發(fā)布時間：2020-08-27 20:01

【摘要】：在廢水生物處理系統(tǒng)中,微生物胞外聚合物(Extracellular polymeric substances,EPS)在促進(jìn)微生物細(xì)胞聚集、加快生物膜形成、維持聚集體結(jié)構(gòu)、污染物的去除以及抵抗沖擊負(fù)荷等方面發(fā)揮著重要作用。EPS包裹在微生物細(xì)胞表面,改變了細(xì)胞的表面性質(zhì),從而影響了細(xì)胞的粘附和聚集,以及污染物的吸附與傳質(zhì)過程。由于EPS成分復(fù)雜,性質(zhì)多變,且其在微生物粘附與聚集以及污染物結(jié)合的表面作用過程尚不十分清楚。為了鑒定EPS的成分以推斷其功能,促進(jìn)生物膜快速形成、維持反應(yīng)器運行穩(wěn)定以及污染物的去除,本研究分離和鑒定了EPS中的胞外蛋白和多糖;進(jìn)一步研究了不同聚集形態(tài)微生物EPS的成分與聚集體結(jié)構(gòu)、表面特性和功能的關(guān)系;最后對EPS的表面特性和功能開展了深入研究:研究了EPS在不同表面的附著動力學(xué)及其影響因素;探討了EPS與重金屬和納米顆粒的微觀作用過程。主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下:為研究EPS的主要成分信息和功能,本工作提取和分離了城市污水廠中厭氧、缺氧和好氧池污泥EPS中的蛋白質(zhì)和多糖。鼠李糖、木糖、甘露糖和葡萄糖廣泛存在于污水廠厭氧、缺氧和好氧污泥的胞外多糖中。使用shotgun法鑒定了分離的胞外蛋白,結(jié)果厭氧、缺氧和好氧污泥樣品中分別有130、108和114種蛋白成功分類。約60%的蛋白質(zhì)來源細(xì)胞和細(xì)胞部分,且其主要分子功能為催化活性和結(jié)合活性。這表明活性污泥中胞外蛋白的主要作用是結(jié)合多價陽離子和有機分子,以及催化和降解。相比缺氧和好氧污泥樣品,厭氧污泥中含有更多的催化活性蛋白。厭氧污泥和好氧污泥的結(jié)果差異可能與催化活性蛋白有關(guān)。對比研究了生物膜和懸浮污泥的形貌、微生物群落、胞外蛋白、多糖和表面特性的差異,以闡釋EPS與聚集體結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系。結(jié)果表明,相比生物膜,反硝化主要發(fā)生在懸浮污泥。生物膜中存在一種能夠促進(jìn)粘附的胞外蛋白。相比之下,懸浮污泥中存在更多的與催化活性有關(guān)的胞外蛋白,從而降低了聚集體的密實度,并為異養(yǎng)菌提供了碳源。并且兩種聚集體胞外多糖中單糖的組分也不同。隨著各組分EPS的去除,兩種聚集體的zeta電位升高且更疏水。溶解型EPS和松散結(jié)合型EPS(LB-EPS)同時存在時,懸浮污泥樣品的聚集度提高了23%,而對生物膜無明顯影響。LB-EPS和緊密結(jié)合型EPS(TB-EPS)對懸浮污泥樣品的聚集度分別貢獻(xiàn)了16%和30%,而對生物膜細(xì)胞的聚集沒有促進(jìn)作用。這表明,懸浮污泥細(xì)胞聚集依賴于EPS,而生物膜細(xì)胞本身具有較強的聚集能力,這與生物膜細(xì)胞表面存在的粘附蛋白有關(guān)。為了研究EPS在不同表面的附著行為,促進(jìn)反應(yīng)器中微生物在表面最初的粘附以及生物膜的形成,本工作制備了4個末端官能團(tuán)為甲基(CH3-SAM)、氨基(NH2-SAM)、羥基(OH-SAM)和羧基(COOH-SAM)的自組裝單分子層來模擬不同的有機表面(SAMs),結(jié)合表面等離子體共振來研究TB-EPS和細(xì)菌細(xì)胞在模擬表面的附著/粘附動力學(xué)。結(jié)果表明,細(xì)菌粘附和TB-EPS附著-脫附速率依賴于表面性質(zhì)。CH3-SAM和NH2-SAM表面促進(jìn)細(xì)胞粘附,而TB-EPS在CH3-SAM表面的附著速率最大。中性且親水的表面(OH-SAM)得到了最低的細(xì)菌粘附量和最低的TB-EPS附著親和力。這些結(jié)果表明了疏水表面比親水表面更有利于細(xì)胞固定和TB-EPS沉積。本工作同時研究了不同pH和外加陽離子條件下,TB-EPS在CH3-SAM,NH2-SAM,OH-SAM,和COOH-SAM表面的附著行為。結(jié)果表明,隨著pH的升高,TB-EPS的附著量急劇下降。相同條件下,TB-EPS在CH3-SAM表面的附著量最大。Na+促進(jìn)TB-EPS附著在COOH-SAM表面,而Ca2+及其與TB-EPS的復(fù)合體分別被COOH-SAM吸引和NH2-SAM排斥。加入Fe3+后,TB-EPS在4個表面的附著量均顯著升高。這些結(jié)果證明TB-EPS附著在不同有機表面依賴于溶液pH和陽離子。為研究EPS在抵抗有毒有害污染物(重金屬和納米顆粒)對微生物細(xì)胞影響中的微觀表面作用過程,本工作首先研究了EPS在重金屬對細(xì)菌聚集過程影響中的作用,使用表面等離子體共振儀測定了重金屬在保留了EPS和去除了EPS的細(xì)胞表面的結(jié)合動力學(xué)和親和力,使用圓二色光譜和紅外光譜測定了重金屬在EPS和細(xì)胞表面的結(jié)合構(gòu)象。結(jié)果顯示EPS包裹在細(xì)胞表面削減了重金屬對細(xì)菌聚集的影響,而去除了EPS后,Pb2+比Cd2+對細(xì)菌聚集沉降具有更強的抑制作用。拉曼光譜和紅外光譜證明,EPS中含有大量的磷酸化大分子和多糖類物質(zhì)。保留了EPS的細(xì)胞表面對各重金屬的結(jié)合動力學(xué)行為類似。而去除了EPS細(xì)胞表面對重金屬的親和具有高度差異性,其對Pb2+具有很強的親和性。紅外光譜表明,保留了EPS的細(xì)胞表面主要是磷酸基和羧基結(jié)合重金屬,而去除了EPS后,重金屬將改變細(xì)胞表面的蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)。同時,本工作研究了NP對保留了EPS和去除了EPS的細(xì)菌細(xì)胞的表面電性、潤濕性和聚集沉降特性。使用表面等離子體共振儀觀察保留了EPS和去除了EPS的細(xì)菌細(xì)胞與TiO_2NP作用后在疏水和親水表面的粘附特性,使用紅外光譜測定了TiO_2NP與細(xì)胞表面的結(jié)合特征。結(jié)果表明,TiO_2NP對EPS包裹的細(xì)胞表面的zeta電位和疏水性沒有顯著影響。由于TiO_2NP和EPS中磷酸化大分子和多糖等成分作用而減弱了其對細(xì)胞表面蛋白二級結(jié)構(gòu)的影響,去除EPS后,TiO_2NP改變了細(xì)胞表面蛋白的二級結(jié)構(gòu)。在0和10 mg/L TiO_2NP下,EPS有助于細(xì)菌粘附到親水表面以及有助于細(xì)胞聚集沉降,而在100 mg/L TiO2NP下,這種促進(jìn)作用消失。
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：X703
【圖文】：

技術(shù)路線圖

為了從蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫中搜索和鑒定蛋白質(zhì)信息，需要獲得物種的門水平的信息。因此，本工作測定了厭氧、缺氧和好氧污泥在門水平的操作分類單位（OTUs）的豐度（圖2.1）。三個樣品中總計鑒定得到了24個門，其中厭氧、缺氧和好氧污泥樣品中分別得到了22, 20和23個門。結(jié)果表明，三個污泥樣品中的Proteobacteria,Firmicutes, Bacteroidetes, Chloroflexi, Acidobacteria, Actinobacteria, Planctomycetes和Nitrospira，這些門類的豐度在三個樣品中也比較接近，且均占據(jù)了總OTUs的60%以上，也就是說，它們均是厭氧、缺氧和好氧污泥中的主要門類。因此，可以以此作為蛋白質(zhì)搜索的參考數(shù)據(jù)庫。

圖 2.2 厭氧(b)、缺氧(a)和好氧(c)污泥 EPS 的紅外光譜Fig. 2.2 FT-IR spectra of EPS in anaerobic (b), anoxic (a) and oxic (c) sludges

【引證文獻(xiàn)】

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前2條

1 王晴晴;微生物絮凝劑改性及其處理印染廢水的試驗研究[D];中國礦業(yè)大學(xué);2018年

2 汪霞;好氧反硝化菌Enterobacter sp. FL的脫氮及自聚集特性研究[D];重慶大學(xué);2017年

本文編號：2806555