本文關(guān)鍵詞： 鉻還原 對硝基酚降解 微生物燃料電池 生物傳感器　出處：《蘭州大學》2016年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：鉻[Cr(Ⅵ)]和對硝基酚(p-nitrophenol,PNP)是生產(chǎn)活動中廣泛使用的工業(yè)原料,常常隨著工業(yè)廢水的排放進入環(huán)境,由于其高毒、致突變和致癌的特性,嚴重威脅著環(huán)境和人類的健康。蘭州市西固區(qū)位于黃河蘭州段上游,是我國西北主要的工業(yè)基地之一,該區(qū)常年受各種重金屬和有機物的污染,當?shù)匚⑸锶郝溆泻軓姷闹亟饘俸陀袡C物抗性。但是目前對該地區(qū)Cr(Ⅵ)還原菌和PNP降解菌的分離篩選工作還鮮有報道。為了更好地開發(fā)該地區(qū)的微生物資源,挖掘出能夠還原Cr(Ⅵ)和降解PNP的功能菌株,本實驗在黃河蘭州段西固工業(yè)園區(qū)的一條排污渠采集土壤樣品,通過連續(xù)富集培養(yǎng)的方法分離篩選具有Cr(Ⅵ)還原能力和PNP降解能力的菌株,分別研究了該地區(qū)的優(yōu)勢鉻還原菌解毒Cr(Ⅵ)的機制;PNP降解菌的降解特性,并且在微生物燃料電池(Microbial fuel cell,MFC)中測試了其同時產(chǎn)電和降解PNP的應(yīng)用潛力,開發(fā)了一套便攜式需氧陽極微生物燃料電池型PNP生物傳感器;最后測試了2株鉻還原菌及其共培養(yǎng)物在微生物燃料電池的陽極去除廢水COD,在陰極去除Cr(Ⅵ)的能力。本實驗主要研究結(jié)果如下:1.通過3種不同的分離方法,共獲得了43株16屬具有鉻還原能力或?qū)ο趸咏到饽芰Φ木?它們分別屬于鏈霉菌屬(Streptomyces)、擬諾卡氏菌屬(Nocardiopsis)、諾卡氏菌屬(Nocardia)、纖維微菌屬(Cellulosimicrobium)、戈登氏菌屬(Gordonia)、無色桿菌屬(Achromobacter)、假單胞菌屬(Pseudomonas)、短狀桿菌屬(Brachybacterium)、紅球菌屬(Rhodococcus)、節(jié)桿菌屬(Arthrobacter)、白色桿菌屬(Leucobacter)、腸球菌屬(Enterococcus)、賴氨酸芽孢桿菌屬(Lysinibacillus)、芽孢桿菌屬(Bacillus)、棒桿菌屬(Corynebacterium)和產(chǎn)堿桿菌屬(Alcaligenes)。其中有11個屬隸屬于放線菌綱,因此在重金屬和有機物共同污染的地區(qū)放線菌可能是優(yōu)勢類群。2.在同批次篩選的Cr(Ⅵ)還原菌中,菌株LZ-26-1表現(xiàn)出了較強的Cr(Ⅵ)還原能力,通過16S r RNA序列分析,該菌株與Streptomyces violaceoruber(AB184174)的16S r RNA序列相似性為100%,我們將其命名為Streptomyces violaceoruber LZ-26-1。該菌株在淀粉-酪素(SC)液體培養(yǎng)基中144 h內(nèi)能將0.6 m M Cr(Ⅵ)還原92.86%。菌株還原Cr(Ⅵ)的最適溫度和p H分別是28℃和7.0。透射電鏡(TEM)和X-射線能量色散(EDX)分析結(jié)果表明,還原后的鉻在菌株細胞內(nèi)形成了Cr(Ⅲ)沉淀。靜息細胞和粗酶活性實驗結(jié)果表明,NADPH作為電子供體能促進菌株對Cr(Ⅵ)的還原,而Cd~(2+)抑制了該過程。在Cr(Ⅵ)脅迫下,菌株基因組中編碼硫氧還蛋白操縱子的基因(Trx A,Trx B和mem P)均獲得了不同程度的表達上調(diào)。因此,我們推測菌株LZ-26-1可能是通過硫氧還蛋白途徑還原Cr(Ⅵ)的。3.在同批次篩選的PNP降解菌中,菌株LZU-3對PNP的降解能力最強,通過16S r RNA序列分析,該菌株與Pseudomonas monteilii(AF064458)的16S r RNA序列相似性為99.8%,我們將其命名為Pseudomonas monteilii LZU-3。PNP降解特性結(jié)果表明,LZU-3是一株能夠耐受較高PNP濃度的高效PNP降解菌,接種量、p H、溫度和起始PNP的濃度是影響PNP降解效率的主要因素。10%的接種量、p H 8.0、30℃和外加50μM的Fe SO4.7H2O是菌株LZU-3在礦物鹽培養(yǎng)基(MS)中降解PNP的最優(yōu)條件。菌株LZU-3還能在高鹽和含有金屬離子的條件下降解PNP。共底物丙酮酸鈉、醋酸鈉、乳酸鈉、葡萄糖、甘露醇、甘氨酸和天冬酰胺均能促進菌株生長和其對PNP的降解,其中天冬酰胺的促進作用最明顯。MFC應(yīng)用結(jié)果表明,LZU-3是一株能夠在需氧條件下同時產(chǎn)電和降解PNP的菌株。曝氣能增加MFC的最大電壓(189 m V)和PNP的降解效率(20 mg l~(-1)h~(-1)),但是卻降低了MFC的庫倫效率。當PNP濃度在300 mg l~(-1)以內(nèi)時,菌株均能產(chǎn)電。循環(huán)伏安分析和掃描電鏡結(jié)果表明,菌株LZU-3可能是通過和電極直接接觸的方式傳遞電子的。丙酮酸鈉作為共底物對菌株的產(chǎn)電有一定的促進作用,但是卻抑制了PNP的降解。核黃素對菌株LZU-3產(chǎn)電沒有明顯的促進作用。本實驗第一次將一株需氧PNP降解菌株應(yīng)用到了MFC中,實現(xiàn)了對PNP同時降解和產(chǎn)電目的,為以后需氧或者兼性厭氧菌在MFC中的應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。4.本研究以需氧陽極MFC為基礎(chǔ),設(shè)計了一種便攜式的PNP監(jiān)測生物傳感器。該傳感器以需氧PNP降解菌LZU-3作為生物識別元素,以對硝基酚作為唯一底物,在實際PNP廢水監(jiān)測中表現(xiàn)出了極高的穩(wěn)定性、精確性和選擇性,為有毒、難降解污染物的實時、原位監(jiān)測提供了一種快速有效的方法。5.在同批次篩選的同時具有Cr(Ⅵ)還原能力和PNP抗性的菌株中,菌株LZU-26和LZU-47-1不僅可以在MFC中產(chǎn)電,而且對Cr(Ⅵ)的還原能力最強,通過16S r RNA序列分析,菌株LZU-26與Cellulosimicrobium cellulans(X83808)的16S r RNA序列相似性為99.64%;菌株LZU-47-1與Corynebacterium vitaeruminis(X84680)的16S r RNA序列相似性為99.64%。我們將這2株菌分別命名為Cellulosimicrobium cellulans LZU-26和Corynebacterium vitaeruminis LZU-47-1。本研究以糖蜜廢水作為MFC的底物,以菌株LZU-26、LZU-47-1及其共培養(yǎng)物分別作為陽極和陰極生物催化劑,在陽極去除廢水COD、陰極去除Cr(Ⅵ)的同時產(chǎn)生電能。實驗結(jié)果表明,將2株菌進行共培養(yǎng)能夠提高菌株對COD和Cr(Ⅵ)的去除能力以及MFC的產(chǎn)電能力。當廢水COD的濃度在400-8000mg l~(-1)時,共培養(yǎng)物MFC均能產(chǎn)電,800 mg l~(-1) COD是菌株產(chǎn)電的最佳COD濃度。以Cr(Ⅵ)作為MFC的陰極電子受體,以共培養(yǎng)物同時作為MFC陽極和陰極生物催化劑,當陰極Cr(Ⅵ)的濃度在10-20 mg l~(-1)時,增大Cr(Ⅵ)的濃度均能增加MFC對COD的去除率、電流密度以及Cr(Ⅵ)的還原率。本研究利用MFC技術(shù),在陽極去除有機物,陰極去除重金屬的同時產(chǎn)生電能,該研究對復合污染的綜合治理提供了一種經(jīng)濟可行的方法。
[Abstract]:Chromium ( 鈪，

本文編號：1546667