论文部分内容阅读
铬[Cr（Ⅵ）]和对硝基酚（p-nitrophenol,PNP）是生产活动中广泛使用的工业原料,常常随着工业废水的排放进入环境,由于其高毒、致突变和致癌的特性,严重威胁着环境和人类的健康。兰州市西固区位于黄河兰州段上游,是我国西北主要的工业基地之一,该区常年受各种重金属和有机物的污染,当地微生物群落有很强的重金属和有机物抗性。但是目前对该地区Cr（Ⅵ）还原菌和PNP降解菌的分离筛选工作还鲜有报道。为了更好地开发该地区的微生物资源,挖掘出能够还原Cr（Ⅵ）和降解PNP的功能菌株,本实验在黄河兰州段西固工业园区的一条排污渠采集土壤样品,通过连续富集培养的方法分离筛选具有Cr（Ⅵ）还原能力和PNP降解能力的菌株,分别研究了该地区的优势铬还原菌解毒Cr（Ⅵ）的机制;PNP降解菌的降解特性,并且在微生物燃料电池（Microbial fuel cell,MFC）中测试了其同时产电和降解PNP的应用潜力,开发了一套便携式需氧阳极微生物燃料电池型PNP生物传感器;最后测试了2株铬还原菌及其共培养物在微生物燃料电池的阳极去除废水COD,在阴极去除Cr（Ⅵ）的能力。本实验主要研究结果如下:1.通过3种不同的分离方法,共获得了43株16属具有铬还原能力或对硝基酚降解能力的菌株,它们分别属于链霉菌属（Streptomyces）、拟诺卡氏菌属（Nocardiopsis）、诺卡氏菌属（Nocardia）、纤维微菌属（Cellulosimicrobium）、戈登氏菌属（Gordonia）、无色杆菌属（Achromobacter）、假单胞菌属（Pseudomonas）、短状杆菌属（Brachybacterium）、红球菌属（Rhodococcus）、节杆菌属（Arthrobacter）、白色杆菌属（Leucobacter）、肠球菌属（Enterococcus）、赖氨酸芽孢杆菌属（Lysinibacillus）、芽孢杆菌属（Bacillus）、棒杆菌属（Corynebacterium）和产碱杆菌属（Alcaligenes）。其中有11个属隶属于放线菌纲,因此在重金属和有机物共同污染的地区放线菌可能是优势类群。2.在同批次筛选的Cr（Ⅵ）还原菌中,菌株LZ-26-1表现出了较强的Cr（Ⅵ）还原能力,通过16S r RNA序列分析,该菌株与Streptomyces violaceoruber（AB184174）的16S r RNA序列相似性为100%,我们将其命名为Streptomyces violaceoruber LZ-26-1。该菌株在淀粉-酪素（SC）液体培养基中144 h内能将0.6 m M Cr（Ⅵ）还原92.86%。菌株还原Cr（Ⅵ）的最适温度和p H分别是28℃和7.0。透射电镜（TEM）和X-射线能量色散（EDX）分析结果表明,还原后的铬在菌株细胞内形成了Cr（Ⅲ）沉淀。静息细胞和粗酶活性实验结果表明,NADPH作为电子供体能促进菌株对Cr（Ⅵ）的还原,而Cd2+抑制了该过程。在Cr（Ⅵ）胁迫下,菌株基因组中编码硫氧还蛋白操纵子的基因（Trx A,Trx B和mem P）均获得了不同程度的表达上调。因此,我们推测菌株LZ-26-1可能是通过硫氧还蛋白途径还原Cr（Ⅵ）的。3.在同批次筛选的PNP降解菌中,菌株LZU-3对PNP的降解能力最强,通过16S r RNA序列分析,该菌株与Pseudomonas monteilii（AF064458）的16S r RNA序列相似性为99.8%,我们将其命名为Pseudomonas monteilii LZU-3。PNP降解特性结果表明,LZU-3是一株能够耐受较高PNP浓度的高效PNP降解菌,接种量、p H、温度和起始PNP的浓度是影响PNP降解效率的主要因素。10%的接种量、p H 8.0、30℃和外加50μM的Fe SO4.7H2O是菌株LZU-3在矿物盐培养基（MS）中降解PNP的最优条件。菌株LZU-3还能在高盐和含有金属离子的条件下降解PNP。共底物丙酮酸钠、醋酸钠、乳酸钠、葡萄糖、甘露醇、甘氨酸和天冬酰胺均能促进菌株生长和其对PNP的降解,其中天冬酰胺的促进作用最明显。MFC应用结果表明,LZU-3是一株能够在需氧条件下同时产电和降解PNP的菌株。曝气能增加MFC的最大电压（189 m V）和PNP的降解效率(20 mg l-1h-1),但是却降低了MFC的库伦效率。当PNP浓度在300 mg l-1以内时,菌株均能产电。循环伏安分析和扫描电镜结果表明,菌株LZU-3可能是通过和电极直接接触的方式传递电子的。丙酮酸钠作为共底物对菌株的产电有一定的促进作用,但是却抑制了PNP的降解。核黄素对菌株LZU-3产电没有明显的促进作用。本实验第一次将一株需氧PNP降解菌株应用到了MFC中,实现了对PNP同时降解和产电目的,为以后需氧或者兼性厌氧菌在MFC中的应用奠定了理论基础。4.本研究以需氧阳极MFC为基础,设计了一种便携式的PNP监测生物传感器。该传感器以需氧PNP降解菌LZU-3作为生物识别元素,以对硝基酚作为唯一底物,在实际PNP废水监测中表现出了极高的稳定性、精确性和选择性,为有毒、难降解污染物的实时、原位监测提供了一种快速有效的方法。5.在同批次筛选的同时具有Cr（Ⅵ）还原能力和PNP抗性的菌株中,菌株LZU-26和LZU-47-1不仅可以在MFC中产电,而且对Cr（Ⅵ）的还原能力最强,通过16S r RNA序列分析,菌株LZU-26与Cellulosimicrobium cellulans（X83808）的16S r RNA序列相似性为99.64%;菌株LZU-47-1与Corynebacterium vitaeruminis（X84680）的16S r RNA序列相似性为99.64%。我们将这2株菌分别命名为Cellulosimicrobium cellulans LZU-26和Corynebacterium vitaeruminis LZU-47-1。本研究以糖蜜废水作为MFC的底物,以菌株LZU-26、LZU-47-1及其共培养物分别作为阳极和阴极生物催化剂,在阳极去除废水COD、阴极去除Cr（Ⅵ）的同时产生电能。实验结果表明,将2株菌进行共培养能够提高菌株对COD和Cr（Ⅵ）的去除能力以及MFC的产电能力。当废水COD的浓度在400-8000mg l-1时,共培养物MFC均能产电,800 mg l-1 COD是菌株产电的最佳COD浓度。以Cr（Ⅵ）作为MFC的阴极电子受体,以共培养物同时作为MFC阳极和阴极生物催化剂,当阴极Cr（Ⅵ）的浓度在10-20 mg l-1时,增大Cr（Ⅵ）的浓度均能增加MFC对COD的去除率、电流密度以及Cr（Ⅵ）的还原率。本研究利用MFC技术,在阳极去除有机物,阴极去除重金属的同时产生电能,该研究对复合污染的综合治理提供了一种经济可行的方法。