偶氮染料脫色工程菌的特性及強化作用研究

發(fā)布時間：2020-05-07 23:07

【摘要】： 本論文旨在研究基因工程菌Escherichia coli JM109(pGEX-AZR)的生長特性及其對偶氮染料的脫色性能。為了降低基因工程菌應用可能帶來的生態(tài)風險，將E．coli JM109(pGEX-AZR)與膜生物反應器結合，將微生物有效的截留在反應器之內，以防止其向環(huán)境中釋放。另外將E．coli JM109(pGEX-AZR)作為高效菌制劑投加到活性污泥體系中進行強化脫色研究，借助現(xiàn)代分子生物技術，研究了其在污泥體系中的生長特性及對污泥群落結構的影響。本研究為基因工程菌在廢水處理中的應用提供了一定的理論及技術支持。在以葡萄糖為限制性基質的分批培養(yǎng)中，E．coli JM109(pGEX-AZR)的最佳培養(yǎng)條件為：5g·L~(-1)葡萄糖，0.3 g·L~(-1) NH_4Cl：無機鹽培養(yǎng)基(組成為：KH_2PO_4 2.0 g·L~(-1)，Na_2HPO_4 1.3 g·L~(-1)，MgSO_4 2.0 g·L~(-1)，CaCl_2 0.0364 g·L~(-1)，F(xiàn)eCl_3 0.00025 g·L~(-1))；初始pH=7.5；接種量10 mL·L~(-1)；培養(yǎng)溫度35℃。IPTG誘導偶氮還原酶表達的最佳條件為：IPTG的投加時機為E．coli JM109(pGEX-AZR)的對數(shù)生長后期，即OD_(660)為1.7～1.8，最大IPTG的添加濃度以1 mmol L~(-1)，誘導的持續(xù)時間為8 h。可利用乳糖代替IPTG作為偶氮還原酶表達的誘導劑，乳糖的最佳投加濃度為40 mmol·L~(-1)，乳糖誘導的蛋白含量和偶氮還原酶活性為IPTG誘導時的93.6％和85.7％。 E．coli JM109(pGEX-AZR)對酸性大紅GR的共代謝脫色動力學包括生長基質的利用動力學、染料的脫色動力學、生物的生長動力學。E．coli JM109(pGEX-AZR)對生長基質-葡萄糖的利用符合Monod方程，其中μ_(max g)為0.07657 g·g~(-1)·h~(-1)，K_g為0.3324 g·L~(-1)；當有酸性大紅GR存在時，對葡萄糖的降解存在非競爭性抑制，抑制系數(shù)K_(ig)為0.213g·L~(-1)。酸性大紅GR的脫色動力學符合底物抑制模型Andrews，當存在生長基質時，μ_(max c)為42.45 mg·g~(-1)·h~(-1)，K_c為584.93 mg·L~(-1)，K_(ic)為556.89 mg·L~(-1)。E．coli JM109(pGEX-AZR)的產率系數(shù)Y_m為0.1 g·g~(-1)；生物轉化能力T_m為121.2 mg·g~(-1)；內源衰減系數(shù)b為0.0378d~(-1)。 E．coli JM109(pGEX-AZR)對多種偶氮染料有較好的脫色效果。供氧條件對偶氮染料脫色的影響很大，厭氧條件有利于酸性大紅GR的脫色：脫色最佳的pH值為中性或弱堿性；在25～40℃范圍內，隨著溫度的提高，脫色速率有所提高。當廢水中存在濃度為1～5％的NaCl、NaSO_4時，E．coli JM109(pGEX-AZR)對酸性大紅GR保持較高的脫色性能，而NaNO_3的存在對酸性大紅GR的脫色具有很大影響，隨著NaNO_3濃度的增加，脫色率明顯降低。用海藻酸鈉及聚亞胺酯大孔泡沫對E．coli JM109(pGEX-AZR)進行固定化，固定化細胞對酸性大紅GR的脫色都符合底物抑制模型Andrews。比較不同存在形態(tài)的E．coliJM109(pGEX-AZR)對酸性大紅GR的脫色動力學可知，海藻酸鈉固定的E．coli JM109(pGEX-AZR)的最大比脫色速率及半飽和系數(shù)都比游離態(tài)有所降低，說明由于海藻酸鈉固定，底物的傳遞受到影響，使速率下降；而抑制系數(shù)有所增加，說明固定后對細菌有所保護，菌體耐受環(huán)境變化的能力提高。而聚亞胺酯大孔泡沫固定菌體的動力學參數(shù)全部比游離態(tài)的有所提高，說明聚亞胺酯大孔泡沫適合用來固定該菌，實現(xiàn)對酸性大紅GR的脫色。將E．coli JM109(pGEX-AZR)投加到浸沒式厭氧膜生物反應器(SAnMBR)中，在SAnMBR連續(xù)運行過程中，對酸性大紅GR具有88％～93％的脫色率。通過膜過濾作用后，，出水酸性大紅GR的脫色率可以維持在96％左右。膜生物反應器對COD_(Cr)，的去除率范圍為56％～72％。在反應過程中，菌體濃度由初始濃度1.97 g·L~(-1)升高到2.12 g·L~(-1)，后逐漸降低，最終維持在1.60 g·L~(-1)～1.80 g·L~(-1)之間。將各種不同存在形態(tài)的E．coli JM109(pGEX-AZR)投加到厭氧序批式生物反應器(AnSBR)中，考察其對生物脫色過程的強化作用，投加游離態(tài)和大孔泡沫固定菌體的系統(tǒng)表現(xiàn)出類似的強化性能，脫色能力及抗?jié)舛蓉摵蓻_擊的能力都高于投加海藻酸鈉包埋菌體的強化系統(tǒng)和對照系統(tǒng)。在運行過程中取污泥總DNA進行指紋分析的結果表明，E．coli JM109(pGEX-AZR)能夠在強化系統(tǒng)維持較高的豐度，不同形式E．coli JM109(pGEX-AZR)的投加豐富了污泥群落的多樣性。
【圖文】：

限制性酶切圖,質粒,路線