微囊藻抑制—AgBiO3应急处置与酵母菌生态抑制法的研究

论文摘要

随着现代社会经济的高速发展和城市人口密度的急剧增加,水体中污染物含量越来越高,富营养化状态日趋严重。藻类水华已经给水体、经济和人类健康带来了很大的危害,因此开发安全高效的藻华应急处理和长效生态抑藻技术已经成为富营养化控制中迫切需要解决的问题。当前抑制微生物的纳米材料的开发以及水体中有益菌胞外分泌物对微藻化感抑制作用的发现为人们提供了控制水华的新思路。在藻华应急处理方面,纳米光催化材料能够利用太阳能有效抑制藻类生长,且安全高效无毒,是一种具有良好应用前景的环境污染治理新技术。常规光催化材料如TiO2只能利用太阳能中不足5%的紫外光,在实际应用中作用有限,本研究中针对该问题以离子交换法制备了可见光响应型AgBiO3纳米光催化材料,并将其应用于藻类爆发的应急控制。同时,着眼于富营养水体的长期藻华污染防治方面,微生物化感抑藻是一种安全、不破坏水体生态环境、不需要外源添加的原位抑藻技术,是解决长效生态抑藻的有效手段。本研究在课题组前期工作基础上以自然环境中大量存在的酵母菌群为对象研究通过促进其胞外化感抑藻物质的产生达到长效抑藻的目的。在研究抑藻效果的基础上,初步探讨了纳米光催化材料及酵母菌胞外化感物质的抑藻机理,为其在水华防治应用中提供理论参考及相关技术支持。主要研究内容包括:1、用离子交换法制备了具有可见光响应的催化剂AgBiO3,晶体结构为六方晶格,晶胞常数是a= 5.641（1）,c=16.118（2） （?）,RWP=7.96,RP=6.12%;透射电镜分析其团聚体为直径接近200nm的游离状球体;光吸收阈值约为470nm,对应的带隙宽度为2.5eV;可见光下对甲基橙有良好的降解能力,并能有效分解亚甲蓝。2、藻液初始浓度、AgBiO3浓度、藻液初始pH值和光质是影响铜绿微囊藻受AgBiO3胁迫时生长状况的主要因素。与AgNO3和NaBiO3相比,在可见光下AgBiO3抑藻效果显著,有效抑制了铜绿微囊藻细胞的活性和叶绿素a含量,使正常藻细胞数目减少;细胞质膜分离,类囊体结构发生改变,气囊破裂。根据实验结果推测AgBiO3的抑藻机理为其产生的自由基抑制铜绿微囊藻的光合作用,破坏细胞膜,使膜透性增大、电解质外渗,胞内物质流出,进而引发细胞凋亡。3、通过对BG11培养基优化选出四种对AgBiO3抑藻效果有极显著影响的因素:ZnSO4、CaCl2、CuSO4和NaNO3;其中ZnSO4、CaCl2、CuSO4表现出正影响,NaNO3表现出负影响。当它们浓度分别为:ZnSO4 0.24 mg·L-1,CaCl2 125.94 mg·L-1,CuSO4 0.28 mg·L-1,NaNO3 600 mg·L-1时,AgBiO3对铜绿微囊藻的4h抑制率达到最大为61.86%,比优化前的平均值42.79%增长了44.57%。4、在不添加葡萄糖基质的条件下,混合酵母菌液并未对微囊藻产生抑制作用;而在接种混合酵母菌并添加葡萄糖的混合藻液中,微囊藻生长受到显著抑制,且经高温灭菌的葡萄糖酵母发酵液同样表现出了良好的抑藻活性,表明酵母菌抑藻活性可能是由酵母菌代谢葡萄糖分泌的具有高热稳定性的胞外分泌物表达的。5、受酵母菌胞外化感物质抑制的藻细胞轮廓清晰,结构完整,而颜色减淡,推测该混合酵母菌的抑藻活性物质主要是通过破坏叶绿素而达到抑藻效果的。通过对受试水样的HPLC-SEC与三维荧光光谱分析,初步确定该抑藻活性物质是有较强紫外吸收作用的含有芳香环的酸性物质。经气相色谱-质谱分析,初步推测酵母菌抑藻活性物质可能为分子量为220.35的2, 6-二叔丁基-4-甲基苯酚和分子量为151.18的2-（3H）-苯并噻唑酮。将两种物质分别用于微囊藻生长实验中,它们都表现出很好的抑藻效果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 微囊藻水华概述
• 1.1.1 微囊藻特性
• 1.1.2 微囊藻水华的危害
• 1.1.3 微囊藻水华的成因
• 1.2 微囊藻水华的治理措施
• 1.2.1 物理法
• 1.2.2 化学法
• 1.2.3 物理化学法
• 1.2.4 生物法
• 1.3 纳米光催化抑藻概述
• 1.3.1 纳米光催化原理
• 1.3.2 纳米光催化在富营养化控制中的应用
• 1.4 有效微生物（EM）化感抑藻概述
• 1.4.1 有效微生物（EM）技术概况
• 1.4.2 有效微生物（EM）技术在富营养化控制领域的应用
• 1.5 本论文的研究背景、研究内容和技术路线
• 1.5.1 本文的研究背景
• 1.5.2 本文的研究内容
• 1.5.3 本文的技术路线
• 第二章 新型纳米光催化材料制备及表征
• 2.1 前言
• 2.2 材料、试剂和仪器
• 2.2.1 实验材料
• 2.2.2 实验试剂
• 2.2.3 主要仪器
• 2.3 试验和分析方法
• 2.3.1 铜绿微囊藻培养
• 2.3.2 纳米光催化剂制备
• 2.3.3 光催化剂晶体结构分析
• 2.3.4 光催化剂粒径分析
• 2.3.5 光催化剂晶格间隙分析
• 2.3.6 顺磁共振波谱
• 2.3.7 自由基产生量测定
• 2.3.8 光催化活性测定
• 2.4 实验结果与讨论
• 2.4.1 X 射线衍射
• 2.4.2 扫描电镜图片
• 2.4.3 紫外-可见漫反射光谱
• 2.4.4 电子顺磁共振波谱
• 2.4.5 自由基产生量测定
• 2.4.6 光催化活性实验
• 2.4.7 初步抑藻实验
• 2.5 小结
• 3抑藻效果及机理研究'>第三章 AgBi0₃抑藻效果及机理研究
• 3.1 前言
• 3.2 材料和仪器
• 3.2.1 实验材料
• 3.2.2 主要仪器
• 3.3 试验分析方法
• 3.3.1 叶绿素a 含量的测定
• 3.3.2 藻细胞形态观察
• 3.3.3 透射电镜（TEM）超薄切片制作及电镜观察
• 3.3.4 流式细胞技术
• 3.3.5 细胞膜透性测定
• 3.3.6 总有机碳和总氮的测定
• 3.3.7 溶解氧的测定
• 3.4 实验结果与讨论
• 3 抑藻效果的影响'>3.4.1 环境条件对AgBi0₃抑藻效果的影响
• 3.4.2 三种抑藻剂不同投量对比
• 3 抑制铜绿微囊藻的生长的机理研究'>3.4.3 AgBi0₃抑制铜绿微囊藻的生长的机理研究
• 3.5 小结
• 3对铜绿微囊藻抑制率优化研究'>第四章 AgBi0₃对铜绿微囊藻抑制率优化研究
• 4.1 前言
• 4.2 实验材料
• 4.3 试验和分析方法
• 4.3.1 藻细胞数测定（血球计数法）
• 4.3.2 藻细胞生长抑制率测定
• 4.3.3 Plackett–Burman 实验设计
• 4.3.4 响应曲面法实验设计
• 4.4 结果与讨论
• 4.4.1 PB 实验筛选显著性因素
• 4.4.2 响应曲面法进行培养基优化
• 4.4.3 因素影响和相互作用效果分析
• 4.5 小结
• 第五章 酵母菌及其胞外分泌物的抑藻效果及机理研究
• 5.1 前言
• 5.2 实验材料
• 5.2.1 微囊藻
• 5.2.2 供试酵母菌
• 5.2.3 供试酵母菌胞外分泌物
• 5.3 试验和分析方法
• 5.3.1 微囊藻生长曲线的测定
• 5.3.2 酵母菌对微囊藻生长抑制实验
• 5.3.3 酵母菌胞外分泌物对微囊藻生长抑制实验
• 5.3.4 叶绿素质量浓度测定方法
• 5.3.5 生长抑制实验数据处理
• 5.4 结果与讨论
• 5.4.1 微囊藻的生长曲线
• 5.4.2 不添加葡萄糖时酵母菌悬浊液对微囊藻生长的影响
• 5.4.3 葡萄糖对微囊藻生长的影响
• 5.4.4 葡萄糖存在时酵母菌悬浊液对微囊藻生长的影响
• 5.4.5 酵母菌胞外物对微囊藻生长的影响
• 5.4.6 生长基质存在时酵母菌悬浊液和胞外物对微囊藻生长的影响对比
• 5.4.7 酵母菌及其胞外分泌物对微囊藻细胞形态的影响
• 5.5 小结
• 第六章 酵母菌及其胞外分泌物的抑藻活性物质研究
• 6.1 前言
• 6.2 仪器和方法
• 6.2.1 主要仪器
• 6.2.2 实验方法
• 6.3 分析方法
• 6.3.1 高效液相色谱和体积排阻色谱联用（HPLC-SEC）
• 6.3.2 三维荧光光谱分析
• 6.3.3 气相色谱质谱联用分析
• 6.4 实验结果与讨论
• 6.4.1 微囊藻原液的组分分析
• 6.4.2 酵母菌YPD 发酵原液的组分分析
• 6.4.3 微囊藻生长促进组藻液的组分分析
• 6.4.4 微囊藻生长抑制组藻液的组分分析
• 6.4.5 不同处理的实验组横向比较分析
• 6.4.6 不同处理的实验组气相色谱质谱联用分析
• 6.5 小结
• 第七章 全文总结
• 7.1 主要结论
• 7.2 本文创新点
• 7.3 展望
• 参考文献
• 致谢
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