劉懷勝臺灣大學：化學工程學研究所何崇麟Ho, Chung-LinChung-LinHo2007-11-262018-06-282007-11-262018-06-282005http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/52380本實驗主要著重於混合菌株 ( TN-4 ) 與單一菌株 ( NTU1 ) 分別對於不同濃度正十四烷 ( Tetradecane )、不同初始酸鹼值條件下之正十四烷移除能力的研究，並探討 ( NTU1 ) 在不同基質培養下，是否會與正十四烷培養NTU1有相同的現象產生及NTU1攝取正十四烷的代謝過程。 由實驗得知當正十四烷濃度增加，TN-4與NTU1對於正十四烷的總移除量都也會隨著提高，但是在高濃度(2000ppmv、3000ppmv)正十四烷濃度下，因為受到培養基最低酸鹼值(pH4)的影響，致使NTU1、TN-4無法繼續降解正十四烷所以無法提高正十四烷之移除量。當初始酸鹼值調升時，適合微生物生長的範圍擴大，因此NTU1與TN-4 在高pH值下不受最低酸鹼值(pH4)的影響，導致2000ppmv的正十四烷100%被移除。另外也發現NTU1與TN-4之生長現象及移除正十四烷的能力極相似，證明了NTU1在TN-4中扮演著一個重要的角色。以脂肪酸類培養NTU1，發現跟正十四烷培養NTU1有類似的細胞聚集現象，因此基質並不會影響細菌的聚集現象。而由代謝物發現NTU1可能藉由雙末端氧化的方式，將正十四烷先氧化成琥珀酸(succinic acid)，進而再氧化形成其他物質。This research mainly investigated the ability of a mixed culture (TN-4) and a pure strain (NTU1) to degrade n-tetradecane under different substrate’s concentration and different medium initial acidity. Besides, this research also investigated the biodegradation of different fatty acids by utilizing NTU1 and also the analyzed of acidic organic products produced during the alkane remediation process. Experimental results indicated that increasing concentration of tetradecane increased the tetradecane biodegradation ability of NTU1 and TN-4. However, under condition of high tetradecane concentration (2000ppmv, 3000ppmv), the ability of total alkane removal was almost similar.It may be due to the rather acidic environment (pH4), inhibiting both NTU1 and TN-4’s degradation.While the initial acidity of medium was changed to a more alkaline environment, both NTU1 and TN-4 were able to attain a better growth and completely remove the alkane. In addition, it is found that NTU1 and TN-4 attain similar tendencies for their growth and alkane biodegradability, which proves that NTU1 plays a significant role among the three strains of TN-4 . Similar aggregation behavior was observed for NTU1 grown on both tetradecane and fatty acids. Thus, NTU1 perhaps degrades tetradecane via diterminal oxidation pathway, leading to the production of succinic acid, that were found in the metabolites by HPLC analysis.中文摘要………………………………………………………………..Ⅰ 英文摘要………………………………………………………………..Ⅱ 目錄……………………………………………………………….….....Ⅲ 圖目錄………………………………………………………………..Ⅴ 照片目錄…………………………………………………………..…Ⅷ 表目錄…...………………………………………………………...... Ⅹ 第一章 緒論…………………………………………………........……..1 1.1前言…………………………………………………..……………1 1.2研究目的………………………………………..………....………2 第二章 文獻回顧………………………………………..………………3 2.1石油碳氫化合物對於環境之影響………………………………..3 2.2微生物對石油碳氫化合物之降解作用…………………………..4 2.2.1石油碳氫化合物的組成與生物利用性………………………...4 2.2.2石油碳氫化合物的生物分解模式……………………………...6 2.3 微生物對碳氫化合物的代謝途徑……………………………...10 2.3.1直鏈烷及支鏈烷之代謝………………………………………..11 2.3.2環烷類及多環烷類之代謝……………………………………..17 2.4 菌株Rhodococcus erythropolis、Bacillus fusiformis與Ochrobactrum species 之特性………………………………..21 2.4.1 菌株Rhodococcus erythropolis之應用及特性……………….21 2.4.2 菌株Bacillus fusiformis與Ochrobactrum species 之應用及特性…………………………………………………24 第三章 實驗材料與方法………………………………………………26 3.1實驗菌株之組成…………………………………………………26 3.2培養基之組成……………………………………………………29 3.2.1基礎礦物培養基……………………………………………….29 3.2.2菌株活化培養基………………………………………………..30 3.2.3菌株保存培養基………………………………………………..30 3.2.4計數平板培養基………………………………………………..30 3.3實驗藥品及器材………………………………………………….33 3.4實驗方法…………………………………………………………35 3.4.1菌株之活化與培養………………………………….…………35 3.4.2生物降解異十九烷之測定…………………………………….37 3.4.3氣相層析儀校正曲線與設定及液相層析儀的設定………….39 第四章 結果與討論……………………………………………………41 4.1不同Tetradecane 濃度對於NTU1生長與包覆之影響………..42 4.2不同pH值對於NTU1生長與包覆現象的影響……….............50 4.3不同Tetradecane 濃度對於混合菌株TN-4生長與包覆現象 的影響…..……….…………………………………………………...57 4.4不同pH值對於TN-4生長與包覆現象的影響………………...64 4.5 TN-4與NTU1在不同濃度的正十四烷及不同初始酸鹼值 培養下的比較……………………………………………………70 4.5.1不同濃度正十四烷培養下的比較…………….........................70 4.5.2不同初始酸鹼值培養下的比較……………………………….74 4.6以不同基質來培養NTU1，探討其生長現象………………….77 4.7 NTU1培養基中有機酸的定性分析……………………………85 第五章 結論……………………………………………………………90 第六章 參考文獻………………………………………………………93 附錄……………………………………………………………………105 圖目錄 圖2-1 無孢子放射菌降解及攝取不同碳氫化合物…………………..13 圖2-2 微生物對直烷類之代謝路徑…………………………………..14 圖2-3 微生物對異十九烷之代謝路徑………………………………..16 圖2-4 苯之代謝途徑…………………………………………………..18 圖2-5 萘之代謝途徑…………………………………………………..19 圖2-6 Psuedomonas aeruginosa對甲苯之代謝途徑………………….20 圖2-7 Rhodococcus erythropolis DCL14對於carveol及 dihydrocarveol立體異構物之代謝途徑(a) (4R)立體異構物 (b) (4S)立體異構物…….………………………………………23 圖4-1-1 培養條件30℃、100rpm，NTU1處理不同濃度 正十四烷時之酸鹼值變化圖………………………………..44 圖4-1-2 培養條件30℃、100rpm，NTU1處理不同濃度 正十四烷時之細胞生長曲線………………………………..44 圖4-1-3 培養條件30℃、100rpm，NTU1處理不同濃度 正十四烷時，培養基中之正十四烷總移除量……………..49 圖4-2-1 培養條件30℃、100rpm、2000ppmv 正十四烷，NTU1 在不同初始酸鹼值環境時之酸鹼值變化…………………..51 圖4-2-2 培養條件30℃、100rpm，NTU1在不同初始酸鹼值 環境時之細胞生長曲線圖…………………………………..54 圖4-2-3 培養條件30℃、100rpm，NTU1在不同初始酸鹼值 環境培養時之正十四烷總移除量……………...…………...56 圖4-3-1 培養條件30℃、100rpm，TN-4處理不同濃度 正十四烷時之酸鹼值變化………………………...………...58 圖4-3-2 培養條件30℃、100rpm，TN-4處理不同濃度 正十四烷時之細胞生長量…………...……………………...60 圖4-3-3 培養條件30℃、100rpm，TN-4處理不同濃度 正十四烷時培養基中之正十四烷總移除量……………......63 圖4-4-1 培養條件30℃、100rpm、2000ppmv 正十四烷，TN-4 在不同初始酸鹼值環境時之酸鹼值變化...………………...65 圖4-4-2 培養條件30℃、100rpm、2000ppmv 正十四烷，TN-4 在不同初始酸鹼值環境時之細胞生長曲線圖……………..66 圖4-4-3 培養條件30℃、100rpm，TN-4在不同初始酸鹼值 環境培養時之正十四烷總移除量…………………………..69 圖4-5-1 NTU1與TN-4在不同正十四烷濃度下，培養基 酸鹼值變化比較圖，TN-4的異十九烷總移除量 與時間關係…………………………………………..……..70 圖4-5-2 NTU1與TN-4在不同正十四烷濃度下細胞生長量比較圖…........................................................................................71 圖4-5-3 NTU1與TN-4在不同正十四烷濃度下，培養基中 正十四烷總移除量比較圖....................................................72 圖4-5-4 NTU1與TN-4在不同初始酸鹼值下，培養基 pH值變化比較圖…...............................................................75 圖4-5-5 NTU1與TN-4在不同初始酸鹼值下細胞生長量比較圖...75 圖4-5-6 NTU1與TN-4在不同初始酸鹼值培養下正十四烷 總移除量比較圖.…..............................................................76 圖4-6-1 培養條件30℃、100rpm、基質為脂肪酸、培養NTU1 之pH變化圖.……………………………………………….79 圖4-6-2 培養條件30℃、100rpm、基質為脂肪酸、培養NTU1 之細胞生長曲線圖……………………..….………….……..80 圖4-7-1 發酵液在各時間點之HPLC分析圖…………………...…...87 圖4-7-2 各種單元酸與發酵液之液相層析圖比較 (A)甲酸(C1)、 醋酸(C2)，(B)丙酸(C3)、丁酸(C4)及戊酸(C5)..…...……...88 圖4-7-3 發酵液與琥珀酸之HPLC分析比較…………………...........89 圖4-7-4 NTU1對於正十四烷可能的代謝途徑…….…………….…..89 附圖1-1在30℃、100rpm條件下，混合菌株TN-4在NB中 生長情形……………………………………………………105 附圖1-2 在30℃、100rpm條件下，單一菌株 Rhodococcus erythropolis在NB中生長情形…..…………106 附圖1-3 在30℃、100rpm條件下，單一菌株Bacillus fusiformis 在NB中生長情形……………….…………………………106 附圖1-4 在30℃、100rpm條件下，單一菌株Ochrobactrum species在NB中生長情形……………..………………….107 附圖2-1 混合菌株TN-4在NB中之細胞乾重與吸光值的關係…..107 附圖2-2 單一菌株Rhodococcus erythropolis在NB中 之細胞乾重與吸光值的關係………………............………108 附圖2-3 單一菌株Bacillus fusiformis在NB中 之細胞乾重與吸光值的關係………………………………108 附圖2-4 單一菌株Ochrobactrum species在NB中 之細胞乾重與吸光值的關係………………………………109 附圖3-1 正十四烷之GC校正曲線…………………………………109 附圖3-2 正十四烷之氣相層析圖形…………………………………110 附圖4-1 Formic acid (C1) 之HPLC層析圖……………….………111 附圖4-2 Acetic acid (C2) 之HPLC層析圖…………….………….111 附圖4-3 Propionic acid (C3) 之HPLC層析圖………..….………..112 附圖4-4 Butyric acid (C4) 之HPLC層析圖………….….…….…..112 附圖4-5 Valeric acid (C5) 之HPLC層析圖…………………….…113 附圖4-6 Oxalic acid 之HPLC層析圖………………………….….113 附圖4-7 Succinic acid 之HPLC層析圖……………………….…..114 照片目錄 照片3-1(A) Rhodococcus erythropolis…………………………………27 照片3-1(B) Bacillus fusiformis與其體內孢子………………………...27 照片3-1(C) Ochrobactrum 菌屬……………………………….………28 照片4-1-1 培養條件30℃、100rpm、初始pH6.5，1000ppmv 正十四烷培養基中，NTU1所形成的黃色顆粒現象……..45 照片4-1-2 培養條件30℃、100rpm、初始pH6.5，2000ppmv 正十四烷培養基中，NTU1所形成的乳白色顆粒現象….45 照片4-1-3 培養條件30℃、100rpm、初始pH6.5，3000ppmv 正十四烷培養基中，NTU1所形成的乳白色、湯圓 狀的顆粒現象….................................................................46 照片4-2-1 培養條件30℃、100rpm、初始pH6.5，2000ppmv 正十四烷培養基中，NTU1所形成的乳白色顆粒現象…………………………………………………..………53 照片4-2-2 培養條件30℃、100rpm、初始pH9，2000ppmv 正十四烷培養基中，NTU1所形成細小、黃色的 顆粒現象……………………………………………..……53 照片4-3-1 培養條件30℃、100rpm、初始pH6.5，1000ppmv 正十四烷培養基中，TN-4所形成的黃色顆粒現象……..60 照片4-3-2 培養條件30℃、100rpm、初始pH6.5，2000ppmv 正十四烷培養基中，TN-4所形成的乳黃色顆粒現象.…61 照片4-3-3 培養條件30℃、100rpm、初始pH6.5，3000ppmv 正十四烷培養基中，TN-4所形成的土黃色顆粒現象….61 照片4-4-1 培養條件30℃、100rpm、初始pH6.5，2000ppmv 正十四烷培養基中，TN-4所形成較大且鬆散的乳 黃色顆粒現象……………………………………………..67 照片4-4-2 培養條件30℃、100rpm、初始pH9，2000ppmv 正十四烷培養基中，TN-4所形成細小、黃色的 顆粒現象……………………………………………..……67 照片4-5-1 NTU1及TN-4在不同濃度正十四烷濃度下， 細菌包覆方式比較圖 (a) 2000ppmv正十四烷 (b) 3000ppmv正十四烷.....................................................73 照片 4-6-1丁酸( C4 )有機酸培養NTU1所形成的細菌聚集 圓形薄膜………..…………………………………………81 照片4-6-2 培養條件30℃、100rpm、基質為脂肪酸培養NTU1 所形成之細菌聚集在光學顯微鏡下之圖：(a) NTU1 聚集成一直線，(b) NTU1聚集成不規則環狀， (c) NTU1形成一大片的菌落…………………………….83 照片4-6-3 【張2003】以異十九烷培養TN-4所形成的 細菌聚集現象在光學顯微鏡下之形狀…………………..84 表目錄 表2-1為某些海灣生物降解石油的最大次表面溫度…………………..5 表2-2 微生物生產之生物乳化劑的種類………………………………7 表2-3 正烷類的溶解度以及在E. Lypolttica進行降解過程中 之溶解度…………..……………………………………………9 表2-4 有氧狀態下可降解脂肪族之微生物……..…………...……….10 表3-2(A)正十四烷液態培養基組成表………………………………...30 表3-2(B) Trace salt solution組成表……………………………………30 表3-2(C)菌株保存培養基組成表……………………………………...32 表4-1-1 培養條件為30℃、100rpm、初始pH6.5，NTU1之 正十四烷包覆量與細菌顆粒外之正十四烷含量…………..48 表4-2-1 在不同初始酸鹼值環境培養時，培養基中NTU1之 正十四烷包覆量與細菌顆粒外之正十四烷含量…………..56 表4-3-1 TN-4在不同正十四烷濃度條件下培養時，培養基中 TN-4之正十四烷包覆量與細菌顆粒外之正十四烷含量….63 表4-4-1 TN-4在不同初始酸鹼值環境培養時，培養基中 TN-4之正十四烷包覆量與細菌顆粒外之正十四烷含量….69 附表3-1 正十四烷及正十二完之氣相層析滯留時間………………110 附表4-1 各種酸的標準品在液相層析之滯留時間……………....…1142230962 bytesapplication/pdfen-US正十四烷生物降解n-tetradecaneBiodegradationthesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/52380/1/ntu-94-R92524038-1.pdf