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不同介质环境中生物表面活性剂强化降解生物质的作用

梁运姗  
【摘要】:环境中大量存在的废生物质是一类难降解的有机物质,同时也是一种宝贵的可再生资源。强化废生物质的降解是加速废物资源化利用过程的重要环节,也是有效减缓环境中废生物质累积和污染的必要手段。自然界中生物质的降解大多依靠微生物作用来完成,表面活性剂的介入,可以促进微生物对有效降解酶的分泌,并改善降解体系的微环境,促进微生物的生长繁殖和代谢,从而使降解过程得到强化。生物表面活性剂作为表面活性剂的一种,与一般化学表面活性剂具有类似的结构,能够降低空气-水、油-水和固体-水的表(界)面张力。同时,由于生物表面活性剂具备低毒性、可降解性和生态相容性等诸多优势,被视为一种清洁而高效的“绿色试剂”,具有良好的应用前景。 本文对几种不同介质环境中生物表面活性剂强化降解生物质的作用进行研究,以堆肥体系难降解的木质纤维素生物质及污水污泥的堆肥化处理过程为例,在酶法降解、微生物降解及堆肥化处置过程中,通过引入生物表面活性剂,考察在典型的水介质环境、逆胶束介质环境、固态微生物发酵环境和复杂堆肥环境中,生物质降解过程的不同特征,并探讨生物表面活性剂对强化底物降解的作用。研究结果有助于深入了解生物表面活性剂在不同介质环境中的行为及界面效应原理,为生物表面活性剂在不同环境条件下的应用可行性提供科学依据,推动污染物强化降解及外源促进剂的技术发展。论文总体试验工作分为四个部分: 第一部分研究液态水介质环境中生物表面活性剂强化酶解纤维素生物质的作用。采用铜绿假单胞菌发酵生产生物表面活性剂鼠李糖脂,并将其应用于酶法降解纤维素生物质的过程,通过在低酶负荷条件下,添加单鼠李糖脂、皂角苷和Tween80表面活性剂进行对比,考察在稻草纤维素酶解转化过程中生物表面活性剂的优越性,证实在相同酶解反应条件下,生物表面活性剂单鼠李糖脂与Tween80和皂角苷相比具有更大的优势,能显著地缓解纤维素酶的失活过程,促进纤维素的转化;将生物表面活性剂鼠李糖脂二糖脂用于磁性固定化纤维素酶的制备,并将该固定化酶用于降解纤维素生物质,含生物表面活性剂的磁性固定化酶稳定性得到提高,能更有效地发挥酶的催化能力。 第二部分进行液态非水介质环境中生物表面活性剂强化酶解纤维素的可行性研究。首次将生物表面活性剂引入逆胶束酶反应系统,通过构建“鼠李糖脂/异辛烷/正已醇/水”逆胶束体系,并对其进行电导行为分析,获得最佳含水率(%)值条件,采用荧光探针罗丹明B(Rh-B)对表面活性剂在异辛烷/正己醇(1/1,v/v)溶剂中的临界胶束浓度(CMC)进行测定,在最佳W0条件下对纤维素模式物质进行酶法降解,与不同类型表面活性剂作用进行对比,研究结果表明阴离子表面活性剂SDS和鼠李糖脂的逆胶束体系最大增溶水量高于阳离子表面活性剂CTAB和非离子表面活性剂Tween80逆胶束体系,各表面活性剂在1倍CMC浓度下对纤维素酶解促进作用最强,并且同等条件下在逆胶束体系中的酶解效率高于相应水介质体系中的酶解效率,生物表面活性剂鼠李糖脂所构建的逆胶束体系在各浓度条件下对酶解过程的促进作用均优于CTAB、SDS和Tween80这3种化学表面活性剂所构建的逆胶束体系。 第三部分对固-液介质环境中生物表面活性剂强化降解生物质的作用进行研究。采用白腐菌典型代表菌种黄胞原毛平革菌(Phanerochaete chrysosporium)对固态发酵介质环境中稻草木质素进行降解,在生物表面活性剂二鼠李糖脂的介入下,P. chrysosporium的生长得到促进,同时,二鼠李糖脂对木素过氧化物酶(LiP)活性的保持以及水溶性有机碳(WSOC)的释放起到促进作用,在浓度为0.007%的二鼠李糖脂作用下,LiP活性最大值提高86%,木质素降解率提高54%,经方差分解分析(VPA)统计显示,0.007%二鼠李糖脂对该生物除木质素过程的强化作用具有显著性;通过在剩余污泥静态强制通风好氧堆肥过程中添加鼠李糖脂,对该堆肥化过程的物理化学参数的变化、微生物菌群动态和毒理学指标进行监测,考察了鼠李糖脂对污泥堆肥过程的强化作用,同时与外源复合微生物菌剂的促进作用进行比较,分析生物表面活性剂作用与微生物作用的区别。 第四部分为表面活性剂胶束化过程与生物质降解酶的缔合作用解析。通过稳态荧光技术,采用非极性的荧光探针芘(Py),对水介质中表面活性剂胶束化过程与酶分子的缔合作用进行解析,以纤维素酶和漆酶为例,探讨生物表面活性剂鼠李糖脂与化学表面活性剂SDS、CTAB和Tween80胶束体系的不同特征,芘的荧光行为可以反映出其所处微环境极性的变化,不同结构表面活性剂对芘的荧光作用各有不同,纤维素酶与表面活性剂的缔合,使芘的荧光行为随表面活性剂浓度的变化特征相对弱化,而漆酶与表面活性剂的缔合,减缓了水介质中表面活性剂的胶束化过程,鼠李糖脂在高于临界胶束浓度时,稳定性优于阴离子表面活性剂SDS;采用极性荧光探针ANS和Rh-B对“鼠李糖脂/异辛烷/正己醇/水”逆胶束体系中酶与表面活性剂的作用进行研究,两种探针的荧光行为均能有效指示出逆胶束体系W0的变化过程酶分子附近微环境极性的变化,同时也表征了不同的酶分子与表面活性剂结合的位点及其迁移趋势。


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