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1、废水处理生物学（8）,武汉大学资源与环境科学学院 环境工程系 王红萍 副教授2009年9月,第二章 细菌的生理特性酶,呼吸其它环境因素对细菌生活的影响,酶及其作用（1）什么是酶？,酶是生物细胞中自己制成的一种催化剂（生物催化剂），其基本成分是蛋白质，催化效果比一般的无机催化剂高得多，一般高达千、万倍，乃至千万倍。,酶及其作用（2）酶的特性,酶是细菌细胞体内生成的一种生物催化剂。由于其基本成分是蛋白质，所以也具有蛋白质所有的各种特性，例如，具有很大的分子量，呈胶状态而存在，为两性化合物有等电点，不耐高热并易被各种毒物所钝化或被坏，有其作用的最适、最高、最低的温度和酸碱度等。,酶及其作用（2）酶的
2、特性,酶enzym既具有一般催化剂的共性，又具有生物催化剂的特殊性：用量少而催化效率高；专一性；可逆性；反应的温和型如常温、常压、接近中性的酸碱度等即可发挥酶的催化能力，高温、高压、强酸或强碱条件反而易使酶活性破坏甚至丧失。酶活力的可调节性。酶活力受许多因素的影响和调控，如抑制剂、激活剂、须与辅酶或辅基结合才发挥作用等。,酶及其作用（3）酶的分类,根据酶促反应性质来区分的六大类酶类 水解酶 氧化还原酶脱氢酶 氧化酶 转移酶 同分异构酶 裂解酶 合成酶,酶及其作用（3）酶的分类,水解酶 促进基质的水解作用及其逆行反应。,酶及其作用（3）酶的分类,2.氧化还原酶 引起基质的脱氢或受氢作用，产生氧化
3、还原反应。（1）脱氢酶 活化基质上的氢并转移到另一物质，使基质因脱氢而氧化。不同的基质由不同的脱氢酶进行脱氢作用。,酶及其作用（3）酶的分类,2.氧化还原酶 引起基质的脱氢或受氢作用，产生氧化还原反应。（2）氧化酶 活化分子氧（空气中的氧）作为电子受体而形成水，或使过氧化氢中的氧转移到另一物质而使前者还原，后者氧化。,酶及其作用（3）酶的分类,3.转移酶 这类酶能催化一种化合物分子上的基团转移到另一种化合物分子上。如：,酶及其作用（3）酶的分类,4.同分异构酶 推动化合物分子内的变化，形成同分异构体。,酶及其作用（3）酶的分类,裂解酶 催化有机物碳链的断裂，产生碳链较短的产物。,酶及其作用（3
4、）酶的分类,6.合成酶 催化合成反应。,酶及其作用（3）酶的分类,酶还有其它许多分类方法。例如，根据酶的存在部位即细胞内外的不同，可分为胞外酶和胞内酶两类。胞外酶透过细胞，作用于细胞外面的的物质，它们都是起催化水解作用的。胞内酶在细胞内部起作用，主要起催化细胞的合成和呼吸的作用。,酶及其作用（3）酶的分类,酶还有其它许多分类方法。大多数微生物的酶的产生与基质存在与否无关，在微生物体内都存在着相当的数量。这些酶称为组成酶。在某些情况下，例如受到各种持续的物理、化学影响，微生物会在其体内产生适应新环境的酶。这种酶则称为诱导酶。诱导酶的产生在废水生物处理中具有重要意义。这是根据存在方式进行的酶分类。
5、,酶及其作用（3）酶的分类,酶还有所谓单成和双成酶之分。单成分酶完全由蛋白质组成，这类酶蛋白质本身就具有催化活性，多半可以分泌到细胞体外，催化水解作用，所以是胞外酶。双成分酶不但具有蛋白质部分，还具有非蛋白质部分。蛋白质部分为主酶，非蛋白质部分为辅酶因子，主酶和辅酶因子组成全酶。主酶和辅酶因子都不能单独起催化作用，只有两者结合成全酶才能起作用。酶的专一性决定于它的蛋白质部分，故对双成酶来说，它们的专一性决定于主酶部分，而辅酶因子与反应过程中基团电子传递有关。双成分酶（又称全酶）常保留在细胞内部，所以是胞内酶。,酶及其作用（3）酶的分类,细菌没有摄食器官，而且细菌的细胞膜有半渗透性。如果细菌碰到
6、营养物质是比较简单的、溶解的物质，那末这些物质就通过营养物质运输途径很快被吸入细胞，再通过有胞内酶的作用，迅速完成氧化、合成等一系列生化反应。如果细菌碰到的是复杂的或固体物质，它们就利用分泌的胞外酶将吸附在细胞周围的这类复杂的大分子水解为简单的小分子。例如，常见的淀粉酶、脂肪酶、纤维酶等，再在细胞膜表面的吸收及传递营养物质的酶类作用下，透过细胞膜进入细胞，在相应的胞内酶的作用下，进行氧化及合成反应，形成细胞需要的各种成分。,酶及其作用（4）酶的活性与活性中心,酶活性也称酶活力，是指酶催化一定化学反应的能力。酶的催化能力大小与酶含量有关。因为酶含量很小很小，所以不能直接用重量体积表示。酶活性大小
7、可以用一定条件下，它所催化的化学反应的速度来表示，即酶催化的反应速度快，酶活性就越高；反之则越小。,酶及其作用（4）酶的活性与活性中心,酶反应速度可用单位时间、单位体积中底物的减少量或产物的增加量来表示，通常用酶活性单位来表述。因为酶活性单位与时间单位和底物单位有关，所以，国际酶学会议1961条规定：1酶活性单位是指在25C、最适pH及底物浓度等条件下，在1min内转化底物的酶量。这是一个统一的标准，但使用起来不太方便。现在使用较多的习惯酶活性单位，即人为确定的酶活性单位定义，如淀粉酶，可用每小时催化1ml2%可溶性淀粉液化所需要的酶量作为一个酶活性单位。但这种方法不太严格，也不便对酶活进行比
8、较。,酶及其作用（4）酶的活性与活性中心,另外，有时候还使用比酶活性描述和讨论酶的变化。比酶活性是指单位重量酶蛋白所具有的酶活性单位数。这一指标往往用于酶提纯过程中各操作步骤有效性的判断。在水处理中，也经常采用比酶活性来判断不同来源污泥的活性大小，或者用于监测同一处理反应器在不同运行阶段的污泥活性及其变化。,酶及其作用（4）酶的活性与活性中心,酶的活性中心是指酶蛋白肽链中由少数几个氨基酸残基组成的、具有一定空间构象的与催化作用密切相关的区域。它从结构上说明了酶的作用特点。,酶及其作用（4）酶的活性与活性中心,酶分子中组成活性中心的氨基或基团是关键的，必不可少的。其它部位的作用对于酶的催化来说是
9、次要的，它们为活性中心的形成提供结构基础。酶的活性中心分二个功能部位：第一是结合部位，底物靠此部位结合到酶分子上；第二是催化部位，底物的键在此处被打断或形成新的键，从而发生一定的化学反应。,酶及其作用（5）酶促反应的影响因素及其动力学,主要影响因素温度pH值,1.温度,要发挥酶最大的催化效率，必须保证酶有它最适应的温度条件。高温会破坏酶蛋白，而低温又会使酶作用降低或停止。一般讲，动物组织中的各种酶的最适温度为3740C，微生物各酶的最适温度在3060C范围内，有的酶的最适温度则可达60C以上，如黑曲糖化酶的最适温度为6264C。在适宜温度范围内，温度每增高10C，酶催化的化学反应速度约可提高1
10、2倍。在废水处理的污泥消化中，人们早就认识到控制温度的重要性。在生物滤池的设计中，也考虑了对于不同气侯条件选择不同的设计数据。,酶及其作用（5）酶促反应的影响因素及其动力学,温度,2.pH值,不同的酶对pH值要求也不同。大多数酶的最适pH值在67左右。为什么pH值影响酶的活力？酶的基本成分蛋白质，是具有离解基团的两性电解质。它们的离解与pH值有关，电离形式不同，催化性质也就不同。例如，蔗糖酶只有处于等电状态时才具有酶性活，在酸或碱溶液中酶的活性都要减弱或丧失。此外，酶的作用还决定于基质的电离状况。例如，胃蛋白酶只能作用于蛋白质正离子，而胰蛋白酶则只能分解蛋白质负离子，所以胃蛋白酶和胰蛋白酶作用
11、的最适pH分别在比等电点偏酸或偏碱的一边。,2.pH值,3.基质浓度酶促反应动力学,。,3.基质浓度酶促反应动力学,细菌的生长和繁殖,细菌生长和繁殖细菌生长的特性,细菌的生长和繁殖Bacterial growth and reproduction,细菌吸收营养物质以后，在酶的催化下进行各种新陈代谢反应，如果同化作用大于异化作用，则细胞质的量不断增加，表现在细胞自身就是体积或重量的不断增加。这种现象叫生长。生长到一定阶段，细菌以二分裂的方式形成二个子细胞，这就是繁殖，其特征是细菌个体数增加。细菌的生长繁殖很快，适宜的环境下每隔2030min分裂一次。,细菌生长特性,计数法重量法 生理生化指标法,
12、细菌的生长往往用群体繁殖和生长的特征来描述。细菌生长的定量方法包括：,细菌生长特性,间歇培养：将少量细菌接种于一定量的液体培养基内，在适宜的温度下培养，即周期性进料，周期性出料。连续培养：一方面连续进料，另一方面又连续出料的培养方式，它又分为两种：恒浊连续培养和恒化连续培养。,细菌的培养方式（根据养料供给方式）：,间歇培养（1）细菌生长曲线,间歇培养条件下，定时取样测定活细菌数目或重量的变化，如以活细菌个数或细菌重量为纵坐标，培养时间为横坐标，即可画得一曲线，此曲线称为细菌的生长曲线。一般说，细菌重量的变化比个数的变化更能在本质上反映出生长的过程，因为细菌个数的变化只反映了细菌分裂的数目，而重
13、量则包括细菌个数的增加和每个菌体的增长。图3-1和3-2分别是按细菌重量和数量绘制的生长曲线。,细菌生长曲线 growth curve of bacteria,间歇培养（1）细菌生长曲线（按细菌重量）,图3-1 细菌生长曲线（按活细菌重量绘制）,整个曲线可分为3个阶段（或3个时期）：生长率上升阶段（对数生长阶段），生长率下降阶段内源呼吸阶段,间歇培养（1）细菌生长曲线（按细菌重量）,（1）生长率上升阶段在生长率上升阶段初期，细菌是在适应新的环境，一般不进行分裂，故细菌数不增加，但菌体则在逐渐增大，以后很快进入迅速繁殖的阶段。在上升阶段，食料（营养物）的供应超过细菌的需要，细菌的生长不受食料数量
14、的影响，只受自身生理机能的限制。到这一阶段的后期，生长率达到最高，这时它们分解培养基中有机物的速率也最高。科学试验说明，在这一阶段中细菌数目的对数同培养的时间呈直线关系，所以又称对数生长阶段。,间歇培养（1）细菌生长曲线（按细菌重量）,（2）生长率下降阶段随后，由于食料的减少（食料逐渐被细菌吸收掉）和对细菌有毒的代谢产物的积累，环境逐渐不利于细菌的生长，因而进入生长率下降阶段。此时的细菌生长率主要已不是受自身生理机能的限制，而是食料不足起着抑制细菌生长的主导作用了。,间歇培养（1）细菌生长曲线（按细菌重量）,（3）内源代谢阶段在内源代谢阶段，培养基中的食料已经很少，菌体内的贮藏物质，甚至体内的
15、酶都被当作营养物质来利用，也就是说，细菌这时所合成的新细胞质已不足以补充因内源呼吸（即菌体内贮藏物质、酶等一部分细菌物质的氧化）而耗去的细胞质，因此细菌重量逐渐减少。所以在这一阶段细菌重量的减少一方面是由于细菌的死亡，另一方面是由于内源呼吸。,间歇培养（1）细菌生长曲线（按细菌重量）,【小结】在以上3个阶段中，处于第一阶段的细菌可说是细菌的年轻阶段，到第三个阶段是细菌的衰老阶段。在年轻阶段时整个群体都是年轻的，到了衰老阶段尽管也有新分裂的细菌，但仍然属于衰老的。,间歇培养细菌生长曲线（按细菌数的对数绘制）,图3-2 细菌生长曲线（按活细菌数的对数绘制）,按细菌数目的对数绘制的生长曲线可分为四个
16、阶段：缓慢期对数期稳定期衰老期,间歇培养细菌生长曲线（按细菌数的对数绘制）,（1）缓慢期在开始一段细菌并不繁殖，数目不增加，但细胞生理活性很活跃，菌体体积增长很快，而在其后期只有个别菌体繁殖，故称这阶段为缓慢期。,间歇培养细菌生长曲线（按细菌数的对数绘制）,（2）对数期经过一段缓慢期后，细菌分裂速度迅速增加，进入对数期。,间歇培养细菌生长曲线（按细菌数的对数绘制）,（3）稳定期在稳定期中，菌体生长繁殖速度逐渐下降，同时菌体死亡数目逐渐上升，最后达到新增殖的细菌数与死亡数基本相等。稳定期的活菌数保持相对平衡并处于最大值。稳定期的出现是由于食粮的减少和有毒代谢产物的积累。,间歇培养细菌生长曲线（按
17、细菌数的对数绘制）,（4）衰老期在衰老期，细菌死亡速度大大增加，超过其繁殖速度，只有少数菌体进行繁殖，细菌进行内源呼吸，所以活细菌曲线显著下降。,间歇培养过程（2）数学表达,（1）对数生长阶段食料（营养物）的供应超过细菌的需要，细菌的生长不受食料数量的影响，只受自身生理机能的限制。细菌数目的对数同培养的时间呈直线关系。因此，相应的数学表达式为：,X某一时间t时微生物的重量或浓度；K1微生物增长率。,积分，得：,X0微生物的起始重量或浓度。,对于废水生物处理中的活性污泥来说，微生物的重量或浓度可以粗略地用挥发性污泥的重量或浓度来表示，而K1则表示挥发性污泥的增长率（在实际工作中也可用污泥总量代表
18、挥发性污泥）。,间歇培养过程（2）数学表达,【概念】世代时间又称倍增时间。指细菌繁殖一代，即个体数目增加一倍的时间。对数期的细菌细胞代谢活性最强，组成新细胞物质最快，细菌数目呈几何级数增加，世代时间稳定。因此世代时间的测定必须以对数期的生长细胞作为最佳和最快生长的对象。其测定计算如下：,间歇培养过程（2）数学表达,设时间t0时细菌浓度为X0，到时间t时细菌浓度为X，其间细菌共繁殖分裂了n代，则：,G世代时间。细菌的浓度X0、X可通过生长测定方法得到，时间t0、t是确定的，这样就可以测定计算得出细菌的世代时间。,间歇培养过程（2）数学表达,在生长率下降阶段，食料或有机物浓度较低，其量已大大影响微
19、生物的生活。科学实验表明，有机物的去除率与存在的有机物浓度成正比：,（2）生长率下降阶段,S某一时间t时的有机物（基质）浓度；K2常数。,积分，得,S0有机物的起始浓度。,间歇培养过程（2）数学表达,内源呼吸是指菌体内贮藏物质、酶等一部分细菌物质的氧化，耗去自身的细胞质过程。内源呼吸阶段，培养基中的食料很少，菌体内的贮藏物质，甚至体内的酶，被作为营养物质利用。因此，微生物的重量越来越少。,（3）内源呼吸阶段,X某一时间t时微生物的重量或浓度；K3微生物自身氧化速度常数。,积分，得,X0微生物的起始重量或浓度。,间歇培养（3）微生物的生长阶段与污水的生物处理,（1）缓慢期 在微生物的间歇培养过程
20、中，缓慢期的出现是为了调整代谢。当细胞接种到新的环境后，需要重新合成必需的酶、辅酶或某些中间代谢产物以适应新的环境。在水处理中为了避免缓慢期的出现，可考虑采用处于对数生长期或代谢速率旺盛的污泥进行接种。另外增加接种量及采用同类型反应器的污泥接种也可达到缩短缓慢期的效果。,间歇培养（3）微生物的生长阶段与污水的生物处理,（2）对数期 在废水生物处理过程中，如果维持微生物在生长率上升阶段（对数期）生长，则此时微生物繁殖很快，活力很强，处理废水的能力必然较高；但此时的处理效果并不一定最好。因为对数期微生物活力强大就不易凝聚和沉淀，并且要使微生物生长在对数期，则需有充分的食料，就是说，废水中的有机物必
21、须有较高的浓度，在这种情形下，相对地说，处理过的废水所含有机物浓度就要比较高，所以利用此阶段进行废水的生物处理实际上难于得到较好的出水。,间歇培养（3）微生物的生长阶段与污水的生物处理,（3）稳定期稳定期的细菌生长速率下降，细胞内开始积累贮藏物和异染颗粒、肝糖等，芽孢细菌也是此阶段形成芽孢，若产生抗生素的放线菌也在此时期大量形成。处于稳定期的污泥代谢活性和絮凝沉降性能均较好。传统活性污泥法普遍运行在这一范围。,间歇培养（3）微生物的生长阶段与污水的生物处理,（4）衰老期 衰老期阶段只出现在某些特殊的水处理场合，如延时曝气及污泥消化。图3-3示微生物的代谢速率与食料和微生物重量或浓度之比（食料/
22、微生物）的关系。在活性污泥法的推流式曝气池进口附近，食料与微生物之比一般总是比较高的，但随着水流向出口处流动，此值将逐渐减小。,连续培养,【特点】一方面连续进料，另一方面又连续出料的培养方式，【类型】（1）恒浊连续培养（2）恒化连续培养。,连续培养（1）恒浊连续培养,恒浊连续培养中，培养基提供足够量的营养元素，细菌保持最大速率生长。通过控制进料流速使装置内细菌浊度保持一定，保持理论上的对数生长期，可获得大量菌体或与菌体代谢相平衡的代谢产物。这种方式往往用于细菌的生理生化研究。,连续培养,（2）恒化连续培养与水处理装置的运行方式比较相似。固定恒定的进料流速，又以同样的速率排出，进水组分及反应器中
23、营养物浓度基本不变。这种方式往往有一种限制性营养生长因子控制性营养生长因子控制生长。实际情况也确实如此。,微生物膜的生长特性,连续培养（2）恒化连续培养,恒化连续培养装置中描述与控制细菌生长的最重要参数是稀释速率D，,F进料流速；V培养装置体积。,稀释速率D与停留时间（retention time,RT）互为倒数，后者指一定流量的进料在反应器中的滞留时间。,连续培养（2）恒化连续培养,运行控制中D的大小须与细菌的生长相联系，即与细菌的倍增时间（double time,DT）有关。为了保证细菌在反应器内能很好生长，稀释速率D必须小于倍增时间DT，也就是说停留时间RT必须大于倍增时间DT，这样细菌才能滞留在反应器内，细菌越来越多。反之，稀释速率大于DT，细菌就会被冲出（wash-out）反应器，细菌越来越少。因此，D等于DT时的数值特称为临界稀释速率（Dc）。D，Dc，DT及基质浓度S等之间的关系曲线详见图3-4。,作业,
