真/細(xì)菌對(duì)疏水性有機(jī)物的吸附及其表面特性

張曉敏,成卓韋*,於建明,陳建孟,朱勤勤

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真/細(xì)菌對(duì)疏水性有機(jī)物的吸附及其表面特性

張曉敏1,成卓韋1*,於建明1,陳建孟1,朱勤勤2

(1.浙江工業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院,浙江 杭州 310014；2.浙江省臺(tái)州市污染防治工程技術(shù)中心,浙江 臺(tái)州 318000)

比較了干燥后真菌LLC和細(xì)菌ZW菌體細(xì)胞的比表面積及其對(duì)不同疏水性有機(jī)化合物吸附性能,并利用BET、紅外光譜(FTIR)和X射線電子能譜(XPS)對(duì)細(xì)胞表面進(jìn)行了分析.結(jié)果表明,真菌LLC和細(xì)菌ZW菌體細(xì)胞的比表面積分別為15.8m2/g,11.57m2/g,真菌菌體細(xì)胞表面介孔較多,可以更有效地吸附有機(jī)化合物.在相同的生長(zhǎng)階段,真菌LLC的細(xì)胞表面疏水性(cell surface hydrophobic,CSH)始終要大于細(xì)菌ZW;采用-蒎烯作為唯一碳源培養(yǎng)時(shí),處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的真菌和細(xì)菌的CSH均有不同提升.干燥后真菌LLC菌體對(duì)各疏水性有機(jī)化合物吸附能力為乙酸乙酯＞-蒎烯＞正己烷,即疏水性相對(duì)較低的化合物更容易被吸附.通過XPS和FTIR表征發(fā)現(xiàn)菌體LLC吸附有機(jī)化合物后,菌體表面的官能團(tuán)位置未發(fā)生明顯變化,推測(cè)該吸附過程是物理吸附.

疏水性有機(jī)化合物；真菌；細(xì)菌；細(xì)胞表面疏水性；吸附

工業(yè)排放的揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)是一類典型的氣態(tài)污染物,例如,天津臨港石化企業(yè)無(wú)組織排放烷類、烯烴類和醇類[1],嚴(yán)重危害人體健康和生態(tài)環(huán)境[2].針對(duì)VOCs的控制方法主要有物理法、化學(xué)法和物理化學(xué)法[3],這些方法都有各自的適用性和技術(shù)弊端.生物凈化法利用微生物代謝作用將VOCs轉(zhuǎn)化為H2O和CO2,具有運(yùn)行條件簡(jiǎn)便、費(fèi)用低、無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn)[4].

在廢氣生物凈化過程中,VOCs通過氣相擴(kuò)散進(jìn)入液相,進(jìn)而被附著在填料上的微生物捕獲而降解. 因此,VOCs由氣相進(jìn)入液相的難易程度直接決定了后續(xù)生物降解效果.近年來(lái),一些研究者發(fā)現(xiàn)另一類特殊的微生物---真菌,在處理疏水性VOCs上獲得了較好的效果,主要原因是真菌具有較大的比表面積和特殊的細(xì)胞表面性質(zhì),使得其能直接捕捉氣相污染物[5-6].Dorado等[7]發(fā)現(xiàn),在以細(xì)菌為優(yōu)勢(shì)菌種的生物反應(yīng)器中,若經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間低pH (從6左右逐步降低到2)運(yùn)行后,反應(yīng)器內(nèi)的優(yōu)勢(shì)細(xì)菌變?yōu)檎婢?并且對(duì)甲苯的去除率從20%提高到80%.

細(xì)胞表面疏水性(CSH)是表征細(xì)胞表面性質(zhì)的一項(xiàng)重要指標(biāo),不僅影響了微生物黏附到生物和非生物表面的能力[8],還影響了微生物攝取有機(jī)物的能力[9]. Hamada等[10]認(rèn)為,細(xì)菌的細(xì)胞表面疏水性能促進(jìn)單環(huán)芳烴的羥基化,進(jìn)而提高生物轉(zhuǎn)化效率;趙晴等[11]通過對(duì)其篩選分離出來(lái)的兩種假單胞菌和一種微球菌屬的研究,發(fā)現(xiàn)細(xì)菌的細(xì)胞表面疏水性與對(duì)有機(jī)物的降解能力呈一定的相關(guān)性. Stringfellow和Alvarez-Cohen在研究不同細(xì)菌對(duì)PAHs吸附時(shí)發(fā)現(xiàn),菌體對(duì)菲(稠環(huán)芳烴)的吸附與細(xì)胞CSH有關(guān),其中以諾卡氏屬()菌株的吸附能力最強(qiáng)[12].此外,細(xì)胞表面官能基團(tuán)的差異性也是影響細(xì)胞對(duì)于性質(zhì)迥異有機(jī)物吸附的因素之一[6].顧海萍[13]比較了真菌和細(xì)菌sp.WFl對(duì)菲的吸附率,前者大約是后者的2倍,其原因是真菌細(xì)胞表面分布著豐富的共軛結(jié)構(gòu)(C＝C和芳香結(jié)構(gòu))和多種官能基團(tuán)(如—OH,—COO—,O—C＝O,CO—NH).

目前,國(guó)內(nèi)外有關(guān)微生物細(xì)胞吸附氣相有機(jī)化合物的能力及其對(duì)細(xì)胞表面結(jié)構(gòu)的影響的研究報(bào)道較少.本研究以具有-蒎烯降解能力的真菌LLC和細(xì)菌ZW為對(duì)象,通過測(cè)定干燥后菌體細(xì)胞的CSH及其對(duì)不同疏水性有機(jī)化合物的吸附效果,建立CSH和吸附性能之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,同時(shí)利用BET、X射線光電子能譜(XPS)、傅里葉紅外光譜(FTIR)等方法研究菌體細(xì)胞表面的差異性,探尋不同類型菌株吸附性能迥異的內(nèi)在原因,為明晰吸附在微生物降解有機(jī)化合物過程中所起的作用提供一些理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 化學(xué)試劑 有機(jī)物疏水性的大小根據(jù)亨利系數(shù)粗略判斷,亨利系數(shù)小于0.1的化合物可視為親水性物質(zhì),如乙酸乙酯(0.005)、二氯甲烷(0.054)等;亨利系數(shù)為0.1~0.99的化合物可視為適度疏水性物質(zhì),如-蒎烯(0.271)、丁苯(0.355)等;亨利系數(shù)大于1的化合物可視為疏水性物質(zhì),如正己烷(74.131)、辛烯(38.905)等[3,14].根據(jù)有機(jī)物疏水性的大小,選擇三種疏水性迥異的有機(jī)物作為被吸附物質(zhì):乙酸乙酯(分析純,上海凌峰化學(xué)試劑有限公司),-蒎烯(分析純,百靈威試劑有限公司)和正己烷(分析純,上海凌峰化學(xué)試劑有限公司).

1.1.2 試驗(yàn)菌種 細(xì)菌ZW和真菌LLC均篩選于處理-蒎烯的生物反應(yīng)器中.目前,這兩株菌在中國(guó)典型培養(yǎng)物保藏中心的編號(hào)分別為M209313和M2014531.

1.2 菌種培養(yǎng)方法

無(wú)機(jī)鹽培養(yǎng)基成分參考Cheng等[15].pH= 7.0~ 7.2;110℃滅菌40min,待培養(yǎng)基冷卻后,加入一定量的-蒎烯作為唯一碳源.

菌株ZW活化采用LB培養(yǎng)基,其成分參考Cheng等[15].菌株LLC活化采用PDA培養(yǎng)基:土豆200g,葡萄糖20g,蒸餾水1L.pH= 7.0~7.2;121℃滅菌20min.

1.3 生長(zhǎng)因素對(duì)細(xì)胞CSH的影響

培養(yǎng)時(shí)間:將真菌LLC和細(xì)菌ZW活化后分別在PDA和LB液體培養(yǎng)基中培養(yǎng),在菌株對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期(細(xì)菌0.75d、真菌3d)、穩(wěn)定期(細(xì)菌1d、真菌5d)和衰老期(細(xì)菌1.5d、真菌7d),分別取樣測(cè)定細(xì)胞CSH.

不同培養(yǎng)基:為了研究真菌LLC與細(xì)菌ZW在底物利用過程中細(xì)胞CSH的變化,將真菌LLC和細(xì)菌ZW分別接入50mL滅菌無(wú)機(jī)鹽培養(yǎng)液中,并加入-蒎烯(終濃度為300mg/L),每隔一段時(shí)間測(cè)定底物的消耗量及菌體細(xì)胞CSH.同時(shí)分析不同培養(yǎng)基(LB、PDA、含-蒎烯無(wú)機(jī)鹽培養(yǎng)基)對(duì)菌體細(xì)胞CSH的影響.

1.4 干燥菌體吸附特性考察

選取了-蒎烯、乙酸乙酯和正己烷這三種疏水性不同的化合物進(jìn)行菌體吸附研究.將0.01g干燥過的失去降解活性的菌體細(xì)胞(真菌LLC和細(xì)菌ZW各3組)加入密封搖瓶中,并分別加入3μL的-蒎烯、乙酸乙酯和正己烷使其揮發(fā),30℃振蕩吸附,分別在30、60、90、120、240和480min測(cè)定密封搖瓶氣相中的有機(jī)化合物的濃度.同時(shí)以不加菌體細(xì)胞作為空白對(duì)照,研究不同吸附時(shí)間下菌體對(duì)氣相中三種物質(zhì)的吸附效果.吸附率和吸附量分別按下列公式計(jì)算:

式中:為吸附率,o為吸附前底物濃度,mg/m3;C為吸附時(shí)刻后底物濃度,mg/m3;為吸附量,mg/g;為搖瓶體積,L;為吸附劑質(zhì)量,g.

1.5 相分配系數(shù)測(cè)定

供試有機(jī)物在真菌和細(xì)菌中的相分配系數(shù)測(cè)定參考Vergara-Fernández等[16]測(cè)定正己烷相分配系數(shù)的方法.將活化培養(yǎng)的真菌LLC與細(xì)菌ZW用無(wú)菌水清洗后置于密閉室溫下干燥,然后加入到密封搖瓶中,同時(shí)分別加入-蒎烯、乙酸乙酯和正己烷各2 μL,待揮發(fā)后測(cè)定搖瓶?jī)?nèi)氣相底物濃度作為初始濃度.將搖瓶置于30℃恒溫空間,48h后測(cè)定搖瓶?jī)?nèi)氣相底物濃度,此時(shí)菌體中底物濃度根據(jù)質(zhì)量守恒定律得到.相分配系數(shù)按下式計(jì)算:

式中:headspace為搖瓶頂空底物濃度,mg/m3;biomass為菌體中底物濃度,mg/m3.

1.6 測(cè)試與表征方法

1.6.1 有機(jī)物分析-蒎烯、乙酸乙酯氣相色譜分析條件參考Cheng等[15].正己烷氣相色譜分析條件參考Jiang等[17].

1.6.2 細(xì)胞CSH測(cè)定方法 細(xì)胞CSH采用微生物粘著碳烴化合物法(microbial adhesion to hydrocarbons, MATH)[18]測(cè)定,并略加修改:取菌懸液于8000r/min條件下離心10min,棄去上清液并用磷酸緩沖液(pH值7)洗滌2次并重懸浮菌液,調(diào)節(jié)OD值至0.600(真菌菌懸液在測(cè)定前需要用無(wú)菌玻璃珠進(jìn)行振蕩混勻,制成均一的細(xì)胞懸浮液),向分液漏斗內(nèi)加入5mL菌懸液,再加入選定的有機(jī)相,封口后在室溫下劇烈震蕩2min,靜置15min分層,在600nm波長(zhǎng)用紫外分光光度計(jì)測(cè)定下層水相OD值.每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)定3次,同時(shí)作不加有機(jī)相的對(duì)照組.微生物的細(xì)胞表面CSH按下式計(jì)算:

1.6.3 菌體冷凍干燥 對(duì)細(xì)胞表面進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征前需要對(duì)細(xì)胞進(jìn)行冷凍干燥操作.將微生物菌體細(xì)胞置于-80℃冰箱中預(yù)凍2h后,再置于真空冷凍干燥機(jī)(型號(hào)LGJ-10,北京)中,樣品溫度分別控制在-15℃和10℃,真空度150Pa,維持14h和10h,直至樣品中90%的水分升華除去;最后升高板層溫度至20℃,迅速蒸發(fā)樣品中殘余水分,該過程持續(xù)10h.

1.6.4 BET、FTIR和XPS分析 比表面積及孔徑測(cè)定是采用美國(guó)Micromeritics公司的ASAP 2010型物理吸附儀.采用液氮溫度(77K)下的N2吸附法測(cè)得BET比表面積并根據(jù)N2吸附-脫附計(jì)算孔徑.以高純氮?dú)庾鳛闃悠返奈綒怏w,比表面積采用多點(diǎn)方法,由相對(duì)壓力在0.01~0.3(/0)之間的吸附數(shù)據(jù)求得.

將2mg樣品置于瑪瑙研缽中,加入100mg高純溴化鉀,充分研磨后經(jīng)壓片機(jī)壓成透明薄片,放入傅里葉紅外光譜儀Thermo Fisher Nicolet 6700 (Thermo Fisher公司,德國(guó))測(cè)定.

采用X-射線光電子能譜Kratos AXIS Ultra DLD(Kratos公司,日本)分析樣品中的C、O、N的結(jié)合態(tài)及元素比例,激發(fā)源為AI-Kα(能量為1486.6eV),用碳C1s(284.6eV)作能量校正.

2 結(jié)果與分析

2.1 菌體細(xì)胞比表面積和介孔結(jié)構(gòu)分析

圖1 真菌和細(xì)菌孔徑分布 Fig.1 Pore size distribution of fungus and bacterium

采用BET對(duì)兩株菌株的比表面積和表面孔徑分布進(jìn)行了表征.真菌LLC和細(xì)菌ZW的比表面積分別為15.8m2/g、11.57m2/g.真菌LLC和細(xì)菌ZW的孔徑分布如圖1所示,真菌LLC和細(xì)菌ZW細(xì)胞表面分布著大小不同的孔,孔徑大多分布在2~5nm之間,屬于介孔.相比于細(xì)菌ZW而言,真菌LLC細(xì)胞表面還分布著更多微孔(孔徑小于2nm),能提供的吸附位點(diǎn)較多.一些有機(jī)化合物如甲苯的分子大小為0.58nm,當(dāng)吸附劑孔徑接近或略大于這些分子時(shí),吸附劑就越容易吸附這些分子.如孔徑為1.3nm的活性炭對(duì)甲苯的吸附量比孔徑為1.5nm的活性炭提高約20mg/g[19].這也可能解釋了真菌的吸附性能比細(xì)菌更好,真菌能更好吸附和捕捉疏水性有機(jī)化合物.

2.2 生長(zhǎng)因素對(duì)CSH的影響

2.2.1 培養(yǎng)時(shí)間 由圖2可見,真菌LLC和細(xì)菌ZW的CSH隨著培養(yǎng)時(shí)間的增長(zhǎng)而降低.在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期,真菌與細(xì)菌的CSH分別為60.4%和8.3%,進(jìn)入穩(wěn)定期后,CSH分別下降了17.5%、4%;當(dāng)進(jìn)入衰亡期時(shí),在正己烷-水兩相體系中,大部分細(xì)菌與有機(jī)相-水相混溶,小部分菌體聚集到界面,CSH分別為20.7%、0.6%.細(xì)菌ZW的CSH下降尤為明顯,測(cè)得CSH幾乎為零,這種現(xiàn)象表明隨著菌體衰老,其表面疏水位點(diǎn)減少,因而與有機(jī)相之間的相互作用減弱,使得該時(shí)期菌體不能克服自身重力而被吸附到非水溶性有機(jī)物表面[11].

圖2 不同生長(zhǎng)時(shí)期真菌與細(xì)菌的CSH Fig.2 CSH of fungus and bacterium in different growth periods

2.2.2 不同培養(yǎng)基 由圖3可看出,在剛加入-蒎烯時(shí),測(cè)得細(xì)菌ZW與真菌LLC的CSH分別為12.7%、59%;待加入底物4h后,CSH分別提高到29.2%、72.9%.與PDA和LB培養(yǎng)的菌體比較,-蒎烯培養(yǎng)的菌體,最大的CSH值分別提高1.2倍和3.5倍.這可能是在-蒎烯降解過程中,細(xì)胞為了更好地利用-蒎烯而在其表面分泌一些疏水性蛋白或疏水性物質(zhì),從而獲得較高的CSH.當(dāng)-蒎烯快被利用完時(shí),這兩株菌的CSH開始下降并恢復(fù)到原有值.當(dāng)采用-蒎烯為唯一碳源培養(yǎng)時(shí),在同一時(shí)期真菌CSH比細(xì)菌約高1倍,這可能是真菌和細(xì)菌細(xì)胞表面基團(tuán)和化學(xué)組成不同,使得親水或疏水性基團(tuán)的組成比例也不同.

根據(jù)相關(guān)研究表明,碳源會(huì)誘發(fā)菌體表面CSH發(fā)生改變,從而有利于其對(duì)底物的攝取.Kaczorek等[20]比較了分別以叔丁基苯、柴油和葡萄糖為唯一碳源培養(yǎng)細(xì)菌,其CSH的大小分別為58%、31%和5%.研究表明,在營(yíng)養(yǎng)相對(duì)貧乏的環(huán)境中,有些微生物根據(jù)外界碳源而誘發(fā)出一些特殊的細(xì)胞表面特性,通過提升CSH,增強(qiáng)利用碳?xì)浠衔锏哪芰?從而更有利于自身的生長(zhǎng)[21-22].由圖3可見,真菌LLC比細(xì)菌ZW的降解速度要快得多(分別為4.17mg/(L·h)和2.5mg/(L·h)),除本身降解活性外,可能菌體細(xì)胞表面高CSH也是一個(gè)重要的因素.

圖3 底物誘導(dǎo)下的細(xì)菌(a)和真菌(b)CSH變化 Fig.3 Change of CSH of bacterium (a) and fungus (b) under substrate induction

2.2.3 細(xì)胞表面分析 將不同培養(yǎng)基培養(yǎng)的菌體細(xì)胞冷凍干燥后進(jìn)行了XPS和FTIR表征,如圖4所示.結(jié)合XPS譜圖,發(fā)現(xiàn)菌體細(xì)胞表面不同價(jià)態(tài)的元素含量發(fā)生了變化,相對(duì)含量如表1所示[23-24].當(dāng)采用-蒎烯為唯一碳源,真菌LLC細(xì)胞表面的C1s(286.2eV)顯著增加,即C—O和C—N基團(tuán)數(shù)量明顯提高;細(xì)菌ZW細(xì)胞表面的C1s(287.86eV)和N1s(399.9eV)增加,分別代表C＝O和N-H基團(tuán)數(shù)量增加.這可能是因?yàn)榫w在誘導(dǎo)過程中產(chǎn)生疏水性蛋白或胞外蛋白(含C—O、C＝O、C—N等),提高菌體細(xì)胞CSH(這和之前CSH測(cè)定結(jié)果一致),影響其基團(tuán)分布.此外,采用-蒎烯為唯一碳源,真菌LLC和細(xì)菌ZW細(xì)胞表面的C1s(284.8eV),即C—C、C—H基團(tuán)數(shù)量均減少.這可能是因?yàn)樗鼈冊(cè)谡T導(dǎo)過程中脂多糖(含C—C、C—H等)分泌量減少,脂多糖量的減少可以提高菌體細(xì)胞的CSH[25-26],影響細(xì)胞表面基團(tuán)分布.

FTIR分析表明,與分別采用LB和PDA培養(yǎng)的菌體相比,采用-蒎烯培養(yǎng)后的菌體細(xì)胞表面官能團(tuán)發(fā)生了略微變化.真菌LLC和細(xì)菌ZW位于1400.1cm-1(C—N,代表一些蛋白質(zhì)的基團(tuán))附近的吸收峰伸縮振動(dòng)加強(qiáng),這表明細(xì)胞表面分布的蛋白在利用-蒎烯培養(yǎng)時(shí)其分泌量增多,從而引起菌體細(xì)胞CSH改變[27].從FTIR中也可以看出,用相同培養(yǎng)基培養(yǎng)基真菌LLC和細(xì)菌ZW時(shí),真菌菌體表面特征吸收峰的透射率都小于細(xì)菌菌體表面相應(yīng)吸收峰的透射率,特別是在1635cm-1、1539cm-1、1406cm-1(與蛋白中C＝C、C＝O、C＝N、N＝O、—COO-伸縮振動(dòng)相關(guān)[23,28])附近和1235cm-1、1028cm-1(與多糖中—COO-、C—O—C,—OH相關(guān)[27])附近.這些結(jié)果表明,真菌含有較多的蛋白和多糖,這些特殊的官能團(tuán)在有機(jī)污染物的生物吸附和分配過程中都能發(fā)揮重要作用[29],這也解釋了真菌對(duì)有機(jī)污染物吸附效果好的內(nèi)在原因.

表1 不同培養(yǎng)方式下真菌細(xì)菌的XPS結(jié)合能及各元素形態(tài)Table 1 Binding energy of XPS and element morphology of fungus and bacterium under different cultivation

2.3 菌體細(xì)胞吸附特性考察

2.3.1 對(duì)不同疏水性物質(zhì)的吸附效果 選擇乙酸乙酯、-蒎烯和正己烷等化合物為被吸附物質(zhì).圖5a為菌體細(xì)胞(干燥失去活性)對(duì)3種物質(zhì)氣相吸附率隨時(shí)間的變化曲線.發(fā)現(xiàn)真菌LLC和細(xì)菌ZW對(duì)這三種物質(zhì)有不同程度的吸附,并且細(xì)菌ZW吸附效果弱于真菌LLC.在前60min內(nèi),LLC菌體細(xì)胞吸附速率相對(duì)較快,平均吸附速率為乙酸乙酯81mg/ (m3·min)、-蒎烯52mg/(m3·min)、正己烷25mg/ (m3·min).60~120min時(shí),吸附速率明顯下降,在120min時(shí),基本已經(jīng)吸附飽和.計(jì)算LLC菌體細(xì)胞的吸附率和吸附量分別為:乙酸乙酯10.03%、27.08mg/ g細(xì)胞干重;-蒎烯7.59%、19.35mg/g細(xì)胞干重和正己烷5.40%、14.58mg/g細(xì)胞干重.在吸附的起始階段,由于干燥后的真菌不具有活性,其CSH相對(duì)較低,疏水性相對(duì)較低的物質(zhì)可以更快地被真菌吸附.圖5b為吸附平衡時(shí)氣相和菌體相中有機(jī)物的分布圖.可以發(fā)現(xiàn),在誤差范圍內(nèi)有機(jī)物質(zhì)量在吸附前后是平衡的,說(shuō)明有機(jī)物只存在于氣相或菌體表面.

微生物對(duì)污染物的吸附主要發(fā)生在細(xì)胞壁及細(xì)胞內(nèi).丁潔[30]研究了白腐真菌(死亡)對(duì)多環(huán)芳烴(PAHs)的吸附過程,結(jié)果表明PAHs主要是被白腐真菌菌體表面的脂類和聚酯類物質(zhì)所吸附.相關(guān)研究也有類似的結(jié)果,如鈾的吸附效果與微生物細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)和組成有關(guān)[31].本研究中真菌LLC與細(xì)菌ZW對(duì)-蒎烯、乙酸乙酯和正己烷的吸附效果不同,且真菌的吸附效果明顯優(yōu)于細(xì)菌ZW,這可能是由于真菌、細(xì)菌不同的細(xì)胞結(jié)構(gòu)及化學(xué)組成.

2.3.2 相分配系數(shù)測(cè)定 真菌LLC和細(xì)菌ZW具有降解-蒎烯的性能,但在相同底物濃度下,前者降解-蒎烯的速度相較于后者更快,前期研究也表明以真菌為優(yōu)勢(shì)微生物的生物反應(yīng)器去除負(fù)荷更高[32].測(cè)定-蒎烯、乙酸乙酯、正己烷在這兩株菌中的相分配系數(shù),結(jié)果如表2.

由表2可知,-蒎烯在真菌LLC菌體細(xì)胞中的分配系數(shù)為0.63(最小),細(xì)菌ZW中則為5.44,在水中的分配系數(shù)為25.7.相分配系數(shù)越小,說(shuō)明對(duì)有機(jī)化合物的吸附能力越好.Vergara-Fernández等[16]研究表明,在生物濾塔中生長(zhǎng)的真菌,其正己烷相分配系數(shù)為0.2,是正己烷在水相中的200-1倍.這可能是真菌生物過濾塔可以高效降解疏水性有機(jī)化合物的原因之一.同樣,-蒎烯在真菌LLC中的相分配系數(shù)分別為其在細(xì)菌ZW和水相中的9-1倍和40-1倍,這解釋了在相同條件下真菌LLC能更快地降解-蒎烯.從表2也可以看出,乙酸乙酯和正己烷在真菌LLC中的相分配系數(shù)均小于細(xì)菌ZW,說(shuō)明疏水性較大的物質(zhì)更容易被真菌LLC吸附.

表2 有機(jī)化合物相分配系數(shù) Table 2 Phase partition of hydrophobic organic compounds

2.3.3 細(xì)胞表面分析 將具有較大比表面積的真菌LLC細(xì)胞(干燥失去活性菌體)分別置于含氣相-蒎烯、乙酸乙酯和正己烷中吸附,待吸附飽和后,進(jìn)行冷凍干燥處理,分別采用XPS和FTIR對(duì)其進(jìn)行表征,結(jié)果如圖6和表3所示[23-24].可以發(fā)現(xiàn),在吸附前后LLC菌體表面的譜峰位置未發(fā)生變化,沒有產(chǎn)生新的譜峰,由此可以推測(cè)該吸附可能不是化學(xué)吸附,而是物理吸附.吸附-蒎烯(含C—C、C—H)后,菌體LLC表面的C1s(284.8eV)增加2.2%,并且在吸附前后C/O比例從2.96:1提高到3.13:1,這說(shuō)明菌體LLC確實(shí)吸附了-蒎烯.吸附乙酸乙酯(含C—O、C＝O)后,菌體LLC表面的C1s(287.86eV)和O1s(531eV)分別增加85.4%和11.2%,并且在吸附前后C/O比例從2.96:1減少到2.63:1,這可能是因?yàn)橐宜嵋阴ブ械腃/O為2,小于菌體LLC表面C/O,因此當(dāng)菌體LLC吸附乙酸乙酯后,導(dǎo)致菌體表面C/O降低.吸附正己烷(含C—C、C—H)后,菌體LLC表面的C1s(284.8eV)減少,在吸附前后C/O比例從2.96:1減少到2.87:1,這可能是因?yàn)檎和槭杷愿?菌體LLC吸附正己烷的含量少,吸附的正己烷不足以改變細(xì)胞表面基團(tuán)分布.三種有機(jī)化合物疏水性大小為:正己烷>-蒎烯>乙酸乙酯,菌體LLC對(duì)于這三種有機(jī)化合物的飽和吸附量分別為14.58mg/g(正己烷)、19.35mg/g(-蒎烯)、27.08mg/g(乙酸乙酯),說(shuō)明疏水性越小越容易被吸附到菌體LLC細(xì)胞表面,對(duì)于細(xì)胞表面基團(tuán)分布的改變也就越明顯.

菌體吸附前后細(xì)胞表面FTIR分析如圖6e所示.吸附前后菌體LLC表面的官能團(tuán)含量發(fā)生略微變化,吸附乙酸乙酯后,菌體LLC位于1645cm-1處的吸收峰伸縮振動(dòng)略微加強(qiáng),此吸收峰與C＝O伸縮振動(dòng)有關(guān);吸附-蒎烯后,菌體LLC位于1645cm-1處的吸收峰伸縮振動(dòng)加強(qiáng)不明顯,此吸收峰與C＝C伸縮振動(dòng)有關(guān)(這也能從側(cè)面反映菌體LLC更容易吸附乙酸乙酯).另外,吸附前后菌體LLC表面的官能團(tuán)位置未發(fā)生變化,同時(shí)也沒有產(chǎn)生新的峰,進(jìn)一步表明菌體LLC吸附疏水性有機(jī)化合物為物理吸附過程.

表3 吸附前后LLC菌體的XPS結(jié)合能及各元素形態(tài) Table 3 Binding energy of XPS and element morphology of fungus LLC before and after adsorption

3 結(jié)論

3.1 通過BET分析獲得了真菌LLC和細(xì)菌ZW的比表面積,其大小分別為15.8、11.57m2/g,真菌表面分布著較多的介孔,可以提供更多的吸附位點(diǎn).

3.2 處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的真菌sp. LLC和細(xì)菌sp. ZW菌體細(xì)胞CSH相對(duì)于其它生長(zhǎng)時(shí)期是最高的;當(dāng)采用-蒎烯為唯一碳源培養(yǎng)時(shí),真菌和細(xì)菌的CSH均會(huì)有不同程度地增加,并且無(wú)論是菌體細(xì)胞CSH還是對(duì)于-蒎烯的降解速率,真菌都要比細(xì)菌高.

3.3 三種有機(jī)物的疏水性不同,真菌LLC菌體細(xì)胞對(duì)其氣相吸附能力也各有不同,其吸附量大小分別為乙酸乙酯(27.08mg/g)>-蒎烯(19.35mg/g)>正己烷(14.58mg/g),即疏水性相對(duì)較低的有機(jī)物更容易被真菌LLC菌體細(xì)胞捕捉吸附.

3.4 以-蒎烯為代表的疏水性有機(jī)化合物在真菌LLC菌體細(xì)胞中的相分配系數(shù)(0.63)明顯要比其在細(xì)菌ZW和水相中的相分配系數(shù)(5.44和25.7)小,說(shuō)明疏水性有機(jī)化合物分子更容易被菌體細(xì)胞LLC吸附.

3.5 通過XPS表征發(fā)現(xiàn)菌體LLC吸附乙酸乙酯和-蒎烯后細(xì)胞表面基團(tuán)含量發(fā)生了變化;同時(shí)FTIR表征也表明菌體細(xì)胞表面的官能團(tuán)位置及數(shù)量并未發(fā)生明顯變化,故推測(cè)菌體LLC吸附有機(jī)物的過程為物理吸附.

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Absorption of different VOCs by fungus and bacterium and analysis of cell surface.

ZHANG Xiao-min1, CHENG Zhuo-wei1*, YU Jian-ming1, CHEN Jian-meng1, ZHU Qin-qin2

(1.College of Environment, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China；2.Pollution Prevention and Control Engineering Center in Taizhou City, Taizhou 318000, China)., 2019,39(3)：1268~1277

Adsorption properties to different hydrophobic organic compounds by dried cells, which belonged to the fungusLLC and bacteriumZW, were compared, and their cell surface hydrophobicity (CSH) were analyzed. The cell surface was characterized by BET, FTIR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy) and XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy). Results showed that the specific surface area ofsp. LLC andsp. ZW was 15.8m2/g and 11.57m2/g respectively. With more mesoporous distributing on their surface, the fungal cells could adsorb organic compounds more efficiently than the bacterial cells. The CSH of the fungus LLC was higher than that of the bacterium ZW when they were at the same growth stage. The CSH of fungal and bacterial cells increased differently during the biodegradation of-pinene. After being dried, the fungus LLC cells could adsorb different hydrophobic organic compounds followed this order: ethyl acetate >-pinene > n-hexane, suggesting that low hydrophobic organic compounds could be more easily adsorbed. XPS and FTIR analysis also indicated that the position and the number of functional groups on the surface of the fungal cells did not change obviously before and after the adsorption of organic compounds. These results suggested that the adsorption was a physical process.

hydrophobic organic compounds；fungus；bacterium；cell surface hydrophobicity；adsorption

X172

A

1000-6923(2019)03-1268-10

張曉敏(1992-),女,浙江臨海人,浙江工業(yè)大學(xué)碩士研究生,主要從事廢氣生物凈化技術(shù).

2018-07-27

浙江省自然科學(xué)基金(LY18B060012);浙江省“育才工程”(2016YCGC014)

* 責(zé)任作者, 副教授, zwcheng@zjut.edu.cn