两种环境生物技术的开发及应用：微生物絮凝剂和电导型生物传感器

摘要

生物技术在环境治理和环境保护中的广泛应用，衍生出一门新学科和新技术，即环境生物技术(Environmental Biotechnoiogies)。凡是与生物技术结合，对环境进行监控、治理或修复，清洁生产、污染物资源化以及生物材料和能源开发等，均属于环境生物技术研究和应用的范畴。其重点研究领域包括以生物传感器为代表的环境污染监控技术，工业和生活废水中污染物的微生物降解技术，生态环境生物防治和生物修复技术，环境友好可再生材料和能源的生物合成技术等。环境生物技术可实现环境效益与经济效益、社会效益的统一，对于解决环境污染难题、改善环境质量起到了极其重要的作用。 微生物絮凝剂(Microbial Flocculant，MBF)是由微生物产生的可使液体中不易沉降的固体悬浮颗粒、菌体细胞及胶体颗粒等凝聚沉淀的特殊高分子物质，具有高效、无毒、可生物降解等特点；而生物传感器(Biosensor)是将生物感应元件与能够产生和待测物浓度成比例信号的换能器结合起来的一种分析装置，具有灵敏度高、选择性好、响应快、可微型化等特点。针对环境生物技术领域内的这两个热点问题，本论文系统地研究了两种环境生物新技术的开发及应用：高效MBF和电导型生物传感器(Conductometric Biosensor)。主要研究内容和结果如下： 1．通过用新鲜培养基代替蒸馏水来做空白实验，提高了絮凝剂产生菌的筛选标准；从上海市多个污水处理厂的混合活性污泥中筛选出一株能产生高效MBF的菌株TJ-1，所产MBF命名为TJ-F1；常规菌种鉴定结果和16S rDNA测序结果均表明TJ-1为奇异变形杆菌(Proteus mirabilis)，这是首次发现奇异变形杆菌能产生MBF。 2．系统地研究了碳源、氮源、碳氮比和金属盐等对TJ-1产生MBF的影响，对培养基组成进行了优化；综合考察了培养时间、培养基初始pH值、培养温度、通气量和接种量等因素对TJ-1产生MBF的影响，对TJ-1产生MBF的培养条件进行了优化；TJ-1在优化培养环境中所产MBF的絮凝活性高达93％。 3．通过有机溶剂提纯法，从1 L发酵液中提取出1.33g纯化的固态TJ-F1。采用紫外扫描、傅立叶红外扫描、扫描电镜、总有机碳分析、化学成分分析和凝胶色谱等诸多手段对TJ—F1进行表征，分析其化学成分和结构，结果表明：纯化的TJ—F1呈线性晶态结构，由多糖(63.1％)和蛋白质(30.9％)等组成，含有O—H，N—H，氢键和—COOH等功能基团，分子量为1.2×105Da，属于天然有机高分子物质。 4．从Zeta电位变化角度，研究了影响TJ—F1絮凝效果的各种因素，分析了TJ—F1的絮凝机理：TJ—F1能够通过范德华力对颗粒物进行吸附；在碱性条件下有更多的吸附点，增强吸附架桥能力；CaCl2是能够有效降低TJ—F1絮凝体系的电负性，是TJ—F1发挥良好絮凝性能的助凝剂；在TJ—F1絮凝过程中，有沉淀网捕作用，提升了TJ—F1的絮凝性能。 5．TJ—F1可有效改善污泥的沉降性能和过滤性能。沉降性能实验结果表明，沉降时间相同时，在研究的MBF投加量范围内，污泥沉降速度与MBF用量成正比；过滤性能实验结果表明，在最佳脱水条件下，污泥过滤5 min后脱水率可达82％；污泥脱水对照实验表明，MBF比聚丙烯酰胺(polyacrylamide，PAM)或聚合氯化铝(poly aluminum chloride，PAC)的脱水效果要好；MBF和PAM或PAC的复配使用，不仅能增强絮凝效果，还能减少PAM或PAC的用量，减少二次污染，具有重要的应用价值。 6．TJ—F1对染料有很强的吸附能力，这对于染料废水脱色和染料的回收利用均有重要意义。TJ—F1能够有效地从溶液中吸附阳离子艳蓝RL，实现废水脱色；TJ—F1对阳离子艳蓝RL的吸附动力学可用伪二级动力学方程拟合；TJ—F1对阳离子艳蓝RL的吸附为放热反应，等温吸附线符合Langmuir和Freundlich等温吸附模型；TJ—F1对阳离子艳蓝RL的良好吸附效果主要是通过其中含有的大量O—H、—COOH和氢键等功能基团与染料结合来实现的。 7．为降低TJ—F1的生产成本，研究了适于TJ—1生长的廉价替代培养基。实验表明，奶糖废水和豆浆废水可以共同作为TJ—1产生MBF的碳氮源，最佳配比为4：1，所产生MBF的絮凝活性为82.45％，在节省这两种废水处理费用的同时，实现了它们的资源化利用；此外，生产成本的降低对于MBF未来的工业化生产和市场化应用也具有积极意义。 8．利用从埃希氏大肠杆菌细胞中提取的麦芽糖磷酸化酶，研制出了单酶电导型磷酸盐生物传感器。根据传感器在室温下工作的标准曲线，它对磷酸盐浓度检测有两个线性范围，分别为1.0-20μM和20—400μM，检测限为1.0μM。水中常见阴离子不会对电导型磷酸盐生物传感器的检测结果形成明显干扰；该电导型磷酸盐生物传感器在20—50℃均能工作，有较好的温度稳定性；在保藏2个月后，仍有70％的响应，保藏稳定性好：对实际水样的分析结果表明，电导型磷酸盐生物传感器可用于较清洁的地表水体中磷酸盐的分析，对于地表水体富营养化的监控有实际意义。 9．利用从硫酸盐还原细菌细胞中提取的细胞色素c亚硝酸盐还原酶，研制出了电导型亚硝酸盐生物传感器。传感器的线性响应范围为0.2—120μM，灵敏度为0.194μS/μM[NO2]，检测限为0.05μM。不同传感器间的标准偏差在6％以内。电导型亚硝酸盐生物传感器在20—35℃均能工作；保藏后第1周内，它能保持较高的响应和稳定性，然后随着测定次数的增加和保藏时间的延长，性能逐渐下降，3周后，其仍保有约50％的响应；若在保藏过程中减少传感器使用次数在5次之内，1个月后，其仍能保留近75％的响应；对实际水样的分析结果表明，电导型亚硝酸盐生物传感器可用于较清洁的地表水体中亚硝酸盐的分析，对于地表水体富营养化的监控有实际意义。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章引言

1.1研究背景

1.1.1我国地表水环境形势

1.1.2问题的提出及研究意义

1.2两种环境生物技术的研究概况

1.2.1 MBF的研究概况

1.2.2生物传感器的研究概况

1.3本论文的研究思路和内容

1.3.1高效MBF

1.3.2电导型生物传感器

1.4本论文的创新点

第一部分高效MBF的开发及应用研究 第2章高效MBF产生菌的筛选与鉴定

2.1前言

2.1.2 MBF产生菌的分离与筛选

2.1.3菌种鉴定

2.2材料与方法

2.2.1主要试验材料

2.2.2菌种富集

2.2.3菌株的分离纯化

2.2.4菌株的浅层发酵培养

2.2.5 MBF产生菌的筛选

2.2.6菌种常规鉴定

2.2.7菌种16S rDNA测序鉴定

2.3结果与讨论

2.3.1初筛结果

2.3.2复筛结果

2.3.3产MBF稳定性试验

2.3.4菌种鉴定结果

2.4本章小结

第一部分高效MBF的开发及应用研究 第3章TJ-1产MBF的影响因素研究

3.1前言

3.2材料与方法

3.2.1主要试验材料

3.2.2 TJ-1产MBF的影响因素试验

3.3结果与讨论

3.3.1 TJ-1的生长曲线

3.3.2培养基初始pH值对TJ-1产MBF的影响

3.3.3碳源对TJ-1产MBF的影响

3.3.4氮源对TJ-1产MBF的影响

3.3.5碳氮比对TJ-1产MBF的影响

3.3.6金属离子对TJ-1产MBF的影响

3.3.7培养温度对TJ-1产MBF的影响

3.3.8通气量对TJ-1产MBF的影响

3.3.9接种量对TJ-1产MBF的影响

3.4本章小结

第一部分高效MBF的开发及应用研究 第4章TJ-F1的提纯、表征及絮凝机理研究

4.1 前言

4.2材料与方法

4.2.1主要试验材料

4.2.2 TJ-F1的提纯

4.2.3 TJ-F1的表征

4.2.4絮凝实验

4.3结果与讨论

4.3.1 TJ-F1的提纯

4.3.2 TJ-F1的表征

4.3.3 Zeta电位分析

4.3.4 pH值对TJ-F1絮凝效果的影响

4.3.5 CaCl2对TJ-F1絮凝效果的影响

4.3.6 TJ-F1的用量对絮凝效果的影响

4.3.7扫描电镜分析

4.4本章小结

第一部分高效MBF的开发及应用研究 第5章TJ-F1应用于污泥脱水的研究

5.1前言

5.2材料与方法

5.2.1主要试验材料

5.2.2污泥沉降试验

5.2.3污泥浓缩试验

5.3结果与讨论

5.3.1 TJ-F1对污泥沉降性能改善

5.3.2絮凝剂种类对污泥过滤性能的影响

5.3.3 pH值对污泥过滤性能的影响

5.3.4 CaCl2用量对污泥过滤性能的影响

5.3.5 TJ-F1用量对污泥过滤性能的影响

5.3.6污泥脱水正交试验

5.3.7污泥脱水动力学

5.3.8 TJ-F1与PAM、PAC的复配使用

5.4本章小结

第一部分高效MBF的开发及应用研究 第6章TJ-F1应用于染料吸附的研究

6.1前言

6.2试验材料与方法

6.2.1主要试验材料

6.2.2染料吸附试验

6.3结果与讨论

6.3.1染料全波长扫描

6.3.2 pH值对TJ-F1吸附染料的影响

6.3.3吸附动力学研究

6.3.4温度的影响

6.3.5吸附机理研究

6.4本章小结

第一部分高效MBF的开发及应用研究 第7章TJ-1产MBF的替代培养基研究

7.1前言

7.2材料与方法

7.2.1主要试验材料

7.2.2试验内容

7.3结果与讨论

7.3.1替代培养基

7.3.2复合替代培养基

7.3.3综合效益分析

7.4本章小结

第二部分电导型生物传感器的开发及特性研究 第8章电导型磷酸盐生物传感器的研制及特性

8.1前言

8.2材料与方法

8.2.1主要试验材料

8.2.2主要试验仪器及设备

8.2.3酶的固定

8.2.4生物传感器的测量操作

8.3结果与讨论

8.3.1 MP复合膜的优化

8.3.2试验变量的影响

8.3.3工作曲线

8.3.4稳定性分析

8.3.5离子干扰

8.3.6应用实例

8.4本章小结

第二部分电导型生物传感器的开发及特性研究 第9章电导型亚硝酸盐生物传感器的研制及特性

9.1前言

9.2材料与方法

9.2.1主要试验材料

9.2.2主要试验仪器及设备

9.2.3酶的固定

9.2.4生物传感器的测量操作

9.3结果与讨论

9.3.1复合酶膜的优化

9.3.2试验变量的影响

9.3.3工作曲线

9.3.4稳定性分析

9.3.5离子干扰

9.3.6应用实例

9.4本章小结

第二部分电导型生物传感器的开发及特性研究 第10章结论与建议

10.1结论

10.2建议

致谢

参考文献

附录

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果