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从定性到定量管理微生物 且看ATP技术在污水处理科研上的应用

北极星水处理网  来源:环境人Environmentor    2021/3/10 10:32:40  我要投稿  
所属频道: 水处理  关键词:ATP 污水处理 工业循环水

北极星水处理网讯:大家好,我就是大名鼎鼎的ATP。做为生命起源的重要物质之一,请先让我通过回答哲学上的三个终极之问来介绍一下自己。

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我的全名叫做三磷酸腺苷(Adenosine Triphosphate),简称ATP。你可能对我的名字有些陌生,但我存在于一切生命体中,你的每个细胞中都大约有10亿个我的小伙伴,在默默的为你储存和传递着化学能量。

第一个ATP分子可能来自于剧烈的雷电反应。那时候地球上的生命还没有形成,大气中充满了氨气、氧气、磷酸盐和碳氢化合物,和我一起诞生的还有葡萄糖、氨基酸、其他的一些核酸等等生命起源所需要的物质。在漫长的生物进化过程中,优秀的我打败了其他携带高能磷酸键的化学物质(GTP, CTP, TTP等),被细胞们所选择并成为了今天生命体中能量传递的“分子通货” 。

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做为细胞内的能量载体,当细胞需要能量时,我能够打破三个磷酸键中的一个,释放出大量的能量并转变为ADP。在糖酵解或光合作用下,我又能够与一个磷酸根相结合被充能回到ATP的状态。

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虽然每一个我的存在时间只有几秒,但通过不断的循环充能和放能,每天能够被重复利用几千次。是不是很棒??

因为一切生命体(包括微生物)都含有ATP且相对含量十分稳定,也因为ATP能够与荧光素快速反应产生荧光,所以ATP荧光法就成为了一种十分方便快捷的微生物检测技术。相比而言,传统的微生物培养实验一般需要2-4天,不仅时间长而且只能针对特对的微生物,无法满足用户对微生物进行实时监测的需求。

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在过去的十几年间,ATP技术已经被广泛的用于食品和餐饮行业的洁净度检查,比如操作台,案板等表面是否消毒彻底。相信有一部分朋友已经见过下图的手持式设备,我们把它定义为第一代ATP检测技术。它的特点是高灵敏度,半定量,以RLU(发光度)的大小来判断微生物是否存在或者是否足够少,无法告诉我们ATP的实际浓度,也无法识别ATP来自于活细胞或死细胞。

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手持式ATP分析设备和试剂

随着技术的发展,微生物控制也慢慢进入了污水处理,饮用水,工业循环水,油气开采水等等行业。在污水处理行业,活性污泥工艺依靠微生物来去除水中的污染物,微生物的浓度和生存状态对工艺的稳定性具有重要的意义。如果有一种方法能够快速的分析出污泥中活性细胞的浓度,直观的反应微生物的健康状态,运营工程师们就能够更准确对工艺进行调控,快速响应工艺的变化。

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ATP比VSS和TSS更能准确的反应工艺的真实状态

正是基于这样的需求,第二代ATP检测技术闪亮登场。第二代ATP检测技术继承了快速、精准和便携的特点;不仅可以分析活性微生物细胞内的ATP(cATP);也可以分析因细胞死亡而释放到外界环境的ATP (dATP),分析结果以浓度单位ng/mL 呈现,实现了对ATP的定量分析。

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第二代ATP检测设备和试剂

在污水处理的应用上,cATP浓度体现了微生物新陈代谢的快慢,可用来表征污泥活性。dATP浓度可以用来判断微生物的生存状态;dATP占总ATP的比例越大,意味着微生物死亡的比例越高,微生物的生存环境也就越恶劣。当微生物缺乏营养,老化或来水具有高毒性时,dATP的比例就会显著提高。

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活性污泥样品中的微生物状态和ATP存在的形式

无论是厌氧工艺、颗粒污泥、MBBR填料、固定膜、生物发酵、以及藻类反应器,当你想要知道微生物的状态时,都可以使用第二代ATP检测技术来进行分析。也因为微生物的一切生命活动都离不开ATP, 所以当研究人员在探索新的生化反应器、微生物菌群的迁移、毒性抑制、添加剂的增益效果以及工艺模拟和优化时,都可以通过我来寻找直接支撑数据哦。

比如:为什么在高浓度氨氮的情况下,碳纳米管的投加反而会导致厌氧反应效率下降?ATP数据就揭示了碳纳米管在高浓度氨氮的反应条件下导致微生物活性的下降的直接证据。基于这组数据的提示,研究人员顺藤摸瓜的发现碳纳米管会扰乱钾离子在细胞内外的传递过程,高浓度的碳纳米管加速了钾离子从微生物细胞外进入细胞内的过程,消耗了细胞内的能量,降低了微生物自我解毒的能力,因此影响了反应器的效率。怎么样,是不是有点惊讶我的万能?

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Wangwang Yan et al. (2019)

说到这里,我开始有一点期待看到你第一次分析我的时候的样子了。要知道,很多人都是靠经验和目测来判断微生物的状态的。虽然经验也很有用,但直观的数据总是更具有说服力,也可以减少试错的过程,提高工作效率。建立微生物控制的第一道防线就看你的表演了

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