月桂酰基谷氨酸鈉促進江河水體面源污染油生物降解研究

方建華，李建武，張 楠，鄭 哲，劉 坪

（1. 后勤工程學院 軍事油料應用與管理工程系，重慶 401311； 2. 駐中石油蘭州石化分公司軍事代表室， 甘肅 蘭州 730060；3. 后勤工程學院 國防建筑規劃與環境工程系，重慶 401311）

月桂酰基谷氨酸鈉促進江河水體面源污染油生物降解研究

方建華1，李建武2，張 楠3，鄭 哲1，劉 坪1

（1. 后勤工程學院 軍事油料應用與管理工程系，重慶 401311； 2. 駐中石油蘭州石化分公司軍事代表室， 甘肅 蘭州 730060；3. 后勤工程學院 國防建筑規劃與環境工程系，重慶 401311）

以江河水體中典型微生物為本源微生物，考察了月桂酰基谷氨酸鈉對江河水體中常見的面源油污染物生物降解性能的影響。結果表明：月桂酰基谷氨酸鈉可明顯促進柴油、內燃機油、液壓油污染的水體中油污染物的生物降解性能，其降解作用機理是由于月桂酰基谷氨酸鈉的表面活性劑作用，增強了烴類化合物從不可被微生物利用的非水相到可以被微生物利用的水相的傳質速率，進而增大了烴類“暴露”于微生物細胞膜的濃度，使微生物與底物接觸機會增多，另一方面作為微生物營養物質加速了微生物生長與繁殖，使微生物數量增多，兩者共同作用促進了污染油的生物降解。

生物降解性；微生物；作用機理；表面活性劑

近年來，由于機械滲漏、泄漏、溢出、人為排放等原因，長江、嘉陵江、鄱陽湖、洞庭湖等江河湖體水面油污染十分嚴重，進入水體的污染油主要以礦物油為主，而礦物油具有高生理生態毒性，難以生物降解，對生態環境和生態平衡破壞嚴重[1,2]。因此，提高江河水體中污染礦物油的生物降解速率對減少礦物油污染、維護生態平衡、改善生態環境具有十分重要意義。

從環境微生物學角度看，改變外部固有的環境存在狀態可使原本難生物降解的礦物油變得可生物降解或易生物降解[3-5]。研究表明，有些化合物可以加快土壤、水體等環境中微生物的生長繁殖，增強微生物的活性，大大促進難降解化合物的生物降解。基于此，發展和提高江河水體中污染礦物油生物降解性的在線生物修復新技術，例如在水體礦物油污染區域中設計添加可誘導該水域微生物生長的促進劑，從而提高污染礦物油的生物降解性能，這是生物修復技術發展的一種嶄新思路。月桂酰基谷氨酸鈉是一種與水體生態相容性能優異的表面活性劑，且分子中含有與微生物蛋白質結構相似的酰胺化學鍵，是微生物生長所需的良好營養成分，將其加入礦物油污染的水體中能促進微生物的生長繁殖、提高污染礦物油的生物降解速率。此外，關于具有化學表面活性的某些化合物在礦物油污染環境生物修復技術中的應用也有較多的研究[6-8]。本文以重慶市沙坪壩區境內跳蹬河水體中的微生物為本源微生物，參考近些年來江河湖泊中常見的污染油配制的樣品作為降解試驗用油，考察了月桂酰基谷氨酸鈉對江河水體中常見的面源油污染物生物降解性能的影響，并初步探討了其生物降解促進作用的機理。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

月桂酰基谷氨酸鈉：分析純，上海中獅科技發展有限公司提供；

無機培養基：NaCl 0.1g，NH4Cl 0.1g，MgSO47H2O 0.3 g，NaH2PO4-NaOH 調節pH=5.0 或用KH2PO4-K2HPO4調節pH=6.0～7.8，無酚蒸餾水定容至 100 mL， 121℃，高溫蒸汽滅菌 30 min，自制；

水樣：取自重慶市沙坪壩區境內跳蹬河，在無機培養基培養下經曝氣處理24 h后放入生物降解瓶中備用；

CF 15W/40 柴油機油：長城潤滑油公司提供；

SF 15W/40 汽油機油：長城潤滑油公司提供；

68號抗磨液壓油：長城潤滑油公司提供；

0#國四車用柴油：中石油重慶分公司提供。

1.2 樣品配制

經過調研，重慶市沙坪壩區跳蹬河流域的污染油種類主要是機修排放的內燃機油、清洗汽車零件用的柴油、以及機加廠泄漏的液壓油等，因此，本文采用不同比例油品混合而成的油品作為模擬污染油樣品，樣品配制情況如表1所示。

表1 模擬污染油樣品配方Table 1Component of simulatedpollution oils

1.3 生物降解性能測定

在配制的模擬污染油樣品中分別加入質量分數為 0,0.2%，0.5%，1.0%，1.5%，2.0%，2.5%的月桂酰基谷氨酸鈉，采用文獻[9]建立的潤滑油生物降解性能快速測定方法評定污染油的生物降解性。該方法以生物降解指數 BDI（相同條件下受試油樣降解成 CO2與基準物油酸降解生成 CO2的體積分數）為降解指標，BDI越大，生物降解性能越好。

2 結果與討論

2.1 月桂酰基谷氨酸鈉對污染油生物降解性能的影響

圖 1所示為降解時間 8 d、模擬污染油樣生物降解性能隨月桂酰基谷氨酸鈉添加量變化的情況。

圖1 污染油樣生物降解指數隨月桂酰基谷氨酸鈉質量分數量的變化Fig.1Change ofpollution oils’ BDI with the mass fraction of sodium lauroyl glutamate

從圖1可以看出隨著生物降解促進劑月桂酰基谷氨酸鈉含量的增加，污染油樣的生物降解率呈現上升趨勢，促進劑添加量達到 1.5%時所有污染油樣的生物降解指數均超過了60%，達到了可降解水平，表明月桂酰基谷氨酸鈉能有效促進江河湖泊中油污染物的生物降解。從圖1還可以看出，月桂酰基谷氨酸鈉添加量相同時，污染油中含有柴油機油、汽油機油、抗磨液壓油等含量越高，生物降解指數越低，這可能是這些種類污染油中有毒添加劑抑制了水體中活性微生物的生長所致。

2.2 月桂酰基谷氨酸鈉對水體活性微生物生長的影響

江河湖泊中污染油品生物降解速率的快慢取決于多因素耦合，其中最關鍵的因素是水體中微生物的種群和數量。后勤工程學院張楠、陳波水等人的研究表明，苯酚降解菌、正十六烷降解菌等微生物菌種的含量越高，污染油生物降解越快。圖2所示為加入 2%月桂酰基谷氨酸鈉生物降解促進劑前后水體中微生物數量變化情況。

從圖2可以看出，與自然水體中微生物形態相比，加入污染油A后，水體中的微生物數量明顯減少，形體發生了變化，表明污染油抑制了水體微生物的生長，降低了污染油的生物降解性能。

從圖 2 還可以看出，加入 2%月桂酰基谷氨酸鈉促進劑后，微生物的數量明顯增加，尤其是在B、C、F、G 四種模擬污染油中加入 2%月桂酰基谷氨酸鈉促進劑后，水體中的微生物數量明顯增加，這與前面生物降解試驗結果相吻合，在 B、C、F、G四種模擬污染油中加入 2%月桂酰基谷氨酸鈉促進劑后，污染油的生物降解指數明顯增大，表明月桂酰基谷氨酸鈉促進劑促進了微生物的生長和繁殖。

圖2 加有污染油和生物降解促進劑前后水體中微生物形態變化Fig.2 Variation of microbial morphology in the water contained withpollution oil and biodegradation accelerant

2.3 月桂酰基谷氨酸鈉促進污染油生物降解機理初步探討

污染礦物油的生物降解過程遵循烴類化合物的生物降解規律[10,11]，在生物降解菌的作用下，烴類化合物末端氧化生成脂肪醇或脂肪酸，進一步在β-氧化過程中產生酰基輔酶A，直到最終完全生物降解。而生物降解過程中，只有先經過降解菌的外層親水細胞壁（膜）進入細胞內，有機烴類化合物才能被細胞質膜中的烴化合物降解酶代謝，因此，污染油烴類化合物的憎水性是阻滯其被環境微生物代謝和降解的重要原因。環境微生物對烴類化合物的可利用性主要受到兩個因素的限制[12]：一是烴類化合物從不可被環境微生物利用的非水相到可以被環境微生物利用的水相的傳質速率；二是烴類化合物“暴露”于微生物細胞膜外的濃度。因此，污染油烴類化合物在月桂酰基谷氨酸鈉的作用下，其生物降解速度能夠得到大大提高的原因是：一方面，月桂酰基谷氨酸鈉作為表面活性劑，可以在乳化或增溶作用下，使污染礦物油烴類化合物得到較好的溶解或分散，提高了烴類化合物由非水相向水相的傳質速率，同時加大了其與生物降解菌細胞的接觸面積，相當于增加了烴類化合物在細胞膜外的濃度，最終提高了污染礦物油中烴類化合物的生物降解性；另一方面，這類促進劑含有的酰胺鍵與蛋白質相似，因此可以為微生物降解污染油烴類化合物提供養分，使微生物的生長與繁殖得到促進，提高了生物降解性能。但污染礦物油中如果含有毒性較大的添加劑時，如含硫添加劑，這些添加劑會抑制微生物的生長繁殖，影響生物降解速率。另外，微生物在生物降解時，自身會產生出很多種類不同結構的表面活性劑，即使是同一種類的生物表面活性劑也會有幾種不同的結構[13]，這是微生物適應不同環境能力的具體表現，環境微生物通過調節多種不同表面活性劑的組成及分布，確保底物得到最大程度的分散，這些微生物產生的表面活性劑會影響原有體系的表面性質，從而改變其對烴類化合物的生物降解途徑。

3 結 論

（1）月桂酰基谷氨酸鈉能明顯促進江河湖水中典型污染油的生物降解，污染油中毒性添加劑含量越多，生物降解率越低。

（2）月桂酰基谷氨酸鈉促進污染油生物降解的作用機理是由于月桂酰基谷氨酸鈉的表面活性劑作用，增強了烴類化合物從不可被微生物利用的非水相到可以被微生物利用的水相的傳質速率進而增大了烴類“暴露”于環境微生物細胞膜的濃度。

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Study onpotamic Water Surfacepolluted Oil Biodegradation Accelerated by Sodium Lauroyl Glutamate

FANG Jian-hua1, LI Jian-wu2, ZHANG Nan3, ZHENG Zhe1, LIUping1
（1. Department of Military Oil Application and Administration Engineering , Logistical Engineering University,
Chongqing 401311, China；2. Military Deputy Office ofpetroChina Lanzhoupetrochemical Company, Gansu Lanzhou 730060, China；3. Department of Military Architecture &planning & Environment Engineering,Logistical Engineering University, Chongqing 401311, China）

Thepotamic water surfacepolluted oil biodegradation accelerated by sodium lauroyl glutamate was studied by mean of substrate microbe-type microbe inpotamic water. The results show that the sodium lauroyl glutamate can acceletate biodegradation ofpollution oil which containing diesel oil,internal-combustion engine lubricating oil and hydraulicpressure lubricating oil. Its biodegradation mechanism is inferred that the sodium lauroyl glutamate can effectively decrease interfacial tension of the culture fluids and accelerate microorganism reproduction. This indicates that the sodium lauroyl glutamate as surfactant can on one hand increase the contact areas of oil and water, thusproviding more opportunity for microorganism to take up the substrate. On the other hand, the sodium lauroyl glutamate acted as microbial nutrition topromote microorganism growth, thus increasing microbepopulations. As a result, the biodegradability ofpolluted oil was markedly enhanced.

Biodegradation; Microbe; Effect mechanism; Surfactant

O 623.627

： A

： 1671-0460（2017）02-0204-03

國家自然科學基金資助項目, 項目號：51375491; 重慶市自然基金資助項目, 項目號：CSTC2014jcyjA50021）;院創新基金資助項目 YZ13-43703；沙坪壩區科委資助項目, 項目號：SF201508。

2017-01-09

方建華（1971-），男，教授，博士，主要從事環境友好潤滑劑及添加劑的研究。E-mail：fangjianhua71225@sina.com。