生物表面活性剂及在生物修复中的应用

生物表面活性剂及在生物修复中的应用摘要生物表面活性剂是由微生物产生的一类具有表面活性的生物化合物，除具有化学合成表面活性剂的理化特性外，还具有无毒、高效等优点，其应用前景非常广阔，并有可能成为化学合成表面活性剂的替代品或升级换代品。

本文概述了近年来在有机污染生物修复中生物表面活性剂的研究进展，并展望了该技术的发展方向。

这将为在我国开展该方法的研究和应用打下基础。

关键词:有机污染；生物表面活性剂；修复Biosurfactant and its Applications in Organic Pollutants RemediationAbstractBiosurfactant is a kind of microbial compounds produced by microorganism that exhibited pronounced surface activity. Biosurfactants have physical and chemical character of surfactants，in addition it is nonpoisonous and highly effect. The results showed that the prospect of its application is good and biosurfactants would be used as a substitute for surfactants. This paper reviews the researches on biosurfactants applied in the organic pollution bioremediation in recent years. A probe to the future development of this technologies is made as well. The order is to initiate a pilot study of the approach in China.Key Words:Organic pollution; Biosurfactants; Remediation土壤中有机污染物，由于它的持久性和对人体健康的潜在威胁，越来越受到人们的关注。

残留在土壤中的有机污染物，不仅影响土壤的正常功能，降低土壤环境质量，而且还可以通过生物富集进入食物链，危及人体健康。

在污染土壤修复中，微生物修复技术与物理、化学修复相比具有非破坏性、经济性和安全性的优点。

使其成为最有前途的污染环境修复技术之一。

由于有机污染物的疏水性、以及污染物可能会被强烈吸附在土壤颗粒表面或进入土壤孔隙，使水溶液中污染物浓度降低，造成微生物和污染物的隔离。

由于微生物不能利用极低浓度的污染物，导致污染物的微生物降解停止或减缓。

因此，生物修复中降解有机污染物的决定性的影响因素是污染物的低水溶性，这使其生物可利用性受到限制。

但可以通过施加表面活性剂来增加有机污染物的溶解性，改善难降解有机物的生物可利用性，促进有机污染物降解。

化学表面活性剂，其增溶能力有限，修复效率较低、成本较高，且易造成表面活性剂的污染。

与化学表面活性剂相比，生物表面活性剂具有更低的毒性，更好的环境相容性，更低的成本等特点，近来受到了更多的重视，相关的研究也越来越多[1,2]。

本文对近年来国内国外在生物表面活性剂增溶修复方面的研究进展进行了综述，以期推动国内在这些国际热点领域的研究。

概述生物表面活性剂(Biosurfactants)是表面活性剂家族中的后起之秀，它是由微生物所产生的一类具有表面活性的生物大分子物质，多数由细菌、酵母菌、真菌(霉菌)等产生[2,3]。

微生物产生的生物表面活性剂依据他们的化学组成和微生物来源可分为糖脂、脂肪、多糖蛋白质络合物、磷脂和脂肪酸或中性脂等五大类，许多微生物都能分泌出生物表面活性剂（见表1）。

生物表面活性剂多为阴离子型，其CMC通常在1～200mg/L之间，其分子质量范围为500~1500Da。

和传统的化学合成的表面活性剂相比，生物表面活性剂有许多明显的优势：(1)更强的表面和界面活性；(2)对热的稳定性；(3)对离子强度的稳定性；(4)生物可降解性；(5)低毒性等。

如在萘表面活性剂增溶降解试验中，菌株Rhodococcus species 413A分泌的糖脂类生物表面活性剂对降解菌的毒性只有TW－80的一半[4]。

由于这些显著特点，使生物表面活性剂广泛应用，并有可能逐步替代化学合成的表面活性剂。

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]。

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鼠李糖脂(rhamnolipids)是研究最为深入的一种表面活性剂，它是铜绿假单胞菌（Pseudomonas sp.）在限制生长条件下所产生的胞外代谢物，铜绿假单胞菌利用正烷烃、琥珀酸酯、丙酮酸盐、柠檬酸盐、果糖、甘油、橄榄油和葡萄糖等作碳源物质时，都能生产鼠李糖脂。