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《华侨大学》 2015年
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固氮红细菌对模拟水体中无机三态氮去除特性的研究

徐慧芳  
【摘要】:目前,海水养殖水体污染问题日益严重,其中氮污染是影响海水养殖业发展的首要问题,因此消除养殖水体氮污染、恢复微生态平衡,是解决养殖水体污染问题的关键。不产氧光合细菌(Anoxygenic phototrophic bacteria,APB)已在去除水体中的无机三态氮,恢复水体微生态平衡及提高养殖动物免疫力等方面显示出重要作用。然而,APB处理的实际水体环境复杂,探求复杂水体环境中APB的除氮效果,具有重要的实际应用价值。目前,关于APB去除亚硝氮的能力、以及对养殖水体中三氮的利用和转化研究报道较少。APB的实际应用中会受到水体中多种小分子有机氮源、碳源及盐度等的影响。针对以上问题,本文以固氮红细菌(Rhodobacter azotoformans)R7为材料,首先通过条件优化提高生物量,为其应用奠定基础;在此基础上,进一步探究了该菌株对三种无机态氮的去除特性、对无机三态氮的利用与转化能力以及无机三态氮对菌株生长和光合色素合成的影响;为了提高菌株的实际应用效果,又探究了复杂的水体环境因素,包括无机和有机氮化合物、有机碳化合物和盐度对菌株生长以及除氮效果的影响。主要结果如下:通过单因子轮换试验法(One-factor-at-a-time,OFAT)优化获得提高菌体生物量及Car产量的最适条件为:装样量为80%、3 g/L酵母粉、5 g/L蛋白胨、2.5 g/L葡萄糖。在最适条件下,菌体生物量由3.34 g/L提高到17.59 g/L,提高了4.27倍;菌体类胡萝卜素含量由优化前2.43 mg/L提高到30.31 mg/L,提高了11.47倍,主要积累球形烯、羟基球形烯及球形烯酮3种类胡萝卜素。Car光稳定性研究表明,含酮基的球形烯酮稳定性较高,在0 lux、500 lux及3000 lux光照条件下其半衰期依次为:568.53 h、405.56 h及112.64 h。R7菌株对无机三态氮的去除与转化结果显示,R7菌株能利用氨氮、硝氮及亚硝态氮良好的生长,对硝氮和亚硝氮具有较强的耐受和去除能力。培养8天内,R7菌株对氨氮、硝氮和亚硝氮最大去除量分别为:6.10 mmol/L、21.36mmol/L和16.86 mmol/L,最大耐受浓度分别为43.47 mmol/L、52.17 mmol/L和34.78 mmol/L;在4.54 mmol/L氨氮、34.35 mmol/L硝氮和34.64 mmol/L亚硝氮共存的体系中,该菌株对氨氮、硝氮及亚硝氮的去除率分别为54.38%、31.48%和99.95%;对无机三态氮的利用和转化的结果分析显示,分别以氨氮、硝氮和亚硝氮为唯一氮源培养的过程中,均出现了另外两种无机氮的暂时性积累,随着培养时间的延长,逐渐被去除。上述结果表明,R7菌株存在多种氮代谢作用,具有反硝化作用、厌氧硝化作用和亚硝酸盐厌氧氧化作用。氨氮、硝氮及亚硝氮对菌株生长和菌体光合色素合成的影响,结果表明:水体中氨氮(≤43.48 mmol/L)或硝氮(≤52.17 mmol/L)对菌体生物量及Car含量影响不明显,低浓度氨氮(≤8.70 mmol/L)或硝氮(≤8.66 mmol/L)对菌株生长具有促进作用;上述结果表明,水体中氨氮和硝氮对菌株色素含量的影响不明显,水体中亚硝氮浓度越高,对R7菌体色素的合成抑制越明显。环境中可能存在的小分子碳(糖类、有机酸或醇)、有机氮(酵母浸出粉、蛋白胨或尿素)和盐度影响菌株对无机三态氮的去除,结果表明:环境中的不同碳源对R7去除硝氮和氨氮的影响较大;丙酸钠能够提高菌株去除无机三态氮的能力,去除率均在87%以上;含丙酸钠或乙酸钠的环境中,利于菌株对氨氮和亚硝氮的去除,去除率分别在85%及98%以上;含蔗糖、丙酸钠或甘露醇的环境中,利于菌株对硝氮的去除,去除率均在80%以上;酵母粉(≤1.43mmol/L)的环境中,菌株对氨氮、硝氮和亚硝氮的最大去除率分别为97.61%、99.50%及99.08%;蛋白胨(≤3.21 mmol/L)的环境中,菌株对氨氮、硝氮和亚硝氮的最大去除率分别为90.57%、94.36%及99.54%;尿素(≤0.71 mmol/L)环境中,菌株对氨氮、硝氮和亚硝氮的最大去除率分别为98.26%、50.68%及99.69%;不同盐浓度(≤2 g/L)环境中,氨氮、硝氮及亚硝氮的最大除率分别为55.03%、96.62%及83.53%以上。R7对实际养殖水体中三态氮的去除效果结果表明,微好氧条件下该菌株能够有效地去除复杂的自然养殖水体中的三态氮。综上所述,经过条件优化,R7菌体生物量明显增加,且积累抗氧化性强的含酮基的类胡萝卜素,为该菌株在养殖水体中的实际应用奠定了基础。R7菌株对氨氮、硝氮及亚硝氮均具有较强的去除能力,对高浓度无机三态氮共存水体中的三态氮也具有较高去除及耐受能力。在含有小分子有机糖类、有机酸或醇、有机氮和不同盐度等复杂水体环境中,该菌株适应性强,能够去除水体中的无机三态氮。R7菌株的营养功能及去除无机三态氮的高效性具有潜在应用价值,为进一步开发环境适应能力强、针对性强的新型高效APB微生物生态制剂提供了理论参考。
【关键词】:不产氧光合细菌 养殖水体 无机三态氮 氮代谢 类胡萝卜素
【学位授予单位】:华侨大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:X52;X714
【目录】:
  • 摘要3-5
  • Abstract5-12
  • 缩略名词中英文对照表12-13
  • 第1章 绪论13-27
  • 1.1 水产养殖的现状及其存在的问题13-16
  • 1.1.1 水产养殖的现状13-14
  • 1.1.2 水产养殖水体污染来源14-15
  • 1.1.3 水产养殖水体污染的治理15-16
  • 1.2 不产氧光合细菌在水产养殖方面的应用研究进展16-20
  • 1.2.1 不产氧光合细菌的基本特性16-18
  • 1.2.2 不产氧光合细菌对养殖水体水质的调控18-19
  • 1.2.3 不产氧光合细菌在水产养殖饲料添加剂中的应用19-20
  • 1.3 微生物的氮代谢途径及去除无机三态氮的研究现状20-23
  • 1.3.1 微生物氮代谢途径研究进展20-22
  • 1.3.2 微生物去除无机三态氮的研究现状22-23
  • 1.4 不产氧光合细菌的氮代谢研究进展23-24
  • 1.4.1 不产氧光合细菌的氮代谢途径23
  • 1.4.2 不产氧光合细菌去除无机三态氮的研究现状23-24
  • 1.5 课题的研究思路和主要研究内容24-27
  • 第2章 固氮红细菌培养条件优化及Car光稳定性研究27-41
  • 2.1 材料和方法28-30
  • 2.1.1 材料28-29
  • 2.1.2 方法29-30
  • 2.2 结果和分析30-38
  • 2.2.1 R7菌株培养条件优化30-32
  • 2.2.2 优化前后的培养条件对菌体生长及光合色素合成的影响32-34
  • 2.2.3 Car的组分分析及光稳定性分析34-38
  • 2.3 讨论38-41
  • 第3章 固氮红细菌对无机三态氮的去除特性41-53
  • 3.1 材料和方法42-44
  • 3.1.1 材料42
  • 3.1.2 方法42-44
  • 3.2 结果与分析44-50
  • 3.2.1 R7菌株对氨氮的去除特性44-45
  • 3.2.2 R7菌株对硝氮的去除特性45-47
  • 3.2.3 R7菌株对亚硝氮的去除特性47-49
  • 3.2.4 R7菌株对无机三态氮共存的去除特性49-50
  • 3.3 讨论50-53
  • 第4章 固氮红细菌对无机三态氮的利用和转化53-61
  • 4.1 材料和方法54-55
  • 4.1.1 材料54
  • 4.1.2 方法54-55
  • 4.2 结果与分析55-59
  • 4.2.1 R7菌株对氨氮的利用与转化作用55-56
  • 4.2.2 R7菌株对硝酸盐的利用与转化作用56-58
  • 4.2.3 R7菌株对亚硝酸盐的利用与转化作用58-59
  • 4.3 讨论59-61
  • 第5章 无机三态氮对菌体生长和菌体光合色素合成的影响61-73
  • 5.1 材料和方法62-63
  • 5.1.1 材料62
  • 5.1.2 方法62-63
  • 5.2 结果和分析63-71
  • 5.2.1 氨态氮对R7菌株生长及光合色素合成的影响63-65
  • 5.2.2 硝态氮对R7菌体生长及光合色素合成的影响65-68
  • 5.2.3 亚硝氮对R7菌体生长及光合色素合成的影响68-71
  • 5.3 讨论71-73
  • 第6章 小分子有机碳源和氮源对固氮红细菌去除无机三态氮的影响73-91
  • 6.1 材料和方法74-76
  • 6.1.1 材料74
  • 6.1.2 方法74-76
  • 6.2 结果与分析76-89
  • 6.2.1 有机碳源对菌株生长和无机三态氮去除的影响76-77
  • 6.2.2 有机氮源对菌株生长和无机三态氮去除的影响77-85
  • 6.2.3 盐度对菌体生长和无机三态氮去除的影响85-87
  • 6.2.4 实际养殖废水中R7菌株对无机三态氮的去除87-89
  • 6.3 讨论89-91
  • 第7章 结论与展望91-95
  • 7.1 结论91-92
  • 7.2 展望92-95
  • 参考文献95-103
  • 致谢103-105
  • 在学期间发表的学术论文与研究成果105

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