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1、微生物表面活性剂在工业、 农业、 医药卫生和环境保护中的应用北爱尔兰乌尔斯特大学 I. M. Banat 等原著 汪开治 编译在全球工业化蓬勃发展的今天, 传统的工业技术已相继退出历史舞台, 取而代之的是新的工业技术例如生物技术。据统计, 1980 年生物技术的世界市场贸易金额是 25 百万美无, 1992 年增至约 17 亿 美元, 20 世纪末可超过 5 000 亿美元( Muller 等,1997) 。表面活性剂是当今生物技术中常用的和重要的化合物。它可以减少液体、 固体和气体界面间的表 面或界面张力, 使其在水或其他液体中容易混合或扩散, 因而广泛用于现代工业的几乎每一个领域。仅以美国
2、的化学工业而论, 20 世纪 80 年代对表面 活性剂的 需求 量就 比过去 增长 300% ( Greek,1990) 。现今世界表面活性剂的年产量已超过 300万吨, 产值高达约 40 亿美元, 20 世纪末可超 400 万吨( 例如 Sarney 等, 1995) 。在世界表面活性剂的总 产中, 有 54% 用于制造家庭洗涤剂, 32% 用于其他工业生产。目前大多数市售的表面活性剂主要是来自石油的化学产品。近年来, 鉴于这些人工合成的化学表面活性剂不仅不能生物降解, 而且可造成环境毒害,人们迫切要求用生物表面活性剂来取代化学表面活 性剂, 以确保环境的洁净。生物表面活性剂可用简单的方法和
3、培养基质从可利用碳氢化合物的微生物包括细菌和真菌生产。它们是具有多种类型化学结构的离子或非离子化合 物, 包括短链脂肪酸和多聚物。也是具有亲水域和疏水域的两亲性化合物, 其非极性疏水部分常为一碳氢化合物链, 极性部分则有多种变化。微生物表 面活性剂的特点是: 具有特别高的表面活性和乳化活性, 可以生物降解, 没有毒性或毒性低于化学表面活性剂, 以及可在极端的温度和酸碱条件下使用。因而不仅用途广泛而且有利于环境卫生。某些微生 物表面活性剂很难用化学方法合成( 表 1 和表 2) 。表 1 可产生表面活性剂的微生物及微生物表面活性剂的主要化学类型微生物种类微生物表面活性剂类型参考文献 诺卡氏菌 N
4、oreardia SFC- D海藻糖脂Kosaric 等, 1990 红球菌 Rhodococcus sp. H13A海藻糖脂Singer 等, 1990 红球菌 ST- 5海藻糖脂Abu Ruwaida 等, 1991 铜绿假单胞菌 Pseudomonas aeruginosa GL- 1鼠李糖脂Arino 等, 1996; Patel 等, 1997 铜绿假单胞菌 UW- 1鼠李糖脂Sim 等, 1997 Alcanivorax borkumensis糖脂Abraham 等, 1998 Tsukamurella sp.糖脂Vollbrecht 等, 1998 深红沙雷氏菌 Serratia
5、 rubidea糖脂Matsuyama 等, 1990 粘质沙雷氏菌 S . marcescens糖脂Pruthi 等, 1997 南极假丝酵母 Candida antarctica甘露赤藓糖脂Kitamoto 等, 1993 假丝酵母 C. bombicola槐糖脂Brakemeier 等, 1995 假丝酵母 C. ap icola IMET43747槐糖脂Hommel 等, 1994 短小芽孢杆菌 Bacillus pumilus Al枯草芽孢杆菌表面活性剂Morikwa 等, 1992 枯草芽孢杆菌 B. subtilis枯草芽孢杆菌表面活性剂Makkar 等, 1997 枯草芽孢杆菌
6、 C9枯草芽孢杆菌表面活性剂Kim 等, 1997 地衣状芽孢杆菌 B. lichenif ormis地衣状芽孢杆菌表面活性剂 AYakimor 等, 1995 地衣状芽孢杆菌 B. lichenif ormis JF- 2地衣状芽孢杆菌表面活性剂 BLin 等, 1994 节杆菌 A rthrobacter sp. EK1海藻糖四酯Schulz 等, 1991 节杆菌 A . sp. M IS 38节杆菌表面活性剂Morikawa 等, 1993 乳杆菌 Lactobacillus sp.枯草芽孢杆菌表面活性剂Velraeds- Martine 等, 1996 荧光假单胞菌 P. f luo
7、rescens粘菌素Laycock 等, 1991 唐德链霉菌 Strep tomyces tendae T U901/ 8c唐德链霉菌表面活性剂Richter等, 1998 抗辐射不动杆菌 A cinetobacter radioresistensAlasanNavon- Venezia 等, 1995 边缘假单胞菌 P. marginalis PD14B微粒表面活性剂( PM 因子)Burd等, 1991 嗜麦芽假单胞菌 P. maltophilia CSV89Pm 生物表面活性剂Phalle 等, 1995生物技术通报#国际交流# BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2002
8、年第 3期表 2 微生物表面活性剂的应用表面活性剂种类应用1. 乳化剂和分散剂化妆品、 涂料、 轧辊表面润滑用乳化液 2. 增溶剂和微型乳化剂清洗、 药物3. 润湿剂和渗透剂药物、 纺织工业、 涂料4. 去垢剂家庭用品、 农产品、 高科技产品5. 起泡剂清洗、 化妆、 矿石浮选6. 增稠剂涂料7. 金属多价螯合剂采矿8. 成泡物质化妆品、 给药系统 9. 微生物生长促进剂下水道淤泥油质处理、 发酵10. 破乳剂废物处理11. 减粘剂管道运输12. 分散剂煤- 油混合物、 煤- 水淤浆13. 资源回收剂油类的三级回收1 微生物表面活性剂在石油工业中的应用1. 1 利用微生物和微生物表面活性剂回收
9、岩层中的石油 利用微生物表面活性剂可回收含油岩层中经一次和二次回收后残留的石油。在利用微生物和/ 或其代谢物进行的第三次重要的回收中, 微生物产生 的多聚物和表面活性剂不仅可通过降低油- 岩的界面张力, 有助于石油的回收, 还可通过降低毛细力,防止石油从岩孔中逸出。微生物表面活性剂可促进 石油的乳化, 消除岩石上的油膜。岩层中石油的粘滞度也因此而减低。为促进岩层中某些可产生生物表面活性剂的微 生物的生长和产生表面活性物质, 可将某些营养物例如糖蜜和无机营养物注入岩层或油井。也可引入可产生生物表面活性剂的微生物。但这些微生物必 须可耐受岩层或油井中的绝端的环境条件, 例如高温、 高压、 高盐和低
10、氧以及原位土著微生物的竞争。已发现可适应这些条件的微生物有枯草芽孢杆菌 ( Makkar 等, 1998) 和地衣状芽孢杆菌( Yakimov 等,1997) 等。目前世界各国已在实验室和油田中进行了利用 微生物回收石油的研究。其中, 捷克、 匈牙利、 荷兰、波兰、 罗马尼亚、 美国和前苏联已在这方面取得一定的成果。例如, 已检测了枯草芽孢杆菌 MTCC2423 和1427、 节杆菌 A . protophormiae、 粘质沙雷氏菌、红球菌、 芽孢杆菌 AB- 2 和细菌 Pet 1006 产生的表面活性剂的乳化效应和回收石油的效 果( 例如Makkar 等, 1998) 。Behlugil
11、 等( 1992) 利用油岩模型( 长 100cm、 直径 6. 2cm 的不锈钢管) 进行的试验表 明, 将厌氧细菌丙酮乙醇梭菌( Clostridium aeto -butylicum)在 38e 下注入含有土耳其重油( 罗马油)的油岩模型。结果发现, 此时石油的回收率比对照增加 12%。认为这是由于加入的细菌产生的表面活性剂引起原油粘度和 pH 值改变所致。还发现,不同类型的微生物表面活性剂可取得不同程度的石油回收率( 表 3) 。表 3 微生物表面活性剂回收石油的效果微生物表面活性剂类型时间(h)石油回收率(%)对照11481槐糖脂7597鼠李糖脂77946, 6 c二霉菌酸海藻糖71
12、93纤维二糖脂79991. 2 利用微生物表面活性剂降低石油粘滞度和净化贮油罐 由于微生物表面活性剂可降低重油的粘滞度,故可应用于石油的回收和运输。例如利用从革兰氏阴性杆菌 H13A 产生的糖脂表面活性剂, 可使重油的粘滞度下降 50% ( Finnerty 等, 1985) 。早在 1974年, Zajic 等就曾分离出一个假单胞菌, 其产物可乳化重燃料油。Hayes 等( 1986) 证实, 微生物表面活性剂 Emul san 可使委内瑞拉的 Boscan 重油的粘滞 度从 200 000cP 下降至 100cP。利用这种微生物表面活性剂, 通过输油管泵吸和运输重油的路程可达26 000英
13、里。Banat 等( 1991) 的油田中试表明, 利用细菌 Pet 1006可净化贮油罐, 并从乳化淤泥中回收烃类。曾利用 2t 含有生物表面活性物质的细菌细胞培养净化了 850m3的油泥, 将其中的 91%( 774m3) 回收为可重新出售的原油。与常规的净化方法比较, 用此法净化石油淤泥不仅代价低廉, 而且避免了石油淤泥对环境的污染。 2 微生物表面活性剂在采矿工业中的应用微生物表面活性剂可促进无机矿质的分散。46 生物技术通报Biotechnology Bulletin 2002 年第 3期Rosenberg 等证明, 乙酸钙不动杆菌( A . calcoaceti-cus A2 )产
14、生的阴离子多糖(生物分散剂) 可防止石灰石水混物发生絮凝, 使其产生10% 的分散, 也可 促使石灰石裂解为小颗粒。日本Kao 化学公司曾将假单胞菌、 棒杆菌( Corynebacterium)、 诺卡氏菌、 节杆菌、 芽孢杆菌和产碱菌( Alcoligenes) 产生的生物表面活性剂用于煤泥的稳定, 以便于运输( Kao,1984; 澳大利亚 8317- 8555 号专利) 。Polman 等 ( 1994) 曾利用假丝酵母 C. bombicola 产生的生物表面活性剂的粗制品使褐煤发生局部增溶溶解。 3 微生物表面活性剂在食品工业中的应用乳化可在食品原料形成一定的浓度、 质地和分散相中发
15、挥重要作用。微生物表面活性剂可作为乳化剂用于食品原料的加工。也可用于面包和肉类生 产, 改善面粉的流变学特征, 以及部分裂解的脂肪组织的乳化。目前已将卵磷脂及其衍生物作为乳化剂用于食品工业( Bloomberg, 1991) 。还发现微生物表 面活性剂可防止嗜热链球菌 ( Streptococcus ther-mophilus)在巴氏灭菌消毒器中的热交换板上的生 长和污腐( Busscher 等, 1996) 。 4 微生物表面活性剂在农业中的应用近年来, 鉴于化学农药对环境的污染, 全球科学家均十分关注利用微生物表面活性剂对作物病虫害 进行 生 物 防 治。例 如, Stanghellini
16、 等 ( 1996 和1997) 曾观察到, 铜绿假单胞菌的代谢物鼠李糖脂可 作为生物表面活性剂, 在营养液中溶解黄瓜和辣椒的根腐病真菌瓜果腐霉( Pythium aphaniderma -tum) 和辣椒疫霉( Phytophthora capsici ) 的游动孢 子。证实这种生物表面活性剂在 5 30Lg ml- 1的浓度下, 可掺入并破坏游动孢子的质膜, 从而杀灭腐 霉、 疫霉和单轴霉( Plasmopara)游动孢子。微生物表面活性剂可使粘重土壤亲水化, 进而增加其可湿性, 令肥料和农药均匀地分布于土壤。 还可增加有机磷杀虫剂的溶解度。例如已发现 2 株芽孢杆菌所产生的乳化剂( 可能是一种糖脂肽) 可使 农药倍硫磷溶液形成稳定的乳剂( Patel 等, 1986) 。 5 微生物表面活性剂在医药中的应用已证实微生物产生的表面活性剂可供药用。例如铜绿假单胞菌产生的鼠李糖脂、 枯草芽孢杆菌和 地衣状芽孢杆菌产生的脂肽, 以及南极假丝酵母产生的甘露赤藓糖脂都有抗微生物活性。作为最早发现的微生物表面活性
