基因工程菌Fhhh降解废水基因-生态-工艺优化调控信息学研究

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基因工程菌Fhhh,是真核原核2界细胞的3亲菌株跨界融合子,含有降解性基因lip和mnp。降解性基因lip和mnp,来自3亲株中的黄孢原毛平革菌(PC),所表达的2种过氧化物酶LiP和MnP,是降解对苯二甲酸(PTA)废水的分子生物学基础。Fhhh降解废水过程中的lip和mnp基因表达优化调控、生态因子优化调控、工艺参数优化调控的三优化调控,是本项研究的主体内容。 研究lip和mnp基因表达的优化调控,以四种金属元素Mn2+,Cu2+,Zn2+,Se4+和营养元素N、P水平为调控参数。结果表明,在食品废水中,四种金属元素影响Fhhh和亲株PC比降解率(生物负荷率)高低的排序均为:Mn2+>Cu>Zn2+>Se4+。在四种金属元素浓度优化条件下的PTA溶液中,Fhhh分泌的MnP比活力水平与亲株PC相近。 PTA原废水的水质恶劣而缺乏营养,可抑制Fhhh和PC的木质素过氧化物酶(LiP)和锰过氧化物酶(MnP)活性水平的表达。在PTA原废水中添加N至终浓度100mg/L、添加P至终浓度20mg/L,使PTA废水的BOD:N:P接近于100:5:1,同时添加Mn2+至终浓度10mg/L(优化水平),Fhhh的MnP活性水平可由600个单位提高至1300个单位;PC的MnP活性水平可由400个单位提高至700个单位。添加Mn2+,对MnP活性水平的表达有促进作用,对LiP有抑制作用。 研究生态因子的优化调控,以酒石酸铵,H2O2,pH,Mn2+的浓度为四个调控参数。该四种因子的水平,同时直接影响到两种过氧化物酶的基因表达量及其活性水平,最终影响到Fhhh降解废水的效率。不同的是,研究生态因子优化调控的测定指标,是以降解废水的性能参数即比降解率为主。四种生态因子的优化组合 水平是:6mmol/L的酒石酸铵、1.0mmol/L的H2O2、10mg/L的Mn2+、pH7.0。在4种生态因子与4种金属元素水平的同时优化组合前提下,Fhhh和PC的比降解率均高于非优化组。Fhhh比降解率比PC高出11.11%,过氧化物酶(PX)比活力水平比PC高出15.22%。表明Fhhh在降解有机污染物时比PC更具优势。研究工艺参数的优化调控,采用环境生物技术信息学方法。按照常规活性污泥法的工艺流程及其相关的设计参数,以PTA废水降解动力学的6项参数测定值、废水的15项自然参数测定值和工艺参数测定值为基础,建立目标函数-决策变量-瞬时变量-约束变量的数学模型,建立专家系统,设计功能模块,以VisualBasic6.0语言,编制环境生物技术信息学软件Ebis的操作与运行程序。用Ebis软件计算处理废水所需的最小反应器体积、最低的建设与运行费用、所有相关的参数水平,作为工艺优化调控的依据。 应用环境生物技术信息学软件Ebis,优化计算处理生活污水和PTA废水的相关参数,结果是:(1)采用活性污泥法处理生活污水,Ebis计算所需的反应器体积数值与美国的公布值相差0.8%,与中国的公布值相差7.3%。(2)采用上流式厌氧污泥床法(UASB)处理PTA废水,Ebis计算中国台湾与荷兰所需的反应器体积数值仅相差3.8%。结果表明,Ebis不但适用于PTA工业废水处理,而且适用于生活污水处理;不但适用于活性污泥法,而且适用UASB法。Ebis具有相当的通用性和合理性。 应用Ebis计算基因表达优化调控-生态因子优化调控-工艺参数优化调控的三项综合优化条件下的结果是:与土著细菌YZ1相比,Fhhh可提高比降解率5.67倍;可节约反应器体积7.85%、节约曝气费用49.99%、节约处理系统的总费用36.60%。Fhhh的优化,比不优化可节约7.61%的反应器体积。环境生物技术信息学软件Ebis,已拥有正式版权[中华人民共和国国家版权局,软著登字第005607号]。
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