微生物之細胞聚集現象

Calleja 將細胞聚集 (cell aggregation) 現象定義為 “在生理條件下，細胞集聚 在一起形成一相當穩定且連續的多細胞菌團” (Calleja 1984)。自然界中，許多微 生物會傾向於貼附到界面上或是聚集在一起，這些微生物在某些情況下會維持分 散的狀態；在其他情況下，則會形成聚集體 (Busch and Stumm 1968)。一些本身 具聚集能力的細菌有：Kluyvera cryocrescenes (Kakii et al. 1990)、Pseudomonas sp (Tago and Aida 1977)、Flavobacterium sp (Tezuka 1969)…等。

微生物聚集現象的發生受到很多因素的影響，包含了複雜的物理、化學及生 物因子，其中碳源種類、溫度、疏水性作用力、凡得瓦力、靜電作用力、微生物 生長階段…等常被拿來討論 (Bossier and Verstraete 1996, Malik et al. 2003)。而微 生物形成聚集體的目的主要是為了更有效率的攝取營養物、作為防禦機制抵抗毒 性物質的進入、或是對抗環境壓力以維持生理機能…等 (Logan and Hunt 1988, Chang and Su 2003, Sannasi et al. 2009)。現今微生物聚集現象常被應用於廢水處 理、生物薄膜…等方面。而微生物聚集現象的形成對於石油碳氫化合物的生物復 育有以下2 點優點：(1) 促進微生物接觸及降解污染物，(2) 被包覆的碳氫化合 物能以物理方式來移除並作下一步的處理 (Sayavedra Soto et al. 2006)。

本研究中所使用的菌株 Rhodococcus erythropolis NTU-1，其所屬菌屬 Rhodococcus 在很多研究中皆顯示其具有聚集的能力。Iwabuchi 等學者測試 53 株不同名稱的 Rhodococcus 菌種發現，包含 R. erythropolis 在內的 34 個菌株會在 培養過程中發生細胞聚集現象，形成結塊並沈到培養基底部 (Iwabuchi et al.

2003)。

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由2.5.2 節中，我們知道 R. erythropolis 菌株的細胞表面含有 40%的 mycolic acids，所以表面能呈現高度的疏水性，而疏水性質會隨著碳源種類、細胞生長階 段…等因素影響。文獻中也指出，細胞的疏水性是主導微生物貼附現象的原因之 一 (Olofsson et al. 1998)。另外，R. erythropolis 菌株在利用低水溶性的碳氫化合 物作為碳源時，往往會分泌生物界面活性劑，其成份大多為醣脂類或脂肪酸，若 這些物質存在於細胞表面，可使細胞表面的疏水性增強，若釋放到培養基中則能 降低油-水之間的表面張力，使碳源的攝取更加容易 (Lang and Philp 1998)。

文獻中也提到，R. erythropolis 能分泌出生物絮凝劑，對許多懸浮物能產生 絮凝作用 (flocculation)。Takeda 等學者利用從自然界分離出的 R. erythropolis S-1 菌株，在以葡萄糖為碳源的條件下能產生蛋白質類的絮凝劑NOC-1，NOC-1 具 有強而廣泛的絮凝活性，且有應用範圍廣、不會造成二次污染、生產成本相也相 對於人工合成的絮凝劑低…等優點 (Takeda et al. 1991)。其他能生產絮凝劑的菌 株還有 Paecilomyces (Takagi and Kadowaki 1985)、Klebsiella pneumonia (Nakata and Kurane 1999)、Citrobacter (Fujita et al. 2000)、Bacillus mucilaginosus (Deng et al. 2003)…等。

由以上資料可知，Rhodococcus 菌屬細胞表面除了原本具有脂質、mycolic acid 以外，在以碳氫化合物培養的過程中還會累積脂肪酸或是醣脂質於細胞表面，或 是釋放出這些界面活性劑及生物絮凝劑於環境中，使其表面更加具疏水性且更能 與疏水性碳氫化合物接觸，故 Rhodococcus 菌屬在利用碳氫化合物時，細胞常會 有聚集現象的產生 (Bouchez-Naitali et al. 2001)。例如表面為疏水性的菌株 R.

erythropolis S+14He，其在利用正十六烷的過程中，細胞會聚集形成結塊並懸浮 在培養基的表面上 (Kim et al. 2002)。

除了細胞表面的疏水性是形成聚集現象的原因之一，細胞表面電荷對於微生

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物的聚集現象也有很大的影響。因為溶液中懸浮粒子的穩定性、吸附力與凝聚力 等現象都可能與其表面電荷有關，因而細胞表面電位 (zeta-potential) 的測量常被 應用於膠體、生物、高分子…等研究中。在微生物利用碳氫化合物的系統中，可 以將細胞與疏水性碳氫化合物視為微小的帶電粒子，並觀察兩者在不同條件下的 靜電作用力，影響靜電作用力的因素可能有pH 值、離子強度、溫度、細胞密度、

油滴大小及細胞特性…等 (Wiacek 2007)。例如，Sannasi 等人篩選出一株混合菌 株，其能在以酵母萃取物等營養源培養下，產生exopolymers 或 biopolymers，使 細胞表面帶有羧基、胺基、氫氧基、磷酸基及硫酸鹽…，表面呈負電，故可以吸 附多種帶正電的重金屬 (Cd (II)、Cr (VI)、Cu (II)、Ni (II)、Pb (II) ) 形成聚集體，

並可達到移除廢水中重金屬的目的 (Sannasi et al. 2009)。

本實驗室過去曾測量 R. erythropolis NTU-1 及正十六烷在不同培養基 pH 值 時，表面電位的變化。實驗發現NTU-1 pH 由 7 降到 2 時，細胞表面的電位會由

－27 mV 上升至－4 mV 左右，而正十六烷隨著 pH 值由 7 降至 2 時，表面電位 會從－30 mV 升到 10 mV 左右 (梁茂實 2007, Liu and Liu 2010)。這個結果代表 著不同pH 值所造成的離子強度變化會影響 NTU-1 及正十六烷表面的帶電量，

而若表面帶電量絕對值變小的話，油滴與細胞之間的吸附作用會越明顯，有利於 油滴與細胞間的接觸 (Gong et al. 2003, Ly et al. 2006)。文獻指出，當細胞表面電 位值降低或是疏水性增加時，微生物對於碳氫化合物有較高的吸附能力並較易形 成細胞聚集現象 (Bowen et al. 2001, Hua et al. 2003)。舉例來說，Malik 等學者篩 選出的 A. johnsoni S35 菌株，其表面具有相常高的疏水性 (85%對 p-xylene) 及 低表面電位 (絕對值約 5.6 mV) 因而對於許多不形成聚集的菌株有很好的共聚 集效果 (Malik et al. 2003)。

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