摘要
Cr是一种广泛应用于钢铁、鞣革、印染等领域的重要工业原料，由此而带来的Cr(VI)污染已成为我国主要重金属污染之一。YEM001是一组能有效还原污泥和垃圾渗滤液中的Cr(VI)、实现Cr(VI)污染生物修复的微生物菌群。然而菌群的扩大培养成为YEM001进一步应用的障碍。本研究以优化菌群YEM001培养工艺条件为目标，主要研究了菌群还原Cr(VI)过程中细胞内外Cr(VI)和Cr(Ⅲ)的变化；YEM001菌群的各细胞组份对Cr(VI)还原的贡献值、细胞渗透调节对菌群细胞还原Cr(VI)的影响，进一步研究不同碳源培养过程中YEM001的Cr(VI)还原率以及不同碳源培养过程中Cr(VI)还原基因chr的表达特征，进一步分析Cr(VI)还原率与chr基因间的关系；优化了YEM001菌群的培养条件，通过单因素实验优化培养菌群得到碳源、氮源、无机盐、pH、摇床转速，正交实验设计优化最佳培养基组分，发酵培养优化发酵罐培养转速以及pH值。主要结果如下： (1)检测YEM001菌群还原过程中细胞内外Cr(VI)和Cr(Ⅲ)的变化，发现菌群对Cr(VI)的还原主要发生在细胞外，细胞内也存在微量Cr(VI)被还原。监测不同碳源为底物时Cr(VI)还原速率，发现以糖蜜为底物Cr(VI)还原速率最快。而以无外加碳源的PCS培养基、外加碳源为淀粉、外加碳源为甘油的情况下，Cr(VI)还原速率依次减慢。设置空白对照实验探索空白培养基对Cr(VI)还原的影响，发现以糖蜜为底物的培养基对Cr(VI)存在直接的还原反应，60h检测到糖蜜培养液中残余20.16mg/LCr(VI)，对应Cr(VI)还原率78.55%，其他培养成分对Cr(VI)还原无显著干扰。 (2)通过分离YEM001菌群的胞外培养液，细胞内液，细胞破碎物分别与Cr(VI)反应。结果显示胞外培养液对Cr(VI)的还原率显著高于细胞内液和细胞破碎物。进一步证明胞外是还原反应的主要发生场所。不同底物培养的各组分对Cr(VI)还原率未产生显著差异，淀粉、甘油、糖蜜与PCS培养基对应细胞外液还原率分别为12.07%，19.02%，13.76%，17.78%。 (3)通过调节细胞细胞渗透发现不同的底物对静息细胞和渗透细胞的Cr(Ⅵ)还原率产生可能具有一定影响，以淀粉、糖蜜等为外加碳源时，静息细胞对Cr(VI)的还原率略高于渗透细胞。以胞外还原为主。以甘油为底物，渗透细胞Cr(Ⅵ)还原率高于静息细胞，推测甘油培养提升了胞内还原细菌丰度。 (4)经过分子生物学鉴定，YEM001菌群存在chr铬还原基因。chr基因拷贝数越高，Cr(Ⅵ)还原率越稳定。以甘油为外加碳源，菌群的铬还原基因的chr丰度最高，其次为淀粉、PCS培养基、糖蜜。 (5)以淀粉为碳源，YEM001能实现快速稳定的生长，60h时OD600值则达到3.56。NO3-和Zn2+大幅降低菌群的Cr(Ⅵ)还原能力。除此而外，发酵pH、搅拌转速也是影响生物量的关键因素。最佳培养基成分为：淀粉10g/L、氯化铵3g/L、硫酸镁2g/L、酵母浸粉1g/L。最佳发酵罐培养条件为28℃、pH7.5、搅拌转速50r/min。在该条件下得到的YEM001培养液最大OD600值可达1.91。优化培养得到的YEM001菌液能够在60h将初始浓度为100mg/L的Cr(Ⅵ)完全还原。
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