以废藻制备生物絮凝剂对含藻水的处理机制研究

来源 :东北师范大学 | 被引量 : 3次 | 上传用户:assembly2010
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藻的高效率、低能耗的回收处理一直是水处理中的重要课题。生物絮凝剂因其无毒性/可被自然降解、絮凝效率高而在藻类的去除和回收等水处理工程和生物发酵工程中收到广泛关注。但是,目前大部分的研究还处于实验室水平和基础研究阶段,主要原因包括:首先,由于生物絮凝剂的组成因产絮菌株的不同而存在很大差异,因此需要特异性筛选针对不同含藻水的高效生物絮凝剂;其次,产絮菌株在含藻废水处理和藻回收的工程应用中需要生产制备大量的生物絮凝剂,但由于产絮菌的培养基成本限制了絮凝剂的大规模生产。基于以上原因,我们研发出一种针对含藻废水生物质资源内循环的方法,即以铜绿微囊藻为研究对象特异性筛选能够产生高效絮凝该藻的生物絮凝剂,并将絮凝回收的废藻作为主要培养基,培养该絮凝剂产生菌株以制备更多的可以用于回收并处理含藻水的絮凝剂。首先,以两步筛选法得到高效絮凝回收铜绿微囊藻的絮凝剂及其产生菌株。第一步通过传统的高岭土筛选法得到产絮菌,同时第二步以得到的产絮菌的絮凝剂进一步絮凝铜绿微囊藻,筛选得到的两株产絮菌可以产生絮凝剂回收水中废藻,即肺炎克雷伯氏菌(K.pneumoniae)和柠檬酸杆菌(Citrobacter sp.AzoR-1)。以柠檬酸杆菌为主要研究对象,通过将絮凝回收的废藻生物质作为培养基同时添加不同补充组分,包括有机碳源、无极碳源、有机氮源、无机氮源等为培养基,检测柠檬酸杆菌的产絮效率,并检测产生的絮凝剂对含藻水的絮凝效率。通过响应曲面实验设计及二次方程检验,检测多因素(絮凝时间、pH、温度、絮凝时间及助凝剂)对藻的絮凝效率的影响,得到絮凝剂回收藻的最优条件。然后,以三维荧光、傅里叶红外衍射、Zeta电位及分子量检测等手段分析纯化的絮凝剂性质。研究表明,10g/L的藻生物质(干重)附加10g/L葡萄糖为柠檬酸杆菌的最佳产絮凝剂培养基。分子量分析表明,柠檬酸杆菌通过藻培养基制备的絮凝剂是长链的高分子材料,分子量为270 kDa,傅里叶红外衍射表现出广泛的羟基伸缩振动峰在3423 cm-1和1630-1550 cm-1;在2930 cm-1处表现C-H伸缩峰。强吸收峰在1100cm-1范围内存在的多糖及糖蛋白特征峰。三维荧光分析结果也表明,该絮凝剂的主要成分包括多糖(前/EM=300-450/350-400 nm),多环芳烃型多糖(前/EM=250-300/400-550 nm),和酪氨酸/色氨酸的氨基酸(前/EM=200-250/300-400 nm)。Zeta电位结果表明,处理含藻水的絮凝剂带负电荷。最后,通过对柠檬酸杆菌在以微藻为培养基的产絮凝剂生长条件下的细胞内转录组进行测序实验,得到的结果与以上分析结果一致,发现了相关表达序列的明显上调,表明生物絮凝剂的多糖生物合成系统,包括:聚酮糖生物合成途径、脂多糖生物合成途径、肽聚糖的生物合成途径、萜类化合物骨架生物合成途径。综合以上研究结果得出,生物絮凝剂絮凝铜绿微囊藻M.aeruginosa的机制主要是以大分子的架桥作用和所带集团的离子吸附为主。利用响应面法优化混凝条件下铜绿微囊藻的结果表明,该絮凝剂的对铜绿微囊藻的最高回收效率达到98%,絮凝浓度为109/L含藻水的最适投加量为12.7 mg/L,条件为pH<8。以上工作实现了一个完美的生物资源内循环转化系统,对铜绿微囊藻的可持续性回收和生物絮凝剂的低成本生产均具有较好的应用价值。本研究从含藻水的资源化处理和生物絮凝剂的规模化应用两方面出发,建立了将回收废藻用于产絮菌的培养,并将得到的生物絮凝剂进一步用于含藻水的处理和废藻的回收,建立了可靠高效的生物质资源内循环系统。同时,从化学和转录组学两方面研究产絮菌的产絮机理和絮凝剂絮凝藻细胞的机制,为全面解析絮凝剂的有效组分和调控产絮菌产絮代谢途径奠定坚实的理论基础。为生物絮凝剂的工业化生产应用提供策略,对提高生物絮凝剂产量,降低絮凝剂的生产成本,调控生物絮凝剂工业化生产起到重要的指导作用。同时也为含藻水的可持续性处理和资源化应用提供了新的思路。
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