廢水生物處理的基本概念和生化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)本章重點(diǎn)微生物的分類培養(yǎng)及生長(zhǎng)規(guī)律廢水的好氧和厭氧生物處理生化反應(yīng)速度反應(yīng)級(jí)數(shù)米歇羅斯-門坦方程及米氏常數(shù)的意義和測(cè)定莫諾特方程廢水生物處理工程的基本數(shù)學(xué)模型本章難點(diǎn)（1）微生物的生長(zhǎng)規(guī)律理解（2）米氏方程的推導(dǎo)及米氏常數(shù)的意義本章作業(yè)米氏方程的推導(dǎo)過程本章內(nèi)容3.1概述我們的世界到處都被各種很小以至于肉眼看不見的生物所包圍。我們只有通過顯微鏡才能看到他們的樣子。3.2微生物學(xué)發(fā)展歷史ThehistoryofmicrobiologyThediscoveryofmicroorganismsThespontaneousgenerationconflictTherecognitionofmicrobialroleindiseaseThediscoveryofmicrobialeffectsonorganicandinorganicmatterThedevelopmentofmicrobiologyinthiscentury早期發(fā)展：利用微生物進(jìn)行釀酒17世紀(jì)，荷蘭人列文虎克用自制的簡(jiǎn)單顯微鏡(可放大160～260倍)觀察牙垢、雨水、井水和植物浸液后，發(fā)現(xiàn)其中有許多運(yùn)動(dòng)著的“微小動(dòng)物”，并用文字和圖畫科學(xué)地記載了人類最早看見的“微小動(dòng)物”——細(xì)菌的不同形態(tài)(球狀、桿狀和螺旋狀等)。1838年，德國(guó)動(dòng)物學(xué)家埃倫貝格在《纖毛蟲是真正的有機(jī)體》一書中，把纖毛蟲綱分為22科，其中包括3個(gè)細(xì)菌的科(他將細(xì)菌看作動(dòng)物)，并且創(chuàng)用細(xì)菌一詞。1854年，德國(guó)植物學(xué)家科恩發(fā)現(xiàn)桿狀細(xì)菌的芽孢，他將細(xì)菌歸屬于植物界，確定了此后百年間細(xì)菌的分類地位。法國(guó)微生物學(xué)家維諾格拉茨基于1887年發(fā)現(xiàn)硫磺細(xì)菌，1890年發(fā)現(xiàn)硝化細(xì)菌，他論證了土壤中硫化作用和硝化作用的微生物學(xué)過程以及這些細(xì)菌的化能營(yíng)養(yǎng)特性。他最先發(fā)現(xiàn)嫌氣性的自生固氮細(xì)菌，并運(yùn)用無機(jī)培養(yǎng)基、選擇性培養(yǎng)基以及富集培養(yǎng)等原理和方法，研究土壤細(xì)菌各個(gè)生理類群的生命活動(dòng)，揭示土壤微生物參與土壤物質(zhì)轉(zhuǎn)化的各種作用，為土壤微生物學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。1929年，弗萊明發(fā)現(xiàn)青霉菌能抑制葡萄球菌的生長(zhǎng)，揭示了微生物間的拮抗關(guān)系，并發(fā)現(xiàn)了青霉素。1949年，瓦克斯曼在他多年研究土壤微生物所積累資料的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)了鏈霉素。此后陸續(xù)發(fā)現(xiàn)的新抗生素越來越多。這些抗生素除醫(yī)用外，也應(yīng)用于防治動(dòng)植物的病害和食品保藏。A.T.kluyver,C.D.vanNiel,RogerStanier和GauseKluyver對(duì)微生物生態(tài)學(xué)的最大貢獻(xiàn)就是通過研究發(fā)現(xiàn)自然界種類繁多的微生物世界中,各種代謝過程都有相互關(guān)系。VanNile是Kluyver的一位學(xué)生，他發(fā)現(xiàn)光合細(xì)菌和綠色植物的光合過程中有許多相似之處。RogerStanier是vanNile的一位學(xué)生，他利用假單包菌研究好氧微生物的代謝，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這些微生物能降解各種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的有機(jī)化合物。Gause于1934年設(shè)計(jì)了一個(gè)生態(tài)學(xué)方面的經(jīng)典試驗(yàn)，就是纖毛蟲原生動(dòng)物中存在有捕食關(guān)系，其中節(jié)毛蟲（Didiniumnasatum）能利用草履蟲（parameciumcaudutum）作為食物。50和60年代：人口膨脹，工業(yè)發(fā)展，環(huán)境污染嚴(yán)重，人們開始研究海洋石油污染物的生物降解。70年代：1972年，在瑞典Uppsala舉行的微生物生態(tài)學(xué)現(xiàn)代方法的國(guó)際會(huì)議，是微生物生態(tài)學(xué)發(fā)展的一個(gè)里程碑。80年代：MartinAlexander發(fā)現(xiàn)許多人工合成化合物完全不能被微生物降解，引起研究者對(duì)污染物的生物降解性的濃厚興趣。90年代至今：人們開始利用微生物去除環(huán)境污染物應(yīng)用舉例：錦州垃圾填埋場(chǎng)3.3研究微生物的目的在與開發(fā)和利用自然界中的微生物資源并保護(hù)好微生物基因資源。了解環(huán)境條件的變化對(duì)自然界微生物群體生長(zhǎng)和代謝的影響。了解微生物在自然界中的所起的作用，并利用有關(guān)的微生物為人類服務(wù)，為提高生產(chǎn)效率、保護(hù)人類健康和保護(hù)生態(tài)平衡發(fā)揮微生物的最佳作用。3.4生物的分界和分界中的意義生物界的發(fā)展已有30億年的歷史，生物形形色色、多種多樣。據(jù)生物學(xué)家估計(jì)，地球上的生物有500—5000萬種之多，已被人類描述的生物不下170萬種。中世紀(jì)將生物分為植物和動(dòng)物兩大類，19世紀(jì)的德國(guó)的?？硕鷱倪M(jìn)化的觀點(diǎn)將動(dòng)物分為原生動(dòng)物和后生動(dòng)物兩類。這樣，在很長(zhǎng)的時(shí)間里，生物是分為三界的，而且，相應(yīng)的研究也遵循這個(gè)分類。20世紀(jì)以來，隨著電鏡技術(shù)的發(fā)展，細(xì)胞學(xué)的研究的深入，根據(jù)更本質(zhì)的遺傳學(xué)，產(chǎn)生了很多分類，其中，廣泛承認(rèn)的分類是五界：原核生物界(prokaryote)、原生生物界(protista)、真菌界(fungi)、植物界(planta)、動(dòng)物界(animalia).原核生物界是細(xì)胞型生物，但不存在明顯的細(xì)胞核膜，其染色體單由核酸組成，包括細(xì)菌、藍(lán)藻、原綠藻核放線菌。其中光能自養(yǎng)型的藍(lán)藻核化能異養(yǎng)型的細(xì)菌占優(yōu)勢(shì)。目前將病毒、支原體、螺旋體等也歸入原核生物。真核生物：具有明顯的核膜，細(xì)胞分裂出現(xiàn)染色體。真核生物包括單細(xì)胞和多細(xì)胞的各種生物。原生生物包括所有單細(xì)胞有機(jī)體，有兩種類型：一是含葉綠素的真核單細(xì)胞鞭毛藻，稱原生藻類，如衣藻；二是不含葉綠素的真核細(xì)胞異養(yǎng)生物，有的稱為原生動(dòng)物，如變形蟲、纖毛蟲等。此外，如眼蟲類，亦稱裸藻類和雙邊甲藻類，是介于動(dòng)物和植物之間的生物。真菌界：包括真菌和粘菌及一些小類，以真菌數(shù)量占優(yōu)勢(shì)。真菌（蘑菇）。真菌的菌體為單細(xì)胞或菌絲組成，菌絲為單細(xì)胞或多細(xì)胞分子的絲狀體，都不具有葉綠素，為專性異養(yǎng)真核生物。常見的有酵母、霉菌，還有與單胞藻共生形成地衣。粘菌較低級(jí)，有多細(xì)胞聚合為團(tuán)塊，胞間分化低，亦不具有葉綠素，據(jù)植物和動(dòng)物的特性。真菌界為腐生或寄生。生物間的關(guān)系是錯(cuò)綜交雜的，但他們對(duì)生存的基本要求都需要攝取食物獲得營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和能量，占據(jù)一定的空間和繁殖后代。生物解決這些問題的途徑是多種多樣的。就獲得能量而言，凡能利用二氧化碳、無機(jī)鹽、水和能量合成有機(jī)物滿足自身營(yíng)養(yǎng)需要的叫自養(yǎng)生物（antotrophicorganism）。綠色植物、紫色細(xì)菌等是自養(yǎng)生物，可見植物是食物的生產(chǎn)者，是整個(gè)生物界營(yíng)養(yǎng)環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)。動(dòng)物必須從自養(yǎng)生物獲取營(yíng)養(yǎng)，植物被動(dòng)物所食，而肉食性動(dòng)物又從植食性動(dòng)物獲取營(yíng)養(yǎng)，屬異養(yǎng)生物，是消費(fèi)者。真菌等（微生物）屬于分解吸收營(yíng)養(yǎng)型，為分解者。這三者是物質(zhì)、能量在自然界轉(zhuǎn)化、循環(huán)，顯示它們?cè)谏镞M(jìn)化發(fā)展中的營(yíng)養(yǎng)方面的相互消息的整體性和系統(tǒng)性，以及在物質(zhì)、能量循環(huán)轉(zhuǎn)化中各自所起的作用和地位。3.5環(huán)境微生物基礎(chǔ)3.5.1微生物主要種類及其在水處理中的作用細(xì)菌（Bacteria）：好氧/厭氧、硝化/反硝化等等。是環(huán)境治理及應(yīng)用的主體。古細(xì)菌（Archaea）：能在極端環(huán)境中生存，主要用于厭氧處理，如產(chǎn)甲烷菌。真核生物（Eucarya）：不是微生物群落的主要組成部分，對(duì)水處理的作用很大程度上還不是很確定。3.5.2細(xì)菌最基本的形態(tài)球狀、桿狀、螺旋狀3.5.3微生物的命名微生物的命名按國(guó)際命名法命名，即Linna所創(chuàng)立的“雙名法”每一種微生物都用屬與種命名，由2個(gè)拉丁詞或希臘詞或拉丁化了的其他文字組成。屬名和種名用斜體表達(dá)屬名在前，用拉丁名詞表示微生物的構(gòu)造、形態(tài)、某科學(xué)家名字等，描述微生物的主要特征。第一字母大寫。種名在后，第一字母小寫。用拉丁形容詞表示，描述微生物的色素、形狀、來源、病名、地名、某科學(xué)家的名字等等在種名后，附上命名者的姓和命名年份如命名對(duì)象是新種，需在種名后加n.sp(即novospecies)如僅泛指某一屬的微生物，或某屬微生物內(nèi)的某些種，則在屬名后用sp.（單數(shù)時(shí)）或spp.（復(fù)數(shù)時(shí)）如需表示變種，則在變種學(xué)名前加var.,變種學(xué)名命名原則與種名的命名同例：StaphylococcusaureusRosenbach1884屬名：葡萄球菌種名：金黃色命名者姓命名年份Peptostreptococcusfoetidus(Veillon)Smith屬名：消化鏈球菌種名：惡臭原命名者改名者3.5.4革蘭氏性質(zhì)革蘭氏染色法是鑒別細(xì)菌常用的一種染色法。此法最初為丹麥醫(yī)師Gram所采用，故名。先用龍膽紫(或結(jié)晶紫)初染，加碘液處理，再以酒精脫色，最后用稀復(fù)紅(或沙黃)復(fù)染。過程如下：細(xì)菌菌體涂片——固定——結(jié)晶紫染色——碘液媒染——乙醇脫色——沙黃或番紅復(fù)染凡染后菌體呈紫色的，稱“革蘭氏陽性菌G＋”包括葡萄球菌、鏈球菌、破傷風(fēng)梭菌、炭疽桿菌等。菌體呈紅色或土黃色的，稱“革蘭氏陰性菌G－”包括大腸桿菌、痢疾桿菌、傷寒桿菌、腦膜炎雙球菌等。革蘭氏性質(zhì)直觀表達(dá)了細(xì)胞表面結(jié)構(gòu)的不同。3.5.5細(xì)菌分離和培養(yǎng)根據(jù)不同標(biāo)本及不同培養(yǎng)目的，可選用不同的接種和培養(yǎng)方法。常用的有細(xì)菌分離培養(yǎng)和純培養(yǎng)。按營(yíng)養(yǎng)組成和用途的不同培養(yǎng)基可分為：基礎(chǔ)培養(yǎng)基增菌培養(yǎng)基選擇培養(yǎng)基鑒別培養(yǎng)基厭氧培養(yǎng)基液體培養(yǎng)基中的生長(zhǎng)情況：均勻渾濁、沉淀生長(zhǎng)、形成菌膜。固體培養(yǎng)基中的生長(zhǎng)情況：形成菌落a光滑型菌落b粗糙型菌落c粘液型菌落半固體培養(yǎng)基中的生長(zhǎng)情況：根據(jù)有無鞭毛而定。分離培養(yǎng)中的細(xì)菌3.6微生物在生物地球化學(xué)循環(huán)中的作用3.6.1碳循環(huán)3.6.2氧循環(huán)3.6.3氮素循環(huán)3.6.4硫循環(huán)3.6.5磷循環(huán)磷主要貯存于巖石和天然磷酸礦中，它的循環(huán)與水循環(huán)密切相關(guān)。磷必須形成可溶性磷酸鹽才能進(jìn)入循環(huán)。3.7廢水的好氧和厭氧生物處理生態(tài)系統(tǒng)：一定區(qū)域內(nèi)相互作用的各要素（生物的和環(huán)境的）的總和。每一種生物處理都會(huì)形成一種獨(dú)特的生態(tài)系統(tǒng)，這種生態(tài)系統(tǒng)取決于處理設(shè)施的物理設(shè)計(jì)、進(jìn)水的化學(xué)性質(zhì)等等。研究生物處理中的群落目的并不是簡(jiǎn)單羅列出存在的生物，而是為了搞清楚每一種重要種群的微生物在生物處理中所起的作用。微生物的呼吸：微生物獲取能量的生理功能。根據(jù)與氧氣的關(guān)系分為好氧呼吸和厭氧呼吸。厭氧呼吸根據(jù)最終受氫體不同，又可以分為發(fā)酵和無氧呼吸。3.7.1自然水體中微生物群落的結(jié)構(gòu)及變化規(guī)律多污帶：細(xì)菌種類多、數(shù)量大，每毫升有幾億個(gè)細(xì)菌。例如硫酸鹽還原菌與產(chǎn)甲烷菌等，此外還有顫蚯蚓、蚊蠅幼蟲；α-污帶：天藍(lán)喇叭蟲、椎尾水輪蟲、獨(dú)縮蟲、顫藻、小球藻等；β-污帶：代表性生物有藻類的水花束絲藻、變異直鏈硅藻、舟形藻；原生動(dòng)物的草履蟲、聚縮蟲；微型后生動(dòng)物的腔輪蟲、水蚤；寡污帶：指示生物由魚腥藍(lán)細(xì)菌、黃群藻、玫瑰旋輪蟲、鐘蟲。3.7.2能量循環(huán)三磷酸腺苷ATP(AdenosineTriphosphate)ADP磷酸化光合磷酸化底物水平磷酸化電子傳遞磷酸化氧化磷酸化低能化合物ADP磷酸化光合磷酸化底物水平磷酸化電子傳遞磷酸化氧化磷酸化低能化合物高能化合物ATP能量生理需要細(xì)胞合成熱能釋放ADP磷酸根+ADP磷酸化生成ATP;ATP水解產(chǎn)生能量3.7.3好氧系統(tǒng)1)好氧過程特點(diǎn)好氧/缺氧環(huán)境中的生化過程是以有氧呼吸作用為基礎(chǔ)的。反應(yīng)的最終受氫體是分子氧。2)好氧反應(yīng)過程實(shí)際包括：1.脫氫；2.氧活化氧化酶電子+氧氧化酶電子+氧活化氧輔酶-HH2O+輔酶底物-H輔酶-H+電子脫氫酶+輔酶3)好氧微生物可分為：異養(yǎng)型和自養(yǎng)型異養(yǎng)型微生物：以有機(jī)物為底物（電子供體），最終產(chǎn)物是CO2,NH3,H2O等無機(jī)物，放出能量。自養(yǎng)型微生物：以無機(jī)物為底物。有氧呼吸過程中，底物被氧化的比較徹底，獲得的能量較多。4)好氧生物反應(yīng)器中的微生物可主要分為五種：i）絮體形成性微生物：是分離污泥必須的。主要是細(xì)菌（菌膠團(tuán)細(xì)菌）。某些原生動(dòng)物和真菌也可以產(chǎn)生絮凝作用。絮凝的機(jī)理還有待深入。ii）腐生性微生物：分解有機(jī)物的微生物，環(huán)境工程應(yīng)用的主體。主要是異養(yǎng)菌，呈革蘭氏陰性，如：無色菌（Achromobacter）、桿菌（Bacillus）、微球菌（Micrococcus）、假單胞菌（Pseudomonas）等。iii）硝化菌：將氨氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮，主要是自養(yǎng)型亞硝化菌和硝化菌。硝化菌最大生長(zhǎng)速率要比異養(yǎng)菌小；生成的生物量小。iv）捕食性微生物：主要是原生動(dòng)物，以細(xì)菌為食。如纖毛蟲。有助于去除游離細(xì)菌和膠體性有機(jī)物來穩(wěn)定群落。v）有害微生物：干擾反應(yīng)器正常運(yùn)行（污泥膨脹、過度泡沫化）。多種絲狀微生物均可引起污泥膨脹，并不一定是球衣菌(Sphaerotilusnatans)之過。過渡泡沫化是由諾卡氏菌（Nocardia）屬引起的。5)好氧生物處理在有游離氧存在的條件下，運(yùn)用好氧微生物降解有機(jī)物，使其穩(wěn)定、無害化的處理方法。3.7.4厭氧系統(tǒng)厭氧呼吸是在沒有氧分子的情況下進(jìn)行的生物氧化。厭氧微生物只有脫氫酶系統(tǒng)，沒有氧化酶系統(tǒng)。反應(yīng)最終受體是氧以外的有機(jī)物或無機(jī)物。根據(jù)最終受體不同，分為：發(fā)酵和無氧呼吸。1)發(fā)酵：指供氫體和受氫體都是有機(jī)化合物的生物氧化作用，最終受體無需外加，就是供氫體分解的產(chǎn)物。氧化不徹底，能量少，故該類厭氧微生物消耗底物較多。2)無氧呼吸：指以無機(jī)化合物（如：NO3-,NO2-,SO42-,S2O32-,CO2等）替代分子氧，作為最終受體的生物氧化作用。無氧呼吸可以使有機(jī)底物被徹底氧化，能量得以分級(jí)釋放，產(chǎn)生的能量要遠(yuǎn)大于發(fā)酵過程。3)廢水的厭氧生物處理廢水的厭氧生物處理是在沒有游離氧存在的條件下，兼性細(xì)菌與厭氧細(xì)菌降解和穩(wěn)定有機(jī)物的生物處理方法。在厭氧生物處理過程中，復(fù)雜的有機(jī)化合物被降解、轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的化合物，同時(shí)釋放能量。在這個(gè)過程中，有機(jī)物的轉(zhuǎn)化分為三部分進(jìn)行：部分轉(zhuǎn)化為CH4，這是一種可燃?xì)怏w，可回收利用；還有部分被分解為CO2、H2O、NH3、H2S等無機(jī)物，并為細(xì)胞合成提供能量；少量有機(jī)物被轉(zhuǎn)化、合成為新的原生質(zhì)的組成部分。由于僅少量有機(jī)物用于合成，故相對(duì)于好氧生物處理法，其污泥增長(zhǎng)率小得多。由于廢水厭氧生物處理過程不需另加氧源，故運(yùn)行費(fèi)用低。此外，它還具有剩余污泥量少、可回收能量（CH4）等優(yōu)點(diǎn)。其主要缺點(diǎn)是反應(yīng)速度較慢，反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，處理構(gòu)筑物容積大等。為維持較高的反應(yīng)速度，需維持較高的溫度，就要消耗能源。對(duì)于有機(jī)污泥和高濃度有機(jī)廢水（一般BOD5≥2000mg/L）可采用厭氧生物處理法。4)廢水的厭氧生物處理厭氧處理中的微生物群落主要是原核性質(zhì)的，包括細(xì)菌和古細(xì)菌。厭氧生物處理的過程是一個(gè)多步驟的過程。3.8微生物的生長(zhǎng)規(guī)律和環(huán)境以細(xì)胞數(shù)目的對(duì)數(shù)值作縱坐標(biāo)，以培養(yǎng)時(shí)間作橫坐標(biāo)，就可以畫出一條有規(guī)律的曲線，這就是微生物的典型生長(zhǎng)曲線(growthcurve)。1）延滯期(Lagphase)又稱停滯期、調(diào)整期或適應(yīng)期。有幾個(gè)特點(diǎn)：①生長(zhǎng)速率常數(shù)等于零。②細(xì)胞形態(tài)變大或增長(zhǎng)：許多桿菌可長(zhǎng)成長(zhǎng)絲狀。例如，Bacillusmegaterium(巨大芽孢桿菌)在接種的當(dāng)時(shí)，細(xì)胞長(zhǎng)為3.4μm；培養(yǎng)至3.5小時(shí)，其長(zhǎng)為9.1μm；至5.5小時(shí)時(shí)，竟可達(dá)到19.8μm。③細(xì)胞內(nèi)RNA尤其是rRNA含量增高，原生質(zhì)呈嗜堿性。④合成代謝活躍，核糖體、酶類和ATP的合成加快，易產(chǎn)生誘導(dǎo)酶。⑤對(duì)外界不良條件例如NaCl溶液濃度、溫度和抗生素等化學(xué)藥物的反應(yīng)敏感。影響延滯期長(zhǎng)短的因素(1)接種齡接種齡即“種子”(inoculum)的群體生長(zhǎng)年齡，亦即它處在生長(zhǎng)曲線上的哪一個(gè)階段。這是一種生理年齡。實(shí)驗(yàn)證明，如果以對(duì)數(shù)期接種齡的“種子”接種，則子代培養(yǎng)物的延滯期就短；反之，如以延滯期或衰亡期的“種子”接種，則子代培養(yǎng)物的延滯期就長(zhǎng)；如果以穩(wěn)定期的“種子”接種，則延滯期居中。(2)接種量接種量的大小明顯影響延滯期的長(zhǎng)短。一般說來，接種量大，則延滯期短，反之則長(zhǎng)。因此，在發(fā)酵工業(yè)上，為縮短不利于提高發(fā)酵效率的延滯期，一般采用1/10的接種量。(3)培養(yǎng)基成分接種到營(yíng)養(yǎng)豐富的天然培養(yǎng)基中的微生物，要比接種到營(yíng)養(yǎng)單調(diào)的組合培養(yǎng)基中的延滯期短。所以，在發(fā)酵生產(chǎn)中，常使發(fā)酵培養(yǎng)基的成分與種子培養(yǎng)基的成分盡量接近。2）指數(shù)期(Exponentialphase)又稱對(duì)數(shù)期(Logarithmicphase)，是指在生長(zhǎng)曲線中，緊接著延滯期的一個(gè)細(xì)胞以幾何級(jí)數(shù)速度分裂的一段時(shí)期。特點(diǎn)：①生長(zhǎng)速率常數(shù)最大，因而細(xì)胞每分裂一次所需的代時(shí)G(增代時(shí)間，generationtime)或原生質(zhì)增加一倍所需的倍增時(shí)間(doublingtime)最短；②細(xì)胞進(jìn)行平衡生長(zhǎng)，菌體內(nèi)各種成分最為均勻；③酶系活躍，代謝旺盛。影響指數(shù)期微生物增代時(shí)間的因素菌種、營(yíng)養(yǎng)成分、營(yíng)養(yǎng)物濃度、培養(yǎng)溫度3)穩(wěn)定期(Stationaryphase)又稱恒定期或最高生長(zhǎng)期。其特點(diǎn)是生長(zhǎng)速率常數(shù)R等于0，即處于新繁殖的細(xì)胞數(shù)與衰亡的細(xì)胞數(shù)相等，或正生長(zhǎng)與負(fù)生長(zhǎng)相等的動(dòng)態(tài)平衡之中。這時(shí)的菌體產(chǎn)量達(dá)到了最高點(diǎn)，而且菌體產(chǎn)量與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消耗間呈現(xiàn)出一定的比例關(guān)系，這一關(guān)系就是生長(zhǎng)產(chǎn)量常數(shù)Y(或稱生長(zhǎng)得率，growthyield)。生長(zhǎng)產(chǎn)量常數(shù)Y(或稱生長(zhǎng)得率，growthyield)。上式中，x為穩(wěn)定期時(shí)的細(xì)胞干重(g/ml培養(yǎng)液)，x0為剛接種時(shí)的細(xì)胞干重，C0為限制性營(yíng)養(yǎng)物的最初濃度(g/ml)，C為穩(wěn)定期時(shí)限制性營(yíng)養(yǎng)物的濃度(由于計(jì)算Y時(shí)必須用限制性營(yíng)養(yǎng)物，所以C應(yīng)等于0)。例如，據(jù)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算，Penicilliumchrysogenum(產(chǎn)黃青霉)在組合培養(yǎng)基上生長(zhǎng)時(shí)，其Y值為1∶2.56，即每2.56g葡萄糖可合成1g菌絲體(干重)。4)衰亡期(Declinephase或Deathphase)在衰亡期中，個(gè)體死亡的速度超過新生的速度，因此，整個(gè)群體就呈現(xiàn)出負(fù)生長(zhǎng)(R為負(fù)值)。這時(shí)，細(xì)胞形態(tài)多樣，例如會(huì)產(chǎn)生很多膨大、不規(guī)則的退化形態(tài)；有的微生物因蛋白水解酶活力的增強(qiáng)就發(fā)生自溶(autolysis)；有的微生物在這時(shí)產(chǎn)生或釋放對(duì)人類有用的抗生素等次生代謝產(chǎn)物；在芽孢桿菌中，芽孢釋放往往也發(fā)生在這一時(shí)期。5)微生物生長(zhǎng)的環(huán)境（因子）微生物的營(yíng)養(yǎng)：碳源、氮、磷等。營(yíng)養(yǎng)物對(duì)微生物的作用：提供合成細(xì)胞物質(zhì)所需的物質(zhì)；為細(xì)胞核成提供能量；充當(dāng)電子的受氫體。溫度：20－37°每升高10°，酶促反應(yīng)速度提高1-2倍。pH值：6.5－8.5（曝氣池）微生物的繁殖和代謝活動(dòng)會(huì)使pH值發(fā)生變化。生命會(huì)改變環(huán)境,體現(xiàn)生命的偉大。溶解氧：2－4mg/L有毒物質(zhì)：使酶變性，如重金屬離子。3.9生化反應(yīng)速度和反應(yīng)級(jí)數(shù)生物化學(xué)反應(yīng)是一種以生物酶為催化劑的化學(xué)反應(yīng)。在生化反應(yīng)中，反應(yīng)速度是指單位時(shí)間里底物的減少量、最終產(chǎn)物的增加量或細(xì)胞的增加量。在廢水生物處理中，是以單位時(shí)間里底物的減少或細(xì)胞的增加來表示生化反應(yīng)速度。生物化學(xué)反應(yīng)的基本模式：產(chǎn)率系數(shù)：mg（生物量）/mg（降解的底物）生化反應(yīng)級(jí)數(shù)的概念與化學(xué)反應(yīng)級(jí)數(shù)的概念是一致的。零級(jí)反應(yīng)：一級(jí)反應(yīng)：二級(jí)反應(yīng)：3.10Michaelis-Menten方程1)酶（enzyme）：具有催化作用的蛋白質(zhì)。所有酶（除了核酸酶）都是蛋白質(zhì)，有簡(jiǎn)單的也有結(jié)合蛋白質(zhì)。同蛋白質(zhì)性質(zhì)一樣（氨基酸構(gòu)成的、分子量大、兩性電解質(zhì)、有1、2、3、4級(jí)結(jié)構(gòu)、容易受物理化學(xué)因素影響而變性）。酶的結(jié)構(gòu)：一級(jí)結(jié)構(gòu)：組成多肽鏈的線性氨基酸序列。二級(jí)結(jié)構(gòu)：依靠不同肽鍵的C=O和N-H基團(tuán)間的氫鍵形成的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。三級(jí)結(jié)構(gòu)：由一條多肽鏈的不同氨基酸側(cè)鏈間的相互作用形成的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。四級(jí)結(jié)構(gòu)：由不同多肽鏈亞基間相互作用形成具有功能的蛋白質(zhì)分子。酶的組成：分為兩類，單成分酶（只含蛋白質(zhì)，活性只取決于蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)）；全酶（酶蛋白+輔酶因子，蛋白質(zhì)結(jié)合輔助因子confactor后才表現(xiàn)出活性）。常見的輔基、輔酶：NAD（煙酰胺腺嘌呤二核苷酸），NADP（煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸），尼克酰胺（維生素B5），F(xiàn)AD（黃素單核苷酸、維生素B2）等等。酶的特點(diǎn)：除了具有加快反應(yīng)速度、不改變化學(xué)反應(yīng)的平衡、可降低反應(yīng)活性等特點(diǎn)還有一些幾個(gè)特點(diǎn)。（1）催化效率高（2）具有高度專一性（3）易失活（4）酶活力受調(diào)節(jié)控制（5）催化活力與輔酶、輔基及金屬離子有關(guān)，若除去，酶將失活。酶活力：一定條件下，酶所催化反應(yīng)的反應(yīng)速度稱為酶活力酶活力單位：1961年，國(guó)際酶學(xué)會(huì)議規(guī)定，1酶活力單位（U,activeunit）是指特定條件下（溫度25度，其他條件采用最適條件），在一分鐘內(nèi)轉(zhuǎn)化1μmol底物的酶量，或是轉(zhuǎn)化底物中1μmol的有關(guān)基團(tuán)的酶量。2)Michaelis-Menten方程中間產(chǎn)物假說：酶促反應(yīng)分為兩步進(jìn)行，第一步，酶與底物作用形成中間產(chǎn)物（此中間產(chǎn)物被看作穩(wěn)定的過渡態(tài)物質(zhì)）。第二步，中間產(chǎn)物分解形成產(chǎn)物，并釋放出游離的酶。整個(gè)酶反應(yīng)處于動(dòng)態(tài)平衡（steadystate）生化反應(yīng)，即酶促反應(yīng)，反應(yīng)速度受酶濃度、底物濃度、pH值、溫度、反應(yīng)產(chǎn)物、活化劑和抑制劑等因素影響，在有足夠底物又不受其他因素的影響時(shí)，酶促反應(yīng)速度與酶濃度成正比。但是當(dāng)?shù)孜餄舛容^低時(shí)，反應(yīng)速度與底物濃度成正比（一級(jí)反應(yīng)）。當(dāng)?shù)孜餄舛仍黾拥揭欢ㄏ薅葧r(shí)，所有酶與底物結(jié)合后，酶反應(yīng)速度達(dá)到最大值，此時(shí)反應(yīng)速度與底物濃度沒有關(guān)系（零級(jí)反應(yīng)）。1931年前后，米歇里斯（Michaelis）和門坦（Menten）根據(jù)中間產(chǎn)物學(xué)說，提出了表示整個(gè)反應(yīng)過中，底物與酶促反應(yīng)速度之間的關(guān)系式，即：Michaelis-Menten方程。應(yīng)用條件（假設(shè)）：(1)反應(yīng)過程中有酶——底物中間體形成。(2)反應(yīng)中底物轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物的速度取決于中間產(chǎn)物變?yōu)榉磻?yīng)產(chǎn)物和酶的速度，即第二個(gè)反應(yīng)。3）米氏方程推導(dǎo)過程：方程式中E代表酶,S代表底物,ES代表反應(yīng)中間體,P代表生成物。反應(yīng)開始時(shí)，生成物很低，K2反應(yīng)不可逆，酶反應(yīng)速度V=k2[ES]。設(shè)總酶濃度為[Et]。形成ES的速度為Vf,則，Vf=K1([Et]-[ES])[S][ES]消失速度為Vd，則Vd=K-1[ES]+K2[ES]，反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，Vf=Vd即：K1([Et]-[ES])[S]=K-1[ES]+K2[ES]移項(xiàng)計(jì)算得：所以可得總酶反應(yīng)速度：設(shè)：，而Vmax=K2[Et]則，可得出米氏方程：3)米氏常數(shù)的意義米氏常數(shù)Km：