本文主要研究内容
作者蒋丽（2019）在《深海高效除镉菌株对磷镉去除的相互作用及其生物学机制》一文中研究指出：近年来工业废水排放、磷肥施用以及矿山开采引起的镉污染日益严重。镉作为一种剧毒的重金属元素,由于其不可降解,进入食物链后会在生物体内富集而造成严重的健康和生态危害。自然界中,磷和镉的分布具有一定相关性,海水中镉和磷之间的关系是双线性的,磷矿中镉通常会以0.1-60 mg/kg的浓度伴生存在;生产中,由于有色金属矿床和磷矿的开采以及含镉磷肥的施用使含镉废水中含有浓度不等的磷。另外,磷资源属于不可再生类,据估计全球可开采的磷矿将在60-130年内耗尽。因此,污水中的磷回收以及磷镉的同时去除在磷资源保护和镉污染防理中具有重要意义。微生物作为元素循环和物质传递的中间环节,在磷镉循环以及磷的矿化中发挥着重要作用。文献报道的能够实现磷镉的同时去除的微生物种类较少,种属不明确。Pseudoalteromonas sp.SCSE709-6(P.sp.SCSE709-6)是分离自中国南海的一株高效除镉海洋菌,前期研究发现P.sp.SCSE709-6能实现磷镉的同时去除;但是磷镉同步去除过程中,其作用机理和生物学机制尚不明确。基于以上研究背景,本课题首先研究了菌株P.sp.SCSE709-6的除磷效能及其应用;进一步分析了不同磷镉浓度对P.sp.SCSE709-6的生理生化特性及磷镉去除效能的影响;解析了同步去除过程中磷镉的迁移转化和P.sp.SCSE709-6的生物学机制。本论文主要研究工作及重要结论包括以下几个部分:(1)P.sp.SCSE709-6的环境适应能力以及除磷能力强,去除的磷主要以有机磷形式(磷酸单脂和磷酸双脂)分布在胞内和胞外聚合物上,P.sp.SCSE709-6的接种强化了系统对碳磷的去除能力,增加了微生物群落结构的相似性。P.sp.SCSE709-6,能够在初始磷浓度1-40 mg/L、盐度为1%-10%、pH为5-8.5、C/N比为15-20以及温度为15-30℃的条件下良好生长并实现高效除磷,最多除磷30 mg/L左右,该菌环境适应能力强,除磷效果好。除磷过程中正磷酸盐逐渐同化吸收转化为有机磷,有机磷以磷酸单脂和磷酸双脂形式存在,占总磷的92.82%-95.54%。去除的磷主要分布在胞内和EPS上,其百分比分别为41.3%和50.6%。SMT提取结果显示,菌体中的磷主要以易于迁移和可生物利用的磷形式(有机磷OP和非磷灰石磷NAIP)存在,其占比高达97.1%。批次实验中,P.sp.SCSE709-6处理含盐黑水的最大COD、TP和TN去除率分别为96%、83%和50%左右。在船上的半连续实验中,接种了P.sp.SCSE709-6的系统T3具有最佳的COD去除率(99.8%);T3和T4(接种P.sp.SCSE709-6进行强化的两个系统)均具有良好的脱磷能力(去除率分别为80.9%和88.4%)。T3和T4之间的β多样性指数中的未加权unifrac距离最小(0.368),表明T3和T4之间存在最小的群落差异。(2)镉胁迫下细菌形态变粗变短,磷能缓解镉对P.sp.SCSE709-6生长的抑制作用,P.sp.SCSE709-6对镉的去除速率随磷浓度增加而提高,磷的增加有利于细菌对镉的抵抗。通过原子力显微镜观察发现,磷浓度为9 mg/L的无镉污水中P.sp.SCSE709-6的菌体形态呈细长的杆状,细菌的长度约为2 μm,宽度约为1 μμm;随着镉浓度逐渐增加,P.sp.SCSE709-6的菌体形态变短变粗,并且其周围聚集着一些纳米颗粒,随着磷浓度的增加,细菌形态受镉影响的程度变小。磷能减轻镉对细菌生长的抑制作用,污水的pH值先降低后增加至7.5-8.4,P.sp.SCSE709-6能自主调节污水pH至弱碱性。随着镉浓度或磷浓度的增加,EPS中蛋白多糖的含量逐渐增加;磷的增加有利于细菌对镉的抵抗。三维荧光光谱结果显示,随着镉或磷浓度的增加,EPS中芳香类蛋白质的结构发生变化,腐殖酸类的峰消失,出现新的富里酸峰。芳香类蛋白质的羧基、羰基、羟基、氨基官能团含量增加,使D峰出现红移。热重分析表明镉和磷的增加使菌体的失重温度降低,增加了菌体的可燃性,有利于处理污水后的菌体的脱水。随着镉浓度的增加,P.sp.SCSE709-6的除磷除镉速率均有所降低;当镉浓度为1-10 mg/L时,24 h内能实现磷镉的完全去除,当镉浓度大于12 mg/L时,对磷镉的最大去除率均有所降低。随着磷浓度的增加,P.sp.SCSE709-6对镉的去除速率增加,说明磷的存在有利于该菌对镉的去除。(3)高镉使P.sp.SCSE709-6菌体中总镉以可交换的镉形态增加,高磷能降低菌体中总镉含量,使镉更多的积累在EPS中以及可交换态镉的含量降低,减轻镉的毒性;含镉污水中,细菌生成Cd-S-P纳米颗粒。随着时间的增加,磷由EPS中转移到胞内,胞内的镉先增加后减少。随着磷浓度的增加,P.sp.SCSE709-6菌体中的磷更多的积累在EPS,镉积累的主要部位由细胞膜变成了 EPS。磷镉浓度的变化并未改变菌体中主要的磷形式(单脂、双脂和正磷酸盐)。随着镉浓度的增加,菌体中的镉含量显著增加,并且可交换态的镉增量最大,镉的直接毒性增加;随着磷浓度的增加,菌体中总镉含量有少量降低,可交换态镉的含量降低,可还原态镉的含量增加,表明磷能缓解镉的直接毒性,镉形态由不稳定变为稳定。污水中含镉时,细菌周围出现了纳米颗粒,并且镉浓度越大,颗粒聚集得越多。提取后的纳米颗粒聚集在一起,其由很多直径约为30 nm的圆形颗粒组成,其碳含量较高(87.8%),说明该颗粒中主要为有机物,镉的占比为2.8%,硫的占比为2.9%,磷的占比为0.2%。对聚集纳米颗粒中的一个圆形颗粒放大,发现其具有明显的晶型和无定形性质,由直径为2-3 nm的纳米晶组成,纳米晶的晶面间距为0.305 nm。通过XPS测定,纳米颗粒的Cd3d精细谱图发现镉主要以Cd-S以及O-Cd-O方式与硫和氧结合,EPS的S2p谱图显示其主要为S2’形态,P2p谱图显示磷主要以P043-,P-O-P方式结合。(4)镉的存在影响了P.sp.SCSE709-6对磷的直接吸收,镉使肌醇磷酸代谢和磷酸戊糖途径中的多种酶下调表达,并影响三羧酸循环和糖酵解途径中的一些酶活性,从而影响P.sp.SCSE709-6的磷代谢。差异表达基因中显著富集的GO-term主要有细胞外膜、外部封装结构、细胞包膜、铜离子和银离子的跨膜运输、氨基酸合成和代谢过程、羧酸生物合成和有机酸生物合成。差异表达基因的KEGG分析发现,有磷时,镉胁迫条件下,菌体内差异基因主要富集在精氨酸生物合成(Arginine biosynthesis)、氨基酸的生物合成(Biosynthesis of amino acids)、半胱氨酸和蛋氨酸代谢(Cysteine and methionine metabolism)、肌醇磷酸代谢(Inositol phosphate metabolism)。当污水中镉浓度增加时,谷胱甘肽产量略有升高,胞内碱性磷酸酶的活性增加。而当磷浓度增加时,谷胱甘肽的浓度随之稍微降低,胞内碱性磷酸酶的活性减少,环境中磷的增加使细菌可利用的磷增加,无需过多分解胞内存储的磷。明确了P.sp.SCSE709-6的抗镉机制。(ⅰ)通过细胞膜相关基因下调表达以及EPS的吸附作用,阻止镉离子内流;(ⅱ)胞内含硫蛋白质合成的上调表达,镉与含硫蛋白质和含磷有机物结合以达到细胞内部的隔离作用和解毒作用;(ⅲ)通过钴/锌/镉外排RND转运蛋白、铅/镉/锌/汞转运ATP酶、钴/锌/镉抗性蛋白CzcA、膜融合蛋白CzcB和阳离子外排系统蛋白CusA的上调表达,促进镉离子外排。综上,P.sp.SCSE709-6应用于含磷污水的处理,实现磷去除的同时将磷以生物可利用的形式储存在菌体内,对磷资源的再利用具有重要意义。不同磷镉浓度下P.sp.SCSE709-6的生理生化特性和磷镉去除效能以及P.sp.SCSE709-6对磷镉的同时去除过程中,磷镉的迁移转化为该菌应用于磷镉的同时去除提供了有利的理论基础和数据支撑。磷镉的同时去除实现了有毒有害污染物的高效低成本去除,具有重要的环境、生态和经济效益。此外,磷镉作用下P.sp.SCSE709-6的生物学机制探究,有利于理解海洋环境及磷矿中磷镉的相关性,揭示该菌在环境中的生态意义。
Abstract
jin nian lai gong ye fei shui pai fang 、lin fei shi yong yi ji kuang shan kai cai yin qi de ge wu ran ri yi yan chong 。ge zuo wei yi chong ju du de chong jin shu yuan su ,you yu ji bu ke jiang jie ,jin ru shi wu lian hou hui zai sheng wu ti nei fu ji er zao cheng yan chong de jian kang he sheng tai wei hai 。zi ran jie zhong ,lin he ge de fen bu ju you yi ding xiang guan xing ,hai shui zhong ge he lin zhi jian de guan ji shi shuang xian xing de ,lin kuang zhong ge tong chang hui yi 0.1-60 mg/kgde nong du ban sheng cun zai ;sheng chan zhong ,you yu you se jin shu kuang chuang he lin kuang de kai cai yi ji han ge lin fei de shi yong shi han ge fei shui zhong han you nong du bu deng de lin 。ling wai ,lin zi yuan shu yu bu ke zai sheng lei ,ju gu ji quan qiu ke kai cai de lin kuang jiang zai 60-130nian nei hao jin 。yin ci ,wu shui zhong de lin hui shou yi ji lin ge de tong shi qu chu zai lin zi yuan bao hu he ge wu ran fang li zhong ju you chong yao yi yi 。wei sheng wu zuo wei yuan su xun huan he wu zhi chuan di de zhong jian huan jie ,zai lin ge xun huan yi ji lin de kuang hua zhong fa hui zhao chong yao zuo yong 。wen suo bao dao de neng gou shi xian lin ge de tong shi qu chu de wei sheng wu chong lei jiao shao ,chong shu bu ming que 。Pseudoalteromonas sp.SCSE709-6(P.sp.SCSE709-6)shi fen li zi zhong guo na hai de yi zhu gao xiao chu ge hai xiang jun ,qian ji yan jiu fa xian P.sp.SCSE709-6neng shi xian lin ge de tong shi qu chu ;dan shi lin ge tong bu qu chu guo cheng zhong ,ji zuo yong ji li he sheng wu xue ji zhi shang bu ming que 。ji yu yi shang yan jiu bei jing ,ben ke ti shou xian yan jiu le jun zhu P.sp.SCSE709-6de chu lin xiao neng ji ji ying yong ;jin yi bu fen xi le bu tong lin ge nong du dui P.sp.SCSE709-6de sheng li sheng hua te xing ji lin ge qu chu xiao neng de ying xiang ;jie xi le tong bu qu chu guo cheng zhong lin ge de qian yi zhuai hua he P.sp.SCSE709-6de sheng wu xue ji zhi 。ben lun wen zhu yao yan jiu gong zuo ji chong yao jie lun bao gua yi xia ji ge bu fen :(1)P.sp.SCSE709-6de huan jing kuo ying neng li yi ji chu lin neng li jiang ,qu chu de lin zhu yao yi you ji lin xing shi (lin suan chan zhi he lin suan shuang zhi )fen bu zai bao nei he bao wai ju ge wu shang ,P.sp.SCSE709-6de jie chong jiang hua le ji tong dui tan lin de qu chu neng li ,zeng jia le wei sheng wu qun la jie gou de xiang shi xing 。P.sp.SCSE709-6,neng gou zai chu shi lin nong du 1-40 mg/L、yan du wei 1%-10%、pHwei 5-8.5、C/Nbi wei 15-20yi ji wen du wei 15-30℃de tiao jian xia liang hao sheng chang bing shi xian gao xiao chu lin ,zui duo chu lin 30 mg/Lzuo you ,gai jun huan jing kuo ying neng li jiang ,chu lin xiao guo hao 。chu lin guo cheng zhong zheng lin suan yan zhu jian tong hua xi shou zhuai hua wei you ji lin ,you ji lin yi lin suan chan zhi he lin suan shuang zhi xing shi cun zai ,zhan zong lin de 92.82%-95.54%。qu chu de lin zhu yao fen bu zai bao nei he EPSshang ,ji bai fen bi fen bie wei 41.3%he 50.6%。SMTdi qu jie guo xian shi ,jun ti zhong de lin zhu yao yi yi yu qian yi he ke sheng wu li yong de lin xing shi (you ji lin OPhe fei lin hui dan lin NAIP)cun zai ,ji zhan bi gao da 97.1%。pi ci shi yan zhong ,P.sp.SCSE709-6chu li han yan hei shui de zui da COD、TPhe TNqu chu lv fen bie wei 96%、83%he 50%zuo you 。zai chuan shang de ban lian xu shi yan zhong ,jie chong le P.sp.SCSE709-6de ji tong T3ju you zui jia de CODqu chu lv (99.8%);T3he T4(jie chong P.sp.SCSE709-6jin hang jiang hua de liang ge ji tong )jun ju you liang hao de tuo lin neng li (qu chu lv fen bie wei 80.9%he 88.4%)。T3he T4zhi jian de βduo yang xing zhi shu zhong de wei jia quan unifracju li zui xiao (0.368),biao ming T3he T4zhi jian cun zai zui xiao de qun la cha yi 。(2)ge xie pai xia xi jun xing tai bian cu bian duan ,lin neng huan jie ge dui P.sp.SCSE709-6sheng chang de yi zhi zuo yong ,P.sp.SCSE709-6dui ge de qu chu su lv sui lin nong du zeng jia er di gao ,lin de zeng jia you li yu xi jun dui ge de di kang 。tong guo yuan zi li xian wei jing guan cha fa xian ,lin nong du wei 9 mg/Lde mo ge wu shui zhong P.sp.SCSE709-6de jun ti xing tai cheng xi chang de gan zhuang ,xi jun de chang du yao wei 2 μm,kuan du yao wei 1 μμm;sui zhao ge nong du zhu jian zeng jia ,P.sp.SCSE709-6de jun ti xing tai bian duan bian cu ,bing ju ji zhou wei ju ji zhao yi xie na mi ke li ,sui zhao lin nong du de zeng jia ,xi jun xing tai shou ge ying xiang de cheng du bian xiao 。lin neng jian qing ge dui xi jun sheng chang de yi zhi zuo yong ,wu shui de pHzhi xian jiang di hou zeng jia zhi 7.5-8.4,P.sp.SCSE709-6neng zi zhu diao jie wu shui pHzhi ruo jian xing 。sui zhao ge nong du huo lin nong du de zeng jia ,EPSzhong dan bai duo tang de han liang zhu jian zeng jia ;lin de zeng jia you li yu xi jun dui ge de di kang 。san wei ying guang guang pu jie guo xian shi ,sui zhao ge huo lin nong du de zeng jia ,EPSzhong fang xiang lei dan bai zhi de jie gou fa sheng bian hua ,fu shi suan lei de feng xiao shi ,chu xian xin de fu li suan feng 。fang xiang lei dan bai zhi de suo ji 、tang ji 、qiang ji 、an ji guan neng tuan han liang zeng jia ,shi Dfeng chu xian gong yi 。re chong fen xi biao ming ge he lin de zeng jia shi jun ti de shi chong wen du jiang di ,zeng jia le jun ti de ke ran xing ,you li yu chu li wu shui hou de jun ti de tuo shui 。sui zhao ge nong du de zeng jia ,P.sp.SCSE709-6de chu lin chu ge su lv jun you suo jiang di ;dang ge nong du wei 1-10 mg/Lshi ,24 hnei neng shi xian lin ge de wan quan qu chu ,dang ge nong du da yu 12 mg/Lshi ,dui lin ge de zui da qu chu lv jun you suo jiang di 。sui zhao lin nong du de zeng jia ,P.sp.SCSE709-6dui ge de qu chu su lv zeng jia ,shui ming lin de cun zai you li yu gai jun dui ge de qu chu 。(3)gao ge shi P.sp.SCSE709-6jun ti zhong zong ge yi ke jiao huan de ge xing tai zeng jia ,gao lin neng jiang di jun ti zhong zong ge han liang ,shi ge geng duo de ji lei zai EPSzhong yi ji ke jiao huan tai ge de han liang jiang di ,jian qing ge de du xing ;han ge wu shui zhong ,xi jun sheng cheng Cd-S-Pna mi ke li 。sui zhao shi jian de zeng jia ,lin you EPSzhong zhuai yi dao bao nei ,bao nei de ge xian zeng jia hou jian shao 。sui zhao lin nong du de zeng jia ,P.sp.SCSE709-6jun ti zhong de lin geng duo de ji lei zai EPS,ge ji lei de zhu yao bu wei you xi bao mo bian cheng le EPS。lin ge nong du de bian hua bing wei gai bian jun ti zhong zhu yao de lin xing shi (chan zhi 、shuang zhi he zheng lin suan yan )。sui zhao ge nong du de zeng jia ,jun ti zhong de ge han liang xian zhe zeng jia ,bing ju ke jiao huan tai de ge zeng liang zui da ,ge de zhi jie du xing zeng jia ;sui zhao lin nong du de zeng jia ,jun ti zhong zong ge han liang you shao liang jiang di ,ke jiao huan tai ge de han liang jiang di ,ke hai yuan tai ge de han liang zeng jia ,biao ming lin neng huan jie ge de zhi jie du xing ,ge xing tai you bu wen ding bian wei wen ding 。wu shui zhong han ge shi ,xi jun zhou wei chu xian le na mi ke li ,bing ju ge nong du yue da ,ke li ju ji de yue duo 。di qu hou de na mi ke li ju ji zai yi qi ,ji you hen duo zhi jing yao wei 30 nmde yuan xing ke li zu cheng ,ji tan han liang jiao gao (87.8%),shui ming gai ke li zhong zhu yao wei you ji wu ,ge de zhan bi wei 2.8%,liu de zhan bi wei 2.9%,lin de zhan bi wei 0.2%。dui ju ji na mi ke li zhong de yi ge yuan xing ke li fang da ,fa xian ji ju you ming xian de jing xing he mo ding xing xing zhi ,you zhi jing wei 2-3 nmde na mi jing zu cheng ,na mi jing de jing mian jian ju wei 0.305 nm。tong guo XPSce ding ,na mi ke li de Cd3djing xi pu tu fa xian ge zhu yao yi Cd-Syi ji O-Cd-Ofang shi yu liu he yang jie ge ,EPSde S2ppu tu xian shi ji zhu yao wei S2’xing tai ,P2ppu tu xian shi lin zhu yao yi P043-,P-O-Pfang shi jie ge 。(4)ge de cun zai ying xiang le P.sp.SCSE709-6dui lin de zhi jie xi shou ,ge shi ji chun lin suan dai xie he lin suan wu tang tu jing zhong de duo chong mei xia diao biao da ,bing ying xiang san suo suan xun huan he tang jiao jie tu jing zhong de yi xie mei huo xing ,cong er ying xiang P.sp.SCSE709-6de lin dai xie 。cha yi biao da ji yin zhong xian zhe fu ji de GO-termzhu yao you xi bao wai mo 、wai bu feng zhuang jie gou 、xi bao bao mo 、tong li zi he yin li zi de kua mo yun shu 、an ji suan ge cheng he dai xie guo cheng 、suo suan sheng wu ge cheng he you ji suan sheng wu ge cheng 。cha yi biao da ji yin de KEGGfen xi fa xian ,you lin shi ,ge xie pai tiao jian xia ,jun ti nei cha yi ji yin zhu yao fu ji zai jing an suan sheng wu ge cheng (Arginine biosynthesis)、an ji suan de sheng wu ge cheng (Biosynthesis of amino acids)、ban guang an suan he dan an suan dai xie (Cysteine and methionine metabolism)、ji chun lin suan dai xie (Inositol phosphate metabolism)。dang wu shui zhong ge nong du zeng jia shi ,gu guang gan tai chan liang lve you sheng gao ,bao nei jian xing lin suan mei de huo xing zeng jia 。er dang lin nong du zeng jia shi ,gu guang gan tai de nong du sui zhi shao wei jiang di ,bao nei jian xing lin suan mei de huo xing jian shao ,huan jing zhong lin de zeng jia shi xi jun ke li yong de lin zeng jia ,mo xu guo duo fen jie bao nei cun chu de lin 。ming que le P.sp.SCSE709-6de kang ge ji zhi 。(ⅰ)tong guo xi bao mo xiang guan ji yin xia diao biao da yi ji EPSde xi fu zuo yong ,zu zhi ge li zi nei liu ;(ⅱ)bao nei han liu dan bai zhi ge cheng de shang diao biao da ,ge yu han liu dan bai zhi he han lin you ji wu jie ge yi da dao xi bao nei bu de ge li zuo yong he jie du zuo yong ;(ⅲ)tong guo gu /xin /ge wai pai RNDzhuai yun dan bai 、qian /ge /xin /gong zhuai yun ATPmei 、gu /xin /ge kang xing dan bai CzcA、mo rong ge dan bai CzcBhe yang li zi wai pai ji tong dan bai CusAde shang diao biao da ,cu jin ge li zi wai pai 。zeng shang ,P.sp.SCSE709-6ying yong yu han lin wu shui de chu li ,shi xian lin qu chu de tong shi jiang lin yi sheng wu ke li yong de xing shi chu cun zai jun ti nei ,dui lin zi yuan de zai li yong ju you chong yao yi yi 。bu tong lin ge nong du xia P.sp.SCSE709-6de sheng li sheng hua te xing he lin ge qu chu xiao neng yi ji P.sp.SCSE709-6dui lin ge de tong shi qu chu guo cheng zhong ,lin ge de qian yi zhuai hua wei gai jun ying yong yu lin ge de tong shi qu chu di gong le you li de li lun ji chu he shu ju zhi cheng 。lin ge de tong shi qu chu shi xian le you du you hai wu ran wu de gao xiao di cheng ben qu chu ,ju you chong yao de huan jing 、sheng tai he jing ji xiao yi 。ci wai ,lin ge zuo yong xia P.sp.SCSE709-6de sheng wu xue ji zhi tan jiu ,you li yu li jie hai xiang huan jing ji lin kuang zhong lin ge de xiang guan xing ,jie shi gai jun zai huan jing zhong de sheng tai yi yi 。
论文参考文献
论文详细介绍
论文作者分别是来自山东大学的蒋丽，发表于刊物山东大学2019-07-16论文，是一篇关于海洋细菌论文,除磷论文,资源化论文,磷镉同步去除论文,磷镉相互作用机制论文,山东大学2019-07-16论文的文章。本文可供学术参考使用，各位学者可以免费参考阅读下载，文章观点不代表本站观点，资料来自山东大学2019-07-16论文网站，若本站收录的文献无意侵犯了您的著作版权，请联系我们删除。
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