复合微生物处理黄连素废水的机理研究

发布时间：2020-03-26 13:58

【摘要】：黄连素是一种具有广谱抗菌性的药物,由于其大量生产和使用,导致大量含有黄连素的废水排入放到环境中,对生态系统造成极大的威胁。针对黄连素废水生化性差难以生物处理的问题,本研究从黄连素综合废水处理系统的活性污泥中分离、筛选并培养出10支对其具有高效降解能力的细菌菌株,经镜检、理化性质鉴定以及生物学16S rDNA菌种鉴定确定菌株的身份信息。以黄连素为主要目标污染物,分别探究不同菌株对黄连素的降解能力,通过正交试验,确定并构建针对黄连素的高效复合菌群BDCM,并优化降解条件参数,以实现黄连素的高效降解。为深入探索黄连素在BDCM作用下的降解机制和微生物的作用机制,采用了代谢组学和蛋白质组学相结合的方式进行协同研究。本研究得出主要结论如下:从黄连素废水处理系统的活性污泥中分离纯化得到10支细菌,经鉴定确定其分别为:A1:Citrobacter freundii,A2:Bacillus oleronius,A12:Bacillus endophyticus,B1:Stenotrophomonas maltophilia,B2:Bacillus pumilus,B4:Bacillus cereus,B7:Stenotrophomonas sp.,B16:Sphingopyxis macrogoltabida,B17:Ochrobactrum sp.。当黄连素初始浓度在0-20mg·L~(-1)范围内,去除效率最高的单菌株是B16。以黄连素为主要目标污染物构建复合微生物菌群BDCM,BDCM由菌株A2、A3、B1、B4、B16及B17组成,各菌株间比例为1:1:1:1:1:1。在25℃,pH 7,150 rpm,10%的微生物接种量的最佳条件下,BDCM降解初始浓度为40mg·L~(-1)的黄连素溶液。在48 h内,黄连素、TOC的去除率分别达到100%、87%,急性生物毒性从-98%减弱至-2%。黄连素初始浓度在0-80 mg·L~(-1)范围内,BDCM对黄连素的降解过程符合零级反应动力学模型,经Haldane抑制模型拟合,得出Vmax=40.44 mg(g MLSS·h)~(-1),Km=61.86 mg·L~(-1),Ki=21.23 mg·L~(-1),计算结果与实验结果拟合良好。实时荧光定量PCR监测BDCM降解黄连素过程中各菌株的表达量变化,结果显示A2、A3和B4细菌丰度变化较大,其次是B1和B17,B16在降解过程中细菌丰度保持平稳。菌株B17、A3和B4的丰度在降解反应前后呈上升趋势,推断在降解过程中,存在黄连素的某些中间代谢产物促进其生长。菌株A2和B1的丰度在反应前后略有下降,推断其对黄连素的中间代谢产物的利用能力不如前者。成功建立了BDCM对黄连素的代谢组学研究方法。共筛选出288个潜在差异代谢物,检测其为细胞内溶物质、细胞代谢物及部分黄连素代谢产物。确定了代谢物中的4种为黄连素的中间代谢产物,分别为13,13a-二氢-9,10-二甲氧基-2,3-(亚甲二氧基)-甲基吡啶;3-[苯并1,3二氧杂环戊烷]-7,8二甲氧基-6,7,8,9四氢-2(3H)-萘酮;2,3-二甲氧基苯甲醛;3,4-二甲氧基苯甲醛,并由此推测出BDCM作用下的黄连素降解途径。成功建立了BDCM对黄连素的非标记蛋白组学研究方法,解析了蛋白在复合菌群中降解黄连素的表达模式及调控机理。BDCM降解黄连素的蛋白质组学分析表明:在“1%FDR”过滤标准下,共检测出6160条肽段和4769个蛋白,明确了黄连素降解过程中产生的蛋白质及其基本信息。蛋白的GO注释显示,其中35.88%的蛋白具有调控基因的分子功能,25%的蛋白参与细胞组分的构成,另外39.12%的蛋白则主导参与生物过程。KEGG通路信息显示,蛋白参与最多的前三类生物过程分别是抗生素的生物合成、碳代谢和核糖体代谢功能,证明了BDCM可以利用黄连素作为碳源和能源进行正常的生物活动。在FC3.00,T检验P-value0.05的标准下共筛选出1352个差异表达蛋白,其中346个归属于BDCM。BDCM中存在上调差异蛋白135个,下调差异蛋白211个,其中B1:Stenotrophomonas maltophilia菌属在代谢过程中发挥主要的协调作用。
【图文】：

1.1.1 抗生素废水污染现状抗生素是微生物（包括细菌、真菌、放线菌属）代谢产生或人工合成的具抗病原体或其他活性的代谢产物，能在低微浓度下有选择地抑制或影响细胞和物体机能 (Manzetti and Ghisi, 2014)。目前，常见的抗生素主要分为四环素类喹诺酮类、磺胺类、大环内酯类、β-内酰胺类和氨基糖苷类等。随着制药行业快速发展，原料药和药品制剂生产企业在不断增加，生产药剂的种类及产量均速增长。近年来，抗生素被广泛地应用于人类感染性疾病的控制中，还可作为药物添加剂等应用于畜禽水产的养殖，以及投入农业病害的防治中，在各行业中都挥了极大的作用。环境中人用和兽用抗生素的来源和主要污染途径，，如下图所示

图 1-2 黄连素分子结构式Fig.1-2 Molecular formula of berberine黄连素是一种从多种药用植物中分离出异喹啉季铵盐，是我国应用很久可从黄连、黄柏和三颗针等植物中提取，或者通过化学方法合成，并作生素应用于多种疾病的防治中，具有显著的抑菌作用 (Wojtyczka)。细菌临床上主要应用于肠道感染，如胃肠炎。但是随着科学深入的研它的功能效果远不止这些。根据我国学者去年在近几年发表的文章，经的黄连素可以在多个方面对多种病症具有不同的作用机制。目前正在研是否可以用于治疗心律失常、糖尿病 (Dongetal.,2012)、高脂血症 (D013)、炎症 (Wang et al., 2017) 和癌症。黄连素具有抗心律失常作用。
【学位授予单位】：中国地质大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X787

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 ;第六届中国蛋白质组学大会在我市召开[J];泰州科技;2009年08期

2 徐哲;李佳霄;徐琳娜;贺花;杨鹏;雷初朝;陈宏;黄永震;;蛋白质组学技术在畜禽遗传育种中的应用与展望[J];中国牛业科学;2018年06期

3 常蕾;王琰;;第十届中国蛋白质组学大会成功召开[J];生命的化学;2019年01期

4 魏东阳;;蛋白质组学及其应用研究[J];现代商贸工业;2019年16期

5 王彦青;韩菲;;蛋白质组学研究热点及展望[J];中学生物教学;2006年03期

6 周倩;朱宏建;;蛋白组学教学内容与教学方式的改革初探[J];课程教育研究;2017年10期

7 彭昌文;蛋白质组学研究进展[J];中学生物教学;2003年03期

8 陈龙;蛋白质组学[J];生物学教学;2000年11期

9 黄毅;万瑛;;第三军医大学第二届蛋白质组学和代谢组学论坛会讯[J];第三军医大学学报;2016年22期

10 田瑞军;;蛋白质组学专刊序言[J];生命的化学;2017年01期

相关会议论文 前10条

1 罗琦;刘凤斌;廖荣鑫;;蛋白质组学与中医病、证的相关性[A];中华中医药学会脾胃病分会第十九次全国脾胃病学术交流会论文汇编[C];2007年

2 李克;苟黎明;邵小宝;朱慧;;蛋白质组学研究中高丰度蛋白去除方法的研究进展[A];中华医学会第八次全国检验医学学术会议暨中华医学会检验分会成立30周年庆典大会资料汇编[C];2009年

3 李伽诺;姜子涛;李荣;;二氧化钛在磷酸蛋白质组学研究中的应用[A];2009食品科技(北京)论坛会议指南[C];2009年

4 李学任;魏路清;;蛋白质组学技术在肺部疾病应用及进展[A];中华医学会第三届全国间质性肺病暨弥漫性泛细支气管炎学术会议论文汇编[C];2010年

5 张薇;杨拴盈;尚文丽;刘晓丽;周丹菲;蒋梅花;;定量蛋白质组学研究肺腺癌细胞及正常支气管上皮细胞线粒体[A];中华医学会第五届全国胸部肿瘤及内窥镜学术会议论文汇编[C];2011年

6 李学军;;蛋白质组学—药物发现的新途径[A];中国药理学会第八次全国代表大会论文摘要集（第一部分）[C];2002年

7 曾嵘;夏其昌;;蛋白质组学的国内外进展[A];华东六省一市生物化学与分子生物学会2003年学术交流会论文摘要集[C];2003年

8 曾嵘;夏其昌;;蛋白质组学研究的一些体会[A];中国蛋白质组学首届学术大会论文摘要集[C];2003年

9 郝佩;刘琪;黄音;林建;杨少友;李亦学;;整合的蛋白质组学数据分析系统[A];中国蛋白质组学首届学术大会论文摘要集[C];2003年

10 梁宋平;张丽军;柳亦松;曹锐;谢锦云;;细胞质膜蛋白质组学研究方法与应用[A];中国蛋白质组学首届学术大会论文摘要集[C];2003年

相关重要报纸文章 前10条

1 路秀广;“不安分”的逐梦者[N];科学时报;2011年

2 吴志军　沈基飞;唱响东方红 再揽九天月[N];科学时报;2011年

3 李吉亮;何大澄：“享受探索,享受奋斗”[N];科学时报;2011年

4 本报记者 孟婧 通讯员 姜晨 王雅怡;“化学蛋白质组学”新技术前景可观[N];江苏科技报;2019年

5 本报记者 潘锋;中国蛋白质组学面临的机遇和挑战[N];科学时报;2010年

6 本报记者 李惠钰;蛋白质组学精准打击“癌症之王”[N];中国科学报;2019年

7 记者 付东红 通讯员 李紫艺;单细胞蛋白质组学研究获突破[N];健康报;2018年

8 本报记者 白毅 通讯员 沈基飞;行进在蛋白质组学的“登月之旅”[N];中国医药报;2014年

9 通讯员 吴志军 王来国;“人类重大疾病的蛋白质组学研究”项目启动[N];光明日报;2002年

10 本报记者 李雪墨;专家看好蛋白质组学研究[N];中国高新技术产业导报;2002年

相关博士学位论文 前10条

1 刘诗月;复合微生物处理黄连素废水的机理研究[D];中国地质大学(北京);2019年

2 刘洋;2型糖尿病大鼠肾脏蛋白质组学改变及早期肾小管间质损伤机制的研究[D];中国人民解放军医学院;2018年

3 曹雪妍;不同泌乳期人乳与牛乳乳清和乳脂肪球膜N-糖蛋白质组学差异研究[D];沈阳农业大学;2019年

4 吕玉金;致脑膜炎大肠杆菌感染脑微血管内皮细胞的蛋白质组学研究[D];华中农业大学;2019年

5 闫起;六味地黄丸对20月龄小鼠代谢/蛋白质组学影响的实验研究[D];黑龙江中医药大学;2019年

6 杨帆;不同病因导致的股骨头缺血性坏死的形态学和蛋白质组学分析[D];上海交通大学;2018年

7 孙欣;鸭坦布苏病毒感染细胞蛋白质组学分析及DDX3X对复制的影响[D];华中农业大学;2017年

8 郭金菊;辣椒细胞质雄性不育花药的蛋白质组学分析及CaSEP5基因的功能分析[D];中国农业大学;2018年

9 周毛天;通过定量蛋白质组学研究细菌病原体蛋白MgtC功能以及宿主对SeV病毒感染的应答[D];武汉大学;2015年

10 张勤;基于转录组学、蛋白质组学和代谢组学技术探讨天疱疮发病机制的研究[D];安徽医科大学;2018年

相关硕士学位论文 前10条

1 TONNY MARAGA NYONG'A;两种非洲水稻响应盐胁迫的比较蛋白质组学和磷酸化蛋白质组学分析[D];中国科学院大学(中国科学院武汉植物园);2019年

2 刘美慧;莲子抗老化机制的蛋白质组学研究[D];中国科学院大学(中国科学院武汉植物园);2019年

3 李红杰;集成化糖蛋白质组学方法的发展[D];哈尔滨工业大学;2019年

4 吴婧;千金文武汤干预糖尿病肾病模型的蛋白质组学和代谢组学研究[D];延边大学;2019年

5 何勇;慢性社会挫败应激小鼠海马蛋白质组学的初步研究[D];重庆医科大学;2019年

6 夏季;应用SILAC定量蛋白质组学研究23乙酰泽泻醇B的抗肿瘤机制及核受体Nur77对线粒体活性的影响[D];厦门大学;2017年

7 Anum Safdar;利用蛋白质组学技术研究流行性乙型脑炎病毒感染的致病机制[D];中国农业科学院;2019年

8 饶希午;基于蛋白质组学的消癌解毒方干预肝癌大鼠的作用机制研究[D];南京中医药大学;2019年

9 陈佩茹;HBs转基因小鼠引发肾炎的定量蛋白质组学研究[D];河北大学;2019年

10 宋婷婷;口腔宏蛋白质组学数据分析工作流的建立及其在牙周炎研究中的应用[D];河北大学;2019年

本文编号：2601538