PNSB处理食品加工废水的高价值物质合成及影响因子研究

发布时间：2020-05-23 16:12

【摘要】：有机废水的光合细菌(PSB)处理技术,不仅可以有效去除废水中的有机污染物,同时还能回收菌体蛋白、类胡萝卜素和5-氨基乙酰丙酸(ALA)等高价值物质,得到了广泛关注和研究。然而,以PSB处理食品加工废水时,普遍存在污染物去除率不理想,菌体产量及类胡萝卜素、ALA等高价值物质产率不高等不足,阻碍了PSB技术在废水处理领域的推广和应用。本文在对多株紫色非硫细菌(PNSB)的生长和次级代谢产物合成进行比较和优选的基础上,分别以Rhodopseudomonas palustris(Rp.palustris)和Rhodobacter sphaeriodes(Rb.sphaeriodes)构建了以食品加工废水为基质的类胡萝卜素和ALA生物合成系统,通过批式培养和连续流培养方式研究了关键因素的影响,优化了控制参数,并基于能量代谢和物质合成途径,从分子水平探讨了关键因子调控PNSB处理废水的生物学机制。研究结果表明,以PNSB处理食品加工废水同时生产类胡萝卜素或ALA的技术是可行的。在受试的4个菌种中,Rp.palustris合成类胡萝卜素的能力最强,而Rb.sphaeriodes更适合用于ALA的生产;培养Rp.palustris和Rb.sphaeriodes的最佳基质分别为有机挥发酸生产废水和大豆蛋白生产废水。Rp.palustris和Rb.sphaeriodes的生长可采用Logistic模型进行模拟和预测,而对类胡萝卜素和ALA合成过程的模拟和预测则以Luedeking Piret模型为好。从PNSB-活性污泥混合培养系统中筛选到6株芽孢杆菌(Bacillus sp.),它们均对Rp.palustris和Rb.sphaeriodes的生长和类胡萝卜素或ALA的合成有促进作用,其中以菌株L2的效果最为明显,可以用作PNSB生长和物质合成的促进菌剂。Mg~(2+)、光强和光周期、pH和适宜的附加菌剂都可对Rp.palustris的类胡萝卜素合成产生显著影响。在Mg~(2+)浓度15 mmol/L、5000 lux、光照和黑暗时间比4:2、p H 8.0和菌剂剂量40μL/L等条件下,Rp.palustris以有机挥发酸生产废水为基质的菌体产量和类胡萝卜素产率分别可达3.90 g/L和4.83mg/g-DCW。功能基因分析表明,Mg~(2+)是通过调控crt基因表达而影响类胡萝卜素产率的,而附加菌剂可以通过抑制过氧化物酶活性对类胡萝卜素产率产生促进作用。光照过强,会抑制PNSB生长,一定的黑暗刺激则有利于类胡萝卜素的合成。p H在一定范围内的升高,可将生物合成系统的氧化还原电位(ORP)控制在较低水平,有利于类胡萝卜素的合成。对Rb.sphaeriodes合成ALA的研究表明,Fe~(2+)、合成底物(琥珀酸、甘氨酸和葡萄糖)和附加菌剂是影响ALA合成的关键因子,在Fe~(2+)浓度400μmol/L、3000 lux、菌剂剂量40μL/L,以及琥珀酸、甘氨酸和葡萄糖分别为8.56、5.06和7.82 mmol/L等条件下,Rb.sphaeriodes以大豆蛋白生产废水为基质的菌体产量和ALA产率分别可达4.02 g/L和15.86 mg/g-DCW。Fe~(2+)的调控机制与ALA生物合成途径中的关键酶活性、ATP产率及关键功能基因的表达有关。在批式培养和机制探讨的基础上,以Rp.palustris和Rb.sphaeriodes分别构建了连续流食品加工废水生物处理系统,分别用于有机挥发酸生产废水和大豆蛋白生产废水的处理,以及类胡萝卜素和ALA的生物合成。结果表明,对于由Rp.palustris构建的连续流生物处理系统,在HRT 48 h、有机负荷(OLR)2.51 g/L/d、Mg~(2+)浓度15 mmol/L、5000 lux、光照和黑暗时间比4:2、p H 7.0左右和菌剂剂量40μL/L的条件下,对废水的COD去除率平均为85.7%,可获得1.36 g-DCW/L/d的菌体产率和5.32 mg/L/d左右的类胡萝卜素合成速率产率,类胡萝卜素产率达到了3.92 mg/g-DCW。以Rb.sphaeriodes构建的处理大豆蛋白生产废水系统,在HRT 60 h、OLR 2.48 g/L/d、Fe~(2+)浓度400μmol/L、3000 lux、菌剂剂量40μL/L等条件下,COD平均去除率高达89.5%,菌体产率和ALA合成速率可分别稳定在1.06 g-DCW/L/d和7.86 mg/L/d左右,ALA产率平均为7.40 mg/g-DCW。
【图文】：

经过（37℃温浴 5 min，42℃温浴 60 min，70℃温浴 10 min）后终止反应。将上述产物置于-20℃保藏备用。2.3.5.3 实时定量 PCR 基因表达分析构建反应体系：10 μL SYBR Green qPCR 混合物（Taq DNA 聚合酶，dNTP，MgCl2和 SYBR Green I 染料），1 μL 正向引物，1 μL 反向引物，1 μLcDNA 模板和 7 μL 去 RNA 酶 ddH2O。于实时荧光定量 PCR 仪（StepOne plus型，美国 ABI 公司）95℃预变性 2 min，接 40 个循环，，每个循环包括 95℃变性 10 s，60℃退火/延伸 40 s。目的基因扩增曲线和熔解曲线如图 2-3 所示。各目的基因的引物信息见表 2-9。2.3.5.4 基因表达水平的计算方法实时定量 PCR 采用比较 Ct法（ Ct）计算基因表达量，以 16S rRNA 基因为内参基因，未处理样品作对照。目标基因表达的变化（诱导率）通过未处理样本的差异倍数来表示。相对表达量计算公式如下：相对表达量 - -( -[( (2 2 2t t t t t t t C C C C C C C 处理- 对照） 处理- 内参）- 对照- 内参)]（2-6）

第 2 章 试验L 为 DNA 与载体连接片段长度，bp；D 为转换因子，总碱基对 650。将标准品按梯度稀释后，制作标标准曲线及熔解曲线分别如图 2-4 和 表 2-11 总细菌和 PNSB 目Table 2-11 Summary of standard curves for p目标菌 模板 标准方程总细菌 质粒 Y = -3.99447 x + 44.6342PNSB 质粒 Y = -3.74983 x + 42.0315(a)
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X792


本文编号：2677614