高效除磷酵母菌株的筛选及其磷代谢基本特性研究

论文摘要

近年来,由于工业化、农业现代化和城市化的快速发展,排放的营养物质随之增加,导致水体富营养化现象严重。水体富营养化是全球面临的水环境污染问题,同时也是水体保护最具挑战性的问题之一。而磷的过量排放是造成这一问题的主要原因,因此对磷进行有效去除是亟待解决的问题,对净化水体具有重要的意义。与化学除磷相比,生物除磷具有运行费用低、污泥产量少等节能环保的优势,因而得到了更广泛的应用。在生物除磷系统中,聚磷细菌被认为起到了主要的作用,而酵母菌作为一种单细胞真核微生物,在污水处理系统中常常被忽视,在除磷方面的研究较少。事实上,废水处理系统中酵母菌的种群多样性十分丰富,且酵母菌具有耐渗透压、耐高温和代谢效率高等特点,体内具有良好的酶系,能适应各种特殊的环境。因此,研究酵母菌的磷代谢基本规律,特别是阐明酵母菌磷代谢关键调控因子及其作用规律,明确磷的去除途径,为生物除磷提供一种新途径。本研究将实验室A/O交替生物膜系统中分离纯化出的6株优势酵母菌活化富集后,分别接种于合成废水培养基中进行处理,发现这6株酵母菌均有一定的除磷能力,其中菌株BZ的比增长速率为0.11 h-1,单位时间单位干重酵母菌除磷量为1.246 mgP/（h·g酵母菌）,在6株酵母菌中最高,综合考虑生长状况和除磷效率,最终筛选出BZ为高效除磷酵母菌。通过形态学特征、生理生化特性和分子生物学鉴定,可以判定为阿氏丝孢酵母（Trichosporon asahii）。通过烧杯试验考察在不同初始磷浓度下酵母菌BZ的除磷能力。结果表明,随着磷浓度的升高,酵母菌的除磷率随之降低。当磷浓度低于5 mg/L时,酵母菌对磷的去除率达到100%;当磷浓度为10 mg/L时,除磷率仍能达到70%。同时对酵母菌的生长动力学和除磷动力学进行拟合,分别符合Monod方程和米门方程,其动力学方程分别为（?）。本文分析了温度、pH、碳源种类、氮源浓度、碳磷比、溶解氧及微量元素对酵母菌BZ的生长量和除磷效果的影响,确定酵母菌BZ除磷的适宜条件。在温度为1535°C之间,酵母菌都能保持较高的除磷效果,最适宜温度为25°C左右,对磷的去除率达到65%以上;酵母菌BZ对pH的耐受范围较广,pH在58这个范围内,酵母菌的生长和除磷率变化不大,且都有较高的除磷率。其中最适宜pH为6时,除磷率为67%。不同种类的碳源对酵母菌的生长和除磷效果的影响十分显著,酵母菌BZ的最佳碳源为葡萄糖和乙酸钠的混合碳源,除磷率达到68.6%;高氨氮浓度能促进酵母菌BZ的生长,并提高除磷率,在050 mg/L的初始氨氮浓度下,酵母菌BZ的生物量和除磷率随着氨氮浓度的增加而升高;随着C/P的升高,即碳源越充足,酵母菌的生物量越大,除磷率也越高,当C/P小于10时,酵母菌的生长和除磷效果明显受到抑制,当C/P大于75时,除磷率达到90%以上;在0.55mg/L不同溶解氧条件下,酵母菌均能正常生长且能够保持较高的除磷率,可减少曝气,节约成本;与含微量元素的情况相比,在无微量元素下,最大OD600仅降低0.026,除磷率则从68.6%减少到57.0%。通过对培养体系中磷的质量平衡分析,以及酵母菌对磷的富集量和细胞内外磷含量的分布情况,初步探讨了磷从培养液液相主体向酵母菌细胞内的转移过程。研究发现,在整个培养系统中,当酵母菌BZ达到最大生物量时,除磷量也达到最高值,酵母菌细胞对液相中磷的去除（70%左右）大于EPS对磷的去除（30%）。此时,胞外EPS中正磷占总磷含量的30%左右,菌体细胞内正磷含量占20%左右。EPS主要充当了磷的储存库和中转站的作用,细胞对磷的吸收和转化作用应该是酵母菌BZ除磷系统中最主要的磷去除途径。EPS中主要有糖类和蛋白质,多糖的变化情况可能与酵母菌在富营养情况下分泌EPS,而在饥饿条件下消耗EPS有关;通过对EPS的三维荧光特性分析,在BZ除磷过程中,EPS中荧光类物质以类蛋白物质为主。在进水C/P为40的酵母菌除磷系统中,胞内聚合物中存在糖原质和PHA两种物质。其中酵母菌降解磷酸盐所需的ATP来自PHA的水解,外碳源被酵母菌转化为糖原质作为主要的储能物质。对酵母菌体的扫描电镜和能谱分析结果表明:酵母菌体呈杆状,反应结束后,推测酵母菌体表面可能被钙镁磷酸盐所包裹。本论文筛选出的高效除磷酵母菌Trichosporon asahii对合成废水培养基具有较强的除磷能力,阐明了磷的去除途径和除磷机理,填补了酵母菌除磷领域的空白,丰富和深化了生物除磷理论,为探索废水除磷新技术的开发提供理论参考。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 水污染现状
•     1.1.1 水体富营养化及其危害
•     1.1.2 磷的来源
•     1.1.3 废水中磷的形态
•   1.2 废水生物除磷
•     1.2.1 生物除磷工艺
•     1.2.2 生物除磷原理
•     1.2.3 EPS在生物除磷中的作用研究
•   1.3 除磷微生物的研究
•   1.4 酵母菌及其在水处理中的应用
•     1.4.1 酵母菌的分类及其特性
•     1.4.2 酵母菌在水处理中的应用
•     1.4.3 酵母菌在除磷领域的研究现状
•   1.5 课题的提出及研究内容
•     1.5.1 研究目的及意义
•     1.5.2 研究内容
• 第二章 试验材料与方法
•   2.1 试验方案设计
•   2.2 试验材料
•     2.2.1 菌株来源
•     2.2.2 试验用培养基
•     2.2.3 实验仪器
•   2.3 试验用水水质及分析方法
•     2.3.1 试验用水水质
•     2.3.2 试验分析方法
•   2.4 试验内容及方法
•     2.4.1 高效除磷酵母菌的筛选与鉴定
•     2.4.2 不同磷浓度下酵母菌BZ生长和除磷特性
•     2.4.3 不同环境因素对高效除磷酵母菌除磷效能的影响
•     2.4.4 酵母菌株的磷去除途径及除磷机理
• 第三章 高效除磷酵母菌株筛选与鉴定
•   3.1 高效除磷酵母菌的富集与筛选
•     3.1.1 不同酵母菌株的富集
•     3.1.2 高效除磷酵母菌的筛选
•   3.2 酵母菌BZ的形态学特征和生理生化特性
•     3.2.1 酵母菌BZ的形态学特征
•     3.2.2 酵母菌BZ的生理生化特性
•     3.2.3 酵母菌BZ的生长曲线
•   3.3 酵母菌BZ的分子生物学鉴定
•     3.3.1 16SrDNA序列测定
•     3.3.2 16SrDNA同源性分析
•   3.4 本章小结
• 第四章 酵母菌磷代谢动力学研究
•   4.1 不同磷浓度下酵母菌除磷效能研究
•   4.2 酵母菌BZ磷代谢动力学研究
•     4.2.1 反应动力学模型
•     4.2.2 不同磷浓度下酵母菌BZ的生长动力学研究
•     4.2.3 不同磷浓度下酵母菌BZ的除磷动力学研究
•   4.3 本章小结
• 第五章 高效除磷酵母菌BZ的除磷特性研究
•   5.1 温度对酵母菌BZ的生长和除磷效果的影响
•   5.2 pH值对酵母菌BZ的生长和除磷效果的影响
•   5.3 碳源种类对酵母菌BZ的生长和除磷效果的影响
•   5.4 氨氮浓度对酵母菌BZ的生长和除磷效果的影响
•   5.5 碳磷比对酵母菌BZ的生长和除磷效果的影响
•   5.6 溶解氧对酵母菌BZ的生长和除磷效果的影响
•   5.7 微量元素对酵母菌BZ的生长和除磷效果的影响
•   5.8 本章小结
• 第六章 酵母菌BZ的磷代谢途径及机理研究
•   6.1 酵母菌对磷的富集部位及转移途径
•     6.1.1 酵母细胞和EPS中磷的变化规律
•     6.1.2 磷的分布
•     6.1.3 酵母菌的除磷途径
•   6.2 酵母菌胞外聚合物（EPS）的变化规律
•     6.2.1 EPS中多糖含量的变化规律
•     6.2.2 EPS的三维荧光特性
•   6.3 初始C/P为40 时,酵母菌的胞内聚合物变化规律
•     6.3.1 酵母菌对污染物的去除效能
•     6.3.2 酵母菌体中胞内聚合物的含量变化
•   6.4 酵母菌细胞表面及成分表征
•   6.5 本章小结
• 第七章 结论与建议
•   7.1 结论
•   7.2 建议
• 参考文献
• 致谢
• 附录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 王琰

导师: 邱立平

关键词: 生物除磷,酵母菌,筛选,除磷特性,机理

来源: 济南大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 生物学,环境科学与资源利用,环境科学与资源利用

单位: 济南大学

基金: 国家自然科学基金《A,O生物膜系统酵母菌磷代谢调控机制及其磷结晶诱导效应研究》(51678276)

分类号: X703;X172

DOI: 10.27166/d.cnki.gsdcc.2019.000034

总页数: 95

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