【摘要】 毛發(fā)酸解法提取氨基酸產(chǎn)生的污水是較難處理的工業(yè)污水之一，然而此類污水中又含有很多寶貴的資源。本研究利用高鹽毛發(fā)酸解液污水生產(chǎn)飼用酵母，將污水中的資源轉(zhuǎn)化為菌體蛋白，既回收大量有用物質(zhì)，同時使污水達排放標準。首先，研究選用了5種微生物菌體吸附污水中的重金屬離子。結(jié)果冬蟲夏草菌對Cr吸附率最高，達96.4%，可使重金屬達排放標準。其次，探索了物理化學、生物吸附法去除污水中的色素及Cl-。結(jié)果色素可被有效吸附，活性炭對其吸附率達66.2%。接著，選取12種飼料生產(chǎn)菌進行耐鹽性馴化篩選，結(jié)果產(chǎn)朊假絲酵母能在N含量4.8%(w/v)的污水培養(yǎng)基中生長，在N含量3.2%(w/v)的污水培養(yǎng)基中形成菌落僅需2d。對其進行培養(yǎng)條件優(yōu)化，結(jié)果為：培養(yǎng)時間3d，裝液量50mL/250mL三角瓶，初始pH5.5，污水N含量3.2%(w/v)，玉米淀粉(酶解液)11%(w/v)，K2HPO42.0%(w/v)，酵母粉0.9%(w/v)，F(xiàn)eSO40.2%(w/v)，MgSO40.9%(w/v)，CaCO30.2%(w/v)，菌體得率達4.1%(w/v)，較優(yōu)化前提高了128.7%。發(fā)酵后，污水中N含量降低了23.3%。說明產(chǎn)朊假絲酵母利用了污水中的部分營養(yǎng)成分，大大降低了飼用產(chǎn)朊假絲酵母的發(fā)酵成本，同時也減小了污水處理難度。最后，我們另從高鹽環(huán)境中篩選到一株能在污水培養(yǎng)基中生長的酵母菌，用分子生物學方法鑒定為飼用漢遜德巴利酵母(Debaryomyces hansenii)。經(jīng)馴化后該菌能在N含量4.8%(w/v)的污水培養(yǎng)基中生長，在N含量3.2%(w/v)的污水培養(yǎng)基中形成菌落僅需1d。對其進行培養(yǎng)條件優(yōu)化，結(jié)果為：裝液量50mL/250mL三角瓶，初始pH5.0，種齡4d，培養(yǎng)時間5d，接種量10%(w/v)，污水N含量3.2%(w/v)，玉米淀粉(酶解液)7%(w/v)，KH2PO41.5%(w/v)，酵母粉0.3%(w/v)，F(xiàn)eSO40.6%(w/v)，MgSO40.5%(w/v)，CaCO30.2%(w/v)，菌體得率達4.9%(w/v)(相當于N含量9.67%(w/v)的高鹽污水可轉(zhuǎn)化成14.7%(w/v)的飼用菌體)，較優(yōu)化前提高了48.5%。發(fā)酵后，毛發(fā)酸解液污水N含量降低了82.3%，達到了較好的處理效果。 

第 1 章 緒 論

 

1.1 我國水污染現(xiàn)狀

據(jù)調(diào)查，世界上能喝到安全飲用水的人不到 30%，每天約有 2.5 萬人死于與水污染相關(guān)的疾病[1]。預(yù)計到 2050 年，世界上會有約 70 億人面臨缺水的問題[2]。2011年我國水資源總量[3]為 23256.7 億 m3，為 1956 年以來最少的一年。人口數(shù)量的增長、農(nóng)藥噴灑、工業(yè)廢水的亂排亂放等，造成了淡水資源的加劇短缺。工業(yè)污水為水污染的主要來源之一[3]，占污水排放總量的 32.3%。但是這只是官方統(tǒng)計數(shù)據(jù)，實際上，其排放量大大超過此數(shù)值[4]，因為許多企業(yè)工業(yè)污水排放量難以統(tǒng)計。

 

1.2 氨基酸廠廢水特點

 

氨基酸工業(yè)污水有機物含量高、氨氮含量高、鹽分高、酸性強，處理難度較大[5-7]。目前，生產(chǎn)氨基酸的企業(yè)大部分用強酸酸解人或動物的毛發(fā)，生產(chǎn)氨基酸單體工藝流程見圖 1.1。呂墩氨基酸廠用毛發(fā)酸解法提取氨基酸的污水成分和理化性質(zhì)參見表 1.1、表 1.2。

 

第 2 章 菌體吸附法去除毛發(fā)酸解液污水中重金屬的研究

 

2.1 引言
重金屬毒性大，在環(huán)境中不易被代謝，而且可以通過食物鏈被生物富集和生物放大[50-52]，一旦未經(jīng)處理排放到自然界中，將極大地破壞生態(tài)系統(tǒng)，嚴重威脅水生生物的生存和人類的健康。本實驗選用啤酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)、根霉(Rhizopus)、毛霉(Mucor)、白地霉(Geotrichum candidum)、冬蟲夏草菌(Cordyceps sinensis)這 5 種吸附重金屬能力較強的菌[53-57]，吸附污水中的 Pb、As、Hg、Cd、Cr。由于呂墩氨基酸廠污水中只有 Cr 超過了污水排放標準，因此，實驗選取 Cr 為檢測標準，篩選出重金屬高效吸附菌。

 

2.2 實驗材料

2.2.1 菌種

2.2.1.1 啤酒酵母(Saccharomyces cerevisiae) CICC 31362

2.2.1.2 冬蟲夏草菌(Cordyceps sinensis) CCTCC AF99009

2.2.1.3 根霉(Rhizopus) 湖北工業(yè)大學發(fā)酵工程教育部重點實驗室
2.2.1.4 毛霉(Mucor) 湖北工業(yè)大學發(fā)酵工程教育部重點實驗室

2.2.1.5 白地霉(Geotrichum candidum) CICC 32260

2.2.2 主要儀器與設(shè)備

 

第 3 章 物理化學、生物吸附法處理毛發(fā)酸解液污水的研究.....14

3.1 引言.............................................................................14

3.2 實驗材料...................................................................... 14

3.2.1 菌種 ......................................................................... 14

3.2.2 主要儀器與設(shè)備...........................................................14

3.2.3 主要試劑 ................................................................... 15

3.2.4 溶液及培養(yǎng)基.............................................................. 15

3.3 實驗方法........................................................................ 16

3.3.1 色度檢測 .....................................................................16

3.3.2 Cl-檢測.........................................................................16

3.3.3 冬蟲夏草菌的制備........................................................ 16

3.3.4 冬蟲夏草菌處理毛發(fā)酸解液污水.....................................16

3.3.5 活性炭處理毛發(fā)酸解液污水............................................16

3.3.6 殼聚糖處理毛發(fā)酸解液污水............................................17

3.3.7 聚丙烯酰胺處理毛發(fā)酸解液污水..................................... 17

3.4 結(jié)果與分析.......................................................................17

3.4.1 Cl-標準曲線....................................................................17

3.4.2 冬蟲夏草菌處理毛發(fā)酸解液污水效果.................................18

3.4.3 活性炭處理毛發(fā)酸解液污水效果........................................18

3.4.4 殼聚糖處理毛發(fā)酸解液污水效果....................................... 20

3.4.5 聚丙烯酰胺處理毛發(fā)酸解液污水效果..................................20

3.5 結(jié)論................................................................................... 20

第 4 章 利用高鹽毛發(fā)酸解液污水生產(chǎn)飼用產(chǎn)朊假絲酵母的研究......21

4.1 引言.................................................................................... 21

4.2 實驗材料.............................................................................. 21

4.2.1 實驗菌種 ...........................................................................21

4.2.2 主要儀器與設(shè)備................................................................. 22

4.2.3 主要試劑 .......................................................................... 22

4.2.4 溶液及培養(yǎng)基......................................................................23

4.3 實驗方法.............................................................................. 24

4.3.1 玉米淀粉預(yù)處理.................................................................. 24

4.3.2 還原糖檢測..........................................................................24

4.3.3 菌種篩選 ........................................................................... 24

4.3.4 菌種馴化 ........................................................................... 24

4.3.5 紫外誘變 ............................................................................ 24

4.3.6 種子培養(yǎng) ............................................................................ 25

4.3.7 生長曲線的測定.................................................................... 25

4.3.8 裝液量對高耐鹽菌株生長的影響............................................. 25

4.3.9 初始 pH 對高耐鹽菌株生長的影響............................................26

4.3.10 培養(yǎng)基成分優(yōu)化................................................................... 26

4.3.11 高耐鹽菌株處理毛發(fā)酸解液污水效果...................................... 26

4.4 結(jié)果與分析................................................................................26

4.4.1 還原糖標準曲線...................................................................... 26

4.4.2 菌種篩選結(jié)果.......................................................................... 27

4.4.3 菌種馴化結(jié)果........................................................................... 27

4.4.4 紫外誘變結(jié)果........................................................................... 27

4.4.5 產(chǎn)朊假絲酵母生長曲線的測定.................................................... 29

4.4.6 裝液量對產(chǎn)朊假絲酵母生長的影響...............................................29

4.4.7 初始 pH 對產(chǎn)朊假絲酵母生長的影響........................................... 30

4.4.8 培養(yǎng)基成分優(yōu)化......................................................................... 30 

4.4.9 產(chǎn)朊假絲酵母處理毛發(fā)酸解液污水效果........................................ 36

4.5 結(jié)論..............................................................................................37

第 5 章 利用高鹽毛發(fā)酸解液污水生產(chǎn)飼用漢遜德巴利酵母的研究............38

5.1 引言............................................................................................. 38

5.2 實驗材料...................................................................................... 38

5.2.1 實驗菌種 ....................................................................................38

5.2.2 主要儀器與設(shè)備.......................................................................... 38

5.2.3 主要試劑 ................................................................................... 39

5.2.4 引物 .......................................................................................... 40

5.2.5 溶液及培養(yǎng)基.............................................................................. 40

5.3 實驗方法........................................................................................ 41

5.3.1 玉米淀粉預(yù)處理........................................................................... 41

5.3.2 還原糖檢測.................................................................................. 41

5.3.3 菌種篩選..................................................................................... 41

5.3.4 菌種馴化 ......................................................................................41

5.3.5 高耐鹽酵母菌的分子生物學鑒定..................................................... 41

5.3.6 種子培養(yǎng) ..................................................................................... 43

5.3.7 生長曲線的測定............................................................................. 43

5.3.8 裝液量對耐鹽酵母菌生長的影響.......................................................44

5.3.9 初始 pH 對耐鹽酵母菌生長的影響................................................... 44

5.3.10 種齡、搖瓶發(fā)酵時間及接種量的優(yōu)化.............................................. 44

5.3.11 培養(yǎng)基成分優(yōu)化............................................................................ 44

5.4 結(jié)果與討論........................................................................................ 45

5.4.1 還原糖標準曲線繪制........................................................................ 45

5.4.2 篩選馴化結(jié)果.................................................................................. 45

5.4.3 分子鑒定結(jié)果................................................................................... 46

5.4.4 生長曲線的測定................................................................................ 52

5.4.5 裝液量對漢遜德巴利酵母生長的影響................................................... 52

5.4.6 初始 pH 對漢遜德巴利酵母生長的影響................................................ 52 

5.4.7 種齡、搖瓶發(fā)酵時間及接種量正交試驗結(jié)果......................................... 53

5.4.8 培養(yǎng)基成分優(yōu)化................................................................................. 54

5.4.9 漢遜德巴利酵母處理毛發(fā)酸解液污水效果............................................. 55

5.5 結(jié)論..................................................................................................... 56

 

第 5 章 利用高鹽毛發(fā)酸解液污水生產(chǎn)飼用漢遜德巴利酵母的研究

 

5.1 引言

采集高鹽環(huán)境的水樣、土樣，培養(yǎng)于高濃度毛發(fā)酸解液污水培養(yǎng)基中，以期篩選出對高鹽污水具有高耐受力的優(yōu)勢飼用酵母菌株，將氨基酸轉(zhuǎn)化為菌體蛋白，降低污水中的 N 含量，凈化污水的同時，做到廢物回收再利用。本章從高鹽環(huán)境中篩選出的酵母菌, 再通過連續(xù)馴化培養(yǎng)進一步提高其耐鹽能力，獲得一株高耐鹽酵母菌。運用了分子生物學方法，檢測與分析從高鹽環(huán)境中篩選出的酵母菌的 18SrDNA、26S rDNA 及 ITS 序列，鑒定其為可飼用的漢遜德巴利酵母，隨后探索其最優(yōu)生長條件，大幅提高其了對污水中氮源的利用能力。

 

5.2 實驗材料

5.2.1 實驗菌種大腸桿菌 Top 10 湖北工業(yè)大學發(fā)酵工程教育部重點實驗室

 

第 6 章 結(jié)論及展望

 

6.1 結(jié)論

⑴ 研究用 5 種微生物菌體吸附毛發(fā)酸解液污水中的微量重金屬離子。結(jié)果冬蟲夏草菌對 Cr 吸附率最高，達 96.4%，可使重金屬達排放標準。⑵ 探究物理化學、生物吸附法去除污水中的色素及 Cl-。結(jié)果冬蟲夏草菌、活性炭、聚丙烯酰胺及殼聚糖均不能有效去除高濃度 Cl-；活性炭吸附色素的效果較好，吸附率達 66.2%。⑶ 選取 12 種飼料生產(chǎn)菌進行耐鹽性馴化篩選，結(jié)果產(chǎn)朊假絲酵母能夠在 N含量為 4.8% (w/v)的污水培養(yǎng)基中生長，在 N 含量為 3.2% (w/v)的污水培養(yǎng)基中 2d 即可長出菌落。對產(chǎn)朊假絲酵母的培養(yǎng)條件進行優(yōu)化，結(jié)果為：培養(yǎng)時間 3 d，裝液量 50 mL/250 mL 三角瓶，初始 pH5.5，污水 N 含量 3.2% (w/v)，玉米淀粉(酶解液)11% (w/v)，K2HPO42.0% (w/v)，酵母粉 0.9% (w/v) ，F(xiàn)eSO40.2% (w/v)，MgSO40.9% (w/v)，CaCO30.2% (w/v)。在此條件下，菌體得率可達 4.1% (w/v)，較優(yōu)化前提高了 128.7%。經(jīng)產(chǎn)朊假絲酵母發(fā)酵后，污水 N 含量降低了 23.3%；添加的 11%(w/v)玉米淀粉酶解液經(jīng)微生物部分吸收，部分分解后，上清還原糖仍有 3.78%(w/v)。⑷ 進一步從高鹽環(huán)境中篩選鑒定到一株能在高濃度污水培養(yǎng)基中生長的漢遜德巴利酵母。經(jīng)馴化，該菌能在 N 含量為 4.8% (w/v)的污水培養(yǎng)基中生長，在 N含量為 3.2% (w/v)的污水培養(yǎng)基中長出菌落僅需 1 d。其培養(yǎng)條件優(yōu)化結(jié)果為：培養(yǎng)時間 5 d，裝液量 50 mL/250 mL 三角瓶，初始 pH5.0，種齡 4 d，接種量 10% (w/v)，污水 N 含量 3.2% (w/v)，玉米淀粉酶解液 7% (w/v)，KH2PO41.5% (w/v)，酵母粉0.3% (w/v)，F(xiàn)eSO40.6% (w/v)，MgSO40.5% (w/v)，CaCO30.2% (w/v)。在此條件下，菌體得率可達 4.9% (w/v)，較優(yōu)化前提高了 48.5%。經(jīng)發(fā)酵后，污水中的含 N量降低了 82.3%；還原糖殘留量 3.09% (w/v)。同產(chǎn)朊假絲酵母相比，漢遜德巴利酵母培養(yǎng)基中添加的營養(yǎng)物質(zhì)更少，成本更低，而且對污水中的 N 源利用率更高，處理效果更好。

 

參考文獻:

• [1] 湛方棟,何永美,祖艷群,李濤,趙之偉.  絲狀真菌耐受重金屬的細胞機制研究[J]. 云南農(nóng)業(yè)大學學報(自然科學). 2013(03)
• [2] 孫濤,張妮,伍海暉,王蔚然,王允紹,李曉暉.  殼聚糖-活性炭復合物吸附性能及抑菌性能研究[J]. 工業(yè)水處理. 2013(03)
• [3] 周克釗.  高濃度活性污泥法處理印染廢水為主的城鎮(zhèn)污水[J]. 中國給水排水. 2013(03)
• [4] 沈斌乾,陳建明,郭建林,潘茜,孫麗慧,葉金云.  飼料中添加枯草芽孢桿菌對青魚生長、消化酶活性和魚體組成的影響[J]. 水生生物學報. 2013(01)
• [5] 石淼.  淺談我國城市污水處理技術(shù)及發(fā)展[J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用. 2012(24)
• [6] 張偉,曾虹燕,楊永杰,肖華淼,魏英民,廖夢塵,徐圣.  Mg-Al水滑石的改性機理和吸附性能[J]. 材料研究學報. 2012(04)
• [7] 李蓉.  我國水污染防治對策研究[J]. 旅游縱覽(下半月). 2012(07)
• [8] 才曉泉,包朝龍.  氨基酸的基本類別和應(yīng)用[J]. 生物學教學. 2012(07)
• [9] 李國輝.  淺談電吸附工藝應(yīng)用于再生水生產(chǎn)過程中氯離子的去除[J]. 科技信息. 2012(19)
• [10] 朱洪濤,馬玉晶.  水滑石類材料在重金屬廢水治理中的應(yīng)用進展[J]. 水處理技術(shù). 2011(08)

本文編號：9584