生物表面活性剂及其在环境工程中的应用
生物表面活性剂是一类由微生物合成的、结构不同的表面活性分子。微生物在一定条件下培养时,在其代谢过程中分泌产生的一些具有一定表/界面活性,集亲水基和疏水基结构于一分子内部的两亲化合物,称为生物表面活性剂[1](Biosurfactant)。在近十年来,现代生物技术的迅猛发展以及生物表面活性剂在环保、石油开采、制药、食品加工等方面的潜在应用,已引起人们对在工业规模上用生物技术生产表面活性剂的强烈兴趣,人们环保意识的增强更是推动了生物表面活性剂取代化学合成表面活性剂的发展趋势。
1 生物表面活性剂的结构和性能
生物表面活性剂的分子结构中既有极性基团又有非极性基团,是一类中性两极分子。亲水基团可以是离子或非离子形式的单糖、二糖、多糖、羧基、氨基或肽链;疏水基团则由饱和脂肪酸、不饱和脂肪酸或带羟基的脂肪酸组成。对于像蛋白质 多糖复合物等一些分子量较大的生物表面活性剂分子,其亲水和疏水部分可以由不同的分子组成。生物表面活性剂能在两相界面定向排列形成分子层,能降低界面的能量,即表面张力,多数生物表面活性剂可将表面张力减小至30mN/m。它们在决定界面的流变学特性以及在两相间物质传递方面起着十分重要的作用。
生物表面活性剂具有良好的热及化学稳定性,如由地衣芽孢杆菌产生的脂肽在75℃时至少可耐热140h[2]。有些生物表面活性剂可以耐强碱、强酸,如0,0-D-海藻糖-6-棒杆霉菌酸酯,在0.1mol/L盐酸中浸泡70个小时,仅有10%的糖脂被降解。PseudomonesaeruginosaS7B1产生的类蛋白活化剂在pH为1.7～11.4范围内非常稳定。生物表面活性剂还具有良好的抗菌性能,这是一般化学合成的表面活性剂难以匹敌的,如日本的实验室从PseudomonasSp.得到的糖脂具有一定的抗菌、抗病毒和抗支原体的性能等[3]。
总之,与化学合成的表面活性剂相比,生物表面活性剂更具优越性:
(1)生物表面活性剂自身就具有很多生理、药理和免疫等功能;
(2)生物表面活性剂通常比合成表面活性剂的化学结构更为庞杂,单个分子占据更大空间,因而显示出较低的临界胶束浓度;
(3)生物表面活性剂的原料多是自然界中常见的、易加工的天然物质,生产工艺简单,常温常压下即可发生反应;
(4)可以生产某些具有特殊结构的、化学合成难合成的大分子,引入化学方法难合成的新化学基团;
(5)更重要的是生物表面活性剂用量少、无毒,能完全生物降解,对环境没有污染和破坏。
2 生物表面活性剂的分类及其微生物来源
生物表面活性剂有多种来源、多种生产方法、多种化学结构和多种用途。按用途可将生物表面活性剂分为生物表面活性剂和生物乳化剂,前者是一些低分子量的小分子,能显著改变表/界面张力;后者则是一些生物大分子,并不能显著降低表/界张力,但对油/水界面表现出很强的亲和力,因而可使乳状液得以稳定。按来源可将生物表面活性剂分成整胞生物转换法(也称发酵法)和酶促反应合成法。按照生物表面活性剂的化学结构不同,生物表面活性剂主要分为糖脂类、脂肽和脂蛋白类、脂肪酸和磷脂类、多聚生物表面活性剂类和特殊生物表面活性剂类等五大类[4]。表1列出了生物表面活性剂的主要种类及其典型的微生物来源。
3 生物表面活性剂在环境工程中的应用
3.1促进有机物的降解
为了消除土壤中有机污染物,加入生物表面活性剂,能够使污染物分散、增溶、乳化,进而提高生物可利用性,促使污染物尽快生物降解。因而,生物表面活性剂在生物修复尤其是土壤修复中有很大的实用价值,已被认为是现代生物修复技术的一部分[6]。
生物表面活性剂应用于修复受石油污染土壤的效果十分显著。Harvey等[7]报道了由铜绿假单胞菌合成的生物表面活性剂海藻糖脂的使用。它大大提高了ExxonValdez原油泄漏所造成的阿拉斯加原油污染的降解速度。有研究表明,由微生物生成的一种生物表面活性剂由于能有效地将石油分散成液滴,因而可促进石油污染海岸的生物补救[8]。人们在一个含“模拟”油类的土壤微生物体系中加入生物表面活性剂发现,油类降解90%以上所需的总体时间可以缩短,因此可以认为生物降解作用得到了加强。进一步的研究发现一些高产菌株在活细胞存在的条件下能增加对模拟油类的生物降解速率[9]。
生物表面活性剂同样应用于受多环芳烃污染土壤的生物修复。在非常高的蒽浓度下,欧阳科等[10]用高效液相色谱测定了不同的表面活性剂条件下蒽高效降解菌降解蒽的情况。结果表明,相同条件下生物表面活性剂促进受蒽污染土壤的效果要优于化学表面活性剂。
用假丝酵母生产的甘露糖赤藓糖醇酯对正构烷烃具有较好的降解能力[11]。VanDyke等[12]研究表明,铜绿假单胞菌合成的鼠李糖脂加入砂土或砂壤土中,烷烃的去除率分别提高25%～70%和40%～80%。糖脂类生物表面活性剂不仅可提高烷烃的去除率,而且可加速烷烃的矿化程度,缩短可被微生物利用的适应时间。在处理炼油厂废水时,若在活性污泥处理池中加入生物表面活性剂、能大大加快正构烷烃的生物降解过程。
3.2去除金属元素
生物表面活性剂还用于去除被油污染的土壤中的重金属。有研究用表面活性生物化学物质、鼠李糖脂和槐糖脂的成批洗涤液冲洗土壤,来评价用可生物降解的生物表面活性剂去除被油污染的土壤中重金属的可行性,结果表明可以去除100%的锌[13]。Mulligan等[14]用微生物产生的表面活性剂鼠李糖脂、莎凡婷和槐糖脂去除油污染土壤中的有机态铜和锌;Hong等[15,16]对来源于植物的表面活性剂皂角苷去除3种不同土壤(粘土、沙土和含有大量有机质的土壤)中以及城市垃圾焚烧飞灰中的重金属,都取得了较好的去除效果。
对于用生物表面活性剂去除废水中的金属离子研究不多。Zouboilis等[17]用吸附-浮选法去除工业废水中的Cr6+和Zn2+。向废水投加针铁矿和氢氧化铁,吸附金属离子,然后用生物表面活性剂脂肽-105和地衣素-A作为浮选剂进行固液分离。Hong等[16]通过实验证明皂角苷在溶液中可以和Cd2+、Pb2+形成化合物,并通过傅立叶变换红外光谱计(FTIR)证实,这些络合物是皂角苷的羧基基团和重金属形成的。孟佑婷等[18]用生物表面活性剂茶皂素浮选去除废水中镉离子,取得良好的效果。
3.3减少农药污染
此外,把生物表面活性剂应用于农业中,对减少农药的污染有着十分积极的意义。生物表面活性剂在杀虫剂的均匀分散方面,有重要的应用价值。生物表面活性剂还可用作难溶有机磷杀虫剂的配方。芽孢标菌的两个菌株可产生一种糖脂肽类物质,它在杀虫剂硫磷中可作为稳定乳化剂,还可以乳化其他液体不相溶的有机磷杀虫剂,但对固体有机磷或有机氯杀虫剂及碳氢化合物无此作用。由铜绿假单孢菌产的一种表面活性剂能溶解有毒的有机化学物质,增加其溶解性,并使污物中六氯联苯回收率提高31%。有人发现,枯草芽孢杆菌MTCC2423产的表面活性剂(400μg/mL)加到含α-和β-endosulfan的溶液中,能将其生物降解速率提高30%～40%,它还能促使残余的endosulfan异构体逐步降解[19]。
4 发展前景
生物表面活性剂是一种新型的表面活性剂。相对于化学表面活性剂,它具有许多明显的优势,因此,深为工业界及环保界所看好。目前生物表面活性剂的生产成本比化学表面活性剂的生产成本高,所以,未来生物表面活性剂的广泛应用主要受到其生产成本的限制。围绕降低生产成本将是生物表面活性剂研究开发的发展方向。决定生产成本的主要因素有底物原料、发酵工艺和下游回收方法等,设计高生产力的发酵工艺和经济有效的回收方法是今后的主要工作。相信通过广大科技工作者的努力,生物表面活性剂成本将会逐渐降低,成为表面活性剂家族的后起之秀,应用前景十分广阔。
