寡养单胞菌对水体致黑S~(2-)的氧化特性及其主要代谢途径研究

【摘要】：2015年4月,我国发布《水污染防治行动计划》提出分期整治城市黑臭水体的目标。其中,消除水体“发黑”是黑臭水体治理的主要任务之一。微生物法因操作简单、无二次污染等优点已被广泛用于黑臭水体治理工程中。针对黑臭水体中关键致黑污染物S~(2-),制备高效微生物菌剂减少水体中S~(2-)的富集,从而降低FeS、MnS等金属硫化物的产生,消除水体“发黑”现象,这已成为黑臭水体整治的有效途径之一。硫氧化菌(Sulfur-oxidizing Bacteria,SOB)可将S~(2-)或S~0等低价态的还原性硫化物完全氧化为SO_4~(2-)或部分氧化为更高价态硫化物。本课题组前期从黑臭水体中已经筛选获得一株高效硫氧化菌株,即寡养单胞菌Stenotrophomonas sp.sp3,并对Stenotrophomonas sp.sp3硫氧化功能基因进行了研究。本论文通过考察温度、初始pH、初始葡萄糖浓度和初始菌浓度对Stenotrophomonas sp.sp3的生长和对S~(2-)氧化的影响,优化了Stenotrophomonas sp.sp3对S~(2-)氧化的条件,分析了S~(2-)的氧化过程,利用转录组测序技术探讨了Stenotrophomonas sp.sp3对无机硫生物氧化的主要代谢途径,并采用响应面优化了Stenotrophomonas sp.sp3固定化菌剂制备的最佳条件。主要结果如下:(1)通过单因素实验获得了寡养单胞菌Stenotrophomonas sp.sp3对S~(2-)氧化的最适条件,为:反应温度25℃,初始pH值7.0,初始葡萄糖浓度0.25%,初始菌浓度1.00 g/L。在此适宜条件下,Stenotrophomonas sp.sp3在反应60 h后,对人工配制废水中S~(2-)的氧化率可达到86.6%。(2)通过对Stenotrophomonas sp.sp3氧化S~(2-)过程中的转录组学研究,表明在反应的1~18 h,hdrA基因和cys IJ基因表达水平显著提高,主要调控S~(2-)氧化为S~0和SO_3~(2-);在18~30h,tst基因和sox基因簇表达水平显著提高,主要作用于S_2O_3~(2-)的歧化反应和SO_4~(2-)的生成;最后30~60 h,调控SO_4~(2-)生成的sox基因簇表达水平较高,促使SO_4~(2-)浓度稳定上升至9.28 mg/L。(3)Stenotrophomonas sp.sp3对S~(2-)的主要氧化代谢途径仅存在副球菌硫氧化途径(paracoccus sulfur oxidation,PSO)。在此途径中,一部分底物S~(2-)经硫化物醌氧化还原酶(sulfide:quinone oxidoreductase,SQR)通路被氧化为S~0,另一部分底物S~(2-)经亚硫酸盐还原酶(sulfite reductase,SRN)通路直接氧化为SO_3~(2-);在氧化过程中生成的S~0与SO_3~(2-)可自发反应生成S_2O_3~(2-),而S_2O_3~(2-)经硫代硫酸盐-硫转移酶(thiosulfatesulfurtransferase,TST)通路发生歧化反应释放出SO_3~(2-)和S~0,SO_3~(2-)在sox基因簇调控下进一步氧化生成SO_4~(2-)。(4)通过响应面优化了Stenotrophomonas sp.sp3的固定化条件,结果表明固定吸附pH、吸附时间、菌剂接种量及载体投加量的最优组合为:8.14、37.35 h,6.02%和0.98 g。在此最优条件下,固定化菌剂对黑臭水样中S~(2-)的氧化率可达到82.4%。