芳基硫酸酯酶在类固醇雌激素生物降解中的作用研究

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我国集约化养殖业发展迅速,产生大量的类固醇雌激素(Steroid estrogens, SEs)从动物体内排出,这类污染物进入周边土壤,迁移到水体环境中,内分泌干扰物会通过刺激或者克制水生生物的内分泌系统功能,进而破坏了机体内环境的稳定,水生生物的性腺功能仅仅在ng/L级别的浓度水平下便会出现异常,对生态环境和人身健康带来较大的威胁。因此,这种雌激素被认为是内分泌干扰物,污水处理厂应优先控制排放。然而不具有雌情活力的结合态雌激素(E1-3S)往往会在处理不同自由态雌激素时随之产生,并随之排出。在污水处理设备系统中,硫酸结合态雌激素本身不具有一定的干扰活性,但是在特定的环境中,它可以由芳基硫酸酯酶水解,然后释放具有干扰活性的自由态雌激素,即它可以转换为具有由污水处理设施控制处理的干扰活性的自由态雌激素。然而通常排入水体的结合态雌激素浓度大约是自由态雌激素浓度的一半以上,如果不进行特殊处理可能会带来不可估量的环境风险。
  本课题主要以在环境中表现较为稳定的结合态雌激素并且残留于水体能力较高的硫酸雌酮(E1-3S)作为目标物质进行研究,结合芳基硫酸酯酶的水解作用,通过考察对酶活性有影响的环境因子,进而研究芳基硫酸酯酶作用于水环境中和土壤环境中,对硫酸雌酮的去除的影响变化规律。
  利用可控实验室环境进行试验,本课题针对芳基硫酸酯酶和结合态雌激素进行研究,探究得到结论:
  1.芳基硫酸酯酶活性在与不同pH、温度、有机质和无机硫酸盐等因素下的环境相关关系,并展开正交试验。通过试验数据使用F检验和sig显著性分析得到该典型环境因子显著性水平顺序:有机质含量>无机硫酸盐含量>温度,并得到三种因素的最佳组合方式使得芳基硫酸酯酶活性达到最大值,即为:温度30℃、有机质0.02g和硫酸盐浓度100mg/L。
  2.在上述最优环境因子条件下,对结合态雌激素反应建立了一级降解反应速率模型,分析了反应速率与酶活性的相关关系,针对单因素有机质研究得出结论:在水环境中,芳基硫酸酯酶活性随着有机质含量增加而降低,当含量一定时,会随着培养时间增加而降低,表明在水环境中,有机质对芳基硫酸酯酶活性有着潜在的抑制作用;在土壤环境中,芳基硫酸酯酶活性随着有机质含量增加而增加,当含量一定时,会随着培养时间增加而增加,表明有机质在促进土壤环境中芳基硫酸酯酶活性方面发挥着重要作用。
  3.在水环境中模拟芳基硫酸酯酶对硫酸雌酮的促进水解能力,在土壤环境中模拟芳基硫酸酯酶在土壤柱中对硫酸雌酮的降解能力。简析在不同环境下两者的转化和芳基硫酸酯酶对结合态雌激素的降解作用,并得出结论:在特定环境条件下,结合态雌激素E1-3S可被芳基硫酸酯酶催化水解释放出一定的自由态雌激素E1。
  4.试验前后进行扫描电镜SEM和XRD对土壤颗粒过筛风干后进行表征,得出结论:试验后土壤物质间距变小,土壤颗粒表面变得较之前更为平整。
  本研究通过影响芳基硫酸酯酶酶活性的典型环境因子,得到最优环境组合,并进行一级反应速率分析,得到反应速率与酶活性的关系,为后续研究不同环境下酶对目标物降解的环境因子确定提供有效依据。后续实验中,在水环境和土环境中探究芳基硫酸酯酶对E1-3S的降解作用和土壤因此的变化特征,实验结论验证了该酶对目标物E1-3S有着降解作用,对雌激素的研究进展更加深入。
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