蒽醌染料中间体对偶氮染料脱色的促进作用及其好氧降解

论文摘要

本论文旨在研究鞘氨醇单胞菌QYY（Shingomonas xenophaga QYY,编号为CGMCC 1172）对蒽醌染料中间体1-氨基蒽醌-2-磺酸的好氧降解特性,分析蒽醌环裂解过程;并拓展底物范围,研究菌株QYY对偶氮染料的厌氧脱色特性,分析脱色产物。在此基础上,研究溴氨酸和1-氨基蒽醌-2-磺酸作为氧化还原介体,对偶氮染料脱色的加速作用,初步探索其作用机理。研究菌株QYY在无机盐培养基中对1-氨基蒽醌-2-磺酸脱色的基本特性,并分析蒽醌环裂解过程。菌株QYY生长及对1-氨基蒽醌-2-磺酸脱色的较佳条件是:pH7.0,温度30℃,转速100-150 r·min-1。在较佳条件下,菌株QYY能够在120h内将3.3 mM 1-氨基蒽醌-2-磺酸脱色98%。利用紫外-可见光谱、液相色谱-质谱和核磁共振等分析手段鉴定了1-氨基蒽醌-2-磺酸的脱色产物。主要的脱色产物为2-（2′-羟基-3′-氨基-4′-磺酸基-苯甲酰）-苯甲酸,2-（2′-氨基-3′-磺酸基-6′-羟基-苯甲酰）-苯甲酸,邻苯二甲酸和2-氨基-3-羟基-苯磺酸。由此推测了1-氨基蒽醌-2-磺酸的脱色途径。根据前两个脱色产物,认为蒽醌环裂解反应属于Baeyer-Villiger型反应。采用超声破碎细胞,提取1-氨基蒽醌-2-磺酸脱色酶,并研究其脱色活性。结果表明,1-氨基蒽醌2-磺酸脱色酶为诱导酶。粗酶酶促反应需要辅酶NADH,较佳pH为7.5,较佳温度为50℃。但此粗酶非常不稳定,在4℃下保藏24h后其活性消失。5mM甲吡酮能够明显抑制其脱色活性。因此推测1-氨基蒽醌-2-磺酸的主要脱色酶可能是以NADH为辅酶的加氧酶。菌株QYY不仅能够在好氧条件下使1-氨基蒽醌-2-磺酸有效降解,而且能够在厌氧条件下使多种偶氮染料脱色。以酸性大红3R为底物,优化其脱色的较佳条件是:葡萄糖4g·L-1,初始pH8.0,温度30℃。利用液相色谱-质谱,鉴定酸性大红3R脱色后产物为4-氨基萘磺酸和7-羟基-8-氨基-1,3二磺酸萘。四种结构相似的磺酸化偶氮染料脱色速率比较如下:V酸性红B＞V酸性大红GR＞V酸性大红3R＞V酸性苋菜红。可见偶氮染料分子结构中磺酸基团数量和位置影响其脱色。偶氮染料的浓度也影响其脱色速率。以酸性红B为例,当酸性红B的浓度低于1mM时,其脱色速率随着染料浓度的增加而不断增大;但当酸性红B的浓度高于1mM时,其脱色初速度受到了明显抑制。在厌氧条件下,1-氨基蒽醌-2-磺酸和溴氨酸能够作为氧化还原介体,提高酸性大红3R的脱色速率。当溴氨酸和1-氨基蒽醌-2-磺酸的浓度达到0.4mM时,酸性大红3R（0.2mM）的脱色速率分别比不加介体时提高2.9倍和4.9倍。可见,1-氨基蒽醌-2-磺酸比溴氨酸更有效。此外,1-氨基蒽醌-2-磺酸能够提高菌株QYY对不同磺酸化偶氮染料的还原速率,并能够加速大肠杆菌JM109和未经驯化的活性污泥对磺酸化偶氮染料的脱色。表明其作为氧化还原介体,具有普遍应用性。在厌氧-好氧条件下,1-氨基蒽醌-2-磺酸和溴氨酸能够使菌株QYY将连续补加5次的酸性大红3R厌氧脱色;并通过补加乙酸钠、调节pH值,实现菌株QYY将每次培养液中的1-氨基蒽醌-2-磺酸和溴氨酸在24h内好氧降解。对水溶性蒽醌化合物提高菌株QYY还原磺酸化偶氮染料速率的机理进行了初步的探讨。对于菌株QYY,AQS是蒽醌化合物中最合适的醌介体。利用紫外可见光谱分析了AQS还原峰。并通过对偶氮染料酸性红B的脱色反应,证实了AQS介导的磺酸化偶氮染料的还原分为两步,其中AQS还原过程为限速步骤。通过超速离心,分析了菌株QYY中细胞膜和细胞质中的AQS还原酶特性。初步判定细胞膜上以吡咯喹啉醌（PQQ）为辅基的D-葡萄糖脱氢酶可能通过AQS的还原,从而将偶氮染料还原。通过非变性凝胶电泳,确定细胞质内存在以FMN为辅酶的偶氮还原酶和以FMN为辅酶的AOS还原酶各为一种。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 蒽醌染料和偶氮染料的生物处理研究进展
• 1.1 染料废水的基本特性
• 1.1.1 染料的分类
• 1.1.2 染料废水的特点
• 1.2 染料废水的处理方法
• 1.2.1 染料废水的物理、化学处理方法
• 1.2.2 染料废水的生物处理方法
• 1.3 蒽醌染料及中间体的生物处理研究现状
• 1.3.1 蒽醌染料的生物处理研究现状
• 1.3.2 蒽醌染料中间体的生物处理研究现状
• 1.4 偶氮染料的生物处理研究现状
• 1.4.1 具有偶氮染料脱色能力的微生物
• 1.4.2 微生物处理偶氮染料的影响因素
• 1.4.3 有氧条件下微生物使偶氮染料脱色的机理
• 1.4.4 微生物厌氧还原偶氮染料的机理
• 1.5 本论文的研究内容及意义
• 1.5.1 前期工作的概述
• 1.5.2 研究内容及意义
• 2 鞘氨醇单胞菌对1-氨基蒽醌-2-磺酸脱色的特性及机理
• 2.1 材料与方法
• 2.1.1 实验材料
• 2.1.2 实验方法
• 2.2 结果与讨论
• 2.2.1 菌株QYY生长与脱色条件的确定
• 2.2.2 1-氨基蒽醌-2-磺酸脱色过程中紫外-可见波谱变化
• 2.2.3 1-氨基蒽醌-2-磺酸脱色过程中总有机碳变化
• 2.2.4 1-氨基蒽醌-2-磺酸脱色产物的鉴定
• 2.2.5 1-氨基蒽醌-2-磺酸的脱色途径
• 2.2.6 1-氨基蒽醌-2-磺酸脱色酶的特性
• 2.3 本章小结
• 3 鞘氨醇单胞菌对偶氮染料的脱色特性
• 3.1 材料与方法
• 3.1.1 实验材料
• 3.1.2 实验方法
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 菌株QYY的好氧生长阶段对酸性大红3R脱色的影响
• 3.2.2 酸性大红3R脱色条件的优化
• 3.2.3 酸性大红3R的脱色途径
• 3.2.4 菌株QYY对其它偶氮染料的脱色特性
• 3.3 本章小结
• 4 蒽醌染料中间体促进磺酸化偶氮染料脱色的特性
• 4.1 材料与方法
• 4.1.1 实验材料
• 4.1.2 实验方法
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 蒽醌染料中间体促进菌株QYY对磺酸化偶氮染料脱色的特性
• 4.2.2 蒽醌染料中间体促进其它微生物对磺酸化偶氮染料脱色的特性
• 4.2.3 酸性大红3R的厌氧脱色和蒽醌染料中间体的好氧降解
• 4.3 本章小结
• 5 蒽醌化合物促进磺酸化偶氮染料脱色机理初探
• 5.1 材料与方法
• 5.1.1 实验材料
• 5.1.2 实验方法
• 5.2 结果与讨论
• 5.2.1 最适醌介体的确定
• 5.2.2 醌化合物介导的磺酸化偶氮染料还原的限速步骤
• 5.2.3 菌株QYY细胞膜上的醌还原酶特性
• 5.2.4 菌株QYY细胞质中醌还原酶特性
• 5.3 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 有待深入研究的内容
• 参考文献
• 创新点摘要
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢