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典型染料的Shewanella oneidensis MR-1的降解特征及真菌吸附机理研究

作　者: 杨玉义
导　师: 赵宇华
学　校: 浙江大学
专　业: 微生物
关键词: Shewanella oneidensis MR-1 偶氮还原酶降解吸附神经网络
分类号: X703
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

我国染料业、纺织印染业发达,染料废水对环境的污染更为严重。80%以上的染料为含偶氮键、多聚芳香环的复杂有机化合物,为有毒难降解有机物,化学稳定强,具有致癌、致畸、致突变的“三致”作用。因此寻找降解和吸附染料的微生物并研究其机理,成为当今环境微生物领域的热点。本文详细的研究了Shewanella oneidensis MR-1菌株降解偶氮染料的性质并克隆表达了偶氮还原酶,筛选并研究了真菌吸附剂对染料的吸附行为。论文的主要研究结果如下：(1) Shewanella oneidensis MR-1菌株降解特征及偶氮还原酶性质Shewanella oneidensis MR-1在静止的条件下对甲基橙和酸性黄199染料的脱色率可达99.36%和78.25%。该菌对甲基橙和酸性黄199最适的pH范围分别为4.0-7.0和6.0-8.0。外源添加Mg2+能够轻微的促进偶氮染料的降解,而Pb2+,Cd2+,Cu2+,Fe3+和Fe2+则显著抑制染料的脱色降解过程。酶学分析发现NADH-DCIP和偶氮还原酶活性在降解过程中显著升高。经过PCR获得偶氮还原酶序列,克隆表达之后具有偶氮还原酶活性,最大酶催化速率可达220.59 U/mg,在pH6.5的时候,达到最大比活为153.16 U/mg,对NADH具有偏好性。25 mM Mg2+能够增强偶氮还原酶的活性。生物信息学分析发现该偶氮还原酶属于FMN依赖型的NADH偶氮还原酶家族。(2)真菌吸附染料的机理研究青霉YW01吸附剂对酸性黑172和刚果红在pH 3.0、40℃和初始染料浓度为800 mg L-1的条件下的最大吸附量分别为225.38和411.53 mg g-1。吸附过程能够被Langmuir等温吸附方程拟合,说明单层吸附现象发生。动力学方程的分析发现,内部扩散为吸附限制因素。经遗传算法改进的人工神经网络分析得知,最适染料浓度和温度分别为吸附酸性黑172和刚果红的最大影响因素。CPC改性的青霉YW01吸附剂能够提高吸附量。磷酸盐缓冲液体系虽能够提高吸附速率,但产生更大的边界层效应。在单一吸附体系中,CDAB改性的米曲霉吸附剂对酸性蓝25和酸性红337的吸附量分别为160.36和280.39 mg g-1,是未改性吸附剂的1.52和1.66倍。在双相吸附体系中,未改性的和CDAB改性的吸附剂与单一吸附体系相比对两种染料的吸附能力显著降低,说明存在竞争吸附现象。相对竞争性分析发现,存在浓度关键节点决定吸附剂对两类染料的选择性。[AB 25]/[AR 337]浓度之比大于0.63时,酸性蓝25的生物吸附占优势地位。通过神经网络研究9种真菌吸附剂表征和操作条件对吸附活性黑5染料的过程影响时发现,pH为影响吸附过程最重要的因素,其次依次为氮元素含量,初始染料浓度、碳元素含量。而且真菌对染料的吸附能力并不与比表面积成正比。

全文目录

致谢  6-10
摘要  10-12
Abstract  12-14
1 绪论  14-39
  1.1 染料的微生物降解研究进展  15-24
    1.1.1 细菌降解染料的研究进展  16-22
    1.1.2 真菌降解染料的研究进展  22-24
  1.2 染料的微生物吸附研究进展  24-34
    1.2.1 细菌吸附染料的机理  25-26
    1.2.2 真菌吸附染料的机理  26-29
    1.2.3 吸附过程的数学模型  29-34
  1.3 酶降解染料的研究进展  34-38
    1.3.1 细菌偶氮还原酶的分类及作用机理  35-36
    1.3.2 真菌氧化酶降解染料的机理研究  36-37
    1.3.3 酶基因工程菌在染料降解中的作用  37-38
  1.4 本研究的背景、主要内容及意义  38-39
2 S.oneidensis MR-1降解偶氮染料特征及偶氮还原酶性质研究  39-65
  2.1 材料和方法  39-48
    2.1.1 菌株、质粒、培养基  39
    2.1.2 染料和试剂  39-40
    2.1.3 S. oneidensis MR-1在不同条件下的脱色降解实验  40
    2.1.4 粗酶制备和酶活分析  40-41
    2.1.5 脱色机理分析  41
    2.1.6 偶氮还原酶基因的克隆、转化  41-45
    2.1.7 偶氮还原酶的表达和纯化  45-46
    2.1.8 偶氮还原酶酶学性质研究  46-48
    2.1.9 偶氮还原酶的生物信息学分析  48
  2.2 实验结果  48-63
    2.2.1 Soneidensis MR-1对不同染料的脱色效果研究  48
    2.2.2 培养基条件和成分的影响  48-51
    2.2.3 酶学分析  51-52
    2.2.4 脱色方式分析  52-53
    2.2.5 偶氮还原酶基因的克隆和质粒构建  53-54
    2.2.6 重组偶氮还原酶的诱导表达和纯化  54-55
    2.2.7 FMN依赖性及NAD(P)H偏好性分析  55-56
    2.2.8 理化条件对偶氮还原酶活性的影响  56-59
    2.2.10 偶氮还原酶的生物信息学分析  59-63
  2.3 小结  63-65
3 真菌吸附染料机理研究  65-110
  3.1 材料和方法  65-68
    3.1.1 真菌  65
    3.1.2 真菌吸附剂的制备  65-66
    3.1.3 染料和试剂  66
    3.1.4 染料浓度测定  66
    3.1.5 吸附实验  66-67
    3.1.6 菌体表征测定  67-68
  3.2 实验结果  68-109
    3.2.1 青霉(Penicillium YW01)对刚果红和酸性黑172染料的吸附  68-78
    3.2.2 表面活性剂改性的青霉吸附剂对酸性蓝25染料在缓冲体系中的吸附行为  78-86
    3.2.3 未改性的和CDAB改性的米曲霉对酸性蓝25和酸性红337的竞争吸附行为  86-98
    3.2.4 不同真菌吸附剂吸附染料的机理分析  98-109
  3.3 结论  109-110
4 结论与展望  110-113
  4.1 全文主要结论  110-111
  4.2 本文的不足与展望  111-113
参考文献  113-132
附录  132-135
硕博连读期间发表论文情况  135-137
个人简历  137

典型染料的Shewanella oneidensis MR-1的降解特征及真菌吸附机理研究

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