厌氧微生物体系中还原力的产生及其应用

摘要

厌氧微生物体系利用有机质为底物进行代谢反应，有机质的氧化还原反应是该体系中生化反应的本质。目前学者在厌氧条件下利用微生物产生的还原力进行了一系列的研究，包括利用还原力还原降解某些污染物，产生新能源等。同时，在降解水体有机质方面也做了大量的研究，研究表明厌氧微生物体系具有强大的处理能力和经济价值，但对其作用机制缺乏深入的认识。因此，本课题通过系统的科学研究，探索其反应机理，发现其本质规律，呈献给研究人员一个整体结构。主要研究内容和研究结果如下:
　　1.利用三氧化钨电致变色的特性进行高通量筛选产电菌株，在24孔板中进行产电微生物的筛选，能将电子导出体外的产电微生物可以使三氧化钨由白色变为蓝色。在环境样品巢湖底泥中筛选出27株产电微生物，大部分属于气单胞菌属和希瓦氏菌属。其中有一株乙酸氧化产电菌是兼性厌氧菌，对其产电性能和甲基橙还原脱色的性能进行了考察，证实了其胞外电子传递能力。这种类型的菌株在自然环境体系尤其是好氧和厌氧体系的交界处有很重要的作用，本研究在电化学活性细菌分布和代谢功能方面提供了一个全新视角。
　　2.研究了Caldicellulosiruptor saccharolyticus体系中葡萄糖发酵产氢的过程，研究表明C.saccharolyticus葡萄糖发酵的主要产物和生成的先后顺序为氢气和乙酸首先出现，随后是乙醇和乳酸，在不同的葡萄糖浓度1.0g/L、2.0 g/L、3.5g/L和7.5 g/L下，最大的光密度值(OD620)分别为0.35、0.48、0.53、0.55，发现在不同的葡萄糖浓度下氢气/乙酸都大于2，介于2和4之间。为了探索造成这一现象的原因，通过外界添加同位素标记乙酸来追踪乙酸去向确定原因。实验表明60％的同位素标记乙酸转移到胞内转化为同位素标记乙醇，体系中没有产生明显的同位素标记二氧化碳，在对照组和放射性标记组同时检测到大约相同量的13CO2(0.1mmol)，说明C.saccharolyticus体系中没有乙酸氧化现象发生。当生物质的增长值反算回乙酰辅酶A，与乙酸测定值相加得到理论乙酸产量，进行H2/acetate比值的修正之后，原本大于2的比值修正后都是接近2的，进一步证实了生物质增长是造成H2/acetate比值偏高的原因。
　　3.首次研究报道了C.saccharolyticus在葡萄糖发酵过程中对甲基橙的降解，并提出了降解机理。C.saccharolyticus在自身所产的溶解氢的作用下，可将甲基橙降解为DPD和4-ABA，C.saccharolyticus细胞在这个过程中起至关重要的作用，因为甲基橙和氢气的化学反应是极其微弱有限的，但是在细胞表面酶Ni-Fe氢化酶的催化作用下两者可以快速反应，从而完成甲基橙脱色。甲基橙降解速率和溶解氢的浓度呈正相关性，在高溶解氢条件下脱色速率可达6.65 mg/L/h或7.08mg/L/h，相反，在刚刚进行氮气吹扫后的低溶解氢条件下却只有2.16 mg/L/h或0.88 mg/L/h。提出的脱色机理能很好的解释添加甲基橙后还原产物乙醇产量的变化现象，这很可能是甲基橙对还原力的竞争造成的，使得葡萄糖发酵产物中还原产物产量降低。
　　4.在强高温产氢菌株C.saccharolyticus体系中，葡萄糖发酵过程中原位产生的氢气可以将Pd(Ⅱ)还原为Pd(0)，采用透射电子显微镜结合X射线探测器的检测方法证实了这一科学猜测。零价钯颗粒被用于甲基橙脱色和泛影酸钠脱碘的催化反应中，100 mg/L的甲基橙在有钯添加的实验组中半小时内即被降解完毕，而没有钯添加的实验组中完全降解则需要6小时之久。20 mg/L的泛影酸钠在有钯添加的实验组中10分钟即被降解完毕，没有钯添加的实验组几乎没有降解，说明零价钯强化了降解效果。甲基橙的脱色是在氢气、氢化酶和零价钯颗粒共同作用下完成的，而泛影酸钠的降解过程中氢化酶并没有起到明显作用，零价钯颗粒是脱碘过程中起本质作用的催化剂。更重要的是C.saccharolyticus菌体起到分散剂的作用，使形成的零价钯颗粒分散均匀，颗粒成纳米级，是一种绿色的分散体系，而且在此体系中形成的纳米钯颗粒相较于没有分散剂形成的零价钯颗粒具有更好地催化效果。总而言之，钯的参与是强化水体污染物的降解效果的很好的选择。

目录

声明

摘要

第一章 文献综述

1．1 研究背景

1．2 厌氧微生物体系的生化机制

1．2．1 厌氧微生物发酵产乙醇

1．2．2 厌氧微生物发酵产氢

1．2．3 厌氧微生物发酵产丙酮丁醇

1．2．4 厌氧微生物的无氧呼吸

1．2．5 结语

1．3 产电微生物

1．3．1 微生物燃料电池与产电微生物

1．3．2 微生物燃料电池的研究进展

1．3．3 产电微生物的筛选

1．4 生物产氢

1．4．1 简介

1．4．2 发酵产氢的研究进展

1．5 水体污染物的还原降解

1．5．1 简介

1．5．2 厌氧条件下还原降解偶氮染料

1．5．3 厌氧条件下还原去除重金属

1．6 本文的研究内容、目的和意义

1．6．1 研究的目的和意义

1．6．2 主要研究内容

参考文献

第二章 环境样品中产电微生物的快速筛选

2．1 概述

2．2 材料和方法

2．2．1 产电微生物的分离

2．2．2 DNA提取和PCR扩增

2．2．3 1 6S rRNA测序和系统进化树分析

2．2．4 MFC的构造和运行

2．2．5 MFC生物膜的SEM分析

2．2．6 应用P．agglomerans S5-44进行甲基橙的脱色

2．2．7 脱色分析

2．3 结果和讨论

2．3．1 底泥中分离产电微生物

2．3．2 系统进化树分析

2．3．3 MFC性能测试

2．3．4 甲基橙的还原脱色

2．4 小结

参考文献

第三章 Caldicellulosiruptor saccharolyticus产氢过程中氢气／乙酸＞2的原因探索

3．1 概述

3．2 材料和方法

3．2．1 菌种和培养基

3．2．2 实验设计

3．2．3 气体分析

3．2．4 液体分析

3．3 结果和讨论

3．3．1 不同葡萄糖浓度下的生长和代谢

3．3．2 不同葡萄糖浓度下的H2／acetate比例

3．3．3 同位素标记乙酸CH3-13COOH的去向

3．3．4 H2／Acetate比例修正

3．4 小结

参考文献

第四章 Caldicellulosiruptor saccharolyticus高效脱色能力的机理研究

4．1 概述

4．2 材料和方法

4．2．1 菌种和培养条件

4．2．2 实验设计

4．2．3 分析

4．2．4 量子化学计算

4．3 结果和讨论

4．3．1 C．saccharolyticus体系中甲基橙脱色

4．3．2 化学反应和酶促反应?

4．3．3 溶解氢对脱色过程的影响

4．3．4 提出脱色机理及其确认

4．4 小结

参考文献

第五章 Caldicellulosiruptor saccharolyticus体系中纳米钯颗粒强化污染物降解

5．1 概述

5．2 材料和方法

5．2．1 菌种和培养基

5．2．2 实验设计

5．2．3 钯的还原和纳米钯的观测

5．2．4 化学分析

5．3 结果和讨论

5．3．1 纳米钯颗粒的形成

5．3．2 纳米钯颗粒强化脱色和脱碘效果

5．3．3 区分氢化酶和Pd(0)的催化作用

5．3．4 C．saccharolyticus菌体对零价钯颗粒的分散作用

5．4 小结

参考文献

结论

致谢

在读期间发表的学术论文和学术成果