生物表面活性劑及其修復(fù)石油污染研究進(jìn)展

孫文爽 許萌 高宇

摘 ? ? ?要：近年來(lái)，石油泄漏所引起的環(huán)境污染事件頻發(fā)，嚴(yán)重破壞自然生態(tài)環(huán)境，影響人類健康。隨著人們對(duì)生態(tài)環(huán)境重視程度的提高，生物表面活性劑的環(huán)保功能性使其在石油污染生物修復(fù)中成為一類具有吸引力的化合物。特別是糖脂類的生物表面活性劑，已在石油污染修復(fù)工程中得以應(yīng)用。生物表面活性劑的提取和生產(chǎn)方法也多種多樣。本文主要對(duì)生物表面活性劑的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、分類、生產(chǎn)提取方法及其在石油污染生物修復(fù)中的研究進(jìn)展進(jìn)行了簡(jiǎn)要概述。

關(guān) ?鍵 ?詞：生物表面活性劑;石油污染;生物修復(fù);分類;提取

中圖分類號(hào)：TE991 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? 文章編號(hào)： 1671-0460（2020）04-0728-05

Abstract： In recent years， environmental pollution accidents caused by oil spills have occurred frequently， which seriously damages the natural ecological environment and affects human health.With the increase of people's attention to ecological environment， the environmental protection function of biological surfactant makes it an attractive compound in bioremediation of petroleum pollution. In particular， glycolipid biosurfactants have been used in petroleum pollution remediation projects. The extraction and production methods of biosurfactant are various. In this paper， the properties， structure， classification， production and extraction methods of biosurfactants were summarized， as well as their research progress in bioremediation of petroleum pollution.

Key words： Biological surfactant; Oil pollution; Bioremediation; Classification; Extraction

近年來(lái)，石油開(kāi)采、加工、運(yùn)輸、儲(chǔ)存過(guò)程的泄漏所引起的海洋污染與土壤污染事件頻發(fā)[1]，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重破壞了自然生態(tài)環(huán)境，影響人類健康。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，全球每年石油泄漏總量約為1.1×106 t，其中海洋溢油占約五分之三[2， 3]。美國(guó)墨西哥灣“深水地平線”鉆井平臺(tái)石油泄漏之后，路易斯安那州超過(guò)160km的海岸受到泄漏原油的污染，近岸部分鹽沼群落在高濃度的石油作用下死亡，濕地和海灘被毀，漁業(yè)受損[4]。我國(guó)溢油事故發(fā)生頻率也不容小覷，有報(bào)道稱，近年來(lái)中國(guó)每年約12×104 t石油排入海洋，且近海海域石油的平均質(zhì)量濃度已達(dá)到 0.055 mg/L[5]。因微生物修復(fù)技術(shù)比物理、化學(xué)方法更經(jīng)濟(jì)高效且對(duì)環(huán)境無(wú)污染，所以備受研究者和技術(shù)人員重視。與其他水溶性污染物相比，石油中的烴類，尤其是多環(huán)芳烴等難降解的疏水性物質(zhì)阻礙了油的分散，使得微生物和油接觸的表面積大大減少，從而降低了微生物降解石油的效果[6]。因此，石油的微生物修復(fù)過(guò)程中，常采用表面活性劑促進(jìn)石油類物質(zhì)的乳化溶解，形成小油滴以便微生物利用。本文旨在通過(guò)對(duì)生物表面活性劑及其在石油污染修復(fù)中的應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)要概述，為其更好的應(yīng)用于海洋和土壤石油污染提供科學(xué)依據(jù)。

1 ?生物表面活性劑概述

1.1 ?生物表面活性劑的定義及性質(zhì)

生物表面活性劑是微生物在一定條件下代謝產(chǎn)生的同時(shí)擁有親水性和疏水性、并具有一定表面活性的兩親化合物。生物表面活性劑結(jié)構(gòu)龐大、復(fù)雜，具有增溶、乳化、潤(rùn)濕、發(fā)泡、分散、降低表面張力等與化學(xué)表面活性劑相同的作用。同時(shí)，生物表面活性劑還具有可生物降解、生態(tài)毒性低和生產(chǎn)原料廣泛等特點(diǎn)。馬斌斌等[7]從舟山漁場(chǎng)污染海水中提取出一株高效的石油降解菌，所產(chǎn)表面活性劑可使發(fā)酵液表面張力可從74 mN/m降至21.66 mN/m; 張曉青等[8]研究的紅球菌屬SY095的生物表面活性劑，可使發(fā)酵液表面張力從初始59.235 mN/m下降到 26.455 mN/m。

1.2 ?生物表面活性劑的分類及結(jié)構(gòu)

生物表面活性劑依據(jù)其微生物來(lái)源和結(jié)構(gòu)特征可分為糖脂、脂肽和脂蛋白、脂肪酸和磷脂、中性脂以及聚合物表面活性劑（表1）。其中，已知的生物表面活性劑多屬于脂肽和糖脂類。

槐糖脂（sophorolipid）是由假絲酵母菌以糖和植物油等為碳源，經(jīng)一定條件的發(fā)酵產(chǎn)生的微生物次級(jí)代謝產(chǎn)物。主要有內(nèi)酯型和酸型兩種結(jié)構(gòu)類型，兩者在生物活性和理化性質(zhì)上有較大差異[13]。與常見(jiàn)的鼠李糖脂比，兩者性能相近，槐糖脂分子量較大，屬一種低泡型表面活性劑，更適用于工業(yè)和民用清洗、化妝品等領(lǐng)域。

鼠李糖脂是由假單胞菌（一般采用銅綠假單胞菌（Pseudomonase））產(chǎn)生的一種生物代謝產(chǎn)物，屬于糖脂類的陰離子表面活性劑。研究表明，發(fā)酵產(chǎn)物中一般含有兩種主要類型的鼠李糖脂，即單鼠李糖脂和雙鼠李糖脂，其主要有四種結(jié)構(gòu)（圖1）。朱洪勝等[14]利用薄層色譜實(shí)驗(yàn)證明了兩種鼠李糖脂中均含有單糖脂和多糖脂。鼠李糖脂是一種性能優(yōu)良的生物表面活性劑，在科研領(lǐng)域研究時(shí)間最長(zhǎng)且已成功產(chǎn)業(yè)化[5]。

脂肽可根據(jù)其結(jié)構(gòu)特征分為環(huán)狀脂肽和線狀脂肽，大量含有十肽抗生素和脂肽抗生素的環(huán)狀脂肽分別由短芽孢桿菌和多粘芽孢桿菌產(chǎn)生，其中由枯草芽孢桿菌產(chǎn)生的環(huán)狀脂肽是一種很強(qiáng)功效的生物表面活性劑。李靜等[15]曾利用芝麻油發(fā)酵生產(chǎn)出一種環(huán)狀脂肽類生物表面活性劑，具有良好的乳化性能。

2 ?生物表面活性劑的生產(chǎn)及提取方法

2.1 ?生物表面活性劑的生產(chǎn)

目前，已報(bào)道的降解石油污染物的微生物有100余種200多屬，包括細(xì)菌、霉菌和酵母菌等，其中細(xì)菌是主要的作用菌群[16]。研究表明，降解石油烴類的大部分菌株可產(chǎn)多種表面活性劑[16，17]。目前，生物表面活性劑生產(chǎn)方法主要有微生物發(fā)酵法和酶法合成兩大類[18]。微生物發(fā)酵法產(chǎn)生的表面活性劑種類多、可用原料廣、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，是目前獲取生物表面活性劑的主要方法;酶法合成是借助于外源生物酶催化合成生物表面活性劑的一種方法，與微生物法比較， 其可以獲得高含量的目標(biāo)產(chǎn)物且產(chǎn)物易回收， 并且產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的修飾具有較大的靈活性，然而， 由于目前人們對(duì)生物代謝和蛋白質(zhì)工程的認(rèn)識(shí)不足， 很難準(zhǔn)確地通過(guò)人為調(diào)控改變微生物代謝途徑來(lái)改變生物表面活性劑的結(jié)構(gòu)[19，46]。這兩種方法要根據(jù)實(shí)際的情況進(jìn)行合理選擇，從而實(shí)現(xiàn)生物表面活性劑的價(jià)值（表2）[20]。

2.2 ?微生物發(fā)酵原料

微生物發(fā)酵法產(chǎn)生的生物表面活性劑種類多、可用原料廣、工藝簡(jiǎn)單，但因高成本和低產(chǎn)量等限制，目前還存在一定的市場(chǎng)壁壘[24]。生物表面活性劑的研究趨于綠色化和優(yōu)質(zhì)化，所以使用生產(chǎn)成本低、低環(huán)境污染、無(wú)毒無(wú)害可再生的原材料生產(chǎn)具有良好的發(fā)展趨勢(shì)。西格瑪化學(xué)公司（Sigma Chemical Company）[25]曾指出最理想的生物表面活性劑的價(jià)格在3～5美元/磅。目前的替代原料主要是各種農(nóng)業(yè)和工業(yè)的副產(chǎn)品和廢料，像植物提取液和廢物、玉米漿、馬鈴薯皮[26]、木薯廢水、蒸餾和乳清廢物及植物油磨出液等[27]。朱洪勝等[14]曾用地溝油和橄欖油為碳源發(fā)酵獲得單雙鼠李糖脂;梁生康等[11]用油脂廢水生產(chǎn)出鼠李糖脂，并具有良好的石油降解效果。

2.3 ?生物表面活性劑的提取

生物表面活性劑的提取方法主要有萃取法、超濾法、泡沫層析法、酸沉淀法、色譜法、柱層析法[28]和旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)法[21， 27]。溶劑萃取是一種常用的提取方法，萃取溶劑的選擇一般根據(jù)“相似相溶”原理，以甲醇、乙醇、氯仿、二氯甲烷等作為常用有機(jī)溶劑。超濾是用于從發(fā)酵液中提取生物表面活性劑的一種新方法，在壓力差的作用下根據(jù)膜孔徑大小進(jìn)行物質(zhì)篩分的分離過(guò)程，可達(dá)到凈化、分離和濃縮的目的，并且實(shí)現(xiàn)產(chǎn)物的快速分離，提取過(guò)程短，安全性高。泡沫分離過(guò)程就是利用待分離生物表面活性劑本身具有表面活性的特點(diǎn)，使目的產(chǎn)物在鼓泡塔中被吸附在氣泡表面得以富集，達(dá)到提取濃縮待分離物質(zhì)的目的，避免了泡沫及產(chǎn)物對(duì)微生物的不利影響，降低了生產(chǎn)成本，是工業(yè)生產(chǎn)中提取生物表面活性劑比較可取的方法，但構(gòu)成泡沫的生物表面活性劑含量較低，泡沫又是非穩(wěn)定體系，檢測(cè)難度較大。酸沉淀法是利用大多數(shù)表面活性劑在酸性條件下溶解度降低的特點(diǎn)來(lái)提取分離表面活性劑，然后再離心或過(guò)濾即可得到目的產(chǎn)物，必要時(shí)可用重結(jié)晶等進(jìn)一步純化，此法應(yīng)用廣泛，提取方便，產(chǎn)物相對(duì)于其他方法更純凈，易于測(cè)定，不產(chǎn)生其他有害物質(zhì)且容錯(cuò)率較高。色譜法是一種能夠顯著提高樣品純度的提純方法。旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)法通常和萃取法結(jié)合使用，從而提取表面活性劑純品。

生物表面活性劑的提取常同時(shí)采用一種以上的方法以獲得更高的品質(zhì)。李靜等[15]采用柱層析方法獲得分離純化的表面活性劑產(chǎn)物;梁生康等[11]利用萃取法得到糖脂粗提物;張曉青等[8]利用萃取法和旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)法得到表面活性劑粗制品;Sajna等[29]用乙酸乙酯提取粗產(chǎn)物后，用硅膠柱層析法對(duì)生物表面活性劑進(jìn)行純化。

3 ?生物表面活性劑促進(jìn)石油降解原理

石油是由不同數(shù)量的碳?xì)錁?gòu)成的復(fù)雜化合物，包括直鏈烷烴、支鏈烷烴、環(huán)烷烴和芳香烴等，降解石油污染實(shí)質(zhì)上是生物表面活性劑促進(jìn)了烴類物質(zhì)的代謝[16]。石油污染主要包括土壤污染和水污染。近年來(lái)，許多學(xué)者利用生物表面活性劑來(lái)修復(fù)石油污染，促進(jìn)石油降解，提高生物修復(fù)的效率。

生物表面活性劑主要通過(guò)兩種途徑來(lái)提高石油的生物可利用率[30，47]。一種途徑是通過(guò)降低油水界面張力并促進(jìn)兩者乳化，以增大界面面積，促使微生物與較大油滴之間的直接有效接觸;第二種途徑是利用表面活性劑對(duì)烴類物質(zhì)的增溶機(jī)制，使石油相在水相中分散開(kāi)，從而便于細(xì)菌吸收粒徑小于自身的油滴[29， 31， 32]。多環(huán)芳烴在石油成分中比重較大，且降解困難[33]，由于生物表面活性劑的增溶作用，當(dāng)其濃度大于臨界膠束濃度（CMC）時(shí)，會(huì)形成膠束，膠束內(nèi)的疏水性微環(huán)境對(duì)疏水性有機(jī)溶劑的分配作用較強(qiáng)，可顯著增大烴類有機(jī)污染物的表觀溶解度（圖2）[34]。

4 ?生物表面活性劑在石油污染修復(fù)中的應(yīng)用

4.1 ?水體石油污染修復(fù)

生物表面活性劑在水體溢油污染生物修復(fù)中已有多項(xiàng)應(yīng)用。在1989年美國(guó)阿拉斯加的“ExxonValdez”號(hào)溢油事件中，通過(guò)加入銅綠假單胞菌合成的海藻糖脂，幾周內(nèi)石油中的正烷烴幾乎被全部去除，是成功應(yīng)用生物修復(fù)石油污染的開(kāi)

端[35]。此后，含生物表面活性劑的菌劑Alpha BioSeaTM和Tera–ZymaTM分別被用于修復(fù)德克薩斯州溢油污染海岸線和日本重質(zhì)原油污染場(chǎng)地，均取得了較好的修復(fù)效果[36]。實(shí)驗(yàn)室研究方面，郝文靜[37]通過(guò)構(gòu)建生物模擬系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)20 d的生物模擬實(shí)驗(yàn)，水面表觀石油的去除率達(dá)到了98.26%，水中的去除率也已達(dá)到90.67%，效果顯著;Sakthipriya等[38]利用從垃圾場(chǎng)中分離出來(lái)的產(chǎn)生物表面活性劑的Bacillus subtilis降解原油，10天內(nèi)原油降解率高達(dá)80%，黏度則降低60%;劉穎等[39]等發(fā)現(xiàn)菌株Halomonassp.DH1產(chǎn)生的表面活性劑可顯著促進(jìn)石油降解與洗脫，10 ℃的實(shí)驗(yàn)條件下，添加了表面活性劑的水溶液可將黏附了原油的沙子上82. 1%的原油洗脫，證明了此菌具有應(yīng)用于北方海域冬季溢油生物修復(fù)工作的潛力。

4.2 ?土壤石油污染修復(fù)

利用生物表面活性劑進(jìn)行石油污染土壤修復(fù)受到越來(lái)越多的關(guān)注。崔鵬等[40]曾指出對(duì)于含油污泥的處理，生物法相比非生物法對(duì)環(huán)境的污染要小;朱生鳳等[41]在降解體系中添加鼠李糖脂使原油20天的降解率由35.7%提高到57.6%，同時(shí)提高了烷烴和芳香烴的降解率;謝丹平等[42]從培養(yǎng)菌 XD-1中提取出脂肽類和糖脂類混合的生物表面活性劑， 使菌 XD-1 降解原油的誘導(dǎo)期縮短一半， 并提高了菌對(duì)原油的降解率;陳賢等[10]在新疆油田的含油污泥中分離馴化出三株石油降解菌，將產(chǎn)生的三種表面活性劑制成的復(fù)合型生物表面活性劑，對(duì)含油污泥處理效果良好，且原油回收率大于95%，基本實(shí)現(xiàn)了對(duì)含油污泥的資源化處理;劉魏魏等[43]研究發(fā)現(xiàn)添加生物表面活性劑可顯著促進(jìn)土壤中PAHs的降解;Sunita等[44]從土壤中分離出的銅綠假單胞菌對(duì)石油具有良好的降解能力，表明其在石油污染現(xiàn)場(chǎng)原位生物修復(fù)和陸地海洋溢油修復(fù)方面具有良好的應(yīng)用前景;Kang等[45]在實(shí)驗(yàn)室條件下研究了槐糖脂對(duì)脂肪族和芳香烴以及伊朗輕質(zhì)原油的生物降解，結(jié)果表明，在土壤中添加槐糖脂可將碳?xì)浠衔锏纳锝到饴视?5%提高至97%;Luna等[27]利用一株球形假絲酵母菌（Candida sphaerica）所產(chǎn)的陰離子糖脂型表面活性劑清洗機(jī)油污染的河砂，機(jī)油去除率可達(dá)95%，對(duì)其生物毒性（植物和動(dòng)物）的測(cè)試結(jié)果表明，一定濃度范圍內(nèi)（<0.5 g/L），該生物表面活性劑對(duì)植物種子萌芽率、根的伸張率，以及動(dòng)物（鹽水蝦）的孵化率均無(wú)抑制作用。

5 ?展望

綜上所述，生物表面活性劑已經(jīng)成功應(yīng)用于海洋溢油和土壤石油污染生物修復(fù)中。但是由于目前生物表面活性劑的生產(chǎn)成本比化學(xué)表面活性劑的高，生物表面活性劑的廣泛應(yīng)用與批量生產(chǎn)受到一定限制，所以進(jìn)一步改進(jìn)生產(chǎn)工藝和尋找更為廉價(jià)的發(fā)酵原料，是生物表面活性劑生產(chǎn)的主要的發(fā)展方向。

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