光合细菌生物膜生长特性实验及模拟

论文摘要

随着经济发展和人类对能源需求的日益增加,对清洁能源的开发与应用是大势所趋,而氢能作为一种洁净的可再生的能源,具有非常大的发展潜力。光合细菌可以在光能的驱动下降解有机废物为氢气,实现污染治理的资源化利用;利用光合细菌生物膜反应器能有效地完成有机废物的处理,同时高效地产生清洁的能源氢气,这在有机废物的综合利用和环境保护方面是很有前途的处理技术。本文针对光合细菌在平板式生物膜反应器中的生长过程,采用在线观察光合细菌生物膜微观结构和离线分析生物膜生长特性参数相结合的方法,实验研究了在不同的入射光波长、强度、循环液流量和底物浓度条件下,高效光合产氢细菌生物膜在固体基质表面上生长特性,讨论了其对沼泽红假单胞菌生物膜表面覆盖率、膜厚、干重和密度的影响。在实验研究的基础上,采用元胞自动机模型对生物膜生长过程中的生长结构和形态进行了模拟。本研究工作的开展,揭示了光合细菌在固体基质表面上的吸附及生长机理,同时为光合细菌生物膜反应器的挂膜启动提供实验依据,并且为污水处理和光生物制氢技术的发展提供基础性材料。实验和模拟研究所取得的主要研究成果如下:1)当光照波长范围为420nm-590nm时,在相同时间间隔内,生物膜表面覆盖率随着光照波长的增加而增加;光照波长对生物膜干重的影响很小,在实验运行4天后,生物膜的厚度随波长的增加而减小;光照波长越长,生物膜密度越高。2)当入射光强度范围为1000lx-8000lx时,在相同实验运行时间,5000lx条件下生物膜覆盖率最高;当光强小于5000lx时,实验运行4天后,生物膜干重、密度随光强的增加而增加,膜厚随光强的增加而减小;8000lx条件下生物膜干重、厚度最低,密度与1000lx条件下差别不明显。3)当循环液流量为37.8 ml·h-1-1080 ml·h-1时,在相同实验运行时间,生物膜覆盖率随流量的增加先增加后减小;当流量大于228 ml·h-1时,循环液流量对生物膜生长特性参数影响不大;当流量为37.8 ml·h-1时,生物膜厚度最大,密度最低。4)当底物浓度为0.05 g·L-1-10 g·L-1时,在相同实验运行时间,10 g·L-1条件下的生物膜覆盖率最高;底物浓度对生物膜干重及厚度影响规律不明显,但生物膜密度随底物浓度的增加而增加。5)在各种影响参数中,光照条件对光合细菌形态和生物膜结构影响最大,当入射光波长为420nm时,光合细菌的分裂增殖及生长代谢功能受到抑制,进而使个体细菌形态和相应的生物膜结构发生变化;当入射光强度为8000lx时,生物膜变为复杂的长条状不规则结构,且生物膜覆盖率最低。循环液流量对光合细菌在固液界面的成膜速率影响最大,当流量为37.8 ml·h-1时,生物膜生长最慢,但生长速率并非随流速的增加而增加。底物限制性条件可促使悬浮光合细菌以固定化方式生长,且生物膜结构疏松,这是光合细菌应对不利环境的生存战略。6)结合光合细菌生长和生物膜内底物扩散的控制方程,建立了光合细菌生物膜生长的元胞自动机模型,对光合细菌生物膜在不同实验工况下的生长过程进行了数值模拟,模拟结果表明:光合细生物膜为多孔状不规则结构;流体剪切力越高,生物膜表面结构越平整;生物膜生物量随光照强度的增加先增加后减小,1000lx与8000lx条件下生物膜结构相差很小;波长为420nm条件下的生物膜密度最低,低底物浓度条件下生物膜密度较低;但是通过模拟得到,光合细菌生物膜生物量和厚度均随波长及底物浓度的增加而增加。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 细菌生物膜生长的国内外研究现状
• 1.2.1 细菌生物膜形成
• 1.2.2 细菌吸附机制
• 1.2.3 细菌生物膜的分析方法
• 1.2.4 生物膜生长的元胞自动机模型
• 1.3 本课题目的及主要任务
• 2 光合细菌的培育和优势菌种筛选
• 2.1 实验方法
• 2.1.1 光合细菌的采样和增殖培养
• 2.1.2 光合细菌的分离纯化
• 2.1.3 光合细菌产氢性能的测试
• 2.2 实验器材
• 2.3 实验结果及分析
• 2.3.1 光合细菌的分离纯化和形态特征描述
• 2.3.2 光合细菌产氢优势菌种的鉴定
• 2.3.3 16s rRNA 基因序列分析
• 2.4 本章小结
• 3 光合细菌生物膜生长特性实验
• 3.1 实验目的
• 3.2 实验设备
• 3.2.1 平板式光合细菌生物膜反应器的设计要求
• 3.2.2 反应器的设计
• 3.2.3 实验循环系统
• 3.3 实验方法
• 3.3.1 光合细菌生物膜生长的实验方案
• 3.3.2 实验参数的测定方法
• 3.3.3 实验测量参数的误差分析
• 3.3.4 实验步骤
• 3.4 光合细菌生物膜在固液界面的生长特性实验
• 3.4.1 循环液流速对光合细菌生物膜生长的影响
• 3.4.2 底物浓度对光合细菌生物膜生长的影响
• 3.4.3 光照波长对光合细菌生物膜生长的影响
• 3.4.4 光照强度对光合细菌生物膜生长的影响
• 3.5 本章小结
• 4 模拟光合细菌生物膜形成及生长的元胞自动机模型
• 4.1 元胞自动机模型概述
• 4.1.1 元胞自动机的构成要素
• 4.1.2 元胞自动机的一般特征
• 4.2 光合细菌生物膜生长CA 模型的建立
• 4.2.1 基本定义
• 4.2.2 转化规则
• 4.2.3 控制方程的建立
• 4.3 模拟流程
• 4.4 模拟结果与讨论
• 4.4.1 生物膜脱落概率对光合细菌生物膜结构的影响
• 4.4.2 初始底物浓度对光合细菌生物膜结构的影响
• 4.4.3 入射光波长对光合细菌生物膜结构的影响
• 4.4.4 入射光光强对光合细菌生物膜结构的影响
• 4.5 本章小结
• 5 主要结论及进一步工作建议
• 5.1 本文主要结论
• 5.2 进一步工作建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录