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《浙江海洋大学》 2017年
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微生物燃料电池产电菌株的筛选及群落结构研究

王帅兵  
【摘要】:微生物燃料电池(microbial fuel cell,简称MFC)是利用微生物氧化有机或无机底物进行产电的新兴技术。本研究样品取自浙江省海水增养殖基地养殖废水储水池的沉积物(M01、M02、M03、M04),对其进行微生物产电菌株的筛选及群落结构分析。使用厌氧试管对产电菌富集培养并对特征菌进行分离纯化,共纯化11株兼性厌氧菌,分别记为ME1~ME11。16S rDNA分子鉴定结果及系统发育分析表明ME1属于过氧微杆菌(Microbacterium paraoxydans),ME2和ME3同属于Shewanella haliotis,ME4为Sunxiuqinia elliptica,ME6、ME8、ME10同属于Burkholderia contaminansz,ME7属于高地芽孢杆菌(Bacillus altitudinis),ME9属于Exiguobacterium sp.,ME10属于梭菌目(Clostridiales),未能确定到属。为了研究沉积物与以其作为接种物制作的微生物燃料电池中微生物群落结构变化,首先对沉积物中微生物基因组进行高通量测序,发现4个样品中有24个门类的细菌,其中变形菌门为优势类群,其次为拟杆菌门、绿弯菌门,样品之间群落结构没有明显差别,所含细菌类群以及相应丰度基本一致;3个门类的真菌,分别为子囊菌门(Ascomycota)、担子菌门(Basidiomycota)、接合菌门(Zygomycota),样品间群落结构和相对丰度存在差异性;3个门类古菌,分别是泉古菌门(Crenarchaeota)、广古菌门(Euryarchaeota)以及Parvarchaeota门,其中泉古菌门为优势类群,样品间群落结构和相对丰度差异不明显。以养殖废水沉积物(M01、M02、M03)为接种物,阳极室添加乙酸钠作为电子供体,阴极室添加铁氰化钾作为电子受体,构建双室型(H型)微生物燃料电池(01、02、03)筛选产电菌。MFC运行45~60天后,测其电压分别为5.043、4.172、4.428 mV,然后对阳极生物膜和阳极室底泥微生物进行高通量测序。结果显示阳极底泥细菌分为9个门,分别为变形菌门(Proteobacteria)、浮霉菌门(Planctomycetes)、芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)、厚壁菌门(Firmicutes)、绿弯菌门(Chloroflexi)、绿菌门(Chlorobi)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、放线菌门(Actinobacteria)、酸杆菌门(Acidobacteria)。其中变形菌门相对丰度分别为73.20%、66.47%、69.96%,为优势菌群。其次为绿弯菌门、拟杆菌门。阳极生物膜细菌分为6个门,分别为变形菌门(Proteobacteria)、厚壁菌门(Firmicutes)、绿弯菌门(Chloroflexi)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、放线菌门(Actinobacteria)、酸杆菌门(Acidobacteria)。其中变形菌门相对丰度都在97%以上,是优势菌群。阳极阳极生物膜和阳极底泥中古菌都分为3个门,分别为泉古菌门(Crenarchaeota)、广古菌门(Euryarchaeota)以及Parvarchaeota,并且都是以泉古菌门为优势类群,但是阳极底泥中各门类古菌的相对丰度都比阳极生物膜上的高1~2个数量级。阳极底泥和阳极生物膜中真菌群落分为3个门,分别为子囊菌门(Ascomycota)、担子菌门(Basidiomycota)以及接合菌门(Zygomycota),子囊菌门为优势菌群。通过比较种泥沉积物与阳极生物膜和阳极底泥中微生物群落结构变化,发现MFC运行后希万氏菌属(Shewanella)相对丰度显著增高,阳极生物膜和阳极底泥中微生物群落多样性明显降低,验证了MFC对阳极微生物群落结构具有选择性。
【关键词】:微生物燃料电池 产电微生物 海水养殖场 沉积物 高通量测序
【学位授予单位】:浙江海洋大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:X714;TM911.45;X172
【目录】:
  • 摘要9-11
  • ABSTRACT11-15
  • 第一章 引言15-23
  • 1.1 研究背景15-16
  • 1.2 微生物燃料电池16-19
  • 1.2.1 微生物燃料电池的工作原理16
  • 1.2.2 微生物燃料电池的基本构造和组成16-18
  • 1.2.3 电子转移的机制18-19
  • 1.3 微生物燃料电池中的产电微生物19-22
  • 1.3.1 产电微生物19
  • 1.3.2 已报道产电微生物的类别19-22
  • 1.4 主要研究内容及意义22-23
  • 1.4.1 本研究的主要内容22
  • 1.4.2 本研究的意义22-23
  • 第二章 纯培养菌株的富集、分离和鉴定23-33
  • 2.1 试验材料23-24
  • 2.1.1 主要仪器设备和试剂23
  • 2.1.2 培养基23-24
  • 2.2 试验方法24-25
  • 2.2.1 样品采集与预处理24
  • 2.2.2 产电菌的富集24
  • 2.2.3 厌氧试管中特征菌的分离纯化24
  • 2.2.4 纯化菌株基因组DNA提取24-25
  • 2.2.5 纯培养菌株 16S rRNA鉴定25
  • 2.3 结果与分析25-31
  • 2.3.1 纯培养菌株的富集25
  • 2.3.2 纯培养菌株的分离25
  • 2.3.3 纯培养菌株分子鉴定结果25-27
  • 2.3.4 纯培养菌株系统发育分析27-31
  • 2.4 讨论31-33
  • 第三章 沉积物微生物群落多样性分析33-44
  • 3.1 主要仪器设备和试剂33
  • 3.2 试验方法33-34
  • 3.2.1 微生物基因组DNA提取33-34
  • 3.2.2 高通量测序结果分析34
  • 3.3 结果与分析34-41
  • 3.3.1 细菌群落多样性分析34-37
  • 3.3.2 真菌群落多样性分析37-39
  • 3.3.3 古菌群落多样性分析39-41
  • 3.4 讨论41-44
  • 3.4.1 海水养殖场池塘沉积物细菌多样性41
  • 3.4.2 海水养殖场池塘沉积物古菌多样性41-42
  • 3.4.3 沉积物中可能存在的产电菌分析42-44
  • 第四章 微生物燃料电池阳极微生物群落多样性分析44-58
  • 4.1 试验材料44-45
  • 4.1.1 主要仪器设备和试剂44-45
  • 4.2 微生物燃料电池的构建与运行45-47
  • 4.2.1 碳布电极的制备和处理45
  • 4.2.2 质子交换膜(PEM)处理45
  • 4.2.3 MFC的构建45-47
  • 4.2.4 MFC的运行47
  • 4.3 MFC阳极微生物群落多样性分析47
  • 4.4 结果与分析47-54
  • 4.4.1 阳极细菌群落多样性分析47-50
  • 4.4.2 阳极古菌群落多样性分析50-52
  • 4.4.3 阳极真菌群落多样性分析52-54
  • 4.5 讨论54-58
  • 4.5.1 阳极底泥与阳极生物膜中微生物群落结构变化54-55
  • 4.5.2 种泥沉积物与阳极生物膜中微生物群落结构变化55-56
  • 4.5.3 微生物燃料电池阳极产电菌分析56-58
  • 全文总结58-60
  • 参考文献60-67
  • 致谢67-68
  • 在读期间发表的学术论文及研究成果68

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