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鼠李糖脂的菌体吸附及其对菌体表面的改性作用研究

作　者: 钟华
导　师: 曾光明；黄国和
学　校: 湖南大学
专　业: 环境工程
关键词: 疏水性有机污染物生物表面活性剂鼠李糖脂菌体亲水疏水性吸附
分类号: X53
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

在土壤修复中,生物表面活性剂强化疏水性有机污染物生物降解的方式之一是通过增强微生物菌体的表面疏水性,促进土壤液相中微生物菌体和有机污染物的直接接触而加快污染物的降解。但是对于生物表面活性剂与微生物之间的作用方式以及在生物表面活性剂作用下菌体表面性质的变化规律尚未明了。本论文系统地研究了生物表面活性剂鼠李糖脂在微生物菌体表面的吸附行为以及因吸附引起的菌体表面亲水疏水性的变化规律,并考察了吸附对于菌体降解不同性质碳源的影响。首先通过铜绿假单胞菌的好氧发酵培养产生了生物表面活性剂鼠李糖脂,并对它进行了酸沉降分离和柱层析提纯,得到了纯化的鼠李糖脂单糖脂和二糖脂,液质联用结果表明,这两种鼠李糖脂均含有三种主要成分。它们被用作后续实验。接下来考察了制取的鼠李糖脂单糖脂和二糖脂在pH中性附近无机盐溶液中的聚集行为,作为其微生物吸附研究的基础。结果显示,单糖脂和二糖脂在pH6.5的无机盐溶液中的临界胶束浓度CMC分别为75μM和106μM。两种糖脂在浓度低于CMC和高于CMC时均能形成聚集体,但其粒径及分布有差别。对于两种糖脂,在低于CMC时聚集体粒径有随浓度的增高而减小的趋势,而从粒径分布看,浓度在低于CMC和高于CMC时,随之升高均有大粒子向小粒子转化的趋势。pH的升高使得两种糖脂的聚集体粒径都有所减小,且使大粒径聚集体向小粒径转化。聚集体的粒径由鼠李糖脂分子之间结合紧密程度和表面电荷性质决定,二糖脂聚集体表面zeta电位的变化反映了这一点。然后分别研究了包括鼠李糖脂二糖脂在内的五种不同性质的表面活性剂在一株铜绿假单胞菌表面吸附的动力学和热力学规律、鼠李糖脂二糖脂在四种微生物不同生理状态下的菌体上的吸附规律、以及鼠李糖脂单糖脂和二糖脂在两株铜绿假单胞菌菌体上的吸附规律,且在每个吸附研究中均考察了菌体表面亲水疏水性的变化,目的在于从吸附质和吸附剂的角度深入揭示吸附规律和探讨吸附机理,并找到吸附与菌体表面亲水疏水性变化的关联。第一个吸附研究的结果显示,五种表面活性剂在铜绿菌体上的吸附符合二级动力学规律,而等温吸附规律与Freundlich方程符合较好,吸附强弱与表面活性剂分子的结构和大小密切相关。表面活性剂分子和菌体表面之间的作用方式以静电作用等极性作用为主,除SDS外表面活性剂的吸附使菌体表面的疏水性增强。第二个吸附研究的结果显示,鼠李糖脂在菌体表面的吸附性质不仅因菌体种类的不同而不同,且与菌体的生理状态也密切相关,如对于铜绿假单胞菌CCTCC AB93072、枯草芽孢杆菌CCTCCAB93108和解脂假丝酵母CCTCC AY92044对数期菌体的吸附能力强于静止期菌体,而枯草芽孢杆菌N1则反之。在测试浓度范围内,鼠李糖脂在多数菌体上发生了二次吸附,认为是胶团吸附造成;而具有不同脂肪链长的鼠李糖脂成分也表现出了吸附差别。吸附使菌体表面亲水疏水性有规律地变化,但变化方向和幅度取决于菌体种类及表面活性剂浓度。低浓度鼠李糖脂的吸附效果要更为显著,推测鼠李糖脂单分子在菌体表面的定向排列是改变菌体表面亲水疏水性的主要模式。第三个吸附研究则表明,鼠李糖脂亲水基结构的差别对它在铜绿假单胞菌表面的吸附影响较大,单糖脂的吸附比二糖脂显著;虽同属铜绿假单胞菌,菌株的差别也会引起吸附性质的不同,二糖脂在其产生菌上的吸附相对较弱,且在高浓度时该菌反而额外释放了二糖脂。生长所用碳源的不同对菌体吸附鼠李糖脂的性质影响不大。鼠李糖脂单糖脂和二糖脂的吸附均使菌体表面由亲水变得更加疏水,且二糖脂的效果更加明显。最后考察了两种鼠李糖脂对正十六烷的增溶作用及单糖脂的吸附对一株铜绿假单胞菌降解葡萄糖、鼠李糖脂胶团化的正十六烷以及单独相正十六烷的影响。结果显示,鼠李糖脂单糖脂在浓度低于CMC和高于CMC时对正十六烷具有不同的摩尔增溶比,而二糖脂在整个浓度范围内对正十六烷的摩尔增溶比一定。低浓度单糖脂的吸附对菌体降解葡萄糖和单独相正十六烷有抑制作用,而高浓度单糖脂的吸附对菌体降解葡萄糖无影响,对降解单独相正十六烷有促进作用。吸附和未吸附单糖脂的菌体在实验时间范围内均不能降解高浓度单糖脂胶团化的正十六烷,表明此胶团中的正十六烷对该铜绿菌体不具有生物可利用性,尽管扫描电镜检测表明正十六烷胶团在菌体上发生了吸附。本论文研究揭示了生物表面活性剂鼠李糖脂的微生物吸附规律,并证实了它改变菌体表面亲水疏水性的作用。由于该作用在很低的表面活性剂浓度下就能发生,因此增加了生物表面活性剂经济有效地应用于土壤修复,特别是添加外源菌种的原位修复的可能性。进一步研究需要深入探讨生物表面活性剂与菌体表面化学结构的作用机理,以提高通过生物表面活性剂调节菌体表面亲水疏水性的可控性;另外需要考察改性菌体、土壤胶体和土壤污染物相互之间的作用关系,作为该技术的实际应用的基础。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-20
第1章绪论  20-56
  1.1 土壤环境中疏水性有机物污染和生物修复  20-32
    1.1.1 土壤中的疏水性有机污染物概述  20-23
    1.1.2 土壤中的疏水性有机污染物的生物降解和生物转化  23-27
    1.1.3 有机污染土壤的生物修复  27-32
  1.2 生物表面活性剂概述  32-41
    1.2.1 概念  32
    1.2.2 来源  32-35
    1.2.3 种类和结构  35-36
    1.2.4 物化性能和特性  36-39
    1.2.5 应用  39-41
  1.3 生物表面活性剂在有机污染土壤生物修复中的作用机制  41-54
    1.3.1 污染物的生物可利用性及其影响因素  41-46
    1.3.2 生物表面活性剂的作用机制探讨  46-54
  1.4 本研究课题的来源及主要研究内容  54-56
第2章鼠李糖脂的制取和表征  56-68
  2.1 前言  56
  2.2 材料和方法  56-58
    2.2.1 试剂  56
    2.2.2 微生物  56
    2.2.3 鼠李糖脂的产生、分离和纯化  56-57
    2.2.4 鼠李糖脂的HPLC-MS 鉴定  57-58
    2.2.5 鼠李糖脂二糖脂的二次纯化  58
  2.3 结果  58-67
  2.4 讨论  67
  2.5 小结  67-68
第3章低浓度鼠李糖脂在近中性溶液中的聚集行为  68-80
  3.1 前言  68-69
  3.2 材料和方法  69-70
    3.2.1 试剂  69
    3.2.2 鼠李糖脂单糖脂和二糖脂CMC 的测定  69
    3.2.3 鼠李糖脂单糖脂和二糖脂聚集物的粒径和表面zeta 电位的测定  69-70
    3.2.4 分析方法  70
  3.3 结果  70-77
    3.3.1 鼠李糖脂溶液的CMC  70-72
    3.3.2 鼠李糖脂聚集体的粒径分布  72-76
    3.3.3 鼠李糖脂二糖脂聚集体的表面zeta 电位  76-77
  3.4 讨论  77-78
  3.5 小结  78-80
第4章五种表面活性剂在铜绿假单胞菌表面的吸附及其对菌体表面性质的影响  80-91
  4.1 前言  80-81
  4.2 材料和方法  81-83
    4.2.1 试剂  81
    4.2.2 菌种  81
    4.2.3 吸附动力学实验  81-82
    4.2.4 等温吸附实验  82
    4.2.5 菌体在亲水和疏水表面上的吸附  82-83
    4.2.6 温度和离子强度对表面活性剂吸附的影响  83
    4.2.7 分析方法  83
  4.3 实验结果  83-87
    4.3.1 吸附动力学  83-84
    4.3.2 等温吸附线  84-86
    4.3.3 菌体在亲水和疏水性表面的吸附  86-87
    4.3.4 温度和离子强度对吸附的影响  87
  4.4 讨论  87-90
  4.5 小结  90-91
第5章鼠李糖脂在四种微生物菌体表面的吸附及其对菌体表面性质的影响  91-107
  5.1 前言  91-93
  5.2 材料和方法  93-95
    5.2.1 试剂  93
    5.2.2 微生物  93
    5.2.3 微生物的生长及菌体表面疏水性和静电性质  93-94
    5.2.4 鼠李糖脂在菌体上的吸附及菌体表面亲水疏水性和电性  94
    5.2.5 分析方法  94-95
  5.3 结果  95-103
    5.3.1 微生物的生长及其表面性质  95-96
    5.3.2 鼠李糖脂在菌体表面的吸附  96-103
  5.4 讨论  103-106
  5.5 小结  106-107
第6章鼠李糖脂在铜绿假单胞菌菌体表面的吸附及其对菌体表面性质的影响  107-117
  6.1 前言  107-108
  6.2 材料和方法  108-109
    6.2.1 试剂  108
    6.2.2 微生物  108
    6.2.3 鼠李糖脂在铜绿菌体上的吸附及菌体表面亲水疏水性  108-109
    6.2.4 铜绿菌体表面基团与鼠李糖脂分子的键合作用观察  109
    6.2.5 分析方法  109
  6.3 结果  109-114
    6.3.1 鼠李糖脂在铜绿细胞上的吸附及对菌体表面亲水疏水性的影响  109-113
    6.3.2 红外吸收光谱  113-114
  6.4 讨论  114-115
  6.5 小结  115-117
第7章鼠李糖脂在铜绿假单胞菌上的吸附对菌体降解不同性质碳源的影响  117-131
  7.1 前言  117-118
  7.2 材料和方法  118-121
    7.2.1 试剂  118
    7.2.2 微生物  118
    7.2.3 鼠李糖脂对正十六烷的增溶  118-119
    7.2.4 鼠李糖脂吸附处理的铜绿假单胞菌对不同形式碳源的降解  119
    7.2.5 铜绿假单胞菌对正十六烷的鼠李糖脂胶团的吸附  119-120
    7.2.6 分析方法  120-121
  7.3 结果  121-127
    7.3.1 鼠李糖脂对正十六烷的增溶  121
    7.3.2 鼠李糖脂的吸附对菌体降解不同形式碳源的影响  121-124
    7.3.3 菌体吸附胶团的SEM 观察  124-127
  7.4 讨论  127-129
  7.5 小结  129-131
第8章结论和展望  131-134
  8.1 结论  131-133
  8.2 认识和展望  133-134
参考文献  134-151
附录A 攻读学位期间论文发表情况  151-153
附录B 攻读学位期间参与的著作  153-154
附录C 攻读学位期间参与的研究课题  154-155
致谢  155

鼠李糖脂的菌体吸附及其对菌体表面的改性作用研究

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