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北极低温反硝化细菌的多样性与脱氮能力分析

2020-12-08阅读(881)

北极低温反硝化细菌的多样性与脱氮能力分析

论文摘要

当今经济和社会的迅速发展在大幅改善居民生活质量的同时,也加大了工农业和生活污水的排放量。污水中含有对人体健康有害的物质,对其进行有效处理迫在眉睫。低温条件下,常规污水生物处理技术由于中温微生物自身的机制导致其生长缓慢,影响污水排放的效率,很难达到排放标准。因此,寻找低温条件下的高效反硝化细菌对污水的高效处理与合格排放有着非常重要的作用。利用反硝化筛选培养基对26个站位的北极海洋沉积物进行了反硝化细菌的富集、筛选与分离培养,获得了59株具有16S rRNA基因有效序列的菌株;基于16S rRNA基因序列的系统发育分析表明,分离到的菌株分属于3个门、4个纲、8个目、13个科、16个属、23个种,其中γ-变形菌纲（γ-Proteobacteria）的菌株数量所占的比例最大（57.63%）;有1株菌（CC2-DN-5）与模式菌株Halocynthiibacter arcticus PAMC 20958的最高序列相似性为96.44%,可能为潜在的新种。理化性质分析结果表明,大部分分离到的菌株能利用阿拉伯糖和葡萄糖等多种碳源生长,并且能产硝酸盐还原酶、α-葡萄糖苷酶和蛋白酶等多种胞外水解酶。代表性菌株的温度和NaCl浓度生长范围的研究结果表明,大部分菌株生长的温度和NaCl浓度的范围为0–30℃和0–6.0%,最适温度为10℃或20℃,最适NaCl浓度为1.5%或4.5%。大多数代表性菌株既能在低温下生长良好,又对NaCl浓度具有广泛的适应能力,表明其对环境的适应性较强,具有良好的应用前景。从3株假单胞菌（Pseudomonas,P13-DN-7、E24-DN-52和C22-DN-54）和1株海杆菌（Marinobacter,P12-DN-1）中克隆到反硝化作用的关键酶亚硝酸还原酶基因（nirS）,初步表明其为真正的反硝化细菌。综合考虑菌株对温度、NaCl浓度的耐受性以及反硝化筛选培养基中的生长情况,筛选出生长较好的6株菌（Pseudoalteromonas sp.CC2-DN-6、Paracoccus sp.E24-DN-51、Pseudomonas sp.C22-DN-54、Vibrio sp.CC05-DN-57、Psychrobacter sp.B09-DN-60和Pseudoalteromonas sp.B10-DN-64）研究其在硝化培养基和反硝化培养基中的脱氮性能。研究结果表明,菌株C22-DN-54具有良好的脱氮效果;在硝化试验中,菌株C22-DN-54能在48 h内将NH4+-N（初始浓度60 mg/L）的含量降低70%以上;反硝化试验中,该菌株在48 h内对NO3?-N（初始浓度40 mg/L）的去除效果几乎为100%。菌株Marinobacter sp.Arc7-DN-1能将NH4+或NO3?作为唯一氮源在低温条件下生长;可在较宽的温度（0–30℃）和NaCl浓度（1.5–9.0%）范围下生长。菌株Marinobacter sp.Arc7-DN-1的基因组为1条全长4300456 bp（G+C含量,57.64mol%）的环形染色体,包含3811个编码基因、50个tRNA和3个rRNA操纵子（16S-23S-5S rRNA）。KEGG分析结果显示,菌株Marinobacter sp.Arc7-DN-1编码43种与氮代谢相关的蛋白质,包括一条完整的反硝化途径（硝酸盐还原酶、亚硝酸盐还原酶（NO形成）、NO还原酶和N2O还原酶）、一条硝酸盐还原途径（硝酸盐还原酶和亚硝酸盐氧化还原酶）以及其他氮代谢相关酶,如硝酸酯单氧酶、谷氨酰胺合成酶等。选取脱氮能力较强的菌株E24-DN-51（Paracoccus sp.）和C22-DN-54（Pseudomonas sp.）构建混合菌群,研究C/N、温度和NaCl浓度对其去除效率的影响。研究结果表明,C/N为1–16时,混合菌群的脱氮性能随着碳氮比的增高而增强。C/N为7–16时,去除效果较好,96 h内对NH4+-N和NO3?-N的去除率均达到100%,C/N=16时去除效果最好。在5–25℃时,菌群的去除效率随着温度的升高而逐步增大。在10–25℃时,96 h内菌群能完全去除氨氮和硝态氮,COD去除效率也接近100%。在NaCl浓度为0–4.5%时,菌群去除效果较好,NaCl浓度为1.5%时去除效果最好。本研究将为我国低温污水的生物处理提供新的菌种资源,为实践中污水的低温生物处理打下一定的基础。

论文目录

  • 摘要
  • abstract
  • 符号说明
  • 1 前言
  •   1.1 极地微生物的研究概况
  •     1.1.1 极地微生物适冷机制
  •     1.1.2 极地微生物的多样性
  •     1.1.3 极地微生物在环境过程方面的应用
  •   1.2 生物脱氮技术
  •     1.2.1 同步硝化反硝化
  •     1.2.2 异养硝化-好氧反硝化
  •     1.2.3 短程硝化-反硝化
  •     1.2.4 厌氧氨氧化
  •   1.3 反硝化细菌的研究进展
  •     1.3.1 反硝化细菌的分类与多样性
  •     1.3.2 反硝化过程及关键酶研究
  •     1.3.3 反硝化作用的影响因素
  •   1.4 研究意义与内容
  •     1.4.1 研究意义
  •     1.4.2 研究内容
  • 2 北极低温反硝化细菌的筛选与鉴定
  •   2.1 引言
  •   2.2 材料与方法
  •     2.2.1 样品来源与培养基
  •     2.2.2 可培养反硝化细菌的分离纯化
  •     2.2.3 反硝化细菌的分子鉴定与系统发育树分析
  •     2.2.4 反硝化细菌的理化性质测定
  •   2.3 结果与分析
  •     2.3.1 菌株的分离纯化与鉴定
  •     2.3.2 系统发育分析
  •     2.3.3 理化性质分析
  •   2.4 讨论
  •   2.5 小结
  • 3 北极低温反硝化细菌生理生化分析
  •   3.1 引言
  •   3.2 材料与方法
  •     3.2.1 实验菌株与培养基
  •     3.2.2 实验方法
  •     3.2.3 温度/耐Na Cl浓度生长范围
  •     3.2.4 在筛选培养基中的生长情况
  •     3.2.5 在硝化和反硝化培养基脱氮能力
  •     3.2.6 反硝化关键酶基因（nir S）的克隆与序列分析
  •   3.3 结果与分析
  •     3.3.1 温度/耐Na Cl浓度分析
  •     3.3.2 在筛选培养基中的生长情况
  •     3.3.3 标准曲线
  •     3.3.4 脱氮能力分析
  •     3.3.5 关键酶基因nir S的克隆与分析
  •   3.4 讨论
  •   3.5 小结
  • 4 反硝化细菌Marinobacter sp.Arc7-DN-1的全基因组测序与分析
  •   4.1 引言
  •   4.2 材料与方法
  •     4.2.1 来源和培养基
  •     4.2.2 温度/耐Na Cl浓度生长范围
  •     4.2.3 全基因组的测序与组装
  •     4.2.4 基因组序列注册号
  •   4.3 结果与分析
  •     4.3.1 菌株的表型模式分析
  •     4.3.2 基因组测序与分析
  •     4.3.3 基因功能注释
  •   4.4 讨论
  •   4.5 小结
  • 5 北极低温反硝化细菌混合菌群的构建与脱氮性能研究
  •   5.1 引言
  •   5.2 材料与方法
  •     5.2.1 实验菌株与培养基
  •     5.2.2 C/N对混合菌群脱氮性能的影响
  •     5.2.3 温度对混合菌群脱氮性能的影响
  •     5.2.4 NaCl浓度对混合菌群脱氮性能的影响
  •   5.3 结果与分析
  •     5.3.1 C/N对混合菌群脱氮效果分析
  •     5.3.2 温度对混合菌群脱氮效果分析
  •     5.3.3 NaCl浓度对混合菌群脱氮效果分析
  •   5.4 讨论
  •   5.5 小结
  • 6 总结与展望
  •   6.1 总结
  •   6.2 展望
  • 参考文献
  • 附录
  • 致谢
  • 攻读学位期间发表的学术论文

    • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 孟盈盈

    导师: 吕英涛

    关键词: 北冰洋沉积物,反硝化细菌,系统发育分析,去除效率,基因组

    来源: 青岛科技大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

    专业: 生物学,环境科学与资源利用,环境科学与资源利用

    单位: 青岛科技大学

    分类号: X703;X172

    总页数: 86

    文件大小: 2670K

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