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丝状真菌Aspergillus niger A80胞外多聚物的生成特征及其对重金属(Zn、Cd和Pb)的络合效能

刘雪  
【摘要】:微生物细胞分泌体外的大分子粘性高聚物,胞外多聚物(extra-celluar polymers,ECP),在生物膜法去除水体重金属中扮演重要角色,微生物ECP的产量、组成及结构等性质特征因微生物种类、生长条件和提取方法而存在较大差异,进而会影响与重金属的相互作用。本文以一株高产ECP的黑曲霉Aspergillus niger A80为实验材料,提纯、分析不同微生物生长阶段产生的ECP的数量、化学成分与结构,探析其与重金属离子(Zn(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)和Pb(Ⅱ))的络合作用及机理,并通过响应曲面法(Response surface methodology,RSM)对A. niger A80生产ECP的培养条件进行优化,旨在为深入了解水环境中重金属的迁移转化过程,进一步为揭示生物膜吸附重金属的机理提供重要参考。 主要研究结果如下: (1)离心-醇沉-透析法提纯的A. niger A80产生的ECP外观上为浅黄褐色、粘稠性较大(“剪切变稀”的假塑性流体特征),分子量14600Da,SEM显示出表面多孔,复杂分枝的三维网状结构,FT-IR检测有较多的羟基、羧基等电负性基团,多聚糖为其主要的化学组分(占80%以上),且多聚糖主要由果糖、鼠李糖、葡萄糖和半乳糖等单糖构成。在A. niger A80的生长过程中,ECP产量呈现出逐渐减少的趋势,化学组成上呈现多糖含量减少,蛋白质含量基本不变,核酸含量升高的现象,分子量分布呈现先降低后增大的趋势等变化规律。 (2)A. niger A80的ECP对Zn(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)有较强的络合作用(对Zn(Ⅱ)的最大络合容量(Qmax)37.3mg/g;对Pb(Ⅱ)的Qmax28.5mg/g;对Cd(Ⅱ)的Qmax24.7mg/g),且络合作用大小表现出6d ECP10d ECP3d ECP。 (3)ECP与重金属的络合动力学研究表明,A. niger A80的ECP对Zn(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的络合过程大致分三个阶段:快速络合阶段、慢速络合阶段及络合平衡,且络合过程符合准二级动力学模型。热力学研究表明,ECP络合Zn(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)的过程符合Langmuir等温模型。 (4)A. niger A80的ECP中主要组分对重金属离子络合能力的大小顺序为:多糖(80%)核酸(19%)蛋白质(1%),且多糖中各类单糖的重金属离子络合力规律依次为:葡萄糖对Cd(Ⅱ)络合能力最强(57.93mg/g);果糖对Cd(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)络合能力较强,分别为31.00和31.17mg/g;半乳糖对Zn(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)络合能力较强,分别为27.07和32.40mg/g;鼠李糖对Zn(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)络合能力较强,分别为23.12和22.75mg/g。 (5)基于中心组合设计的RSM法对A. niger A80生长的4个影响因子:乳糖投加量、酵母膏投加量、培养基pH和培养周期的优化研究表明:当乳糖投加量、酵母膏投加量、培养基pH和培养周期分别为120g/L,2.0g/L,6.5和116h时,ECP的产量最大,达339.21TOC mg/L。优化后ECP产量为323.87TOC mg/L,与模型拟合结果误差在5%以内,所得模型可靠。


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