生物表面活性剂对土壤中微生物降解疏水性有机物的作用机制
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钟华等:生物表面活性剂对土壤中微生物降解疏水性有机物的作用机制
生物表面活性剂对土壤中微生物降解疏水性有机物的作用机制①
钟
华②
曾光明③
黄国和。
傅海燕
(湖南大学环境科学与工程系长沙410082)
(+里贾纳大学工学院Saskatoon¥4SOA2加拿大)
摘要探讨了在生物表面活性剂作用下,微生物在土壤介质中迁移和在疏水性有机污
染物表面吸附的机制,以及生物表面活性剂与微生物细胞膜的作用模式,初步揭示了生物表面活性剂改变污染物的生物可利用性而促进其降解的微生物机理。
关键词土壤修复,疏水性有机污染物,生物表面活性剂,微生物效应,生物可利用性
团)和亲脂基团(亦称非极性基团、憎水基团)的两性
0
引言
人类工业活动(如石油的开采、输送及石油化工
生物分子。其中亲脂基团主要包括烷基碳链和环烷基或芳香基碳环,亲水基团主要包括羧基、磷酰基和
工业活动等)引起的土壤中疏水性有机污染物(hv.
drophobicorganic
羟基。根据它们的结构和形态,它们可以分为六类:
羟基化和交联化的脂肪酸(地衣酸)、糖脂、磷脂、脂
compounds,HOCs,以下简称为有机
污染物)的污染已经成为全球关注的问题。利用土
或外源微生物并结合相关助剂使污染物直接降解而达到土壤的修复是解决这个问题的技术之一。表面活性剂作为一种助剂能够增强污染物的生物可利用
多糖、脂肽和脂蛋白以及细胞整体16j。生物表面活性剂也可以按分子大小分成两类:诸如糖脂、磷脂、
脂肽和脂肪酸等能够有效降低表面张力的低分子量
分子和诸如脂多糖和脂蛋白等多聚物L7j。主要的生
物表面活性剂以及它们源微生物见表1。生物表面
性而促进其降解过程。生物表面活性剂作为由微生
物产生的一类新型表面活性剂,相对于化学表面活
活性剂的化学结构、物化性质和生物合成都有详细
的研究和报道【8-13J。生物表面活性剂在土壤介质中的聚集形态不一,一般情况下它们吸附于介质的固
性剂有低毒性、可降解性和生态相容性、高效性和稳
定性等诸多优势,因此不仅在石油开采和运输、制药
工业、食品工业、纺织工业和化妆品工业等领域u’2J
应用广泛,而且在环境工程领域特别是土壤修复中的应用也得到了越来越多的关注。
针对生物表面活性剂的作用机理,以往的研究
液界面,或者以单分子形式溶解于介质水相中或在
水相中形成胶团。吸附在微生物细胞表面也是它的一种重要的存在形式。它们在固液界面的三种主要吸附方式是:由静电吸引和非极性亲和引起的表面活性剂分子在界面的锚定和铺展,表面活性剂分子的非极性基团在固相表面的聚集形成半胶团,以及
主要考察了由于它的物理效应(如对污染物在土壤
水相中的增溶作用b'4j、对污染物在有机相和水相之问传质的影响bJ)而导致的污染物生物可利用性
在固体颗粒表面形成单层和双层膜。在土壤水相中,除了表面活性剂单分子外,它们聚集形成胶束、
胶囊和双层膜。在细胞表面的吸附主要是由于表面活性剂分子与细胞膜中的化学物质(如磷脂、多糖和
的增强。事实证明,由于与微生物的生理过程相关,
生物表面活性剂往往能够作用于微生物细胞而影响
污染物的降解过程。本文以前人研究结果为基础,旨在对生物表面活性剂在土壤修复过程中所产生的微生物效应进行归纳性探讨。
1
脂蛋白等)的相互作用引起的。多种吸附和聚集形
态造成了微生物与土壤介质和污染物之间相互作用
生物表面活性剂
生物表面活性剂是含有亲水基团(亦称极性基
①863计划(2001AA644020)资助项目。
的变化,导致不同的微生物效应。
对降解微生物的微毒性是生物表面活性剂的微生物作用之一。化学表面活性剂的毒性被认为是因
②男,1980年生,硕士;研究方向:环境工程;E-mail:environmental21cn@yahoo.corn.cn
③联系人,E.mail:Zgming@hnu.cn
(收稿日期:2005-03—15)
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高技术通讯2006年3月第16卷第3期
为它们能够溶解细胞酶、细胞受体和蛋白,导致细胞
膜的生理功能紊乱,或者细胞膜损伤使胞内物质外流而引起的[14]。而生物表面活性剂由于是微生物
代谢产生,性质温和,与细胞作用时一般不具有破坏性。在八种化学表面活性剂和九种生物表面活性剂的毒性考察中,生物表面活性剂总体上毒性更低并
且更容易生物降解u5|。
表1生物表面活性剂类型及合成菌种生物表面活性剂合成菌种
鼠李糖脂
PseudomonasaeruginasaPseudomonasspp.
海藻糖脂
Arthrobacter
paraf/ineus
Corynebacteriumspp.
Mycobacteriumspp.
Rhodococus.erythropolis
槐糖脂
Candidaspp.
Torulopsisbombicola
磷脂Acinetobacterspp.
Corynebacteriua!kanolyticum
死函bacillus
thiooxiclans
葡萄糖脂,果糖脂和蔗糖脂
Arthrobacterspp.Co,ynebacteriumspp.Rhodococc//¥erythropolis
纤维二糖脂Ustilagomaydis
多羟基脂
Rhodotomlaglutinus
Rhodotorulagraminus
磺酰基脂Capnoeytophagaspp.糖基甘油脂1actobacillusfermentii脂多糖
AcinetobactercalcoaceticusPseudomonasspp.Candidalipolytica
脂肽和脂蛋白(莎梵婷,粘质,Arthrobacter
spp.
短杆菌肽,多粘菌素等)
Bac///usbrevisBacillus
lieheniformis
BacilluspolymyxaBacilluspumilisBacillussubtilisCandida
Z枷加池
尸3ez加bmon傩∥∞r∞ce瑚
5jⅣ疵iamarcescens
鸟氨酸肽和赖氨酸肽
6luconobactercerinusStreptomycessioyaensis
死抽baci皿us
thiooxidans
脂肪酸(棒状杆菌地衣酸,Anhrobaeter
parafineus
spiculisporic酸,沙雷维婷等)
Corplebactedum却凇
PeniciUiumspiculisporumRhodococcuserythropolisTalaramycestrachyspermus
---——326--———
2微生物效应
污染物的生物可利用性是影响降解的重要因素之一。它一般定义为营养物质能够被微生物或微生物所产生的胞外酶所接近的程度u6l。除了描述了
诸如污染物的种类形成、多相分配、传质、向生物摄
取处(如微生物的细胞膜)的物质输送和胞外转化等物化性质外,它还依赖于降解微生物的性质,如微生
物的活动性能、基质的摄取形式以及微生物胞外酶
的性质等。生物表面活性剂的产生被认为是微生物
对土壤中污染物的低生物可利用性的生理反应之一。如图1所示,生物表面活性剂影响污染物的生物可利用性和降解模式的微生物效应主要包括以下三个方面:(1)生物表面活性剂的介入改变降解微生
物菌体与土壤介质的相互作用,增强了细胞在土壤
介质中的迁移作用;(2)生物表面活性剂通过改变降解微生物细胞表面性质,调节细胞在污染物表面
的吸附状况,促进它们之间的相互作用;(3)通过作用于细胞膜,生物表面活性剂可能可以改变其结构和性质,并促成了污染物摄取模式的变化u7J9|。
I生物表面活性剂分子在土壤介质表面的吸附;II生物表面活性剂分子在附着污染物表面的吸附;Ⅲ胶束溶解的污染物;Ⅳ污染物由有机相向水相的传质;V胶束在微生物表面的附着;Ⅵ菌体对胶束中污染物的摄取;Ⅶ菌体对水相溶解的污染物的摄取;Ⅷ胶束从菌体表面的释放;Ⅸ生物表面活性剂作用下菌体在污染物表面的吸附;X菌体对附着污染物的摄取
图1生物表面活性剂介入下微生物
对有机污染物的摄取示意图
2.1微生物移动性
土壤修复中一个很大的阻碍是土壤层是菌体有
效的吸附剂,它能够在10~100cm的深度处将表层
钟华等:生物表面活性剂对土壤中微生物降解疏水性有机物的作用机制
所添加的菌剂的细胞浓度减少几个数量级,从而使得土壤深层的污染物降解困难。在生物表面活性剂的作用下,菌体的传输性能可以得到加强。Bai
等旧峙艮道了生物表面活性剂鼠李糖脂对防止外加
菌种在土壤颗粒表面的不可逆吸附和增强菌体在土壤层中穿透性能的有效性。Li和Logan也发现在单
鼠李糖脂作用下一株争论贪噬菌(Alcalige麟paraxo—
C//。S)和一株筛选的革兰氏阴性菌在两种单一成分介质(玻璃珠和石英粉)和两种土壤介质中的吸附系数
有所下降E21I。生物表面活性剂的这种作用可能有
三种原因:(1)生物表面活性剂在微生物表面的吸附改变了它们的表面性质(如表面电荷性质、亲水亲脂性能),使它们与土壤颗粒成功碰撞产生吸附的几率变小;(2)生物表面活性剂吸附和覆盖于土壤颗粒表面,占据了微生物细胞的吸附中心,它们伸向土壤水
相的部分对微生物细胞存在排斥作用;(3)生物表面
活性剂能够溶解对微生物细胞起固定作用的胞外多
聚糖并促成流动性的生物膜的形成。如果以上解释
成立,那么富集于土壤表层的微生物群落或添加菌剂将可以随着下渗的生物表面活性剂溶液到达土壤的深层。
对于小范围土壤介质中降解微生物菌落,它们向四周扩展性能对污染物的降解也有重要意义。生
物表面活性剂有加强茵体移动和菌落扩展能力的作
用。Matsuyama和Nakagawa报道,粘质沙雷氏菌(SerratiaMarcescen蠊)菌落在它自身产生的生物表面活性剂沙雷维婷(serrawettin)的作用下表现出了显著
的扩展生长,并且在琼脂培养基上形成了巨大的海
湾状轮廓的菌落,而不能产生沙雷维婷的变种则没有这种旁枝生长现象陇J。他们认为,由粘质沙雷氏菌产生的沙雷维婷减弱了周围水相的张力作用,使得菌落扩展的阻力变小而生长范围增加。用产生的生物表面活性剂莎凡婷的枯草芽孢杆菌(Bacillus
subtilis)和没有这种性状的变种进行的实验中也有类似结果,表明具有表面活性的生物脂类物质在表
面环境中对细胞的活动性能有重要影响123'24J。2.2细胞表面性质及其在污染物表面的吸附
根据菲克扩散定律,有机污染物向降解微生物的传质加强作用不仅源自它们在土壤水相中的分散增强,同时也可以由两者之间更大的基质浓度梯度引起。降解微生物可以通过减小和污染物源之间的距离(如贴近污染物基质并形成生物膜),或者通过形成与}亏染物有高亲和性摄取体系以更有效地降低它们周围水相中基质浓度来增大浓度梯度L25J。就
前一种机理,微生物在污染物表面的附着很关键。而微生物细胞的表面性质是决定其附着能力的主要因素。生物表面活性剂通过在菌体细胞膜外层的吸附,能够调节细胞表面的亲水亲脂性能,从而影响微生物的附着过程和污染物的吸收。
在生物表面活性剂的作用下细胞表面的疏水性增加被认为可以加强菌体和污染物之间的亲和力而导致两者的吸附。有研究显示,与细胞壁相关联的阴离子海藻糖脂防止了细胞表面的润湿而增强了细胞在水相和有机相之间的直接接触嘶J。Gallego等127J发现,不动杆菌(Acinetobacter)自身产生的生物表面活性剂能够促进菌株在有机污染物液滴上的吸
。附,并且于生长在柴油琼脂培养基上的菌落周围产
生白色乳化物。对菲的一些降解菌的表面性质的考察表明,生物表面活性剂通过移除细胞膜外层的脂
多糖加强了细胞表面的疏水性,有助于菌体与基质
的直接作用[28,29]。Hua等[30]报道,在它自身产生的生物表面活性剂的作用下,一株南极假丝酵母(CandidaAntarctica)表面疏水性增加,并且它对与产生生物表面活性剂碳源有相似结构的烷烃的降解能力增强。
然而生物表面活性剂改变细胞表面亲水性能的机制要视具体情况而定。Arino等131J考察了一株铜绿假单胞菌(Pseudomonasaeruginosa)表面性质的变化,发现细胞的疏水性在甘油培养基中发酵200小
时之后(进入静止期)开始减弱并下降到约为原来的一半。在十六烷的降解实验中也得到了类似的结果。他们认为,生物表面活性剂鼠李糖脂从细胞膜
外层的释放引起了溶液中其浓度的上升和细胞表面
疏水性的减弱。对于其它一些菌种(如不动杆菌
(Acinetobacter)),它们自身产生的生物表面活性剂在细胞上的附着能够减小细胞表面的疏水性【32j。就脂肽类的生物表面活性剂而言,Ahimou等[33J认为生
物表面活性剂分子极性端易吸附到弱疏水性的细胞
膜表面,而非极性端易吸附于强疏水性细胞膜表面,从而伸向细胞外侧的分子基团使得细胞表面的亲水性能与原来的相反。
从微生物的生理角度,Rosenberg对这种现象的
解释是,附着在菌体表面的生物表面活性剂分子的
定向排列是微生物根据在有机污染物表面吸附和解
吸需要而调节表面性质的手段。他进一步认为,生物表面活性剂分子在许多有机污染物降解菌种的生长初期附着在菌体表面,使之疏水性增强而加强其吸附,而在菌体生长的静止期它们从外层细胞膜释
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放出来并在污染物液滴表面聚集成膜,使得菌体表面亲水性增强而使之从可利用成分已经耗尽的液滴
上解吸脱离以寻找新的碳源,同时附着的生物表面活性剂层对液滴进行标记,而在生物表面活性剂的
作用下菌体表面的这种疏水性和亲水性的变化是微
生物调节吸附的生理过程17'11J。另外,微生物细胞膜与生物表面活性剂胶束的吸附作用造成了微生物与胶束内部的有机污染物的直接接近,成为加强污染物传质的另一种途径。2.3污染物的摄取
对生物表面活性剂加强有机污染物降解的另一个可能的原因是在生物表面活性剂的作用下微生物细胞膜结构的改变以及由此引起的污染物透过性能
加强,而菌体表面性质的变化为细胞膜结构变化的
外在表现。对于假单胞菌(Pseudomonas),它们对污
染物的降解能力与它们表面的疏水性能呈正关系,疏水性最强的菌体降解污染物的速率也最快㈣J。
Lang和Philp报道,由一株红球菌(rhodococci)非离子生物表面活性剂海藻糖脂改变了其细胞表面的疏水性,加强了细胞的吸附以及烷烃向细胞内部的输送,而这种输送不需要能量和专门的细胞膜蛋白质【191。
生物表面活性剂莎梵婷也能够以聚集体的形式排列
在细胞膜的表面或者嵌入细胞膜中而改变细胞膜的结构,并且认为它对在细胞膜上形成”微孔”和”通道”而对污染物摄取有所帮助【35J。
Southam等[36j发现降解微生物产生生物表面活性剂乳化油类物质后,在油滴上的吸附往往伴随有高电位的、两性的菌体和表面活性剂界面。他们用透射电镜观察到了在乳化油滴表面带电的表面活性
剂层的形成、微小乳化油滴在细胞表面吸附以及在
细胞膜和表面活性剂层之间纤维状有机物质(被认
为是表面活性剂或表面活性剂与油的混合物)的产
生及其向细胞膜的伸展。因此他们认为,实验菌体
对油类物质的吸收是通过纳米级的微小乳化油滴与外层细胞膜的融合和对表面活性剂与油的混合态物质的摄取实现的,而这种细胞表面的微小油滴和剂油混合物导致了菌体疏水性增强。
Arino等L31_比较了铜绿假单胞菌(Pseudomonas
aetT嚼nosa)外层细胞膜的脂多糖和由它产生的生物
表面活性剂鼠李糖脂的结构,并且发现了它们的相
似陛。由此他推断鼠李糖脂可能是铜绿假单胞菌外
层细胞膜的合成物,而两者之问的相互作用也有助于解释细胞表面疏水性的变化和有机污染物穿透细
胞膜的传输作用。
- -——
328-— -——
2.4细胞生化过程及基因关联
在这方面的研究报道相对较少。一般认为,生物表面活性剂在有机污染物的降解过程中是作为共
代谢产物而合成的。然而,生物表面活性剂在加强污染物的降解过程中是否与细胞的生化活动相关
联,或者说它们是否作为一种中间反应物参与了污染物的生物转化过程而成为细胞可控因素仍然尚不清楚。另外,由于降解微生物的生长往往限于有机相和水相界面而有机污染物的转化酶通常附于细胞膜上旧7I,生物表面活性剂此类酶的相互作用对酶的
活性以及相应污染物的代谢可能有重要影响。某些
种类的生物表面活性剂的产生是与基因相关的,并且疏水性物质能够激起细胞内合成它们的生化反应138铷J,但是基本没有证据能够揭示它们的功能和基因行为的相关性。
3
结论与展望
添加了生物表面活性剂的土壤中有机污染物的降解过程是土壤介质、污染物、生物表面活性剂和降解微生物之间的互动的过程。由于生物表面活性剂的物化和生物作用导致的污染物的生物可利用性增
强为降解强化的基本原理。其中生物表面活性剂的微生物效应主要表现为:(1)加强微生物在土壤中的
迁移;(2)改变细胞表面性质以及调节菌体在污染物上的吸附;(3)与细胞膜作用改变其结构和性质,可能形成新的污染物摄取机制。
然而生物表面活性剂在污染物降解过程中的生
理作用(如它们是否参与了污染物的转化反应,与酶
的作用等)尚不清楚。有报道认为生物表面活性剂的产生与有机污染物的降解没有必然联系141I,或者
与细胞其它活动有关L42J,而它们也可以只用易溶于水的基质合成使得问题更加复杂化b1,43J。生物表面活性剂的微生物作用机理尚有诸多探寻之处。
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E.Exploitingmicrobialgrowth
hydrocarbons:
sarfactantbyfed..batchcultureofPseudomonasael-ll譬irtosa
ing
glucose
as
a
markets.Tibtech,1993,1l:419—423
E
solecarbon
source.BiosciBiotechnol
[38]SullivanR.Moleculargeneticsofbiosurfactantproduction.
Biochem,1999,63:946—947
Effectsofbiosurfactants
on
biodegradationofsoilHOCs:
fromthemicrobialaspect
ZhongHua,ZengGuangming,HuangGuohe,FuHaiyan”
(DepartmentofEnvironmentalScienceandEngineering,HunanUniversity,Changsha410082)
Canada)
(”FacultyofEngineering,UniversityofRegina,Saskatoon¥4S0A2
Abstract
Inthispaper,themicrobialeffectsofbiosuffaetantsinthemmediationofthesoilcontaminatedbyhydrophobic
or-
ganic
matrixcellthe
compounds
as
are
given.Thecapabilityofbiosurfactantstochangethemobilityand
on
transportability
ofcellsinthesoil
well
as
themicrobialadhesion
thecontaminantsisreviewed.Finally,interactionmodeofbiosurfactants
ofthe
and
membrane
isalso
analyzed,and
the
mechanism
biosurfactants
to
change
the
bioavailabiltyand
degradabilityof
contaminants
intermsofthedegradativemicroorganismsisbasicallyrevealed.
Keywords:soilmmediation,hydmphobicorganic
compounds,biosurfaetants,microbialeffects,bioavailability
勘误
我刊2006年1月第16卷第1期刊登的《邻单胞茵M6中甲基对硫磷水解酶(MPH)的纯化及性质的研
究》一文(P84~87)的通讯作者为崔中利(电子邮箱:czl@njau.edu.an)。
特此更正。
《高技术通讯》编辑部
--——330—--——
生物表面活性剂对土壤中微生物降解疏水性有机物的作用机制
作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):被引用次数:
钟华, 曾光明, 黄国和, 傅海燕, Zhong Hua, Zeng Guangming, Huang Guohe, FuHaiyan
钟华,曾光明,傅海燕,Zhong Hua,Zeng Guangming,Fu Haiyan(湖南大学环境科学与工程系,长沙,410082), 黄国和,Huang Guohe(里贾纳大学工学院 Saskatoon S4S 0A2加拿大)高技术通讯
CHINESE HIGH TECHNOLOGY LETTERS2006,16(3)5次
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