铜绿假单胞菌对十溴联苯醚生物降解特性与机理研究

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多溴联苯醚(PBDEs)是一类环境中广泛存在的全球性有机污染物。由于其具有环境持久性、远距离传输、生物可积累性及对生物和人体有毒害效果等特性,因此对其环境问题的研究已成为当前环境科学的一大热点。目前,对于PBDEs降解的研究主要使用物理和化学方法,研究对象多为低溴代联苯醚类物质,而对于高溴代联苯醚类物质的微生物降解报道较少。鉴于此,本论文采用好氧微生物法对PBDEs中的十溴联苯醚(BDE-209)进行降解,探讨了铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)降解BDE-209的主要机理,同时开展了重金属复合污染物共存条件下BDE-209的微生物降解研究。本论文所开展的研究工作和研究结果主要包括以下几个方面:  (1)P.aeruginosa对BDE-209有良好的降解效果,外加碳源有利于菌体对BDE-209的降解,其中葡萄糖的促进作用最明显,降解率提高了29.7%。溶液pH、温度、投菌量、处理时间、外加碳源浓度等是影响P.aeruginosa降解BDE-209的重要因素。经响应面法优化反应条件后,得到的最佳处理条件为:葡萄糖浓度5 mg·L-1,降解时间120 h,初始pH7.2,处理温度30℃,投菌量2 g·L-1。在最佳反应条件下P.aeruginosa对1 mg·L-1BDE-209的降解率达到了57.4%。  (2)P.aeruginosa降解BDE-209起主要作用的酶为胞内酶。该菌株胞内酶在12h内对1 mg·L-1的BDE-209降解率达到了69.2%,温度、pH值、酶蛋白浓度及底物BDE-209浓度均会影响胞内酶粗提液对BDE-209的降解效率。当BDE-209浓度为1 mg·L-1时,BDE-209适宜的酶促降解条件为:温度30℃,反应pH值7.5,且降解率随着酶浓度的增加而增大。胞内酶对BDE-209的降解过程吻合一级动力学方程模型,底物浓度为1 mg·L-1时降解速率最快,半衰期为6.9 h。胞内酶降解BDE-209符合高浓度底物抑制的酶促反应类型,其基本降解动力学参数为rmax=0.133 mg·(L·h)-1,Km=0.642 mg·L-1,Ki=1.558 mg·L-1。由于BDE-209的难溶解性,BDE-209酶降解速率与酶浓度的关系符合非均相酶促动力学模型。  (3)研究了重金属镉对P.aeruginosa降解BDE-209的影响。结果表明,低浓度Cd2+(≤1 mg·L-1)促进菌体对BDE-209的降解,而高浓度Cd2+(≥5 mg·L-1)的存在对菌体降解BDE-209起抑制作用。进一步探讨了造成这一结果的原因:低浓度Cd2+的存在能够通过改变P.aeruginosa胞外多糖(EPS)量和生物表面活性剂产生量来影响菌体细胞表面疏水性(CSH),进而影响菌体对BDE-209的吸附能力,最终促进其对BDE-209的降解;同时,低浓度Cd2+还能够影响菌体细胞膜电位,增强其细胞质膜通透性,从而使更多的BDE-209进入菌体被胞内酶降解。与低浓度Cd2+的作用机理不同,高浓度Cd2+的加入影响了菌体细胞过氧化氢酶、超氧化物歧化酶和ATPase活性,导致菌体活性和新陈代谢能力减弱,从而抑制其对污染物的降解。  (4)利用GC-MS对降解产物进行分析可知,P.aeruginosa降解BDE-209的主要生物转化机理是脱溴。主要的降解产物有2种九溴代联苯醚(BDE-207,BDE-208),4种八溴代联苯醚(BDE-196,BDE-197,BDE-202,BDE-203)和1种七溴代联苯醚(BDE-183)。通过对生成的降解产物进行定量分析发现,P.aeruginosa对BDE-209的脱溴作用主要发生在间位和对位。离子色谱实验表明,P.aeruginosa降解BDE-209的过程中有Br-产生,其产生量与BDE-209的降解量有较好的负相关性,但低于通过理论计算所得的Br-产生量。  (5)研究了Cd2+对菌体降解BDE-209中间产物的影响。结果表明,Cd2+只是对降解产物产生量有影响,而并未改变降解产物的种类,这说明Cd2+的存在没有改变该菌株降解酶的种类,只是通过改变菌体自身性质和活性来影响其对BDE-209的降解。
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