近年來(lái)工業(yè)廢水排放、磷肥施用以及礦山開采引起的鎘污染日益嚴(yán)重。鎘作為一種劇毒的重金屬元素,由于其不可降解,進(jìn)入食物鏈后會(huì)在生物體內(nèi)富集而造成嚴(yán)重的健康和生態(tài)危害。自然界中,磷和鎘的分布具有一定相關(guān)性,海水中鎘和磷之間的關(guān)系是雙線性的,磷礦中鎘通常會(huì)以0.1-60 mg/kg的濃度伴生存在;生產(chǎn)中,由于有色金屬礦床和磷礦的開采以及含鎘磷肥的施用使含鎘廢水中含有濃度不等的磷。另外,磷資源屬于不可再生類,據(jù)估計(jì)全球可開采的磷礦將在60-130年內(nèi)耗盡。因此,污水中的磷回收以及磷鎘的同時(shí)去除在磷資源保護(hù)和鎘污染防理中具有重要意義。微生物作為元素循環(huán)和物質(zhì)傳遞的中間環(huán)節(jié),在磷鎘循環(huán)以及磷的礦化中發(fā)揮著重要作用。文獻(xiàn)報(bào)道的能夠?qū)崿F(xiàn)磷鎘的同時(shí)去除的微生物種類較少,種屬不明確。Pseudoalteromonas sp.SCSE709-6(P.sp.SCSE709-6)是分離自中國(guó)南海的一株高效除鎘海洋菌,前期研究發(fā)現(xiàn)P.sp.SCSE709-6能實(shí)現(xiàn)磷鎘的同時(shí)去除;但是磷鎘同步去除過程中,其作用機(jī)理和生物學(xué)機(jī)制尚不明確�；谝陨涎芯勘尘�,本課題首先研究了菌株P(guān).sp.SCSE709-6的除磷效能及其應(yīng)用;進(jìn)一步分析了不同磷鎘濃度對(duì)P.sp.SCSE709-6的生理生化特性及磷鎘去除效能的影響;解析了同步去除過程中磷鎘的遷移轉(zhuǎn)化和P.sp.SCSE709-6的生物學(xué)機(jī)制。本論文主要研究工作及重要結(jié)論包括以下幾個(gè)部分:(1)P.sp.SCSE709-6的環(huán)境適應(yīng)能力以及除磷能力強(qiáng),去除的磷主要以有機(jī)磷形式(磷酸單脂和磷酸雙脂)分布在胞內(nèi)和胞外聚合物上,P.sp.SCSE709-6的接種強(qiáng)化了系統(tǒng)對(duì)碳磷的去除能力,增加了微生物群落結(jié)構(gòu)的相似性。P.sp.SCSE709-6,能夠在初始磷濃度1-40 mg/L、鹽度為1%-10%、pH為5-8.5、C/N比為15-20以及溫度為15-30℃的條件下良好生長(zhǎng)并實(shí)現(xiàn)高效除磷,最多除磷30 mg/L左右,該菌環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng),除磷效果好。除磷過程中正磷酸鹽逐漸同化吸收轉(zhuǎn)化為有機(jī)磷,有機(jī)磷以磷酸單脂和磷酸雙脂形式存在,占總磷的92.82%-95.54%。去除的磷主要分布在胞內(nèi)和EPS上,其百分比分別為41.3%和50.6%。SMT提取結(jié)果顯示,菌體中的磷主要以易于遷移和可生物利用的磷形式(有機(jī)磷OP和非磷灰石磷NAIP)存在,其占比高達(dá)97.1%。批次實(shí)驗(yàn)中,P.sp.SCSE709-6處理含鹽黑水的最大COD、TP和TN去除率分別為96%、83%和50%左右。在船上的半連續(xù)實(shí)驗(yàn)中,接種了P.sp.SCSE709-6的系統(tǒng)T3具有最佳的COD去除率(99.8%);T3和T4(接種P.sp.SCSE709-6進(jìn)行強(qiáng)化的兩個(gè)系統(tǒng))均具有良好的脫磷能力(去除率分別為80.9%和88.4%)。T3和T4之間的β多樣性指數(shù)中的未加權(quán)unifrac距離最小(0.368),表明T3和T4之間存在最小的群落差異。(2)鎘脅迫下細(xì)菌形態(tài)變粗變短,磷能緩解鎘對(duì)P.sp.SCSE709-6生長(zhǎng)的抑制作用,P.sp.SCSE709-6對(duì)鎘的去除速率隨磷濃度增加而提高,磷的增加有利于細(xì)菌對(duì)鎘的抵抗。通過原子力顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn),磷濃度為9 mg/L的無(wú)鎘污水中P.sp.SCSE709-6的菌體形態(tài)呈細(xì)長(zhǎng)的桿狀,細(xì)菌的長(zhǎng)度約為2 μm,寬度約為1 μμm;隨著鎘濃度逐漸增加,P.sp.SCSE709-6的菌體形態(tài)變短變粗,并且其周圍聚集著一些納米顆粒,隨著磷濃度的增加,細(xì)菌形態(tài)受鎘影響的程度變小。磷能減輕鎘對(duì)細(xì)菌生長(zhǎng)的抑制作用,污水的pH值先降低后增加至7.5-8.4,P.sp.SCSE709-6能自主調(diào)節(jié)污水pH至弱堿性。隨著鎘濃度或磷濃度的增加,EPS中蛋白多糖的含量逐漸增加;磷的增加有利于細(xì)菌對(duì)鎘的抵抗。三維熒光光譜結(jié)果顯示,隨著鎘或磷濃度的增加,EPS中芳香類蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,腐殖酸類的峰消失,出現(xiàn)新的富里酸峰。芳香類蛋白質(zhì)的羧基、羰基、羥基、氨基官能團(tuán)含量增加,使D峰出現(xiàn)紅移。熱重分析表明鎘和磷的增加使菌體的失重溫度降低,增加了菌體的可燃性,有利于處理污水后的菌體的脫水。隨著鎘濃度的增加,P.sp.SCSE709-6的除磷除鎘速率均有所降低;當(dāng)鎘濃度為1-10 mg/L時(shí),24 h內(nèi)能實(shí)現(xiàn)磷鎘的完全去除,當(dāng)鎘濃度大于12 mg/L時(shí),對(duì)磷鎘的最大去除率均有所降低。隨著磷濃度的增加,P.sp.SCSE709-6對(duì)鎘的去除速率增加,說(shuō)明磷的存在有利于該菌對(duì)鎘的去除。(3)高鎘使P.sp.SCSE709-6菌體中總鎘以可交換的鎘形態(tài)增加,高磷能降低菌體中總鎘含量,使鎘更多的積累在EPS中以及可交換態(tài)鎘的含量降低,減輕鎘的毒性;含鎘污水中,細(xì)菌生成Cd-S-P納米顆粒。隨著時(shí)間的增加,磷由EPS中轉(zhuǎn)移到胞內(nèi),胞內(nèi)的鎘先增加后減少。隨著磷濃度的增加,P.sp.SCSE709-6菌體中的磷更多的積累在EPS,鎘積累的主要部位由細(xì)胞膜變成了 EPS。磷鎘濃度的變化并未改變菌體中主要的磷形式(單脂、雙脂和正磷酸鹽)。隨著鎘濃度的增加,菌體中的鎘含量顯著增加,并且可交換態(tài)的鎘增量最大,鎘的直接毒性增加;隨著磷濃度的增加,菌體中總鎘含量有少量降低,可交換態(tài)鎘的含量降低,可還原態(tài)鎘的含量增加,表明磷能緩解鎘的直接毒性,鎘形態(tài)由不穩(wěn)定變?yōu)榉�(wěn)定。污水中含鎘時(shí),細(xì)菌周圍出現(xiàn)了納米顆粒,并且鎘濃度越大,顆粒聚集得越多。提取后的納米顆粒聚集在一起,其由很多直徑約為30 nm的圓形顆粒組成,其碳含量較高(87.8%),說(shuō)明該顆粒中主要為有機(jī)物,鎘的占比為2.8%,硫的占比為2.9%,磷的占比為0.2%。對(duì)聚集納米顆粒中的一個(gè)圓形顆粒放大,發(fā)現(xiàn)其具有明顯的晶型和無(wú)定形性質(zhì),由直徑為2-3 nm的納米晶組成,納米晶的晶面間距為0.305 nm。通過XPS測(cè)定,納米顆粒的Cd3d精細(xì)譜圖發(fā)現(xiàn)鎘主要以Cd-S以及O-Cd-O方式與硫和氧結(jié)合,EPS的S2p譜圖顯示其主要為S2'形態(tài),P2p譜圖顯示磷主要以P043-,P-O-P方式結(jié)合。(4)鎘的存在影響了P.sp.SCSE709-6對(duì)磷的直接吸收,鎘使肌醇磷酸代謝和磷酸戊糖途徑中的多種酶下調(diào)表達(dá),并影響三羧酸循環(huán)和糖酵解途徑中的一些酶活性,從而影響P.sp.SCSE709-6的磷代謝。差異表達(dá)基因中顯著富集的GO-term主要有細(xì)胞外膜、外部封裝結(jié)構(gòu)、細(xì)胞包膜、銅離子和銀離子的跨膜運(yùn)輸、氨基酸合成和代謝過程、羧酸生物合成和有機(jī)酸生物合成。差異表達(dá)基因的KEGG分析發(fā)現(xiàn),有磷時(shí),鎘脅迫條件下,菌體內(nèi)差異基因主要富集在精氨酸生物合成(Arginine biosynthesis)、氨基酸的生物合成(Biosynthesis of amino acids)、半胱氨酸和蛋氨酸代謝(Cysteine and methionine metabolism)、肌醇磷酸代謝(Inositol phosphate metabolism)。當(dāng)污水中鎘濃度增加時(shí),谷胱甘肽產(chǎn)量略有升高,胞內(nèi)堿性磷酸酶的活性增加。而當(dāng)磷濃度增加時(shí),谷胱甘肽的濃度隨之稍微降低,胞內(nèi)堿性磷酸酶的活性減少,環(huán)境中磷的增加使細(xì)菌可利用的磷增加,無(wú)需過多分解胞內(nèi)存儲(chǔ)的磷。明確了P.sp.SCSE709-6的抗鎘機(jī)制。(ⅰ)通過細(xì)胞膜相關(guān)基因下調(diào)表達(dá)以及EPS的吸附作用,阻止鎘離子內(nèi)流;(ⅱ)胞內(nèi)含硫蛋白質(zhì)合成的上調(diào)表達(dá),鎘與含硫蛋白質(zhì)和含磷有機(jī)物結(jié)合以達(dá)到細(xì)胞內(nèi)部的隔離作用和解毒作用;(ⅲ)通過鈷/鋅/鎘外排RND轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、鉛/鎘/鋅/汞轉(zhuǎn)運(yùn)ATP酶、鈷/鋅/鎘抗性蛋白CzcA、膜融合蛋白CzcB和陽(yáng)離子外排系統(tǒng)蛋白CusA的上調(diào)表達(dá),促進(jìn)鎘離子外排。綜上,P.sp.SCSE709-6應(yīng)用于含磷污水的處理,實(shí)現(xiàn)磷去除的同時(shí)將磷以生物可利用的形式儲(chǔ)存在菌體內(nèi),對(duì)磷資源的再利用具有重要意義。不同磷鎘濃度下P.sp.SCSE709-6的生理生化特性和磷鎘去除效能以及P.sp.SCSE709-6對(duì)磷鎘的同時(shí)去除過程中,磷鎘的遷移轉(zhuǎn)化為該菌應(yīng)用于磷鎘的同時(shí)去除提供了有利的理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支撐。磷鎘的同時(shí)去除實(shí)現(xiàn)了有毒有害污染物的高效低成本去除,具有重要的環(huán)境、生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益。此外,磷鎘作用下P.sp.SCSE709-6的生物學(xué)機(jī)制探究,有利于理解海洋環(huán)境及磷礦中磷鎘的相關(guān)性,揭示該菌在環(huán)境中的生態(tài)意義。
【學(xué)位單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：X703;X172
【部分圖文】：

形成于海洋中，而在海水體系中，溶解性磷酸鹽也與鎘存在一定的相關(guān)性。??１．１．２海水中的磷鎘相關(guān)性??鎘和磷（Ｐ〇４３－）之間的關(guān)系明顯是雙線性的，如圖１－１所示在卩〇４３＿濃度??約為１．３?ｎｍｏｌ／ｋｇ時(shí)，從圖〗－２中可以看出具有“扭結(jié)”（ｋｉｎｋ），即存在直線斜率??的變化［１Ｑ］。“扭結(jié)”左側(cè)的數(shù)據(jù)（即Ｐ〇４３＿＜１．３?ｐｍｏｌ／ｋｇ）通常來(lái)自表層水和相對(duì)??年輕的北大西洋深水，而Ｃｄ－?Ｐ〇４３？線性回歸傾向于通過坐標(biāo)軸的原點(diǎn)�！芭そY(jié)”??右側(cè)的數(shù)據(jù)（即Ｐ〇４３＊＞１．３Ｍｍｏｌ／ｋｇ）來(lái)自印度洋、太平洋和南部海洋的深水（深??度超過１０００?ｍ）?＾１。“扭結(jié)”右側(cè)的線性回歸具有非零截距，即在零Ｃｄ處存在??“剩余”Ｐ〇４３？。這種非零截距導(dǎo)致溶解的Ｃｄ／ＰＯｆ比隨這些元素濃度的增加而增??力口。由于這些營(yíng)養(yǎng)元素的濃度隨著水體年齡的増長(zhǎng)而增加，較老的水體將具有較??高的Ｃｄ／ＰＯ，比。??Ｃｄ和Ｐ０４３？的分布是水平和垂直混合過程相互作用的結(jié)果，也與具有可變鎘??磷比例的生物顆粒輸出和再礦化有關(guān)。深海Ｃｄ－Ｐ０４３？關(guān)系的斜率取決于水團(tuán)的起??源、水團(tuán)混合、再礦化和再礦化生物量的鎘磷比值，這些因素可能隨時(shí)間而變化??［１｜］

１．４微生物對(duì)鎘的抗性和解毒機(jī)制??微生物鎘抗性是指在高鎘濃度環(huán)境下，微生物體內(nèi)具有某些特定的生理機(jī)制??使其能生存且不受傷害。細(xì)菌中通用的抗鎘機(jī)制如圖１－２所示。目前認(rèn)為的抗性??機(jī)制主要有：阻止鎘進(jìn)入胞內(nèi)：胞內(nèi)隔離作用和解毒作用；促進(jìn)鎘外流；鎘形態(tài)??的轉(zhuǎn)化。??１．４．１阻止鎘進(jìn)入胞內(nèi)??微生物抵抗鎘毒性可以通過胞外聚合物、細(xì)胞壁與細(xì)胞膜的表面富集，通過??吸附將鎘截留在細(xì)胞表面，以減少細(xì)胞對(duì)鎘的攝入量。ＳａｈｌａｎＯｚｔｕｒｋ等人［１３６］研??宄了藍(lán)細(xì)菌的鎘抗性及其與胞外多糖的關(guān)系，結(jié)果表明增加的胞外多糖產(chǎn)量與鎘??抗性相關(guān)，抗鎘能力最強(qiáng)的菌株ｓｐ．?ＢＡＳＯ６７０分泌的胞外多糖也最??多（５４８?ｍｇ／Ｌ），暴露于?１５?和?３５?ｍｇ／Ｌ?的鎘溶液中，辦ｓｐ．?ＢＡＳＯ６７０??和辦ｍ？ｃ／ｗｃ聲ｈｓｐ．ＢＡＳ０６７２的胞外多糖產(chǎn)量增加，增加的胞外多糖有利于將鎘??隔離在胞外，從而阻止鎘進(jìn)入胞內(nèi)。在革蘭氏陰性和革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌中，鎘分別??作為鋅和錳轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的毒性替代底物進(jìn)入細(xì)胞

?山東大學(xué)博士學(xué)位論文???利用ＲＴ－ｑＰＣＲ對(duì)轉(zhuǎn)錄組結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證；通過檢測(cè)細(xì)菌胞內(nèi)堿性磷酸酶活性和谷??胱甘肽含量的變化研究了磷鎘對(duì)細(xì)菌代謝的影響，最后闡述Ｐ．?ｓｐ．?ＳＣＳＥ７０９－６在??磷鎘作用下的生物學(xué)機(jī)制。??１．７本研究的技術(shù)路線??

本文編號(hào)：2864349