黄河兰州段铬还原菌和对硝基酚降解菌的分离筛选及其在微生物燃料电池中的应用研究

发布时间：2018-02-28 09:07

  本文关键词： 铬还原 对硝基酚降解 微生物燃料电池 生物传感器　出处：《兰州大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：铬[Cr(Ⅵ)]和对硝基酚(p-nitrophenol,PNP)是生产活动中广泛使用的工业原料,常常随着工业废水的排放进入环境,由于其高毒、致突变和致癌的特性,严重威胁着环境和人类的健康。兰州市西固区位于黄河兰州段上游,是我国西北主要的工业基地之一,该区常年受各种重金属和有机物的污染,当地微生物群落有很强的重金属和有机物抗性。但是目前对该地区Cr(Ⅵ)还原菌和PNP降解菌的分离筛选工作还鲜有报道。为了更好地开发该地区的微生物资源,挖掘出能够还原Cr(Ⅵ)和降解PNP的功能菌株,本实验在黄河兰州段西固工业园区的一条排污渠采集土壤样品,通过连续富集培养的方法分离筛选具有Cr(Ⅵ)还原能力和PNP降解能力的菌株,分别研究了该地区的优势铬还原菌解毒Cr(Ⅵ)的机制;PNP降解菌的降解特性,并且在微生物燃料电池(Microbial fuel cell,MFC)中测试了其同时产电和降解PNP的应用潜力,开发了一套便携式需氧阳极微生物燃料电池型PNP生物传感器;最后测试了2株铬还原菌及其共培养物在微生物燃料电池的阳极去除废水COD,在阴极去除Cr(Ⅵ)的能力。本实验主要研究结果如下:1.通过3种不同的分离方法,共获得了43株16属具有铬还原能力或对硝基酚降解能力的菌株,它们分别属于链霉菌属(Streptomyces)、拟诺卡氏菌属(Nocardiopsis)、诺卡氏菌属(Nocardia)、纤维微菌属(Cellulosimicrobium)、戈登氏菌属(Gordonia)、无色杆菌属(Achromobacter)、假单胞菌属(Pseudomonas)、短状杆菌属(Brachybacterium)、红球菌属(Rhodococcus)、节杆菌属(Arthrobacter)、白色杆菌属(Leucobacter)、肠球菌属(Enterococcus)、赖氨酸芽孢杆菌属(Lysinibacillus)、芽孢杆菌属(Bacillus)、棒杆菌属(Corynebacterium)和产碱杆菌属(Alcaligenes)。其中有11个属隶属于放线菌纲,因此在重金属和有机物共同污染的地区放线菌可能是优势类群。2.在同批次筛选的Cr(Ⅵ)还原菌中,菌株LZ-26-1表现出了较强的Cr(Ⅵ)还原能力,通过16S r RNA序列分析,该菌株与Streptomyces violaceoruber(AB184174)的16S r RNA序列相似性为100%,我们将其命名为Streptomyces violaceoruber LZ-26-1。该菌株在淀粉-酪素(SC)液体培养基中144 h内能将0.6 m M Cr(Ⅵ)还原92.86%。菌株还原Cr(Ⅵ)的最适温度和p H分别是28℃和7.0。透射电镜(TEM)和X-射线能量色散(EDX)分析结果表明,还原后的铬在菌株细胞内形成了Cr(Ⅲ)沉淀。静息细胞和粗酶活性实验结果表明,NADPH作为电子供体能促进菌株对Cr(Ⅵ)的还原,而Cd~(2+)抑制了该过程。在Cr(Ⅵ)胁迫下,菌株基因组中编码硫氧还蛋白操纵子的基因(Trx A,Trx B和mem P)均获得了不同程度的表达上调。因此,我们推测菌株LZ-26-1可能是通过硫氧还蛋白途径还原Cr(Ⅵ)的。3.在同批次筛选的PNP降解菌中,菌株LZU-3对PNP的降解能力最强,通过16S r RNA序列分析,该菌株与Pseudomonas monteilii(AF064458)的16S r RNA序列相似性为99.8%,我们将其命名为Pseudomonas monteilii LZU-3。PNP降解特性结果表明,LZU-3是一株能够耐受较高PNP浓度的高效PNP降解菌,接种量、p H、温度和起始PNP的浓度是影响PNP降解效率的主要因素。10%的接种量、p H 8.0、30℃和外加50μM的Fe SO4.7H2O是菌株LZU-3在矿物盐培养基(MS)中降解PNP的最优条件。菌株LZU-3还能在高盐和含有金属离子的条件下降解PNP。共底物丙酮酸钠、醋酸钠、乳酸钠、葡萄糖、甘露醇、甘氨酸和天冬酰胺均能促进菌株生长和其对PNP的降解,其中天冬酰胺的促进作用最明显。MFC应用结果表明,LZU-3是一株能够在需氧条件下同时产电和降解PNP的菌株。曝气能增加MFC的最大电压(189 m V)和PNP的降解效率(20 mg l~(-1)h~(-1)),但是却降低了MFC的库伦效率。当PNP浓度在300 mg l~(-1)以内时,菌株均能产电。循环伏安分析和扫描电镜结果表明,菌株LZU-3可能是通过和电极直接接触的方式传递电子的。丙酮酸钠作为共底物对菌株的产电有一定的促进作用,但是却抑制了PNP的降解。核黄素对菌株LZU-3产电没有明显的促进作用。本实验第一次将一株需氧PNP降解菌株应用到了MFC中,实现了对PNP同时降解和产电目的,为以后需氧或者兼性厌氧菌在MFC中的应用奠定了理论基础。4.本研究以需氧阳极MFC为基础,设计了一种便携式的PNP监测生物传感器。该传感器以需氧PNP降解菌LZU-3作为生物识别元素,以对硝基酚作为唯一底物,在实际PNP废水监测中表现出了极高的稳定性、精确性和选择性,为有毒、难降解污染物的实时、原位监测提供了一种快速有效的方法。5.在同批次筛选的同时具有Cr(Ⅵ)还原能力和PNP抗性的菌株中,菌株LZU-26和LZU-47-1不仅可以在MFC中产电,而且对Cr(Ⅵ)的还原能力最强,通过16S r RNA序列分析,菌株LZU-26与Cellulosimicrobium cellulans(X83808)的16S r RNA序列相似性为99.64%;菌株LZU-47-1与Corynebacterium vitaeruminis(X84680)的16S r RNA序列相似性为99.64%。我们将这2株菌分别命名为Cellulosimicrobium cellulans LZU-26和Corynebacterium vitaeruminis LZU-47-1。本研究以糖蜜废水作为MFC的底物,以菌株LZU-26、LZU-47-1及其共培养物分别作为阳极和阴极生物催化剂,在阳极去除废水COD、阴极去除Cr(Ⅵ)的同时产生电能。实验结果表明,将2株菌进行共培养能够提高菌株对COD和Cr(Ⅵ)的去除能力以及MFC的产电能力。当废水COD的浓度在400-8000mg l~(-1)时,共培养物MFC均能产电,800 mg l~(-1) COD是菌株产电的最佳COD浓度。以Cr(Ⅵ)作为MFC的阴极电子受体,以共培养物同时作为MFC阳极和阴极生物催化剂,当阴极Cr(Ⅵ)的浓度在10-20 mg l~(-1)时,增大Cr(Ⅵ)的浓度均能增加MFC对COD的去除率、电流密度以及Cr(Ⅵ)的还原率。本研究利用MFC技术,在阳极去除有机物,阴极去除重金属的同时产生电能,该研究对复合污染的综合治理提供了一种经济可行的方法。
[Abstract]:Chromium ( 鈪，

本文编号：1546667