偶氮染料脫色工程菌的特性及強(qiáng)化作用研究.pdf

1、本論文旨在研究基因工程菌 Escherichia coli JM109 (pGEX-AZR)的生長(zhǎng)特性及其對(duì)偶氮染料的脫色性能。為了降低基因工程菌應(yīng)用可能帶來(lái)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，將 E coli JM109(pGEX-AZR)與膜生物反應(yīng)器結(jié)合，將微生物有效的截留在反應(yīng)器之內(nèi)，以防止其向環(huán)境中釋放。另外將 E. coli JM109 (pGEX-AZR)作為高效菌制劑投加到活性污泥體系中進(jìn)行強(qiáng)化脫色研究，借助現(xiàn)代分子生物技術(shù)，研究了其在污泥體系

2、中的生長(zhǎng)特性及對(duì)污泥群落結(jié)構(gòu)的影響。本研究為基因工程菌在廢水處理中的應(yīng)用提供了一定的理論及技術(shù)支持。 在以葡萄糖為限制性基質(zhì)的分批培養(yǎng)中，E coli JM109 (pGEX-AZR) 的最佳培養(yǎng)條件為：5 g·L<'-1>葡萄糖，0.3 g·L<'-1>NH<,4>Cl：無(wú)機(jī)鹽培養(yǎng)基 (組成為：KH<,2>PO<,4> 2.0 g·L<'-1>，Na<,2>HPO<,4> 1-3 g·L<'-1>，MgSO<,4> 2.0 g

3、·L<'-1>，CaCl<,2> 0.0364 g·L<'-1>，F(xiàn)eCl<,3> 0.00025 g·L<'-1>)；初始pH=7.5：接種量 10 mL·L<'-1>；培養(yǎng)溫度 35℃。IPTG 誘導(dǎo)偶氮還原酶表達(dá)的最佳條件為：IPTG 的投加時(shí)機(jī)為 E. coli JM109 (pGEX-AZR) 的對(duì)數(shù)生長(zhǎng)后期，即 OD<,660> 為1.7～1.8，最大 IPTG 的添加濃度以 1 mmol L<'-1>，誘導(dǎo)的持續(xù)時(shí)間為 8

4、 h?？衫萌樘谴?IPTG 作為偶氮還原酶表達(dá)的誘導(dǎo)劑，乳糖的最佳投加濃度為 40 mmol·L<'-1>，乳糖誘導(dǎo)的蛋白含量和偶氮還原酶活性為 IPTG 誘導(dǎo)時(shí)的 93.6％和 85.7％。 E coli JM109(pGEX-AZR) 對(duì)酸性大紅 GR 的共代謝脫色動(dòng)力學(xué)包括生長(zhǎng)基質(zhì)的利用動(dòng)力學(xué)、染料的脫色動(dòng)力學(xué)、生物的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)。E coli JM109 (pGEX-AZR) 對(duì)生長(zhǎng)基質(zhì)．葡萄糖的利用符合 Monod

5、方程，其中μ<,max g>為 0.07657 g·g<'-1>·h<'-1>，K<,g> 為0.3324 g·L<'-1>；當(dāng)有酸性大紅 GR 存在時(shí)，對(duì)葡萄糖的降解存在非競(jìng)爭(zhēng)性抑制，抑制系數(shù) K<,ig>為 0.213g·L<'-1>。酸性大紅 GR 的脫色動(dòng)力學(xué)符合底物抑制模型 Andrews，當(dāng)存在生長(zhǎng)基質(zhì)時(shí)，μ<,max c>為 42.45 mg·g<'-1>·h<'-1>，K<,c> 為 584.93 mg·L<'-1>，K

6、<,ic>為 556.89 mg·L<'-1>。E.coli JM109(pGEX-AZR)的產(chǎn)率系數(shù) Y<,m>為 0.1 g·g<'-1>；生物轉(zhuǎn)化能力 Y<,m>為 121.2 mg·g<'-1>；內(nèi)源衰減系數(shù) b 為 0.0378d<'-1>。 E. coli JM109 (pGEX-AZR) 對(duì)多種偶氮染料有較好的脫色效果。供氧條件對(duì)偶氮染料脫色的影響很大，厭氧條件有利于酸性大紅 GR 的脫色；脫色最佳的 pH 值為中

7、性或弱堿性；在 25～40℃范圍內(nèi)，隨著溫度的提高，脫色速率有所提高。當(dāng)廢水中存在濃度為1～5％的NaCl、NaSO<,4>時(shí)，E. coli JM109 (pGEX-AZR)對(duì)酸性大紅 GR 保持較高的脫色性能，而 NANO<,3> 的存在對(duì)酸性大紅 GR 的脫色具有很大影響，隨著 NaNO<,3> 濃度的增加，脫色率明顯降低。 用海藻酸鈉及聚亞胺酯大孔泡沫對(duì)E. coli JM109 (pGEX-AZR)進(jìn)行固定化，固定化細(xì)

8、胞對(duì)酸性大紅GR的脫色都符合底物抑制模型Andrews。比較不同存在形態(tài)的E. coliJM109 (pGEX-AZR)對(duì)酸性大紅GR的脫色動(dòng)力學(xué)可知，海藻酸鈉固定的E. coli JM109(pGEX-AZR)的最大比脫色速率及半飽和系數(shù)都比游離態(tài)有所降低，說(shuō)明由于海藻酸鈉固定，底物的傳遞受到影響，使速率下降；而抑制系數(shù)有所增加，說(shuō)明固定后對(duì)細(xì)菌有所保護(hù)，菌體耐受環(huán)境變化的能力提高。而聚亞胺酯大孔泡沫固定菌體的動(dòng)力學(xué)參數(shù)全部比游離態(tài)的

9、有所提高，說(shuō)明聚亞胺酯大孔泡沫適合用來(lái)固定該菌，實(shí)現(xiàn)對(duì)酸性大紅GR的脫色。 將 E. coli JM109(pGEX-AZR)投加到浸沒(méi)式厭氧膜生物反應(yīng)器 (SAnMBR) 中，在SAnMBR 連續(xù)運(yùn)行過(guò)程中，對(duì)酸性大紅GR具有88％～93％的脫色率。通過(guò)膜過(guò)濾作用后，出水酸性大紅 GR 的脫色率可以維持在 96 ％左右。膜生物反應(yīng)器對(duì) COD<,Cr>的去除率范圍為 56％～72％。在反應(yīng)過(guò)程中，菌體濃度由初始濃度 1.97

10、g·L<'-1> 升高到2.12 g·L<'-1>，后逐漸降低，最終維持在 1.60 g·L<'-1>～80 g·L<'-1>之間。 將各種不同存在形態(tài)的E. coli JM109 (pGEX-AZR)投加到厭氧序批式生物反應(yīng)器(AnSBR)中，考察其對(duì)生物脫色過(guò)程的強(qiáng)化作用，投加游離態(tài)和大孔泡沫固定菌體的系統(tǒng)表現(xiàn)出類(lèi)似的強(qiáng)化性能，脫色能力及抗?jié)舛蓉?fù)荷沖擊的能力都高于投加海藻酸鈉包埋菌體的強(qiáng)化系統(tǒng)和對(duì)照系統(tǒng)。在運(yùn)行過(guò)程中取污泥總