环糊精与典型持久性有机污染物的相互作用及对其生物降解的影响

【摘要】：持久性有机污染物是具有长期残留性、生物富集性、半挥发性和高毒性的疏水有机化合物。多环芳烃和有机氯农药作为典型的持久性有机污染物导致我国耕地土壤大面积污染,已经严重威胁到农业生产及生态安全。由于该类有机污染物的自降解难,使得其污染土壤的修复成为我国长期而艰巨的任务。微生物修复法因具有成本低、环境中长期存在,边污染边治理等优势,成为被优先选择的土壤修复技术。但微生物修复法至今仍没有成为主流的土壤修复方法,其中的一个关键难点是具有强疏水性的持久性有机污染物与土壤中的有机质紧密结合,导致其生物利用率极低。环糊精对疏水性有机污染物具有较强的包结能力,作为环境友好的增溶剂已经被尝试用于污染土壤的微生物修复。但该方法对包结污染物生物可利用性的改善程度却存在较大差别,使其很难在污染土壤的生物修复中推广使用。目前,对于环糊精促污染物分子生物降解机理的研究尚处于初步阶段。尤其是污染物分子在环糊精影响下是如何接触并穿越细胞膜进入胞内被降解尚不清楚。此过程是否对污染物的生物降解起到决定性作用也了解甚少。本论文通过关注细胞膜体系,结合理论模拟和实验方法,系统研究了不同环境下环糊精与污染物超分子识别、环糊精/污染物包结物的细胞膜接触动力特性及能量变化,阐释了环糊精促污染物分子生物降解的分子机制。具体研究内容如下:首先,采用分子对接方法初步考察了疏水空腔尺寸和衍生物基团种类对环糊精(α-CD,β-CD,γ-CD,HP-β-CD和SBE-β-CD)与典型多环芳烃(萘、蒽、菲、芘)结合方式和结合能力的影响。萘、蒽、菲的分子体积较小,与α-CD具有较好的空间匹配和更高的结合能。芘与β-CD的疏水空腔尺寸适合,产生更强的结合能力。HP-β-CD和SBE-β-CD对萘、蒽、菲及芘的吸附强于三种天然环糊精,表明侧链衍生物基团取代可增强环糊精与多环芳烃相互作用。相关结果与实验相一致,阐释了环糊精对多环芳烃分子水溶性的促进和生物降解速率的影响。其次,利用分子模拟和自适应偏向力加强取样方法,以β-CD和菲为体系,系统研究了环糊精促进多环芳烃污染物生物降解的分子机理。通过模拟β-CD和菲单体及包结物与细胞膜的界面接触和穿膜过程,阐述了环糊精在促菲生物降解过程中的“载体”角色。β-CD/菲包结物经水相向细胞膜迁移,可稳定吸附于细胞膜表面。跨膜自由能曲线表明,环糊精及其包结物跨膜具有较大能垒,较难自发发生。菲在细胞膜上与环糊精分离,独自进入胞内被降解。相关结果强调了细胞膜对环糊精促污染物生物降解过程的重要作用。再次,以天然环糊精(α-CD,β-CD,γ-CD)和滴滴涕(DDT)分子为体系,结合分子模拟与生物降解实验,探索了疏水空腔尺寸影响环糊精促污染物分子生物降解的机理。实验结果表明,α-CD促进DDT生物降解,而β-CD和γ-CD不具有相同效果。模拟结果阐释了三种天然环糊精与DDT水相超分子识别过程。α-CD的疏水空腔较小,局部包裹DDT分子,形成同时具有亲水和疏水表面的两性包结物。β-CD和γ-CD的疏水空腔较大,完全包裹DDT分子,形成全亲水性包结物。两性包结物通过较强的细胞膜界面吸附允许复合物中DDT与细胞膜的直接接触。而亲水包结物与细胞膜吸附较弱,不利于DDT与细胞膜的接触。上述结果揭示了疏水空腔尺寸通过改变污染物结合方式进而影响其生物降解的分子机制。最后,以SBE-β-CD、HP-β-CD和菲为体系,研究了衍生物基团影响环糊精促污染物溶解度和生物降解的机制。生物降解实验已显示,SBE-β-CD在促进菲水溶性和生物降解效果上远优于HP-β-CD。模拟结果表明此差异来自于离子化衍生物基团和羟基化衍生物基团截然不同的动力学特性。离子化带电磺丁基衍生物基团因同种电荷相互排斥作用而减少分子内侧链交联,保持环糊精疏水空腔的开放形态,有利于菲的吸附。羟基化羟丙基衍生物基团长度较短且富集氢键位点和疏水甲基,易导致分子内缠绕堵塞疏水空腔,阻碍菲的吸附。此结果阐释了衍生物基团动力学特性对环糊精促污染物分子生物降解的直接影响。综上,本论文关注了水相和细胞膜体系,系统研究了环糊精促污染物生物降解的机理、环糊精与污染物的水相超分子识别、环糊精/污染物包结物在细胞膜界面上的动力学特性和能量变化。阐述了环糊精促污染物生物降解的分子机制,强调了细胞膜、疏水空腔尺寸和衍生物基团对此过程的重要影响。相关结果加深了对环糊精促环境污染修复的理解,并为环糊精的分子改造和合理应用提供了理论基础。