课件03环境生物技术的理论基础

环境生物技术2012.03.01第3章环境生物技术的理论基础生化反应计量学——研究生化反应化合物组成及其反应转化程度数量关系，主要体现生化反应物质的守恒原理生化反应动力学——研究生化反应的快慢程度，主要包括细胞生长动力学、基质消耗动力学和产物生成动力学生化反应热力学——研究生化反应自由能的变化及反应体系的平衡性质以判断生化反应进行的方向。3.1生化反应计量学化学反应平衡方程式——基于化学计量学建立的，是化学反应过程中反应物和产物之间的摩尔关系。C8H12O3N2+3O2C5H7O2N+NH3+3CO2+H2O铬蛋白细菌细胞相对分子量184961131713218∑=280∑=2803.1.1化学计量方程式这个方程式表明什么？为了使反应正常进行，微生物每消耗184g铬蛋白，必须提供96g氧。当处理1000kg/d铬蛋白时，必须通过曝气提供520kg/d的氧，有610kg/d生物固体（也就是干污泥）需要进行脱水和处置。细胞中各种元素的相对比例取决于系统含有的微生物、用于产生能量的基质以及微生物生长所需的营养物质等特性。3.1.2微生物细胞的经验分子式活性污泥：C5H7O2NC60H87O23N12PC118H170O51N17PC7H10O3N大肠杆菌：C4.2H8O1.3N在一定条件下，同一类微生物的细胞元素组成可以视为相对稳定。常用微生物的无灰干燥细胞的元素组成来表示细胞的组成。微生物细胞的组成式测量完全氧化单位质量细胞碳所需要的氧量，是细胞经验分子式的一个极其重要的方法。——COD’(计算需氧量）。CnHaObNc+（）O2cNH3+nCO2+（）H2OCOD’/质量=其中n=%C/12T,a=%H/T,b=%O/16T，c=%N/14T3.1.2微生物细胞的经验分子式以及T=%C/12+%H+%O/16+%N/142-51-502bc.a.n2c3-acbanbc.a.n14161216-51-502）（细胞的组成（质量分数为）48.9%的C，5.2%的H，24.8%的O，9.46%的N和9.2%的灰分。请写出细胞的经验分子式。例：假设，c=1，即除以0.0588，得到细胞的经验分子式为C6.0H7.7O2.3NT=%C/12+%H+%O/16+%N/14=48.9/12+5.2+24.8/16+9.46/14=11.50n=48.9/(12×11.5)=0.354a=5.2/11.5=0.452b=24.8/(16×11.5)=0.135c=9.46/(14×11.5)=0.0588氧化还原反应总是包括一个电子供体和一个电子受体。在氧化还原反应中，凡是失去电子（或氢)的物质称为电子供体（也称供氢体），接受电子（或氢）的物质称为电子受体（或受氢体）。微生物利用电子供体基质进行合成代谢，一部分电子（）用于能量代谢，一部分电子（）用于细胞合成，且fs+fe=1。ef3.1.3能量反应sf在研究微生物生长的一个完全的计量学方程式的过程中，建立能量反应是一个非常有意义的开端。半反应是最直接的，特别是对于非常复杂的反应，并且和反应能量学完全符合。例：葡萄糖被硝酸盐氧化的反应建立过程。以一个电子当量为基础，葡萄糖氧化的半反应可以表示为：仍以一个电子当量为基础，硝酸盐还原的半反应可以表示为：将上两式相加，得到完整的平衡反应式：在上式两边分别乘以120，就可以得到反硝化的方程式：细菌的生长包括2个基本反应，一个是产生能量的反应，另一个细胞合成反应。电子供体给电子受体提供电子，产生能量。生化反应可写成3种形式的半反应：供体半反应以Rd表示，受体半反应以Ra表示，细胞物质合成半反应以Rc表示。能量半反应以Re表示，则有：合成反应式为：3.1.4生物生长的总反应例：假设提供安息香酸盐作为电子供体，硝酸盐为电子受体，氨为氮源。基于净产率，假设安息香酸盐电子当量中40%用于合成（fs=0.40），另外的60%用于产生能量（fe=0.60）。写出完整的能量和合成反应式。左表是以一个电子的还原反应表示。如果一个半反应用于氧化反应，等式左右调换。H45例：假设提供安息香酸盐作为电子供体，硝酸盐为电子受体，氨为氮源。基于净产率，假设安息香酸盐电子当量中40%用于合成（fs=0.40），另外的60%用于产生能量（fe=0.60）。写出完整的能量和合成反应式。能量反应：Ra：-Rd：Re：合成反应：Rc：-Rd：Rs：总反应：feRe：fsRs：R：总之，即：R=feRa+fsRc-Rd上式是一个普遍的方程式，可以用来建立微生物合成和生长的各种各样的化学计量式。例:硝化反应的化学计量学在废水处理中，用无机营养型微生物在有氧条件下把氨氧化为硝酸盐，以降低进水因为硝化反应而产生的耗氧量。如果废水中氨的浓度为22mg/l（以N表示），处理1000m3的废水，硝化反应消耗多少氧？将产生多少细胞物质（以kg干重计）？处理后度水中硝态氮的浓度是多少？假设fs为0.10，无机碳用于细胞合成。已知：电子供体——氨电子受体——氧fs=0.10fe=0.90氨同时作为细胞合成的氮源则：Ra：Rc：-Rd：-324eH45NO81OH83NH81则：feRa：fsRc：-Rd：R:好氧微生物反应：CHmOn＋aNH3＋bO2=Yx/cCHxOyNz＋Yp/cCHuOvNw＋(1-Yx/c-Yp/c)CO2＋cH2Oa=zYx/c+wYp/cb=(1-Yx/c-Yp/c+m/4-n/2)+(Yp/c/4)(-u+2v+3w)+(Yx/c/4)(-x+2y+3z)c=m/2+(Yp/c/2)(-u+3w)+(Yx/c/2)(-x+3z)S＝YxX＋YpP产物产率系数(productyield)细胞产率系数(cellyield)微生物反应综合方程3.1.5微生物反应的计量关系计量学限制性物质：细胞生长过程中首先完全消耗掉的物质生长速率限制性基质：在一定的环境条件下，向反应系统中加入某一基质，能使微生物生长速率增加，则该基质被称为生长速率限制性基质。（富营养化湖泊的营养限制因子）反应系统中细胞的生长量（细胞干燥质量）与反应消耗掉的基质的质量之比[单位：kg(细胞)/kg(基质)]细胞产率系数以基质质量为基准的细胞产率系数Yx/sSXY－＝反应消耗的基质量细胞的生长量X/SYX/S值的大小：可能小于1，也可能大于13.2生化反应动力学3.2.1微生物生长速率XtXrddXX：活细胞浓度，mg/L；μ：比生长速率(specificgrowthrate)，h-1。XtX1ddtd:倍增时间(doublingtime)dd693.02lntt微生物的生长速率的定义【例题】用50mL的培养液培养大肠杆菌，大肠杆菌细胞的初期总量为8×105个，培养开始后即进入对数生长期（无诱导期）。在284min后达到稳定期（细胞浓度3×109个/mL），试求大肠杆菌的μ和td。（设在培养过程中μ保持不变）解：开始时的细胞浓度X0=8×105/50=1.6×104个/mL。根据细胞增长方程XtX1ddXXtdd设培养过程中μ保持不变，则)ln(0XXt1490h5.2284)106.1/103ln()/ln(tXXmin6.16h277.05.2693.0693.0dt微生物生长速率与基质浓度的关系S：生长限制性基质的浓度，mg/L；μmax：最大比生长速率，h-1；Ks：饱和系数，mg/L。Ks与μ＝μmax/2时的S值相等SKSsmaxMonod（莫诺特）方程maxμmax21μsKSμ①随着细胞质量的增加，细胞内所有物质如蛋白质、RNA、DNA、水分等以同样的比例增加，即细胞内各组分含量保持不变。这种生长称为协调型生长(balancedgrowth)。②系统中各细胞具有相同的生理生化特性，或不考虑细胞间的差异，即用平均性质和量来描述。③培养系统中只存在一种生长限制性基质，其它成分过量存在且不影响微生物的生长。④在培养过程中，细胞产率不变，为一常数。Monod方程成立的假设条件Sμmaxμmax21μs1Ks2K12富营养细胞(Eutroph)与贫营养细胞(Oligotroph)的比较富营养细胞：Ks值较大，在低基质浓度时的生长速率低。贫营养细胞：Ks值较小，在低基质浓度时的亦能快速生长。即能使基质消耗到很低的水平。环境治理中哪种微生物比较理想？Monod方程与麦氏(Michaelis-Menten)方程的区别•Michaelis-Menten方程中的Ks有明确的物理意义（与基质和酶的亲和力有关），而Monod方程中的Ks仅是一个试验值。•Michaelis-Menten方程有理论推导基础，而Monod方程是纯经验公式，没有明确的理论依据。基质消耗速率的表达式XYrYrX/SXX/SS11基质消耗速率(volumetricsubstrateconsumptionrate)细胞(表观)产率系数XrSSX/SS1Y比基质消耗速率(specificsubstrateconsumptionrate，－νS)3.2.2基质消耗速率当μ可以用Monod方程表达时，可改写为：SKSSKSYsmaxsX/SmaxS最大比基质消耗速率式中νmax为最大比基质消耗速率考虑维持代谢的基质消耗速率表达式基质消耗速率=用于微生物生长的消耗速率＋用于维持细胞活性的消耗速率XmrYrXX*X/SS1细胞真实产率系数X*X/SS1mY维持系数X*X/SS1mYX/SS1YX*X/SX/S111mYYX/S1Yμ/1Xm*X/S/1Y03.2.3生物膜的基质消耗速率微生物膜：附着生长在固体表面上的微生物的聚集体。可视为固体催化剂zdSzzSSddd固体微生物膜液相yz0*S微生物膜的物料衡算与基本方程基质S在厚度为dz，面积为dxdy的微小单元内的物料衡算（微生物膜表面光滑、内部均匀）sfddddSDxyz扩散进入量：yx)zzSS(zDdddddddsf扩散出的量：zyxrdddS反应消耗量：SzdydxdzzSSddd基质在微生物膜内的有效扩散系数以微生物膜体积为基准的基质消耗速率zdSzzSSddd固体微生物膜液相yz0*S在稳态状态下：扩散进入量＝扩散出的量＋反应消耗量zrzzSSzDzSDd)()dddd(ddddSsfsfS22sfddrzSD微生物膜的基本方程－rss定义式如下：以微生物膜表面积为基准的反应速率微生物膜单位体积的反应速率难以计算，以微生物膜表面积为基准的基质消耗速率(－rss)较易计算。－rss＝ksS*S*：可近似认为等于液相主体浓度Sb以微生物膜表面积为基准的反应速率常数，m/h微生物生长速率与基质消耗速率的关系在环境工程中，常常需要根据污染物的生物降解速率预测微生物的生长量XmrYrXX*X/SS1XYmtSYtX*X/SX*X/SddddXYmrYr*X/SXS*X/SX)(常数bbXtSYtXdddd*X/S在污水生物处理中：污泥真实转化率或污泥真实产率b：微生物的自身氧化率(衰减系数)污水的活性污泥法处理系统的b值为0.003～0.008h－1*X/SY3.3生化反应热力学3.3.1生物能学的几个基本概念热力学第一定律第一定律是关于能量转换原理，研究热、功与体系内能的关系，反映了能量守恒规律，是焓(enthapy)的变化，焓是在恒压下反应的热。热力学第二定律第二定律主要研究系统和环境之间的熵的变化，帮助判断一个过程是否自发进行。熵是难于描述和难于测定的。熵的变化对生物化学特别重要。热力学的这两个定律可用自由能变化使其联系起来。自由能是一个化合物分子结构中所固有的能量，是一种能在恒温恒压下做功的能量。自由能的热力学表达式为：G＝H－TS（1）G：自