趋化性微流控检测系统开发及其在水处理中的应用

【摘要】：细菌趋化性是指有运动能力的细菌对环境化学物质梯度产生响应,趋向某些化学诱导剂或避开某些化学驱避剂的移动行为,是微生物适应环境变化而生存的一种基本属性。研究细菌趋化性对于利用细菌治理环境、控制病原菌侵染机体,以及开发微生物工业项目等方面都具有重要意义。微流控芯片可以实现对细菌趋化性的定性与定量检测,与传统的检测方法相比,可以更好地对细菌的微环境进行控制,并且有较高的灵敏度,解决了传统趋化性检测方法中存在的一些难以解决的难题,它不仅能够在通道内建立稳定的,可控的化学物质浓度梯度,还能够实现对细菌趋化性进行量化分析,实验操作简单,能够实现快速分析,为细菌趋化性在各方面的应用提供了很好的手段。本文设计了一款微流控芯片,建立了以微流控芯片为反应设备,荧光显微镜为观察设备,CCD为记录设备的微流控检测系统,通过在芯片通道中形成趋化剂浓度梯度,对细菌趋化性进行检测和量化分析。运用这一微流控系统对细菌趋化性进行了on-chip分析,探究了包括细菌所处环境的温度、光强、趋化剂种类和趋化剂浓度等客观因素,以及细菌种类和结构特点等对细菌趋化性的表现形式和强弱产生的影响。并选取活性污泥中几种常见细菌,利用微流控芯片进行趋化性检测,通过趋化偏移系数大小来判断不同菌种对特定污染物的趋向性强弱,为活性污泥处理法优势种群筛选提供了新的方法。通过对比不同流速下荧光剂的扩散情况,最终选择趋化剂/缓冲溶液流量为80μL/h,菌液流量为40μL/h(通道内流速为1.24 mm/s)作为趋化性实验的最佳流速。实验结果表明,大肠杆菌对不同的趋化剂响应程度不同,对天冬氨酸的趋向程度高于丝氨酸和亮氨酸,对不同浓度的天冬氨酸和亮氨酸响应程度也不同,趋化运动的距离随浓度的增加而增加,且在增加到一定值后,增加速度变慢并趋于平稳。有无鞭毛结构对细菌趋化性有很大影响,实验选取标准大肠杆菌与无鞭毛型大肠杆菌BL21在相同条件下进行实验,表明与标准大肠杆菌相比,无鞭毛细菌的偏移运动很小,说明非运动型细菌不能表现趋化性。最后,实验还选取活性污泥中含量较高的铜绿假单胞菌、普通变形菌和嗜酸寡养单胞菌三种细菌进行实验,以天冬氨酸作为趋化剂,根据所得三种细菌趋化偏移系数得知,铜绿假单胞菌对天冬氨酸的偏移系数最大,即趋向运动最明显,在三种细菌同时存在条件下,天冬氨酸会最先运动到天冬氨酸浓度较高的区域并进行降解利用。利用这一方式,可以根据不同细菌对特定污染物的趋化程度不同,来筛选对某种污染物有较强趋化性且能实现对污染物有更强降解效能的菌株,在污水生物处理中发挥作用。