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多环芳烃降解菌分离、降解特性及在稠油微生物采油中的应用研究

王春明  
【摘要】: 多环芳烃具有致癌、致畸和致突变的特性,对生物体产生遗传毒性,而且能够通过食物链在生物体内富集,对人体具有潜在危害性。同时该类化合物还具有高度的稳定性,在环境中难以降解。随着石油开采和使用量的增加,大量的石油及其加工品进入环境,原油的采集、精炼、运输、燃烧等过程中伴随产生大量的多环芳烃,不可避免地对环境造成污染,多环芳烃的积累已经越来越严重地威胁着人类的健康,已成为世界各国共同关注的有机污染物。 微生物在生物修复中具有不可忽视的作用,筛选高效功能菌株是生物修复的基础。作者以多环芳烃萘、菲、蒽、芘为筛选培养基,从石油污染土壤和油田外排水中筛选出18株多环芳烃降解菌,通过降解过程中细菌的生长现象和降解能力等复筛出4株多环芳烃高效降解茵。为确定这些菌株的分类地位,对这四株细菌进行了形态学观察、生理生化指标测定及分子生物学鉴定。16S rDNA序列分析显示,这四株细菌分别与Microbacterium、Cellulosimicrobium、Chelatococcus和Sphingopyxis四个属有较高的序列同源性,同源性分别为100%,97.8%、98.2%和99.0%。结合表型特征和16S rDNA序列分析,用DNAMAN构建系统净化树,并用Bootstraping法对其评价,初步将这四株多环芳烃降解菌分别归为属,命名为Microbacterium sp.3-28、Cellulosimicrobium sp.NF、Chelatococcus sp.EW和Sphingopyxis sp.EY。 本文系统研究了单菌株3-28、NF、EW和EY对PAHs的降解能力和环境因子pH值、盐度、温度及振荡条件对这些多环芳烃降解菌的生长活性及其对PAHs降解的影响以及其对不同浓度PAHs的降解能力。结果表明,这些多环芳烃菌株能很好地利用不同分子量的PAHs-萘、菲、蒽、芘作为其生长的碳源和能源,经过一段时间的培养,3-28可分别将培养液中的萘、菲、蒽、芘降解100%、100%、97.54%和90.20%,NF、EW、EY可分别将培养液中的萘、菲、蒽、芘降解100%、100%、96.22%和87.00%,100%、100%、88.08%和69.20%以及100%、100%、94.34%和84.20%:单菌株作用于萘、菲、蒽、芘混合液中物质,3-28对混合液中萘、菲、蒽、芘的降解率分别是100.0%、100.0%、94.38%和86.40%,NF、EW、EY对混合液中萘、菲、的降解率分别是100.0%、100.0%、91.52%和77.40%,100.0%、100.0%、79.02%和61.20%,以及100.0%、100.0%、84.74%和72.60%。相同的培养时间多底物培养液中的菌群浓度高于单底物系。这些多环芳烃降解菌生长的最适pH值为7.0-8.0,在pH6.0-9.0的范围内可以良好的生长,培养液中pH值低于6.0和超过9.0都会抑制微生物的生长;在盐度为10-30的培养液中可以良好地生长,在盐度为40-50的培养液中生长明显受到抑制。浓度较低的PAHs培养中,降解菌生长快,培养液中的PAHs能在短时间内被迅速降解,碳源很快消耗,微生物的生长水平不高(D_(600nm)=0.60左右);浓度为250-500mg/L的萘、菲和200~400mg/L蒽、芘是细菌降解的最适浓度,萘、菲浓度为1000mg/L和蒽、芘800mg/L以上会抑制微生物的生长,生物降解需要更长的时间。这4株细菌在静置缺氧条件下对PAHs仍具有较高的降解性能。 为了进一步研究多环芳烃降解菌的降解途径,作者对降解过程中产生的酶和代谢产物进行了分析。研究表明,在多环芳烃降解过程中能够检测到脱氢酶和多酚氧化酶,这2种酶体系在多环芳烃降解过程中具有一定的作用,但对于多环芳烃的降解而言,不是主要的酶体系。双加氧酶在多环芳烃的开环过程中起主要作用,也就是说,本研究中菲、蒽、芘的代谢都是双加氧酶体系作用的结果,代谢产物中均检测到二羟基-PAHs的产生。 微生物采油技术(MEOR)的主要机理之一就是利用微生物降解原油中的胶质、沥青质等重质组分,降低原油粘度和凝固点,以达到改善原油物化性质的目的。从多环芳烃降解菌中选育出一株能有效降解稠油中重质组分的菌种3-28。使用该菌株对渤海和新疆等油田的稠油进行微生物降解实验,分析了细菌降解对原油粘度等物理特征的改变以及饱和烃、芳烃以及胶质、沥青质各组分在原油中相对含量和内部组成的影响。结果表明,细菌作用引起原油性质发生明显变化,粘度降低20%以上,凝固点降低近10℃,原油中沥青质含量降低30%以上,其组成也发生了一定的变化,原油饱和烃轻重组分比值变大,大大改善了原油的物化性质。


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