丙酸型頂極群落的結(jié)構(gòu)模式及生態(tài)演替 丙酸的產(chǎn)生和積累對(duì)厭氧生物處理系統(tǒng)有重要的影響,導(dǎo)致系統(tǒng)ph降低而發(fā)生“酸化”,致使產(chǎn)甲烷菌失活6。主要原因是丙酸在產(chǎn)甲烷相的產(chǎn)乙酸過(guò)程緩慢。丙酸型發(fā)酵的典型細(xì)菌丙酸桿菌屬無(wú)氫化酶,不產(chǎn)生氫氣。丁酸型發(fā)酵的主要限制性因素為較高的orp和ph5.0。不同反應(yīng)器及不同運(yùn)行階段的丙酸型發(fā)酵的頂級(jí)群落中優(yōu)勢(shì)種群見(jiàn)表3。 2.3丁酸型頂極群落的結(jié)構(gòu)模式及生態(tài)演替 從微生物代謝角度講,ph接近中性時(shí)細(xì)菌以合成代謝為主,數(shù)量的增殖增加了

8、atp的消耗量,而丁酸型發(fā)酵的單位atp產(chǎn)量是3,因此被選擇。在環(huán)境中orp較低、ph為6.0和5.0左右發(fā)生的是丁酸型發(fā)酵。而較高orp、ph為5.0時(shí)的丙酸型發(fā)酵是由于丙酸桿菌的兼性需氧性所致。不同反應(yīng)器及不同運(yùn)行階段的丁酸型發(fā)酵的頂級(jí)群落中優(yōu)勢(shì)種群見(jiàn)表4。按照odum生態(tài)學(xué)的觀點(diǎn)分析,在調(diào)節(jié)ph、orp的生態(tài)演替過(guò)程中,環(huán)境中的頂極群落受環(huán)境中生態(tài)因子的制約而呈現(xiàn)一定的演替過(guò)程,最終被環(huán)境條件所選擇的微生物成為優(yōu)勢(shì)菌群,這是群落“進(jìn)化”過(guò)程中功能由量變到質(zhì)變的過(guò)程,這一過(guò)程包括以下階段:(1)各種發(fā)酵類(lèi)型微生物之間復(fù)雜的種群關(guān)系通過(guò)微生物的生理代謝調(diào)節(jié)作用,與生境相適應(yīng)的優(yōu)勢(shì)種群得以生長(zhǎng)

9、繁殖;(2)同種發(fā)酵類(lèi)型微生物頂極群落的內(nèi)平衡與反饋調(diào)節(jié)能力;(3)不同發(fā)酵類(lèi)型代謝末端產(chǎn)物對(duì)群落的制約、調(diào)控;(4)頂極群落中某些優(yōu)勢(shì)種群(如2）反應(yīng)器的擬桿菌屬)的生態(tài)位與反應(yīng)器內(nèi)生態(tài)條件相似,污泥馴化初期已是優(yōu)勢(shì)種群,其優(yōu)勢(shì)地位不易動(dòng)搖。    2.4演替過(guò)程中優(yōu)勢(shì)種群的生態(tài)位 圖4所示是以orp、ph值組成的產(chǎn)酸相不同發(fā)酵類(lèi)型頂極群落中優(yōu)勢(shì)種群的二維實(shí)現(xiàn)生態(tài)位圖。由圖3可見(jiàn),生態(tài)因子制約了優(yōu)勢(shì)種群的生態(tài)演替,在這一過(guò)程中,各種類(lèi)型微生物為形成穩(wěn)定的頂極群落,通原因。膜組件的材料、mbr的運(yùn)行條件和活性污泥的性質(zhì)決定了這些因素的影響程度。(3)通過(guò)

10、合理的設(shè)計(jì)及優(yōu)化運(yùn)行條件,結(jié)合有效的反沖洗和清洗措施,能夠最大限度地控制膜污染和恢復(fù)膜通量。 參考文獻(xiàn) 1高以,葉凌碧.膜分離技術(shù)基礎(chǔ)m.北京:科學(xué)出版社,1989. 2mukai t. ultrafiltration, behavior of extracellular and metablicproducts in activated sludge system with uf seperation processj. wat res, 2000, 34(3): 902908. 3徐慧芳,樊耀波.膜生物反應(yīng)器中溶解微生物產(chǎn)物的研究進(jìn)展j.環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備, 2002,3(1):172

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