生物表面活性剂的产生及其在环境污染治理中的应用研究

生物表面活性剂的产生及其在环境污染治理中的应用研究

张爱星

世纪鑫海（天津）环境科技股份有限公司天津市300385

摘要:生物表面活性剂主要由微生物在一定培养基条件下培养，通过分泌代谢物而形成，其属于绿化环保的新型表面活性剂。本文以文献对比法和理论分析法，结合当前生物表面活性剂的产生，分析了对环境污染治理的应用，供参考。

关键词：生物表面活性剂；产生；环境污染治理；应用

0引言

生物表面活性剂是由酶或微生物等通过生物催化和生物合成等生物技术从植物、动物或微生物产生的集亲水基和憎水基于一体的具有表面活性的代谢产物。与化学合成的表面活性剂相比，除了具有降低表面张力、润湿和穿透性、分散性等相同特性外，还具有一般化学合成表面活性剂所不具备的无毒、可生物降解、环境相容性好、化学结构多样、稳定性高且易于回用等优点，是前景很好的污染修复剂。加入少量生物表面活性剂，能够增强憎水性化合物的亲水性和生物可利用性，促使进入环境的污染物不断地降解，从而达到生物修复。

1生物表面活性剂的产生

由于生物表面活性剂是微生物次级代谢产物，因此这类物质的有效积累及提取是制约生物表面活性剂工业化生产和应用的技术难题之一。提高微生物发酵过程次级代谢产物的积累率，发展高效的提取工艺将使大规模生产生物表面活性剂在经济上更可行，也是其成功推广应用的先决条件。目前，生物表面活性剂的生产方法主要有全细胞合成法和生物酶催化合成法。

1.1全细胞合成法

全细胞合成法（发酵法）生产生物表面活性剂的研究始于20世纪70年代后期。经过近30年的发展，美、日、英、德等国家已有部分产品进入了工业化生产阶段，但仍有许多问题需要解决。由于大多数生物表面活性剂是处于对数生长期的菌株释放到周围环境中的，因此可以通过控制菌株的生长阶段从而使表面活性剂达到最大积累量；一些研究者也通过加入表面活性剂的前体来刺激微生物产生表面活性剂，提高相应的积累量。尽管全细胞发酵法生产费用低、生产工艺简便，便于大规模工业化应用，但由于微生物代谢产物较多，因此生物表面活性剂的分离纯化成本相对较高。近年来，代谢工程的迅速发展可以有效解决全细胞合成法存在的技术弊端。通过DNA重组技术对特定生化反应进行修饰或引入新的反应以定向改造产物的生成，使全细胞代谢过程定向停留在生物表面活性剂合成阶段，同时尽量减少或完全抑制其他代谢产物的产生，以便后续生物表面活性剂的提取与纯化。

1.2酶法合成

与传统全细胞发酵法相比，采用生物酶合成不存在分离纯化成本相对较高的缺点。这是因为生物酶具有定向催化的特性，能够把代谢过程定向控制在生物表面活性剂合成阶段，不仅能使其积累量达到最大，还能减少共存代谢物的产生，从而使分离纯化过程更为简便，实现降低生产成本的目的。酶促反应合成生物表面活性剂的研究在20世纪80年代初实现了较大的突破，研究者发现大多数酶在非极性溶剂或微水条件下仍然能很好地发挥催化功能，不仅有利于浓集反应物质，而且可使水解酶的催化转向，明显提高目标产物的产率，其中以应用脂肪酶合成生物表面活性剂的糖脂酶法的研究最为常见。

1.3生物表面活性剂提取纯化与鉴定

1.3.1表面活性剂的提取纯化

由于生物表面活性剂是微生物的次级代谢产物，从培养液中有效地提取纯化是其商品化和市场化的前提。目前，常见的提取纯化方法主要有：初级纯化/物理化学法（沉淀法、有机溶剂萃取法、吸附法）和随程提取/连续提取法（离子交换树脂法、膜滤法、泡沫分离法）。

1.3.2生物表面活性剂的鉴定

生物表面活性剂的鉴定方法主要有定性和定量方法。定性法通常用于筛选产生物表面活性剂的微生物，定量法则用于鉴定生物表面活性剂的种类和主要功能基团，进一步确定其物化特性和应用范围。对于产生物表面活性剂的微生物，常见的筛选方法主要有血平板法、油平板法、蓝色凝胶平板法和显色法。血平板筛选模型是基于生物表面活性剂（尤其是水溶性糖脂和脂肽）能够溶解红血球的特性而建立的，通过考察琼脂平板上菌落周围形成的透明圈直径快速有效地筛选产生物表面活性剂的菌株。但该类方法不适用于筛选那些只在以烃类物质为碳源生长时产表面活性剂的微生物，或者只产不具有扩散性、易于粘附于细胞壁上的糖脂类表面活性剂的微生物。

1.4生物表面活性剂的化学特性

生物表面活性剂除了具有一般化学表面活性剂所具有的特性外（增溶、乳化、降低溶液表面张力等），还具有一些特殊的化学性能，如酸碱稳定性、热稳定性、抗菌性能等。生物表面活性剂可以显著降低溶液的表面张力，该参数适合定量表征表面活性剂的含量。临界胶束浓度（CMC）是指生物表面活性剂分子在溶剂中缔合形成胶束时的最低浓度，当溶液达到临界胶束浓度时，溶液的表面张力降低到最低值，此时若再提高表面活性剂浓度，溶液表面张力不再降低而是形成大量胶团，不利于表面活性剂发挥作用。生物表面活性剂还具有良好的乳化特性，且乳化性能稳定。此外，生物表面活性剂在酸碱稳定性、热稳定性和抗菌性能等方面表现出了优于化学表面活性剂的特性。

2生物表面活性剂在环境治理中的应用

2.1促进有机污染物的降解应用生物表面活性剂强化

环境中有机污染物生物降解，已引起广泛关注。生物表面活性剂能使有机污染物分散、增溶、乳化，能增加难溶烃类有机污染物在水中的溶解度，乳化有机污染物以利于与微生物接触，从而促进了有机污染物的降解。

2.2重金属污染的生物修复

生物表面活性剂能促进土壤中重金属的解吸，使重金属污染得到生物修复，其机理主要是通过降低表面张力来改变其表面性质，从而削弱了重金属离子与土壤之间的粘附性，促进了金属离子与土壤分离及金属离子与生物表面活性剂的络合。生物表面活性剂能强化植物修复重金属污染的土壤。向土壤中施加生物表面活性剂作为有机配体来提高植物富集土壤中重金属的效能，促进植物对重金属的吸收，强化植物对重金属污染的修复能力。由于生物表面活性剂能够与重金属离子络合，从而可以去除废水中的金属离子。

2.3减少农药污染

由于农业中抗病与杀虫剂的污染问题，促使人们努力寻找生物防治技术，把生物表面活性剂应用于农业中，对减少农药污染有着十分重要的意义。生物表面活性剂能够作为生物控制剂取代化学杀虫剂，使得有机废料经细菌转化成具有生物杀虫剂作用的有机物，有效地实现了有机废物的循环利用。在土壤中添加生物表面活性剂降解硫丹杀虫剂，可以使降解率提高30%～45%。由铜绿假单胞菌产生的一种生物表面活性剂能溶解有毒的有机化学物质六氯联苯，使污染物中六氯联苯回收率提高31%。

2.4抑制藻类过度繁殖

在湖泊、水库以及海湾等缓流水体的水生生态系统中，藻类大量繁殖引起的水华和赤潮导致水体水质下降，并且能直接或间接引起食藻动物的大量死亡。生物表面活性剂能使藻体细胞的核苷从细胞质中释放出来，从而让藻体细胞无法繁殖，最终导致了藻体细胞的解体。

3结束语

生物表面活性剂作为一种新型绿色环保的表面活性剂，近年来逐渐受到了研究者的广泛关注。一些产生物表面活性剂的微生物通过筛选获得，其中部分纯化得到的生物表面活性剂在环境污染治理领域也得到了初步应用，但对于表面活性剂的产生方式、作用机理等还有待进一步深入研究，特别是开发快速有效的分离纯化工艺，对于生物表面活性剂大规模实际应用有着重要的影响。

参考文献

[1]邓国君.生物表面活性剂特性及其在环境污染治理中的应用分析[J].大科技,2017(8).

[2]顾信娜,陈辉,李珊珊,etal.生物表面活性剂的产生及其在环境污染治理中的应用[J].环境科学与技术,2012(S1):155-162.