好氧反硝化菌Enterobacter sp.FL的脱氮及自聚集特性研究

摘要

随着现代工业和社会经济的快速发展，由环境污染所引发的问题日益严重，其中水体污染成为环境污染的主要问题之一，而水体氮素失衡导致水体富营养化，则是水体污染日益严重的重要表现。好氧反硝化菌作为一种新型的脱氮功能微生物，因其对溶氧的耐受能力，及其好氧条件下的高效反硝化能力，为解决水体氮素污染提供了新的研究思路。
　　本研究从活性污泥中，分离得到一株具有好氧反硝化特性和自聚集特性的细菌。通过16S rDNA基因测序，将其鉴定为肠杆菌（Enterobacter sp.），命名为Enterobacter sp. FL（菌株FL）。以菌株FL为研究对象，在考察其好氧反硝化特性的基础上，重点研究菌株的自聚集特性，并深入探讨胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substances，EPS）对其自聚集特性的影响作用机制，以期为这类同时具有好氧反硝化和自聚集特性的功能微生物的实际应用提供一定的理论依据和技术指导。
　　本研究以NO3--N作为菌株FL生长的唯一氮源，在有氧条件下，考察其反硝化和自聚集特性。初始NO3--N浓度为100 mg/L时，菌株对NO3--N、TN的去除率分别为98.9%、74.8%，N2是其反硝化产生的主要含氮气态产物，同时，反硝化过程中Nar、Nir酶也表现出一定的活性。综上，推测菌株FL可能是通过将NO3--N还原成NO2--N并进一步还原成N2等含氮气态产物来实现对NO3--N的去除的。此外，菌株FL在反硝化过程中表现出一定的自聚集能力，能形成一类结构紧密、表面粗糙、内部有孔的聚集体。研究构建一个仅接种菌株FL的SBR反应器，考察菌株反硝化能力和自聚集能力的稳定性，反应器稳定运行16个周期，期间对NO3--N、TN的去除率分别稳定在94.8%、60%左右，自聚集率稳定在35.0%~41.5%范围内。以上结果表明，菌株FL具有高效且稳定的脱氮能力，同时也具有稳定的自聚集能力，表现出一定的潜在应用价值。
　　对菌株FL反硝化过程中产生EPS进行研究，并探讨其对菌株自聚集能力的影响。研究表明，菌株FL EPS的主要成分为蛋白质和多糖，且前者含量远多于后者，而这两种组分均被报道与微生物的聚集特性有关。研究进一步对 EPS提取前后菌株的自聚集能力进行测定：一个培养周期内，细胞的自聚集能力随 EPS浓度增加而增加，最大值可达48.9%，而提取EPS后细胞的自聚集能力大幅下降，仅为8.0%；此外，EPS对SBR反应器中的细胞悬液也有约为22.3%的自聚集贡献率，EPS提取前其自聚集率为39.2%，提取后下降至16.9%。这表明，EPS在菌株FL的细胞自聚集体过程中的确扮演着至关重要的角色。
　　在明确 EPS对菌株自聚集能力影响的基础上，本研究从官能团变化、蛋白质二级结构变化以及EPS的分布特性等角度，进一步考察了EPS对菌株自聚集特性的影响机制。研究表明：EPS提取后，细胞表面的官能团发生明显变化，其中归属于多糖类物质的官能团种类减少，被指定为蛋白质酰胺I区的峰值发生明显的迁移，从1654 cm-1迁移到1648 cm-1。特别的，蛋白质酰胺I区的不同二级结构被报道与微生物的聚集特性有关。本研究中，EPS提取前细胞酰胺I区蛋白质二级结构主要为促进细胞聚集的结构，如：β-折叠（49.0%）和3-转角螺旋（31.6%）；而提取EPS后则变为抑制细胞聚集的无卷曲折叠结构（66.5%）；此外，EPS中也被测定有超过50%的蛋白质二级结构为促进细胞聚集的结构。表明，EPS包裹细胞通过改变细胞表面的官能团及蛋白质的二级结构从而影响细胞的自聚集作用。此外，观察 EPS以及细胞在聚集体中的分布特性，发现在整个聚集体中，多糖分布较为分散，蛋白质分布则十分均匀，并且蛋白质与细胞结合紧密，这种紧密且均匀的分布形式也为蛋白质二级结构的改变提供了可能。

目录

1 绪 论

1.1 好氧反硝化作用

1.2 EPS概述

1.3 EPS对微生物聚集的影响

1.4 研究目的与内容

2 菌株Enterobacter sp. FL的分离与鉴定

2.1 材料与方法

2.2 结果与讨论

2.3 本章小结

3 菌株Enterobacter sp. FL的脱氮特性及自聚集能力研究

3.1 材料与方法

3.2 结果与讨论

3.3 本章小结

4 菌株Enterobacter sp. FL的EPS及其对细胞自聚集特性的影响研究

4.1 材料与方法

4.2 结果与讨论

4.3 本章小结

5 结论与建议

5.1 结论

5.2 建议

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间的有关论文

B. 作者在攻读硕士学位期间的有关专利

C. 菌株Enterobacter sp. FL的16S rDNA基因序列