功能菌群DDMZ1固定化及其对RB5的处理效果研究

实验用聚乙烯醇(PVA)-海藻酸钠(SA)-沸石作为固定化复合载体,使用包埋交联法固定功能菌群DDMZ1,用正交实验对微生物固定化载体物理特性及偶氮染料活性黑5(RB5)降解脱色性能进行了分析和优化。实验结果发现:SA的浓度为1%、PVA的浓度为8%、沸石浓度为2%、菌液OD=0.7和交联时间12 h,包埋交联固定化条件最佳。扫描电镜结果显示:固定化PVA-SA-沸石载体小球内部结构孔隙众多,利于微生物细胞的附着和增殖。固定化功能菌群 DDMZ1 小球机械强度高、储存稳定性好,特别是它循环利用 30批次后,脱色率仍旧保持在90%以上。同时与游离菌相比,固定化功能菌群DDMZ1小球具有更宽的pH适应范围、更高的热稳定性以及更高盐度和染料浓度的耐受性,且具有循环使用次数越多耐受性越强的趋势。首次将天然功能菌群DDMZ1进行固定化并将其应用于偶氮染料活性黑5的处理,研究结果拓展了功能菌群DDMZ1的应用范围,同时对于利用固定化功能微生物处理含染料废水具有重要指导意义。

功能菌群DDMZ1共代谢脱色降解不同结构染料差异效应

为探究功能菌群DDMZ1在相同共基质条件下脱色降解五类不同结构染料的效能差异情况及微观生物学机制,本文首先测定了功能菌群DDMZ1在酵母提取物(yeast extract,YE)共基质条件下对五类不同结构共12种染料的脱色率,其次通过液相色谱-飞行时间串联质谱联用仪(LC-TOF-MS)进一步鉴定了其中5种典型的不同结构染料在YE共基质体系中的降解产物,推导了各自的降解途径,最后采用Illumina Miseq高通量测序评估了YE共基质条件下由5种典型的不同结构染料引起的微生物群落结构差异以及优势功能菌属的富集情况,进而揭示了YE共基质条件下染料结构、群落结构、优势菌属与染料脱色性能之间的相互作用关系。脱色结果表明:添加YE共基质能够显著促进菌群脱色性能,对浓度为100mg/L的12种不同结构的染料作用72h后,偶氮类染料脱色率均可达到80%以上,三苯甲烷类染料尤其是孔雀石绿由几乎为0的脱色率提升到了98.3%,蒽醌类染料的脱色率也均提升了20%左右。LC-TOF-MS分析产物表明5种典型的不同结构染料在YE共基质作用下均被生物降解成分子量小且结构简单的代谢产物。高通量测序结果表明,相较于无机物培养基条件,共基质YE的添加能显著增加各种不同结构染料样品中菌群群落结构的多样性。而在相同共基质YE条件下,不同结构染料样品中的优势功能菌属明显不同。如在偶氮类染料样品YEAO7、YERB5、YECBE中,最优势功能菌属为志贺氏菌属(占比依次为32.33%、38.41%、33.96%),在蒽醌类染料样品YERBBR中最优势功能菌属为寡氧单胞菌属(47.40%),而在三苯甲烷类染料样品YEMG中假单胞菌属(92.79%)为绝对优势功能菌属。以上结果表明,类似结构的染料可能富集相似的优势功能菌属,而不同结构的染料则明显富集不同的优势功能菌属。

培养方式、外源物对混合菌群DDMY2脱色蒽醌染料RB19的影响

为寻找最佳培养条件及外源物强化蒽醌染料活性艳蓝19(RB19)的微生物脱色效果,同时探究最适外源物对微生物功能酶活性及群落结构的影响,以揭示其微观作用机制,以经茶叶渣驯化而来的混合菌群DDMY2为作用微生物,将其置于不同培养方式、不同外源物条件下(复合激活剂、不同氮源、碳源等)与RB19作用,并计算脱色率。通过酶活检测、高通量测序方法,研究在菌群DDMY2对RB19脱色过程中,复合激活剂A(Activator,A)对DDMY2主要功能酶活性和菌群结构的影响。结果表明,微氧条件下菌群DDMY2对RB19(200 mg/L)在72 h的脱色率达到80.25%,比富氧条件高36.37%。加入复合激活剂A能够有效提高脱色效率,且在初期促进作用明显,样品“DDMY2+A”在24 h的脱色率较样品DDMY2高出9.38%。酵母提取物为最佳外加氮源,而外加碳源对染料脱色效率无明显提升效果。同时,Mn^(2+)和氧化还原介体ABTS(2,2'-联氮-双-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)与复合激活剂A联用可使脱色效率进一步提升约5.41%。RB19的脱色效率与菌群胞外偶氮还原酶、醌还原酶活性有关,加入复合激活剂A可显著提高细菌胞外偶氮还原酶活性。高通量测序结果显示,与未加复合激活剂A的混合菌群DDMY2相比,加入复合激活剂A对混合菌群DDMY2群落结构有明显地影响,可使得肠杆菌属、产碱菌属等功能微生物更好地进行富集。因此适合的外源物(如酵母提取物、Mn^(2+)和氧化还原介体ABTS、复合激活剂A等)能够显著提升菌群DDMY2对RB19的脱色效率,其微观作用机制主要是通过提高菌群功能酶活性及富集优势功能菌属以提高其脱色效率,为强化蒽醌染料微生物脱色效果提供新思路。

固定化对功能菌群DDMZ1脱色效果及群落结构的影响

采用从水解酸化反应器污泥样品中驯化筛选得到的天然功能菌群DDMZ1,使用聚乙烯醇(PVA)-海藻酸钠(SA)-沸石为固定化复合载体,以包埋交联法形成固定化DDMZ1小球。通过实验对比,分析游离化DDMZ1菌液和固定化DDMZ1小球对RB5偶氮染料的脱色效率;并分别对游离化DDMZ1菌液、循环使用20批次和30批次的固定化DDMZ1小球进行群落结构分析,探究其群落结构组成的差异性。结果表明:固定化DDMZ1小球对RB5偶氮染料的脱色效率和速率均优于游离化DDMZ1菌液,且二者微生物群落结构组成差异明显。固定化技术有利于群落结构的稳定,循环使用20次和30次的固定化DDMZ1小球群落结构组成相似度高,从属的分类水平分析上发现2种固定化DDMZ1小球中富集有大肠杆菌-志贺菌(Escherichia-Shigella)和兼性厌氧-拟杆菌属(Dysgonomonas),推测这2种菌属是固定化DDMZ1小球对RB5偶氮染料稳定高脱色效率的主要原因。