光合細菌在溝槽基質(zhì)表面的成膜特性.pdf

1、隨著能源短缺與環(huán)境污染的日益惡化，傳統(tǒng)化石能源已不能滿足環(huán)境友好和可持續(xù)發(fā)展的要求，急需可替代再生能源。氫能憑借其高燃燒值、易完全燃燒、無污染和可直接在燃料電池中使用等優(yōu)點，被認為是最有潛力的替代能源之一。氫能應(yīng)用的關(guān)鍵在于氫氣的制備。以光合細菌制氫技術(shù)為代表的光生物制氫技術(shù)能利用有機廢水中的碳源在光能的驅(qū)動下產(chǎn)生氫氣，從而同時實現(xiàn)環(huán)境保護和制備可再生能源；并且其反應(yīng)條件溫和、能耗低，因此具有良好的發(fā)展前景。其中，細胞固定化技術(shù)之一的生

2、物膜法，擁有較大傳質(zhì)速率、優(yōu)良的光傳輸特性和簡便的操作方式等優(yōu)點的同時，也能有效提高生物反應(yīng)器單位體積內(nèi)的生物量從而提高反應(yīng)器的產(chǎn)氫速率。因此，生物膜法光合細菌制氫技術(shù)能有效的解決能源和環(huán)境問題。
　　在生物膜制氫光生物反應(yīng)器中，底物的傳入與產(chǎn)物（氫氣）的傳出以及生化產(chǎn)氫反應(yīng)都主要發(fā)生在生物膜內(nèi)。因此，底物-產(chǎn)物傳輸和反應(yīng)器整體性能很大程度上取決于生物膜結(jié)構(gòu)，而這些都直接受到反應(yīng)器內(nèi)光合細菌的成膜特性的影響。然而，過去在這方面的研

3、究還比較少，針對此，本文以光合細菌沼澤紅假單胞菌Rhodoseudomonas palustris CQK01作為產(chǎn)氫菌種，利用元胞自動機模型對光合細菌生物膜在平板和溝槽基質(zhì)表面生長進行了數(shù)值模擬，預(yù)測了光照強度、初始接種量、溫度、pH和底物濃度對光合細菌生長和成膜過程中表面形態(tài)以及特征參數(shù)的影響。為了驗證模型的準確性，本文還設(shè)計了三種不同溝槽尺寸的光生物制氫反應(yīng)器，研究在相同條件下形成的生物膜形態(tài)結(jié)構(gòu)及其產(chǎn)氫性能的變化并與平板反應(yīng)器做

4、了對比。主要研究結(jié)果如下：
　　1.在不同的外部操作條件下，生物膜形態(tài)呈現(xiàn)稀疏的樹枝狀和致密的平板結(jié)構(gòu)，對于不同形態(tài)的生物膜結(jié)構(gòu)，通過特征參數(shù)的比較發(fā)現(xiàn)，樹枝狀具有更大的孔隙率、粗糙度和活性生物量，具有更好的傳質(zhì)效果。
　　2.底物限制是細胞失活現(xiàn)象發(fā)生的關(guān)鍵因素。由于底物濃度過低，細胞失活多發(fā)生在生物膜內(nèi)部區(qū)域。
　　3. pH、溫度和光照條件對光合細菌生物膜內(nèi)酶的活性有著重要影響。過低或過高會對酶的活性產(chǎn)生限制或抑

5、制作用，進而影響光合細菌生物膜的生長。研究發(fā)現(xiàn)，最優(yōu)pH、溫度和光照條件分別為7.0、30℃和6000lux。
　　4.底物濃度和初始接種量對光合細菌的生長具有重要的作用。模型結(jié)果發(fā)現(xiàn)過高和過低的底物濃度和接種量都不利于生物膜的生長，最佳底物濃度和初始接種量分別為10g/L和60。
　　5.模擬研究溝槽基質(zhì)表面上生物膜生長情況，與相同條件下的平板基質(zhì)對比發(fā)現(xiàn)，溝槽條件下形成的生物膜厚度和活性生物量都要高于平板，而所形成的生物

6、膜粗糙度也要優(yōu)于平板基質(zhì)。經(jīng)過研究不同操作條件下對光合細菌在溝槽基質(zhì)表面的成膜特性，得到對于溝槽基質(zhì)表面下光合細菌生物膜生長的最適條件為：溫度為30℃、pH為7.0、光強為6000lux和接種量為120個。
　　6.不同溝槽尺寸對光合細菌生物膜成膜的實驗研究發(fā)現(xiàn)：四種反應(yīng)器所形成的生物膜在單個細胞形態(tài)上差別不大，而生物膜厚度和干重在溝槽尺寸為1.0mm時獲得最大分別為98μm和0.94mg/cm2。同時，1.0mm的溝槽的產(chǎn)氫性能