维持内源性代谢、衰变、裂解和死亡
前一节中的产率值是指当生物质获得的所有能量都被输送到合成时产生的产率值。然而，合成所需的能量并不是微生物唯一的能量需求。他们还必须有精力维持生活。’”
细胞的过程，无论是机械的还是化学的，都需要能量来维持它们的运转，除非有能量供应，否则这些基本的过程就会停止，细胞就会变得杂乱无章并死亡。机械过程包括动力，渗透调节，分子转运，离子梯度的维持，在某些真核的情况下，细胞质流动。虽然有人可能认为某些微生物可以免除运动性，但这一论点并不适用于所有微生物，因为有些微生物需要运动性来寻找食物。渗透调节在所有细胞中都是非常重要的，即使是那些被坚硬细胞壁保护的细胞，而泵机制，如收缩液泡，存在于细胞中，以抵消渗透压将水泵入细胞的正常趋势。细胞膜对许多小分子(如氨基酸)是可渗透的，由于细胞内的高浓度，这些小分子倾向于扩散到培养基中。主动转运机制的作用是将这些分子带入细胞，对抗浓度梯度。具有类似性质的是维持细胞膜上的离子梯度的必要性，这与负责ATP合成的质子动力密切相关。这种梯度的维护被认为是维护能量的主要消耗最后，胞质的流动和物质的运动是它们正常工作所必需的。它们也需要能量。
化学因素也有助于维护能源需求。微生物细胞代表了化学组织，其中的许多成分比形成它们的原始化合物具有更高的自由能。一般来说，由于这种组织，能量必须可用来抵消无序的正常趋势，即克服熵。维持机体所需能量的化学过程涉及诸如细胞壁、鞭毛、细胞膜和分解代谢装置等结构的再合成。例如，一项研究1“表明，蛋白质和核酸重新合成的能量是大肠杆菌维持能量需求的重要组成部分。
微生物学文献中的一个主要争议点涉及培养物生长速度对维持能量需求的影响。早期的调查表明，维持能量的需要与生长速度无关，但最近的研究表明相反的情况。1然而，工程师通常认为废水处理生化操作的维持能量需求与增长率无关，这就是本书将采用的方法。
既然存在维护能源的需求，那么可以用什么能源来供应呢?这个问题的答案取决于微生物的生长条件。如果有外部(外生)能量供应，其中一部分将用于满足维持能量需求，其余将用于合成。随着能源供应率的下降，可用于新的生长的资源将越来越少，因此净产量或观察产量将下降。当达到这样一个点，即能源供应的速度刚好平衡能源必须用于维持的速度时，就不会出现净增长，因为所有可用的能源都将被用于维持现状。如果能量供应率进一步降低，供应率与维持所需能量之间的差异将通过细胞内可用能源的降解来满足，即通过内源性代谢。这将导致文化大众的衰落。最后，如果没有外源能量来源，所有的维持能量需求都必须通过内源性代谢来满足。当达到所有内源性储备耗尽时，细胞就会退化和死亡，或进入静止状态。
作为内源性代谢底物的材料的性质取决于微生物的种类和培养物生长的条件。例如，当大肠杆菌在葡萄糖-矿物盐培养基中快速生长时，它会储存糖原。“如果将这些细胞置于没有外源性底物的环境中，它们会利用糖原作为内源能量。氨基酸和蛋白质在糖原消失之前几乎没有净分解代谢。另一方面，当在色氨酸培养基中生长时，大肠杆菌积累的糖原很少。因此，内源性代谢立即利用氮化合物。其他生物还使用其他化合物，包括核糖核酸(RNA)和脂质聚(3-氢羟基丁酸酯)。
引起微生物学家兴趣的一个问题是，当有足够的外源底物可用于提供培养物的维持能量需求时，能量流动的路线。在这种情况下，内源性代谢是否继续进行，从而使底物降解释放的部分能量被用来补充内源性代谢降解的能量储备?或者，作为另一种选择，内源性代谢是否停止，从而使外源性底物降解释放的能量直接用于维持功能?证据尚不确凿。实际上，尽管这些问题具有基本的科学意义，但它们与工程师用来建立生化操作数学模型的宏观能量平衡几乎没有关系。事实上，正如我们在第3.3.2节中看到的。有些模型通过引入细胞lvsis和再生的概念来避免整个问题。
生物化学操作中使用的每单位底物实际形成的生物量量，称为观察产量(Y " K)。总是小于y，其中一个原因是维护能量的需要。维持所需的能量越多，可用于合成的能量就越少，每单位降解的底物所形成的生物量就越少。然而，其他因素也造成了这种差异。例如，考虑捕食的影响。在一个复杂的微生物群落中发现在活性污泥工艺中原生动物和其他Eucarya以细菌为食，减少了形成的净生物量。为了说明捕食的影响。假设在葡萄糖上生长的Y lor细菌的值为()。(•>()mg每mg葡萄糖COD形成的细菌生物量COD。因此，如果使用100 mg/L葡萄糖COD。产生60毫克的细菌生物量COD。现在假设以细菌为食的原生动物的Y值为每使用一nigg细菌生物量COD形成0.70 mg原生动物生物量COD。如果原生动物消耗了所有由葡萄糖产生的细菌，结果将是42毫克/升的原生动物生物量。因此，如果我们只观察形成的生物量的净量，而不区分它是什么，我们可以得出这样的结论:42 mg/L的生物量COD是由100 mg/L葡萄糖COD的破坏引起的。因此，我们可以得出观测到的产率为0.42。这比细菌在葡萄糖上生长的真实产量要低。 Macroscopically, it is impossible to distinguish between the v arious factors acting to make the observed yield less than the true growth yield. Consequently, environmental engineers lump fliem together under the term "microbial decay," which is the most common way they have modeled their effect in biochemical operations."'
在生化操作中导致生物量损失的另一个过程是细胞裂解细菌的生长需要细胞壁材料的生物合成和降解的协调，以允许细胞的扩张和分裂。负责水解细胞壁的酶被称为自溶素，它们的活性通常受到严格的调控，以使它们在细胞分裂期间与生物合成酶协同作用。然而，失去这种调节将导致细胞壁破裂(裂解)和有机体的死亡。当细胞壁破裂时，细胞质和其他内部成分被释放到培养基中，在那里它们成为培养基中其他生物生长的基质。此外，细胞壁和细胞膜以及其他结构单位开始受到培养基中的水解酶的作用，使它们溶解，并使它们也可作为底物。只有最复杂的单元保留为cll碎片，其溶解速度非常慢，在大多数生化操作中似乎是难处理的。4^4关于裂解如何导致生物量损失的论点与上面所示的prédation相关的论点相似。细菌在裂解释放的可溶性产物上生长所表现出的产量与在其他生物基质上生长所表现出的产量相同。因此，如果100 mg/L的生物质被裂解，只有50-60 mg/L的新生物质将在裂解产物上重新生长。因此，裂解和再生的净效应是系统内生物量的减少。 In general, starvation itself does not initiate lysis, although the events that trigger it are not yet clear. Nevertheless, engineers seeking to model the decline in observed yield associated with situations in which the microbial community is growing slowly have focused on cell lysis as the primary mechanism.12 2"
在生化操作中影响活性生物量数量的最后一个事件是死亡。传统上，死亡细胞被定义为在琼脂平板上失去分裂能力的细胞2，基于这一定义的研究表明，在缓慢生长的培养物中，很大一部分微生物是不可存活的，或死亡的。此外，正如Weddle和Jenkins所总结的那样，大量使用间接证据(涉及底物去除率和酶活性的比较)的研究得出结论，废水处理系统中的MLSS的大部分是无活性的。然而，后来的一项研究使用了更复杂的技术来识别死亡细菌，表明以低增长率存在的细胞中有很小一部分实际上是死亡的。相反，尽管它们仍然活着，但许多用标准技术是无法培养的。此外，最近的研究4“表明，死亡细胞不会长时间保持完整，而是溶解，导致底物和生物量碎片，如上所述。生物质碎片的存在使系统中活微生物的质量小于悬浮固体的质量。尽管本书的前身使用了一个明确考虑细胞死亡的模型，但现在看来，直接考虑这一现象是不合理的。41相反，在生物废水处理系统中，只有一部分MLSS实际上是可行的生物质，这一事实可以归因于生物质碎片的积累，而不是死细胞的存在。
综上所述，由于几种机制的作用，生化反应器表现出两个重要特征:(1)观察产量低于真实生长产量;(2)活性，可行的细菌只占“生物量”的一小部分。导致这些特征的事件的一个简化概念是，细菌不断地经历死亡和裂解，向它们生长的环境释放有机物。部分有机物质降解非常缓慢，使其看起来对biodégradation具有抗性，并使其积累为生物质碎片。因此，“生物量”中只有一部分实际上是活细胞。剩余的释放的有机物被细菌用作食物来源，导致新的生物质合成。然而，由于真实的生长产量总是小于1，因此产生的新生物量的数量小于被裂解破坏的数量，从而使得整个过程的观察产量小于原始底物单独的真实生长产量。
2.4.3可溶性微生物产物的形成
生物反应器排出物中的大部分可溶性有机物是微生物来源，是由微生物降解生物反应器进水中的有机底物时产生的。这一现象的主要证据来自实验，在这些实验中，将已知成分的单一可溶性底物喂给微生物培养物，并检查流出物中所产生的有机化合物是否存在进水底物。“‘流出的有机物大部分不是原始底物，分子量更高，这表明它是微生物来源。这些可溶性微生物产物被认为来自两个过程，一个与生长相关，另一个与生长无关。生长相关产物的形成直接来自生物量的生长和基质的利用。因此，它通过另一个产量因子与这些事件耦合，微生物产品产量，YMl。， 1单位底物的biodégradation产生YM1，单位产物。Ysl的价值观。对于多种有机化合物已发现低于0.1。“‘Non-growth-associated product formation is related to decay and lysis and results in biomass-associated products. They are thought to arise from the release of soluble cellular constituents through lysis and the solubilization of particulate cellular components. Although little is known about the characteristics of these two types of soluble microbial products, they are thought to be biodegradable, although some at a very low rate. Compared to other aspects of biochemical operations, little research has been done on the production and fate of soluble microbial products and few researchers have attempted to model the contribution of such products to the organic matter discharged from wastewater treatment systems."'Ml Nevertheless, an awareness of their existence is necessary for an accurate understanding of the response of biochemical operations.
2.4.4颗粒和高分子量有机物的增溶作用
细菌只能吸收和降解低分子量的可溶性有机物。所有其他有机物质都必须受到细胞外酶的攻击，这些酶会释放出低分子量化合物，这些化合物可以通过细胞膜运输。许多有机聚合物，特别是微生物来源的聚合物，如细胞壁成分、蛋白质和核酸，是由几个重复的亚基组成，这些亚基由可以被水解破坏的键连接。因此，将微粒和高分子量可溶有机化合物分解为亚基的微生物过程通常被称为水解，尽管其中一些反应可能更复杂。
水解反应在污水处理生化反应器中起着两个重要的作用。首先，它们负责溶解因细胞裂解而释放的细胞成分，防止它们在系统中积聚。由于细胞裂解发生在所有微生物系统中，水解反应甚至在只接受可溶性底物的生物反应器中也很重要。第二，许多生化操作接收颗粒有机物质，在这种情况下水解是必不可少的，以带来所需的biodégradation。尽管它在生化操作的功能中处于中心地位，但相对较少的研究试图了解水解的动力学和机制。尽管如此，它对生化操作的结果有重要的影响，必须考虑到其功能的完整理解。
2.4.5加氨
氨化是指氨基酸和其他含氮有机化合物经过biodégradation过程释放氨氮。这是biodégradation过程的正常结果，在此过程中氨基被释放并以氨的形式从细胞排出。氨化速率取决于含氮底物的利用率和底物的碳氮比。由于有机氮不受硝化细菌的氧化，氨化在废水处理过程中对氮的控制是非常重要的。只有在氮转化为氨并释放到介质中后，它们才能将氮氧化为硝酸盐。
2.4.6磷的吸收和释放
如果将悬浮生长生物反应器系统配置为两个区，第一个区为厌氧区，第二个区为好氧区，具有其他细菌中不常见的特殊代谢能力的PAOs将增殖并以聚磷酸盐的形式储存大量无机磷酸盐，从而允许通过生物质废物从废水中去除磷。虽然PAOs通常在完全有氧悬浮生长培养中大量存在，但只有当它们在厌氧和好氧交替条件下在两个区域之间循环时，它们才具有存储大量磷酸盐的能力。这源于它们在无氧条件下以牺牲磷酸盐为代价储存碳，在好氧条件下以牺牲碳为代价储存磷酸盐的独特能力。为了解释PAOs的功能，假设了两种情况。一个是由Comeau等人“和Wentzel等人，K”独立开发的，而另一个是由Arun等人开发的:前者被称为Comeau-Wentzel模型，而后者被称为Mino模型。两种模型之间的差异是PAOs代谢多样性的结果，由于尚不清楚哪种模型更普遍适用，因此将分别介绍。
Comeau-Wentzel模型。我们将首先考虑在厌氧区．由于在下水道中发生发酵，生活废水中的大部分可溶性有机物以醋酸盐和其他短链脂肪酸的形式存在。此外，当废水进入厌氧生物反应器时，通过兼性异养菌的发酵反应形成额外数量的脂肪酸。如图2.5A所示，乙酸通过被动扩散(未解离的乙酸)穿过细胞膜，但一旦进入，它被激活，乙酰- coaby耦合ATP水解，产生ADP。虽然没有在图中显示，ATP也被用来维持质子动力，这是由于与未解离的乙酸相关的质子的运输而失去的。细胞通过从储存的聚磷酸盐(Poly-P”)中刺激ATP再合成来应对ATP/ADP比值的降低。乙酰辅酶A的一部分通过TCA循环代谢，以提供所需的还原力(NADH + H)
外面外面里面
A无氧b有氧
图2.5原理图描述PAOs对无机磷酸盐的吸收和释放的Comeau-Went/el模型:A.厌氧条件;B.有氧条件。(摘自Went/el et al.sl)
PHB的合成。其余的乙酰辅酶a被转化为PHB，大约90%的醋酸碳被保存在该存储聚合物中。没有多磷酸盐的存在为ATP的再合成提供能量。醋酸盐会在细胞中积聚，醋酸盐的运输就会停止，PHB就不会形成。聚磷酸盐水解形成ATP增加了细胞内无机磷酸盐的浓度，P”随着阳离子(未显示)被释放到本体溶液中，以保持电荷平衡。
当废水和相关生物量进入好氧区时，废水中可溶性有机物含量较低，但PAOs中PHB储量较大。此外，废水中含有丰富的无机磷酸盐，而PAOs的聚磷酸盐含量较低。由于PAOs在有氧区有氧作为电子受体，因此它们以储存的PHB作为碳源和能量源，进行正常的有氧代谢以供生长，通过电子传递磷酸化产生ATP，如图2.5B所示。此外，随着ATP-ADP比值的增加，刺激了聚磷酸盐的合成，从而去除磷酸盐和相关的阳离子(没有显示出来)从溶液和再生存储在细胞中的聚磷酸盐。由于储存的PHB的有氧代谢提供了大量的能量，PAOs能够吸收厌氧区释放的所有磷酸盐以及最初存在于废水中的磷酸盐。
在厌氧和有氧区使PAOs相对于普通异养细菌具有竞争优势，因为普通异养细菌没有制造和使用聚磷酸盐的能力，无法在厌氧区吸收有机物。应该注意的是，虽然大多数通过使用PAOs去除磷酸盐的系统使用好氧区来再生存储的聚磷酸盐，但一些PAOs可以使用硝酸盐和亚硝酸盐作为替代电子受体，'允许缺氧条件下也可以用。
米诺模型。Mino模型，如图2.6所示。与科莫-温策尔模型非常相似，主要区别在于糖原的作用，糖原是一种碳水化合物储存聚合物。在这种情况下，在厌氧区，从乙酰辅酶a合成PHB所需的还原力来自糖原释放的葡萄糖代谢。葡萄糖通过enter - doudoroff (ED)或Embden-Meyerhof-Parnas (EMP)途径氧化为丙酮酸，这取决于PAO的类型，因此提供了将乙酸转化为乙酰辅酶a所需的一些ATP和PHB合成所需的一些还原力。反过来，丙酮酸是氧化的，脱羧为乙酰辅酶a和二氧化碳，释放的电子也用于PHB的合成。因此，所有的醋酸盐都被储存为PHB，就像糖原中的部分碳一样。在好氧区，PHB像在Comeau-Wentzel模型中一样被分解，以提供生物质合成以及磷酸盐的吸收和储存。此外，PHB也被用来补充储存的糖原。
2.4.7概述
描述一个过程中发生的事件的总体总和的图表好氧生物反应器接收可溶底物如图2.7所示。细菌消耗底物(Ssl)并生长，导致更多的细菌，底物消耗和生物量增长之间的关系由真实生长产量y给出
细胞外
细胞内
继续阅读:化学计量学与广义反应速率
这篇文章有用吗?