跨界融合构建复合菌群高效降解制浆造纸废水的研究

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制浆造纸废水成分复杂、难降解有机物多、COD浓度高、毒性大、可生化性低、处理难度大,是我国的重要污染源。制浆造纸废水生物法处理成本低、工作负荷低及二次污染小等优点,其主要是利用微生物的新陈代谢功能,使废水中呈溶解和胶体状态的有机污染物降解并转化为无害稳定的物质,从而使废水净化。国内外学者的研究主要集中在单一优势菌株的筛选和培育,但是关于跨界融合水处理技术方面的研究很少。本研究利用白黄小脆柄菇(Psathyrella candolleana (Fr.)A.H.Smith)和4种常用于水处理的细菌,即芽孢杆菌(Bacillus sp.)、阴沟肠杆菌(Enterobacter Cloacae)、戈登氏菌(Gordonia sp.)和恶臭假单胞菌(Pseudomonas putida)等分别进行原生质体跨界融合,采用抗生素抗性筛选出遗传性状稳定的工程菌株,构建高效的复合菌群意在提高菌株处理制浆造纸废水的效率,为利用原生质体融合技术构建制浆造纸废水处理工程菌提出发展方向。首先对白黄小脆柄菇和阴沟肠杆菌的原生质体跨界融合条件进行优化,在单因素实验的基础上采用三因素三水平的响应面分析,根据回归分析确定较优的融合条件为:PEG34.9%、时间10.4min、温度36.4℃。然后用含抗生素的培养基对融合子进行初筛,将筛选出的11株融合子进行降解木质素研究,其中融合子PE-9经2天的培养后,木质素去除率达到了27.3%,具有良好的降解木质素潜力。重点研究阴沟肠杆菌和白黄小脆柄菇进行原生质体跨界融合,采用含双抗生素平板培养基筛选融合子,并且测定融合子的漆酶酶活,将其中的酶活力相对较高融合子进行分子生物学鉴定,包括总DNA的提取、16SrDNA PCR扩增和漆酶特定序列引物筛选鉴定。同样的实验方法将芽孢杆菌、戈登氏菌和恶臭假单胞菌分别与白黄小脆柄菇进行原生质体融合,融合子进行筛选和SEM形态观察。研究表明,阴沟肠杆菌和白黄小脆柄菇及它们的融合子基因组DNA都已经提出,16SrDNA证实了PE-6和PE-9包含有阴沟肠杆菌的基因组,PE-9漆酶基因引物筛选扩增出条带,但特异性不高,产生多带,需进一步分子生物鉴定。 PE-9、PB-3、PG-1和Ppp-3的漆酶酶活相对较高,它们融合子细胞形状特征,不同于任一亲株,大小介于亲株之间,与相关研究报道相类似。利用前期筛选出的PE-3、PE-6、PE-7和PE-9,选用Logistic equation方程建立融合子的菌体生长动力学模型曲线方程分别为:CPE-3(t)=0.0156e0.460t/[1-0.00823(1-e0.460t)]、CPE-6(t)=0.0251e0.416t/[1-0.0123(1-e0.416t)]、 CPE-7(t)=0.0231e0.391t/[1-0.0143(1-e0.391t)]、CPE-9(t)=0.0136e0.505t/[1-0.00695(1-e0.505t)]。通过对不同氮源和碳源对融合子木质素降解性能和产漆酶酶活及木质素的降解动力学进行研究,确定NH4Cl和蔗糖分别为合适的氮源和碳源。融合子对不同浓度木质素的降解,发现均符合Andrews非竞争性底物抑制模型方程分别为: q(PE-3)=1.61S/(S+48.4+S2/437.2)、 q(PE-6)=1.80S/(S+51.6+S2/491.1)、q(PE-7)=1.42S/(S+41.4+S2/419.0)、q(PE-9)=1.88S/(S+52.8+S2/516.4)。进一步比较说明了PE-9有很好的研究应用潜力,对木质素降解能力较好,以期后续将其运用于制浆造纸废水的处理研究。依次采用Plackett-Burmurman(PB)实验、最陡爬坡实验、中心组合设计和响应面法分析对实验室9种菌株处理制浆造纸废水进行最佳复合菌群构建。首先,采用Plackett-Burman设计得出对制浆造纸废水降解有显著影响的4株菌种:Bacillus sp.、PE-9、Pseudomonas putida、Xz6-1。在此基础上,由最陡爬坡实验确定最大响应区域,然后通过中心组合设计和响应面法分析对显著菌株细胞浓度进行优化。优化后构建的最佳复合菌群(OD600)组成为:Bacillus sp.0.35、Enterobacter Cloacae0.2、Gordonia sp.0.3、Pseudomonas putida0.38、PB-30.3、PE-90.41、PG-10.2、Ppp-30.3、Xz6-10.35。构建的复合菌群处理制浆造纸废水的COD去除率为86.9%,与预测值(85.7±0.5)%接近,说明运用统计学方法构建复合菌群具有可行性。
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