生物破乳剂产生菌Achromobacter sp. LH-1对菲的降解特性及其机制研究

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多环芳烃(Polycyclic aromatic hydrocarbon,PAHs)是指分子中含有两个以上苯环的碳氢化合物。近年来由于天然产生和人为活动,土壤和水体中的多环芳烃污染日益严重,对人类健康和生态环境造成很大危害。菲(PHE)作为一种典型的PAHs化合物,已被多个国家列为优先控制的环境污染物,同时也因其特殊结构被当作研究PAHs污染的模式化合物。微生物能够有效降解环境中残留PHE,并且具有时间短、见效快、成本低等优势,得到人们越来越密切的关注。然而PHE的疏水性成为了生物降解的限制因素。生物破乳剂是一种新型生物表面活性剂,具有优良的表面活性,它具有亲水的头部和疏水的尾部,因其对水包油(O/W)和油包水(W/O)乳状液的高破乳效率以及可被生物降解等优点,被广泛地应用到含油废水的处理等方面。当生物破乳剂浓度大于其临界胶束浓度时,可形成胶束将PHE包裹在其中从而促进PHE在水溶液中溶解,进而促进PHE的降解。因此,将微生物所产生的生物破乳剂应用到PAHs的生物降解中,不仅能够有效地降解环境中的PAHs,同时不会造成二次污染。虽然生物破乳剂在含油废水处理方面得到了广泛的应用,但其在处理PHE污染环境中的应用研究尚浅。因此,研究生物破乳剂促进微生物对PHE的降解作用将为PHE污染环境的修复奠定理论基础,为其在环境污染治理方面,特别是在石油烃等污染环境的生物修复方面的实际应用提供理论依据。菌株LH-1能以PHE为唯一碳源产生物破乳剂,本研究以PHE作为目标污染物,考察LH-1的生长及对PHE的降解特性,利用origin 9.0软件通过非线性拟合对菌株LH-1的发酵、降解动力学进行研究;通过液相色谱与质谱联用(Liquid Chromatography-Mass Spectrometry,LC-MS)探究PHE的降解代谢途径;通过气相色谱与质谱联用(Gas Chromatography-Mass Spectrometry,GC-MS),β-半乳糖苷酶释放量测定菌株LH-1细胞膜的通透性等探究生物破乳剂对菌株LH-1细胞促进PHE降解的相关机制,主要研究结果如下:(1)本研究利用LC-MS方法鉴定不同培养时间菌株Achromobacter sp.LH-1细胞降解PHE的中间产物,最终得到18种产物,通过对这些代谢产物进行分析,发现菌株LH-1细胞可以多条途径降解PHE。其中除典型的水杨酸和邻苯二甲酸途径,PHE还可通过两种罕见的途径被降解。(2)对PHE降解菌Achromobacter sp.LH-1细胞发酵动力学进行研究,根据菌株LH-1发酵过程的特点,用Logistic方程、Luedeking-Piret方程和改良的Luedeking-Piret方程,建立菌株LH-1细胞发酵过程中细胞生长、底物降解和产物形成的动力学方程。采用Origin 9.0软件对所得数据进行拟合,得到菌株LH-1的分批发酵动力学各模型参数,模型预测值和实验值能较好地吻合。(3)研究了破乳剂对Achromobacter sp.LH-1细胞促进PHE降解的作用机制,发现NH4NO3浓度为5 g/L时,菌体培养7 d后其全培养液破乳率降低了80%以上,且细胞生长良好,说明菌株LH-1细胞破乳剂的产生受到了明显抑制。考察不同氮源浓度及外给破乳剂对菌株LH-1对细菌吸附和降解PHE的影响,结果表明在培养7 d后,PHE的降解率分别达81.46%、94.02%、96.06%,PHE的最大吸附率为40.17%、32.81%、60.01%。加低浓度氮源(1g/L NH4NO3),低浓度氮源(1g/L NH4NO3)和破乳剂(40 mg/L)时菌株LH-1细胞表面疏水性(CSH)最大值分别是添加高浓度氮源(5 g/L NH4NO3)的3.07和3.93倍。以菌株LH-1邻硝基苯基-β-D-吡喃半乳糖苷(ONPG)的释放量评估破乳剂对菌株LH-1细胞膜通透性的影响。实验证明加低浓度氮源(1 g/L NH4NO3),低浓度氮源(1 g/L NH4NO3)+破乳剂(40 mg/L)时菌株LH-1β-半乳糖苷酶释放量最高为加高浓度氮源(5 g/L NH4NO3)的1.75倍和2.08倍。
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