生物表面活性劑及其應(yīng)用和前景分析研究 環(huán)境工程專業(yè)

生物表面活性劑及其應(yīng)用和前景分析研究環(huán)境工程專業(yè)摘要：隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的開拓，微生物以及微生物的代謝產(chǎn)物在許多領(lǐng)域都有涉及和應(yīng)用。而生物表面活性劑作為一種新的技術(shù)，它的應(yīng)用領(lǐng)域漸漸擴(kuò)展，已發(fā)展到了環(huán)保、石油、農(nóng)業(yè)、多種修復(fù)工程等多項領(lǐng)域。近年來在環(huán)保中的應(yīng)用更是有較大的突破，而且其應(yīng)用范圍還在不斷地擴(kuò)大。目前國內(nèi)、外有關(guān)生物表面活性劑應(yīng)用實例的研究也相當(dāng)多。下面我將對此項技術(shù)這幾年出現(xiàn)的新方法、和研究動向作著重介紹與闡述。關(guān)鍵詞：生物表面活性劑、培養(yǎng)、篩選、應(yīng)用1生物表面活性劑的背景生物表面活性劑的研究始于20世紀(jì)60,70年代，加拿大、英國、西德、美國等國家先后進(jìn)行了研究和開發(fā)[1].80年代己經(jīng)研制出不同類型的生物表面活性劑。生物表面活性劑主要是由微生物在好氧或厭氧條件下在不同的碳源培養(yǎng)基中生長時產(chǎn)生的。這些碳源培養(yǎng)基可以是碳水化合物、烴類、油、脂肪或者是它們的混合物。生物表面活性劑的研究始于20世紀(jì)60,70年代，加拿大、英國、西德、美國等國家先后進(jìn)行了研究和開發(fā)[1].80年代己經(jīng)研制出不同類型的生物表面活性劑。生物表面活性劑主要是由微生物在好氧或厭氧條件下在不同的碳源培養(yǎng)基中生長時產(chǎn)生的。這些碳源培養(yǎng)基可以是碳水化合物、烴類、油、脂肪或者是它們的混合物。和傳統(tǒng)的化學(xué)合成的表面活性劑相比，生物表面活性劑有許多明顯的優(yōu)勢:更強的表面和界面活性;對熱的穩(wěn)定性;對離子強度的穩(wěn)定性;生物可降解性、生物可適應(yīng)性、環(huán)境友好性等[2]特點。由于這些顯著特點，使生物表面活性劑在一些方面可以逐漸代替化學(xué)合成的表面活性劑，而且應(yīng)用也越來越廣泛。如微生物產(chǎn)生的生物表面活性劑可以增強油類提取(MEOR);對于被油污染的海面或土壤，可加快油類的降解:對重金屬污染的土壤和地下水的修復(fù)等。隨著人們對環(huán)境問題的認(rèn)識加深，從源頭減少污染及治理污染的同時不產(chǎn)生二次污染己經(jīng)成為人們的共識，因此生物表面活性劑無疑是未來發(fā)展的趨勢。2生物表面活性劑的分類生物表面活性劑可分為非離子型和陰離子型，陽離子型較為少見。像其它表面活性物質(zhì)一樣，生物表面活性劑由一個或多個親水性和憎水性基團(tuán)組成。親水基可以是酷、輕基、磷酸鹽、或羧酸鹽基團(tuán)、或者是搪基。憎水基[3]可以是蛋白質(zhì)或者是含有憎水性支鏈的縮氨酸。根據(jù)生物表面活性劑的結(jié)構(gòu)特點，可將其分為5類:糖脂、含氨基酸類脂、聚合物、磷脂和脂肪酸或中性脂。3生物表面活性劑的其生產(chǎn)菌及篩選3.1生物表面活性劑的生產(chǎn)菌生物表面活性劑大多是由細(xì)菌和酵母菌產(chǎn)生的，也有報道由真菌產(chǎn)生。微生物發(fā)酵法生產(chǎn)生物表面活性劑的生產(chǎn)菌種大致分為三類，一類是嚴(yán)格以烷烴作為碳源的微生物，如棒狀桿菌（Corynebacteriumsp）;一類是以水溶性底物為碳源的微生物，如桿菌（Bacillussp）:另一類可以以烷烴和水溶性底物兩者作為碳源，如假單胞菌（Pseudomonassp）。這些微生物在以碳?xì)浠衔餅榈孜锏呐囵B(yǎng)基上生長[4]時，可以合成一系列范圍很廣的具有表面活性作用的物質(zhì)，如糖脂、脂蛋白、多糖一蛋白質(zhì)復(fù)合物、磷脂、脂肪酸和中性脂。在烴基質(zhì)中培養(yǎng)時，許多微生物都可以有利于烴基質(zhì)被動擴(kuò)散而進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的效應(yīng)，這是通過微生物產(chǎn)生的一大類物質(zhì)而起作用的，這類物質(zhì)就稱作“生物表面活性劑”[5]生物表面活性劑已有二十多年的發(fā)展歷史，人們對產(chǎn)生生物表面活性劑的微生物及其產(chǎn)生機理已有了較多的認(rèn)識。在通過發(fā)酵法生產(chǎn)生物表面活性劑的過程中，可以利用不同條件下的微生物細(xì)胞生產(chǎn)生物表面活性劑，如細(xì)胞生長相關(guān)型生物表面活性劑是細(xì)胞繁殖生長過程中的代謝產(chǎn)物，在各種限制條件下可利用生長細(xì)胞或休止細(xì)胞生產(chǎn)生物表面活性劑，或是將發(fā)酵法與生物轉(zhuǎn)換結(jié)合起來通過加入一種底物前體生產(chǎn)生物表面活性劑[6]。3.2生物表面活性劑的篩選生物表面活性劑的生產(chǎn)首先依賴于生產(chǎn)菌，不同的生產(chǎn)菌產(chǎn)生不同的生物表面活性劑。如何快速而有效地篩選和分離出生物表面活性劑生產(chǎn)菌，是人們研究很多的一個問題。己有許多方法通過測量液體和空氣或兩種液體之間的界面力來確定生物表面活性劑的濃度，從而判定出生物表面活性劑生產(chǎn)菌[7]的存在。這些方法包括毛細(xì)上升法、威廉米吊片法、環(huán)法、泡壓法及懸滴法[8]。近年來，不少文獻(xiàn)報道了一些快速的生物表面活性劑產(chǎn)生菌的篩選方法。如液滴軸線對稱分析法(ADSA-P)和比色法等方法。另外，還有一些簡單的測定方法:(1)快速破泡實驗；(2)薄層層析法；(3)乳化指數(shù)值測定；(4)針對陰離子表面活性劑的新的半定量瓊脂平板生物表面活性劑實驗法。此外，通過致突變等手段篩選高產(chǎn)菌株是一種有效地獲取生物表面活性劑生產(chǎn)菌的途徑。有文獻(xiàn)報道了一種篩選生物表面活性劑變異株的改良細(xì)菌菌落TLC法，，TLC法樣品前處理需費時許多天，但該法可在TLC平板上直接用細(xì)菌群體，并在平板上進(jìn)行預(yù)展開，隨后含細(xì)菌提取液的平板在去除菌體并干燥后進(jìn)行預(yù)展開，隨后含細(xì)菌提取液的平板在去除菌體并干燥后進(jìn)行展開。該實驗方法被成功的應(yīng)用于生物表面活性劑生產(chǎn)變異菌株的鑒定與分離。4生物表面活性劑的應(yīng)用4.1生物表面活性劑在環(huán)境工程中的應(yīng)用近年來，世界各國投入了大量的實力研究和發(fā)展環(huán)境生物工程技術(shù)。表面活性劑由于能增強憎水性化合物的親水性(如圖1所示)，從而可以增加生物可利用性，因而已被認(rèn)為是現(xiàn)代生物修復(fù)技術(shù)的一部分。生物修復(fù)是目前非常熱門的一種現(xiàn)場處理各種環(huán)境污染的技術(shù)，具有處理費用低和效率高的優(yōu)點。生物修復(fù)技術(shù)所處理的污染物包括工業(yè)廢物、多環(huán)芳烴、精煉油產(chǎn)物、酸性礦廢棄物，殺蟲劑，軍用化合物(如三硝基甲苯TNT)以及無機重金屬和原油等等。圖1.污染物的溶解性隨生物表面活性劑濃度的變化生物表面活性劑可以增強油類提取(MEOR)，對于被油污染的海面或土壤，可加快油類的降解;對重金屬污染的土壤和地下水的修復(fù)等[9]-[10]。近年來，黃國和等[11]開展了生物表面活性劑用于治理地下水污染的研究，取得了很好的試驗效果。他們還對生物表面活性劑強化治理效果進(jìn)行了數(shù)值模擬，并建立了模型。WouterHN等[12]對十六烷降解過程中鼠李糖脂的作用進(jìn)行了研究。MoranAC等[13]研究了Bacillussubtilis產(chǎn)生的生物表面活性劑對烷烴廢物降解的促進(jìn)作用。ShulgaA等[14]研究了生物表面活性劑對石油污染的環(huán)境的修復(fù)作用。VipulanandanC等[15]研究了生物表面活性劑對苯類物質(zhì)的溶解與降解作用。GuMB和ChangST用固定化重組細(xì)胞微生物和生物表面活性劑研究了一種用來檢測土壤中PAH毒性的生物傳感器。RahmanKSM等鼠李糖脂生物表面活性劑對汽油污染的土壤的修復(fù)作用。Ochoa-LozaFJ等研究了鼠李糖脂生物表面活性劑和各種金屬的絡(luò)合常數(shù)。CassidyDP等在一個續(xù)批式反應(yīng)器中對生物表面活性劑對柴油污染的土壤的修復(fù)作用進(jìn)行了研究。4.2在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究表明生物表面活性劑對人體細(xì)胞中的免疫缺陷蛋白病毒具有抑制作用。肺部表面活性劑(一種磷脂蛋白)的不足，是導(dǎo)致早產(chǎn)嬰兒呼吸停止的主要原因。這種表面活性劑的蛋白質(zhì)分子合成基因的分離以及在細(xì)菌中克隆，已使得有可能用發(fā)酵法生產(chǎn)的這種生物表面活性劑應(yīng)用于醫(yī)藥。紅串紅球菌(Rhodococcuserythropol)合成的玻泊酞海藻糖脂能夠抑制單純瘡疹病毒和流感病毒，致死劑量僅為10-301xg/mL。銅綠假單胞菌DR54菌株合成的酞胺粘液菌素對植物致病菌(Pythiumultimum)有良好的抑制作用，這種具有抗生特性的生物表面活性劑有望應(yīng)用于植物病害的生物防治。4.3在農(nóng)業(yè)及其它方面的應(yīng)用生物表面活性劑在農(nóng)業(yè)中的用途也很廣泛[16]，可用于土壤[17]的改良、用作肥料、清潔、植物保護(hù)以及作殺蟲劑等方面。在其它領(lǐng)域還可用于高效細(xì)胞破碎和快速測定微生物的數(shù)量。由于生物表面活性劑可將細(xì)菌和真菌的細(xì)胞破碎，細(xì)胞內(nèi)的ATP釋放后可與熒光素酶和熒光素系統(tǒng)反應(yīng)，產(chǎn)生熒光。通過測定所產(chǎn)生的熒光的量即能推算出細(xì)胞的數(shù)量，從而達(dá)到快速測定的目的。5前景與小結(jié)綜合上述對生物表面活性劑的認(rèn)識，我個人認(rèn)為由于微生物產(chǎn)生的生物表面活性劑具有超過合成表面活性劑的優(yōu)點，化學(xué)結(jié)構(gòu)多樣，可生物降解等，使其在應(yīng)用領(lǐng)域的角度上比合成表面活性劑更具有競爭性。但從市場角度而言，生物表面活性劑在商業(yè)上的應(yīng)用取決于其成本與性質(zhì)，而在目前，因為生物表面活性劑生產(chǎn)成本較高，其在食品與化學(xué)工業(yè)中的應(yīng)用不完全具有市場競爭性。這是這項技術(shù)所欠缺的，因此目前怎樣可以加快它的工程化、大規(guī)?；a(chǎn)，使其在市場上取得更大市場份額，更有競爭性，獲得更多效益，我覺得這正是擺在研究者面前的一個問題，也是他們值得努力的方向。假如這方面能取得成功，那么不但生物表面活性劑技術(shù)本身可以得到更加快速的發(fā)展，而且這樣還可以促進(jìn)使經(jīng)濟(jì)的繁榮。當(dāng)然，合成表面活性劑本身對的環(huán)境影響，使微生物產(chǎn)生的化合物更會引起科學(xué)家的廣泛興趣和關(guān)注。此外，還有許多生物表面活性劑在環(huán)境保護(hù)中得到應(yīng)用，這里就不一一枚舉了。我要指出的是目前生物表面活性劑相當(dāng)一部的功能應(yīng)用還處于實驗室研究階段，還需增加學(xué)科間的交叉滲透，促進(jìn)學(xué)術(shù)思想交流，才能取得更多、更好的創(chuàng)新。我想在這方面今后研究的重點應(yīng)放在生物表面活性劑的選擇和最佳使用條件的分析上。生物表面活性劑的種類繁多，在眾多表面活性劑中選擇出適合具體污染物治理的生物表面活性劑技術(shù)是實際應(yīng)用的關(guān)鍵，包括處理效果、對環(huán)境友好性（生物毒性、降解性）、適用范圍研究等，其中對研究應(yīng)引起高度重視，以避免造成二次污染?？傊诂F(xiàn)今的各個領(lǐng)域中的應(yīng)用方興未艾，為其自身的發(fā)展和相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展展示了一個廣闊的前景。參考文獻(xiàn)：[1]WagnerFH,KretschmerA.ProductionandchemicalcharacterizationofsurfactantsfromRhidococcuseruthropolisandPseudomonassp.MUBgrownonhydrocarbons,MicrobialEnhancedOilRecovery.AmericaTucsonAriz:PebbwellPublishing,1983,55-66[2]趙玉璽,朱涉瑤著,生物表面活性劑作用原理[M]北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,1998[3]董亮,戴樹佳,憎水性污染物在表面活性劑中的增容動力學(xué)[J],環(huán)境科學(xué),2000,21(1):27-31[4]錢欣平,陽永榮,孟琴,生物表面活性劑對微生物生長和代謝[J],微生物學(xué)通報2002,29(3)：75-78[5]魏明等,表面活性劑生產(chǎn)菌的研究,微生物通報,1998,34(2):149-153[6]徐燕莉等,表面活性劑的功能,北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2000,8-14[7]高士祥,曹加勝,孫成,王連生,不同類型表面活性劑性質(zhì)分析,土壤與環(huán)境,1999,8(3):184-188[8]夏詠梅,方云,生物表面活性劑的開發(fā)和應(yīng)用,日用化學(xué)工業(yè),1999(1):27-31[9]ElioraZR,EugeneR.Naturalrolesofbiosurfactants,EnvironmentalMicrobiology,2001,3(4):229-236[10]MulliganCN,YongRN,GibbsBF,Heavymetal:removalfromsedimentsbybiosurfactants,JournalofHazardousMaterials,2001,85:111-122[11]LiuL,HuangGH,Decisionanalysisforthecleaningofpetroleumhydrocarbonsfromcontaminatedgroundwaterbyusingbiosurfactant-anintegratedsimulation-optimizationapproach,In:InternationalSymposiumonSeparationandPurification,Saskatoon,Canada,1999:87-96[12]NoordmanWH,WachterJHJ,BoerGJ.Theenhancementbysurfactantsofhexadecanedegradation.JournalofBiotechnology,2002,94:195-203[13]MoranAC,OliveraN,EnhancementofhydrocarbonwastebiodegradationbyadditionofabiosurfactantfromBacillussubtilis09.Biodegradation,2000,11(1):65-78[14]ShulgaA,KarpenkoE,Vildanova-MartsishinR.Biosurfactant-enhancedremediationofoil-contaminatedenvironments.AdsorptionScienceandTechnology,