光合细菌生物膜生长特性实验及模拟

发布时间：2020-11-10 06:02

　　 随着经济发展和人类对能源需求的日益增加,对清洁能源的开发与应用是大势所趋,而氢能作为一种洁净的可再生的能源,具有非常大的发展潜力。光合细菌可以在光能的驱动下降解有机废物为氢气,实现污染治理的资源化利用;利用光合细菌生物膜反应器能有效地完成有机废物的处理,同时高效地产生清洁的能源氢气,这在有机废物的综合利用和环境保护方面是很有前途的处理技术。 本文针对光合细菌在平板式生物膜反应器中的生长过程,采用在线观察光合细菌生物膜微观结构和离线分析生物膜生长特性参数相结合的方法,实验研究了在不同的入射光波长、强度、循环液流量和底物浓度条件下,高效光合产氢细菌生物膜在固体基质表面上生长特性,讨论了其对沼泽红假单胞菌生物膜表面覆盖率、膜厚、干重和密度的影响。在实验研究的基础上,采用元胞自动机模型对生物膜生长过程中的生长结构和形态进行了模拟。本研究工作的开展,揭示了光合细菌在固体基质表面上的吸附及生长机理,同时为光合细菌生物膜反应器的挂膜启动提供实验依据,并且为污水处理和光生物制氢技术的发展提供基础性材料。实验和模拟研究所取得的主要研究成果如下: 1)当光照波长范围为420nm-590nm时,在相同时间间隔内,生物膜表面覆盖率随着光照波长的增加而增加;光照波长对生物膜干重的影响很小,在实验运行4天后,生物膜的厚度随波长的增加而减小;光照波长越长,生物膜密度越高。 2)当入射光强度范围为1000lx-8000lx时,在相同实验运行时间,5000lx条件下生物膜覆盖率最高;当光强小于5000lx时,实验运行4天后,生物膜干重、密度随光强的增加而增加,膜厚随光强的增加而减小;8000lx条件下生物膜干重、厚度最低,密度与1000lx条件下差别不明显。 3)当循环液流量为37.8 ml·h-1-1080 ml·h-1时,在相同实验运行时间,生物膜覆盖率随流量的增加先增加后减小;当流量大于228 ml·h-1时,循环液流量对生物膜生长特性参数影响不大;当流量为37.8 ml·h-1时,生物膜厚度最大,密度最低。 4)当底物浓度为0.05 g·L-1-10 g·L-1时,在相同实验运行时间,10 g·L-1条件下的生物膜覆盖率最高;底物浓度对生物膜干重及厚度影响规律不明显,但生物膜密度随底物浓度的增加而增加。 5)在各种影响参数中,光照条件对光合细菌形态和生物膜结构影响最大,当入射光波长为420nm时,光合细菌的分裂增殖及生长代谢功能受到抑制,进而使个体细菌形态和相应的生物膜结构发生变化;当入射光强度为8000lx时,生物膜变为复杂的长条状不规则结构,且生物膜覆盖率最低。循环液流量对光合细菌在固液界面的成膜速率影响最大,当流量为37.8 ml·h-1时,生物膜生长最慢,但生长速率并非随流速的增加而增加。底物限制性条件可促使悬浮光合细菌以固定化方式生长,且生物膜结构疏松,这是光合细菌应对不利环境的生存战略。 6)结合光合细菌生长和生物膜内底物扩散的控制方程,建立了光合细菌生物膜生长的元胞自动机模型,对光合细菌生物膜在不同实验工况下的生长过程进行了数值模拟,模拟结果表明:光合细生物膜为多孔状不规则结构;流体剪切力越高,生物膜表面结构越平整;生物膜生物量随光照强度的增加先增加后减小,1000lx与8000lx条件下生物膜结构相差很小;波长为420nm条件下的生物膜密度最低,低底物浓度条件下生物膜密度较低;但是通过模拟得到,光合细菌生物膜生物量和厚度均随波长及底物浓度的增加而增加。
【学位单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2008
【中图分类】：X705
【部分图文】：

表 2.2 光合细菌的形态生理特征Table. 2.2 The morphological and physiological characteristics of photosynthetic bacteria菌种 细胞形态 菌落特征革兰氏染色分裂方式 运动性CQU-Z短杆形或椭圆形圆形，较规则，紫红色，表面湿润，易挑取，细胞易分散-(阴性) 二等分分裂 快GLS-Z短杆状，较小，常堆积圆形或梭形，紫红色，表面湿润，易挑取，细胞不易分散-出芽生殖或二等分分裂快CQK-Z短杆形或椭圆形，较粗，粘液较多圆形，表面湿润，紫色，细胞易分散- 二等分分裂 快以二等分裂方CJK-CCQK-ZGLS-ZCQU-Z图 2.1 光合细菌的电镜负染色照片Fig 2.1 Electronic micrograph of photosynthetic bacteria negative dye

光合细菌可视化生物膜平板反应器结构图

实验方法1 光合细菌生物膜生长的实验方案对于任何形式的生物膜反应器，其工作过程都是由附着生长在载体表来完成，而这些微生物又都生活在各自形成的特定环境中，因而与环非常密切，环境的改变势必造成生物膜反应器的性能及生物膜结构的种影响因素中，最主要的有生物膜反应器的进口底物浓度、生物膜周切力、pH 值和温度。而对本课题所研究的光合细菌而言，它除了形成同时还会光解营养物质，产生氢气，因此光照条件也是影响光合细菌的重要因素之一。
【引证文献】

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1 屈晓凡;微小空间内光合细菌产氢行为及鼓泡强化产氢实验研究[D];重庆大学;2011年

本文编号：2877573