菌群中关键菌株降解酚类废水、本征动力学及环境代谢组学解析

论文摘要

含酚废水成分复杂，往往含有多种酚类化合物，如苯酚、间甲酚和4-氯酚，在其降解过程中存在复杂的相互作用。微生物菌群的代谢功能有机结合有利于复杂酚类化合物的协同降解。针对以上问题，本文开展了降解多酚污染物菌群的定向筛选，酚类混合物共同降解的动力学表征，以及酚类混合物相互作用机制的环境代谢组学研究。首先，以活性污泥为起始材料，成功筛选出了6株酚类降解菌，并通过生理生化和16SrRNA基因序列分析表明这些菌株分别为：Pseudomonas sp. cbp1-1,Pseudomonas sp. cbp1-3, Sphingobacterium sp. cbp2, Stenotrophomonas sp. cbp3,Ochrobactrum sp. cbp4和Pseudomonas sp. df1。菌株cbp1-3完全降解200mg/L苯酚、100mg/L间甲酚和100mg/L4-氯酚所需时间为22小时，而以优势菌株cbp1-3、df1和cbp4组成的菌群完全降解混合酚所需时间缩短为16小时，菌体量增大了100%。再次，选取高效菌Pseudomonas sp. cbp1-3，进一步研究了苯酚、间甲酚和4-氯酚降解过程中的相互作用机制，在浓度小于300mg/L时苯酚和间甲酚能够促进4-氯酚的降解，而高于300mg/L时抑制4-氯酚的降解，而仅仅60mg/L的4-氯酚可以明显的抑制其他酚类化合物的降解。通过模拟酶反应，建立了基于三底物的纯菌株生长本征动力学模型，模型和和实验数据点拟合程度较好。并且参数敏感性分析表明模型中底物相互作用参数fi最具有敏感性，说明了底物之间的相互作用在菌体生长和酚类降解中起着很重要的作用。最后，采用环境代谢组学手段，进一步研究了菌株cbp1-3降解苯酚和4-氯酚的底物相互作用机理。酚类化合物促使细胞内蛋白质降解，抑制氨基酸合成，并大大抑制了细胞内的糖酵解途径，戊糖途径和三羧酸循环，降低细胞能量代谢水平，促使胞内高级脂肪酸产生大量积累，引起细胞膜的通透性强烈变化，同时诱发氧化胁迫，促使细胞多胺类物质和还原性含硫氨基酸等抗毒性和抗氧化性物质的积累，起到自我保护作用。最重要的是4-氯酚能够广谱性抑制细胞内含苯环的有机酸和醇的转化。与苯酚降解时相比，在4-氯酚降解时儿茶酚的积累水平上升到2.5倍，混合酚降解时其积累水平又下降到1.5倍，说明4-氯酚通过抑制儿茶酚的转化来抑制苯酚代谢，苯酚自身能够缓解这种抑制作用。苯酚能够促使4-氯酚经氢醌和苯三醇这一途径降解。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 文献综述
• 1.1 引言
• 1.2 酚类污染物污染现状和危害
• 1.3 酚类污染物治理方法及进展
• 1.3.1 物理处理技术
• 1.3.2 化学处理技术
• 1.3.3 生物处理技术
• 1.4 降酚动力学进展
• 1.4.1 单底物动力学
• 1.4.2 多底物动力学
• 1.4.3 动力学参数敏感性分析
• 1.5 环境代谢组学
• 1.5.1 代谢组学概述
• 1.5.2 环境代谢组学研究现状
• 1.6 课题背景和本文研究内容
• 1.6.1 课题背景
• 1.6.2 本文研究内容
• 第二章 材料与方法
• 2.1 实验材料
• 2.1.1 样品来源
• 2.1.2 实验试剂及药品
• 2.1.3 实验仪器
• 2.2 培养基及培养条件
• 2.2.1 基础培养基
• 2.2.2 酚类降解实验培养基
• 2.2.3 培养条件
• 2.3 实验方法
• 2.3.1 活性污泥驯化
• 2.3.2 菌株的分离纯化
• 2.3.3 菌株的鉴定
• 2.4 分析方法
• 2.4.1 细胞浓度测定
• 2.4.2 酚类物质浓度测定
• 2.5 代谢组学方法
• 2.5.1 实验方案
• 2.5.2 代谢物样品制备
• 2.5.3 代谢物检测方法
• 2.5.4 代谢物数据处理
• 第三章 酚类废水处理降解菌群
• 3.1 菌株的筛选
• 3.2 菌株的鉴定
• 3.2.1 菌株生理生化特征
• 3.2.2 16S rRNA 基因序列分析
• 3.2.3 最终鉴定结果
• 3.3 优势菌株筛选
• 3.3.1 菌株降酚能力测定
• 3.3.2 优势菌株的选择
• 3.3.3 优势菌株降解三酚混合底物能力测定
• 3.3.4 混合菌株降酚特性
• 3.4 本章小结
• 第四章 多酚污染物降解本征动力学研究
• 4.1 多酚污染物降解相互作用研究
• 4.1.1 苯酚、间甲酚和 4-氯酚单底物降解
• 4.1.2 苯酚、间甲酚和 4-氯酚双底物降解
• 4.1.3 苯酚、间甲酚和 4-氯酚三底物降解
• 4.2 多酚降解本征动力学模型
• 4.2.1 多底物动力学模型的建立
• 4.2.2 动力学参数拟合
• 4.2.3 参数敏感性分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 环境代谢组学解析
• 5.1 苯酚和 4-氯酚降解实验设计
• 5.2 环境代谢组学分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 创新点
• 6.3 展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢