产电微生物的筛选、诱变育种及应用研究

论文摘要

产电菌又称为胞外呼吸细菌或电化学活性细菌,是一类可以将代谢过程中产生的电子传递到胞外进行厌氧呼吸的微生物。它们在自然界中广泛存在,可以利用电极作为唯一的电子受体进行厌氧呼吸。微生物燃料电池（MFC）是一种可以利用产电微生物这一特性产生电能的新型装置,在其中产电微生物作为阳极催化剂,是MFC中能量转换的关键因素。近年来,产电菌的分离和应用日益被人们关注,并不断通过多种方式从实验室反应器、自然环境中等分离鉴定出新的产电菌。但是,产电菌的存在是多元化的,目前所发现的产电菌菌种可能远远低于自然界中实际存在的产电菌。因此,本论文针对新产电菌的筛选、产电菌产电能力提升以及潜在的应用,开展了一系列研究工作。主要研究内容和结果如下:1、以WO3纳米颗粒为电子受体（探针）,通过96孔板快速高通量筛选体系,从污染的河流底泥中分离得到大量的产电菌。其中两株为此前没有报道过具有产电能力的新产电菌,分别为Lysinibacillus fusiformis A-5和Lysinibacillus sphaericusD-8,并通过MFC验证了他们的产电能力。循环伏安、电化学阻抗图谱等试验结果证明,L,sphaericu.D-8具有很好的电化学活性。2、利用一种新型的微生物基因组突变技术-常压室温等离子体（Atmospheric and Room Temperature Plasma,ARTP）诱变技术,以模式产电菌株Shewanella oneidensis MR-I为出发菌株进行诱变,并结合电化学探针WO3的96孔板高通量方法筛选产电能力提高的菌株,将它们连续传代培养并筛选10次后,获得与野生菌株S.oneidensisMR-1相比WO3显色强度提高的突变株10株;选取两个显色较深的菌株进行MFC产电能力测试,发现突变株1在第一个产电周期内达到的最大电流密度比出发菌株提高约38%;突变株5的最大电流密度提高约12%。同时获得三株不能使WO3显色的突变株,在MFC中没有明显的电流响应。结果说明ARTP能够快速突变MR-1基因组,引发随机突变,辅以WO3显色法可高效快速地筛选ARTP诱变后的目标突变株。3、以偶氮染料甲基橙、硝基苯为研究对象,考察筛选出的产电菌Lysinibacillus fusiformisA-5和LysinibacillussphaericusD-8是否可以经过非特异性的电子传递降解甲基橙和硝基苯。试验结果表明,A-5通过打开偶氮键,能快速使甲基橙脱色;D-8利用N-乙酰基-D-葡萄糖胺和丙三醇作为碳源,均可以使硝基苯转化为苯胺,实现对硝基苯的生物还原。这为此类污染物的生物去除提供了有用的微生物资源。4、为考察产电菌Lysinibacillus fusiformis A-5和Lysinibacillus sphaericus D-8的溶磷能力,以含磷的生物炭为对象,探索利用这两株菌对生物炭中有效磷释放的促进作用。结果表明,当分别将这两株菌与生物炭共培养,溶液中可溶性磷含量明显提高。这一结果为利用产电菌进行溶磷的应用开辟了一条新的途径。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 文献综述
• 1.1 研究背景
• 1.2 微生物的遗传育种
• 1.2.1 微生物的自然选育
• 1.2.2 微生物的诱变育种
• 1.3 产电微生物
• 1.3.1 产电微生物的来源及意义
• 1.3.2 产电微生物的筛选方法
• 1.3.3 MFC中产电微生物的产电机制
• 1.3.4 产电微生物的应用
• 1.4 本论文的研究目的及意义
• 参考文献
• 第二章 产电微生物的筛选
• 2.1 概述
• 2.2 材料和方法
• 2.2.1 样品采集与处理
• 3纳米棒的制备'>2.2.2 WO₃纳米棒的制备
• 2.2.3 产电微生物的富集、分离及纯化
• 2.2.4 产电微生物基因组DNA提取及16S rRNA基因测序
• 2.2.5 产电微生物的生理生化特性
• 2.2.6 微生物燃料电池的构建
• 2.2.7 产电能力分析及电化学表征
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 产电微生物菌种的筛选和鉴定
• 2.3.2 系统发生树分析
• 2.3.3 L.fusiformis A-5和L.sphaericus D-8的生理生化特性
• 3显色的时间效应关系'>2.3.4 L.fusiformis A-5和L.sphaericus D-8与WO₃显色的时间效应关系
• 2.3.5 L.fusiformis A-5和L.sphaericus D-8的MFC及电化学表征分析
• 2.4 小结
• 参考文献
• 第三章 产电微生物的诱变育种
• 3.1 概述
• 3.2 材料与方法
• 3.2.1 出发菌株和仪器
• 3.2.2 ARTP诱变
• 3.2.3 致死率的计算
• 3.2.4 突变菌株的筛选
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 最适诱变参数的确定
• 3初步筛选'>3.3.2 诱变后菌株的WO₃初步筛选
• 3.3.3 突变株产电能力的MFC评估
• 3.4 小结
• 参考文献
• 第四章 产电菌L.fusiformis A-5和L. sphaericus D-8对甲基橙和硝基苯的生物转化
• 4.1 甲基橙的生物降解
• 4.1.1 概述
• 4.1.2 材料与方法
• 4.1.3 结果与讨论
• 4.2 硝基苯的生物还原
• 4.2.1 概述
• 4.2.2 材料与方法
• 4.2.3 结果与讨论
• 4.3 小结
• 参考文献
• 第五章 L. fusiformis A-5和L. sphaericus D-8对生物炭中磷的增溶效果
• 5.1 概述
• 5.2 材料与方法
• 5.2.1 菌株及生物炭的释磷检测
• 5.2.2 溶液中可溶性正磷与总磷的测定
• 5.2.3 生物炭的表征
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 L.fusiformis A-5和L.sphaericus D-8对生物炭磷的增溶效果
• 5.3.2 共培养体系中生物炭的表征
• 5.4 小结
• 参考文献
• 总结
• 致谢
• 攻读博士期间已发表及准备投稿的学术论文