全 文 ：表面活性剂对分枝杆菌 KR2菌株降解菲的影响*
姜 霞1* * 区自清1 应佩峰1 Ayfer Yediler2 Antonious Kettrup2
( 1 中国科学院沈阳应用生态研究所陆地生态过程重点实验室, 沈阳 110016; 2 德国国家环境与健康研究中心
生态化学研究所(GSF/ I; C) , 德国)
=摘要> 采用同位素示踪方法, 从表面活性剂的浓度、离子类型和直链长度三方面研究了表面活性剂对
分枝杆菌 KR2 菌株降解菲的影响. 结果表明, 表面活性剂的存在不能促进 KR2 菌对菲的降解; 高浓度表
面活性剂( \ 20mg# L- 1 )的存在 , 使菲的降解出现延迟期. 非离子表面活性剂 Tween 80 在低浓度时( [
10mg# L- 1)可以优先作为营养基质被分枝杆菌 KR2 菌株利用. 表面活性剂的离子类型对菲降解的抑制作
用的顺序为阳离子表面活性剂 TDTMA> 阴离子表面活性剂 LAS> 非离子表面活性剂 Tween 80. 表面活
性剂的直链长度对菲降解的影响为直链越短, 对微生物的毒性越大, 菲降解得越不完全.
关键词 14C2菲 分枝杆菌 表面活性剂
文章编号 1001- 9332(2003) 11- 2011- 04 中图分类号 X172 文献标识码 A
Effects of surf actants on degradation of phenanthrene by Mycobacterium ssp. JIANG Xia1 , OU Ziqing1, YING
Peifeng1 , Ayfer Yediler2 and Antonious Ketrrup2 ( 1Labora tory of Ter r estrial Ecological Process, I nstitute of
Applied Ecology, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China ; 2GSF / Institute of Ecological
Chemistry , Germany) . 2Chin. J . Appl . Ecol . , 2003, 14( 11) : 2011~ 2014.
With isotopic techniques, the effects of the concentration , ionic type , and straight chain lengt h of surfactants on
the degradation of phenanthr ene by Mycobacter ium ssp. KR2 were studied. The results showed that in the pres2
ence of surfactants, t he degradation of phenanthrene was not incr eased. It was delayed in high concentrat ions of
surfactants ( \ 20 mg# L- 1 ) . Tween 80 in its low concentr ation( [ 10 mg# L - 1) was used as a preferent ial sub2
strate utilized by Mycobacter ium ssp. KR2. The degradation was affected by the ionic types of surfactants, and
the inhibition to the phenanthrene degradation was cationic sur factant TDTMA> anionic surfactant LAS> non2
ionic surfactant Tween 80. Different lengths of sur factant straight chains had different influence on the degrada2
tion of phenanthrene.
Key words 14C2phenanthrene, Mycobacter ium, Surfactant.
* 国家自然科学基金资助项目( 29677021) .
* * 通讯联系人.
2001- 08- 09收稿, 2002- 12- 11接受.
1 引 言
多环芳烃是有机物不完全燃烧或高温裂解的副
产品, 在环境中分布广泛. 由于它可以通过食物链
直接或间接地影响和威胁人类的健康, 近年来受到
各国研究者的广泛重视. 多环芳烃类化合物溶解度
低, 易吸附于有机质, 因此很难被植物和微生物吸
收代谢[3, 14] . 表面活性剂能够增加多环芳烃在水相
中的溶解度[4, 5, 8, 10] , 因此研究者希望通过加入表
面活性剂来增加多环芳烃的降解. 目前, 表面活性
剂对多环芳烃尤其是菲降解影响的研究很多, 结论
却相差甚远. 有些研究结果认为表面活性剂的存在
有利于菲的降解[5, 8, 9, 12, 14] , 另一些则认为其存在
不利于菲的降解[1, 2, 5, 9] , 少量认为其对菲的降解无
影响[ 6] . 本试验采用同位素示踪方法, 试图探讨表
面活性剂的存在对14C2菲降解的影响.
2 材料与方法
211 材料
21111 实验药品与溶剂 实验用 9214C2菲(纯度> 99% , 放
射性强度为 2. 03@1012Bq#mol- 1)由德国 GSF合成, 非放射
性菲纯度为 99. 5% ( Aldrich2Chemi Co. ) . 实验采用阴离子
表面活性剂: 直链烷基苯磺酸钠 ( LAS)、阳离子表面活性
剂: 十四烷基三甲基溴化铵(TDTMA)、非离子表面活性剂:
失水山梨醇单甘油酸酯聚氧乙烯( Tween 80)、(聚氧乙烯) 42
12 醚(Brij30)、(聚氧乙烯) 10212 醚( 10LE)和 (聚氧乙烯 ) 232
12 醚(Brij35) . 表面活性剂除 Tween 80(购自Merck 公司)
外, 都购自 Sigma2Aldr ich Chemical CO. , St. Louis, MO. 纯
度除 LAS为 80%外, 都为 100% .
21 11 2 分枝杆菌 KR2菌株 分枝杆菌 KR2 (Mycobacter ium
spp. ) 由多环芳烃污染土壤中分离驯化出来, 以菲和芘为碳
源和能源[ 11, 12] , 由德国国家环境与健康研究中心生态化学
研究所的 K. Rehmann 博士提供.
21 11 3 吸收剂和闪烁剂 用于测量放射性含量的吸收剂和
闪烁剂与李滢[ 7]相同.
21 2 实验装置
实验装置由一个进气滤膜、一个 250ml窄口玻璃培养
应 用 生 态 学 报 2003年 11 月 第 14 卷 第 11 期
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY, Nov. 2003, 14( 11)B2011~ 2014
瓶、3 个系列连接的吸收瓶、尾端与泵连接的活性炭试管、一
个气流控制阀、一个真空泵和一个计时器所组成.
213 实验溶液的配制
21311 MSM营养液的配制 按表 1 配制MSM 营养液( Ca2
Cl2# 2H2O 单独配制灭菌, 冷却后加入) , 并用 10 mol#L - 1的
K2HPO3 和 1 mol#L - 1的 KH2PO3 调 pH 为 7. 2, 121 e 高压
灭菌 30 min, 待用.
表 1 MSM营养液各组分的浓度
Table 1 Concentrat ions of MSM components
MSM组分
MSM compo2
nents
浓度
Concent
rat ion
( w/ v, % )
微量元素
Trace
elements
浓 度
Concen2
t rat ion (mg#L- 1)
K2HPO4 0. 8 EDTA2Na 0. 5
KH2PO4 0. 2 FeSO4#7H2O 0. 2
KNO3 0. 1 H 3BO3 0. 03
MgSO4#7H2O 0. 2 CoCl2#6H2O 0. 02
CaCl2#2H2O 0. 5 CuCl2#2H2O 0. 01
FeCl3#6H2O 0. 01 ZnSO4#7H 2O 0. 01
NaCl 0. 1 NiCl2#6H2O 0. 006
微量元素 MnCl2#4H2O 0. 003
T race element Na2MoO4#2H 2O 0. 003
21312 实验溶液的配制 在无菌室中, 将 0. 5ml 20g# L- 1菲
的二氯甲烷(DCM)溶液和 0. 5ml 25mg#L - 1 14C2菲的甲醇溶
液(放射性含量: 4. 44@104Bq ml- 1 )加入到 250ml的培养瓶
中. DCM 挥发后, 加入适量体积的 MSM 营养液 (体积为
100ml2表面活性剂体积2接种菌液的体积)、适量体积的表面
活性剂和定量的分枝杆菌 KR2 菌液. 实验溶液中菲浓度为
100mg# L- 1 , 表面活性剂浓度为 0、5、10、20 和 40mg# L- 1 .
214 实验装置的运行和样品的采集
连接好实验装置, 向第 1 个吸收瓶内加入 10ml 的
EMME,用以吸收菲的挥发性有机代谢产物 (Volatile Organic
Compounds, VOCs) ; 向第 2、3 吸收瓶内加入 15ml CARBO2
SORBRRE+ 和 PERMAFLUORRRE+ 的混合液( v/ v= 2B3) ,
用以吸收菲的最终代谢产物 CO2. 打开真空泵, 调节气流控
制阀, 使实验中各装置的曝气速度相同. 关闭真空泵, 打开
调制好的计时器, 用计时器来控制实验的曝气时间. 用锡箔
纸包裹培养瓶, 以防止菲和表面活性剂的光解.
采样时间选在曝气刚刚结束时, 实验开始的第一周, 每
天取一次样, 随后每两天取一次样, 直至实验结束( 20d) .
3 结果与讨论
311 表面活性剂浓度对菲降解的影响
31111 表面活性剂浓度对菲降解总产物的影响 从
表面活性剂对菲降解总产物累积产量的影响曲线
(图 1)来看, 无论何种表面活性剂的何种浓度, 菲
的降解量都较无表面活性剂存在时要低. 对阴离子
表面活性剂 LAS和阳离子表面活性剂 TDTMA 来
说, 即使在低浓度时, 对水相中的分枝杆菌 KR2菌
株也有毒害作用, 表现为菲的降解不仅缓慢, 而且
在降解时间上也存在延迟期; 这说明在有 LAS 和
TDTMA这两种表面活性剂存在时, 分枝杆菌 KR2
菌株在降解菲时首先要对它们有一个适应的过程.
而非离子表面活性剂 Tween 80, 其浓度 [ 10mg#
L- 1时, 菲的降解在开始时较无 Tween 80时要高,
说明低浓度的非离子表面活性剂 Tween 80存在时,
对分枝杆菌 KR2菌株的生长无毒害作用. 但此时
菲降解总产物的累积产量并没有超过无表面活性剂
的对照实验, 由此可以推断低浓度的非离子表面活
图 1 表面活性剂浓度对菲解总产量累计产量的影响
Fig. 1 Effect of surfactant concent ration on the accumulat ive degradat ion
products CO2 and VOCs of phenanthrene.
Ñ . 0 mg#L- 1, Ò . 5 mg#L- 1, Ó . 10 mg#L- 1, Ô . 20 mg#L- 1, Õ . 40
mg#L- 1.下同 The same below.
性剂 Tween 80作为分枝杆菌 KR2菌株生长可用的
营养物质被优先利用从而抑制了菲的降解. 当
Tween 80 浓度升高时 ( \ 20mg#L- 1 ) , 分枝杆菌
KR2菌株的生长出现延迟现象, 说明高浓度的非离
子表面活性剂 Tween 80对分枝杆菌 KR2菌株的生
长也有抑制作用, 进而会影响其对菲的降解.
31112 表面活性剂浓度对菲降解最终产物 CO2 的
影响 CO2 是菲降解的最终产物, 其累积产量的多
少标志了菲降解的程度. 因此,通过不同浓度表面
活性剂下 CO2 累积产量的比较(图 2) , 可以推断出
表面活性剂浓度对分枝杆菌 KR2菌株毒害作用的
影响. 由图2可以看出,无论何种表面活性剂, 其浓
2012 应 用 生 态 学 报 14卷
度越高, 菲降解产生的最终产物 CO2的累积产量越
低, 说明表面活性剂的浓度越高, 对分枝杆菌 KR2
菌株的毒性越大, 导致其对菲降解得越慢越不完
全. 图 1与图 2 中曲线的变化趋势一致[除阳离子
表面活性剂 TDTMA( \ 10 mg#L- 1)外] , 即菲降解
最终产物 CO2 的累积产量占施入14C总量的比例非
常大. 由此推知, 菲的降解产物中 CO2 占绝大多
数 , 而中间产物VOCs则很少. 对于高浓度的阳离
图 2 表面活性剂浓度对菲降解最终产物 CO2 累计产量的影响
Fig. 2 Effect of surfactant concenrtat ion on the accumulative degradat ion
products CO2 of phenathrene.
子表面活性剂 TDTMA( \ 10mg#L- 1) , 由于它的
毒性大, 使分枝杆菌 KR2菌株不能正常生长降解
菲, 致使菲降解的中间产物 VOCs 的累积产量增
加, 并成为菲的主要代谢产物.
31113 表面活性剂浓度对菲降解产物 VOCs的影响
图 3反映了表面活性剂浓度对菲降解中间产物
VOCs累积产量的影响曲线. 由图 4可见, 无论何
种表面活性剂(除浓度为 10mg#L- 1的 Tween 80曲
线)的存在, 菲降解产生的中间产物 VOCs 的累积
产量都高于无表面活性剂存在时 VOCs 的累积产
量. 对于阴离子表面活性剂 LAS 和阳离子表面活
性剂 TDTMA而言, 表面活性剂的浓度越高, 菲降
解产生的中间产物 VOCs的累计产量越高. 这是因
为表面活性剂的存在一方面使溶液的表面张力下
降, 从而增加了菲降解产生的中间产物 VOCs的挥
发, 另一方面表面活性剂浓度越高对分枝杆菌 KR2
菌株的毒性越大, KR2菌株对菲降解得越不完全,
产生的中间产物 VOCs越多.
图 3 表面活性剂浓度对菲降解最终产物 VOCs累计产量的影响
Fig. 3 Effect of surfactant concenrtation on the accumulat ive degradat ion
products VOCs of phenathrene.
312 表面活性剂离子类型对菲降解的影响
表面活性剂的毒性越大, 对分枝杆菌 KR2菌
株生长的抑制作用就越强, 降解菲产生的中间产物
VOCs就越多, 相应的菲降解最终产物 CO2 的产量
就越少. 在相同浓度( 40 mg#L- 1)、不同离子类型的
表面活性剂存在下, 将菲降解的最终产物 CO2 的累
计产量进行比较(图4) , 结果表明,在相同浓度表面
活性剂作用下, 菲降解最终产物 CO2 的累积产量为
非离子表面活性剂 Tween 80> 阴离子表面活性剂
LAS> 阳离子表面活性剂 TDTMA. 将图 2中相同
浓度的 3种离子类型的表面活性剂对菲降解产生的
总产物累积产量进行比较, 我们也可以得到相同的
结论. 因此, 可以认为, 在相同浓度条件下, 表面活
性剂离子类型对分枝杆菌 KR2 菌株降解菲的抑制
作用大小为: 阳离子表面活性剂 TDTMA> 阴离子
201311 期 姜 霞等:表面活性剂对分枝杆菌 KR2 菌株降解菲的影响
表面活性剂 LAS> 非离子表面活性剂 Tween 80.
这一结论同样可以由菲降解产生的中间产物 VOCs
的累积产量(图 4)来解释和验证. 由图 4所示, 阳
离子表面活性剂 TDTMA 存在下菲降解产生的
VOCs 累积产量最多, 其次为阴离子表面活性剂
LAS, 再次为非离子表面活性剂 Tween 80. 这也从
另一个侧面说明相同浓度下非离子表面活性剂的毒
性最小, 其次为阴离子表面活性剂 LAS, 再次为阳
离子表面活性剂 TDTMA.
图 4 表面活性剂离子类型对菲降解产物的影响
Fig. 4 Effect of surfactant ion ic type on the accumulat ive degradat ion
products of phenanthrene.
Ñ . LAS, Ò . Tween 80, Ó . TDTMA.
图 5 表面活性剂直链长度对菲降解的影响
Fig. 5 Effect of straight chain length of surfactant on th e degradat ion of
phenanthrene.
Ñ . Brij30, Ò . 10 LE, Ó . Brij 35.
313 表面活性剂的直链长度对菲降解的影响
图 5为结构相似、仅直链长度不同的 3种非离
子表面活性剂 Brij 30、10LE 和 Brij 35在相同浓度
( 40mg#L- 1 )下对菲降解的影响曲线. Brij 30、10LE
和 Brij 35如前所述是具有类似分子结构只是直链
长度不同的非离子表面活性剂. 从图 5 菲降解产生
的 CO2 和 VOCs的累积产量可以看出,相同表面活
性剂浓度下, 菲降解产生 CO2的延迟期为 Brij 35<
10LE< Brij 30; 而中间产物 VOCs的累计产量则为
Brij 30> 10LE> Brij 35. 表面活性剂的毒性越大,
菲降解的延迟期越长, 而降解产生的中间产物的累
积产量越多. 因此,这 3 种表面活性剂对菲降解的
抑制程度为 Brij30> 10LE> Brij 35. 由此可以推断
表面活性剂的直链长度对菲的降解有影响, 直链越
短, 其对微生物的毒性越大, 菲降解得越不完全.
参考文献
1 Aronstein BN, Calvillo YM and Alexander M. 1991. Effect of
surfactants at low concent rat ions on the desorpt ion and biodegrada2
tion of sorbed aromatic compounds in soil. E nvir on Sci Technol ,
25: 1728~ 1731
2 Foght JM , Gutnick DL and West lake DWS. 1989. Effect of emul2
sam on biodegradat ion of crude oil in pure and mixed cultures. Appl
Envir on Microbiol , 55: 36~ 42
3 Guerin WF and Jones GE . 1988. Mineralizat ion of phenanthrene
by a Mycobacterium sp. Appl E nvi ron Microbiol , 54: 937~ 944
4 Jiang X(姜 霞) , Jing X( 井 欣) , Gao X2S(高学晟) , et al .
2002. Advances in studies on the effect of surfactant on bioavailabil2
ity of polycyclic aromatic hydrocarbons( PAHs) in soil. Chin J Appl
Ecol (应用生态学报) , 13( 9) : 1179~ 1186( in Chinese)
5 Laha S and Luthy RG. 1991. Inhibit ion of phenanthrene mineral2
izat ion by nonionic surfactants in soil2water systems. Envi ron Sci
Technol , 25:1920~ 1930
6 Laha S and Luthy RG. 1992. Effect s of nonionic surfactants on the
solubilizat ion and mineralization of phenanthrene in soil2water sys2
tems. Biotechnol Bioeng, 40: 1367~ 1380
7 Li Y( 李 滢) , Ou Z2Q (区自清 ) , Sun T2H (孙铁珩) . 1998.
Transportation and t ransformat ion of 14C2phenanthrene in a con2
trolled nut rient solut ion2 lava2wheat system. Chin J App l Ecol (应用
生态学报) , 9( 3) : 318~ 322 ( in Chin ese)
8 Liu Z, Jacobson AM and Luthy RG. 1995. Biodegradat ion of
naphthalene in aqueous nonionic surfactant system. App l E nviron
Microbiol , 61: 145~ 151
9 Mulkins2Phillips GJ and Stewart JE. 1974. Effect of four disper2
sants on biodegradat ion and growth of bacteria on crude oil. Appl
Microbiol , 28: 547~ 552
10 Ou ZQ, Yediler A, He YW, et al . 1995. Effect s of linear alkyl2
benzene sulfonate ( LAS) on the adsorpt ion behaviour of phenan2
threne on soils. Chemosphere, 30( 2) : 313~ 325
11 Rehmann K, Steinberg C and Ket t rup A. 1996. Branched
metabolic pathway for phenanthrene degradat ion in a pyrene2de2
grading bacterium. Polycyclic Aromatic Compounds, 11: 125~ 130
12 Rehmann K, Noll HP, Steinberg CEW, et al . 1998. Pyrene
degradat ion by Mycobacterium sp. strain KR2. Chemospher e, 36:
2977~ 2992
13 Volkering F, Breure AM, van Andel JG, et al . 1995. Influence of non2
ionic surfactants on bioavailability and biodegradation of polycyclic aromatic
hydrocarbons. Appl Environ Microbl , 61: 1699~ 1705
14 Voutsa D and Samara C. 1999. Dietary intak e of t race elements
and polycyclic aromat ic hydrocarbons via vegetables grown in an in2
dust rial Greek area. Sci Total Envi ron , 218: 203~ 216
作者简介 姜 霞, 女, 1974 年生, 博士, 从事污染生态方
面的研究, 已发表论文数篇. E2mail: jiang_xia74@21cn. com
2014 应 用 生 态 学 报 14卷