生物化学工程基础

1本章重点：水处理中的微生物、细菌生理和生物处理与代谢作用。第六章生物化学工程基础——应用微生物生物化学生物化学工程是应用化学工程的原理和力法，将生物工程的研究成果进行工程应用的学科。生物化学工程的概念自1947年提出以后，便一直与发酵的工程问题联系在一起。生物化学工程认为：凡是微生物活动所产生的有机化合物的化学变化，都属于发酵。因此，废水的生物处理包含在生物化学工程的研究领域内，而微生物及相关的生物化学加识，是以微观水平理解生物化学反应过程的基础，是废水生化处理的基础理论。水处理中的微生物给水与废水处所涉及的微生物种类很多，根据其细胞结构、功能和组分差异，主要分三类：原核细胞微生物、真核细胞微生物和病毒(噬菌体)。§6.1原核细胞微生物原核细胞微生物的细胞仅有原始的核物质，无核膜与核仁的分化，也无细胞器等。它包括细菌、放线菌、蓝细菌等，其细胞结构如图6-1所示。1.细菌（真细菌）细菌是给水与废水处理中最重要的一类微生物。它是一种单细胞的类似植物的生物。根据细菌外型的不同，可分为球菌、杆菌和螺旋菌。细菌以单个或群体存在，通常以二分裂法繁殖，也有些可以进行有性繁殖。细菌细胞的最外层为细胞壁，是具有较强坚韧性的一层薄膜，起固定细菌形态和保护细胞的作用。细胞壁由脂类、蛋白质和多糖的聚合物组成，能抑制通过细胞壁的分子大小，2使大分子物质不能进入细胞内。细胞膜是一层紧贴着细胞壁而包围着细胞质的薄膜，其化学组成主要是脂类和蛋白质，这种膜具有选择性吸收的半渗透性，膜上具有与物质渗透有关的酶类，在吸收营养物质和排除废物方面起着重要作用。细胞膜里面的细胞质是一种无色透明而粘稠的胶体、其主要成分是水、蛋白质、核酸和脂类等。年幼细菌很容易染色，成熟细菌染色能力较差，因此可以通过观察染色均匀与否来判断细菌是处于新生还是衰老阶段。核物质是细菌遗传变异的物质基础，具有真核细胞细胞核的功能。质粒是细菌的另外一种遗传物质。它可以独立地复制，稳定地遗传。在处理含毒物质废水及复杂的人工合成有机物废水时，常借助降解性质粒和抗性质粒等的去除作用。细胞质的中间体是由于细胞膜陷于细胞质内而形成的，其功能是进行呼吸作用和供给细胞能量。有些细菌还能进行光合作用。载色体是进行光合作用的场所，也是由细胞膜内陷形成的。有些细菌在一定的环境条件下可形成一层粘液性物质，包围在细胞壁外面，这层物质叫粘液层。其成分主要是多糖和果胶类物质。当粘液层呈现均匀厚度时则称为荚膜。但是，有些细菌的粘液层能粘结起来，使许多细菌成团块状生长，称为菌胶团或冻胶菌。并非所有的细菌都能形成菌胶团，能够形成菌胶团的细菌，则称为菌胶团细菌。菌胶团是活性污泥和生物膜的重要组成部分，有较强的吸附和氧化有机物的能力，在废水生物处理中具有重要作用。活性污泥性能的好坏，主要可根据所含菌胶团多少、大小及结构的紧密程度来确定。因此，为了使废水处理达到较好的效果，要求菌胶团结构紧密，吸附、沉降性能良好，这就必须满足菌胶团细菌对营养及环境的要求。某些杆菌和极少数球菌能在菌体内形成圆形或椭圆形的具有较厚的壁，称为芽孢。芽袍是这些细菌在生长发育过程中特殊的休眠细胞形态，是在一定环境条件下细胞质和核质浓缩凝集所形成的。另外，芽孢对干燥和辐射的抵抗力也很强，在废水生物处理过程中，特别是处理有毒废水时，都有芽孢细菌的生长。还有些细菌可以形成一种由菌体内向菌体外伸出的细而长的鞭毛。鞭毛由特殊的鞭毛蛋白组成。水处理所涉及的细菌种类很多。对给水处理而言，由于细菌在常规过程中不参与处理作用，因此水中出现的细菌只是一种应被去除的有害杂质；对废水的生物处理而言，细菌是参与处理过程的基本动力，它们直接或间接地氧化分解有机污染物．是生物絮体和生物膜的基本成分。例如：假单胞菌属、动胶菌属、产碱杆菌属、黄杆菌属、埃希氏菌属等。2.丝状菌丝状茵在废水处理中的作用重要而独特。废水处理中常见的丝状细菌主要有球衣菌属、铁细菌属、贝日阿托氏菌属和发硫菌属。在正常运行的废水生物处理系统中，这些丝状细菌往往是生物絮体或生物膜的骨架，其上附着菌胶团，丝状细菌与菌胶团细菌形成互惠关系。因此这种结构性的丝状细菌对于维持废水处理系统稳定性，提高系统抗冲击负荷能力有重要点义。但丝状细菌过度繁殖，特别是游离于菌胶团之外的非结构性丝状细菌的大量繁殖．会引起废水处理系统的污泥膨胀。在需氧生物处理生物膜法中，球衣菌是构成生物膜的重要菌种。在活性污泥中保持一定数量的球衣菌，对有机物的去除是有利的。但球衣菌在系统中易于游离，在活性污泥中大3量繁殖时，会引起污泥膨胀。3.放线菌放线菌为具有分枝的丝状菌，介于细菌与真菌之间，是单细胞微生物。放线菌中的诺卡氏菌属有分解氧化无机氰化物和烃类化合物的能力，在处理含烃类和无机氰化物的废水中起着重要作用。4.蓝细菌蓝细菌有时列入藻类，也称为蓝藻。因其细胞结构为原核，故归入细菌类。蓝细菌是光合型微生物。多数蓝细菌生存于淡水中，是水生系统食物链中的重要一环。当恶性增殖时．可形成“水华”，造成水质恶化。海洋中的“赤潮”有时也系蓝细菌大量繁殖所致。§6.2真核细胞微生物真核细胞微生物的细胞核分化程度较高，有核膜和核仁。细胞质内有完整的细胞器，包括中心粒、线粒体、叶绿体、核糖体和内质网等。真核生物与原核生物虽然在分子水平上相类似，但在遗传物质结构及遗传现象上有很大差异。真核生物的结构更复杂。真菌、单细胞藻类及原生动物等均属于真核细胞微生物。真核细胞的结构如图6-2所示。1.原生动物原生动物是单细胞动物。原生动物具有核，核的数目有时不止一个，这与细菌不同；原生动物均有发育完善的运动器官或运动方法；原生动物通常按二分裂法繁殖，但有时也采取接合或自体受精等复杂的有性生殖。另外还有通过孢子增殖的方法：原生动物先变成球状，在体外形成孢囊，体内分裂成数个或干百个孢子。孢子破囊出来，各成—个新个体。孢子有时是在两个细胞融合后分裂出来的。原个动物可以分成五类：伪足类、鞭毛类、孢子虫类、纤毛类及吸着类。伪足、鞭毛及纤毛三类都是以它们的运动器官特征来命名的。伪足类中只有致病菌赤痢内变形虫得到了水处理工作者的注意。在活性污泥絮体及滴滤池生物膜中生活的可能全是需氧的原生动物。Rudolfs认为在污泥消化池中存在厌氧的原生动物，但Mc-Kinney则不同意这个看法。大多数的原生动物是从吞食细菌一类固体颗粒以取得营养。但是各种细菌合成的物质是有所不同的，因此原生动物在吞食细菌时，也是有选择性的。因此原生动物常被用作系统的指示生物。4总结起来，在废水及废水处理过程中，从重要性及数量上说，原生动物为仅次于细菌的微生物。原牛动物所起的最主要作用是吞食细菌。吞食细菌一方面起了净化废水的作用，另一方面控制了细菌的增殖速度。保持了微生物群体的生态平衡。另外，原生动物也可以直接从废水中吞食固体有机物，吸收溶解的有机物，直接发挥净化废水的作用。2.真菌真菌也是类似植物的低等生物，但结构比细菌和放线菌复杂。种类繁多，且都是有机应用型的。真菌形态有单细胞和多细胞两种形式。与水生物处理有关的是单细胞的酵母菌和多细胞的霉菌。酵母菌的培养条件要求不高，繁殖迅速，目前已广泛应用于无毒高浓度有机工业废水的综合利用，将废物转化为高营养的酵母菌体蛋白(单细胞蛋白)。霉菌既能产生有机酸，也能产生氨以调整酸碱度，所以某些种类可以生存于pH值1~10之间的环境中。这对工业废水的生物处理有着重要的意义。废水处理的生物膜中，可能有很多的真菌组成膜网。今年来也发现某些霉菌如镰刀霉等能有效地氧化分解无机氰化物，去除率可达90%以上，对有机氰化物（腈）的处理效果则差些。因此国内外都在进行利用霉菌处理含氰等废水的研究。3.藻类藻类是含有能进行光合作用的叶绿素的低等植物。一般都很微小，须借助显微镜才能看见。藻类以其色素的颜色分成绿藻、蓝藻、红藻及褐藻等。由于光在废水中透过较差，故其在废水处理中所起的作用是有限的，另外，湖水或水库中的藻类，能使水质产生色度、异味和异臭等，并导致过滤设备的堵塞。§6.3病毒病毒为没有细胞结构的唯一的微生物，大多病毒只是核酸与蛋白质组成的大分子，而且只含有DNA或RNA一种类型的核酸。是自然界最小的生物，能通过细菌滤器，须借助电子显微镜才能看见。只要在寄主体内才表现生命的特征。病毒寄生于人、动物、植物及微生物等的细胞内，可引起人及动物、植物的传染病。寄生在细菌细胞内的病毒叫噬菌体。噬菌体具有高度的寄生专一性。1.病毒的大小与形态病毒的体积大小差别很大，大多数病毒直接为100nm左右。病毒形态各不相同，动物病毒多呈球形、卵圆形、砖形或多面体形。植物病毒多呈杆状或丝状。细菌病毒即噬菌体，多为蝌蚪状(见图6-3)，亦有球形及丝状。5图6-3T4噬菌体结构示意2.病毒的结构大多数病毒是由蛋白质与核酸组成，只有少数几种较大病毒含有脂类和多糖等。一种病毒只含有DNA和RNA一种类型的核酸。噬茵体大多数只含有DNA，只有少数含有RNA。核酸位于病毒的中心，形成病毒的核髓。蛋白质是病毒的主要组成，主要作用是构成病毒粒子的衣壳，保护病毒核酸，决定病毒感染的特异性．并具有抗原性。3.病毒的感染与繁殖病毒是以复制方式繁殖。繁殖过程可分为吸附、侵入与脱壳、复制与合成、装配和释放五步，如图6-4所示。说明如下：（1）吸附病毒与易感细胞接触时，由于细胞膜表面有特异的受体，与病毒表面相互结合而使病毒吸附于细胞表面，非易感细胞没有这种受体，故病毒不能吸附。（2）侵入和脱壳噬菌体T2的尾部末端附着在大肠杆菌的细胞壁上，分泌一种能水解细胞壁的酶．使细菌细胞壁产生一个小孔，尾硝收缩．此时头部的DNA注入宿主细胞内，蛋白质的衣壳留在细胞外，称为脱壳。（3）蛋白质合成噬菌体DNA接管了细胞的蛋白质合成机器，形成病毒的mRNA，从而合成噬菌体的蛋白质，也包括衣壳的蛋白质。（4）基因组合成病毒DNA通过复制产生许多病毒基因组的副本，为产生子代的前一步。（5）成熟与释放基因组包入蛋白质衣壳内形成成熟的子代噬菌体。当宿主细胞壁受溶菌酶的作用使细胞裂解后，噬菌体释放出来。放出的新噬菌体又可侵入新的细胞。噬菌体的命名往往利用数字编排来分辨感染同一宿主的几种病毒。多数病毒对热敏感，55~60℃数分钟即可使病毒衣壳蛋白质变性而被灭活。而对低温的耐受力较强。甲醛、碘、氯等对病毒有明显的灭活作用。§6.4细菌的成分6细菌也和其它活的生物一样，需要某些营养物才能生长。这些营养物必须包含该细胞的细胞物质中所含的元素，以及酶的活力及运输系统所必需的元素。1.细菌的元素组成细菌所必需的元素可以称为细菌的生物元素。细菌元素可以通过细菌细胞物质的分析得出。细菌和其他微生物成分中所含的主要元素见表6-1。这些元素所占的百分数是以细菌干重计的。由表6-1可看出，大多数元素都占0.5%以上。表6-2列出了细菌成分中的次要的生物元素。表6-1所列的数据，是判别在废水生物处理过程中，水质中所含有的几种主要元素含量是否满足了细菌生长需要量的根据，一般情况下都能满足，故不必加以核实。但表6-2中7所列的某种微含量元素缺乏时，代谢作用就会受到影响，废水处理就会出现异常现象。2.细菌的大分子组成细菌或其它的微生物细胞物质主要是由一些大分子组成的，如表6-3所示。其中蛋白质和核酸是微生物细胞进行生命活动的最重要的物质基础。（1）蛋白质的组成微生物细胞的蛋白质分为两种，一种为结合蛋白质，如糖蛋白等，是构成细胞组织的一部分；另一种为溶解性的单纯蛋白质，主要在细胞质中。各种蛋白质的元素组成都很有碳、氢、氧、氮四种元素，大部分还含有硫。有的还含有磷、铁、铜等。α-氨基酸是一切蛋白质的组成单位。组成蛋白质的天然氨基酸主要有20种，如甘氨酸、丙氨酸、亮氨酸、精氨酸、天冬氨酸、色氨酸、氨酸等。氨基酸的基本结构通式为：上式具有两个特点：第一，具有酸性的-COOH及碱性的-NH2，为两性电解质。第二，如果R≠H，，则具有不对称碳原子，因而是光活性物质。氨基酸在中性水溶液中是以两性离子形式存在的。一个氨基酸的氨基与另一氨基酸的羧基可以缩合成肽，其键称肽键。（2）蛋白质的结构蛋白质是由α—氨基酸结合而成，水解后产生α