發(fā)布時(shí)間：2020-11-19 06:03

　　 皂素是以黃姜為原料來(lái)提取,因生產(chǎn)出300多種激素類藥物而被稱之為“醫(yī)藥黃金”。皂素生產(chǎn)工藝是將黃姜粉碎預(yù)發(fā)酵后,將全部漿料進(jìn)行酸水解、過(guò)濾、水洗,得到渣料和廢液。皂素生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)生的廢水主要由脫酸水、洗姜漂洗過(guò)濾水、酒糟水組成。黃姜皂素生產(chǎn)廢水,因其廢水量大、濃度高、酸性強(qiáng)、鹽度高,而被稱之為“廢水之王”,屬于高難度難降解工業(yè)廢水,其中有機(jī)污染物濃度也很高。據(jù)資料顯示,皂素生產(chǎn)廢水主要含有糖類、有機(jī)酸類、短鏈的醇、醛類、無(wú)機(jī)鹽類、姜黃素等物質(zhì)。其中的主要有機(jī)物是甲醇、乙醇、乙酸和醛類及其它揮發(fā)性物質(zhì)。在前人的研究中發(fā)現(xiàn),皂素廢水中有機(jī)污染物以糠醛濃度最高。這是由于黃姜與甘蔗渣、花生殼、高梁桿、燕麥殼和玉米芯等農(nóng)副產(chǎn)品相同,含有碳水化合物多縮戊糖,在酸的作用下,多縮戊糖先解聚變成戊醛糖,進(jìn)一步脫水而成糠醛�？啡┦且环N含有呋喃環(huán)的五碳雜環(huán)化合物,由戊糖脫水而得,對(duì)微生物的生長(zhǎng)具有抑制甚至毒害作用。同時(shí),糠醛被認(rèn)為是一種殺蟲(chóng)劑�？啡⿲�(duì)動(dòng)物的危害主要表現(xiàn)在刺激呼吸系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、肝臟、脾臟和腎臟、血液系統(tǒng)等方面。因其在工業(yè)上具有廣泛用途,隨之在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域使用的日益擴(kuò)大,導(dǎo)致進(jìn)入環(huán)境總量日益增多,其對(duì)于環(huán)境生態(tài)的損害風(fēng)險(xiǎn)也在逐漸加大。由于糠醛在分子結(jié)構(gòu)上含有呋喃環(huán),不易受到代謝過(guò)程的破壞,表現(xiàn)出難以被生物降解的性能�？啡┘捌溲苌锉话l(fā)現(xiàn)是皂素廢水內(nèi)幾十種有機(jī)污染物之中濃度最高的。且糠醛濃度過(guò)高會(huì)對(duì)后續(xù)污水生化處理系統(tǒng)中的微生物起到極大的抑制甚至毒害作用�？啡┮蚱浣Y(jié)構(gòu)中具有親電特性的羰基基團(tuán),能與細(xì)胞中的大分子物質(zhì)如蛋白、核酸和脂質(zhì)形成醛加合物,從而破壞這些大分子的功能和活性,對(duì)微生物具有極大的毒性。因而,在含較高濃度糠醛的廢水處理中,傳統(tǒng)的活性污泥法受到了極大的限制。同時(shí),高濃度的糠醛對(duì)皂素廢水的高COD是極大的貢獻(xiàn)。微生物生物處理技術(shù)在治理難降解有機(jī)廢水方面具有良好的應(yīng)用,效果好,成本低,效率高,在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域作出了極大的貢獻(xiàn)。利用能有效降解糠醛的微生物來(lái)處理皂素廢水,不僅能降低皂素廢水的COD,同時(shí)減輕糠醛及其衍生物對(duì)后續(xù)生化系統(tǒng)中微生物生長(zhǎng)發(fā)育的抑制作用,提升生物降解的處理效率,對(duì)皂素廢水達(dá)標(biāo)排放具有重要的意義。本文圍繞糠醛的微生物降解這一主題,對(duì)糠醛高效降解菌進(jìn)行篩選鑒定、培養(yǎng)條件優(yōu)化、降解產(chǎn)物分析、降解酶定位和利用糠醛降解菌處理含皂素廢水等多個(gè)方面內(nèi)容開(kāi)展了研究,并對(duì)微生物降解糠醛的途徑進(jìn)行了初步推測(cè)。結(jié)果如下所述：1.糠醛降解菌的篩選鑒定及特性研究從皂素廢水生化處理系統(tǒng)的活性污泥中以糠醛為唯一碳源,篩選到三株對(duì)糠醛具有一定耐受性并能有效降解高濃度糠醛的好氧細(xì)菌,利用形態(tài)觀察、生理生化特性分析,綜合運(yùn)用Biolog細(xì)菌鑒定系統(tǒng)分析,結(jié)合16S rDNA測(cè)序分析和構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)等多種手段對(duì)這三株細(xì)菌進(jìn)行了鑒定分析。將三株菌株分別命名為DS1、DS3和DS4,其中DS1菌落為圓形或近似圓形、質(zhì)地軟、無(wú)色素、不透明、稍有光澤,隨培養(yǎng)時(shí)間增長(zhǎng),表面有紅色產(chǎn)生：DS3菌落為圓形或近似圓形、不透明、烏白色或微黃色,隨著培養(yǎng)時(shí)間增長(zhǎng),單個(gè)菌落表面的中間部分會(huì)逐漸形成皺醭。DS4菌落為表面圓形、不透明、淺黃色,表面光滑,邊緣光滑平整。對(duì)三株菌株進(jìn)行革蘭氏染色、掃描電鏡觀察和平板培養(yǎng),表明三株菌株均為桿狀菌,其中菌株DS1和DS3為革蘭氏陽(yáng)性菌,菌株DS4為革蘭氏陰性菌。將三株菌株DS1、DS3、DS4的16S rDNA序列提交Genbank進(jìn)行登記,登記號(hào)分別為：HM773424、KJ641588和KJ641589。通過(guò)構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)確定三株菌株分別為蠟狀芽孢桿菌(Bacillus cereus)、枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis)和嗜麥芽寡養(yǎng)單胞菌(Stenotrophomonas maltophilia)。同時(shí)對(duì)這三株菌株的生長(zhǎng)特性和對(duì)糠醛的耐受性進(jìn)行了研究分析。分別在添加糠醛和未添加糠醛條件下對(duì)三株細(xì)菌進(jìn)行生長(zhǎng)曲線實(shí)驗(yàn),。當(dāng)培養(yǎng)基中添加了糠醛后,三株菌株的生長(zhǎng)速率明顯減慢,延滯期增加。在添加了1000 mgL-1糠醛之后,DS1的延滯期由大約4h延長(zhǎng)至8h；DS3的延滯期由大約4h延長(zhǎng)至6h；DS4的延滯期由大約4h延長(zhǎng)至12h。其中菌株DS3相對(duì)于其他2株菌株對(duì)糠醛的適應(yīng)能力強(qiáng),降解速率快。初步研究表明,這三株能以糠醛為唯一碳源的菌株對(duì)其耐受性分別達(dá)到了4000 mg L-1,6000mg L-1和 2000 mg L1,遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道的其他菌株。這三株菌株的最適生長(zhǎng)pH分別為7,8,9,最適生長(zhǎng)底物濃度為1000 mg L-1、2000 mg L-1和2000 mg L-1。2.糠醛降解菌對(duì)糠醛的降解效果及影響因素的研究選取三株菌株中耐受性最強(qiáng)、降解效果最好的枯草芽孢桿菌DS3為研究對(duì)象,菌株DS3經(jīng)過(guò)7天的生長(zhǎng)和作用,17%-30%的糠醛能被降解。研究在液體培養(yǎng)條件下,不同環(huán)境因素對(duì)菌株DS3降解效果的影響。在單因素實(shí)驗(yàn)中,菌株DS3的最適降解pH為8,在第7天時(shí),降解率能達(dá)到29.77%。菌株DS3對(duì)糠醛的降解效果最好,當(dāng)pH過(guò)低或過(guò)高時(shí),菌株DS3未表現(xiàn)出對(duì)糠醛的良好降解效果,降解率相應(yīng)降低。菌株DS3的最適降解初始底物濃度為4000 mg L-1,降解率隨底物濃度的增加而增大。菌株DS3的最適接種量為10%,接種量的增大使同時(shí)刻對(duì)糠醛的降解率有一定程度的增加。采用Box-Behnken方法對(duì)糠醛降解因素的響應(yīng)面分析,相對(duì)于pH,底物濃度和接種量對(duì)降解率的影響更為顯著。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步分析計(jì)算,得到糠醛降解率達(dá)到預(yù)測(cè)最大值時(shí)的條件為：pH為8.73,糠醛初始濃度4000 mgL-1和接種量為10%,降解率達(dá)到37.2611%,此條件下響應(yīng)預(yù)測(cè)值為99.1%。采用此條件優(yōu)化后,菌株DS3對(duì)糠醛的降解率有小幅度提升,實(shí)測(cè)為36.91%。3.菌株DS3降解糠醛產(chǎn)物及代謝途徑推測(cè)由傅里葉紅外分析可以確定降解產(chǎn)物及底物中同時(shí)存在有醛或酮、亞甲基和伯醇。與未加菌種的糠醛溶液相比,DS3作用3d后的降解產(chǎn)物和7d后的降解產(chǎn)物中的基團(tuán)種類基本相同,推測(cè)3-7天內(nèi),降解產(chǎn)物可能沒(méi)有發(fā)生官能團(tuán)上的轉(zhuǎn)化而只是數(shù)量的累積。微生物對(duì)糠醛的降解可能都發(fā)生在醛基上,通過(guò)對(duì)醛基的轉(zhuǎn)化來(lái)達(dá)到降低對(duì)微生物抑制的作用。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的GC-MS測(cè)試,菌株DS3降解糠醛的代謝產(chǎn)物中檢測(cè)到糠醇,糠偶姻和3-羥基-2-丁酮。降解產(chǎn)物中無(wú)糠酸的存在,這與文獻(xiàn)中報(bào)道的惡臭假單胞菌氧化糠醛代謝途徑不一致�？莶菅挎邨U菌DS3對(duì)糠醛的降解作用主要是通過(guò)醛基還原來(lái)完成。醇脫氫酶可能負(fù)責(zé)催化糠醛還原成糠醇的反應(yīng)。推測(cè)3-羥基-2-丁酮是菌株DS3以糠醛為碳源底物分解代謝的產(chǎn)物。糠醛通過(guò)糖酵解途徑生成丙酮酸,然后進(jìn)入三羧酸循環(huán)分解,三羧酸循環(huán)過(guò)程中生成的NADH進(jìn)入呼吸鏈,通過(guò)氧化磷酸化產(chǎn)生ATP；另一部分糠醛通過(guò)磷酸戊糖途徑形成NADPH,并為脂肪酸和膽固醇等的合成提供重要的前體物。而過(guò)量的丙酮酸則通過(guò)乙酰CoA進(jìn)入溢流代謝,生成3-羥基-2-丁酮。在此過(guò)程中分解出H20和C02。推斷糠偶姻的產(chǎn)生是底物糠醛在細(xì)胞內(nèi)的裂解酶的作用下發(fā)生偶姻縮合反應(yīng)而得。微生物將糠醛分子中的醛基轉(zhuǎn)化為其他基團(tuán)能有效改善微生物所受到的毒害。菌株DS3將糠醛轉(zhuǎn)化為低毒性物質(zhì),主要是轉(zhuǎn)化為糠醇,以及糠偶姻和3-羥基-2-丁酮。從推測(cè)的降解底物的生物轉(zhuǎn)化過(guò)程來(lái)看,糠醛參與了枯草芽孢桿菌DS3細(xì)胞內(nèi)的多種代謝,與相關(guān)酶系的作用密不可分,與細(xì)胞體內(nèi)的能量水平有著密切的關(guān)系。推測(cè)在此過(guò)程中發(fā)揮降解作用的酶系包括醇脫氫酶、a-乙酰乳酸脫羧酶、裂解酶、NADH等。由于代謝途徑研究所得代謝產(chǎn)物較為微量,且由于時(shí)間和條件所限,沒(méi)有結(jié)合核磁共振波譜、同位素示蹤等技術(shù)方法以及與代謝產(chǎn)物的標(biāo)準(zhǔn)品對(duì)照等鑒定手段對(duì)其他可能的中間產(chǎn)物進(jìn)行細(xì)致深入的研究,詳細(xì)代謝途徑尚待進(jìn)一步完善補(bǔ)充。菌株DS3所產(chǎn)生的糠醛降解酶主要定位于細(xì)胞膜內(nèi),屬于胞內(nèi)酶。以HPLC測(cè)定酶對(duì)糠醛的降解率和全細(xì)胞SDS-PAGE電泳分析,確定降解酶為非誘導(dǎo)酶。無(wú)論底物中是否含有糠醛,降解酶均能被合成進(jìn)而發(fā)揮降解作用。降解酶的合成只受微生物細(xì)胞內(nèi)基因調(diào)控,不需環(huán)境中存在誘導(dǎo)物質(zhì)即糠醛�？啡┙到饷赶噍^于菌體本身,在發(fā)揮降解作用時(shí),迅速而高效,在反應(yīng)開(kāi)始8h時(shí),培養(yǎng)基中糠醛濃度由2000 mg L-1降為1379.79 mg L-1,即降解率為31.01%；而糠醇的生成保持在464.73 mg L-1左右。在降解酶的作用下,糠醇的生成主要在0-2h內(nèi)發(fā)生,當(dāng)反應(yīng)超過(guò)2h之后,糠醇的量沒(méi)有累積；糠醛對(duì)糠醇的轉(zhuǎn)化可能已經(jīng)結(jié)束,而對(duì)其他物質(zhì)(比如糠偶姻和3-羥基-2-丁酮)的轉(zhuǎn)化還在進(jìn)行中,糠醛還在繼續(xù)參與細(xì)胞內(nèi)的代謝反應(yīng)�？反紴榭啡┑闹饕锝到猱a(chǎn)物。降解酶粗酶中不僅僅包含醇脫氫酶,還包括將糠醛轉(zhuǎn)化為糠偶姻和3-羥基-2-丁酮等化合物的其他酶系,尤其是各種代謝反應(yīng)的酶系,但醇脫氫酶在糠醛降解過(guò)程中發(fā)揮了主要作用。4.降解菌在皂素廢水中的應(yīng)用以皂素廢水廠生產(chǎn)廢水為處理對(duì)象,通過(guò)添加菌株DS3對(duì)其中高濃度的有機(jī)污染物進(jìn)行降解。皂素生產(chǎn)采取硫酸水解原材料,廢水中含有大量的硫酸根離子。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)證明,菌株DS3能耐受高濃度的硫酸根離子,在硫酸根離子濃度高達(dá)8000 mg L-1的廢水中表現(xiàn)出良好的生長(zhǎng)特性,菌株DS3在72小時(shí)之內(nèi)對(duì)皂素廢水中的COD的去除效率達(dá)到50.71%,具有良好的去除皂素廢水中有機(jī)污染物的能力。菌株DS3同時(shí)具備耐受高濃度硫酸根離子和降解糠醛有機(jī)污染物的兩大特性,具有較好的實(shí)用價(jià)值。
【學(xué)位單位】：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類】：X787;X172
【部分圖文】：

?２０１５．５??圖２－３菌株ＤＳ３在掃描電鏡下的形態(tài)恃征??Ｆｉｇ２－３?Ｓｃａｎｎｉｎｇ?ｅｌｅｃｔｒｏｎ?ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ?ｉｍａｇｅ?ｏｆ?ｓｔｒａｉｎ?ＤＳ３??ｍＳｍｍ??圖２－４菌株ＤＳ４在掃描電鏡下的形態(tài)恃征??Ｆｉｇ２－４?Ｓｃａｎｎｉｎｇ?ｅｌｅｃｔｒｏｎ?ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ?ｉｍａｇｅ?ｏｆ?ｓｔｒａｉｎ?ＤＳ４??２．３．３菌株的穂酸耐受性??為了同時(shí)驗(yàn)證織酸能巧作為降解蔭的唯一碳源，本研巧在測(cè)試菌種對(duì)慷膝耐受性時(shí)，??采用了僅含慷酸作為碳源的篩選培養(yǎng)基。降解菌株對(duì)慷酸的耐受程度在慷膝污染治理中有??著重要影響。本試驗(yàn)中，逐步提高培養(yǎng)基中慷醇的濃度，考察篩選出的優(yōu)勢(shì)菌種對(duì)慷藤的??耐受程度。參考己報(bào)道文獻(xiàn)中菌株對(duì)穂酸的耐受性，設(shè)置本試驗(yàn)中慷薛濃度按梯度分布，??分別為?５００ｍｇＬ－ｌ，１０００ｍｇＬ－ｌ，２０００ｍｇＬ－ｌ，４０００ｍｇＬ－ｌ，６０００ｍｇＬ－ｌ，經(jīng)過(guò)３ｄ的培養(yǎng)，??部分平板上有茵落生成，生長(zhǎng)狀況不盡相同。經(jīng)過(guò)重復(fù)多次，得出耐受性結(jié)果如表２－２所??示。表中，菌落占平板表面積一半及Ｗ上，視為菌株生長(zhǎng)良好，Ｗ＂＋＋＋＂標(biāo)記：菌落不??到平板表面積一半，視為菌株生長(zhǎng)一般，�。�?＂＋＋＂驚記；平板表面僅零星化個(gè)菌落存在，??視為菌株少量生長(zhǎng)

２．３．４菌株的生長(zhǎng)曲線??根據(jù)上述的耐受性實(shí)驗(yàn)可知，ＤＳ１、ＤＳ３、ＤＳ４Ｈ株菌株均可在錶醒濃度ｌＯＯＯｍｇＬ－ｉ??的環(huán)境中生長(zhǎng)。從圖２－５到２－７可Ｗ看出：濃度為１０００?ｍｇ?Ｌ－１的線酵對(duì)Ｈ株菌株的生長(zhǎng)表??現(xiàn)出相同的抑制作用。ＤＳ１、ＤＳ３、ＤＳ４Ｈ株菌株在ＬＢ液體培養(yǎng)基中的菌濃度（ＯＤｅｏｔｈｕｎ）??要高于同期在添加了?ｌＯＯＯｍｇｌ／ｉ據(jù)酵的ＬＢ培養(yǎng)基中的濃度（ＯＤｓｏｏｎｍ）。當(dāng)培養(yǎng)基中添加??了轅酵后，Ｓ株菌株的生長(zhǎng)速率明顯減慢，延滯期增加。在添加了?ｌＯＯＯｍｇＬ－１慷酸之后，??ＤＳ１的延滯期由大約化延長(zhǎng)至８ｈ；?ＤＳ３的延滯期由大約４ｈ延長(zhǎng)至如；ＤＳ４的延滯期由大??約４ｈ延長(zhǎng)至１２ｈ。其中茵株ＤＳ３相對(duì)于其他２株菌株對(duì)穂醒的適應(yīng)能力強(qiáng)。??３－０「?３－０「?，??。ｒｎｇＬ．，?—０?ｍｇＬ‘，??２５－?－？－１０００?ｍｇＬ＇??■?＊２５?－＊－，〇〇〇郵１??Ｉ?２－０?■?Ｊ???？?Ｉ?２．０?－??Ｉ－＇?／ｆ?�。�?／／??０．０?－?０．０?－?ｒ＊＾??ｔ?■?ｔ?■?１?■?ｔ?■?ｆ?．?Ｉ?．?Ｉ?■?Ｉ?■?Ｉ?Ｉ?＊?＼?Ｉ?Ｉ??０?５?１０?巧?２０?巧孤?３５?０?５?ｔｏ?巧?２０?２５?沉巧??＂ｍｅ?（ｈ》?ｔ

２．３．４菌株的生長(zhǎng)曲線??根據(jù)上述的耐受性實(shí)驗(yàn)可知，ＤＳ１、ＤＳ３、ＤＳ４Ｈ株菌株均可在錶醒濃度ｌＯＯＯｍｇＬ－ｉ??的環(huán)境中生長(zhǎng)。從圖２－５到２－７可Ｗ看出：濃度為１０００?ｍｇ?Ｌ－１的線酵對(duì)Ｈ株菌株的生長(zhǎng)表??現(xiàn)出相同的抑制作用。ＤＳ１、ＤＳ３、ＤＳ４Ｈ株菌株在ＬＢ液體培養(yǎng)基中的菌濃度（ＯＤｅｏｔｈｕｎ）??要高于同期在添加了?ｌＯＯＯｍｇｌ／ｉ據(jù)酵的ＬＢ培養(yǎng)基中的濃度（ＯＤｓｏｏｎｍ）。當(dāng)培養(yǎng)基中添加??了轅酵后，Ｓ株菌株的生長(zhǎng)速率明顯減慢，延滯期增加。在添加了?ｌＯＯＯｍｇＬ－１慷酸之后，??ＤＳ１的延滯期由大約化延長(zhǎng)至８ｈ；?ＤＳ３的延滯期由大約４ｈ延長(zhǎng)至如；ＤＳ４的延滯期由大??約４ｈ延長(zhǎng)至１２ｈ。其中茵株ＤＳ３相對(duì)于其他２株菌株對(duì)穂醒的適應(yīng)能力強(qiáng)。??３－０「?３－０「?，??。ｒｎｇＬ．，?—０?ｍｇＬ‘，??２５－?－？－１０００?ｍｇＬ＇??■?＊２５?－＊－，〇〇〇郵１??Ｉ?２－０?■?Ｊ???？?Ｉ?２．０?－??Ｉ－＇?／ｆ?�。�?／／??０．０?－?０．０?－?ｒ＊＾??ｔ?■?ｔ?■?１?■?ｔ?■?ｆ?．?Ｉ?．?Ｉ?■?Ｉ?■?Ｉ?Ｉ?＊?＼?Ｉ?Ｉ??０?５?１０?巧?２０?巧孤?３５?０?５?ｔｏ?巧?２０?２５?沉巧??＂ｍｅ?（ｈ》?ｔ
【參考文獻(xiàn)】

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1 楊國(guó)先;;醬香型白酒中糠醛的作用及測(cè)定方法研究[J];計(jì)量與測(cè)試技術(shù);2009年09期

2 王惠豐,呼世斌;吸收-消化工藝處理薯蕷皂素廢水的研究[J];西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2004年05期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 齊云;氯苯甲酸降解菌的分離篩選及降解特性研究[D];天津大學(xué);2007年

本文編號(hào)：2889800