喹啉高效降解菌株Alcaligenes sp. WUST-qu的筛选及表征

发布时间：2020-04-18 11:09

【摘要】：喹啉及其衍生物是应用及其广泛的工业原料,同时也是一类致畸、致癌、致突变且难降解的有机污染物。工业生产中产生的大量含喹啉污水的直接排放势必给水体、土壤以及生活在其中的生物带来严重的不利影响,有效治理含喹啉污水带来的污染问题受到广泛关注。目前已经开发出多种旨在去除受污染环境中喹啉的技术,主要包括物理化学法和生物法。相较于前者,后者处理含喹啉污水具有操作成本低,二次污染较少等优点,因而受到了更多的重视。本研究从武钢焦化厂污水处理系统曝气池中筛选得到一株喹啉高效降解菌株,命名为WUST-qu。揭示了该菌株形态学和生理生化特征,并主要基于16S rRNA基因核苷酸序列同源性对其分类学地位进行了鉴定;探究了该菌株在不同初始pH条件下降解喹啉的特性;考察了菌株Alcaligenes sp.WUST-qu的底物广谱性和抗生素抗性,并初步研究了该菌株降解喹啉时的动力学模型。本文主要研究结果如下:(1)菌株Alcaligenes sp.WUST-qu为革兰氏阴性、有芽孢;长为1.15±0.08μm(n=20),宽为0.26±0.01μm(n=20);16S rRNA基因核苷酸(1435 bp)序列比对结果表明,该菌株与产碱杆菌属菌株M14和CD243的同源性均高达99%,故将其鉴定为产碱杆菌属微生物(Alcaligenes.sp)。(2)pH是影响菌株在源头生物修复效果的关键因素之一,探究了菌株Alcaligenes sp.WUST-qu在不同pH条件下降解喹啉的特征。结果表明,在培养温度为35℃,摇床转速为150 rpm,接种量为5%(v/v)(OD_(600)=1)的条件时,菌株Alcaligenes sp.WUST-qu能在无机盐培养液(MSM)初始pH为5.0~9.0的范围内有效降解喹啉,最适初始pH为中性到略偏碱性(7.0~8.0)。当MSM初始pH为5.0时,菌株Alcaligenes sp.WUST-qu能在接种后60 h之内将浓度为400 mg·L~(-1)的喹啉完全降解;当MSM初始pH为6.0时,该菌株能在接种后54 h之内将浓度为600 mg·L~(-1)的喹啉完全降解;当MSM初始pH分别为7.0和8.0时,该菌株能在接种后48 h之内将浓度为700 mg·L~(-1)的喹啉完全降解;当MSM初始pH为9.0时,该菌株能在接种后72 h内将浓度为700 mg·L~(-1)的喹啉完全降解。在试验的范围之内,700 mg·L~(-1)是该菌株能够完全降解喹啉的最高浓度。(3)工业污水中的重金属离子对微生物的生长和代谢具有不利影响,在培养温度为35℃,摇床转速为150 rpm,MSM初始pH为7.0,喹啉初始浓度为300mg·L~(-1)的条件下,探究了重金属离子Fe~(3+),Cr~(6+),Cd~(2+),Cu~(2+),Hg~(2+),Ag~+,Ni~(2+),Cd~(2+),Mn~(2+),Pb~(2+),Ba~(2+),Zn~(2+)对菌株生长和降解喹啉的影响。结果表明,Fe~(3+),Cr~(6+),Cd~(2+),Cu~(2+),Hg~(2+),Ag~+,Ni~(2+)对菌株Alcaligenes sp.WUST-qu的生长具有明显的抑制作用,并因此而抑制了菌株对喹啉的降解,其中Cd~(2+)对菌体生长的毒性最大;Mn~(2+),Pb~(2+),Ba~(2+)对菌株生长和喹啉降解影响不大,Zn~(2+)可促进菌株的生长和对喹啉的降解。(4)由于抗生素的广泛使用,导致土壤和水体中(包括工业污水)均出现抗生素的残留。探究了菌株Alcaligenes sp.WUST-qu在含喹啉(300 mg·L~(-1))的琼脂-MSM平板上培养时对在医疗和畜牧业生产中广泛使用的5种抗生素的抗性和在MSM中培养时对喹啉降解的影响。结果表明,菌株Alcaligenes sp.WUST-qu只对氨苄青霉素有抗性,而对链霉素,四环素,卡那霉素和氯霉素均高度敏感。在含有50μg·mL~(-1)青霉素的MSM中,在培养温度为35℃,摇床转速为150 rpm,MSM初始pH为7.0,菌株Alcaligenes sp.WUST-qu可在20 h内可将初始浓度为500 mg·L~(-1)的喹啉降解到检测不出的水平。(5)底物广谱性实验结果表明,菌株Alcaligenes sp.WUST-qu在经测试的21种工业污水中常见的污染物中,包括甲苯、对二甲苯、吡啶、吲哚、乙酸、邻苯二酚、正丙醇、异丙醇、甲酸、硝基苯、乙醚、乙苯、正己烷、苯酚、邻苯二甲酸二丁酯、二苯胺、邻甲酚、乙酸乙酯、丙酮、苯胺、乙醇,以在接入菌种72 h后菌体生物量增加一个数量级为判断菌株能否利用该碳源的依据,该菌株能够以苯酚、乙酸、正丙醇作为唯一碳源生长。探索了菌株在以苯酚为唯一碳源和能源时降解苯酚的特征,结果表明,在培养温度为35℃,摇床转速为150 rpm,MSM初始pH为8.0,接种量为5%(v/v)(OD_(600)=1.0),该菌株能在接种后32 h之内将初始浓度为700 mg L~(-1)的苯酚完全降解。(6)采用Haldane动力学方程对菌体的生长动力学进行表征。通过对指数生长期的生物质浓度与培养时间的半对数作图做线性最小二乘回归,拟合出菌体的比生长速率。将菌株的比生长速率与对应的底物浓度进行非线性最小二乘拟合得到Haldane方程中的生长动力学参数如下:μ_m=1.6576 h~(-1),K_s=36.42 mg·L~(-1),K_i=81.418 mg·L~(-1),R~2=0.968。在喹啉浓度小于500 mg·L~(-1)时,菌株对喹啉的降解符合零级动力学。(7)采用GC-MS对菌株Alcaligenes sp.WUST-qu降解喹啉过程中的中间产物进行了监测,检测到2-羟基喹啉的存在;喹啉氮除了用作菌体生长所需要的氮外,主要以NH_4~+-N的形式释放,在培养液中添加外源电子供体如草酸有利于NH_4~+-N的进一步转化。
【学位授予单位】：武汉科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X172;X703

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