月桂酰基谷氨酸鈉促進(jìn)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(xué)院 軍事油料應(yīng)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(xué)院 國(guó)防建筑規(guī)劃與環(huán)境工程系，重慶 401311）

月桂酰基谷氨酸鈉促進(jìn)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(xué)院 軍事油料應(yīng)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(xué)院 國(guó)防建筑規(guī)劃與環(huán)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(duì)江河水體中常見(jiàn)的面源油污染物生物降解性能的影響。結(jié)果表明：月桂酰基谷氨酸鈉可明顯促進(jìn)柴油、內(nèi)燃機(jī)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(jī)理是由于月桂酰基谷氨酸鈉的表面活性劑作用，增強(qiáng)了烴類(lèi)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(zhì)速率，進(jìn)而增大了烴類(lèi)“暴露”于微生物細(xì)胞膜的濃度，使微生物與底物接觸機(jī)會(huì)增多，另一方面作為微生物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)加速了微生物生長(zhǎng)與繁殖，使微生物數(shù)量增多，兩者共同作用促進(jìn)了污染油的生物降解。

生物降解性；微生物；作用機(jī)理；表面活性劑

近年來(lái)，由于機(jī)械滲漏、泄漏、溢出、人為排放等原因，長(zhǎng)江、嘉陵江、鄱陽(yáng)湖、洞庭湖等江河湖體水面油污染十分嚴(yán)重，進(jìn)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(tài)毒性，難以生物降解，對(duì)生態(tài)環(huán)境和生態(tài)平衡破壞嚴(yán)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(duì)減少礦物油污染、維護(hù)生態(tài)平衡、改善生態(tài)環(huán)境具有十分重要意義。

從環(huán)境微生物學(xué)角度看，改變外部固有的環(huán)境存在狀態(tài)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(huán)境中微生物的生長(zhǎng)繁殖，增強(qiáng)微生物的活性，大大促進(jìn)難降解化合物的生物降解。基于此，發(fā)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(fù)新技術(shù)，例如在水體礦物油污染區(qū)域中設(shè)計(jì)添加可誘導(dǎo)該水域微生物生長(zhǎng)的促進(jìn)劑，從而提高污染礦物油的生物降解性能，這是生物修復(fù)技術(shù)發(fā)展的一種嶄新思路。月桂酰基谷氨酸鈉是一種與水體生態(tài)相容性能優(yōu)異的表面活性劑，且分子中含有與微生物蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)相似的酰胺化學(xué)鍵，是微生物生長(zhǎng)所需的良好營(yíng)養(yǎng)成分，將其加入礦物油污染的水體中能促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)繁殖、提高污染礦物油的生物降解速率。此外，關(guān)于具有化學(xué)表面活性的某些化合物在礦物油污染環(huán)境生物修復(fù)技術(shù)中的應(yīng)用也有較多的研究[6-8]。本文以重慶市沙坪壩區(qū)境內(nèi)跳蹬河水體中的微生物為本源微生物，參考近些年來(lái)江河湖泊中常見(jiàn)的污染油配制的樣品作為降解試驗(yàn)用油，考察了月桂酰基谷氨酸鈉對(duì)江河水體中常見(jiàn)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(jìn)作用的機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

月桂酰基谷氨酸鈉：分析純，上海中獅科技發(fā)展有限公司提供；

無(wú)機(jī)培養(yǎng)基：NaCl 0.1g，NH4Cl 0.1g，MgSO47H2O 0.3 g，NaH2PO4-NaOH 調(diào)節(jié)pH=5.0 或用KH2PO4-K2HPO4調(diào)節(jié)pH=6.0～7.8，無(wú)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(qū)境內(nèi)跳蹬河，在無(wú)機(jī)培養(yǎng)基培養(yǎng)下經(jīng)曝氣處理24 h后放入生物降解瓶中備用；

CF 15W/40 柴油機(jī)油：長(zhǎng)城潤(rùn)滑油公司提供；

SF 15W/40 汽油機(jī)油：長(zhǎng)城潤(rùn)滑油公司提供；

68號(hào)抗磨液壓油：長(zhǎng)城潤(rùn)滑油公司提供；

0#國(guó)四車(chē)用柴油：中石油重慶分公司提供。

1.2 樣品配制

經(jīng)過(guò)調(diào)研，重慶市沙坪壩區(qū)跳蹬河流域的污染油種類(lèi)主要是機(jī)修排放的內(nèi)燃機(jī)油、清洗汽車(chē)零件用的柴油、以及機(jī)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(cè)定

在配制的模擬污染油樣品中分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(xiàn)[9]建立的潤(rùn)滑油生物降解性能快速測(cè)定方法評(píng)定污染油的生物降解性。該方法以生物降解指數(shù) BDI（相同條件下受試油樣降解成 CO2與基準(zhǔn)物油酸降解生成 CO2的體積分?jǐn)?shù)）為降解指標(biāo)，BDI越大，生物降解性能越好。

2 結(jié)果與討論

2.1 月桂酰基谷氨酸鈉對(duì)污染油生物降解性能的影響

圖 1所示為降解時(shí)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(shù)隨月桂酰基谷氨酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(jìn)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(xiàn)上升趨勢(shì)，促進(jìn)劑添加量達(dá)到 1.5%時(shí)所有污染油樣的生物降解指數(shù)均超過(guò)了60%，達(dá)到了可降解水平，表明月桂酰基谷氨酸鈉能有效促進(jìn)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(shí)，污染油中含有柴油機(jī)油、汽油機(jī)油、抗磨液壓油等含量越高，生物降解指數(shù)越低，這可能是這些種類(lèi)污染油中有毒添加劑抑制了水體中活性微生物的生長(zhǎng)所致。

2.2 月桂酰基谷氨酸鈉對(duì)水體活性微生物生長(zhǎng)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(guān)鍵的因素是水體中微生物的種群和數(shù)量。后勤工程學(xué)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(jìn)劑前后水體中微生物數(shù)量變化情況。

從圖2可以看出，與自然水體中微生物形態(tài)相比，加入污染油A后，水體中的微生物數(shù)量明顯減少，形體發(fā)生了變化，表明污染油抑制了水體微生物的生長(zhǎng)，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(jìn)劑后，微生物的數(shù)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(jìn)劑后，水體中的微生物數(shù)量明顯增加，這與前面生物降解試驗(yàn)結(jié)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(jìn)劑后，污染油的生物降解指數(shù)明顯增大，表明月桂酰基谷氨酸鈉促進(jìn)劑促進(jìn)了微生物的生長(zhǎng)和繁殖。

圖2 加有污染油和生物降解促進(jìn)劑前后水體中微生物形態(tài)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(jìn)污染油生物降解機(jī)理初步探討

污染礦物油的生物降解過(guò)程遵循烴類(lèi)化合物的生物降解規(guī)律[10,11]，在生物降解菌的作用下，烴類(lèi)化合物末端氧化生成脂肪醇或脂肪酸，進(jìn)一步在β-氧化過(guò)程中產(chǎn)生酰基輔酶A，直到最終完全生物降解。而生物降解過(guò)程中，只有先經(jīng)過(guò)降解菌的外層親水細(xì)胞壁（膜）進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，有機(jī)烴類(lèi)化合物才能被細(xì)胞質(zhì)膜中的烴化合物降解酶代謝，因此，污染油烴類(lèi)化合物的憎水性是阻滯其被環(huán)境微生物代謝和降解的重要原因。環(huán)境微生物對(duì)烴類(lèi)化合物的可利用性主要受到兩個(gè)因素的限制[12]：一是烴類(lèi)化合物從不可被環(huán)境微生物利用的非水相到可以被環(huán)境微生物利用的水相的傳質(zhì)速率；二是烴類(lèi)化合物“暴露”于微生物細(xì)胞膜外的濃度。因此，污染油烴類(lèi)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(lèi)化合物得到較好的溶解或分散，提高了烴類(lèi)化合物由非水相向水相的傳質(zhì)速率，同時(shí)加大了其與生物降解菌細(xì)胞的接觸面積，相當(dāng)于增加了烴類(lèi)化合物在細(xì)胞膜外的濃度，最終提高了污染礦物油中烴類(lèi)化合物的生物降解性；另一方面，這類(lèi)促進(jìn)劑含有的酰胺鍵與蛋白質(zhì)相似，因此可以為微生物降解污染油烴類(lèi)化合物提供養(yǎng)分，使微生物的生長(zhǎng)與繁殖得到促進(jìn)，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(shí)，如含硫添加劑，這些添加劑會(huì)抑制微生物的生長(zhǎng)繁殖，影響生物降解速率。另外，微生物在生物降解時(shí)，自身會(huì)產(chǎn)生出很多種類(lèi)不同結(jié)構(gòu)的表面活性劑，即使是同一種類(lèi)的生物表面活性劑也會(huì)有幾種不同的結(jié)構(gòu)[13]，這是微生物適應(yīng)不同環(huán)境能力的具體表現(xiàn)，環(huán)境微生物通過(guò)調(diào)節(jié)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(chǎn)生的表面活性劑會(huì)影響原有體系的表面性質(zhì)，從而改變其對(duì)烴類(lèi)化合物的生物降解途徑。

3 結(jié) 論

（1）月桂酰基谷氨酸鈉能明顯促進(jìn)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(jìn)污染油生物降解的作用機(jī)理是由于月桂酰基谷氨酸鈉的表面活性劑作用，增強(qiáng)了烴類(lèi)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(zhì)速率進(jìn)而增大了烴類(lèi)“暴露”于環(huán)境微生物細(xì)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(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目, 項(xiàng)目號(hào)：51375491; 重慶市自然基金資助項(xiàng)目, 項(xiàng)目號(hào)：CSTC2014jcyjA50021）;院創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目 YZ13-43703；沙坪壩區(qū)科委資助項(xiàng)目, 項(xiàng)目號(hào)：SF201508。

2017-01-09

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