碳基纳米材料的微生物降解特性及其机制研究

论文摘要

碳基纳米材料主要包括石墨烯、碳纳米管、富勒烯及其衍生物,具有优异的力学和电学性质,受到科学界和工业界的广泛关注。随着碳基纳米材料在各个领域的广泛应用和产量不断增加,使其不可避免的释放到环境中难以回收。研究表明碳基纳米材料已经广泛存在于地表水、污水处理系统、沉积物和土壤等多种环境中,成为一类新型的污染物,具有生物富集和毒性等效应。碳基纳米材料的生物转化研究刚刚兴起,现有研究主要集中于动植物酶对碳纳米材料的降解,利用微生物降解碳基纳米材料的研究尚且空白,存在微生物资源匮乏、降解机制不明晰以及微生物群落信息缺乏等问题。本论文以碳基纳米材料为研究对象,从纯菌和微生物群落两个层面对碳基纳米材料的生物降解进行系统研究,并解析了纯培养细菌降解碳基纳米材料的胞外机制。主要内容及结论如下:利用微生物纯培养技术从环境样品中获得能够以氧化石墨烯为唯一碳源生长的菌株WJW,由16S rRNA基因序列分析表明菌株归属于Labrys属。定量PCR分析显示,当菌株WJW以100 mg/L氧化石墨烯为唯一碳源生长时,最大生长量为初始接种量的16.76±3.21倍。考察菌株WJW的芳香烃降解特性,发现菌株WJW具有多种含氮芳香烃及多环芳香烃的降解能力。菌株WJW生长细胞可以在84小时内完全降解100 mg/L的苯和萘,能够降解部分菲、芘和苯并[a]芘;菌株WJW降解苯、萘和菲时可以耐受1-3%的盐度,当外加60 mg/L的Tween-80时,降解速率最快,休眠细胞比生长细胞具有更强的降解能力。菌株WJW降解氧化石墨烯后碳层出现明显空洞及更多破损。原子力显微镜分析表明,氧化石墨烯上产生的平均空洞大小为49.8±36.6 nm,平均的空洞间距离为19.2±15.6nm。氧化石墨烯在降解前后表面含氧官能团也出现明显变化,其中初始占比32.75%的环氧基和烷氧基在降解后完全消失。称重实验显示,菌株作用20天后,约30.89±6.43 wt%的氧化石墨烯被降解。多种具有芳香烃结构的中间产物在降解过程中被检测到,其中包括苯甲酸等典型的微生物芳香烃代谢下游产物。利用基因组和蛋白质组技术对菌株WJW降解氧化石墨烯的途径进行解析,结果表明共有7140个蛋白编码序列,蛋白质组检测到3350个蛋白,其中124个蛋白显著上调,520个蛋白显著下调。差异蛋白的生物信息学分析显示部分上调蛋白可能参与氧化、苯环断裂以及中间产物的跨膜运输等过程。推测氧化石墨烯的降解途径为先降解成苯甲酸盐类小分子芳烃,并通过下游的糖酵解、三羧酸循环、丙酮酸以及丁酸甲酯等途径进行进一步代谢。选取5种典型碳基纳米材料,还原氧化石墨烯、单壁碳纳米管、氧化单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、富勒烯C60,进一步研究菌株WJW的降解能力,结果表明菌株WJW能够以5种碳基纳米材料为唯一碳源生长,菌株在100 mg/LC60体系中生长量最大,约为初始接种量的25.76±1.85倍;在还原氧化石墨烯体系中生长量最小,约为初始接种量的2.58±0.13倍。降解后的碳基纳米材料均出现更多缺陷并伴随含氧官能团比例的变化,其中C60失去了初始的球型结构。五种碳基纳米材料在20天内的降解比率（10%-70%）受到碳基纳米材料性质的影响。碳基纳米材料降解过程中检测到多种芳烃中间产物,其中还原氧化石墨烯体系中的中间产物种类最多。对菌株WJW降解包含氧化石墨烯在内的6种碳基纳米材料的胞外机制进行解析,结果显示羟基自由基在降解过程中发挥关键作用。菌株分泌的铁载体与体系中的Fe（Ⅲ）络合并还原Fe（Ⅲ）生成Fe（Ⅱ）,在过氧化氢存在下形成Fe（Ⅲ）/Fe（Ⅱ）-铁载体,循环发生Fenton-like反应。构建了三组序批式反应器利用活性污泥法模拟生活废水处理,分别投加不同浓度氧化石墨烯,考察其与微生物群落之间的相互作用。反应器的出水指标显示,高浓度氧化石墨烯对反应器的废水处理效率产生了明显影响,同时显著降低了污泥群落的微生物总量,表明了氧化石墨烯对微生物群落具有一定毒性效应。氧化石墨烯在污泥群落作用下出现了明显的破损,拉曼光谱的ID/IG结果由初始0.812显著升高至1.112～1.292,证实了微生物群落对氧化石墨烯的降解作用。进一步利用Illumina高通量测序技术解析污泥群落结构与功能,结果表明,高浓度氧化石墨烯对微生物群落的结构存在显著影响,Saccharibacteria genera incertae sedis（28.05%）和（24.17%）为主要的优势细菌属。此外高浓度氧化石墨烯显著降低了污泥群落中与好氧化能异养、发酵以及氮元素循环相关的功能,可能导致了反应器处理效率的降低。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 主要符号与英文缩写表
• 1 碳基纳米材料的环境转化研究进展
•   1.1 碳基纳米材料分类、特性及应用
•     1.1.1 碳基纳米材料的分类及特性
•     1.1.2 碳基纳米材料的合成及应用
•     1.1.3 碳基纳米材料的环境影响
•   1.2 碳基纳米材料的环境转化研究
•     1.2.1 碳基纳米材料的物理转化
•     1.2.2 碳基纳米材料的化学转化
•     1.2.3 碳基纳米材料的生物转化
•   1.3 本论文的选题依据及研究内容
•     1.3.1 本论文的选题依据
•     1.3.2 本论文的研究内容及意义
• 2 氧化石墨烯降解菌的筛选及降解特性
•   2.1 材料与方法
•     2.1.1 实验材料
•     2.1.2 实验方法
•   2.2 结果与讨论
•     2.2.1 氧化石墨烯降解菌的筛选
•     2.2.2 菌株WJW的芳烃降解特性
•     2.2.3 盐度对菌株WJW的芳烃降解影响
•     2.2.4 表面活性剂对菌株WJW的芳烃降解影响
•     2.2.5 金属离子对菌株WJW的芳烃降解影响
•     2.2.6 菌株WJW休眠细胞芳烃降解的特性
•   2.3 本章小结
• 3 氧化石墨烯的降解及降解途径解析
•   3.1 材料与方法
•     3.1.1 实验材料
•     3.1.2 实验方法
•   3.2 结果与讨论
•     3.2.1 氧化石墨烯降解的表征
•     3.2.2 氧化石墨烯降解的中间产物分析
•     3.2.3 氧化石墨烯降解机制的初步探索
•     3.2.4 菌株WJW的基因组分析
•     3.2.5 菌株WJW的比较蛋白质组解析
•   3.3 本章小结
• 4 其他碳基纳米材料的降解及胞外降解机制探究
•   4.1 材料与方法
•     4.1.1 实验材料
•     4.1.2 实验方法
•   4.2 结果与讨论
•     4.2.1 还原氧化石墨烯的降解
•     4.2.2 碳纳米管的降解
•     4.2.3 富勒烯的降解
•     4.2.4 菌株WJW降解碳基纳米材料的胞外机制探究
•   4.3 本章小结
• 5 氧化石墨烯与污水处理微生物群落的相互作用探究
•   5.1 材料与方法
•     5.1.1 实验材料
•     5.1.2 实验方法
•   5.2 结果与讨论
•     5.2.1 不同浓度氧化石墨烯对反应器性能的影响
•     5.2.2 氧化石墨烯对微生物群落的毒性作用
•     5.2.3 氧化石墨烯在污泥系统中的生物降解表征
•     5.2.4 反应器污泥微生物群落的动态演替分析
•     5.2.5 反应器污泥微生物群落的组成与功能类群分析
•     5.2.6 污泥群落的微生物互作网络分析
•   5.3 本章小结
• 6 结论与展望
•   6.1 主要结论
•   6.2 创新点摘要
•   6.3 建议
• 参考文献
• 附录A Labrys sp. WJW的16S rRNA基因序列登陆GenBank
• 附录B Labrys sp. WJW蛋白质组检测显著变化蛋白质
• 作者简介
• 攻读博士学位期间科研项目及科研成果
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 王经伟

导师: 曲媛媛

关键词: 碳基纳米材料,蛋白质组学,反应,微生物群落

来源: 大连理工大学

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: 大连理工大学

基金: 国家自然科学基金(No.21176040),教育部新世纪优秀人才支持计划(No.NCET-13-0077)

分类号: X172;X703

DOI: 10.26991/d.cnki.gdllu.2019.003632

总页数: 153

文件大小: 13089K

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