鼠李糖脂协调石油烃类污染物生物降解的机制研究

发布时间：2020-08-19 16:42

【摘要】：能源的大量开采和工业的飞速发展导致了严重的石油烃类污染,为人体健康和生态环境带来了巨大的危害,已经引起人们的广泛关注。生物修复技术在污染物的环境治理方面具有很高的生态意义,但石油烃的强疏水性促使它们通常以非水相液体的形式存在,使得生物修复过程缓慢、效率较低。生物表面活性剂在促进疏水性有机物污染的生物修复中起到了重要作用,但目前关于生物表面活性剂协调石油烃类污染物生物降解的作用机制方面的研究还不多。本文以鼠李糖脂为典型代表,系统的研究了其对菌体细胞表面疏水性影响的作用机制,考察了该生物效应对石油烃生物降解的影响;还开展了鼠李糖脂的增溶作用对石油烃生物降解的影响。在此基础上,本文还考察了多种形态的正十六烷的生物降解,深入的探究鼠李糖脂的增溶作用与石油烃生物可利用性之间的关联。这些工作为生物表面活性剂在石油烃污染的生物修复中的高效应用提供了理论指导。本文的具体研究工作及成果包括以下4个部分的内容:第1部分介绍了鼠李糖脂的纯化方法和低于临界胶束浓度(CMC)浓度下鼠李糖脂/烷烃聚集体的形成。首先,利用柱层析和薄层色谱法纯化了鼠李糖脂的粗成品,得到了单鼠李糖脂和二鼠李糖脂两种产品,采用高效液相色谱-质谱联用法进行成分鉴定。结果显示单鼠李糖脂的主要成分为RhaC_(10)C_8、RhaC_(10)C_(10)、RhaC_(10)C_(12),二鼠李糖脂中仍含有单糖脂RhaC_(10)C_(10)。该研究结果表明,柱层析技术用于鼠李糖脂的深度提纯有较好的效果。烷烃的水相分配数据结果显示,低于CMC的单鼠李糖对正十六烷表现出增溶作用,利用冷冻透射电镜观察发现该浓度溶液中也有聚集体的形成。第2部分在先前的研究基础上考察了鼠李糖脂处理P.aeruginosa CCTCC AB93066细胞表面后,菌体对单独相和胶团化正十六烷的降解情况,以更好的了解鼠李糖脂的生物效应对烷烃类污染物生物降解的影响。在降解实验中,选用了不同浓度的鼠李糖脂处理菌体表面。结果显示,1 CMC的鼠李糖脂处理对菌体的生长有微弱的抑制作用,而10 CMC鼠李糖脂的处理加速了单独相正十六烷的生物降解。后者可能是鼠李糖脂增强了正十六烷的界面吸收或细胞表面的通透性的缘故。但是,不管菌体是否经过鼠李糖脂处理,都不能降解10 CMC鼠李糖脂增溶的正十六烷,说明胶团化形态的正十六烷不能被该菌体摄取和降解。这些结果对评估鼠李糖脂生物表面活性剂在石油烃污染修复应用中具有重要意义。在第3部分中,研究了P.aeruginosa ATCC 9027对鼠李糖脂、辛烷酚乙酯(Triton X-100)或十二烷基苯磺酸钠(SDBS)增溶态正十六烷的降解,探讨表面活性剂增溶作用对烷烃生物降解的影响。5 CMC浓度表面活性剂对正十六烷的增溶能力大小为Triton X-100鼠李糖脂SDBS。鼠李糖脂存在的培养基中,正十六烷的降解和菌体生长速率明显提高,表明鼠李糖脂的增溶作用促进了正十六烷的生物降解。而化学表面活性剂Triton X-100的生物降解促进了菌体的生长,却延缓了细胞对正十六烷的摄取。SDBS增溶的正十六烷的生物降解性反而低于单独相的正十六烷,说明其增溶作用不利于正十六烷的生物降解,这可能是由于SDBS在水-有机污染物的界面上产生了屏障作用。从结果中可以推断出,利用表面活性剂提高石油烃有机污染物的表观溶解度并不一定能够促进其生物降解。在第4部分中,采用以鼠李糖脂增溶态、单独相和多相形态正十六烷作为碳源的液体培养体系,深入地探究了鼠李糖脂增溶作用对正十六烷生物可利用性的影响。实验结果显示,P.aeruginosa ATCC 9027,一种鼠李糖脂生产菌,对鼠李糖脂增溶的正十六烷的摄取高于单独相的正十六烷,说明鼠李糖脂的增溶作用提高了正十六烷的生物可利用性。对于P.putida CICC 20575,一种不产生但降解鼠李糖脂的假单胞菌,对鼠李糖脂增溶态和多相状态正十六烷的摄取均低于单独相形态的正十六烷。结果表明,鼠李糖脂增溶作用对正十六烷的生物可利用性的影响取决于细菌与鼠李糖脂的相容性。该研究进一步深化了疏水性有机化合物(HOCs)和生物表面活性剂的相关认知,对生物表面活性剂在生物修复中的应用具有重要意义。
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X74;X172
【图文】：

鼠李糖脂,铜绿假单胞菌,同系物,生物表面活性剂

醇。生物表面活性剂的临界胶束浓度通常在 1~200 mg/L 范围之内，则为 500~1500 Da[49]。相比大量使用的合成型表面活性剂，高度的专一降解性和生物相容性等这些明显的优势使得生物表面活性剂具有很高的。例如，在表面活性剂增溶萘的对比实验中，Rhodococcus species 413A脂类生物表面活性剂的毒性明显低于 Tween 80[11]。据报道，生物表面活现更高的表面活性和乳化性能[50]。.2 鼠李糖脂鼠李糖脂是研究最为广泛的一类阴离子型生物表面活性剂。它由 L-鼠水性的头基）和 β-羟基脂肪酸基团（疏水性的尾链）组成[51, 52]。1949 is 等人[53]从铜绿假单胞菌胞外分泌物中观察到鼠李糖脂的存在，这也是李糖脂的首次报道。目前，已发现 60 余种鼠李糖脂的同系物[54]。辨别物主要是通过脂肪酸基团的饱和度和链长之间的差异[55]。大量研究发现养生成的鼠李糖脂，其组成和产量取决于发酵罐装置参数，发酵液 pH 成分，基质和温度[11]。

原理图,脂多糖,鼠李糖脂,原理图

鼠李糖脂协调石油烃类污染物生物降解的机制研究的 KDO 含量恒定，即可以通过脂多糖和 KDO 间的比例关系计算微生物细胞的脂多糖含量。对于革兰氏阴性菌细胞外膜脂多糖的提取，实验室多采用物理、化学法等较温和的手段破坏脂多糖与细胞壁间的结合，尽可能保证脂多糖结构性质完整；之后再利用一些方法去除杂质提取之多听。现阶段较多采用酚水法。

鼠李糖脂,亲水,方向性,细胞表面

吸附于细胞表面的鼠李糖脂的方向性决定了 CSH 的变化趋势[122]。如图1.3 所示，羧基官能团/鼠李糖与细胞表面极性结构（如脂多糖的 O-抗原部分）间的相互作用可能引起鼠李糖脂在细胞表面吸附的发生，从而增强 CSH，这些相互作用力主要包括氢键、偶极、静电或短程力。另一方面，细胞表面的非极性结构（如脂质和部分蛋白）与鼠李糖脂的疏水性尾链间的疏水性作用力和范德华力也能够促使鼠李糖脂吸附作用的发生，从而降低 CSH。换言之，微生物细胞在疏水或亲水性界面的黏附行为可以简述为：鼠李糖脂的疏水（或亲水）基团与具有相对较高（或低）的 CSH 的微生物细胞接触，使得鼠李糖脂的亲水（或疏水）基团暴露于环境中，从而降低（或增强）菌体的 CSH。从本质上讲，鼠李糖脂的方向性即鼠李糖脂单体的一个部位与细胞表面化学基团间产生相互作用，引起鼠李糖脂相反极性部位在环境中的暴露。图 1.3 鼠李糖脂在微生物细胞表面的方向性Figure 1.3 Orientation of rhamnolipids at cell surface of microorganisms方向性模型倾向于根据细胞表面情况将疏水区转化为亲水区或将亲水区改变为疏水区。已有许多研究报道了鼠李糖脂在细胞表面的吸附可以改变 CSH。Zhao等人[123]测定了 Bacillus subtilis BUM 的初始 CSH 为 73.5%，添加鼠李糖脂后，随着鼠李糖脂在细胞表面吸附量的增加 CSH 开始明显下降。对于相对呈现亲水性的Pseudomonas aeruginosa

【相似文献】