白腐真菌对废水中镉和2，4-二氯酚的去除及其生理响应机制

【摘要】在废水处理方面,微生物技术有着繁殖速度快、反应条件温和、处理效率高等优势,受到科学家们的广泛关注。在废水污染日益严重、组分复杂的形势下,探索既能降解废水中有机污染物,又能吸附废水中重金属的微生物,对提高微生物的利用率、提高废水处理效率具有重要的指导意义。废水中的重金属和有机污染物往往具有较高的生物毒性,它们能抑制微生物的生长、繁殖和代谢活性,进而影响处理效率。因此,只有明确微生物与污染物相互作用的内在机制,才能有针对性地改善微生物菌的性能,创造有利于微生物处理废水的条件,从宏观上调控对废水的处理效率。本文将对异生质类污染物具有独特降解能力、同时又能吸附重金属的白腐真菌应用于对重金属镉和2,4-二氯酚(2,4-DCP)复合污染废水的处理,考察了白腐真菌对镉和2,4-DCP处理效率随处理条件的变化情况,并对其去除机理进行了初探；系统地研究了白腐真菌质子流、氧气流、胞外酶、蛋白质及细胞膜对镉和2,4-DCP胁迫的响应特征；探索了白腐真菌对镉的去除特征；寻求了一种改善白腐真菌生理状态,提升其处理效率的方法。本文的具体研究工作及成果可以归纳为以下4个方面：第一部分为白腐真菌处理镉和2,4-DCP复合污染废水及其机理的相关研究。首先培养出白腐真菌的模式菌种——黄孢原毛平革菌(Phanerochaetechrysosporium),并将其应用于对镉和2,4-DCP复合污染废水的处理,考察了溶液pH、镉初始浓度、2,4-DCP初始浓度及生物量对去除效果的影响,并监测了体系pH、胞外蛋白及酶活变化趋势。结果发现,(1)P.chrysosporium处理的最佳环境pH值在6.5左右；在此条件下,5mg/L的镉和20mg/L的2,4-DCP的去除率分别达到63.6%和98.2%。(2)低浓度的2,4-DCP(<20mg/L)可被P.chrysosporium用作碳源和能源,有利于对镉的去除；随着镉离子浓度的增加,2,4-DCP的降解率、胞外蛋白质含量、酶活都呈现出下降的趋势。(3)红外光谱分析发现,细胞壁上的氨基、羧基和羟基等官能团参与了对镉的吸附。第二部分探讨了白腐真菌的质子流、氧气流和镉离子流对镉和2,4-DCP胁迫的响应特征。采用非损伤微测技术测定了P.chrysosporium的瞬时和稳态粒子流,结果发现：(1)2,4-DCP增大了P.chrysosporium的质子和氧气内流。(2)镉使P.chrysosporium的质子流由内流立即转变成外流,并使氧气内流迅速减小。(3)曝露于0.1mM的镉环境中,P.chrysosporium对镉离子呈现明显的内流(-66±2pmolcm-2sec-1),加入钙离子通道抑制剂GdCl3后,镉离子内流降低了约30%,说明钙离子通道参与了P.chrysosporium对镉的吸收,此项结果还意味着P.chrysosporium在对镉的去除中,胞内吸收至少占总去除量的30%。第三部分主要从白腐真菌质膜行为、氧化应激和抗氧化解毒机制方面探讨其对镉胁迫的响应。(1)针对P.chrysosporium细胞膜响应镉胁迫的应答机制研究发现,镉降低了质膜H+-ATPase的活性和细胞膜流动性；线粒体膜穿透性增大,导致线粒体膜电位下降,细胞色素c释放,诱发细胞凋亡。(2)探索了镉引起P.chrysosporium细胞氧化损伤的模式。结果发现,镉诱发的氧化损伤存在浓度效应和时间效应；低浓度或短时间胁迫增加了胞内ROS含量,进而使质膜氧化,细胞膜破损；高浓度或长时间胁迫后,并未检测到ROS和丙二醛(MDA)含量增加；细胞活性随镉浓度增加而降低；维生素C在一定程度上缓和了镉引起的氧化损伤。(3)监测了镉胁迫对细胞抗氧化系统的影响。结果发现,超氧化物歧化酶(SOD)与MDA呈现很好的相关性；镉对过氧化氢酶和过氧化物酶的刺激作用只在镉浓度为1μM时发生；低浓度的镉刺激还原型谷胱甘肽的产生以消除胞内的H2O2,当镉浓度较高时,氧化型谷胱甘肽的含量显著增加,导致GSH/GSSG比值降低。(4)对镉胁迫后的菌体进行扫描电镜——能谱分析和X-射线衍射分析发现,菌体表面形成了CdS结晶纳米颗粒,将镉直接固定在细胞外,降低镉的流动性和生物有效性,这可能是P.chrysosporium对抗镉毒性的另一种解毒机制。第四部分着重寻求一种缓解污染物对白腐真菌产生氧化胁迫的方法,以期改善白腐真菌的生理状态,提高废水处理效率。采用了一种硫化氢供体——硫氢化钠对P.chrysosporium进行预处理,考察处理后的P.chrysosporium对2,4-DCP的降解情况,结果发现：硫氢化钠预处理不仅提高了2,4-DCP的降解率,大大缩短了2,4-DCP完全降解所需的时间；此过程中发挥促进作用的是硫化氢；硫化氢使P.chrysosporium胞内SOD酶的活性增大了3倍,缓解了2,4-DCP诱导产生的氧化压力,维持细胞较高的活性,从而实现了对2,4-DCP降解的促进作用。本论文明确了白腐真菌应用于处理重金属——有机物复合污染废水的可行性,在一定程度上揭示了白腐真菌与环境污染物相互作用的机制,及其在处理毒性环境污染物时效率低下的原因,并寻求了一种有效缓解污染物对白腐真菌产生氧化胁迫的方法,提高了处理效率,为从宏观上调控废水处理效率等相关研究和工作的合理开展提供了依据和借鉴。
【作者】陈安伟；
【导师】曾光明；陈桂秋；
【作者基本信息】湖南大学，环境科学与工程，2014，博士
【关键词】水处理；微生物；重金属；有机污染物；生理响应；硫化氢；

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