高效除磷酵母菌株的筛选及其磷代谢基本特性研究

发布时间：2020-04-09 09:44

【摘要】：近年来,由于工业化、农业现代化和城市化的快速发展,排放的营养物质随之增加,导致水体富营养化现象严重。水体富营养化是全球面临的水环境污染问题,同时也是水体保护最具挑战性的问题之一。而磷的过量排放是造成这一问题的主要原因,因此对磷进行有效去除是亟待解决的问题,对净化水体具有重要的意义。与化学除磷相比,生物除磷具有运行费用低、污泥产量少等节能环保的优势,因而得到了更广泛的应用。在生物除磷系统中,聚磷细菌被认为起到了主要的作用,而酵母菌作为一种单细胞真核微生物,在污水处理系统中常常被忽视,在除磷方面的研究较少。事实上,废水处理系统中酵母菌的种群多样性十分丰富,且酵母菌具有耐渗透压、耐高温和代谢效率高等特点,体内具有良好的酶系,能适应各种特殊的环境。因此,研究酵母菌的磷代谢基本规律,特别是阐明酵母菌磷代谢关键调控因子及其作用规律,明确磷的去除途径,为生物除磷提供一种新途径。本研究将实验室A/O交替生物膜系统中分离纯化出的6株优势酵母菌活化富集后,分别接种于合成废水培养基中进行处理,发现这6株酵母菌均有一定的除磷能力,其中菌株BZ的比增长速率为0.11 h~(-1),单位时间单位干重酵母菌除磷量为1.246 mgP/(h·g酵母菌),在6株酵母菌中最高,综合考虑生长状况和除磷效率,最终筛选出BZ为高效除磷酵母菌。通过形态学特征、生理生化特性和分子生物学鉴定,可以判定为阿氏丝孢酵母(Trichosporon asahii)。通过烧杯试验考察在不同初始磷浓度下酵母菌BZ的除磷能力。结果表明,随着磷浓度的升高,酵母菌的除磷率随之降低。当磷浓度低于5 mg/L时,酵母菌对磷的去除率达到100%;当磷浓度为10 mg/L时,除磷率仍能达到70%。同时对酵母菌的生长动力学和除磷动力学进行拟合,分别符合Monod方程和米门方程,其动力学方程分别为(?)。本文分析了温度、pH、碳源种类、氮源浓度、碳磷比、溶解氧及微量元素对酵母菌BZ的生长量和除磷效果的影响,确定酵母菌BZ除磷的适宜条件。在温度为15~35°C之间,酵母菌都能保持较高的除磷效果,最适宜温度为25°C左右,对磷的去除率达到65%以上;酵母菌BZ对pH的耐受范围较广,pH在5~8这个范围内,酵母菌的生长和除磷率变化不大,且都有较高的除磷率。其中最适宜pH为6时,除磷率为67%。不同种类的碳源对酵母菌的生长和除磷效果的影响十分显著,酵母菌BZ的最佳碳源为葡萄糖和乙酸钠的混合碳源,除磷率达到68.6%;高氨氮浓度能促进酵母菌BZ的生长,并提高除磷率,在0~50 mg/L的初始氨氮浓度下,酵母菌BZ的生物量和除磷率随着氨氮浓度的增加而升高;随着C/P的升高,即碳源越充足,酵母菌的生物量越大,除磷率也越高,当C/P小于10时,酵母菌的生长和除磷效果明显受到抑制,当C/P大于75时,除磷率达到90%以上;在0.5~5 mg/L不同溶解氧条件下,酵母菌均能正常生长且能够保持较高的除磷率,可减少曝气,节约成本;与含微量元素的情况相比,在无微量元素下,最大OD_(600)仅降低0.026,除磷率则从68.6%减少到57.0%。通过对培养体系中磷的质量平衡分析,以及酵母菌对磷的富集量和细胞内外磷含量的分布情况,初步探讨了磷从培养液液相主体向酵母菌细胞内的转移过程。研究发现,在整个培养系统中,当酵母菌BZ达到最大生物量时,除磷量也达到最高值,酵母菌细胞对液相中磷的去除(70%左右)大于EPS对磷的去除(30%)。此时,胞外EPS中正磷占总磷含量的30%左右,菌体细胞内正磷含量占20%左右。EPS主要充当了磷的储存库和中转站的作用,细胞对磷的吸收和转化作用应该是酵母菌BZ除磷系统中最主要的磷去除途径。EPS中主要有糖类和蛋白质,多糖的变化情况可能与酵母菌在富营养情况下分泌EPS,而在饥饿条件下消耗EPS有关;通过对EPS的三维荧光特性分析,在BZ除磷过程中,EPS中荧光类物质以类蛋白物质为主。在进水C/P为40的酵母菌除磷系统中,胞内聚合物中存在糖原质和PHA两种物质。其中酵母菌降解磷酸盐所需的ATP来自PHA的水解,外碳源被酵母菌转化为糖原质作为主要的储能物质。对酵母菌体的扫描电镜和能谱分析结果表明:酵母菌体呈杆状,反应结束后,推测酵母菌体表面可能被钙镁磷酸盐所包裹。本论文筛选出的高效除磷酵母菌Trichosporon asahii对合成废水培养基具有较强的除磷能力,阐明了磷的去除途径和除磷机理,填补了酵母菌除磷领域的空白,丰富和深化了生物除磷理论,为探索废水除磷新技术的开发提供理论参考。
【图文】：

湖泊,水体富营养化,水库,水体

水体富营养化是指过量的营养物质（氮和磷）在水环境中富集，是水体保护中最具挑战性的问题之一[3]。一般认为，TP=0.03~0.10 mg/L 及 TN=0.5~1.2 mg/L 时，水体便处于富营养化状态。在自然条件下，水体从贫营养状态发展到富营养状态的过程是十分漫长的。而随着工业化、农业现代化和城市化进程的加快，加上人口的急剧增长，排放的营养物也随之增加，导致水体富营养化现象更为严重，已经引起了公众和政府的关注和重视[4-5]。据统计，2010 年全球约有 75%以上的封闭型水体存在富营养化问题[6]。2017 年，我国 112 个重要湖泊（水库）中，Ⅰ类水质的湖泊（水库）6 个，占 5.4%；Ⅱ类 27 个，占 24.1%；Ⅲ类 37 个，占 33.0%；Ⅳ类 22 个，占 19.6%；Ⅴ类 8 个，占 7.1%；劣Ⅴ类12 个，占 10.7%。主要污染指标为总磷、化学需氧量和高锰酸盐指数。109 个监测营养状态的湖泊（水库）中，贫营养的 9 个，中营养的 67 个，轻度富营养的 29 个，中度富营养的 4 个[7]。

营养状态,水库

图 1.2 2017 年重要水库营养状态比较磷是天然水体中水生植物生长的必要营养元素，但是过量的磷排放到受限水体中往往导致严重的富营养化问题，生态系统也将会改变，对我国的社会可持续发展产生影响。富营养化最显著的影响是植物水华。蓝藻作为一种繁殖迅速的藻类生物，常常存在于富营养化的湖泊、河流或水库中，极易造成蓝藻水华，对整个生态平衡造成了非常严重的影响[8]。其主要的危害是阻碍了空气和水体中气体的交换，从而使水生生物缺氧致死；另一方面，蓝藻产生的藻毒素破坏水质，对居民饮用水安全构成了威胁，例如，2007年由于太湖蓝藻的大爆发，，导致了无锡饮用水危机[9]。因此，我们必须采取适当的措施来控制水体富营养化。在全球范围内，淡水生态系统中磷的积累速度快于氮，因此，将磷从废水中去除具有重要的意义。1.1.2 磷的来源水体中过量的磷来源比较广，可以分为点源和面源，也可以分为自然过程和人类活
【学位授予单位】：济南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X703;X172

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