革兰氏阳性菌对微生物电解池中微生物群落成膜及功能的影响研究

来源 :北京交通大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:liu395152417
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通常,根据细胞壁组成不同大致,可将自然界中的细菌大致分为革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌。在微生物电化学中,革兰氏阴性菌往往是主要的功能微生物(如地杆菌、希瓦氏菌等),因此大多数研究都集中在了阴性菌上,但在微生物电化学系统中也存在大量的革兰氏阳性菌,在一些自然环境中也报道了革兰氏阳性菌具备胞外电子传递的能力,但是对于它们在微生物电化学系统中生态功能和作用机制的认识非常有限,这对微生物电化学系统内的群落调控及推广应用带来了一定的限制。因此,本论文以微生物电解池为研究对象,通过溶菌酶特异性溶解掉革兰氏阳性菌的细胞壁,从而考察不同阶段(启动和运行)阳极生物膜中革兰氏阳性菌对微生物电解池电流、库伦效率、电子转移效率、气体产量及成分、COD去除效率等运行效果的影响,利用三维荧光、原位荧光杂交、激光共聚焦等技术研究了启动和运行阶段的生物膜结构变化;借助q PCR和16Sr RNA基因扩增子测序技术探究不同阶段生物膜中微生物群落组成及相对丰度的变化,并建立了其主要代谢路径以及革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌之间的生态网络关系。主要得到以下关键结论:(1)启动阶段实验组电流达到稳定的时间是对照组的2.12倍,实验组和对照组的库伦效率和阴极电子转移效率分别在第九个周期和第四个周期达到稳定;原位荧光杂交结果显示实验组阳极总菌的分布低于对照组,革兰氏阳性菌的比例(7.75±0.75%)略低于对照组(8.57±0.10%),无显著差异(P=0.26),但放线菌门却在实验组和对照组中表现出明显差异(P=0.046),说明添加溶菌酶主要通过影响革兰氏阳性菌中的放线菌门延缓生物膜的形成。(2)稳定阶段的电流维持在3.5-3.7 m A,库伦效率及阴极电子转移效率无明显差异,激光共聚焦和革兰氏染色结果显示添加溶菌酶对阳极和溶液无明显影响,主要影响阴极革兰氏阳性菌的占比,相对丰度由8.10±0.40%变为2.41±0.43%,具有显著差异(P<0.05),说明革兰氏阳性菌会影响阴极生物膜的形成,对稳定运行阶段的阳极生物膜无明显作用。(3)群落生态网络分析结果显示启动阶段实验组中极强负相关关系(-1≤r≤-0.9)占比为36.17%,高于对照组中的27.92%,说明启动阶段添加溶菌酶会显著增强革兰氏阳性菌与阴性菌之间的负相关关系;稳定运行阶段溶菌酶对阳极的影响较小,主要影响阴极革兰氏阳性菌和阴性菌之间的相关关系,但对极强负相关关系(-1≤r≤-0.9)影响较小,仅从不加酶条件下的0.00%升高至2.31%,且主要影响厚壁菌门和脱硫菌门之间的相关关系。综上所述,本文从反应器的运行效果、生物膜结构、微生物群落结构、相对丰度的变化以及成膜微生物与革兰氏阳性菌在生态中的相对关系研究了革兰氏阳性菌在生物成膜中的作用。为后续实际工程中实现快速成膜奠定了理论基础并提供了技术支撑。
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