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鼠李糖脂对微生物菌剂降解石油的影响



全 文 :第 7 卷 第 10 期 环 境 工 程 学 报 Vol. 7,No. 10
2 0 1 3 年 1 0 月 Chinese Journal of Environmental Engineering Oct . 2 0 1 3
鼠李糖脂对微生物菌剂降解石油的影响
王冬梅1 陈丽华1* 周立辉2 海立强3 李长宝3
(1.西北民族大学实验中心,兰州 730030;2.长庆油田公司油气工艺研究院,西安 710018;
3. 西北民族大学化工学院,兰州 730030)
摘 要 以石油烃降解微生物菌剂和铜绿假单胞菌株 A6 为对象,考察不同浓度鼠李糖脂对菌剂细胞表面疏水性、原
油降解性能和微生物生长的影响,采用 GC-MS分析石油中正构烷烃组分的降解情况。结果表明,低浓度鼠李糖脂就可提
高菌剂细胞的表面疏水性和原油降解效果。以 250 mg /L添加组最明显,第 7 天疏水性达最高,为 58. 6%,比对照组提高约
26. 2%;降解第 15 天原油降解率达 71. 6%,分别比对照组和 TW20 组提高 16% 和 13. 3%。GC-MS结果显示鼠李糖脂对高
碳数烷烃的降解作用大于低碳数烷烃,正二十三烷和正三十三烷的降解率分别较对照提高了 21. 5%和 33. 7%。菌剂对奇
数碳烷烃的降解效果优于偶数碳烷烃。鼠李糖脂分别使菌剂中细菌、放线菌和霉菌的最大生物量提高了 5. 7、2. 4 和 1. 8
倍。鼠李糖脂对微生物细胞疏水性和生物量的提高与石油降解效果正相关。
关键词 鼠李糖脂 微生物菌剂 细胞表面疏水性 石油降解率
中图分类号 X172;X53 文献标识码 A 文章编号 1673-9108(2013)10-4121-06
Effects of rhamnolipid on petroleum degradation
of compound microbial inoculant
Wang Dongmei1 Chen Lihua1 Zhou Lihui2 Hai Liqiang3 Li Changbao3
(1. Experimental Center,Northwest University of Nationalities,Lanzhou 730030,China;2. Institute of Oil-Gas Techniques,Companies of
Changqing Oil Field,Xi’an 710018,China;3. Chemical Engineering Institute,Northwest University of Nationalities,Lanzhou 730030,China)
Abstract With petroleum-degrading bacterium Pseudomonas aeruginosa A6 and compound microbial inoculant
(CMI)as the model,the effects of different concentrations of rhamnolipids on the petroleum-degrading ability,the
growth and cell-surface hydrophobicity (CSH)of CMI were investigated. Degradation of N-alkanes was analyzed by
GC-MS. The results showed that the CSH and petroleum degradation rates of CMI were enhanced distinctly by rhamno-
lipid even at low concentration. 250 mg /L rhamnolipid showed the most obvious effect. The highest CSH was 58. 6%
in 7 d. Compared with the control group,it increased by 26. 2%. Petroleum degradation rate reached 71. 6% in 15 d,
increased by 16% and 13. 3%,respectively compared with that without surfactant and with TW20. GC-MS results
showed that the effects of rhamnolipids on higher molecular weight nalkanes were better than lower molecular nal-
kanes. The degradation rates of twenty-three alkanes and thirty-three alkanes increased by 21. 5% and 33. 7%,respec-
tively. The degradation of CMI on odd-numbered carbon nalkanes was better than even-numbered carbon nalkanes.
Rhamnolipid could obviously promote the growth of CMI. Compared with the control,the maximum biomass of bacteri-
a,actinomycetes and fungi increased 5. 7,2. 4 and 1. 8 times,respectively. Increased cell surface hydrophobicity and
biomass were beneficial to the degradation of the substrate.
Key words rhamnolipid;compound microbial inoculant(CMI) ;cell-surface hydrophobicity(CSH) ;pe-
troleum degradation rate
基金项目:中央高校基本业务费专项资金项目(ZYZ2011103) ;中国
石油长庆油田分公司基金资助项目(12AQ-KF-018)
收稿日期:2013 - 04 - 25;修订日期:2013 - 05 - 31
作者简介:王冬梅(1969 ~ ) ,女,硕士,副教授,主要从事环境微生物
学的研究工作。E-mail:467636407@ qq. com
* 通讯联系人,E-mail:clh@ xbmu. edu. cn
随着石油工业的快速发展,石油污染日趋严重,
近年来其生物修复备受关注。石油烃的微生物降解
是一个复杂的过程,与高效石油降解菌、细胞表面疏
水性、石油烃组成 /物理状态、温度、供氧以及营养物
质等影响因子均有关[1,2]。石油烃组分复杂,各成
分的降解往往需要多种微生物的协同作用,不同降
解菌之间存在着各种复杂的关系[3]。韩慧龙等[4]、
陈丽华等[5]构建的微生物混合菌剂提高了石油烃
环 境 工 程 学 报 第 7 卷
物质的降解率。
菌体疏水性被认为是生物修复中生物吸附的一
个决定性因素,是影响细菌吸收和疏水性物质降解
的重要因素[6-8]。由微生物代谢分泌产生的生物表
面活性剂(biosurfactant,BS)具有良好表面活性、低
毒和易生物降解等优点,可增加难溶疏水性有机物
的溶解性,改变微生物细胞表面的疏水性,促进其生
物降解效率[8,9]。目前,应用 BS 促进疏水底物降解
的研究多集中在其降解机制方面,如 BS 对疏水底
物的増溶作用,BS 对菌株细胞壁成分的改变等;而
且研究主要针对表活剂对单一降解菌株的影响方
面[8-12],而关于 BS对复合微生物菌剂降解石油的影
响方面的报道很少。因此,本研究选取本课题组筛
选和构建的石油降解微生物混合菌剂和产鼠李糖脂
(rhamnolipids,RL)的铜绿假单胞菌菌株 A6 为对
象,通过发酵 A6 菌株制备鼠李糖脂,探索鼠李糖脂
对微生物菌剂的细胞疏水性、石油降解性能和微生
物生长的影响,采用 GC-MS分析降解后石油中正构
烷烃组分的降解情况,以期为生物表面活性剂鼠李
糖脂在石油污染生物修复中的应用提供实验依据。
1 实验部分
1. 1 实验材料
1. 1. 1 实验菌株
从甘肃陇东长庆油田长期受石油污染的土壤中
分离筛选的 5 株原油降解菌,经鉴定分别为:A6 为
铜绿假单胞菌属(Pseudomonas aeruginosa) ,D4 蒙氏
假单胞菌属(P. monteilii) ,A5 鲁菲不动杆菌属
(Acinetobacter lwoffii) ,F1 黄色类诺卡氏菌属(Nocar-
dioides luteus) ,F2 暗黑微绿链霉菌属(Streptomyces
atrovirens)。其中 A6 产生表面活性剂鼠李糖脂
(Rhamnolipid,RL)。微生物菌剂由 A5、D4、F1 和 F2
按优化比例(5∶ 2∶ 2∶ 1)配制。
1. 1. 2 试剂与培养基
种子培养基:酵母膏 5 g /L,蛋白胨 10 g /L,
NaCl 10 g /L。pH 调至 7. 0。
发酵培养基:豆油 5. 0 g /L,NaNO3 8. 0 g /L,
KH2PO4 1. 0 g /L,Na2HPO4·12H2O 1. 0 g /L,FeSO4
·7H2O 0. 2 g /L,pH值为 7. 0。
无机盐培养基:KH2PO4 1. 7 g /L,Na2HPO4 9. 8
g /L,MgSO4·7H2O 0. 1 g /L,CaCO3 0. 002 g /L,Zn-
SO4· 7H2O 0. 001 g /L,FeSO4·7H2O 0. 001 g /L,自
然 pH 7. 2。
牛肉膏蛋白胨培养基、高氏 1 号培养基和察氏
培养基。
试剂:硫酸铵、盐酸、正十六烷、正己烷、无水硫
酸钠、Tween20(TW20)等均为分析纯。
1. 2 实验方法及内容
1. 2. 1 实验方法
(1)鼠李糖脂(RL)的提取及临界胶束浓度
(CMC)的测定
用预处理酸沉淀冷冻干燥法提取 RL[13]。发酵
液通过离心、硫酸铵沉淀和冰盐水溶液预处理后,将
上清液酸化至 pH <2. 0,4℃静置 12 h 后离心收集沉
淀,将收集到的淡黄色沉淀物冷冻干燥,即得到 RL
样品。用去离子水配制500 mg /L的RL溶液,分别稀
释至 10 ~ 200 mg /L 不同浓度,采用 JYW-200B 自动
张力仪测其表面张力,每个浓度测定 3 次,取平均值。
绘制表面张力变化曲线,确定其 CMC。
(2)细胞表面疏水性的测定
采用微生物粘着碳烃化合物法(microbial adhe-
sion to hydrocarbons,MATH)测定细胞表面疏水
性[14]。离心收集菌体,用无机盐培养基洗涤并重
悬,以无机盐培养基为对照,调节菌悬液浓度,使其
OD400 nm达 0. 7 左右(A0) ,在直径 10 mm的试管中依
次加入 5 mL细胞悬液和 1. 5 mL 正十六烷,盖紧后
涡旋振荡 1 min,静置 30 min 分层,移取水相,以无
机盐培养基为对照测定 OD400 nm(A1 值)。每个样品
测 3 次,取其平均值。细胞表面疏水性以 MATH 值
表示:MATH =(A0 - A1)/A0 × 100%。
(3)原油降解率测定
采用重量法测定原油降解率[3,8]。收集发酵液
上清,将 pH调至 2,加入等体积正己烷萃取 2 次,合
并有机相,经无水硫酸钠干燥后,45℃下旋转蒸发除
去有机物,置 40℃恒温箱中干燥至恒重,称量残余
原油的重量。原油降解率 =(A - B)/A × 100%。式
中:A为对照组(不加降解菌)残油量;B 为实验组的
残油量。
(4)微生物的生物量的测定
采用平板稀释涂布法测定菌剂中各类微生物的
生物量[15]。菌剂中细菌、放线菌和霉菌的培养分别
采用牛肉膏蛋白胨培养基、高氏 1 号培养基和察氏
培养基进行。每个样选用 3 个适宜稀释度,每个稀
释度作 3 个平行,选择菌落数在 30 ~ 300 之间的平
板进行计数。
1. 2. 2 实验内容
(1)表面活性剂对菌剂细胞表面疏水性的影响
实验分 8 个组进行:第 1 组不加表面活性剂(菌
2214
第 10 期 王冬梅等:鼠李糖脂对微生物菌剂降解石油的影响
剂对照组) ,第 2 组加入 TW-20 1000 mg /L,第 3 ~ 6
组依次加入浓度为 50、100、250 和 500 mg /L的 RL,
第 7 组加 A6 菌液 1 mL(联用组)。第 1 ~ 7 组在 20
mL无机盐培养基中均加入混合菌剂菌悬液 1 mL,
表面活性剂过滤除菌后加入。第 8 组(A6 菌)在 20
mL无机盐培养基中只加 A6 菌液 1 mL。每组 3 个
平行样。各组均在 30℃,160 r /min 下摇瓶培养,定
时取样测细胞表面疏水性。
(2)表面活性剂对菌剂降解原油的影响
实验分组同上[16]。各组在(1)的基础上,在分
析天平上减量法准确加入经紫外线灭菌后的标准原
油 25 mg。以不加菌剂或 A6 菌者为对照。每组 3
个平行样。30℃,160 r /min 摇瓶培养,定时取样测
定各组的原油降解率。
(3)降解油样中正构烷烃组分的 GS-MC检测
取(2)中第 1 组和第 5 组中降解 15 d后正己烷
萃取液 5 mL,经无水硫酸钠脱水,0. 22 μm耐有机
溶剂滤膜过滤后,取 2 mL氮气吹干,正己烷 1 mL重
新溶解后,进行 GC-MS检测分析降解后石油中正构
烷烃组分的降解情况[2,5]。分析条件为:气化温度
260℃;载气 He;柱温 200℃;柱 SE30(50 m) ;质谱条
件为:电子能量 70 eV,质量范围 40 ~ 450。
(4)RL对菌剂中微生物生长的影响
取(2)中第 1 组和第 5 组不同时间的发酵液,
测定各类微生物的生物量。
2 结果与讨论
2. 1 RL的临界胶束浓度 CMC
由图 1 的表面张力变化曲线可知,提取 RL 的
CMC 为 76. 5 mg /L,此浓度下表面张力为 35 mN /m。
该表面活性剂的 CMC 值略高于文献报道的有些铜
绿假单胞菌株[6,10],如 S6 菌 CMC 值为 50 mg /L、
BD-5 菌为 68. 5 mg /L,但远远低于一般化学性表面
活性剂的 CMC值,如 SDS的 CMC值为 2 100 mg /L,
吐温-20 为 600 mg /L。由此可见,所提取的 RL具有
优越的表面活性。
2. 2 表活剂对菌剂菌体细胞表面疏水性的影响
表活剂对细胞表面疏水性的影响结果见图 2。
由图可知,TW20 对菌体疏水性影响很小。鼠李糖
脂的添加能明显提高细胞表面疏水性,其中以 250
mg /L添加组的疏水性增加最明显,第 7 天疏水性最
高,达 58. 6%,比对照组提高约 26. 2%,与 A6 组水
平相当。在培养初期(前 7 d) ,低浓度鼠李糖脂(50
~ 100 mg /L)就能有效地增大表面疏水性,比对照
图 1 不同浓度的鼠李糖脂溶液的表面张力
Fig. 1 Surface tension of different rhamnolipid concentrations
组约提高 22%。后期(7 d后)疏水性与鼠李糖脂浓
度基本正相关。菌剂疏水性随培养时间的延长表现
出先渐增后渐减的趋势。
图 2 鼠李糖脂对菌体细胞表面疏水性的影响
Fig. 2 Effect of Rhamnolipid on cell hydrophobicity
菌剂对照组的初始疏水性仅 20. 4%,培养期内
疏水性基本在 25% ~33%之间。A6菌初始疏水性为
61. 2%,在培养第 1周内疏水性保持在 58% ~60%之
间,这与赵晴等报道的不一致[8],在后 2 周疏水性则
呈明显下降趋势,第 21天降至 21. 8%。A6 初期的高
疏水性考虑与其所产鼠李糖脂改变疏水性的作用有
关,使得在初期菌体自身细胞的疏水性没有随培养时
间的推移而下降,后期因衰老菌体细胞表面疏水位点
和表活剂的产生均减少,疏水性下降[7-10]。联用组的
疏水性介于两者之间,可能是鼠李糖脂的作用和各微
生物间疏水性相互影响的结果。
3214
环 境 工 程 学 报 第 7 卷
2. 3 表面活性剂对原油降解的影响
由图 3 可看出:联用组原油降解效果最佳,菌剂
对照组最低,A6 菌与中高浓度鼠李糖脂(250 和 500
mg /L)添加组相当,降解第 7 天、15 天和 21 天的降
解率分别为:联用组为 72. 5%、78. 5%和 80. 6%;菌
剂 47. 5%、55. 7%和 58%;A6 组为 64. 3%、71%、
72. 5%。鼠李糖脂添加组原油降解率都有提高,在
降解初期低浓度组的降解效果略优于高浓度组,250
mg /L 添加组效果最好,降解第 15 天降解率为
71. 6%,分别比对照组和 TW20 组提高 16% 和
13. 3%。后期 500 mg /L 添加组较好。这与姜萍萍
等的研究结果一致[12,14]。降解初期高浓度添加组
的原油降解率较低,可能是由于菌剂竞争性利用鼠
李糖脂和原油时,高浓度鼠李糖脂被优先利用,使原
油的降解有所抑制[8];也可能是因为胶团表面鼠李
糖脂栅栏层降低了原油向液相中的传质效率,阻挡
了降解酶和原油的接触所致[12]。
图 3 鼠李糖脂对菌剂降解原油的影响
Fig. 3 Effect of rhamnolipid on crude oil degradation
综合分析结果可知:菌体细胞表面的疏水性与
有机物的降解效率有较高的相关性。A6 菌初始疏
水性和培养早期疏水性在 58% ~ 61. 2%之间,明显
高于菌剂对照组的 17% ~ 32%,其原油降解率较
高。TW20 对疏水性影响小,它对原油降解率的提
高与其增溶作用有关[18]。鼠李糖脂对疏水性底物
降解的影响,除其增溶作用外[2,7,14],还与它改变细
胞表面疏水性的作用密切相关[11,12,17]。鼠李糖脂
与菌体表面结合时,将疏水端伸向外侧,使得菌体表
面疏水性增加;疏水性的改变还可能与菌体细胞壁
中脂多糖的溶出有关。联用组的疏水性低于 A6,但
降解率较 A6 高约 9% ~12%,其降解效果认为是几
种作用的叠加:一是菌剂与 A6 均为原油降解菌,它
们之间存在着协同效应;二是 A6 产生的鼠李糖脂
不仅提高了菌剂细胞的表面疏水性,并维持自身细
胞疏水性处于较高水平,有利于微生物摄取有机物,
促进其降解。因此,为提高疏水性底物的生物降解
效果,要选育疏水性和降解能力都强的菌种。
2. 4 鼠李糖脂对原油组分降解的影响
图 4(a)、(b)分别为菌剂对照组和添加鼠李糖
脂组降解后的正构烷烃离子流图。图 5 为 2 组的正
构烷烃降解率对比图。
图 4 降解后正构烷烃离子流图
Fig. 4 TIC of remaining N-alkanes after degradation
1—正十四烷;2—正十五烷;3—正十六烷;4—正十七烷;5—姥鲛
烷;6—正十八烷;7—植烷;8—正十九烷;9—正二十烷;10—正二十
一烷;11—正二十二烷;12—正二十三烷;13—正二十四烷;14—正
二十五烷;15—正二十六烷;16—正二十七烷;17—正二十八烷;
18—正二十九烷;19—正三十烷;20—正三十一烷;21—正三十二
烷;22—正三十三烷;23—正三十四烷;24—正三十五烷;25—正三
十六烷;26—正三十七烷;27—正三十八烷;28—正三十九烷
图 5 正构烷烃的降解率
Fig. 5 Degradation rate of n-alkanes
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第 10 期 王冬梅等:鼠李糖脂对微生物菌剂降解石油的影响
从图 4和图 5可看出:鼠李糖脂可提高菌剂对正
构烷烃的降解效果,其对高碳数烷烃的作用大于低碳
数烷烃,添加 250 mg /L 鼠李糖脂后正二十三烷和正
三十三烷的降解率分别为 84%和 82. 7%,较对照分
别提高 21. 5%和 33. 7%。菌剂降解正构烷烃的趋势
是对奇数碳烷烃的降解效果优于偶数碳烷烃的,这与
陈丽华报道的正构烷烃的降解演化规律相符[5]。
2. 5 鼠李糖脂对菌剂中微生物生长的影响
图 6 为鼠李糖脂对菌剂中各类微生物生物量的
影响,以及 250 mg /L 鼠李糖脂组的细胞疏水性、降
解率与微生物生物量变化的关系图。鼠李糖脂对菌
剂中各类微生物生长均有促进作用,对细菌的影响
最大。添加鼠李糖脂后细菌的对数生长期有缩
短,培养 3 d后达最高生物量 3. 78 × 109CFU /mL,
较对照组(6. 6 × 108CFU /mL)提高了 5. 7 倍。放
线菌的生物量在培养第 7 天达最高,由 1. 47 ×
108CFU /mL 升高到 3. 6 × 108CFU /mL,升高 2. 4
倍。霉菌的生物量仅提高 1. 8 倍。由图可看出:
在微生物的对数生长期和平台期,菌剂细胞的疏
水性和降解率的增幅要高些。微生物细胞疏水性
和降解效率的变化与鼠李糖脂促进微生物生长和
改变其表面特性相关。
图 6 鼠李糖脂对菌剂中各类微生物生物量的影响
Fig. 6 Effect of rhamnolipid on biomass of all kinds microbial
3 结 论
(1)生物表面活性剂鼠李糖脂能显著增大菌体
细胞的表面疏水性。以 250 mg /L 添加组疏水性增
加最明显,第 7 天疏水性最高,达 58. 6%,比对照组
提高约 26. 2%。
(2)鼠李糖脂可提高原油的降解效果,早期以
250 mg /L添加组效果最好,降解第 15 天降解率为
71. 6%,分别比对照组和 TW20 组提高 16% 和
13. 3%。后期 500 mg /L 添加组较高(75. 6%) ,比
对照组提高约 17. 6%。疏水性高的菌株原油降解
效率要高。
(3)鼠李糖脂可提高菌剂对正构烷烃的降解效
果,其对高碳数烷烃的作用大于低碳数烷烃,添加
250 mg /L鼠李糖脂后正二十三烷和正三十三烷的
降解率分别为 84% 和 82. 7%,较对照分别提高
21. 5%和 33. 7%。菌剂对奇数碳烷烃的降解效果
优于偶数碳烷烃。
(4)鼠李糖脂的添加使菌剂中细菌、放线菌和
霉菌的最大生物量分别提高了 5. 7、2. 4 和 1. 8 倍。
鼠李糖脂对微生物细胞疏水性和生物量的提高与石
油降解效果正相关。
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