以玉米秸秆吸附—包埋—交联的复合固定化方法固定微生物处理芘的研究

【摘要】：本研究以多环芳烃芘（pyrene）为生物降解研究的模型物，利用本实验室筛选到的三株多环芳烃降解菌（GY2B、GP3A和GP3B）来构建混合菌。对比了不同组合混合菌对芘的7d降解效果，以降解效率较佳的GY2B+GP3B（73.6%）和GP3A+GP3B（76.8%）作为固定化的对象。通过“玉米秸秆吸附-包埋-交联”相结合的复合固定化方法对混合菌进行了固定化，微生物先与玉米秸秆进行吸附培养后，与10%PVA+0.5%SA的固定化混合载体混合，将混合物逐滴滴入5%Ca(NO3)2溶液中，浸渍1h，然后将小球在-20℃下保存24h，再在4℃保存12h，最后在室温解冻。复合固定化微生物对芘的降解效果得到了提高，探明了固定化小球的理化性质，明确了环境条件对固定化微生物的影响，研究了其作用过程和作用机理，对混合菌的实际应用前景进行了初步评估。 结果表明，经过固定化菌对温度、pH值和污染物的耐受范围都有所扩大，而最佳温度为30℃，最佳pH为7。固定化处理在一定程度上减缓环境因素对细菌活性的影响，使细菌能够保持较高的降解效率。 研究发现，固定化微生物比游离态微生物对芘的去除效率显著提高，可以在相对短的时间内达到相对高的去除率。固定化GY2B+GP3B玉米球在第5d的去除率达到97.3%，固定化GP3A+GP3B玉米球在第4d即达到97.0%。对固定化微生物小球的理化性质的分析测定表明，固定化玉米球有良好的机械强度和表面特性。从BET的测试结果显示小球具有较高的比表面积，而由于玉米秸秆的加入，固定化球的比表面积和孔隙率都得到了不同程度的提高；扫描电镜图观察到固定化球外表面凹凸不平，富有孔隙，小球表面内部是具有大量孔隙的骨架结构，这有利于传质，在内部生长的微生物和基质有充分的接触面积和机会，微生物在载体内部生长良好，并未发生异变。经研究，固定化混合菌玉米小球类似于一个吸附降解一体化的微型反应器，吸附与降解同时进行。研究结果充分证明的复合固定化混合菌去除芘的可行性和有效性，具有良好的应用前景。 经GC-MS分析，GP3A+GP3B混合菌芘代谢产物有1-羟基芘、1-氢硫酸芘、4,5-二羟基芘和菲-4-羧酸，GP3A+GP3B混合菌降解芘的过程应为协同合作，分别代谢的过程。GY2B+GP3B混合菌芘代谢产物有菲-4-羧酸，二甲基酞酸，1-羟基-2-萘酸，1-萘酚和水杨酸，推测芘的降解是GY2B+GP3B混合菌的集体代谢的综合作用的结果，GP3B的中间转化产物作为GY2B生长代谢的基质，使得芘得到更彻底的降解。 【关键词】：芘 固定化微生物 生物降解 玉米秸秆 代谢产物
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：X703
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-8
• 目录8-11
• 第一章 绪论11-26
• 1.1. 多环芳烃污染的性质与危害11-14
• 1.1.1 PAHs 的物理性质及化学性质11-12
• 1.1.2 PAHs 的来源12-13
• 1.1.3 PAHs 的危害13-14
• 1.1.4 芘的性质及危害14
• 1.2 多环芳烃污染的微生物降解14-20
• 1.2.1 降解多环芳烃的微生物15-16
• 1.2.2 微生物降解多环芳烃的机理16-18
• 1.2.3 影响多环芳烃微生物降解的因素18-19
• 1.2.4 多环芳烃生物降解研究中存在的主要问题19-20
• 1.3 固定化技术在生物修复中的应用20-25
• 1.3.1 传统固定化方法及复合固定化方法21-22
• 1.3.2 固定化微生物载体的分类和选择22-24
• 1.3.3 固定化微生物技术在环境工程中的应用24-25
• 1.4 本课题研究的意义和研究内容25-26
• 1.4.1 研究意义25
• 1.4.2 研究内容25-26
• 第二章 多环芳烃降解菌驯化及其降解性能的研究26-34
• 2.1 实验材料与方法26-30
• 2.1.1 实验用菌种26
• 2.1.2 主要试剂及仪器26-27
• 2.1.3 培养基27-28
• 2.1.4 菌种复壮及驯化28
• 2.1.5 微生物的生物量的测定方法28-29
• 2.1.6 各菌种芘降解率的测定29-30
• 2.2 结果与讨论30-33
• 2.2.1 菌液生物量的测定结果30-31
• 2.2.2 芘的标准曲线31-32
• 2.2.3 固定化菌株的选择32-33
• 2.3 本章小结33-34
• 第三章 固定化载体及方法的选择34-45
• 3.1 材料和方法34-38
• 3.1.1 药品与试剂34
• 3.1.2 仪器设备34-35
• 3.1.3 固定化方法35-37
• 3.1.4 固定化小球各项物理参数测定37-38
• 3.1.5 固定化小球的微观结构观察（扫描电镜分析）38
• 3.2 结果与讨论38-44
• 3.2.1 聚乙烯醇（PVA）和海藻酸钠（SA）最佳组合38-40
• 3.2.2 固定化小球各物理参数比较40-41
• 3.2.3 固定化方法的选择41-43
• 3.2.4 扫描电镜图43-44
• 3.3 本章小结44-45
• 第四章 固定化降解条件的选择45-52
• 4.1 材料与方法45-47
• 4.1.1 主要试剂与仪器45-46
• 4.1.2 实验方法46-47
• 4.2 结果与讨论47-51
• 4.2.1 温度47-48
• 4.2.2 pH48-49
• 4.2.3 芘初始浓度49-51
• 4.3 本章小结51-52
• 第五章 固定化微生物小球降解性能研究52-67
• 5.1 材料与方法52-55
• 5.1.1 药品与试剂52
• 5.1.2 仪器设备52
• 5.1.3 复合固定化法固定微生物52-53
• 5.1.4 芘降解率的测定53-54
• 5.1.5 固定化微生物小球的 SEM 微观结构观察54
• 5.1.6 芘代谢产物的测定54-55
• 5.2 结果与讨论55-65
• 5.2.1 空白对比55-56
• 5.2.2 固定化微生物玉米小球对芘的去除56-59
• 5.2.3 扫描电镜观察59-61
• 5.2.4 降解代谢产物61-65
• 5.3 本章小结65-67
• 结论与展望67-69
• 结论67-68
• 展望68-69
• 参考文献69-75
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果75-76
• 致谢76-77
• 附件77

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