月桂酰基谷氨酸钠促进江河水体面源污染油生物降解研究

方建华，李建武，张 楠，郑 哲，刘 坪

（1. 后勤工程学院 军事油料应用与管理工程系，重庆 401311； 2. 驻中石油兰州石化分公司军事代表室， 甘肃 兰州 730060；3. 后勤工程学院 国防建筑规划与环境工程系，重庆 401311）

月桂酰基谷氨酸钠促进江河水体面源污染油生物降解研究

方建华1，李建武2，张 楠3，郑 哲1，刘 坪1

（1. 后勤工程学院 军事油料应用与管理工程系，重庆 401311； 2. 驻中石油兰州石化分公司军事代表室， 甘肃 兰州 730060；3. 后勤工程学院 国防建筑规划与环境工程系，重庆 401311）

以江河水体中典型微生物为本源微生物，考察了月桂酰基谷氨酸钠对江河水体中常见的面源油污染物生物降解性能的影响。结果表明：月桂酰基谷氨酸钠可明显促进柴油、内燃机油、液压油污染的水体中油污染物的生物降解性能，其降解作用机理是由于月桂酰基谷氨酸钠的表面活性剂作用，增强了烃类化合物从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传质速率，进而增大了烃类“暴露”于微生物细胞膜的浓度，使微生物与底物接触机会增多，另一方面作为微生物营养物质加速了微生物生长与繁殖，使微生物数量增多，两者共同作用促进了污染油的生物降解。

生物降解性；微生物；作用机理；表面活性剂

近年来，由于机械渗漏、泄漏、溢出、人为排放等原因，长江、嘉陵江、鄱阳湖、洞庭湖等江河湖体水面油污染十分严重，进入水体的污染油主要以矿物油为主，而矿物油具有高生理生态毒性，难以生物降解，对生态环境和生态平衡破坏严重[1,2]。因此，提高江河水体中污染矿物油的生物降解速率对减少矿物油污染、维护生态平衡、改善生态环境具有十分重要意义。

从环境微生物学角度看，改变外部固有的环境存在状态可使原本难生物降解的矿物油变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、水体等环境中微生物的生长繁殖，增强微生物的活性，大大促进难降解化合物的生物降解。基于此，发展和提高江河水体中污染矿物油生物降解性的在线生物修复新技术，例如在水体矿物油污染区域中设计添加可诱导该水域微生物生长的促进剂，从而提高污染矿物油的生物降解性能，这是生物修复技术发展的一种崭新思路。月桂酰基谷氨酸钠是一种与水体生态相容性能优异的表面活性剂，且分子中含有与微生物蛋白质结构相似的酰胺化学键，是微生物生长所需的良好营养成分，将其加入矿物油污染的水体中能促进微生物的生长繁殖、提高污染矿物油的生物降解速率。此外，关于具有化学表面活性的某些化合物在矿物油污染环境生物修复技术中的应用也有较多的研究[6-8]。本文以重庆市沙坪坝区境内跳蹬河水体中的微生物为本源微生物，参考近些年来江河湖泊中常见的污染油配制的样品作为降解试验用油，考察了月桂酰基谷氨酸钠对江河水体中常见的面源油污染物生物降解性能的影响，并初步探讨了其生物降解促进作用的机理。

1 实验部分

1.1 实验材料

月桂酰基谷氨酸钠：分析纯，上海中狮科技发展有限公司提供；

无机培养基：NaCl 0.1g，NH4Cl 0.1g，MgSO47H2O 0.3 g，NaH2PO4-NaOH 调节pH=5.0 或用KH2PO4-K2HPO4调节pH=6.0～7.8，无酚蒸馏水定容至 100 mL， 121℃，高温蒸汽灭菌 30 min，自制；

水样：取自重庆市沙坪坝区境内跳蹬河，在无机培养基培养下经曝气处理24 h后放入生物降解瓶中备用；

CF 15W/40 柴油机油：长城润滑油公司提供；

SF 15W/40 汽油机油：长城润滑油公司提供；

68号抗磨液压油：长城润滑油公司提供；

0#国四车用柴油：中石油重庆分公司提供。

1.2 样品配制

经过调研，重庆市沙坪坝区跳蹬河流域的污染油种类主要是机修排放的内燃机油、清洗汽车零件用的柴油、以及机加厂泄漏的液压油等，因此，本文采用不同比例油品混合而成的油品作为模拟污染油样品，样品配制情况如表1所示。

表1 模拟污染油样品配方Table 1Component of simulatedpollution oils

1.3 生物降解性能测定

在配制的模拟污染油样品中分别加入质量分数为 0,0.2%，0.5%，1.0%，1.5%，2.0%，2.5%的月桂酰基谷氨酸钠，采用文献[9]建立的润滑油生物降解性能快速测定方法评定污染油的生物降解性。该方法以生物降解指数 BDI（相同条件下受试油样降解成 CO2与基准物油酸降解生成 CO2的体积分数）为降解指标，BDI越大，生物降解性能越好。

2 结果与讨论

2.1 月桂酰基谷氨酸钠对污染油生物降解性能的影响

图 1所示为降解时间 8 d、模拟污染油样生物降解性能随月桂酰基谷氨酸钠添加量变化的情况。

图1 污染油样生物降解指数随月桂酰基谷氨酸钠质量分数量的变化Fig.1Change ofpollution oils’ BDI with the mass fraction of sodium lauroyl glutamate

从图1可以看出随着生物降解促进剂月桂酰基谷氨酸钠含量的增加，污染油样的生物降解率呈现上升趋势，促进剂添加量达到 1.5%时所有污染油样的生物降解指数均超过了60%，达到了可降解水平，表明月桂酰基谷氨酸钠能有效促进江河湖泊中油污染物的生物降解。从图1还可以看出，月桂酰基谷氨酸钠添加量相同时，污染油中含有柴油机油、汽油机油、抗磨液压油等含量越高，生物降解指数越低，这可能是这些种类污染油中有毒添加剂抑制了水体中活性微生物的生长所致。

2.2 月桂酰基谷氨酸钠对水体活性微生物生长的影响

江河湖泊中污染油品生物降解速率的快慢取决于多因素耦合，其中最关键的因素是水体中微生物的种群和数量。后勤工程学院张楠、陈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种的含量越高，污染油生物降解越快。图2所示为加入 2%月桂酰基谷氨酸钠生物降解促进剂前后水体中微生物数量变化情况。

从图2可以看出，与自然水体中微生物形态相比，加入污染油A后，水体中的微生物数量明显减少，形体发生了变化，表明污染油抑制了水体微生物的生长，降低了污染油的生物降解性能。

从图 2 还可以看出，加入 2%月桂酰基谷氨酸钠促进剂后，微生物的数量明显增加，尤其是在B、C、F、G 四种模拟污染油中加入 2%月桂酰基谷氨酸钠促进剂后，水体中的微生物数量明显增加，这与前面生物降解试验结果相吻合，在 B、C、F、G四种模拟污染油中加入 2%月桂酰基谷氨酸钠促进剂后，污染油的生物降解指数明显增大，表明月桂酰基谷氨酸钠促进剂促进了微生物的生长和繁殖。

图2 加有污染油和生物降解促进剂前后水体中微生物形态变化Fig.2 Variation of microbial morphology in the water contained withpollution oil and biodegradation accelerant

2.3 月桂酰基谷氨酸钠促进污染油生物降解机理初步探讨

污染矿物油的生物降解过程遵循烃类化合物的生物降解规律[10,11]，在生物降解菌的作用下，烃类化合物末端氧化生成脂肪醇或脂肪酸，进一步在β-氧化过程中产生酰基辅酶A，直到最终完全生物降解。而生物降解过程中，只有先经过降解菌的外层亲水细胞壁（膜）进入细胞内，有机烃类化合物才能被细胞质膜中的烃化合物降解酶代谢，因此，污染油烃类化合物的憎水性是阻滞其被环境微生物代谢和降解的重要原因。环境微生物对烃类化合物的可利用性主要受到两个因素的限制[12]：一是烃类化合物从不可被环境微生物利用的非水相到可以被环境微生物利用的水相的传质速率；二是烃类化合物“暴露”于微生物细胞膜外的浓度。因此，污染油烃类化合物在月桂酰基谷氨酸钠的作用下，其生物降解速度能够得到大大提高的原因是：一方面，月桂酰基谷氨酸钠作为表面活性剂，可以在乳化或增溶作用下，使污染矿物油烃类化合物得到较好的溶解或分散，提高了烃类化合物由非水相向水相的传质速率，同时加大了其与生物降解菌细胞的接触面积，相当于增加了烃类化合物在细胞膜外的浓度，最终提高了污染矿物油中烃类化合物的生物降解性；另一方面，这类促进剂含有的酰胺键与蛋白质相似，因此可以为微生物降解污染油烃类化合物提供养分，使微生物的生长与繁殖得到促进，提高了生物降解性能。但污染矿物油中如果含有毒性较大的添加剂时，如含硫添加剂，这些添加剂会抑制微生物的生长繁殖，影响生物降解速率。另外，微生物在生物降解时，自身会产生出很多种类不同结构的表面活性剂，即使是同一种类的生物表面活性剂也会有几种不同的结构[13]，这是微生物适应不同环境能力的具体表现，环境微生物通过调节多种不同表面活性剂的组成及分布，确保底物得到最大程度的分散，这些微生物产生的表面活性剂会影响原有体系的表面性质，从而改变其对烃类化合物的生物降解途径。

3 结 论

（1）月桂酰基谷氨酸钠能明显促进江河湖水中典型污染油的生物降解，污染油中毒性添加剂含量越多，生物降解率越低。

（2）月桂酰基谷氨酸钠促进污染油生物降解的作用机理是由于月桂酰基谷氨酸钠的表面活性剂作用，增强了烃类化合物从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传质速率进而增大了烃类“暴露”于环境微生物细胞膜的浓度。

［1］Haus F，Jean G，Junter G A.Primary biodegradability of mineral base oils in relation to their chemical andphysical characteristics[J]. Chemosphere，2001，45(6)：983-990.

［2］S. Boyde. Green lubricants：environmental benefits and impacts on lubrication[J]. Green Chemmistry，2002(12)：293-307.

［3］Sobisch T，Niebelschutz H. Effect of additives on biodegradation ofpAH in soils[J]. Colloids and surfaces A：Physicochemical and engineering aspects，2000，162910：1-14.

［4］李秀艳，魏德洲. 氮磷营养盐对微生物降解作用的影响[J]. 有色金属，2000，52（4）：237-239.

［5］夏北成. 环境污染物生物降解[M]. 北京：化学工业出版社，2002.

［6］刘爱娟，夏文香. 表面活性剂在生物修复海洋油污染中的应用及发展[J]. 海洋湖沼通报，2007（3）：57-62.

［7］赵淑梅，郑西来，高增文,等. 生物表面活性剂及其在油污修复技术中的应用[J]. 海洋科学进展，2005，23（2）：234-238.

［8］乔德波，牛明芬，徐丽,等. 生物表面活性剂在石油污染土壤生物修复中的应用[J]. 安徽农业科学，2007，35（28）：8965-8967.

［9］王昆，方建华，陈波水. 润滑油生物降解性能快速测定方法研究[J].石油学报(石油加工)，2004，20(6)：74-78.

［10］华兆哲，陈坚，伦世仪. 石油烷烃降解与生物表面活性剂生产的相关性研究及进展[J].石油化工，1998, 27（12）:925-929.

［11］Hurting-Muller R，Blaszczyk R，Wagner F，et a1.Biosurfactants in environment control[C]． In ： Kosaic N ． Ed． Biosurfactants and Biotechnology，Surfactant Science Series． New York，USA：Marcel Dekker，1993，48:447-469.

［12］梁生康，王修林，单宝田. 生物表面活性剂强化疏水性有机污染物生物降解研究进展[J]，化工环保，2005, 25（4）：276-280.

［13］朱利中. 土壤及地下水有机污染的化学与生物修复[J].，环境科学进展，1999，7（2）：65-71.

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

国家自然科学基金资助项目, 项目号：51375491; 重庆市自然基金资助项目, 项目号：CSTC2014jcyjA50021）;院创新基金资助项目 YZ13-43703；沙坪坝区科委资助项目, 项目号：SF201508。

2017-01-09

方建华（1971-），男，教授，博士，主要从事环境友好润滑剂及添加剂的研究。E-mail：fangjianhua71225@sina.com。