Research on the application of anoxygenic phototrophic bacteria in the cyanobacterial resource utilization

Abstract

水体富营养化是目前世界绝大多数国家所面临的重大环境污染问题。水体富营养化往往伴随蓝藻水华的发生，对水华蓝藻的及时打捞是解决蓝藻水华问题的最直接和最有效的手段。蓝藻打捞收获量大，蛋白含量高，直接堆积易产生恶臭和造成营养流失等二次环境污染问题。微生物参与下的厌氧消化可将蓝藻有机体转化为微生物可利用的营养物质，是回收营养物质的有效途径。光合细菌是沉积物泥-水界面的重要组成微生物，参与蓝藻的矿化过程。紫色非硫光合细菌代谢方式灵活、生长周期短、菌体营养价值高，开发蓝藻资源，实现光合细菌规模化生产具有双重经济和环境效益。本研究探讨了光合细菌在水华蓝藻资源化中的应用潜力及影响因素，为蓝藻资源的综合利用提供了新视角。所有实验均在中温条件下进行，温度范围为25-30°C，主要研究内容和结果如下：（1）实验室分离一株光合细菌。结合菌株DNA序列信息、特征吸收光谱以及细胞超微结构的结果，认为所分离的一株光合细菌为沼泽红假单胞菌，命名为Rhodopseudomonas palustris strain PUF1。菌株PUF1多数呈杆状，可附着于载体上生长，成熟期大小为长3.05-10.06 mm，直径0.32-0.68 mm。PUF1菌体粗蛋白含量较高，为细胞干重60%。稳定期总酯含量为细胞干重37%，磷脂脂肪酸18:1 ω 7c在磷脂脂肪酸中的含量为56.92-60.89%。PUF1在生长过程中可将一部分碳源以聚β羟丁酸（PHB）的形式贮存起来，其含量为细胞干重的13%。在pH 6.64、光照强度3000 lux时，PUF1生长速率最快。（2）蓝藻中含有丰富的碳（C）、氮（N）、磷（P）及多种矿物质，可满足厌氧微生物生长需要。克隆文库与高通量测序结果表明芽孢杆菌纲（Bacilli）、梭菌纲（Clostridia）细菌是蓝藻基质中重要的土著微生物类群，参与复杂有机物的水解过程，对PUF1增殖有利。蓝藻浓度3.33 g/L，稳定期PUF1菌体粗蛋白、总酯、PHB含量及脂肪酸组成与ATYP培养基体系细菌组成含量相当。以上结果表明，以蓝藻作为PUF1的培养基质是可行的。（3）光照强度3000 lux，蓝藻浓度1.67 -10 g/L时PUF1生物量增加显著，其生长速率为0.025-0.030 h-1，是相同条件下ATYP培养基的42.4–50.8%，稳定期生物量与蓝藻浓度呈正比。蓝藻浓度3.33-10 g/L，实验周期15 d，PUF1对体系中N、P、COD的去除效率无显著差异。蓝藻浓度建议在3.33 g/L，此浓度条件下光合细菌生长周期短（7 d），生物量较高。应用半连续补料系统，即定期（7 d）向培养体系中补加蓝藻（浓度3 g/L），光合细菌产量较稳定，培养周期短，可大大减少废水的排放。（4）PUF1可耐受较高浓度的氨氮（NH4-N），可直接应用于蓝藻的厌氧消化工艺。NH4-N ≤1 g/L对PUF1生长无显著影响。NH4-N浓度3 g/L对PUF1有一定的抑制作用，但细胞超微结构不受影响。NH4-N浓度为6 g/L，PUF1生长及活性受抑制，实验6 d PUF1活菌数为低浓度NH4-N（≤1 g/L）处理组的0.26%。微生物对NH4-N的耐受能力有差异，不同NH4-N浓度下微生物组成及相对丰度不同，进而影响培养体系中营养物质的代谢水平。对培养体系中NH4-N浓度的监测，可一定程度上预测反应体系的稳定性，对实际生产实践有重要的指导作用。（5）碳源是蓝藻基质中PUF1生长的限制因子。于细菌稳定期补加碳源，可显著提高PUF1生物量。但应注意，过高的碳负荷对PUF1生长有一定的抑制作用，使延迟期时间增长，生长速率降低。从碳素收支平衡可知，菌株PUF1直接参与蓝藻有机成分的利用，生物可利用碳是PUF1生长的限制因子。蓝藻可作为PUF1的生长基质。蓝藻浓度3 g/L，体系pH相对稳定，PUF1生长周期短、产量高。应用菌株PUF1可高效回收蓝藻有机体中C、N、P等营养物质。光合细菌的应用为蓝藻的资源化提供了新方向，可有效减少由蓝藻腐败引起的营养流失及臭味污染等环境污染问题。关键词：水华蓝藻，资源化利用，沼泽红假单胞