微生物生物復育時細胞聚集與氫離子釋放的應用

• Main Authors: 梁茂實, LIANG, MAO-SHIH
• Other Authors: 劉懷勝, 臺灣大學：化學工程學研究所
• Format: Thesis
• Language: Chinese; English
• Published: 2007
• Subjects: 生物復育; 生物分解; 氫離子; 端過濾; bioremediation; biodegradation; proton; dead-end filtration; Arctic
• Online Access: http://ntur.lib.ntu.edu.tw/handle/246246/52141

用微生物分解碳氫化合物的污染物，是相當受到重視的環境工程方法。本研究有兩株微生物：NTU-1 Smooth和Rhodococcus erythropolis NTU-1 Rough都可以分解碳氫化合物，還可以用包裹的方式移除大量烷類。經由研究NTU-1 Rough的過程中找到兩種有效提升其結塊移除烷類的方法，分別是在100mL液態礦物培養基裡加入2mL NB (Nutrient Broth)培養基、以及對液態培養基大量通氣。尤其是後者可以有效地提前一天使微生物產生結塊。另外利用增加培養基緩衝能力的方式，可以有效地幫助NTU-1 Rough包覆正十八烷，形成菌塊。 由實驗數據發現，在中性範圍的pH值環境下，NTU-1 Rough利用長直烷類的量和釋放的氫離子量成明顯的正比關係，且比率正比於碳鍊長度。這個發現未來可以當作測定烷類變化量的簡便工具，以減少分析時的麻煩。在較低pH值環境下NTU-1 Rough和NTU-1 Smooth都會啟動不同的生理機制繼續分解烷類，表示在低pH的狀況下，這兩株微生物還是可以繼續利用烷類，未來在低pH環境的生物復育很有潛力。 此外，本研究發現利用恆壓過濾當作檢測微生物表面性質和狀態是可行的方向。本研究中在低溫缺乏碳源的情況下，NTU-1 Rough和NTU-1 Smooth過濾時比阻的大小都會隨著飢餓狀態時間越長而減小，特別是15天後，NTU-1 Rough的比阻會降至原本的百分之一左右，這表示微生物的表面性質和狀態充分影響過濾比阻。 To biodegrade hydrocarbon chemicals by means of microorganisms is a very noteworthy method in environmental engineering. Both NTU-1 Smooth and Rhodococcus erythropolis NTU-1 Rough can not only degrade hydrocarbons but also remove alkanes efficiently by trapping them in cell-pellets. Through this investigation, we found two methods to enhance the formation of cell-pellets. One is to add 2mL NB (Nutrient Broth) in 100mL MSM (Minimal Salt Medium), and the other is aeration. The former could effectively shorten pellet-forming period by one day. In addition, the increase of MSM buffer capacity was also observed to help NTU-1 Rough form cell pellets when utilizing octadecane. According to this study, the amount of protons released by NTU-1 Rough, under moderate pH, was in proportion to the amount of n-alkane degraded. The ratios depend on the carbon numbers of those alkanes. This discovery provides a novel and easy way to monitor alkane quantity. With low pH, both NTU-1 Rough and NTU-1 Smooth still could utilize alkanes through different physiological mechanisms. The fact that both strains demonstrated bioremediation potential under low pH environment promises their future applications. Evaluating microbial surface properties by a constant-pressure microfiltration found to be feasible. In our work, under low temperature and carbon starvation, the filtration specific resistances of both NTU-1 Rough and NTU-1 Smooth decreased with time dramatically. Especially after 15 days, specific resistance of NTU-1 Rough was reduced to one percent of its original level suggesting that the surface properties had enormous effects on the performance of filtration. 摘要 I ABSTRACT II 目錄 III 表目錄 V 圖目錄 VI 第一章：緒論 1 第二章：文獻回顧 3 2.1 石油工業之污染防治 3 2.2 生物復育簡介 10 2.2.1 污染防治的發展簡介 10 2.2.2 微生物在生物復育的角色 10 2.2.3實際生物復育操作 12 2.3 微生物利用烷類 15 2.3.1 微生物分解烷類的代謝路徑 15 2.3.2 微生物對非水溶相液體(NAPLs)的攝取機制 21 2.4 Rhodococcus erythropolis之研究 23 2.4.1 Rhodococcus菌屬之簡介及應用 23 2.4.2 Rhodococcus erythropolis菌種的介紹與應用 24 2.4.3 文獻中所發現Rhodococcus erythropolis之生理反應 25 2.5 微生物之結塊現象 28 2.6 微生物在端過濾之研究 29 第三章：微生物，藥品與儀器，研究方法 33 3.1 微生物 33 3.2 藥品與儀器 35 3.2.1 藥品 35 3.2.2 儀器 36 3.3 實驗方法 37 3.3.1 微生物之馴養、純化與保存 37 3.3.2 接種微生物之方式 41 3.3.3 烷類的生物降解與生物復育實驗 42 3.3.4 去氧核糖核酸之萃取與電泳 43 3.3.5 微生物恆壓過濾實驗 44 第四章：實驗結果與討論 50 4.1 TN-4中所分離出的第四株微生物—NTU-1 Smooth菌 50 4.2 NTU-1 Smooth分解烷類的能力 54 4.2.1 培養基pH下降的情況 54 4.2.2 烷類移除與生物分解 55 4.2.3 不同烷類下生物分解的細胞乾重 59 4.3 R. erythropolis NTU-1 Rough分解不同烷類的情況 61 4.4 增進形成NTU-1 Rough結塊的方法 67 4.4.1 提高培養基的緩衝能力 68 4.4.1.1 分解正十八烷與培養基緩衝能力 70 4.4.1.2 分解正十四烷與培養基緩衝能力 73 4.4.2 添加NB培養基以增進生長 77 4.4.2.1 正十八烷的生物分解與NB培養基添加 78 4.3.2.2 正十四烷的生物分解與NB培養基添加 82 4.4.3通氣對結塊的影響 86 4.5 分解量與釋放出的氫離子量之間的關係 92 4.5.1 低緩衝能力液態培養基 92 4.5.2 高緩衝能力液態培養基 95 4.5.3 NTU-1 Smooth在高緩衝能力液態培養基中的情況 100 4.6 微過濾與微生物之關係 102 4.6.1 微生物飢餓狀態與過濾比阻的關係 104 4.6.2 施加壓力差與比阻的關係 107 第五章：結論 109 參考文獻 112 附錄 120 A 礦物液態培養基滴定曲線 120 B 氣相層析儀圖譜與校正曲線 122 B.1 各烷類氣相層析圖譜示意圖 122 B.2 各種烷類的GC校正曲線示意圖 125 C 未列入論文中，有在4.5節中出現的實驗組 128 C.1 正十四烷，高緩衝能力培養基，NTU-1 Rough，30℃，100rpm 128 C.2 正十六烷，高緩衝能力培養基，NTU-1 Rough，30℃，100rpm 129 C.3 正十八烷，高緩衝能力培養基，NTU-1 Rough，30℃，100rpm 131