兩株優(yōu)勢菌對多環(huán)芳烴的降解機理研究.pdf

1、多環(huán)芳烴(polycycli aromatic hydrocarbon,PAHs)是環(huán)境中普遍存在的一類具有“三致”作用的污染物，主要來源于石化產(chǎn)品的不完全燃燒和利用。隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展，多環(huán)芳烴對環(huán)境的污染日益嚴重。目前各國科學(xué)工作者普遍認為，微生物降解法是去除環(huán)境中多環(huán)芳烴的最有效途徑。實驗室在前期工作中，以長期被焦化廢水污染的污泥為優(yōu)良菌源、利用平板劃線分離法篩選出一批可有效降解蒽、菲、芘的多環(huán)芳烴優(yōu)勢降解菌。
　　

2、本文以實驗室保存的兩株多環(huán)芳烴優(yōu)勢降解苗----黃桿菌CN4和芽胞桿菌CN2為研究對象，研究了兩株菌的生物降解特性、生物降解動力學(xué)特征、生物降解過程中產(chǎn)生的中間產(chǎn)物、微生物的產(chǎn)酶特征、酶促降解特性及酶促降解動力學(xué)特征；對兩株菌降解PAHs的生物降解和酶促降解影響因素進行了分析比較；討論了菌體降解動力學(xué)和酶促降解動力學(xué)的區(qū)別與聯(lián)系。研究結(jié)果對深入理解多環(huán)芳烴的生物降解機理及加速環(huán)境中多環(huán)芳烴的去除提供了一定的理論基礎(chǔ)。論文采用培養(yǎng)基擴大培

3、養(yǎng)法獲取兩株菌的菌懸液，利用紫外光度法研究了影響多環(huán)芳烴在水相中生物降解的環(huán)境因素、不同碳源培養(yǎng)條件下收集的菌體對多環(huán)芳烴的降解影響及微生物降解動力學(xué)特征。研究結(jié)果表明，在MSM培養(yǎng)基中單獨以葡萄糖作為碳源，以及以葡萄糖和芘作為共同碳源進行CN4菌、CN2菌培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)共同碳源培養(yǎng)條件下得到的菌體對多環(huán)芳烴的降解效果更好。以蒽的降解為例，利用共同碳源培養(yǎng)基培養(yǎng)48h后的CN4菌對多環(huán)芳烴進行降解，反應(yīng)120h后，蒽的去除率為57.4％，是

4、相同條件下以葡萄糖為單一碳源時降解效果的1.5倍；利用共同碳源培養(yǎng)96h的CN2菌進行降解反應(yīng)72h后，蒽的去除率達到70％，是以葡萄糖為單一碳源時降解效率的1.8倍。CN4菌降解多環(huán)芳烴的最適pH為5，在pH=5時，CN4對蒽、菲、芘的去除率分別為27.6％、33.5％、26.4％；CN2菌降解多環(huán)芳烴的最適pH為6，在pH=6時，CN2對蒽、菲、芘的去除率分別為33.5％、46.5％、36.5％；pH為5-7時，兩株菌對多環(huán)芳烴的降

5、解效果較好；在堿性條件下兩株菌對多環(huán)芳烴的降解受到抑制；在菌量為1.0×107CFUs·mL-1、當(dāng)體系中蒽、菲、芘濃度超過200mg/L時，降解反應(yīng)受到抑制；在相同菌量及最佳pH條件下，CN2菌對同種PAH的降解效果優(yōu)于CN4菌。分別利用吹掃捕集進樣-GC/MS法、液液萃取-GC/MS法及紅外光譜法分析了CN4菌、CN2降解菲的中間產(chǎn)物。并根據(jù)中間產(chǎn)物對多環(huán)芳烴的降解途徑進行了推測。結(jié)果表明，黃桿菌CN4菌降解菲時，產(chǎn)生香豆素、鄰苯二

6、甲酸甲酯、苯乙烯酸、羥基萘酸、原兒茶酸、二氫酵菲、菲二醇等中間代謝物質(zhì)，芽孢桿菌CN2降解菲的中性部分中，主要檢測到的中間產(chǎn)物包括鄰苯二甲酸甲酯和菲醌類物質(zhì)。根據(jù)降解時有菲二醇或菲醌產(chǎn)生可推測兩種菌在降解菲時，都是首先通過雙加氧酶的作用在芳環(huán)上加氧，然后發(fā)生環(huán)裂解反應(yīng)生成有機羧酸類物質(zhì)，最終生成CO2和水；黃桿菌CN4代謝菲時，通過雙加氧酶的作用產(chǎn)生菲二醇類物質(zhì)，最終發(fā)生環(huán)裂解反應(yīng)生成原兒茶酸進行進一步的代謝；而芽孢桿菌CN2代謝菲時，

7、通過雙加氧酶的作用產(chǎn)生菲醌，然后形成鄰苯二甲酸甲酯物質(zhì)進行代謝。中間產(chǎn)物的不同說明兩株菌中存在著不同的酶系。對兩株菌所產(chǎn)活性酶進行了定位，確定了兩株菌所產(chǎn)活性酶為胞內(nèi)酶。并確定了用超聲波破碎法獲得胞內(nèi)酶的工藝。超聲波破碎法提取酶的條件為：破碎功率為260W，最大不超過250W。破碎總時間為15min，工作/間隙時間為30s/30s。利用紫外光度法研究了水相中多環(huán)芳烴酶促降解的動力學(xué)特性。研究結(jié)果表明，兩株菌所產(chǎn)酶降解PAH的最佳pH條件

8、為弱酸性至中性(5.0～7.0)，最適溫度為32℃，在30℃～35℃之間胞內(nèi)酶保持較高的降解活性，反應(yīng)溫度超過50℃時，蛋白酶迅速失活。在最適pH和溫度條件下，同種酶對不同濃度的相同底物酶促反應(yīng)的表觀反應(yīng)級數(shù)基本相同。CN2酶促降解體系中，蒽、菲、芘的平均表觀反應(yīng)級數(shù)分別為0.933，0.995，0.93; CN4酶促降解體系中，蒽、菲、芘的平均表觀反應(yīng)級數(shù)分別為0.93，0.76，0.958。一定條件下，CN4胞內(nèi)酶對蒽的降解速率大于

9、對菲的降解速率，對芘的降解速率最小：CN2胞內(nèi)酶對蒽和菲的降解速率基本相等，對芘的降解速率最小。研究了金屬離子對多環(huán)芳烴生物降解和酶促降解的影響。實驗結(jié)果表明Mn2+離子的投加能夠提高兩株菌對蒽、菲、芘的去除率。Ca2+的加入對兩株菌所產(chǎn)酶降解蒽、菲、芘均可起到促進作用。在外加Ca2+的濃度為0.5 mmol/L時，CN4所產(chǎn)胞內(nèi)酶對蒽、菲、芘的去除率分別為不加金屬離子時的1.3倍、1.9倍、1.8倍；CN2所產(chǎn)胞內(nèi)酶對蒽、菲、芘的去除