生物表面活性剂在环境生物工程中的应用

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1、第? ?卷第?期? ? ? 年?月环境科学? ? ? ? ?,?,? ? ? 生物表面活性剂在环境生物工程中的应用陈坚? 华兆哲伦世仪?无锡轻工大学 生物工程 系,无锡? ? ?摘要生物表面活性剂是由细菌、酵母或真菌生成的天然产物,由于其化学结构和物理性质相近或优于许多 人工合成表面活性剂,并且对淡水、海水及地球生态系统毒性较低,因而在环境污染的治理方面,特别是 对石油和有机溶剂类污染现场 的生物补救,具有极大 的应用潜力。此外,生物表 面活性剂对有毒杀虫剂的增溶与乳化作用也有助于在污染场地 降解这些有害物质。今后,生物表面活性剂技术要成功地应用于生物 补救 处理,需重点研究和开发与污染场地

2、的物理条件和化学性质极其适应的生物表面活性剂系统。关镇词生物表面活性剂,生物补救,应用。由微生物、植物或动物产生的天然表面活性剂称为生物表面活性剂?,简称? ?本文通过对生物表面活性剂的简单介绍,重点讨论 其在环境治理,特别是在污染场地的生物补救? ? ?方面的研究 和应用情况,包括由现场接种微生物生 产专一性和非专一性的生物表面活性剂,或将已纯化的生物表面活性剂直接加入后,对加快烃类和有机溶剂类污染物质降解的作用?生物表面活性剂简介微生物生产的生物表面活性剂种类很多,包括一般脂肪酸和经基脂肪酸、糖脂类、环脂肤、?一酞基氨基酸、脂肤、单甘脂、甘油二脂及磷脂? ? ,?口?这些生物表面活性剂由于

3、在气一水、油一水和 固一液界面可具有一定 浓度并进行物理作用,因此可降低这些界面的物理 力?由生物表面活性剂分子的物理性 质产生的作用包括?增溶、乳化、分散、浸润、发泡 和洗涤容量以及某些场合的抗微生物活性?生物表面活性剂通常比合成表面活性剂化学结构更为复杂和庞大,单个分子 占据更大的空间,因 而 显示 出较低 的?店界胶束浓度?表?列 出 了某些生物表面活性剂和合成表面 活性剂的物理性质,包括最小表面张力、最小界面张力和临界胶束浓度?生物表面活性剂与生物补救生物补救是目前研究非常热门的一种现场处理各种环境污染的技术,具有处理费用低和效率高的优点,因而极有前途?生物补救技术所处理的污染物包括工

4、业废物?如多氯联苯、三氯乙烯、五氯酚和二恶英?,多环芳烃,精炼油产物?如航空燃料、汽油、柴油机燃料和苯、甲苯、乙苯及二 甲苯类?,酸性矿废弃物,杀虫剂,军用化合物?如三硝基甲苯? ?以及无机重金属和原油等等?世界各国近年来投入了大量的实力研 究和发展环境生物工程技术?表面活性剂?生物的和合成的表面活性剂?由于能增强憎水性化合物的亲水性和 生物可利用性,因而已被认为是现代生物补救技术的一部分?但遗憾的是,至今 大多数生物表面活性剂的研究工作还停留在实验室阶段,大范围的现场处理研究很少?此外,环境工 程师 们通常不熟悉表面活注剂技术,特别是生物表面活性剂,这也是影响这方面研究的一个重要因素?虽然生

5、物表面活性剂已开始直接应用于原油的生物降解川和 强化 采油 系,江苏省青年科技基金项目收稿日期? ? ? 一?一?期环境科字肋表?生物表面活性剂和合成表面活性剂物理性质 比较表面 活性剂种类表 面张力界 面张力?一? ? ? ?一?隋界 胶束浓度?一?愧掩脂? ?一? ? ? ? ?鼠李糖脂? !? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?降解? ?以上所需的总体时间可以缩短?见表?,因此可以认为生 物降解作用得到 了 加 强?一般说来,要加快某些污染物的生物降解速率,就必须在体系中加入足够 的生物表面活性剂,以将界面张力降低至?一? ?一?进一步的研 究发现? ? ,?心二? ? ?

6、?犷。加?众高产菌株在 活细胞存在的条件下能增 加对模拟油类的生物降解速率?海藻糖脂海藻 糖一?橄 菌 酸 酷海 藻糖一?,?,一二每菌酸 醋海 藻搪一?,?,?,? 一四醋海 藻 糖一?一二,四,六,八酌葡萄 糖?霉 菌 酸 酷纤维素二糖一?一毒菌酸酷麦芽 三糖一?,? 火三霉菌酸酷黑 粉 菌 酸十二烷基磺酸钠澳化十六烷 基 三 甲基钱?线性烷基 笨磺酸盐表?特定糖脂对油类生物降解的影响? ? 生物 表面活性剂控制组? ?槐糖脂 鼠李糖脂海藻糖一?,?二霉菌酸醋纤维素二糖脂? ?不含生物表面活性剂时间?油去除率? ? ?一? ? 一? ? ? ? ? ? ? ?泊氏用么 。? ? ? ?东?

7、 ? ? ? ? ? ? ?近来,用汽油或葡萄糖加植物油进行培养生产生物表面 活性剂 在工业上已获得 了成功,而且不同培养生产的生物表面活性剂在?的水中能被提取和分离?这为生物表面活性剂在 生物 补救技术中的应用创造了条件?有报道,用 生物表面活性剂对汽油浸泡的砂进行静态分批或动态柱法洗脱,测定洗出液中汽油的组分,包括甲苯、?一二 甲苯、?,?,?一三甲苯和蔡等,结果发现汽油组分在洗脱液 中的溶解度增加,而且这种含汽油和生物表面活性剂的洗 出液已被确定可 被工业微生物降解?但要注意的是,葡萄糖?植物油培养生成的生物表面活性剂虽能增加汽油的溶解度,但抑制后面的生 物降解?相反,汽油培养生成的生物

8、表面活性剂 可溶解汽油并且不 抑制其生物降解仁川?这是因为以汽油和以葡萄糖?植物油培养生成的生物表面活性剂的物理和化学性质不同,从而使得各自培养时对汽油的生物降解能力有差异?另一典型的研究是,采用不同培养条件得到的生物表面活性剂,考察其对从土壤和砂粒中去除原油的差异?首先以葡萄糖、己烷或?种原油?粘度由轻油向重油变化?为唯一的碳源和能源进行微生物培养,然后提取胞外的生物表面活性剂,分别测定其最小界面张力和临界胶束浓度?结果发现,在其临界胶束浓度下,所有? ? ? ? ? ?黑?匀?愧?,?八?,六 厂乃?八?乃?内? ? ?统阶中,但目前这方面 的文献报道 还是很少,并且常常不能确定表面活性剂

9、在污染现场的作用过程和作用机理?如据报道,在对? ? ?年阿拉斯加原油泄漏事件的广泛的生物补救研究中,未能确定由营养物诱导现场土生的微生物群落生成的生物表面活性剂,在增强污染海岸原油生物利用及生物降解过程中所起的可能作用?但? ?曾报道?,由? ? ? ? ? 生成的一种生物表面活性剂 由于能有效地将石油分散成水液滴,因而可促进石油污染海岸的生物补救?最近,日本大阪大学的森川正章博士提出 了生物表面 活性剂在 石油烃类物质降解过程中的作用模式巨?他认为烃类 化合物的憎水性是微生物进行代谢、降解存在的主要问题,由于烃降解酶位于细胞质膜中,因此,烃基质必须通过外层亲水细胞壁?膜?才能进入 细胞内而

10、被酶代谢?某些细菌通过产生生物表 面活性剂,具有有利于烃基质被动扩散进入细胞 内从而被降解的效应? ? ? ?等仁,在一个含“模拟”油类 的土壤微观体系中加入生 物表面 活性剂发现,油类环境科学?卷生物表面活性剂测 得的表面张力值在 ? ?一?一或更小?这些生 物 表 面活性剂被用 于从?油饱和度? ? ?的土壤和 砂粒中去 除?种原油,结果发现,最有效的 去除系统是那些在同类原油中培养生长 产生的生物表面活性剂,可从土壤和砂粒 中去除? ?以上的原油?所有在其它碳源中培养产 生的生物表面活性剂只能去除? ? 以下的原油?由此说明,在特定油类污染区域使用 的最有效的 生物表面 活性剂,应该用对

11、应的油类进行微生物培养生产? ? ?等在其研究报告口?中介绍了从一个航空然料泄漏地的污染与未污染区域和从无铅汽油 污染地区进行生物诱导菌的分离工作?这些分离物能够乳化石油并降低表面张力? ?等,?报道了采用连续流动 的生 物反 应 器,用生物表面活性剂混合培养 物处理 原 油,可达到?的降解率?生物表面活性剂和微生物被循环使用?此外,还 有报道巨, ,?二由? ? ?、? ? ?一?产 生 的海藻糖酶 糖脂 能产 生? ?一? ? ? ? ?一的最 小界 面 张 力范围,在达到最 小值时要求有协同表面活性剂存在?该生物表面活性剂系统能降低重油的相对粘度? ?比重?一? ? ?以上,并且能使岩石

12、孔中重原油的去除提高 ? ? 口?二?活性剂系统也能乳化除氯酚外的除草剂,并能有助 于其它有毒化合物 的生物降解?和? ? ?。认为生物表面 活性剂能用于 泥煤? ? ?脱水?将生物表面活性剂加到泥煤 中能 使水在受压下从泥煤中去除?在采矿业和造 纸 业中,已获得由? ? ?的二? ?以? ? ? ?产生 的一种称为生 物分散剂的阳离子多糖,其能稳定矿物 的水悬浮液以避免矿物的絮凝?,? ,?日本专利文献报道生物表面活性剂已发展到应用于诸如煤浆的稳定以便于管道输送,化装品与肥皂的组成成分,食品 以及皮肤移植 的药物转移系统?在我国,也有报道卿采用表面活性剂可回收炼油厂废 白土中的蜡和油,回收率

13、达到 了 ? ? 和?生物表面活性剂的其它应用有报道? ?认为,? ? ? ? ? ! # %确定可生产高质量生 物表面活性剂的廉价底物;改进生物反应器的设计.为了研究和发展生物表面活性剂在生物补救技术中的现场应用,应加 强 生物表面活性剂对污染物的增溶(solubilization)和增流(mobil iza-t ion)作用研究.即使污染物以被吸附形式存在或存在于非水相中,表面活性剂也可以通过 增溶和增流作用来调节污染物 的分布.有报道,有机溶剂通过进入表面活性剂胶束而产生的水相增溶作用通常与正辛 醇一水分配系数相关,系数大表明溶剂分配在表面活性剂胶束中的量也大.例如图,三氯乙烯在水中的溶

14、解度是98 0mgL一 ,而在0.5m o l/L十二烷基磺酸钠 中的溶解度是19600mgL一.遗憾的是,至今,有关生物表面 活性剂对不同有机化 合物的增溶系数的研究报道很 少.增 流作用则要求表面活性剂 系统中的组分能产 生较低的界面张力值,如 1丁3m Nm一 范围或更低,这样才能有助 于从固体表面微观地去 除非水相液体.用 于评价生物表面活性剂系统适宜的增 流作用的方法是采用亲水一亲脂平衡值(HL B)和相行 为图.但同期环境料字8 7样, HLB和相行为特性被确定的生物表面活性很少.wi ns orl型表面活性剂 系统是平衡中间相微乳化的,其被认为是地下环境中非水相液体增 流的最佳表

15、 面活性剂.S ing er等发现由 R ho dc、c u:H13一A生成的一种生物表面活性剂的HLB值为5.5,具有较低的界面张力值,可对不同种类原油形成 wins or:型微乳作用 l 5.5结论在环境治理方面,生物表面 活性剂是具有潜力的有效物质,现还处 于试验性 阶段.在生物 补救中,目前主 要的问题是如何将具有特定代谢性能的微生物接种于 污染现场,并保证其能 产生有 效增强生物降解的生物表 面活性剂哪.现有的有关生物表面活性剂毒理学数据表明,与许多合成表面活性剂相比,这些分子对淡水、海洋和地球生态系统毒性低得多 2 6.此外,与某些合成表面活性剂在环境 中持久存在相反,生物表面活性剂 能够被快速而又完全地生物降解.还 应指出的是,有许多参数对于(生物)表面活性剂在污染场地(生物)补救 中的应用非常重要,这些参数包括:在地下(生物)表面活性剂对电荷 的表面吸着作用,由于不同离子或pH变化所造成 的沉淀作用,在地下环境中表面活性剂的稳定性