正己烷降解菌细胞表面疏水性的强化研究

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正己烷是一种强疏水性有机物,传统的生物处理技术受到传质限制的影响,去除效率往往不尽如人意。通过对浙江某制药企业污水处理池的活性污泥进行长期驯化、富集,分离到一株高效降解正己烷的菌株,命名为NX-1。经形态观察、生理生化试验、Biolog和16S rDNA序列分析确定其为Pseudomonas mendocina。NX-1在73h内能够完全降解700 mg·L-1的正己烷,正己烷的比降解速率为0.04mg·mg-1cell·h-1。与其他正己烷降解菌相比,该菌的降解速率具有明显优势。由于正己烷的去除速率与细胞表面疏水性(CSH)密切相关,故研究了影响P.mendocina NX-1 CSH的关键因素。利用微生物黏着碳氢化合物法(MATH)测定不同环境条件下的CSH,发现pH、淀粉和壳聚糖浓度显著影响CSH值;通过Box-Behnken设计及响应面分析确定了提高P.mendocina NX-1 CSH的最优条件:pH7.61,淀粉为9.39 g·L-1,壳聚糖为1 g·L-1,最大CSH达到56.0%。为了评估细胞表面疏水性(CSH)和P.mendocina NX-1降解正己烷效率之间的关系,比较了最优条件下得到的最大CSH为56.0%和不经特别处理的CSH为15.0%的NX-1菌株对正己烷的生物降解。正己烷降解模型符合Haldane方程,56.0%的CSH细胞的最大比降解速率(νmax)为0.72 mg·mgcell-1·h-1,而15.0%的CSH细胞则为0.47 mg·mgcell-1·h-1。底物抑制浓度分别为5359和4659 mg·L-1。氧气消耗累积量和产生的二氧化碳总量随着CSH的增加而显著增加,高CSH的NX-1菌株消耗氧气的速率明显较高,在18 h30 h之间最高氧气消耗速率为287.08μL·h-1,低CSH NX-1菌株为57.25μL·h-1。研究还表明NX-1的CSH和细胞表面性质密切相关,细胞外蛋白和Zeta电位增加,胞外多糖降低导致了CSH的增加。红外光谱也显示CSH为56.0%的NX-1细胞表面出现了新的脂质和蛋白质波峰。针对两相分配生物反应体系(TPPB体系)内CSH对NX-1降解效果的影响,探究出硅油-水相比为0.5时,对CSH强化的诱导作用以及正己烷的降解效果最好。在TPPB体系内,随着正己烷浓度的增加,不同CSH的微生物降解效率的差异越来越显著。在高浓度正己烷(1200 mg·L-1)条件下,高CSH的NX-1平均降解速率为13.57 mg·L-1·h-1,比低CSH的高出5.15 mg·L-1·h-1,这一差值较低浓度正己烷(500 mg·L-1)条件下两者的平均降解速率之差1.2 mg·L-1·h-1更高。另外,研究得出正己烷在硅油相、气相、水相之间的分配系数为2513:13:1,且CSH为56.0%的NX-1在水相和非水相的分配比则为1:14.7,远高于CSH为15.0%的NX-1在水相和非水相的分配比。这为进一步研究CSH在TPPB体系内的作用奠定了基础。
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