真菌对重金属的抗性机制和富集特性研究

生物吸附和富集论文 重金属论文 分离菌CTB430-1论文 黑曲霉论文 简青霉论文 抗氧化系统论文
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重金属及其化合物在工业中被广泛应用,导致大量含重金属废水、废渣产生,对环境造成严重污染。在重金属污染治理中,如何降低或消除重金属的毒性是减小重金属污染危害的关键。自然界中许多菌种具有重金属抗性和富集能力,因而用微生物法治理重金属污染具有较好的前景。本文选用几株不同形式的真菌用于重金属离子的富集和吸附,分别对生长中的菌体对重金属的抗性机制、富集特性,活性菌体和非活性菌体的吸附特征和机理进行了详细研究与探讨。从湖南省岳阳市临乡铜锌尾砂坝的尾砂中分离筛选出一株对Cu(II)和Zn(II)具有高抗性的富集菌CTB430-1,通过细胞形态观察、ITS基因序列测定和系统发育分析,被鉴定为黄曲霉(Aspergillus flavus)。菌株CTB430-1对Cu(II)和Zn(II)具有较强的抗性,Cu(II)和Zn(II)对其最低抑菌浓度分别为400和800mg/L。选择的对比菌株黑曲霉(Aspergillus niger)的最低抑菌浓度分别为200和300mg/L,其对两种重金属的抗性相对较弱。CTB430-1对Cu(II)和Zn(II)的富集量分别在浓度为200和250mg/L时达到最大,为30.82和40.37mg/g。A. niger分别在150和250mg/L时达到最大,为8.89和22.80mg/g。对菌体CTB430-1和A. niger富集Cu(II)和Zn(II)的影响因素如溶液初始pH值、重金属初始浓度、共存离子、孢子液接种量、温度进行了研究。结果表明,溶液初始pH值对两个菌株的生长和富集量均有重要影响,pH≤2.0时抑制菌体的生长;随pH值在2.0-5.0范围内增加,菌体生长量和富集量均增加;在pH值为5.0时均达到最大。在Cu(II)和Zn(II)为25-100mg/L范围内,重金属浓度增加对菌体CTB430-1和A. niger生长的有潜在抑制作用,导致菌体生长延滞期增加,两种菌体生长量均在5d时达到平衡;两种菌体对不同浓度Cu(II)和Zn(II)富集均分别在4d和5d时达到平衡。在Cu(II)和Zn(II)共存系统内,除在Cu(II)+Zn(II)浓度为(25+25)mg/L和(25+50)mg/L时对A. niger菌体生长有较小的促进作用外,对两种菌体生长抑制作用均大于单离子系统,金属单离子浓度较高时,其竞争能力较强,富集能力相对较大。菌体CTB430-1和A. niger在Cu(II)和Zn(II)溶液的生长量和富集能力随接入的孢子液体积增加而增加,在体积为1mL时达到平衡。两菌体的生长量均在25℃-30℃之间达到最大,富集量在30℃-35℃之间达到最大。电镜扫描和透射分析CTB430-1和A. niger菌丝体富集Cu(II)和Zn(II)前后的表面特征和内部结构变化,表明菌体生长受重金属毒害作用可能破坏了菌体表面结构,或菌丝体表面可能吸附了部分重金属而使表面模糊;富集过程主要由表面吸附和胞内富集两部分组成。红外光谱分析表明菌体CTB430-1对Cu(II)的富集并未破坏其本身的结构,羟基是CTB430-1吸附或络合或螯合Cu(II)的主要活性基团,而A. niger吸附是由菌体中多糖类基团上的P作为配位原子与Cu(II)配位络合所造成。对CTB430-1和A. niger对Cu(II)和Zn(II)抗性机制进行研究。结果表明,高浓度的Cu(II)和Zn(II)显著抑制了CTB430-1和A. niger生长,导致可溶性蛋白含量下降,还原型谷胱甘肽(GSH)含量显著增加,说明GSH缓解了重金属对细胞的氧化损伤作用;且超氧化物岐化酶(SOD)和过氧化氢酶(CAT)活性随重金属浓度增加显著增加,这是两种菌体抵抗过氧化的主要表征之一,CTB430-1的酶活增加较大,说明CTB430-1对Cu(II)和Zn(II)的抗性较A. niger强。Cu(II)和Zn(II)作用时,可诱导CTB430-1和A. niger菌体丙二醛(MDA)含量增加,Cu(II)作用时显著增加,说明活性氧自由基介导的膜质过氧化作用是Cu(II)导致CTB430-1和A. niger细胞损伤的主要原因。就外源NO对Cu(II)作用下菌株CTB430-1和A. niger抗氧化系统的影响进行研究。结果表明,低浓度NO处理(0.1mmol/L的硝普钠(SNP)溶液)时,能促进CTB430-1和A. niger生长。外源NO可能通过减缓可溶性蛋白质的降低,促成GSH的合成,诱导菌体内SOD和CAT活性增强来增加菌株CTB430-1和A. niger的抗氧化能力。低浓度的NO可有效降低两菌体内MDA的含量来减缓Cu(II)的毒性,但高浓度NO(0.3mmol/L的SNP)的缓解作用不明显。对活性黑曲霉(Aspergillus niger)对Cd(II)和Zn(II)的吸附特征进行研究。结果表明,A. niger对Cd(II)和Zn(II)吸附的最佳pH值分别为4.0和6.0;其最佳吸附温度和转速范围分别在25-30℃和100-150r/min。在最佳条件下,吸附量在Cd(II)和Zn(II)的初始浓度分别为75和150mg/L达到最大,分别为17.35和24.60mg/g;A. niger对两种重金属的吸附均在24h达到平衡;对Cd(II)和Zn(II)吸附均符合Langmuir等温模型,吸附过程可由二级速率动力学方程描述。本文还对非活性简青霉(Penicillium simplicissimum)吸附Cd(II)、Zn(II)和Pb(II)的吸附等温线、动力学和热力学进行了研究,同时就溶液初始pH值、重金属初始浓度、吸附剂用量、吸附时间、温度和共存离子对吸附的影响进行了研究。结果表明,P. simplicissimum对Cd(II)、Zn(II)和Pb(II)吸附均符合R-P等温模型,D-R方程的平均自由E值说明了吸附过程可能存在化学离子交换;不同温度条件下的吸附动力学可由准二级速率方程描述;吸附热力学常数ΔG o、ΔHo和ΔS o数值表明该吸附反应是自发过程,吸热反应。
摘要第5-7页
ABSTRACT第7-10页
第1章 绪论第18-42页
    1.1 重金属污染第18-22页
        1.1.1 重金属污染的来源第18-19页
        1.1.2 重金属在环境中的迁移、转化第19-20页
        1.1.3 重金属污染的危害第20-22页
    1.2 重金属废水的传统处理方法第22-25页
        1.2.1 化学法第22-24页
        1.2.2 物理化学法第24-25页
    1.3 微生物处理重金属污染物的作用机制第25-28页
        1.3.1 生物吸附第25-27页
        1.3.2 生物转化第27页
        1.3.3 生物沉淀第27-28页
        1.3.4 生物溶解、淋滤第28页
    1.4 生物吸附法处理重金属废水的研究概况第28-37页
        1.4.1 生物吸附剂的种类第29-31页
        1.4.2 生物吸附机理第31-32页
        1.4.3 生物吸附的平衡模式第32-34页
        1.4.4 生物吸附的动力学第34-35页
        1.4.5 生物吸附的影响因素第35-37页
    1.5 微生物对重金属的抗性机制研究第37-39页
        1.5.1 重金属对微生物的毒性第37页
        1.5.2 微生物对重金属的抗性和解毒机制第37-38页
        1.5.3 抗氧化系统第38-39页
    1.6 本课题的提出与研究内容第39-42页
第2章 CU(II)和ZN(II)抗性菌CTB430-1 的分离、筛选和鉴定第42-50页
    2.1 引言第42页
    2.2 实验材料与方法第42-46页
        2.2.1 实验主要仪器第42-43页
        2.2.2 分离源第43页
        2.2.3 培养基第43页
        2.2.4 抗性菌的分离、纯化第43页
        2.2.5 抗性菌的筛选第43-44页
        2.2.6 抗性菌的鉴定第44页
        2.2.7 溶液配制和测定方法第44-46页
    2.3 实验结果第46-49页
        2.3.1 抗性菌的分离、筛选第46页
        2.3.2 抗性菌的鉴定第46-49页
    2.4 本章小结第49-50页
第3章 分离菌CTB430-1 和ASPERGILLUS NIGER 对 CU(II)和ZN(II)的抗性和富集特性研究第50-73页
    3.1 引言第50页
    3.2 实验材料与方法第50-54页
        3.2.1 实验主要仪器第50页
        3.2.2 培养基第50-51页
        3.2.3 对比菌株选择第51页
        3.2.4 孢子液的制备第51页
        3.2.5 菌体CTB430-1 和 A. niger 的抗性实验第51页
        3.2.6 菌体CTB430-1 和 A. niger 的富集实验第51-53页
        3.2.7 扫描电镜和透射电镜分析第53页
        3.2.8 红外光谱分析第53页
        3.2.9 溶液配制和测定方法第53页
        3.2.10 菌体富集量计算第53-54页
    3.3 结果与讨论第54-71页
        3.3.1 菌体CTB430-1 和 A. niger 的抗性第54-55页
        3.3.2 菌体CTB430-1 和 A. niger 的富集特征第55-63页
        3.3.3 菌体富集前后的表面特征与内部结构变化第63-68页
        3.3.4 红外光谱分析第68-71页
    3.4 本章小结第71-73页
第4章 分离菌CTB430-1 和ASPERGILLUS NIGER 对 CU(II)和ZN(II)的抗性机制研究第73-90页
    4.1 引言第73页
    4.2 实验材料与方法第73-78页
        4.2.1 实验主要仪器第73-74页
        4.2.2 孢子液的制备第74页
        4.2.3 重金属对菌体抗氧化系统的影响实验第74页
        4.2.4 粗酶液的提取第74页
        4.2.5 还原型谷胱甘肽的提取第74页
        4.2.6 测定和计算方法第74-77页
        4.2.7 溶液配制和测定方法第77页
        4.2.8 数据处理第77-78页
    4.3 结果与分析第78-87页
        4.3.1 不同浓度 Cu(II)和Zn(II)对菌体的生长影响第78-80页
        4.3.2 不同浓度 Cu(II)和Zn(II)对菌体可溶性蛋白含量的影响第80-82页
        4.3.3 不同浓度 Cu(II)和Zn(II)对菌体 GSH 含量的影响第82-83页
        4.3.4 不同浓度 Cu(II)和Zn(II)对菌体 SOD 活性的影响第83-84页
        4.3.5 不同浓度 Cu(II)和Zn(II)对菌体 CAT 活性的影响第84-86页
        4.3.6 不同浓度 Cu(II)和Zn(II)对菌体 MDA 含量的影响第86-87页
    4.4 讨论第87-88页
    4.5 本章小结第88-90页
第5章 外源一氧化氮对 CU(II)作用下CTB430-1 和ASPERGILLUS NIGER 抗氧化系统的影响第90-101页
    5.1 概述第90页
    5.2 实验材料与方法第90-92页
        5.2.1 实验主要仪器第90-91页
        5.2.2 孢子液的制备第91页
        5.2.3 外源NO 对重金属作用下菌体抗氧化系统的影响实验第91页
        5.2.4 粗酶液的提取第91-92页
        5.2.5 还原型谷胱甘肽的提取第92页
        5.2.6 溶液配制和测定方法第92页
        5.2.7 数据处理第92页
    5.3 结果与讨论第92-98页
        5.3.1 外源NO 对Cu(II)作用下菌体生长的影响第92-93页
        5.3.2 外源NO 对Cu(II)作用下菌体富集的影响第93-94页
        5.3.3 外源NO 对Cu(II)作用下菌体可溶性蛋白含量的影响第94-95页
        5.3.4 外源NO 对Cu(II)作用下菌体 GSH 含量的影响第95-96页
        5.3.5 外源NO 对Cu(II)作用下菌体 SOD 活性的影响第96-97页
        5.3.6 外源NO 对Cu(II)作用下菌体 CAT 活性的影响第97页
        5.3.7 外源NO 对Cu(II)作用下菌体 MDA 含量的影响第97-98页
    5.4 讨论第98-99页
    5.5 本章小结第99-101页
第6章 活性黑曲霉(ASPERGILLUS NIGER)去除水溶液中 CD(II)和 ZN(II)的研究第101-114页
    6.1 概述第101页
    6.2 实验材料与方法第101-105页
        6.2.1 实验主要仪器第101-102页
        6.2.2 溶液配制和测定方法第102-103页
        6.2.3 培养基第103页
        6.2.4 活性生物吸附剂制备第103-104页
        6.2.5 吸附实验第104-105页
        6.2.6 菌体吸附量计算第105页
    6.3 实验结果与讨论第105-112页
        6.3.1 pH 对生物吸附的影响第105-106页
        6.3.2 重金属初始浓度对生物吸附的影响第106-107页
        6.3.3 吸附时间对生物吸附的影响第107-108页
        6.3.4 温度对生物吸附的影响第108-109页
        6.3.5 转速对生物吸附的影响第109-110页
        6.3.6 吸附等温线第110-111页
        6.3.7 吸附动力学第111-112页
    6.4 本章小结第112-114页
第7章 非活性简青霉(PENICILLIUM SIMPLICISSIMUM)吸附CD(II)、ZN(II)和 PB(II)的动力学和热力学研究第114-131页
    7.1 概述第114页
    7.2 实验材料与方法第114-119页
        7.2.1 实验主要仪器第114-115页
        7.2.2 溶液配制和测定方法第115-116页
        7.2.3 菌种来源第116页
        7.2.4 培养基第116页
        7.2.5 生物吸附剂制备第116-117页
        7.2.6 吸附实验第117-119页
        7.2.7 菌体吸附量计算第119页
    7.3 实验结果与讨论第119-130页
        7.3.1 pH 对生物吸附的影响第119-120页
        7.3.2 重金属初始浓度对生物吸附的影响第120-121页
        7.3.3 吸附剂用量对生物吸附的影响第121-122页
        7.3.4 吸附时间对生物吸附的影响第122-123页
        7.3.5 温度对生物吸附的影响第123页
        7.3.6 共存离子对生物吸附的影响第123-124页
        7.3.7 吸附等温线第124-127页
        7.3.8 吸附动力学第127-128页
        7.3.9 吸附热力学第128-130页
    7.4 本章小结第130-131页
结论第131-134页
参考文献第134-150页
附录A 攻读博士学位期间发表的论文目录第150-152页
附录B 攻读博士学位期间参与的科研项目第152-153页
致谢第153页
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