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胞外聚合物介导活性污泥光电反硝化特性及光电子转移机制

胞外聚合物介导活性污泥光电反硝化特性及光电子转移机制

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作者：龚之涵广州大学

学位级别：硕士

光电反硝化是一种新兴的生物脱氮技术,其核心在于光敏剂与脱氮微生物的耦合作用。在光照下,光敏剂产生光电子,供给无法直接利用光能的脱氮微生物进行反硝化,这一过程被称为光电反硝化。由于其实现了节能减排的绿色经济,并且光能作为一... 详细信息

光电反硝化是一种新兴的生物脱氮技术,其核心在于光敏剂与脱氮微生物的耦合作用。在光照下,光敏剂产生光电子,供给无法直接利用光能的脱氮微生物进行反硝化,这一过程被称为光电反硝化。由于其实现了节能减排的绿色经济,并且光能作为一种价格低廉、易于获取的清洁能源,光电反硝化引起了广泛的研究关注。尽管传统反硝化过程依赖于有机碳源作为电子供体以促进反硝化作用,但光电反硝化技术能在低碳源甚至无碳源环境下驱动反硝化过程,显示出其独特的优势。然而,目前关于uva辐照下反硝化微生物的光响应特性研究尚处于初级阶段,大多数研究仅限于初步探讨uva辐照对反硝化微生物的促进或抑制作用,缺乏深入的定量研究和有效的外部条件调控。此外,关于uva辐照与反硝化微生物之间的作用机理,也缺乏深入的研究。鉴于此,本研究选取具有优异反硝化性能的活性污泥为研究对象,系统地探究了uva辐照下反硝化微生物的光响应特性,并深入研究了其光响应机制。同时,通过精心设计uva辐照下的SBR反应器,本研究还探讨了长期光辐照对反硝化微生物性能的影响,并深入分析了其群落结构的变化。主要结论如下:（1）通过在不同辐照强度下进行实验,发现反硝化菌的活性受光照的影响,并且其响应特性存在一定的差异。在0～17.5μmol·m-2·s-1范围内的辐照强度下,硝态氮的反硝化活性会增加,即反硝化作用得到促进。然而,当辐照强度超过17.5μmol·m-2·s-1时,反硝化活性会受到抑制。类似地,亚硝态菌在0～7.5μmol·m-2·s-1范围内的辐照强度下表现出增强的反硝化活性,但是当辐照强度高于7.5μmol·m-2·s-1,反硝化活性会受到抑制。（2）光辐照能够促进反硝化过程中转移电子的能力,增强反硝化菌对有机物的利用效率。在高碳氮比时能够显著促进反硝化活性,提升15.777mg N·h-1·g VSS-1);而在无碳源的情况下,光辐照仍然能够显著促进反硝化菌的反硝化活性,提升至原先的4.118倍。（3）活性污泥、EPS和SMP通过计时安培法、循环伏安法、交流阻抗法验证其具有光电化学特性,EPS、SMP能够作为光敏剂驱动反硝化的进行,这证实了污水处理厂中光电反硝化普遍存在。此外,在无外碳源时作为电子供体时,反硝化菌能够直接利用光生电流驱动反硝化进行。光生电流可以被视为一种替代的电子来源,提供给反硝化菌以持续的能量供应。（4）在低辐照强度下,反硝化菌的反硝化活性增加是由于它们能够利用光生电流来驱动反硝化过程。光生电流提供了额外的电子供体,促进了反硝化底物的还原反应,从而增强了反硝化活性。然而,在高辐照强度下,反硝化菌的反硝化活性降低是由于细胞受到氧化应激的影响而发生损伤。较高的光照强度会导致细胞内产生过量的活性氧,对细胞结构和功能造成损伤,进而影响反硝化过程的进行。（5）黑暗和uva辐照条件下的活性污泥经过培养后展现出不同的特性。在黑暗条件下中,当碳氮比较低时,反硝化菌群会发生短程反硝化,导致出水中亚硝态氮浓度逐渐上升。在uva辐照条件下,低碳氮比下反硝化菌群仍然发生完全反硝化。然而,由于碳源不足,只有部分硝态氮能够被还原成氮气,因此导致出水中硝态氮浓度逐渐上升。（6）在长期光照条件下,反硝化菌属,如Paracoccus和Comamonadaceae菌属的丰度逐渐下降,这表明它们对光辐照不具备足够的耐受性。与此相反,其他具有耐受光照特性的菌群,如Rhodocylaceae、Rhizobiaceae、Chitinophagaceae和OLB8等,它们的丰度逐渐增加,可能是因为它们能够适应光辐照并进行生长和代谢活动。（7）在长期低碳氮比条件下,Comamonadaceae菌属逐渐被Paracoccus菌属所取代。这种菌群的演替可能是由碳源不足对菌群的生长和代谢产生的影响导致的。Paracoccus菌属能够以无机物作为碳源和能源进行生长,在处理低碳或无碳废水时具有明显优势,无需额外添加有机碳源即可实现反硝化过程。

关键词：光电反硝化胞外聚合物 uva辐照活性污泥光电化学特性

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硝化菌群的光响应特性及其氧化应激机制研究

硝化菌群的光响应特性及其氧化应激机制研究

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作者：黄丹丹广州大学

学位级别：硕士

短程硝化作为一种新型生物脱氮技术,在污水处理降低成本、简化脱氮过程等方面展现出了强大的优势,同时还可以进一步与厌氧氨氧化工艺(Anammox)相结合实现自养脱氨,因此具有广阔的发展和实际应用前景。而尽可能在反应体系中富集氨氧化菌(... 详细信息

短程硝化作为一种新型生物脱氮技术,在污水处理降低成本、简化脱氮过程等方面展现出了强大的优势,同时还可以进一步与厌氧氨氧化工艺(Anammox)相结合实现自养脱氨,因此具有广阔的发展和实际应用前景。而尽可能在反应体系中富集氨氧化菌(AOB)并最大程度的抑制亚硝酸盐氧化菌(NOB),使AOB在整个反应阶段成为优势菌种,而NOB被淘洗出系统是短程硝化实现的关键。虽然各种NOB选择性抑制策略已被证实在取得短程硝化效果方面具有可行性,但是NOB适应性的出现导致它们对NOB的长期抑制效果不佳。而且关于抑制策略对NOB抑制作用机制大多数都止步于对NOB转录基因和酶活性的影响上,缺乏进一步探究这些现象产生的原因。针对上述问题,本文以富集的AOB和NOB富培物为研究对象,探讨了两种典型硝化细菌对长波紫外线(uva)辐照的光响应特性与抑制动力学,并揭示了uva辐照诱导AOB和NOB的氧化应激效应和响应机制,进一步应用氧化应激理论分析了游离亚硝酸(FNA)对硝化细菌的抑制机理,旨在为从氧化应激角度揭示NOB选择性抑制策略的作用机制提供理论指导。主要结论如下:(1)通过底物流加的连续进水方式,游离氨(FA)、FNA抑制联合低溶解氧控制策略可成功富集出以亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas)为优势菌属的AOB富培物(相对丰度50.89%),其中NOB被有效淘洗出体系(占比低于0.01%)。同样采取底物流加的连续进水方式,控制反应器内相对较低浓度的亚硝酸盐浓度,实现了硝化螺菌属(Nitrospira)的富集培养(相对丰度39.05%),是反应器体系内绝对优势菌种。(2)uva辐照强度和辐照时间对AOB活性的影响相对较小,且在较短的暴露时间(15min),能够明显的促进AOB的活性。相反,uva辐照强度和辐照时间的增加都显著强化了对NOB的抑制作用。在uva辐照条件下,NOB表现出比AOB更加敏感的衰亡速率(b值),且提高uva辐照强度两种细菌的b值呈上升趋势,在uva辐照强度从8提升至46 mol·m·s时,AOB的衰减速率由0.0174增加至0.0213min,NOB的衰减速率由0.0234增加为0.0599 min。同时发现实际影响AOB和NOB衰减速率的因素是体系内的平均光强,而非uva辐照强度。(3)uva辐照对硝化菌群的抑制机制主要是诱导硝化细菌产生氧化应激效应,即刺激硝化细菌胞内活性氧(ROS)的升高,对细胞膜造成氧化损伤,促使污泥形态破坏和胞内物质释放,最终导致细菌死亡,此外ROS还能够对氨单加氧酶(AMO)和亚硝酸盐氧化酶(NXR)产生抑制作用。uva胁迫下NOB相较AOB趋于产生更多的ROS,导致了NOB在相同的光照条件下表现出较AOB更强的光抑制反应。(4)暴露于uva后,AOB的过氧化氢酶(CAT)正常发挥作用,而NOB的CAT几乎没有表现出活性,导致NOB无法代谢过量产生的HO而在细胞内积累,使其受到严重氧化应激胁迫危害,这是NOB被选择性抑制的重要原因。此外,uva辐照胁迫下硝化细菌会启动保护机制,包括分泌更多胞外聚合物(EPS)特别是蛋白质以促进细菌聚集形成遮光效应,以及上调超氧化物歧化酶(SOD)活力降低氧化应激对AOB和NOB的损伤等。(5)FNA同样能够诱导硝化细菌氧化应激效应,造成胞内ROS激增、细胞膜完整性损伤、胞内物质释放、关键酶活性降低(AMO和NXR)等。AOB能够通过SOD和CAT维持胞内HO的水平,NOB无法通过CAT进一步转化HO导致其在细胞内持续积累,促使NOB走向衰亡,表现出b值提高程度较AOB更大,活性抑制作用更显著。

关键词：短程硝化硝化细菌氧化应激响应机制 uva辐照 FNA

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紫外线（uva）诱导核黄素氧化促进鱼制品凝胶特性变化的研究

紫外线（UVA）诱导核黄素氧化促进鱼制品凝胶特性变化的研究

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作者：贺宝玉大连工业大学

学位级别：硕士

马鲛鱼（Scomberomorus Niphonius）是我国鱼类最重要的经济品种之一,但是由于其脂肪和肌红蛋白含量较高,导致其鱼制品凝胶性能较差,而肌原纤维蛋白对于鱼肉的品质特性具有决定性作用。因此要改善鱼肉制品特性可以通过改善肌原纤维蛋白... 详细信息

马鲛鱼（Scomberomorus Niphonius）是我国鱼类最重要的经济品种之一,但是由于其脂肪和肌红蛋白含量较高,导致其鱼制品凝胶性能较差,而肌原纤维蛋白对于鱼肉的品质特性具有决定性作用。因此要改善鱼肉制品特性可以通过改善肌原纤维蛋白凝胶特性来实现。为了解决马鲛鱼产品的凝胶性质弱的问题,为鱼产品的加工提供新的策略和有价值的指导以及为紫外线（Ultraviolet,UV）uva照射技术在鱼肉产品中的应用提供理论基础。本研究一方面通过添加光敏性维生素核黄素,并将其经过uva辐照,通过其产生的·OH使马鲛鱼MP发生氧化,改变其化学结构特性,从而达到提高凝胶特性的目的。本实验以马鲛鱼为原料,提取肌原纤维蛋白,在马鲛鱼鱼肉和MP中添加不同浓度的核黄素（0,0.02,0.1μmol/g protein）,经过uva照射30min后,测定其鱼肠制品的TPA、凝胶强度及TBARS值的变化;测定鱼MP凝胶制品的凝胶强度、流变特性及其微观结构,MP溶液羰基、巯基、自由氨基、圆二色谱、表面疏水性、色氨酸荧光强度变化情况。结果表明,在uva照射下,鱼肠制品的硬度、弹性、咀嚼度和凝胶强度均以核黄素的剂量依赖性方式逐渐增加,在添加0.1μmol/g protein核黄素时达到最大值。鱼MP凝胶强度显示了与鱼肠相似的结果。产生此结果的原因可能是核黄素经过uva照射后产生了·OH,随后与马鲛鱼MP发生了反应导致其发生氧化,氧化的结果表现为与对照样品相比较,经过uva照射后的样品,随着核黄素浓度的增加,羰基含量和BPB含量逐渐增加,巯基含量和自由氨基含量逐渐减少;G’在添加核黄素后样品值发生了显著的增加,且添加0.1μmol/g protein核黄素经过uva照射后的MP样品的tanδ＜0.1,此时样品已经处于强凝胶状态。微观结构的结果也证实了在MP中添加核黄素经过uva照射会使其凝胶结构变得致密均匀,从而提高其鱼肉制品及MP凝胶制品的凝胶特性。另一方面,在上述研究的基础上,为了有效的在提高鱼肉及MP凝胶制品的品质特性,降低其脂质氧化程度,在鱼肉制品及凝胶制品中添加了海带多酚。海带多酚一方面为氧化剂,可使蛋白进行交联;另一方面具有较强的清除自由基和抗氧化的能力。通过在马鲛鱼MP中添加核黄素（0,0.1μmol/g protein）和海带多酚（0,150μmol/g protein）,经过uva照射30min后,测定其鱼肠制品的凝胶强度和TBARS值的变化;测定鱼MP凝胶制品的凝胶强度、流变特性及微观结构,MP溶液羰基、巯基、自由氨基、圆二色谱、表面疏水性、色氨酸荧光强度变化情况。与对照组相比较,同时加入核黄素和海带多酚后,TBARS值降低,且鱼肠凝胶强度增加。而羰基含量增加,总巯基和游离氨基减少,二级结构中α-螺旋结构逐渐减少,内源色氨酸的荧光强度降低。说明单独添加150μmol/g protein海带多酚时在蛋白质中会发挥其氧化作用,而同时添加0.1μmol/g protein核黄素和150μmol/g protein海带多酚时海带多酚起抗氧化作用。但是,所有特性的结果的改变都说明蛋白质通过氧化增加了其交联程度。电泳结果也表明在海带多酚起抗氧化作用时,海带多酚的存在也使肌球蛋白重链发生聚集。使其有更均匀和致密的网络结构。ESR也检测到了核黄素和海带多酚在uva辐照下可产生自由基,而海带多酚能够淬灭的核黄素在uva辐照下产生的·OH。

关键词：马鲛鱼肌原纤维蛋白核黄素海带多酚 uva辐照凝胶强度蛋白交联聚集

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