我國是沼氣生產(chǎn)大國,沼液的處理及利用一直是制約沼氣工業(yè)發(fā)展的瓶頸。沼液深度資源化利用被認(rèn)為是沼液變廢為寶、實(shí)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的必由之路。微藻能高效同化沼液中的氮、磷,在實(shí)現(xiàn)沼液凈化的同時(shí)可聯(lián)產(chǎn)微藻生物質(zhì)。該過程可降低沼液處理成本,微藻生物質(zhì)又可作為生物能源、飼料、肥料等的原料。微藻與酵母混合培養(yǎng)由于存在種間協(xié)同效應(yīng),使其在污染物去除和微生物生物質(zhì)生產(chǎn)方面具有明顯的優(yōu)勢。本文系統(tǒng)比較了微藻、酵母單培養(yǎng)和混合培養(yǎng)對(duì)沼液污染物去除及生物質(zhì)生產(chǎn)效果的差異;通過轉(zhuǎn)錄組分析闡明了微藻-酵母強(qiáng)化污染物生物轉(zhuǎn)化的內(nèi)在分子機(jī)制。主要的研究結(jié)果如下:(1)微藻、酵母單培養(yǎng)及混合培養(yǎng)利用酵母工業(yè)沼液的研究表明,酵母工業(yè)沼液可以作為解脂耶氏酵母(Yarrowia lipolytica)培養(yǎng)的低值底物,且和普通小球藻(Chlorella vulgaris)的混合培養(yǎng)可以強(qiáng)化微生物生物質(zhì)的產(chǎn)出;混合培養(yǎng)中的NH_3-N的去除效果優(yōu)于單培養(yǎng)且隨著稀釋倍數(shù)的增加而增加;混合培養(yǎng)組間的NH_3-N去除和微藻起始接種密度正相關(guān);混合培養(yǎng)獲得了更高的油脂及高位熱值產(chǎn)量。(2)微藻、酵母單培養(yǎng)和混合培養(yǎng)利用牛場沼液的研究表明,混合培養(yǎng)可以強(qiáng)化微生物生物質(zhì)產(chǎn)出;混合培養(yǎng)從培養(yǎng)環(huán)境中固定了更多的C、N,且獲得更高的油脂、蛋白及高位熱值產(chǎn)量;混合培養(yǎng)的總磷去除效率(48小時(shí)達(dá)到100%)優(yōu)于單培養(yǎng);在NH_3-N充足時(shí),混合培養(yǎng)體系中普通小球藻(C.vulgaris)的氮同化關(guān)鍵基因硝酸還原酶(NR)和谷氨酰胺合成酶II(GSⅡ)的轉(zhuǎn)錄水平均低于低于微藻單培養(yǎng)體系;微藻單培養(yǎng)中NH_3-N的耗盡,使得微藻啟動(dòng)NO_3~-同化進(jìn)程,伴隨著NR轉(zhuǎn)錄水平的急劇升高。(3)在模擬廢水中進(jìn)行的微藻、酵母單培養(yǎng)和混合培養(yǎng)的研究表明,混合培養(yǎng)中的蛋白核小球藻(Chlorella pyrenoidosa)和解脂耶氏酵母(Y.lipolytica)細(xì)胞的比生長速率(0.30 d~(-1)和0.99 d~(-1))顯著高于相應(yīng)的單培養(yǎng);酵母細(xì)胞體積明顯減小,而微藻相對(duì)葉綠素含量顯著增加;可獲得更高的碳、氮同化效率,并使得生物固定的碳主要流向碳水化合物;獲得了較高的油脂(0.77 g/L)、碳水化合物(1.82 g/L)、蛋白質(zhì)(1.99 g/L)和高位熱值產(chǎn)量(114.64 kJ/L)。(4)解脂耶氏酵母(Y.lipolytica)響應(yīng)蛋白核小球藻(C.pyrenoidosa)混合培養(yǎng)過程中(24小時(shí))全局代謝調(diào)控的研究表明,有167個(gè)差異表達(dá)基因受混合培養(yǎng)與否的影響,其中100個(gè)顯著上調(diào),67個(gè)顯著下調(diào);GO富集分析顯示DEGs的功能極顯著富集于69個(gè)terms;其中,DEGs最為集中的18個(gè)GO terms分析表明,混合培養(yǎng)對(duì)酵母細(xì)胞中與好氧呼吸、核糖體相關(guān)的基因的表達(dá)產(chǎn)生影響,且主要為下調(diào)基調(diào),表明混合培養(yǎng)中的好氧呼吸作用和蛋白質(zhì)合成能力可能受到抑制;全局代謝網(wǎng)絡(luò)及KEGG富集分析表明混合培養(yǎng)對(duì)解脂耶氏酵母(Y.lipolytica)細(xì)胞內(nèi)主要代謝通路影響不明顯,僅有11個(gè)顯著差異表達(dá)基因被顯著富集到核糖體(Ribosome)和葉酸一碳庫(One carbon pool by folate)通路,表明混合培養(yǎng)僅對(duì)上述代謝通路影響產(chǎn)生了顯著的影響,且富集到葉酸一碳庫代謝通路上的DEGs均為下調(diào)。(5)蛋白核小球藻(C.pyrenoidosa)響應(yīng)解脂耶氏酵母(Y.lipolytica)混合培養(yǎng)的全局代謝調(diào)控的研究表明,有5731個(gè)unigenes的表達(dá)發(fā)生顯著變化,其中顯著上調(diào)的有3593個(gè),顯著下調(diào)的有2138個(gè);有3174個(gè)顯著差異的unigenes顯著地富集于251個(gè)terms、極顯著地富集于113個(gè)terms;極顯著富集的terms中除了光合作用調(diào)節(jié)-光反應(yīng)、蛋白修復(fù)以及葉綠體基質(zhì)類囊體中所涉及的差異表達(dá)unigenes為下調(diào)外,其余的GO terms中的上調(diào)基因數(shù)目基本上均明顯多于下調(diào)基因數(shù)目;全局代謝網(wǎng)絡(luò)及KEGG富集分析表明混合培養(yǎng)對(duì)C.pyrenoidosa細(xì)胞內(nèi)代謝的影響產(chǎn)生了顯著影響,差異表達(dá)unigenes顯著富集于一系列中心代謝通路,包括碳代謝、氮代謝、色氨酸代謝、糖酵解/糖異生、丙酮酸代謝、檸檬酸循環(huán)、脂肪酸代謝、氧化磷酸化、磷酸戊糖途徑等;混合培養(yǎng)體系中光合系統(tǒng)的光反應(yīng)被抑制,引起了暗反應(yīng)階段CO_2固定能力的減弱;碳代謝分析表明雖然混合培養(yǎng)體系的CO_2固定相關(guān)路徑被抑制,TCA循環(huán)、糖酵解/糖異生和磷酸戊糖途徑的過程均得到強(qiáng)化;氮代謝通路分析表明混合培養(yǎng)體系中硝酸鹽同化過程所涉及的關(guān)鍵酶基因的表達(dá)均得到上調(diào)。
【學(xué)位單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：S216.4
【部分圖文】：

華南理工大學(xué)博士學(xué)位論文沼液產(chǎn)生過程及沼液的性質(zhì)我國工、農(nóng)業(yè)快速發(fā)展，產(chǎn)生的大量廢水給周邊生態(tài)環(huán)境造成了2004 年開始在全國推廣沼氣工程。以厭氧發(fā)酵為主要技術(shù)單元的物可降解有機(jī)物濃度的同時(shí)，可以產(chǎn)生清潔能源—沼氣，具有環(huán)用的雙重效果。厭氧消化（Anaerobic digestion，AD）是一種四其反應(yīng)機(jī)理見圖 1-1，具體包括水解階段、酸化階段、產(chǎn)氫產(chǎn)乙個(gè)階段。通過復(fù)雜的微生物群落可以降解包括動(dòng)物糞便、農(nóng)業(yè)剩廢棄物以及食品廢棄物等原料中的有機(jī)物，產(chǎn)生沼氣和厭氧消化

華南理工大學(xué)博士學(xué)位論文內(nèi)目前應(yīng)用較多的脫碳的工藝有吸收變壓吸附、高壓水洗、物理化學(xué)吸收法、膜分離法等[16]，脫出的碳又可以作為微藻光合自養(yǎng)生長的碳源。因此，微藻培養(yǎng)和沼氣工程中沼液處理和沼氣提質(zhì)有很好的耦合度[12]（圖 1-2），即微藻除可以利用沼液中的氮磷、有機(jī)物等外，沼氣提質(zhì)過程分離出的 CO2還可以作為微藻光合作用的碳源生產(chǎn)有價(jià)值的微藻生物質(zhì)，因此可減少外部營養(yǎng)源的投入，可獲得高附加值的生物質(zhì)產(chǎn)品，如動(dòng)物飼料、高級(jí)有機(jī)肥和生物柴油等。加上微藻生長速度快，生長周期短，對(duì)沼液的凈化速率高，利用微藻凈化沼液已經(jīng)引起廣泛的關(guān)注。

共有6條染色體，基因組全長為20.5 Mb，G+C含量為49%，其明晰的遺傳背景為后續(xù)通過分子生物學(xué)手段開展深入的機(jī)理研究提供了保障。圖1-2 酵母生產(chǎn)油脂涉及的工農(nóng)業(yè)低成本底物概況Figure 1-2 Overview of low-cost substrates from agriculture and industry for lipid productionby yeast1.5.1 粗甘油生物柴油（長鏈脂肪酸甲酯）是以動(dòng)植物油脂為原料制備的燃料。其制備方法中酯交換法由于工藝簡單、操作費(fèi)用低、制得的產(chǎn)品性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)應(yīng)用中最為廣泛。動(dòng)植物油脂中主要含有三酰甘油酯，在催化劑的作用下，能和短鏈醇（主要有甲醇、乙醇、丙醇、丁醇等，其中甲醇用的最多）反應(yīng)生成脂肪酸酯和副產(chǎn)物甘油，典型的反應(yīng)反應(yīng)如式1-2。（式1-2）粗甘油（Crude glycerol）是生物柴油生產(chǎn)的主要副產(chǎn)物，通常含有80%的甘油、10%的水、7%的灰分及少于1%的甲醇[69]。每生產(chǎn)10千克生物柴油會(huì)產(chǎn)生1千克粗甘油。而此類粗甘油的提純過程繁瑣的、昂貴（0.20美元/磅）[70]。粗甘油是一種放錯(cuò)地方的資源，
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本文編號(hào)：2849525