沉水植物表面生物膜附着过程与互作机制研究

作     者：周毅 

作者单位：重庆交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：潘伟亮

授予年度：2024年

学科分类：07[理学] 08[工学] 09[农学] 0903[农学-农业资源与环境] 0815[工学-水利工程] 0713[理学-生态学] 

主      题：狐尾藻 生物膜 附着过程 植物-微生物互作 

摘      要：水生植物-微生物耦合技术已被广泛利用到污染水体的修复中,通过添加外源微生物与沉水植物进行耦合,形成的沉水植物-生物膜耦合技术可高效修复畜禽生化尾水等污染水体。水体中非生物介质表面的生物膜研究较多,而生物介质表面的生物膜研究较少。添加外源微生物的沉水植物修复系统,其生物膜的具体附着机制以及植物-微生物相互作用机制研究较少。本文首先通过模拟实际水体中微生物在沉水植物表面的粘附过程,探究不同影响因素对细菌在狐尾藻表面的附着影响,优化最佳实验参数并构建回归方程;通过碰撞动力学和热力学实验结合,阐明细菌附着机制;探究不同沉水植物的根系分泌物特点,生物膜赋存情况下的植物特性,抗生素等污染物存在下对沉水植物和生物膜附着影响。主要结论如下: （1）通过单因素影响实验以及响应曲面法实验,确定了最佳的生物膜粘附条件以及作用最大的影响因素。枯草芽孢杆菌能在合成废水中存活并附着在狐尾藻表面,动态反应体系更能促进细菌粘附,但过长的反应时间不利于枯草芽孢杆菌的生长。单因素实验表明,30℃更有利于细菌附着,p H=7时Zeta电位变化显著,枯草芽孢杆菌数量增加。100 m M离子强度下生物膜生物量最大,高离子强度（100 m M）下不易存活。最佳转速为110 rpm,过高转速不利于细菌附着。根据响应曲面法实验设计,确定最优条件方案为时间4天、温度31.39℃、p H 7.099、离子强度126 m M Na Cl。方差分析显示,温度、p H和离子强度的二次方对回归方程有显著影响,温度是关键因素。 （2）碰撞动力学以及热力学实验对细菌的粘附机制进行研究,对不同形态的植物粘附性能进行了表征。研究发现细菌吸附量随菌液浓度增加而增加,最高达202.46 mg g-1。准二级动力学模型可描述细菌粘附过程,平衡附着量为258.64mg g-1。低转速下,细菌附着量与转速n3/2呈线性关系。Langmuir模型适用于描述枯草芽孢杆菌在狐尾藻上的粘附,其粘附位点是异质的,且为单层吸附。粘附是非自发性过程,受碰撞和细菌增长影响。温度升高抑制粘附,附着后界面更无序。不同狐尾藻形态影响吸附性能,冻干形态最佳,其表面接触角最小34.30±1.61°,亲水性好,利于生物膜发展,官能团不因植物形态改变而改变。 （3）系统的研究了不同沉水植物的根系分泌物组分以及生物膜的附着情况,生物膜赋存下植物的生理特性变化,不同环境胁迫下生物膜的粘附情况。狐尾藻和黑藻分泌更多苹果酸,有利于枯草芽孢杆菌生物膜形成。菌液浓度增加使狐尾藻根系增多,根系分泌物TOC含量增加,高浓度（0.5×10～8个/m L）菌液抑制狐尾藻生长。低浓度（10μg/L）抗生素对狐尾藻生长无显著影响,但能促进狐尾藻根 系分泌物的增加。狐尾藻对抗生素的耐受性为磺胺甲噁唑（SMX）土霉素（OTC）诺氟沙星（NOR）,三种抗生素对生物膜形成的抑制作用为NORSMXOTC。高浓度COD（400 mg/L）和NH4+-N（40 mg/L）抑制细菌附着,高浓度COD抑制狐尾藻生长,高浓度NH4+-N促进生长,狐尾藻能较好吸收NH4+-N。 本文明晰了沉水植物表面生物膜附着过程与互作机制,为植物修复技术的研发以及畜禽生化尾水资源化处理提供科学依据和支撑。