生物表面活性剂及其在环境工程中的应用

摘要：综述了生物表面活性剂的种类及其生产菌，介绍了目前常用的两种生产方法：微生物发酵法和酶法合成生物表面活性剂。总结了其在环境工程中的应用，如在废水处理中浮选去除重金属离子，在污染场地的生物修复中用于促进烷烃、多环芳烃(PAHs)的降解，修复受重金属污染的土壤等，并对今后的研究方向做了探讨。

关键词：生物表面活性剂 生物修复 重金属 多环芳烃

生物表面活性剂是微生物在一定条件下培养时，在代谢过程中分泌的具有表面活性的代谢产物。与化学合成表面活性剂相比，生物表面活性剂具有许多独特的属性，如：结构的多样性、生物可降解性、广泛的生物活性及对环境的温和性等[1]。由于化学合成表面活性剂受原材料、价格和产品性能等因素的影响，且在生产和使用过程中常会严重污染环境及危害人类健康。因此，随着人类环保和健康意识的增强，近二十多年来，对生物表面活性剂的研究日益增多，发展很快，国外已就多种生物表面活性剂及其生产工艺申请了专利[2]，如乙酸钙不动杆菌生产的一种胞外生物乳化剂已经有了成品出售。国内对生物表面活性剂的研制和开发应用起步较晚，但近年来也给予了高度重视，其中研究最多的就是生物表面活性剂在提高石油采收率以及生物修复中的应用。

1 生物表面活性剂的种类及其生产菌

1.1 生物表面活性剂的种类

化学合成表面活性剂通常是根据它们的极性基团来分类，而生物表面活性剂则通过它们的生化性质和生产菌的不同来区分。一般可分为五种类型：糖脂、磷脂和脂肪酸、脂肽和脂蛋白、聚合物和特殊表面活性剂[1]。

1.2 生物表面活性剂的生产菌

大多数生物表面活性剂是细菌、酵母菌和真菌的代谢产物。这些生产菌大多是从油类污染的湖泊、土壤或海洋中筛选得到的。如Banat等[3]从油泥污染的土壤中分离得到两株生物表面活性剂的菌株：芽孢杆菌AB-2和Y12-B。表1列出了一些主要的生物表面活性剂的种类及其生产菌[2，4]。

生物表面活性剂 生产菌 海藻糖脂 石蜡节杆菌(Arthrobacter paraffineus) 棒状杆菌(Corynebacterium spp.) 红平红球菌(Rhodococus erythropolis) 鼠李糖脂 铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa) 槐糖脂 解脂假丝酵母(Candida lipolytica)球拟酵母(Torulopsis bombicola) 葡萄糖、果糖、蔗糖脂 棒状杆菌(Corynebacterium spp.) 红平红球菌(R.. erythropolis) 纤维二糖脂 玉蜀黍黑粉菌(Ustilago maydis) 脂多糖 乙酸钙不动杆菌(Acinetobacter calcoaceticus RAG1) 假单胞菌(Pseudomonas spp.) 脂肽 枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis) 地衣芽孢杆菌(Bacillus licheniformis)荧光假单胞菌(Pseudomonas fluorescens) 鸟氨酸，赖氨酸，缩氨酸 氧化硫硫杆菌(Thiobacillus thiooxidans) 盐屋链霉菌(Streptomyces sioyaensia) 葡萄糖杆菌(Gluconobacter cerinus) 磷脂 氧化硫硫杆菌(T. thiooxidans) 脂肪酸 野兔棒状杆菌(Corynebacterium lepus) 石蜡节杆菌(Arthrobacter paraffineus)

2 生物表面活性剂的生产

目前，可以通过两种途径生产生物表面活性剂:微生物发酵法和酶法。

采用发酵法生产时，生物表面活性剂的种类、产量主要取决于生产菌的种类、生长阶段，碳基质的性质，培养基中N、P 和金属离子Mg2+、Fe2+的浓度以及培养条件(pH、温度、搅拌速度等)。 如Davis等[5]在成批培养枯草芽孢杆菌时发现，在溶解氧耗尽和限氮条件下可得最大浓度(439.0 mg/L)的莎梵婷。Kitamoto等[6]利用南极假丝酵母的休止细胞生产甘露糖赤藓糖醇脂，对培养条件进行优化后，最高产量可达140 g/L。发酵法生产生物表面活性剂的优点在于生产费用低、种类多样和工艺简便等，便于大规模工业化生产，但产物的分离纯化成本较高。

与微生物发酵法相比，酶法合成的表面活性剂分子多是一些结构相对简单的分子，但同样具有优良的表面活性。其优点在于产物的提取费用低、次级结构改良方便、容易提纯以及固定化酶可重复使用等，且酶法合成的表面活性剂可用于生产高附加值产品，如药品组分。尽管现阶段酶制剂成本较高，但通过基因工程技术增强酶的稳定性与活性，有望降低其生产成本。

3 生物表面活性剂的提取

发酵产物的提取(也称下游处理)费用大约占总生产费用的60%，这是生物表面活性剂产品商业化的一个主要障碍。生物表面活性剂的最佳提取方法随发酵操作及其物理化学性质的不同而不同。其中溶剂萃取是最常用的提取方法，如Kuyukina等[7]利用甲基-叔丁基醚萃取红球菌生产的生物表面活性剂，可以获得较高产率10 mg/L。超滤是用于提取生物表面活性剂的一种新方法。Lin等[8]用分子量截止值为30000 Da的超滤膜从发酵液中提取枯草芽孢杆菌产生的脂肽类生物表面活性剂莎梵婷，收率达95%。Mattei等设计了一套连续提取生物表面活性剂的装置，应用切面流过滤法能连续提取产物，产率高达3 g/L[1]。能与连续发酵生产配套的产物提取方法有泡沫分离、离子交换树脂法等。Davis等[9]用泡沫分离法连续提取枯草芽孢杆菌产生的莎梵婷，收率达71.4%。鼠李糖脂的提取过程是先离心过滤除去细胞，再通过吸附色谱将鼠李糖脂浓缩在安珀莱特XAD-2树脂上，后用离子交换色谱法提纯，最后将液体蒸发和冷冻干燥可得纯度为90%的成品，收率达60%[2]。

4 生物表面活性剂在环境工程中的应用

许多化学合成表面活性剂由于难降解、有毒及在生态系统中的积累等性质而破坏生态环境，相比之下，生物表面活性剂则由于易生物降解、对生态环境无毒等特性而更适合于环境工程中污染治理。如：在废水处理工艺中可作为浮选捕收剂与带电胶粒相吸以除去有毒金属离子，修复受有机物和重金属污染的场地等。

4.1 在废水处理工艺中的应用

用生物法处理废水时，重金属离子对活性污泥中的微生物菌群常会产生抑制或毒害作用，因此，在用生物法处理含重金属离子的废水时须进行预处理。当前，常用氢氧化物沉淀法除去废水中的重金属离子，但其沉淀效率受氢氧化物溶解度的限制，应用效果不甚理想；浮选法用于废水预处理时又常因所用浮选捕收剂在其后续处理过程中难降解(如化学合成表面活性剂十二烷基磺酸钠)，易产生二次污染而受限制，因此，有必要开发易生物降解、对环境无毒害的替代品，而生物表面活性剂恰好具有这一优势。但是，国内外对这一方面的应用研究很少，直到最近才有报道。Zouboulis 等[10]研究了生物表面活性剂作为捕收剂除去广泛存在于工业废水中的两种有毒金属离子：Cr4＋和Zn2＋。结果表明，莎梵婷和地衣芽孢杆菌素在pH为4 时均能很好地从废水中分离吸附了Cr4＋的αFeO(OH)或Cr4＋与 FeCl3•6H2O形成的螯合物，极大地提高了Cr4＋(50 mg/L)的去除率，几乎可达100%；在pH为6时，莎梵婷对螯合物中的Zn2＋(50 mg/L)去除率高达96%，而在相同条件下，地衣芽孢杆菌素的处理效果不明显，去除率为50%左右。

4.2 在生物修复中的应用

在利用微生物催化降解有机污染物，从而修复被污染环境的过程中，由于所使用的生物表面活性剂可以直接使用发酵液，能节省表面活性剂的分离提取和产品纯化成本，因此，生物表面活性剂在现场生物修复有机污染场地的应用潜力很大。国外对生物修复的研究大约起始于20世纪80年代初期，至今已有大量成功的工程实例。如Harvey等[11]将铜绿假单胞菌生产的海藻糖脂，加入Exxon Valdez号油轮在阿拉斯加威廉王子海湾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。这也是目前为止规模最大的实际应用中最成功的现场生物修复。而在国内还未见有将生物表面活性剂成功用于环境污染物治理方面的报道。

4.2.1 促进烷烃类物质的降解

烷烃是石油的主要组成成分。在石油勘探、开采、运输、加工及储存过程中，不可避免地会有石油排入环境中而对土壤、地下水造成污染。为了提高烷烃的降解速率，加入生物表面活性剂能够增强疏水性化合物的亲水性和生物可降解性，增加微生物的数量，继而提高烷烃的降解速率。Noordman等[12]研究了不同类型表面活性剂对十六烷的降解作用， 结果表明生物表面活性剂鼠李糖脂对十六烷的降解作用明显优于其他十四种化学合成表面活性剂。Rahman等[13]发现分别添加0.1%和1%鼠李糖脂的堆制系统中，汽油污染土壤中碳氢化合物的降解率分别提高了11.9%～45.2%和20.2%～48.3%。最近Rahman等[14]在研究储油罐底部泥状沉积物与土壤混合堆制过程中正构烷烃的降解情况时，也发现添加鼠李糖脂能显著增加烷烃的降解率。

4.2.2 促进多环芳烃的降解

多环芳烃因其“三致”(致癌、致畸、致突变)作用而日益受到人们的重视，许多国家都已将其列为优先污染物。已有研究表明，微生物降解是从环境中去除多环芳烃的最主要途径，且多环芳烃的降解性能随苯环数量的增加而降低，三环以下的多环芳烃易降解，四环以上的较难降解。迄今为止，关于多环芳烃降解菌能促进多环芳烃的生物可利用性存在三种假说：(1) 通过分泌生物表面活性剂促进多环芳烃的降解[15]。(2) 通过产生胞外聚合物促进多环芳烃的降解[16]。(3) 通过形成生物膜促进多环芳烃的降解[17，18]。Johnsen等[19]的实验结果表明少动鞘脂单胞菌是通过分泌表面活性剂——葡聚糖脂的方式而促进多环芳烃化合物降解的。

4.2.3 用于除去有毒重金属

由于有毒重金属在土壤环境中的污染过程具有隐蔽性、稳定性及不可逆性等特点，因此，土壤中有毒重金属污染的修复一直是学术界的热点研究课题。目前可以用玻璃化、固定化/稳定化、热处理等技术除去土壤中的重金属。玻璃化处理技术可行，但是工程量大，费用高；固定化过程具有可逆性，因此处理后还需要不间断地监测处理效果；而热处理技术则只适用于除去易挥发的重金属如Hg等。因此，低成本的生物学处理方法发展很快。近年来，人们开始利用对生态环境无毒的生物表面活性剂修复受重金属污染土壤。Torrens等[20]的实验结果表明，添加鼠李糖脂使Cd的去除率提高了8%～54%。Mulligan等[21]用0.25%的莎梵婷连续5 d冲洗受重金属污染的土壤后，Cu的去除率达70%。Mulligan等[22]分别使用三种不同的生物表面活性剂冲洗受重金属Cu、Zn污染的沉积物。三种生物表面活性剂对重金属的去除效果都不同：0.5%的鼠李糖脂对Cu的去除效果较好，去除率为65%；4%的槐糖脂则对Zn的去除效果较好，为60%；而莎梵婷对两者均无多大效果，去除率仅为15%和6%。并研究了重金属在沉积物中赋存形态量的变化，其中，鼠李糖脂和莎梵婷主要除去了有机结合态的Cu，槐糖脂主要除去了氧化物结合态和碳酸盐结合态的Zn。这一研究结果也证实了用生物表面活性剂冲洗沉积物除去其中重金属的方法是可行的。

5 展 望

生物表面活性剂在石油、化工、医药、化妆品、食品等行业也有广泛的应用，因而其市场前景广阔。目前，生物表面活性剂的研究大多还处于实验室或模拟实验研究阶段，其主要原因就是生产成本还很高，和化学合成表面活性剂相比还没有明显的竞争优势，在污染物的治理应用中受到限制。为了早日实现生物表面活性剂的大规模工业化生产，提高实际应用程度，今后的研究将着重于以下三个方面：(1)选育能以廉价碳源为底物、产量高的菌种(如Benincasa等[23]利用生产向日葵油过程中产生的废物皂料为唯一碳源成批培养铜绿假单胞菌，获得的鼠李糖脂最大浓度为16 g/L)。(2)在对生物表面活性剂的纯度要求较高的应用场合应设计经济有效的产物分离纯化方法。将其二次开发产品应用于化妆品、食品、制药等行业，能在一定程度上抵消生物表面活性剂的高生产成本。(3)研究生物表面活性剂生产菌降解有机污染物的作用机制，明确生物表面活性剂在污染现场的作用过程，使之在直接应用发酵液进行生物修复时能快速、有效降解污染物。

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