多粘类芽孢杆菌GA1所产絮凝剂影响因素及絮凝性能的研究

论文摘要

本实验室采用常规平板稀释划线的细菌分离方法从岳麓山土壤中筛选出的1株絮凝微生物,菌株编号为GA1,经16S rDNA序列(GenBank序列登陆号DQ166375)分析鉴定为多粘类芽孢杆菌,命名为Paenibacillus polymyxa GA1,菌种保藏号CCTCC NO:M206017;经研究发现该菌株所产絮凝剂为高效产絮菌株。本论文的工作主要包括以下3方面:(1)通过对发酵液进行热稳定性实验初步鉴定产生絮凝活性的主要成分,并采用溶剂法提取得到微生物絮凝剂后再提纯得到MBFGA1纯品,对纯品进行糖的呈色反应和还原糖鉴定实验以及蛋白质呈色反应研究其成分特性;协同紫外光谱分析法以及红外光谱分析法可以对MBFGA1的化学成分、分子组成以及活性基团深入分析以及验证。(2)通过多粘类芽孢杆菌GA1所产微生物絮凝剂MBFGA1对高岭土溶液、土壤悬浊液、洗煤废水以及填埋场垃圾渗滤液等4种废水的絮凝性能对比研究、絮凝作用过程前后废水颗粒粒径分布变化以及颗粒外观形貌变化对比的情况,结合絮凝剂分子组成及成分深入研究,由此探讨MBFGA1的絮凝机理。(3)对絮凝剂产生菌多粘类芽孢杆菌GA1发酵培养基中的碳源与氮源进行研究,通过4种不同碳源(均为单糖与寡糖,理论上更容易被微生物吸收)与4种不同氮源的两两组合,得到16种不同发酵培养基进行絮凝率、絮凝现象、泥饼稳定性以及所提取絮凝剂的分子结构等分析,碳源与氮源对絮凝剂产生菌GA1及其所产絮凝剂的影响进行深入探讨,以期为降低微生物絮凝剂生产成本的研究提供更多可靠的参考依据,为GA1产絮凝剂寻找廉价替代培养基提供一种简便直接可行的方法,更为GA1所产絮凝剂走向工业化生产、开拓实际应用市场奠定坚实的科学基础。热稳定性测定实验发现,经不同高温处理过后的发酵液的絮凝率均在99%左右,说明GA1所产的微生物絮凝剂具有良好的热稳定性。采用蒽酮呈色反应测试实验以及Fehling反应检测实验对MBFGA1的化学成分进行检验,结果表明MBFGA1为多糖类物质,但并非还原性多糖。MBFGA1的紫外光谱检测结果表明,在蛋白质的最大吸收波长280nm处,未出现强的吸收峰;在波长在260～290nm之间为核酸中嘌呤与嘧啶环的特征吸收波长,此范围内亦未出现强吸收峰的现象, MBFGA1物质的主要成分不含蛋白质及核酸。MBFGA1的红外光谱检测图为典型的多糖光谱图,多糖的特征基团在图中均有特征吸收峰。各絮凝影响因素在4种废水絮凝过程中发挥的作用不尽相同,高岭土溶液与垃圾渗滤液受pH值影响最大,而发酵液的投加量在处理土壤悬浊液和洗煤废水中起着主导因素。絮凝剂对4种废水的处理效果差异亦较大,其中对高岭土溶液絮凝效果最佳,絮凝率高达99.53%;对垃圾渗滤液的絮凝率仅为75.60%。絮凝过程中pH与废水颗粒表面电荷状况存在相关性,废水初始pH越高,发生絮凝及最佳絮凝状态时pH亦随之增大,絮凝剂在偏碱性条件下发生絮凝作用。经絮凝剂处理后各废水溶液中颗粒粒径分布均有显著变化;高岭土溶液、洗煤废水及垃圾渗滤液颗粒的平均粒径在絮凝后均明显下降,且絮凝后平均粒径均小于10μm,而土壤悬浊液的粒径在絮凝后显著上升,且絮凝后平均粒径大于10μm。扫描电镜结果发现,4种废水颗粒絮凝后外部形态均无明显差异,从产生的絮体形态、泥饼紧实程度、废水颗粒粒径分布变化及电镜扫描的结果推测,MBFGA1的絮凝机理为吸附架桥作用。实验设计的16种碳源与氮源组合测试样本中,9种组合可提取得到絮凝剂,以蔗糖为碳源的4种发酵培养液均能够使GA1产絮凝剂,9种絮凝剂同属于非高温高压变性物质;紫外光谱结果表明其物质的主要成分均不是蛋白质及核酸。蔗糖为碳源的4种絮凝剂产品在产量以及溶解性能方面均占优势,其中以蔗糖与酵母浸膏组合得到的絮凝剂产量最高,达到8.418 g/L,以蔗糖作为碳源时GA1所产絮凝剂得到1,2,3号样品的红外光谱图为典型的糖类红外光谱图,且三者存在极大的相似性,它们吸收峰的位置及形状大致相同。以蛋白胨作为氮源时GA1所产絮凝剂所得到四种物质的红外光谱图,谱图的吸收峰位置存在较大差异,而且吸收峰的个数也不相同。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 我国水环境污染现状
• 1.2 絮凝剂概况
• 1.2.1 水处理与絮凝法
• 1.2.2 絮凝剂的种类
• 1.2.3 絮凝剂的研究趋势
• 1.3 微生物絮凝剂的概况
• 1.3.1 微生物絮凝剂的特点
• 1.3.2 产絮凝剂的微生物种类
• 1.3.3 微生物絮凝剂的分类
• 1.3.3.1 按来源不同分类
• 1.3.3.2 按絮凝剂的化学组成不同分类
• 1.3.3.3 其他分类方法
• 1.3.4 絮凝微生物产絮过程的影响因素
• 1.3.5 微生物絮凝剂的物质成分及结构
• 1.3.5.1 微生物絮凝剂的物质成分
• 1.3.5.2 微生物絮凝剂的结构
• 1.3.6 微生物絮凝剂的提取方法
• 1.3.7 微生物絮凝剂的絮凝机理
• 1.3.7.1 架桥絮凝机理
• 1.3.7.2 电中和机理
• 1.3.7.3 化学反应机理
• 1.3.7.4 卷扫作用机理
• 1.3.7.5 胞外絮凝剂的絮凝机理
• 1.3.8 微生物絮凝剂絮凝性能的影响因素
• 1.3.8.1 絮凝剂的成分与分子结构、分子量
• 1.3.8.2 絮凝剂投加量
• 1.3.8.3 温度
• 1.3.8.4 pH
• 1.3.8.5 金属离子
• 1.3.9 微生物絮凝剂的研究现状与进展
• 1.3.10 微生物絮凝剂的应用现状
• 1.3.10.1 微生物絮凝剂在废水处理中的应用
• 1.3.10.2 微生物絮凝剂在物质分离纯化中的应用
• 1.3.10.3 微生物絮凝剂在发酵工业中的应用
• 1.3.11 微生物絮凝剂的发展趋势及存在问题
• 第2章 实验方案
• 2.1 引言
• 2.2 研究目的
• 2.3 研究途径
• 2.4 实验方案
• 2.4.1 MBFGA1 物化性质及成分特性研究
• 2.4.2 MBFGA1 絮凝特性及影响因素的研究
• 2.4.3 不同碳源、氮源对GA1 所产絮凝剂影响研究
• 第3章 MBFGA1 物化性质及成分特性研究
• 3.1 引言
• 3.2 材料与方法
• 3.2.1 产絮菌株来源及特征
• 3.2.2 絮凝剂产生菌的培养
• 3.2.2.1 种子培养基
• 3.2.2.2 发酵培养基
• 3.2.3 发酵中的分段培养工艺
• 3.2.4 絮凝剂的提取及纯化
• 3.2.5 絮凝效果的表征
• 3.2.6 絮凝剂的热稳定分析
• 3.2.7 糖的呈色反应
• 3.2.8 还原糖的鉴定
• 3.2.9 蛋白质的呈色反应
• 3.2.10 紫外光谱扫描分析法
• 3.2.10.1 紫外光谱吸收的基本原理
• 3.2.10.2 紫外光谱扫描分析
• 3.2.11 红外光谱扫描分析法
• 3.2.11.1 红外光谱吸收的基本原理
• 3.2.11.2 红外光谱扫描分析
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 絮凝剂发酵液热稳定性的分析结果
• 3.3.2 MBFGA1 的絮凝成分分析
• 3.3.2.1 糖的呈色反应及还原糖的检验
• 3.3.2.2 蛋白质的呈色反应
• 3.3.3 紫外光谱扫描分析
• 3.3.4 红外光谱扫描分析
• 3.4 小结
• 第4章 MBFGA1 絮凝特性及影响因素的研究
• 4.1 引言
• 4.2 材料与方法
• 4.2.1 菌种来源
• 4.2.2 实验所用培养基
• 4.2.3 实验废水来源及配制
• 4.2.4 絮凝率的测定
• 4.2.5 絮凝因素最佳值的确定
• 4.2.6 絮凝前后废水颗粒粒度变化
• 4.2.7 废水絮凝颗粒形貌变化扫描电镜分析
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 MBFGA1 对4 种不同废水絮凝性能对比结果
• 4.3.1.1 MBFGA1 处理高岭土溶液絮凝因素最佳条件的确定
• 4.3.1.2 MBFGA1 处理土壤悬浊液絮凝因素最佳条件的确定
• 4.3.1.3 MBFGA1 处理洗煤废水絮凝因素最佳条件的确定
• 4.3.1.4 MBFGA1 处理填埋场垃圾渗滤液絮凝因素最佳条件的确定..
• 4.3.1.5 MBFGA1 处理4 种废水最佳絮凝条件对比
• 4.3.2 絮体沉降速度与沉淀物紧实度的对比分析
• 4.3.3 pH 与絮凝性能的关系
• 4.3.4 絮凝前后废水颗粒粒径变化对比分析
• 4.3.5 废水颗粒絮凝前后的形态结构变化分析
• 4.3.6 絮凝剂与溶液中颗粒间结合键的检验结果对比分析
• 4.3.7 讨论
• 4.4 小结
• 第5章 不同碳源、氮源对GA1 所产絮凝剂影响研究
• 5.1 引言
• 5.2 材料与方法
• 5.2.1 菌种来源
• 5.2.2 发酵培养基中不同碳源、氮源组合的设计方案
• 5.2.2.1 实验设计的碳源与氮源组合及培养基组成
• 5.2.2.2 实验所用种子培养基成分
• 5.2.2.3 培养条件及方式
• 5.2.3 絮凝率的测定
• 5.2.4 GA1 所产絮凝剂的提取及纯化方法
• 5.2.4.1 透析法
• 5.2.5 不同碳源、氮源对GA1 所产絮凝剂的热稳定分析
• 5.2.6 紫外光谱扫描分析法
• 5.2.7 红外光谱扫描分析法
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 能使GA1 产絮凝剂的不同碳源、氮源组合
• 5.3.2 不同碳源氮源对GA1 所产絮凝剂絮凝性能的影响
• 5.3.3 不同碳源氮源对GA1 所产絮凝剂产品特性影响
• 5.3.4 紫外光谱扫描分析
• 5.3.5 红外光谱扫描分析
• 5.3.5.1 以蔗糖为碳源时GA1 所产絮凝剂的红外光谱图分析
• 5.3.5.2 以蛋白胨为氮源时GA1 所产絮凝剂的红外光谱图分析
• 5.3.5.3 碳源、氮源对GA1 所产絮凝剂结构影响分析
• 5.3.6 讨论
• 5.4 小结
• 结论与展望
• 1 结论
• 2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间发表学术论文目录