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《华南理工大学》 2011年
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氨基酸及碳纳米管对烷烃降解菌GS3C降解性能的影响和机理研究

吴仁人  
【摘要】:石油污染的微生物修复技术是利用微生物的新陈代谢作用减少存于环境中的石油类污染物,从而使这些物质部分或完全去除。与其它技术相比,它具有成本低、无二次污染、处理效果好、操作简单等特点。尽管微生物修复具有良好的应用前景,但在实际修复过程中,由于外界环境中营养物质含量较低或其它环境因素的影响,以致微生物生长速度较慢、代谢活性不高,造成修复时间长,效果不理想,难以满足实际的修复要求。采取何种手段来有效增加微生物活性从而增强其对石油污染物的降解能力已成为人们关心的热点问题。 本论文以正十六烷为石油烷烃生物降解的模型物,在以下几方面开展研究工作:(1)高效烷烃降解菌的驯化、筛选和鉴定;(2)降解菌降解特性的研究,以及初始底物浓度、pH值、盐度、重金属等因素对降解菌降解性能的影响;(3)氨基酸等营养物质的添加对降解菌降解性能的影响及其机理;(4)碳纳米管对降解菌降解性能的影响及其细胞毒性;(5)碳纳米管的环境化学行为及其细胞毒性的机理。 从广州石化受石油污染的土壤中分离出一株高效烷烃降解菌,命名为GS3C。根据该菌的生理生化特性及16S rRNA序列分析结果,鉴定为洋葱伯克霍尔德氏菌(Burkholderia cepacia)。降解性能和培养条件的影响因素实验表明,降解菌GS3C在4天内能将正十六烷从750mg/L降解至200mg/L以内,对柴油中的烷烃也有很好的降解效果。该菌适合生长于近中性的环境中,可在正十六烷浓度为75.8-18950mg/L的范围内正常生长,当盐度2%时该菌的降解性能受到抑制。低浓度的Cd~(2+)(9mg/L)对降解有一定的促进作用,当Cu~(2+) 200 mg/L时降解菌受到明显的抑制。添加500mg/L的酵母浸膏使正十六烷降解率由51.8%提高至99.5%(初始浓度750mg/L),明显促进了降解菌GS3C对烷烃的降解。以上实验表明降解菌GS3C有高效的降解性能和很强的环境适应能力。 有机碳源、氮源或维生素等营养物质对降解菌GS3C的降解性能无促进作用,仅有氨基酸的添加可提高该菌对正十六烷的降解,且仅有谷氨酸、脯氨酸、赖氨酸、缬氨酸、亮氨酸及苯丙氨酸为有效氨基酸。混合氨基酸的促进作用优于单一氨基酸。进一步研究可知,氨基酸的添加可提高降解菌GS3C细胞色素P450的浓度。随着氨基酸(苯丙氨酸)浓度的增高,细胞色素P450的浓度不断增强,即对正十六烷的末端氧化能力不断增强,从而促进正十六烷的降解。降解菌GS3C对正十六烷的降解效率与菌体内细胞色素P450浓度表现出明显的相关性(R~2=0.963),证明氨基酸通过促进细胞色素P450的活性从而提高降解菌的降解性能。 碳纳米管(10mg/L)的添加使降解菌GS3C的降解性能基本丧失,说明碳纳米管有一定的生物毒性。进一步研究可知,碳纳米管在还原型辅酶Ⅰ(NADH)存在的条件下4h内即不同程度的把质粒DNA解链成带切口的DNA。不同功能化碳纳米管对质粒DNA的解链强度为:共价功能化单壁碳纳米管非共价功能化单壁碳纳米管(SWNTs)。而在其它条件相同的情况下,羧基功能化单壁碳纳米管(SWNT-COOH)对质粒DNA的损伤能力要强于聚乙二醇功能化单壁碳纳米管(SWNT-PEG)。由此可知,若碳纳米管进入细胞体内将对细胞有一定的毒性作用。 碳纳米管可对质粒DNA造成损伤,主要因为它可作为电子转移中间体将NADH中的电子转移至O_2并生成超氧自由基(O_2~(·-)),不同功能化碳纳米管的电子转移能力为:共价功能化碳纳米管非共价功能化碳纳米管,主要原因为共价功能化使其表面sp~2结构的受损,以致造成Stone-Wales缺陷使其反应活性增大。但SWNT-COOH电子转移能力却高于共价功能化程度更深的SWNT-PEG,可能是由于SWNT-COOH结构中的羧基中的碳原子带一定量的正电荷,以致SWNT-COOH能捕获更多的电子。O_2~(·-)的生成速率与碳纳米管或NADH的浓度成正比,且NADH浓度的变化对O_2~(·-)生成速率的影响更为明显。由于O_2~(·-)的产生并不断积累,最终引起质粒DNA键断裂,造成了质粒DNA的损伤,从而使碳纳米管表现出细胞毒性。该研究为解释碳纳米管对降解菌GS3C降解性能的抑制作用机理提供了一定的理论基础。
【学位授予单位】:华南理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:X172

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【参考文献】
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