Tween 80约束的多环芳烃功能菌降解特性研究

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多环芳烃(Polycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs)是一类具有致畸致癌致突变特性的持久型有机化合物,人类的生产生活导致PAHs在环境介质中的普遍存在。PAHs易富集于土壤中,并通过食物链对环境安全和生态健康构成巨大威胁。PAHs污染土壤洗脱-生物联合修复技术因其快速高效、工艺灵活及成本低廉、环境友好而被广泛推行和应用。因此,一方面,筛选高效降解菌是提高PAHs降解效率的重要前提;另一方面,在高浓度淋洗剂(表面活性剂)共存的PAHs生物降解体系中,由于表面活性剂特定的理化性质及其对微生物代谢行为的约束,PAHs生物降解效能对表面活性剂赋存的响应特性等研究也至关重要。本论文在筛选分离一株PAHs高效降解菌(SZ-3)的基础上,结合组内保藏的菌株B6-2(兄弟院校课题组赠予)和CW-D3T(来源于中国典型培养物保藏中心)。以Tween 80(TW 80)为典型表面活性剂,以菲、荧蒽和芘为目标污染物,对比了表面活性剂不同赋存浓度约束下各功能菌对PAHs的降解效能,以及不同微生物细胞表型特征与代谢活性的响应特性。论文主要研究内容和结果如下:(1)PAHs特征降解菌的分离纯化及鉴定从钢铁厂附近土壤中纯化分离出1株PAHs降解菌,命名为SZ-3。通过系列分子生物学方法,鉴定菌株SZ-3为节杆菌属(Arthrobacter)。Gen Bank登录号为OL780824,已送中国典型培养物保藏中心(专利保藏号为CCTCC M 2022207)。(2)不同浓度TW 80约束下不同功能菌对PAHs的生物降解特性本研究TW 80约束的浓度(0~2000 mg/L)范围内,未发现对各功能菌的生长抑制,且该浓度范围内TW 80浓度与菲、荧蒽和芘在液相中浓度呈现良好的线性关系,各浓度条件下TW 80对各PAHs化合物表现出良好的增溶效应,三种PAHs溶解于液相中的浓度大小为菲>荧蒽>芘。SZ-3菌株对PAHs目标化合物具有良好的降解效果,尤其是对高环的荧蒽和芘。在反应周期内(30 d),不添加TW 80体系中,SZ-3对各PAHs降解率为70.51%、49.90%和45.04%,添加500 mg/L的TW 80使SZ-3对三种PAHs的降解效果均表现为明显的促进作用,分别提高了29.66%、9.46%、12.7%;而对于B6-2和CW-D3T添加500 mg/L的TW 80仅表现为对低环菲的促进降解(促进效果分别为9.1%和11.1%),对高环荧蒽和芘的降解表现出轻微抑制。TW 80浓度分别为500、1000、2000 mg/L的PAHs降解体系中,随着TW 80浓度的增加,30 d时三株菌对TW 80的降解率也随之增加,其中SZ-3对降解体系中TW 80的降解率相对最高,CW-D3T对三种浓度TW 80的利用去除范围仅为21%~25%。此外,各功能菌主要在反应周期的前5 d优先大量利用TW 80作为碳源进行增殖。(3)不同浓度TW 80约束下功能菌细胞表型特征SZ-3、B6-2和CW-D3T分别属于中等亲水性、高度疏水性和中等亲水性细菌。当TW 80浓度为0~2000 mg/L时,SZ-3和CW-D3T细胞表面疏水性(CSH)均不同程度地提高,且TW 80浓度为500 mg/L时,两株菌CSH值较高。各浓度TW 80处理后,B6-2菌的CSH值均降低,2000 mg/L TW 80时B6-2菌的CSH值降低了49.23%。随着TW 80浓度升高,TW 80对功能菌释放β-半乳糖苷酶的促进作用逐步增强,说明细胞膜的通透性逐渐增加;同时结合细胞表面官能团及菌株表观扫描电镜图片分析,随着TW 80浓度的增加,各菌株的细胞膜结构也逐步受到破坏,不利于维持细胞膜的正常功能,但SZ-3的细胞表面完整性相比SZ-3和CW-D3T保持地更好,可能SZ-3作为革兰氏阳性菌,其细胞壁较致密,对外界环境的抗性更高。(4)不同浓度TW 80约束下功能菌的细胞活性TW 80可以作为碳源促进功能菌生长,批次反应体系中,降解菌的增殖量随着TW 80浓度的增加而增加,菌株代谢活性(ETSA)也随着TW 80浓度升高而升高。3株功能菌的ETSA值为SZ-3>B6-2≈CW-D3T,与其对PAHs降解率的差异(30d时)一致。在不同浓度TW 80条件下,三株降解菌的邻苯二酚1,2-双加氧酶活性与其在不同浓度TW 80约束下对PAHs降解特性具有较好的一致性,说明该酶是本实验中三株功能菌降解PAHs的关键酶,酶活性的大小能直接反应功能菌对PAHs的降解能力。适宜浓度TW 80能够通过增溶、改变细胞表型特征及代谢活性等各方面的综合效应来提高PAHs降解菌的关键降解酶活,进而提高PAHs的降解效果。本论文研究受国家自然科学基金(项目号:52070138)资助支持,研究典型表面活性剂共存体系中微生物对PAHs的降解特性,追踪细胞表型特征与胞内代谢活性变化,为促进PAHs生物修复提供可靠性调控手段,并可为开发高效、可控微生物强化去除疏水态持久性有机物修复方法提供基础理论支撑,具有一定的实际意义。
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