生物膜形成与发展二维动态模拟

生物膜微观结构与形态特征直接影响废水生物处理效果.混合微生物可在适宜载体表面形成各种各样的生物膜,且其形成与发展是一个动态过程.采用差分-离散复合法动态模拟二维区域上的基质传递、生物膜形成与发展过程,并探讨生物质生长时间与初始接种数等对生物膜结构与形态造成的影响.与传统生物膜模型不同之处在于其结构特性包括孔隙率、厚度和密度等都是模型输出量.     

没食子鞣质及其有效提取物对牙菌斑生物膜形态结构和活性的作用

研究药物没食子鞣质及其有效提取物对牙菌斑生物膜形态结构和活力的影响,了解常态生物膜形成过程中生物膜活力的变化,以及药物作用下生物膜形态结构和活力的变化,探讨药物对牙菌斑生物膜的作用机制.采用倒置荧光显微镜结合特异荧光染料标记常态牙菌斑生物膜生长过程中死菌和活菌变化,及药物处理后牙菌斑生物膜中死菌和活菌的构成,观察常态牙菌斑生物膜形竺过程中生物膜结构及活力的变化以及药物作用下生物膜形态结构和活力的变化;研究和评估常态牙菌斑生物膜的形态结构和细菌活力及实验药物对牙菌斑生物膜结构和细菌活性的影响.结果显示,从早期细菌定植粘附到形成成熟生物膜结构的各个过程中都存在一定数量的死菌.24 h常态生物膜结构中活菌面积占主导地位,有少量的死菌存在,细菌互相紧密粘附在一起,生物膜结构清晰,其间有各管道结构.0.05%洗必泰24 h细菌生物膜作用后,细菌总量明显下降,残存滞留的细菌基本为死菌.0.023%的氟化钠(NaF)作用细菌生物膜后,生物膜结构发生了明显的变化,细菌总量明显减少,但是存在的细菌以活菌为主.经过4mg/mL的没食子鞣质及其有效提取物作用后,生物膜中各管道结构模糊不清,细菌变得散开,生物膜细菌总量减少,与24 h常态生物膜比,有显著差异(P<0.05),生物膜结构密度下降,其中有大量的死菌和部分活菌存在.实验组活菌百分比与阴性对照组活菌百分比相比有显著差异(P<0.05).由此得出结论,实验药物对牙菌斑生物膜的作用一方面是对生物膜中细菌的杀灭,另一方面是改变牙菌斑孝竺膜的形态结构,降低生物膜密度及调整生物膜内部死活菌的比例.     

悬浮生物载体空间结构的数值评价

悬浮生物载体是移动床生物膜反应器的重要材料,其空间结构对其性能有较大影响,为了评价及优化其结构,采用动网格模型与两相流模型耦合的动态数值模拟方法对装有悬浮生物载体的移动床反应器内部流体力学特性进行分析。计算结果表明,动网格技术与两相流技术耦合的数值方法能够很真实地模拟悬浮生物载体在移动床生物反应器中的运动,及其中每个瞬时的计算域内压力、速度、气相体积分数等流体参数的定量分布,并讨论了采用气含率和载体表面剪切力两个流体力学参数来评价生物载体空间结构性能的可行性。     

青岛港湾微型污损生物群落研究——不同涂层的碳钢/海水界面生物膜初探

 海洋微型污损生物膜会影响金属腐蚀过程和防污涂料性能,是污损生物群落的初级食物链,一直是国内外的研究焦点。研究了冬季青岛中港海水中暴露100余天的碳钢表面形成的腐蚀产物膜,以及载玻片、HT防腐涂层和NFGP600防污涂层表面形成的生物膜,采用电化学技术研究材料表面生物膜特征,运用SEM、EDS、XRD表征生物膜形态和物质组成,分析生物膜细菌、硅藻和原生动物的种类及形貌。研究表明,生物膜由细菌、硅藻、原生动物和海水中无机、有机颗粒组成;钢/海水界面同时发生钢的腐蚀和微型生物附着过程,两个过程互相作用使碳钢表面形成不定型、松软、不连续的腐蚀产物膜;防腐涂层表面生物膜由于原生动物对菌藻的蚕食和碳酸盐的存在,形成了较为疏松的生物膜,而防污涂层表面没有原生动物的影响,形成了致密的生物膜,在一定程度上能够隔绝海水环境。     

与植物联合的细菌生物膜及其形成机制的研究进展

自然界中大多数微生物保持附着在生物或非生物体表面,处在一种具有结构的生物膜生态系统中,而不是自由游动状态．与植物联合的细菌在植物组织表面形成生物膜的能力是它们有效定殖和发挥促生作用的前提,与植物联合的细菌生物膜的研究已成为植物微生态研究领域的热点．文中系统介绍了与植物相联合的细菌生物膜的概念、形成机制及其基质组成成分,并提出了研究过程中应注意的主要问题．     

磷脂形状对生物膜自组织结构的影响

采用聚合物自洽场理论研究了构成生物膜的磷脂分子的形状对含有2个跨膜蛋白的生物膜自组织结构的影响.每个磷脂分子由一条疏水的尾巴和亲水的头构成,可以看作一根接有亲水头的高分子链.由系统自由能求极小,可以得到系统的平衡态构型.结果发现,当磷脂分子具有头尾对称的柱状形状时,生物膜形成的是人们熟知的通常形态;而当磷脂分子头部比较大、整体形成锥形结构时,生物膜可以形成孔洞结构.随着2个跨膜蛋白之间距离的增加,生物膜会依次形成两孔洞、三孔洞和四孔洞.通过改变跨膜蛋白不同的疏水程度和磷脂分子头尾的体积比,构造出了生物膜结构形态的相图.这一发现对于理解蛋白质-磷脂膜的相互作用、生物膜的融合分裂以及脂质筏的形成等具有重要的意义.     

生物电极膜内脱氮速率模型

通过研究生物电极脱氮过程中膜内物质运动和反应机理,建立了能够表现生物膜内脱氮反应过程的动力学模型.在本模型中,氢气和醋酸同时作为电子供体参与反应,在生物膜内反硝化细菌的作用下,硝酸氮被还原为氮气从而彻底将其去除.模型综合考虑了膜内物质迁移、扩散等对脱氮过程的影响,得到了氢气和醋酸同时作为电子供体参与反应时去除硝酸氮的动力学方程.在模型建立过程中,假定生物膜厚度和反硝化菌脱氮活性不受生物浓度、时间和电极位置影响,并且认为生物膜内各反应物质的有效扩散系数约为其在水中分子扩散系数的80%.采用Runge-Kutta法和Shaoting Mathal法对模型进行求解,模型计算结果和实验结果较吻合.     

表皮葡萄球菌聚集形成分形结构的多重分形谱研究

对细菌分形结构形成机制的探讨有助于认识菌落的生长过程以及分形结构形成过程涉及的非平衡态物理与化学过程,丰富分形结构的研究体系。报道了表皮葡萄球菌在玻璃基底上集聚形成具有自相似性的分形结构。进一步的研究表明：生物膜是表皮葡萄球菌形成分形结构的关键,多重分形谱能够应用于定量研究细菌菌群分形结构的内部精细结构和生长过程,表皮葡萄球菌形成分形结构的机理符合团簇一团簇聚集模型。     

湖泊碳循环模型研究的进展

对国际、国内湖泊碳循环模型的研究进行了回顾与总结，结果表明湖泊碳循环模型和其他物质循环模型一样，也经历了由简单的静态、均匀混合黑箱模型，向动态、多维非均匀混合白箱模型发展的过程.目前模型正向耦合物理、化学、生物过程及放映生态系统结构和群落演变综合机理模式发展.随着可信数据大量积累，湖泊碳循环模型将在湖泊环境演变机理揭示及全球碳平衡与气候变化研究领域发挥重大作用.     

致犊牛脑炎大肠杆菌生物膜形成特性的研究

目的探讨致犊牛脑炎大肠杆菌生物膜形成能力及相关特性。方法本试验以致犊牛脑炎大肠杆菌NJY9957株为对象,设定不同pH、不同温度以及不同时间,于96孔板上制备生物膜,结晶紫染色后酶标仪测OD600nm值,倒置显微镜观察生物膜形态,确定其生物膜形成的最适条件;在最适条件下,与肠内共生型及禽肠外致病性大肠杆菌同时培养制备生物膜并进行比较。结果致犊牛脑炎大肠杆菌NJY9957株生物膜最适形成条件是温度为37℃,培养基pH=7. 0,培养时间为24 h;在最适条件下,与肠内共生型及禽肠外致病性大肠杆菌相比较,共生型大肠杆菌形成生物膜能力较强。结论确定了致犊牛脑炎大肠杆菌NJY9957株形成生物膜的最适条件,并比较了其与肠内共生型及禽肠外致病性大肠杆菌生物膜的形成能力,细菌生物膜的形成能力与其粘附、侵袭、耐药性以及毒力有关。     

硅藻土改性载体加速移动床生物膜反应器启动研究

聚乙烯(polyethylene,简称PE)载体存在挂膜速度慢、附着生物膜活性低以及水处理效果差等缺点.通过添加硅藻土改善PE载体的亲水性,改性后载体的接触角由94.3°降低至77.8°.在移动床生物膜反应器(moving bed biofilm reactor,简称MBBR)工艺挂膜启动过程中,相同条件下,相比于PE载体,硅藻土改性载体表面附着的生物膜具有较高的蛋白质和多糖含量,表明附着在硅藻土改性载体上的生物膜生物活性较高.生物膜生长稳定后,反应器R1(填充硅藻土改性载体)内总生物量比反应器R2(填充PE载体)内总生物量高35.6%,硅藻土改性载体表面附着的生物膜量比PE载体的高62.3%.相应的,挂膜启动过程中,反应器R1的COD和氨氮去除率也高于反应器R2.上述硅藻土改性载体在挂膜性能和水处理性能方面的优势,缩短了反应器R1的启动时间.     

MBBR处理畜禽养殖场废水的实验研究

通过对移动床生物膜反应器(MBBR)处理畜禽养殖废水的实验研究,探讨了填料填充比例、水力停留时间、进水浓度等对反应器处理性能和效果的影响,并观察了反应器中的微生物相.结果表明:在填料填充比例为50%(体积比),单级反应器的水力停留时间为10 h,CODcr进水浓度为491～1312 mg／L的条件下,反应器运行稳定且处理效果好,最终出水CODcr平均为125 mg/L,去除率大于90%,出水NH3－N平均为70 mg/L,去除率为80%,均达到了《畜禽养殖业污染物排放标准》(GB18596-2001)的要求.     

营养缓释型生物填料的制备及在废水处理中的应用

 针对有毒抗（难）降解芳香族污染物生物处理时挂膜启动慢、降解速率低的缺陷,在新研制的营养缓释型填料中,添加该类污染物降解时微生物共代谢所需的一级基质,并加入活性炭、蔗渣作为控释剂形成营养缓释型改性填料,研究了所得改性填料的表面结构、营养缓释性能、挂膜及降解性能。结果表明,改性聚乙烯填料表面粗糙多孔,具有良好的营养缓释性能;同时,其微生物挂膜速率明显加快,挂膜所需时间缩短了3 d;在初始浓度为127mg/L的苯酚降解实验中,苯酚降解速率明显快于传统聚乙烯填料,在降解后的第8小时,改性填料苯酚去除率高达91.7%,比传统聚乙烯填料提高37.7%,脱氢酶活性更是普通填料的2倍以上。     

用喷泉式生物膜反应器去除养鱼水体中的氮素

介绍了一种用于净化养鱼水体的喷泉式生物膜反应器．首先在清洁的水中放养金鱼,考察水中氮素和COD浓度的增长规律．随后分别采用简单曝气和加入喷泉式生物膜反应器2种方法对水质进行净化,并比较他们的效果．结果表明：简单曝气可以降低NH4＋-N浓度,但不能有效去除总氮（TN）,而采用喷泉式生物膜反应器则可以有效地降低TN．通过TN去除动力学的分析,TN去除速率随着初始浓度的增加而增加,表现为Monod模型．其中C／N比对TN去除速率有明显影响,C／N比由5：1提高到15：1时,相应的TN去除速率（rmax）和饱和常数（Ks）分别提高了32％和降低了21％．     

Fe~(2+)、Mn~(2+)对生物膜载体表面改性对微生物的活性及胞外多聚物的影响

采用FeCl_2和MnSO_4溶液对生物膜载体进行改性,并使用扫描电镜(SEM)和X线光电子能谱(XPS)考察改性方法对载体和生物膜的影响.研究表明,Fe~(2+)、Mn~(2+)改性均能使载体表面形成腐蚀坑,增加表面粗糙度;载体改性有助于生物膜对Mg、Ca等营养元素的吸收;并可有效增加生物膜的含量,其胞外多聚物(EPS)分别增加了2.02倍和2.95倍.     

微生物膜研究方法和潜在的控制技术

在自然界中,微生物的生物膜模式对其生命循环具有十分重要的意义,已成为当前有关微生物学研究的热点之一,对其研究已引起越来越多的科学工作者的兴趣.然而,由于缺乏针对微生物膜结构的复杂性、多变性和相关的生理生化活性的高效的方法使研究工作受到限制.本文结合微生物膜研究的最新进展,介绍了几种研究微生物膜的发生装置以及检测技术,并概述了几种潜在的控制和去除微生物膜的方法.     

基于不同碳源的生物膜特性分析

以多孔陶瓷作为载体,并分别以葡萄糖和苯甲酸作为碳源培养生物膜,在好氧条件下比较不同生物膜去除COD和氨氮的速率.借助于微电极技术对两种生物膜微观结构的研究表明：以葡萄糖为碳源所培养的生物膜对氧的利用率高于苯甲酸.动力学分析结果表明：葡萄糖培养的生物膜其最大氧消耗速率为80 mg O2/（gVSS.h）,远大于苯甲酸培养的生物膜[20 mg O2/（gVSS.h）]的氧消耗速率.分子生物学分析结果表明,以葡萄糖为碳源培养的生物膜内的微生物种类数是苯甲酸培养的生物膜内的1.5倍.     

给水系统附生生物膜发育的生物量和种群结构

为了满足给水管网管水质的要求,考察了不同的给水管道水力条件下,聚乙烯管材上生物膜(生物量和种群结构)的发育情况。采用分子生物学与传统分离培养相结合的方法,以清华地下水为原水,在剪切力分别为0.95、0.18Pa两种条件下,生物膜生物量和种群结构的发育呈现了同一规律,即生物膜生物量在7d内即可发育成熟,在以后的发育中,生物膜生物量一直稳定在105CFU/cm2(CFU为菌落形成单位),但生物膜的种群结构却随着时间发生显著变化。实验中所设置两种水力条件对生物膜发育的影响差别不大;生物膜生物量的发育和种群结构的发育是两个相对独立的过程;易于分泌胞外粘液和菌体表面具有疏水性等性质可以帮助细菌更好地在生物膜中生存发展。     

TC4钛合金固体渗硼及渗硼过程动力学研究

采用固体粉末渗硼法对TC4钛合金基体表面在1000,1050和1100℃分别保温5,10,15,20h进行了渗硼层厚度的测试,做出了硼钛化合物层生长动力学曲线,并用SigmaPlot10.0对实验数据进行分析和拟合,得出了渗硼层等厚度图.通过SEM与XRD研究TC4钛合金渗硼后的组织形貌和物相组成.结果表明,在实验条件下,渗层由TiB2和伸向基体的须状的TiB组成,渗层厚度范围为0.8～15μm.经回归分析得到硼在钛合金中的平均扩散激活能为65.23kJ/mol.