生物表面活性劑及其在環(huán)境工程中的應用

摘要：綜述了生物表面活性劑的種類(lèi)及其生產(chǎn)菌，介紹了目前常用的兩種生產(chǎn)方法：微生物發(fā)酵法和酶法合成生物表面活性劑?？偨Y了其在環(huán)境工程中的應用，如在廢水處理中浮選去除重金屬離子，在污染場(chǎng)地的生物修復中用于促進(jìn)烷烴、多環(huán)芳烴(PAHs)的降解，修復受重金屬污染的土壤等，并對今后的研究方向做了探討。

關(guān)鍵詞：生物表面活性劑 生物修復 重金屬 多環(huán)芳烴

生物表面活性劑是微生物在一定條件下培養時(shí)，在代謝過(guò)程中分泌的具有表面活性的代謝產(chǎn)物。與化學(xué)合成表面活性劑相比，生物表面活性劑具有許多獨特的屬性，如：結構的多樣性、生物可降解性、廣泛的生物活性及對環(huán)境的溫和性等[1]。由于化學(xué)合成表面活性劑受原材料、價(jià)格和產(chǎn)品性能等因素的影響，且在生產(chǎn)和使用過(guò)程中常會(huì )嚴重污染環(huán)境及危害人類(lèi)健康。因此，隨著(zhù)人類(lèi)環(huán)保和健康意識的增強，近二十多年來(lái)，對生物表面活性劑的研究日益增多，發(fā)展很快，國外已就多種生物表面活性劑及其生產(chǎn)工藝申請了專(zhuān)利[2]，如乙酸鈣不動(dòng)桿菌生產(chǎn)的一種胞外生物乳化劑已經(jīng)有了成品出售。國內對生物表面活性劑的研制和開(kāi)發(fā)應用起步較晚，但近年來(lái)也給予了高度重視，其中研究最多的就是生物表面活性劑在提高石油采收率以及生物修復中的應用。

1 生物表面活性劑的種類(lèi)及其生產(chǎn)菌

1.1 生物表面活性劑的種類(lèi)

化學(xué)合成表面活性劑通常是根據它們的極性基團來(lái)分類(lèi)，而生物表面活性劑則通過(guò)它們的生化性質(zhì)和生產(chǎn)菌的不同來(lái)區分。一般可分為五種類(lèi)型：糖脂、磷脂和脂肪酸、脂肽和脂蛋白、聚合物和特殊表面活性劑[1]。

1.2 生物表面活性劑的生產(chǎn)菌

大多數生物表面活性劑是細菌、酵母菌和真菌的代謝產(chǎn)物。這些生產(chǎn)菌大多是從油類(lèi)污染的湖泊、土壤或海洋中篩選得到的。如Banat等[3]從油泥污染的土壤中分離得到兩株生物表面活性劑的菌株：芽孢桿菌AB-2和Y12-B。表1列出了一些主要的生物表面活性劑的種類(lèi)及其生產(chǎn)菌[2，4]。

生物表面活性劑 生產(chǎn)菌 海藻糖脂 石蠟節桿菌(Arthrobacter paraffineus) 棒狀桿菌(Corynebacterium spp.) 紅平紅球菌(Rhodococus erythropolis) 鼠李糖脂 銅綠假單胞菌(Pseudomonas aeruginosa) 槐糖脂 解脂假絲酵母(Candida lipolytica)球擬酵母(Torulopsis bombicola) 葡萄糖、果糖、蔗糖脂 棒狀桿菌(Corynebacterium spp.) 紅平紅球菌(R.. erythropolis) 纖維二糖脂 玉蜀黍黑粉菌(Ustilago maydis) 脂多糖 乙酸鈣不動(dòng)桿菌(Acinetobacter calcoaceticus RAG1) 假單胞菌(Pseudomonas spp.) 脂肽 枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis) 地衣芽孢桿菌(Bacillus licheniformis)熒光假單胞菌(Pseudomonas fluorescens) 鳥(niǎo)氨酸，賴(lài)氨酸，縮氨酸 氧化硫硫桿菌(Thiobacillus thiooxidans) 鹽屋鏈霉菌(Streptomyces sioyaensia) 葡萄糖桿菌(Gluconobacter cerinus) 磷脂 氧化硫硫桿菌(T. thiooxidans) 脂肪酸 野兔棒狀桿菌(Corynebacterium lepus) 石蠟節桿菌(Arthrobacter paraffineus)

2 生物表面活性劑的生產(chǎn)

目前，可以通過(guò)兩種途徑生產(chǎn)生物表面活性劑:微生物發(fā)酵法和酶法。

采用發(fā)酵法生產(chǎn)時(shí)，生物表面活性劑的種類(lèi)、產(chǎn)量主要取決于生產(chǎn)菌的種類(lèi)、生長(cháng)階段，碳基質(zhì)的性質(zhì)，培養基中N、P 和金屬離子Mg2+、Fe2+的濃度以及培養條件(pH、溫度、攪拌速度等)。 如Davis等[5]在成批培養枯草芽孢桿菌時(shí)發(fā)現，在溶解氧耗盡和限氮條件下可得最大濃度(439.0 mg/L)的莎梵婷。Kitamoto等[6]利用南極假絲酵母的休止細胞生產(chǎn)甘露糖赤蘚糖醇脂，對培養條件進(jìn)行優(yōu)化后，最高產(chǎn)量可達140 g/L。發(fā)酵法生產(chǎn)生物表面活性劑的優(yōu)點(diǎn)在于生產(chǎn)費用低、種類(lèi)多樣和工藝簡(jiǎn)便等，便于大規模工業(yè)化生產(chǎn)，但產(chǎn)物的分離純化成本較高。

與微生物發(fā)酵法相比，酶法合成的表面活性劑分子多是一些結構相對簡(jiǎn)單的分子，但同樣具有優(yōu)良的表面活性。其優(yōu)點(diǎn)在于產(chǎn)物的提取費用低、次級結構改良方便、容易提純以及固定化酶可重復使用等，且酶法合成的表面活性劑可用于生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品，如藥品組分。盡管現階段酶制劑成本較高，但通過(guò)基因工程技術(shù)增強酶的穩定性與活性，有望降低其生產(chǎn)成本。

3 生物表面活性劑的提取

發(fā)酵產(chǎn)物的提取(也稱(chēng)下游處理)費用大約占總生產(chǎn)費用的60%，這是生物表面活性劑產(chǎn)品商業(yè)化的一個(gè)主要障礙。生物表面活性劑的最佳提取方法隨發(fā)酵操作及其物理化學(xué)性質(zhì)的不同而不同。其中溶劑萃取是最常用的提取方法，如Kuyukina等[7]利用甲基-叔丁基醚萃取紅球菌生產(chǎn)的生物表面活性劑，可以獲得較高產(chǎn)率10 mg/L。超濾是用于提取生物表面活性劑的一種新方法。Lin等[8]用分子量截止值為30000 Da的超濾膜從發(fā)酵液中提取枯草芽孢桿菌產(chǎn)生的脂肽類(lèi)生物表面活性劑莎梵婷，收率達95%。Mattei等設計了一套連續提取生物表面活性劑的裝置，應用切面流過(guò)濾法能連續提取產(chǎn)物，產(chǎn)率高達3 g/L[1]。能與連續發(fā)酵生產(chǎn)配套的產(chǎn)物提取方法有泡沫分離、離子交換樹(shù)脂法等。Davis等[9]用泡沫分離法連續提取枯草芽孢桿菌產(chǎn)生的莎梵婷，收率達71.4%。鼠李糖脂的提取過(guò)程是先離心過(guò)濾除去細胞，再通過(guò)吸附色譜將鼠李糖脂濃縮在安珀萊特XAD-2樹(shù)脂上，后用離子交換色譜法提純，最后將液體蒸發(fā)和冷凍干燥可得純度為90%的成品，收率達60%[2]。

4 生物表面活性劑在環(huán)境工程中的應用

許多化學(xué)合成表面活性劑由于難降解、有毒及在生態(tài)系統中的積累等性質(zhì)而破壞生態(tài)環(huán)境，相比之下，生物表面活性劑則由于易生物降解、對生態(tài)環(huán)境無(wú)毒等特性而更適合于環(huán)境工程中污染治理。如：在廢水處理工藝中可作為浮選捕收劑與帶電膠粒相吸以除去有毒金屬離子，修復受有機物和重金屬污染的場(chǎng)地等。

4.1 在廢水處理工藝中的應用

用生物法處理廢水時(shí)，重金屬離子對活性污泥中的微生物菌群常會(huì )產(chǎn)生抑制或毒害作用，因此，在用生物法處理含重金屬離子的廢水時(shí)須進(jìn)行預處理。當前，常用氫氧化物沉淀法除去廢水中的重金屬離子，但其沉淀效率受氫氧化物溶解度的限制，應用效果不甚理想；浮選法用于廢水預處理時(shí)又常因所用浮選捕收劑在其后續處理過(guò)程中難降解(如化學(xué)合成表面活性劑十二烷基磺酸鈉)，易產(chǎn)生二次污染而受限制，因此，有必要開(kāi)發(fā)易生物降解、對環(huán)境無(wú)毒害的替代品，而生物表面活性劑恰好具有這一優(yōu)勢。但是，國內外對這一方面的應用研究很少，直到最近才有報道。Zouboulis 等[10]研究了生物表面活性劑作為捕收劑除去廣泛存在于工業(yè)廢水中的兩種有毒金屬離子：Cr4＋和Zn2＋。結果表明，莎梵婷和地衣芽孢桿菌素在pH為4 時(shí)均能很好地從廢水中分離吸附了Cr4＋的αFeO(OH)或Cr4＋與 FeCl3?6H2O形成的螯合物，極大地提高了Cr4＋(50 mg/L)的去除率，幾乎可達100%；在pH為6時(shí)，莎梵婷對螯合物中的Zn2＋(50 mg/L)去除率高達96%，而在相同條件下，地衣芽孢桿菌素的處理效果不明顯，去除率為50%左右。

4.2 在生物修復中的應用

在利用微生物催化降解有機污染物，從而修復被污染環(huán)境的過(guò)程中，由于所使用的生物表面活性劑可以直接使用發(fā)酵液，能節省表面活性劑的分離提取和產(chǎn)品純化成本，因此，生物表面活性劑在現場(chǎng)生物修復有機污染場(chǎng)地的應用潛力很大。國外對生物修復的研究大約起始于20世紀80年代初期，至今已有大量成功的工程實(shí)例。如Harvey等[11]將銅綠假單胞菌生產(chǎn)的海藻糖脂，加入Exxon Valdez號油輪在阿拉斯加威廉王子海灣造成的原油泄漏污染的海水中，大大提高了原油的降解速度。這也是目前為止規模最大的實(shí)際應用中最成功的現場(chǎng)生物修復。而在國內還未見(jiàn)有將生物表面活性劑成功用于環(huán)境污染物治理方面的報道。

4.2.1 促進(jìn)烷烴類(lèi)物質(zhì)的降解

烷烴是石油的主要組成成分。在石油勘探、開(kāi)采、運輸、加工及儲存過(guò)程中，不可避免地會(huì )有石油排入環(huán)境中而對土壤、地下水造成污染。為了提高烷烴的降解速率，加入生物表面活性劑能夠增強疏水性化合物的親水性和生物可降解性，增加微生物的數量，繼而提高烷烴的降解速率。Noordman等[12]研究了不同類(lèi)型表面活性劑對十六烷的降解作用， 結果表明生物表面活性劑鼠李糖脂對十六烷的降解作用明顯優(yōu)于其他十四種化學(xué)合成表面活性劑。Rahman等[13]發(fā)現分別添加0.1%和1%鼠李糖脂的堆制系統中，汽油污染土壤中碳氫化合物的降解率分別提高了11.9%～45.2%和20.2%～48.3%。最近Rahman等[14]在研究?jì)τ凸薜撞磕酄畛练e物與土壤混合堆制過(guò)程中正構烷烴的降解情況時(shí)，也發(fā)現添加鼠李糖脂能顯著(zhù)增加烷烴的降解率。

4.2.2 促進(jìn)多環(huán)芳烴的降解

多環(huán)芳烴因其“三致”(致癌、致畸、致突變)作用而日益受到人們的重視，許多國家都已將其列為優(yōu)先污染物。已有研究表明，微生物降解是從環(huán)境中去除多環(huán)芳烴的最主要途徑，且多環(huán)芳烴的降解性能隨苯環(huán)數量的增加而降低，三環(huán)以下的多環(huán)芳烴易降解，四環(huán)以上的較難降解。迄今為止，關(guān)于多環(huán)芳烴降解菌能促進(jìn)多環(huán)芳烴的生物可利用性存在三種假說(shuō)：(1) 通過(guò)分泌生物表面活性劑促進(jìn)多環(huán)芳烴的降解[15]。(2) 通過(guò)產(chǎn)生胞外聚合物促進(jìn)多環(huán)芳烴的降解[16]。(3) 通過(guò)形成生物膜促進(jìn)多環(huán)芳烴的降解[17，18]。Johnsen等[19]的實(shí)驗結果表明少動(dòng)鞘脂單胞菌是通過(guò)分泌表面活性劑——葡聚糖脂的方式而促進(jìn)多環(huán)芳烴化合物降解的。

4.2.3 用于除去有毒重金屬

由于有毒重金屬在土壤環(huán)境中的污染過(guò)程具有隱蔽性、穩定性及不可逆性等特點(diǎn)，因此，土壤中有毒重金屬污染的修復一直是學(xué)術(shù)界的熱點(diǎn)研究課題。目前可以用玻璃化、固定化/穩定化、熱處理等技術(shù)除去土壤中的重金屬。玻璃化處理技術(shù)可行，但是工程量大，費用高；固定化過(guò)程具有可逆性，因此處理后還需要不間斷地監測處理效果；而熱處理技術(shù)則只適用于除去易揮發(fā)的重金屬如Hg等。因此，低成本的生物學(xué)處理方法發(fā)展很快。近年來(lái)，人們開(kāi)始利用對生態(tài)環(huán)境無(wú)毒的生物表面活性劑修復受重金屬污染土壤。Torrens等[20]的實(shí)驗結果表明，添加鼠李糖脂使Cd的去除率提高了8%～54%。Mulligan等[21]用0.25%的莎梵婷連續5 d沖洗受重金屬污染的土壤后，Cu的去除率達70%。Mulligan等[22]分別使用三種不同的生物表面活性劑沖洗受重金屬Cu、Zn污染的沉積物。三種生物表面活性劑對重金屬的去除效果都不同：0.5%的鼠李糖脂對Cu的去除效果較好，去除率為65%；4%的槐糖脂則對Zn的去除效果較好，為60%；而莎梵婷對兩者均無(wú)多大效果，去除率僅為15%和6%。并研究了重金屬在沉積物中賦存形態(tài)量的變化，其中，鼠李糖脂和莎梵婷主要除去了有機結合態(tài)的Cu，槐糖脂主要除去了氧化物結合態(tài)和碳酸鹽結合態(tài)的Zn。這一研究結果也證實(shí)了用生物表面活性劑沖洗沉積物除去其中重金屬的方法是可行的。

5 展 望

生物表面活性劑在石油、化工、醫藥、化妝品、食品等行業(yè)也有廣泛的應用，因而其市場(chǎng)前景廣闊。目前，生物表面活性劑的研究大多還處于實(shí)驗室或模擬實(shí)驗研究階段，其主要原因就是生產(chǎn)成本還很高，和化學(xué)合成表面活性劑相比還沒(méi)有明顯的競爭優(yōu)勢，在污染物的治理應用中受到限制。為了早日實(shí)現生物表面活性劑的大規模工業(yè)化生產(chǎn)，提高實(shí)際應用程度，今后的研究將著(zhù)重于以下三個(gè)方面：(1)選育能以廉價(jià)碳源為底物、產(chǎn)量高的菌種(如Benincasa等[23]利用生產(chǎn)向日葵油過(guò)程中產(chǎn)生的廢物皂料為唯一碳源成批培養銅綠假單胞菌，獲得的鼠李糖脂最大濃度為16 g/L)。(2)在對生物表面活性劑的純度要求較高的應用場(chǎng)合應設計經(jīng)濟有效的產(chǎn)物分離純化方法。將其二次開(kāi)發(fā)產(chǎn)品應用于化妝品、食品、制藥等行業(yè)，能在一定程度上抵消生物表面活性劑的高生產(chǎn)成本。(3)研究生物表面活性劑生產(chǎn)菌降解有機污染物的作用機制，明確生物表面活性劑在污染現場(chǎng)的作用過(guò)程，使之在直接應用發(fā)酵液進(jìn)行生物修復時(shí)能快速、有效降解污染物。

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