兼性厌氧细菌胞外呼吸过程中的脱色还原偶联生物产氢机理研究

Reactor acidification and low recovery efficiency of organic carbon are the major obstacles of anaerobic technology in treating textile wastewater. Klebsiella oxytoca has the capacity of simultaneous decolorization reduction and biohydrogen production in treating azo-dye wastewater. Developing a theoretical research on simultaneous decolorization and biohydrogen of this strain has a great practical significance. It potentially solve the two main problems of triditional anaerobic technology. In this project, glucose and methyl orange will be used as the electron donor and electron acceptor, respectively, during the extracellular respiration(ER) of this strain. The objectives of this project are to explore the the micro-scale mechanism of electron balance, transport and energy reservation during ER process; and to reveal the the co-metabolism mechanism of simultaneous decolorization and biohydrogen production. The goal of this project will be accomplished by location analysis of AzoR in living cell and support of spectroscopy, gas chromatography, mass spectrometry, electrochemistry analysis methods. Infromation from this project may provide theoretical basis and technological support for the application of K. oxytoca strain in anaerobic bioreactor. Moreover, it may offer an cost-effective way to resolve the current problems of anaerobic bioreactor, such as reactor acidification and low reclamation efficiency.

反应器的酸化和有机碳源资源化效率低是当前厌氧生物法处理印染废水存在的最主要问题。产酸克雷伯菌对偶氮染料废水具有同时脱色还原和生物产氢的能力，可潜在的解决厌氧生物反应器的上述两大问题，开展对该菌株脱色与产氢的机理研究具有重要的现实意义。本项目基于产酸克雷伯菌脱色和产氢的这一特性，并且结合微生物胞外呼吸的最新原理，将葡萄糖和甲基橙染料分别作为该菌株胞外呼吸的电子供体和电子受体，通过对偶氮还原酶在活体细胞的定位分析以及呼吸链抑制剂的引入，借助光谱、色谱和质谱以及电化学分析等多种手段，以揭示胞外呼吸和生物产氢过程中的电子平衡、电子传递途径及其能量储存等微观机制，以探明该菌株对葡萄糖和甲基橙共基质的脱色与产氢机理。通过本课题的研究，可为产酸克雷伯菌的实际应用提供理论基础与技术支持，并且有望为解决厌氧生物反应器的酸化和资源化问题，提供一条经济、有效的控制新途径。

反应器的酸化和有机碳源资源化效率低下是当前生物法处理印染废水存在的主要问题之一。利用功能微生物进行强化处理是解决这一问题的有效手段。研究以印染废水的脱色和产氢为目标，从偶氮还原酶的分析、提纯和定位方面进行研究，系统考察了Klebsiella oxytoca菌株对偶氮染料-甲基红的降解机理，基于化学计量算法、质谱分析以及EMP和TCA循环的原理，证明了菌株在外加碳源条件下进行好氧呼吸生长，其主要能源用于细胞合成与生长，其余能源经过EMP途径和TCA循环对碳源进行好氧氧化，在此代谢过程中形成的NADH和NADPH与细胞膜组分的偶氮还原酶结合，将电子供体传递到透过细胞膜的非极性偶氮染料上，进而对染料进行胞内脱色。在此基础上，利用具有醌呼吸特性的发酵型细菌解析羧基类偶氮染料的脱色与细菌生长的机理模型，并通过对偶氮还原酶的原核表达和动力学研究以及代谢途径分析，提出偶氮类染料和生物制氢的偶联机理。首次发现了Klebsiella oxytoca GS-4-08菌的醌呼吸特性，可在厌氧条件下利用蒽醌磺酸钠（AQS）作为胞外电子穿梭体促进偶氮染料的降解，同时可利用无定型铁矿石作为电子受体进行细菌的厌氧呼吸生长。当溶解态的Fe(III)存在条件下，电子竞争和Fe(III)/ Fe(II)的促进作用在偶氮染料脱色过程中相继发生，表现为初段时期对染料还原的抑制和末段时期的促进，由此提出了基于Klebsiella oxytoca醌呼吸和Fe(III)呼吸的模型，全面阐述了该菌株的厌氧呼吸与污染物还原的耦合机理。