基于菲律宾蛤仔粘附性污泥的微生物絮凝剂的制备和表征

发布时间：2020-06-19 13:14

【摘要】：微生物絮凝剂具有良好的絮凝脱色功能,在食品工业、环保领域有着广泛的应用。但是一般微生物絮凝剂的制备过程繁琐,生产成本高,限制了其发展的进程。而菲律宾蛤仔粘附性污泥已被报道是一种非常有前景的天然微生物絮凝剂资源,具备絮凝、脱色、重金属去除等典型微生物絮凝剂功能,且能自然沉淀、适合淡水和海水处理。已有研究表明,菲律宾蛤仔粘附性污泥的絮凝活性可能与其中的微生物有关。但是菲律宾蛤仔粘附性污泥难于收集应用到实际生产。基于此,依据生态仿生复配的策略,对菲律宾蛤仔粘附性污泥进行生态仿生制备,以期生产出一种兼具菲律宾蛤仔粘附性污泥特性又可用于发酵生产的微生物絮凝剂。为此,本文做了以下几方面工作:(1)复合型微生物絮凝剂(BBF)的摇瓶制备本研究直接采用从养殖场原产地的菲律宾蛤仔粘附性污泥(RPM)作为接种物,与沙土复配制备一种功能类似菲律宾蛤仔粘附性污泥的复合型微生物絮凝剂(BBF)。采用单因素实验考察接种体积、沙土添加量、培养时间、培养转速对复合型微生物絮凝剂絮凝率的影响。在最佳条件(接种体积(0.5%,v/v)、沙土添加量(7%,w/v)、培养时间(36 h)、培养转速(180 r min~(-1)))下,对微生物絮凝剂(BBF)进行连续12批次的培养。在序批次培养过程中,絮凝剂的平均产量为73.77±1.79 g L~(-1),稳定的絮凝率均值为80.28±2.10%。在与菲律宾蛤仔粘附性污泥相同使用剂量(8 g L~(-1))条件下,微生物絮凝剂的絮凝率可以达到87.92±0.65%。(2)复合型微生物絮凝剂(BBF)的性能表征通过电镜照片分析,我们发现微生物絮凝剂的表面凹凸不平,在凹陷处附着各种不同形状的细菌;同时,BBF对亚甲基蓝、结晶紫和孔雀石绿染液的脱色率分别可以达到98.78±0.46%,89.37±0.35%和99.11±0.17%,对小球藻的收获率可以达到85.65±0.15%。我们对絮凝率稳定的5到11批次的样品进行多糖的含量鉴定分析,发现第8批次的多糖含量最高,第10批次的多糖含量最低,与絮凝率的变化趋势一致。(3)基于高通量测序,对复合型微生物絮凝剂(BBF)进行微生物多样性分析基于高通量分析结果发现,在属的分析水平上,在菲律宾蛤仔粘附性污泥中相对丰度占比最高的七个属分别是Pseudoalteromonas(6.28%-23.04%)、Neptuniibacter(8.14%-24.24%)、Maribacter(3.63%-4.72%)、Paraglaciecola(1.70%-6.28%)、Marine monomonas(1.17%-3.18%)、Winogradskyella(1.81%-2.62%)和Vibrio(1.49%-2.72%)。然而在BBF中相对丰度最高的菌属依次为是弧菌属(58.73%-91.05%)和芽孢杆菌属(0.39%-30.61%)。在序批次实验研究过程中,发现第10批次中弧菌属和芽孢杆菌属的相对丰度最低为75.09%,对应在第10批次的絮凝率也最低为77.54±1.17%。推断认为,弧菌属和芽孢杆菌属是微生物絮凝剂中主要起絮凝作用的多糖产生菌株。(4)复合型微生物絮凝剂(MBF-JPS)发酵罐生产的研究基于复合型微生物絮凝剂BBF的研究,考虑到实际生产效能与生产安全,采用两株(JP和S5)从菲律宾蛤仔粘附性污泥分离得到的假交替单胞菌属作为接种物,与聚氨酯生物填料复配制备出一种可应用于生产的复合型微生物絮凝剂MBF-JPS。采用响应面法优化复合型微生物絮凝剂MBF-JPS的生产条件。结果表明,最佳生产条件为26.33℃、pH为8.33、溶解氧浓度为61.11%,在该条件下,絮凝率最高可达到81.76±0.26%,产量为5.15 g L~(-1)。复合型微生物絮凝剂吸附重金属铅的效率为0.2686 mg g~(-1)。MBF-JPS对淡水小球藻和海水小球藻的沉降效率分别为96.98±1.02%和97.44±0.98%,对亚甲基蓝的脱色效率极为显著可达到99.26±0.34%,对结晶紫溶液的脱色率为68.47±0.49%。(5)复合型微生物絮凝剂(MBF-JPS)成分提取与分离纯化对已制备得到的复合型微生物絮凝剂(MBF-JPS),我们采用离心、浓缩、透析、醇沉系列方法进行多糖的提取和水解。高效液相色谱分析结果表明,复合型微生物絮凝剂MBF-JPS水解后的单糖组分为甘露糖、氨基葡萄糖、核糖、鼠李糖、半乳糖醛酸、葡萄糖、半乳糖、阿拉伯糖和岩藻糖,摩尔比为3:3.5:9.2:0.8:1.2:63.9:2.2:3.6:12.6。将研究结果与课题组前期针对菲律宾蛤仔粘附性污泥的絮凝成分的单糖组分分析结果对比发现,在定量分析与单糖组成上都展现出了高度的相似性。本文通过摇瓶小试研究和发酵罐中试研究,利用生态仿生的手段制备出两种微生物絮凝剂。这两种微生物絮凝剂具有比菲律宾蛤仔粘附性污泥更高的絮凝活性并且更易收集。复合型微生物絮凝剂(BBF)可以自我沉降;而复合型微生物絮凝剂(MBF-JPS)可悬浮收集。其中弧菌属和芽孢杆菌属是复合型微生物絮凝剂(BBF)中起絮凝作用多糖的主要产生菌株,在复合型微生物絮凝剂(MBF-JPS)中两株假交替单胞菌属也可以产生起絮凝作用的活性多糖。为今后以菲律宾蛤仔粘附性污泥为基础的生态仿生型微生物絮凝剂的工业化生产奠定了实验基础。
【学位授予单位】：浙江海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ421;TQ920.6
【图文】：

单因素实验,絮凝率,接种量,转速

入 3％到 11％（w/v）的砂土，目的是为细菌生长提供附着位点。同时测量 1.0的絮凝率低至 19.31±1.9％。图 2-1b 所示，在 7％的沙土添加量下，BBF 的絮加至 74.4±1.8％，之后随着沙土的增加絮凝率趋于平稳。培养时间对 BBF 絮影响如图 2-1c 所示。从图中可以明显看出，24 小时后 BBF 的絮凝率显著增加养时间达到 36 小时后絮凝率达到最高值 72.3±1.4％，然后逐渐下降。如图 2示，当转速从 100 r min-1增加到 260 r min-1时，BBF 的最高絮凝率在 180 r min到极值 74.4±1.8％。因此，基于单因素发酵实验，筛选出的最佳发酵条件为 0./ v）接种量，7％（w / v）砂土添加量，36 h 培养时间，180 r min-1转速。与沉淀 BBF 的絮凝率相反，单批次实验结果发现，大多数上清液呈现出负性或极低的絮凝活性（图 2-1abcd）。尤其是，除培养时间的实验之外，所有上单因子的最佳水平下显示出显着的负絮凝活性。在对于培养时间的单因素实验BBF 的絮凝率在培养时间为 36 小时达到峰值 72.3±1.4％，远高于上清液絮凝率±5.94％。这些结果表明起絮凝活性作用的主要成分是沉淀（BBF）而不是上清

使用剂量,连续发酵,絮凝率,絮凝

图 2-2 BBF 的絮凝趋势(a)从第 1 批次到第 11 批次的连续发酵实验；FSTB，第 1 次批ELJK，第 11 批次；(b)不同使用剂量的 BBF 与 RPM 絮凝率的比较Fig 2.2 The flocculation rate trends of BBF. (a) from the first to eleventh batch of the sequentiafermentation. FSTB, the first batch; EJLK, the eleventh batch; and the in-between were sequenumbered; (b) The comparison of BBF and RPM dosage on kaolin clay suspension flocculation.本章小结本章通过单因素试验，发现的最优的生产条件为 0.5％（v/v）的接种量，7％/ v）的沙土添加量，36 h 的培养时间，180 r min-1的转速。基于最优的生产条件产出生态仿生型的复合型微生物絮凝剂 BBF，通过与 RPM 在絮凝实验中的使用对比可以看出，来自仿生制剂的 BBF 显示出与新鲜 RPM 相当的絮凝活性，这表生制备的 BBF 已经达到与天然收集的 RPM 相似的絮凝性能。通过连续 11 批次酵实验发现，BBF 的产量与使用剂量的比率高于许多报道的生物絮凝剂。与其他物絮凝剂相比，BBF 具有高效率和低消耗的优点。

【参考文献】