光合细菌生物膜的研究进展

第34卷第5期生态科学34(5):2282322015年9月EcologicalScienceSep.2015收稿日期:2014-10-22;修订日期:2014-12-16基金项目:山西省国际合作计划项目“中美合作高产氢活性光合细菌的筛选和资源化利用”(No.2013081020)作者简介:孙明星(1991—),男,硕士,主要从事光合细菌生物制氢研究,E-mail:[e-mail]*通信作者:吕永康,男,博士,教授,主要从事环境工程与技术的研究,E-mail:[e-mail]孙明星,吕永康,刘玉香.光合细菌生物膜的研究进展[J].生态科学,2015,34(5):228232.SUNMingxing,LVYongkang,LIUYuxiang.Researchprogressesonphotosyntheticbacterialbiofilm[J].EcologicalScience,2015,34(5):228232.光合细菌生物膜的研究进展孙明星1,吕永康2,*,刘玉香31.太原理工大学化学化工学院,山西0300242.太原理工大学煤科学与技术教育部和山西省重点实验室,山西0300243.太原理工大学环境科学与工程学院,山西030024【摘要】光合细菌生物产氢技术能够将有机废水处理和氢气制备有效结合起来。光合细菌的产氢能力在形成生物膜后变强,这有利于实现光合细菌的工业化应用。介绍了光合细菌生物膜的形成过程和对光合细菌生物膜形成的模拟研究,综述了光照、流速、载体等对光合细菌生物膜的形成和产氢性能的影响。借鉴免疫学对生物膜的研究方法和技术,并深入对光合细菌生物膜形成机理的全面认识,提高光合细菌生物膜的性能,是光合细菌生物膜研究的重要方向。关键词：光合细菌;生物膜;生物制氢;数学模型doi:10.14108/j.cnki.1008-8873.2015.05.034中图分类号：Q939文献标识码：A文章编号：1008-8873(2015)05-228-05ResearchprogressesonphotosyntheticbacterialbiofilmSUNMingxing1,LVYongkang2,*,LIUYuxiang31.CollegeofChemistryandChemicalEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Shanxi030024,China2.KeyLaboratoryofCoalScienceandTechnologyofShanxiProvinceandMinistryofEducation,TaiyuanUniversityofTechnology,Shanxi030024,China3.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Shanxi030024,ChinaAbstract:Photosyntheticbacterialhydrogenproductiontechnologycaneffectivelycombineorganicwastewatertreatmentandhydrogenproduction.Thematurebiofilmofphotosyntheticbacteriahaseffectiveabilitytoproducehydrogengas,whichisconducivetotherealizationoftheindustrialapplicationofphotosyntheticbacteria.Thepaperintroducedtheprocessofphotosyntheticbacterialbiofilmformationandsimulationstudiesonphotosyntheticbacterialbiofilmformation,andreviewedtheeffectsofthelighting,flowrateandcarriersonphotosyntheticbacterialbiofilmsformationandhydrogenproduction.Inphotosyntheticbacterialbiofilmstudy,whileabsorbinganddrawingtheoriesandmethodsofimmunology,itisnecessarytodeeplyrealizecharacteristicsandrulesofphotosyntheticbacterialbiofilmformationandimprovetheperformanceofphotosyntheticbacterialbiofilm.Itisanimportantdirectionofphotosyntheticbacterialbiofilmstudy.Keywords:photosyntheticbacteria;biofilm;biohydrogenproduction;mathematicalmodels1前言光合细菌在厌氧光照条件下,能利用多种有机物作为供氢体和碳源进行产氢和增殖[1],因此,可以将制氢和处理有机废水有效结合起来[2–5],在净化水质的同时生产清洁能源,因此光合细菌成为当5期孙明星,等.光合细菌生物膜的研究进展229前生物制氢领域的研究热点与前沿之一。但是,光合细菌的实际产氢速率和产氢效率与理论值相差较大[6],阻碍了光合细菌产氢的工业化应用。生物膜是一些微生物细胞由胞外聚合物(EPS)包围形成,且附着在物体表面具有合作机制的微生物群落[7]。相比较于自由悬浮的单个细胞,生物膜内细胞的相互作用使得生物膜整体对抗生素和消毒剂的抵抗能力更高,对环境变化的适应性更强,在生理、代谢方面具有独特的性质[8]。因此,采用吸附法固定化技术[9],使光合细菌在载体表面形成生物膜,可以提高光合细菌产氢特性和处理有机废水的能力,具有十分广阔的发展前景。本文主要阐述光合细菌生物膜形成的过程,论述光合细菌生物膜形成的数学模型,分析影响光合细菌生物膜形成的因素,并对光合细菌固定化生物膜制氢技术发展的趋势和方向进行展望。2光合细菌生物膜形成的过程生物膜形成的过程包括一系列的物理过程、化学过程和生物过程。在生物膜形成过程中,自由悬浮的细胞首先由短暂性吸附变成永久性固定在载体表面,并形成单层膜,而且该单层膜上的细胞专门维持其附着在载体表面;然后,由固定化的细胞形成的单层膜使更多的细胞通过胞外聚合物(EPS)等凝聚在一起,形成更大的细胞簇;最终,形成成熟的三维立体生物膜,并且在生物膜内部形成大量细小的水通道[10]。生物膜内的水通道对光合细菌的代谢十分重要,是生物膜与外界联系的桥梁。光源和培养液中的底物分别通过水通道透射和扩散到生物膜内部,被生物膜内部的细菌吸收利用,细菌的代谢产物也通过这些水通道扩散到外部。谢国军等人通过电镜观察了光合细菌RhodopseudomonasfaecalisRLD-53在活性炭纤维表面形成生物膜的过程,发现2d后有单个的细胞附着在活性炭纤维的表面,4d后光合细菌吸附在活性炭纤维表面的速度加快,6d后出现单层膜,10d后在单层膜的基础上形成了多层膜的结构,14d后形成成熟的三维立体结构的生物膜,并且,在伴随着生物膜形成的过程中,光合细菌的产氢性能不断提高,并在成熟的生物膜形成后达到稳定状态[11]。朱恂等发现在表面粗糙的光纤和球形玻璃珠上形成稳定的光合细菌生物膜分别需要25d和60d的时间[12–13]。由此可见,固定化光合细菌形成生物膜的方法,使悬浮的单个光合细菌由无组织状态进入到有组织状态,有利于提高光合细菌的产氢性能,但是光合细菌生物膜的形成需要较长的时间,因此还需要对光合细菌生物膜的形成机理深入研究,缩短光合细菌生物膜的形成时间。3光合细菌生物膜形成过程的模拟生物膜建模是一种研究生物膜形成和生长的技术手段,有助于定性和定量地分析不同因素对生物膜形成的影响和作用[14]。目前,关于生物膜的模型主要有:重视基质去除动力学的反应—扩散模型、重视活性生物量和非活性生物量积累的Capdeville生物膜增长动力学模型、重视生物膜形态和结构的元胞自动机(CA)模型、重视生物膜内各微生物种群相互作用和空间分布的复合生物膜模型[15]。虽然数学模型在对生物膜结构和生物膜动力学的理解上起着关键的作用,但目前关于光合细菌生物膜建模的研究并不多。廖强等将反应—扩散模型和元胞自动机模型结合起来开发了一个模拟光合细菌在平板光反应器内生物膜形成的2D模型,通过模拟得到的生物膜孔隙率和粗糙度数据与实际数据的相对偏差分别是＋12.1%—–6.3%和＋12.5%—–1.4%[16];陈蓉等以元胞自动机模型为基础并充分考虑光衰减和光合细菌失活的影响开发了一个微分离散数学模型来模拟光合细菌生物膜的形成[17]。虽然以上两个模型对光合细菌生物膜形成的模拟比较成功,但是,元胞自动机是一种人为假设的计算算法规则,其理论基础并不可靠[18],而且光合细菌的种类、胞外聚合物、光波长、底物类型和浓度等其它因素也会影响光合细菌生物膜的形成,因此还需要进一步确定这些因素的显著性水平和它们对生物膜的作用,探索创造更加精准合理的数学模型。4影响光合细菌生物膜形成和产氢特性的因素4.1光强和波长光照是光合细菌进行生长繁殖和产氢的必要条件[19],为光合细菌的电子转移和产氢等代谢活动提供能量[20],因此光强和波长对光合细菌生物膜的形成有很大的影响,通过控制光照可有效控制光合细菌生物膜的生长。廖强等人研究了光照强度和波长对生物膜的厚度与生物膜内光合细菌的大小和数量的影响,发现在光强1000lx的光照条件下形成的生230生态科学34卷物膜上的光合细菌RhodopseudomonaspalustrisCQK01,长2.0—2.5μm,直径0.5—0.7μm,光强5000lx时,长3.5—4.5μm直径1.2—1.5μm,光强8000lx时,长3.0—4.0μm直径0.5—0.8μm,并且光强1000lx时膜厚度最大,可达22.2×106m,光强5000lx时干重最大,可达0.915mg·cm2,而且在5000lx光强下形成的生物膜产氢性能最佳;还发现随着光波长的增大,光合细菌干重和生物膜厚度均逐渐减小,而生物膜上光合细菌先变大后变小,光波长590nm时光合细菌达到最大,而且形成的生物膜产氢性能最佳[21]。细菌叶绿素是光合细菌捕获光能的主要色素和进行光合作用的关键单元[22],沼泽红假单胞菌含有的细菌叶绿素a在光波长590nm处具有吸收峰[23],因此在光波长590nm时,R.palustrisCQK01对光能的利用率较高,代谢旺盛,形成的生物膜活性较大,而过强的光照强度反而会抑制光合细菌活性。由此可见,光强和波长影响光合细菌的生理活性,进而影响生物膜的形成和结构,并最终导致生物膜的产氢性能出现差异。由于细菌叶绿素分为a、b、c、d、e五种,各自的光吸收波长不同,光合细菌内的细菌叶绿素和类胡萝卜素的光吸收波长也不同[24],而且不同的光合细菌含有的色素种类和含量也不同,所以不同类型的光合细菌光吸收波长和对光能的捕获能力都不相同,因此,对于特定的光合细菌选择适当的光照条件,可以提高光合细菌活性,有利于结构优良的生物膜的形成并加快成型速度。4.2流速和底物浓度生物膜内部结构和表面特性是生物膜生长的综合反映,是流体流动的动力学特性[25]、底物种类和浓度等外部环境与生物膜生长相互影响的结果。其中流速通过影响流动剪切力、营养物质输运等来影响生物膜生长,底物种类和浓度影响细菌的生理代谢[26],进而影响生物膜的生长。王业军等研究了培养液流速和底物浓度对光合细菌生物膜的形成和产氢性能的影响,发现在低的流速下形成含有较少EPS疏松多孔的生物膜,在高流速下形成含有较多EPS结构致