偶氮染料脱色工程菌的特性及强化作用研究
【摘要】：
本论文旨在研究基因工程菌Escherichia coli JM109(pGEX-AZR)的生长特性及其对偶氮染料的脱色性能。为了降低基因工程菌应用可能带来的生态风险，将E．coli JM109(pGEX-AZR)与膜生物反应器结合，将微生物有效的截留在反应器之内，以防止其向环境中释放。另外将E．coli JM109(pGEX-AZR)作为高效菌制剂投加到活性污泥体系中进行强化脱色研究，借助现代分子生物技术，研究了其在污泥体系中的生长特性及对污泥群落结构的影响。本研究为基因工程菌在废水处理中的应用提供了一定的理论及技术支持。
在以葡萄糖为限制性基质的分批培养中，E．coli JM109(pGEX-AZR)的最佳培养条件为：5g·L~(-1)葡萄糖，0.3 g·L~(-1) NH_4Cl：无机盐培养基(组成为：KH_2PO_4 2.0 g·L~(-1)，Na_2HPO_4 1.3 g·L~(-1)，MgSO_4 2.0 g·L~(-1)，CaCl_2 0.0364 g·L~(-1)，FeCl_3 0.00025 g·L~(-1))；初始pH=7.5；接种量10 mL·L~(-1)；培养温度35℃。IPTG诱导偶氮还原酶表达的最佳条件为：IPTG的投加时机为E．coli JM109(pGEX-AZR)的对数生长后期，即OD_(660)为1.7～1.8，最大IPTG的添加浓度以1 mmol L~(-1)，诱导的持续时间为8 h。可利用乳糖代替IPTG作为偶氮还原酶表达的诱导剂，乳糖的最佳投加浓度为40 mmol·L~(-1)，乳糖诱导的蛋白含量和偶氮还原酶活性为IPTG诱导时的93.6％和85.7％。
E．coli JM109(pGEX-AZR)对酸性大红GR的共代谢脱色动力学包括生长基质的利用动力学、染料的脱色动力学、生物的生长动力学。E．coli JM109(pGEX-AZR)对生长基质-葡萄糖的利用符合Monod方程，其中μ_(max g)为0.07657 g·g~(-1)·h~(-1)，K_g为0.3324 g·L~(-1)；当有酸性大红GR存在时，对葡萄糖的降解存在非竞争性抑制，抑制系数K_(ig)为0.213g·L~(-1)。酸性大红GR的脱色动力学符合底物抑制模型Andrews，当存在生长基质时，μ_(max c)为42.45 mg·g~(-1)·h~(-1)，K_c为584.93 mg·L~(-1)，K_(ic)为556.89 mg·L~(-1)。E．coli JM109(pGEX-AZR)的产率系数Y_m为0.1 g·g~(-1)；生物转化能力T_m为121.2 mg·g~(-1)；内源衰减系数b为0.0378d~(-1)。
E．coli JM109(pGEX-AZR)对多种偶氮染料有较好的脱色效果。供氧条件对偶氮染料脱色的影响很大，厌氧条件有利于酸性大红GR的脱色：脱色最佳的pH值为中性或弱碱性；在25～40℃范围内，随着温度的提高，脱色速率有所提高。当废水中存在浓度为1～5％的NaCl、NaSO_4时，E．coli JM109(pGEX-AZR)对酸性大红GR保持较高的脱色性能，而NaNO_3的存在对酸性大红GR的脱色具有很大影响，随着NaNO_3浓度的增加，脱色率明显降低。
用海藻酸钠及聚亚胺酯大孔泡沫对E．coli JM109(pGEX-AZR)进行固定化，固定化细胞对酸性大红GR的脱色都符合底物抑制模型Andrews。比较不同存在形态的E．coliJM109(pGEX-AZR)对酸性大红GR的脱色动力学可知，海藻酸钠固定的E．coli JM109(pGEX-AZR)的最大比脱色速率及半饱和系数都比游离态有所降低，说明由于海藻酸钠固定，底物的传递受到影响，使速率下降；而抑制系数有所增加，说明固定后对细菌有所保护，菌体耐受环境变化的能力提高。而聚亚胺酯大孔泡沫固定菌体的动力学参数全部比游离态的有所提高，说明聚亚胺酯大孔泡沫适合用来固定该菌，实现对酸性大红GR的脱色。
将E．coli JM109(pGEX-AZR)投加到浸没式厌氧膜生物反应器(SAnMBR)中，在SAnMBR连续运行过程中，对酸性大红GR具有88％～93％的脱色率。通过膜过滤作用后，出水酸性大红GR的脱色率可以维持在96％左右。膜生物反应器对COD_(Cr)，的去除率范围为56％～72％。在反应过程中，菌体浓度由初始浓度1.97 g·L~(-1)升高到2.12 g·L~(-1)，后逐渐降低，最终维持在1.60 g·L~(-1)～1.80 g·L~(-1)之间。
将各种不同存在形态的E．coli JM109(pGEX-AZR)投加到厌氧序批式生物反应器(AnSBR)中，考察其对生物脱色过程的强化作用，投加游离态和大孔泡沫固定菌体的系统表现出类似的强化性能，脱色能力及抗浓度负荷冲击的能力都高于投加海藻酸钠包埋菌体的强化系统和对照系统。在运行过程中取污泥总DNA进行指纹分析的结果表明，E．coli JM109(pGEX-AZR)能够在强化系统维持较高的丰度，不同形式E．coli JM109(pGEX-AZR)的投加丰富了污泥群落的多样性。
【关键词】：偶氮染料 基因工程菌 Escherichia coli JM109(pGEX-AZR) 生物强化 指纹分析 【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：X703;X172
【目录】：
- 摘要4-6
- Abstract6-11
- 1 偶氮染料降解菌的研究进展11-39
- 1.1 偶氮染料的特性及危害11-12
- 1.1.1 偶氮染料概念与其废水的特征11
- 1.1.2 偶氮染料毒性与其代谢的关系11-12
- 1.2 含偶氮染料的废水的处理方式12-14
- 1.2.1 染料工业废水特点12-13
- 1.2.2 染料工业废水的处理方法13-14
- 1.3 影响偶氮染料生物处理的因素14-20
- 1.3.1 偶氮染料结构对其生物降解性的影响14-19
- 1.3.2 细菌细胞透性与偶氮染料生物降解性的关系19-20
- 1.4 染料的生物共代谢处理方法20-28
- 1.4.1 生物共代谢的定义20-21
- 1.4.2 生物共代谢的特点及影响因素21-23
- 1.4.3 生物共代谢的动力学23-28
- 1.5 偶氮染料的降解高效菌28-29
- 1.5.1 细菌28-29
- 1.5.2 真菌29
- 1.5.3 藻类29
- 1.6 偶氮染料细菌降解机理和偶氮还原酶29-31
- 1.7 基因工程菌在染料降解中的应用31-34
- 1.7.1 基因工程菌的构建31-33
- 1.7.2 染料基因工程菌的构建33-34
- 1.8 本论文研究内容及意义34-39
- 1.8.1 实验用基因工程菌的构建及其对偶氮染料的脱色性能34-37
- 1.8.2 本文的研究内容及意义37-39
- 2 Escherichia coli JM109 (pGEX-AZR)培养条件的优化39-55
- 2.1 材料与方法39-42
- 2.1.1 实验材料39
- 2.1.2 实验方法39-42
- 2.2 结果与讨论42-54
- 2.2.1 E.coli JM109 (pGEX-AZR)的生长曲线及质粒稳定性42-43
- 2.2.2 E.coli JM109 (pGEX-AZR)的培养条件优化43-49
- 2.2.3 偶氮还原酶表达量优化49-54
- 2.3 本章小结54-55
- 3 E.coli JM109 (pGEX-AZR)对偶氮染料脱色的共代谢作用及其动力学分析55-69
- 3.1 材料与方法55-56
- 3.1.1 实验材料及分析方法55
- 3.1.2 实验方法55-56
- 3.2 结果与讨论56-67
- 3.2.1 生长基质的利用动力学56-60
- 3.2.2 染料的脱色动力学60-65
- 3.2.3 菌体的生长动力学65-66
- 3.2.4 共代谢动力学方程66-67
- 3.3 本章小结67-69
- 4 E.coli JM109 (pGEX-AZR)脱色偶氮染料的条件优化及机理分析69-91
- 4.1 材料与方法69-72
- 4.1.1 实验材料69-70
- 4.1.2 游离E.coli JM109(pGEX-AZR)脱色实验方法70
- 4.1.3 海藻酸钠固定E.coli JM109(pGEX-AZR)的脱色实验70-71
- 4.1.4 聚亚胺酯大孔泡沫固定E.coli JM109(pGEX-AZR)的脱色实验71
- 4.1.5 HPLC-MS的分析方法71-72
- 4.2 结果与讨论72-88
- 4.2.1 游离态E.coli JM109(pGEX-AZR)对偶氮染料的脱色72-77
- 4.2.2 海藻酸钠固定E.coli JM109(pGEX-AZR)对偶氮染料的脱色77-81
- 4.2.3 大孔泡沫固定E.coli JM109(pGEX-AZR)对偶氮染料的脱色81-84
- 4.2.4 偶氮染料降解过程的分析84-88
- 4.3 本章小结88-91
- 5 E.coli JM109 (pGEX-AZR)在SAnMBR中对酸性大红GR脱色的研究91-100
- 5.1 材料与方法91-93
- 5.1.1 实验用菌种及模拟染料废水91
- 5.1.2 实验装置91
- 5.1.3 实验方法及操作条件91-92
- 5.1.4 分析方法92-93
- 5.2 结果与讨论93-98
- 5.2.1 对酸性大红GR脱色情况93-94
- 5.2.2 对COD_(Cr)去除情况94-95
- 5.2.3 反应器中菌体浓度的变化95
- 5.2.4 反应器中胞外聚合物浓度的变化95-97
- 5.2.5 反应器中过膜压差的变化97-98
- 5.3 本章小结98-100
- 6 E.coli JM109 (pGEX-AZR)对偶氮染料脱色的生物强化作用及DNA指纹分析100-125
- 6.1 材料与方法100-104
- 6.1.1 实验材料100
- 6.1.2 实验方法100-104
- 6.2 结果与讨论104-124
- 6.2.1 强化体系中E.coli JM109(pGEX-AZR)最佳接种量的确定104-105
- 6.2.2 强化体系对pH冲击的耐受能力105-106
- 6.2.3 强化体系对盐度冲击的耐受能力106-107
- 6.2.4 不同存在形态的E.coli JM109(pGEX-AZR)强化AnSBR107-114
- 6.2.5 大孔泡沫固定E.coli JM109(pGEX-AZR)强化AnSBR114-118
- 6.2.6 游离态E.coli JM109(pGEX-AZR)强化AnSBR118-124
- 6.3 本章小结124-125
- 7 结论与建议125-127
- 7.1 结论125-126
- 7.2 建议126-127
- 参考文献127-135
- 创新点摘要135-136
- 攻读博士学位期间发表学术论文情况136-137
- 致谢137-138
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