兩種環(huán)境生物技術(shù)的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用：微生物絮凝劑和電導(dǎo)型生物傳感器.pdf

1、生物技術(shù)在環(huán)境治理和環(huán)境保護(hù)中的廣泛應(yīng)用，衍生出一門(mén)新學(xué)科和新技術(shù)，即環(huán)境生物技術(shù)(Environmental Biotechnoiogies)。凡是與生物技術(shù)結(jié)合，對(duì)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控、治理或修復(fù)，清潔生產(chǎn)、污染物資源化以及生物材料和能源開(kāi)發(fā)等，均屬于環(huán)境生物技術(shù)研究和應(yīng)用的范疇。其重點(diǎn)研究領(lǐng)域包括以生物傳感器為代表的環(huán)境污染監(jiān)控技術(shù)，工業(yè)和生活廢水中污染物的微生物降解技術(shù)，生態(tài)環(huán)境生物防治和生物修復(fù)技術(shù)，環(huán)境友好可再生材料和能源的生物合成

2、技術(shù)等。環(huán)境生物技術(shù)可實(shí)現(xiàn)環(huán)境效益與經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益的統(tǒng)一，對(duì)于解決環(huán)境污染難題、改善環(huán)境質(zhì)量起到了極其重要的作用。 微生物絮凝劑(Microbial Flocculant，MBF)是由微生物產(chǎn)生的可使液體中不易沉降的固體懸浮顆粒、菌體細(xì)胞及膠體顆粒等凝聚沉淀的特殊高分子物質(zhì)，具有高效、無(wú)毒、可生物降解等特點(diǎn)；而生物傳感器(Biosensor)是將生物感應(yīng)元件與能夠產(chǎn)生和待測(cè)物濃度成比例信號(hào)的換能器結(jié)合起來(lái)的一種分析裝置，具

3、有靈敏度高、選擇性好、響應(yīng)快、可微型化等特點(diǎn)。針對(duì)環(huán)境生物技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的這兩個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題，本論文系統(tǒng)地研究了兩種環(huán)境生物新技術(shù)的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用：高效MBF和電導(dǎo)型生物傳感器(Conductometric Biosensor)。主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下： 1．通過(guò)用新鮮培養(yǎng)基代替蒸餾水來(lái)做空白實(shí)驗(yàn)，提高了絮凝劑產(chǎn)生菌的篩選標(biāo)準(zhǔn)；從上海市多個(gè)污水處理廠(chǎng)的混合活性污泥中篩選出一株能產(chǎn)生高效MBF的菌株TJ-1，所產(chǎn)MBF命名為T(mén)J-F1；常規(guī)

4、菌種鑒定結(jié)果和16S rDNA測(cè)序結(jié)果均表明TJ-1為奇異變形桿菌(Proteus mirabilis)，這是首次發(fā)現(xiàn)奇異變形桿菌能產(chǎn)生MBF。 2．系統(tǒng)地研究了碳源、氮源、碳氮比和金屬鹽等對(duì)TJ-1產(chǎn)生MBF的影響，對(duì)培養(yǎng)基組成進(jìn)行了優(yōu)化；綜合考察了培養(yǎng)時(shí)間、培養(yǎng)基初始pH值、培養(yǎng)溫度、通氣量和接種量等因素對(duì)TJ-1產(chǎn)生MBF的影響，對(duì)TJ-1產(chǎn)生MBF的培養(yǎng)條件進(jìn)行了優(yōu)化；TJ-1在優(yōu)化培養(yǎng)環(huán)境中所產(chǎn)MBF的絮凝活性高達(dá)9

5、3％。 3．通過(guò)有機(jī)溶劑提純法，從1 L發(fā)酵液中提取出1.33g純化的固態(tài)TJ-F1。采用紫外掃描、傅立葉紅外掃描、掃描電鏡、總有機(jī)碳分析、化學(xué)成分分析和凝膠色譜等諸多手段對(duì)TJ—F1進(jìn)行表征，分析其化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明：純化的TJ—F1呈線(xiàn)性晶態(tài)結(jié)構(gòu)，由多糖(63.1％)和蛋白質(zhì)(30.9％)等組成，含有O—H，N—H，氫鍵和—COOH等功能基團(tuán)，分子量為1.2×105Da，屬于天然有機(jī)高分子物質(zhì)。 4．從Ze

6、ta電位變化角度，研究了影響TJ—F1絮凝效果的各種因素，分析了TJ—F1的絮凝機(jī)理：TJ—F1能夠通過(guò)范德華力對(duì)顆粒物進(jìn)行吸附；在堿性條件下有更多的吸附點(diǎn)，增強(qiáng)吸附架橋能力；CaCl2是能夠有效降低TJ—F1絮凝體系的電負(fù)性，是TJ—F1發(fā)揮良好絮凝性能的助凝劑；在TJ—F1絮凝過(guò)程中，有沉淀網(wǎng)捕作用，提升了TJ—F1的絮凝性能。 5．TJ—F1可有效改善污泥的沉降性能和過(guò)濾性能。沉降性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，沉降時(shí)間相同時(shí)，在研究

7、的MBF投加量范圍內(nèi)，污泥沉降速度與MBF用量成正比；過(guò)濾性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在最佳脫水條件下，污泥過(guò)濾5 min后脫水率可達(dá)82％；污泥脫水對(duì)照實(shí)驗(yàn)表明，MBF比聚丙烯酰胺(polyacrylamide，PAM)或聚合氯化鋁(poly aluminum chloride，PAC)的脫水效果要好；MBF和PAM或PAC的復(fù)配使用，不僅能增強(qiáng)絮凝效果，還能減少PAM或PAC的用量，減少二次污染，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。 6．TJ—F1

8、對(duì)染料有很強(qiáng)的吸附能力，這對(duì)于染料廢水脫色和染料的回收利用均有重要意義。TJ—F1能夠有效地從溶液中吸附陽(yáng)離子艷藍(lán)RL，實(shí)現(xiàn)廢水脫色；TJ—F1對(duì)陽(yáng)離子艷藍(lán)RL的吸附動(dòng)力學(xué)可用偽二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程擬合；TJ—F1對(duì)陽(yáng)離子艷藍(lán)RL的吸附為放熱反應(yīng)，等溫吸附線(xiàn)符合Langmuir和Freundlich等溫吸附模型；TJ—F1對(duì)陽(yáng)離子艷藍(lán)RL的良好吸附效果主要是通過(guò)其中含有的大量O—H、—COOH和氫鍵等功能基團(tuán)與染料結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 7

9、．為降低TJ—F1的生產(chǎn)成本，研究了適于TJ—1生長(zhǎng)的廉價(jià)替代培養(yǎng)基。實(shí)驗(yàn)表明，奶糖廢水和豆?jié){廢水可以共同作為T(mén)J—1產(chǎn)生MBF的碳氮源，最佳配比為4：1，所產(chǎn)生MBF的絮凝活性為82.45％，在節(jié)省這兩種廢水處理費(fèi)用的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了它們的資源化利用；此外，生產(chǎn)成本的降低對(duì)于MBF未來(lái)的工業(yè)化生產(chǎn)和市場(chǎng)化應(yīng)用也具有積極意義。 8．利用從埃希氏大腸桿菌細(xì)胞中提取的麥芽糖磷酸化酶，研制出了單酶電導(dǎo)型磷酸鹽生物傳感器。根據(jù)傳感器在室溫

10、下工作的標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)，它對(duì)磷酸鹽濃度檢測(cè)有兩個(gè)線(xiàn)性范圍，分別為1.0-20μM和20—400μM，檢測(cè)限為1.0μM。水中常見(jiàn)陰離子不會(huì)對(duì)電導(dǎo)型磷酸鹽生物傳感器的檢測(cè)結(jié)果形成明顯干擾；該電導(dǎo)型磷酸鹽生物傳感器在20—50℃均能工作，有較好的溫度穩(wěn)定性；在保藏2個(gè)月后，仍有70％的響應(yīng)，保藏穩(wěn)定性好：對(duì)實(shí)際水樣的分析結(jié)果表明，電導(dǎo)型磷酸鹽生物傳感器可用于較清潔的地表水體中磷酸鹽的分析，對(duì)于地表水體富營(yíng)養(yǎng)化的監(jiān)控有實(shí)際意義。 9．利用

11、從硫酸鹽還原細(xì)菌細(xì)胞中提取的細(xì)胞色素c亞硝酸鹽還原酶，研制出了電導(dǎo)型亞硝酸鹽生物傳感器。傳感器的線(xiàn)性響應(yīng)范圍為0.2—120μM，靈敏度為0.194μS/μM[NO2]，檢測(cè)限為0.05μM。不同傳感器間的標(biāo)準(zhǔn)偏差在6％以?xún)?nèi)。電導(dǎo)型亞硝酸鹽生物傳感器在20—35℃均能工作；保藏后第1周內(nèi)，它能保持較高的響應(yīng)和穩(wěn)定性，然后隨著測(cè)定次數(shù)的增加和保藏時(shí)間的延長(zhǎng)，性能逐漸下降，3周后，其仍保有約50％的響應(yīng)；若在保藏過(guò)程中減少傳感器使用次數(shù)在5