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溶藻菌与絮凝技术处理铜绿微囊藻的研究

孙朋飞  
【摘要】:当前,有害水华时常爆发,而铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa)则是我国水华爆发的罪魁祸首。据报道,我国75%以上的湖泊遭受了水华污染,这不仅给地区经济发展带来了严重的威胁,也给水生生物乃至人类健康带来了不小挑战。由此可见,现在我们急需寻找能够有效治理有害水华的策略以减少其爆发给我们带来的不利影响。在本研究中,我们分别研究了不同溶藻菌以及微生物絮凝剂对铜绿微囊藻的除藻效果,并得到如下主要结论:(1)分别以麸皮和葡萄糖为碳源研究柠檬酸杆菌R1(Citrobacter sp. R1)对铜绿微囊藻的溶藻特性,结果表明,当以葡萄糖为唯一碳源时,细菌R1在72h时对铜绿微囊藻的溶藻率可达到81.63±2.18%;而当以麸皮为唯一碳源时,其72 h的溶藻率仅为-0.08±3.34%。为了研究造成该差异的分子机理,首先使用转座突变法构建细菌R1的突变株,再通过巢式PCR等技术获得该菌的溶藻关键基因,经鉴定该基因为糖原合成酶A,即glgA。随后分别在转录和翻译两个水平寻找原因。首先以glgA为目标基因,测定了两种不同碳源培养下glgA基因的表达量。结果发现葡萄糖为碳源时glgA基因的相对表达量略小于以麸皮为碳源培养时的相对表达量,由此推测,glgA基因转录水平的差异可能不是导致溶藻效果出现差异的原因。其次检测了细菌R1的全蛋白表达谱,结果发现细菌R1在两种不同碳源培养下总蛋白表达差异显著。在以葡萄糖为碳源时,其蛋白表达种类相对较少;而当以麸皮为碳源时,细菌蛋白表达种类明显增多。由此推测,不同碳源培养诱导的细菌R1蛋白表达差异可能是导致其溶藻效果差异的主要原因。(2)我们研究了产碱杆菌F8 (Alcaligenes aquatilis F8)对铜绿微囊藻的溶藻活性。细菌F8在72 h内对铜绿微囊藻的溶藻率可以达到88.45±1.24%。为了更好地实际应用,使用海藻酸钠对细菌F8进行了固定化处理,结果却发现固定化抑制了细菌F8的溶藻活性。然而,向海藻酸钠基质中添加麸皮不仅能够消除固定化技术给溶藻活性带来的负面影响,而且还能将固定化F8的溶藻活性提高8.83%。实验中依次使用了排除法和回补法研究麸皮中促进固定化细菌溶藻活性的关键成分。结果发现麸皮中的关键组分维生素B1、B2、B9以及E可通过促进固定化细菌的生长的方式促进其溶藻活性。(3)我们首次将甲基营养型芽孢杆菌ZJU(Bacillus methylotrophicus ZJU)用于控制铜绿微囊藻的研究。通过分析藻细胞中相对活性氧水平、丙二醛浓度、超氧化物歧化酶活性以及通过荧光染色技术发现细菌ZJU对藻细胞造成的氧化损伤主要改变了藻细胞的膜通透性、代谢活性及其膜电位。此外,使用固定化技术强化细菌ZJU的实用性,在此基础上,我们提出了一个新的想法:即在固定化的过程中添加Fe304纳米颗粒与麸皮来增强固定化ZJU的溶藻性能。实验结果表明Fe304纳米颗粒赋予了固定化ZJU大小为30.87 emu/g的磁性,这使得我们能够使用磁性装置将其回收。而麸皮的添加将固定化ZJU的溶藻活性提高了10.34%。(4)本实验中制备了一种由粘土、微生物絮凝剂以及无机絮凝剂组成的新型复合絮凝剂,同时研究了该复合絮凝剂对铜绿微囊藻的絮凝能力。由铜绿假单胞菌ZJU 1 (Pseudomonas aeruginosa ZJU 1)分泌的胞外多聚物(EPS)是该复合絮凝剂的关键组分。我们分析了EPS的组成及其官能团,结果表明多糖、蛋白质以及核酸是EPS的主要成分,而其中的极性基团则与其絮凝活性有关。使用响应面法优化该复合絮凝剂的组成,其最优组分及其浓度分别为高岭土2.38 g/L、CaCl20.28 g/L、KAl(SO4)20.09 g/L以及EPS 1.75 mg/L.进一步测定了复合絮凝剂的絮凝活性,结果表明当铜绿微囊藻浓度(OD680)为0.1时,复合絮凝剂对其絮凝率可在2 min内达到100±0.13%;而当藻细胞浓度增长到1.0时,复合絮凝剂对其絮凝率可在5 min内达到100±0.08%。(5)实验中纯化到另一种新型的微生物絮凝剂,EPS-1,并用于絮凝处理高岭土以及铜绿微囊藻。EPS-1的一个重要的特征即其蛋白质浓度,EPS-1中至少含有18种蛋白质,总蛋白浓度为31.70%,蛋白组分对EPS-1絮凝活性的贡献率不小于33.93%。此外,EPS-1含有57.12%的多糖,主要由麦芽糖,D-木糖,甘露糖以及D-果糖组成。EPS-1的主要官能团有羰基、氨基、羟基以及酰胺基。组成EPS-1的三种主要元素分别为C1s、O1s及N1s,目他们的相对含量依次为62.63%、24.91%以及10.5%。Zeta电势分析结果表明电荷中和机理仅在高岭士的絮凝过程中发挥着重要的作用。此外,我们优化了EPS-1的絮凝条件并测定了其最优絮凝活性,结果表明对高岭土而言,EPS-1可在2 min内达到其最大絮凝值(93.34±0.75%);而对M.aeruginosa而言,其能在10 min内达到最大絮凝值(87.98±0.42%)。


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