生物表面活性劑介導納米顆粒的生物合成及其應用進展

李 楊，鄭安應，董 浩，孫珊珊，張 凡，佘躍惠*

(1.長江大學石油工程學院,湖北 武漢 430100；2.非常規(guī)油氣湖北省協同創(chuàng)新中心,湖北 武漢 430100；3.中國地質大學能源學院,北京 100191)

納米顆粒(nanoparticles,NPs)在生物傳感器、催化、藥物傳遞和生物修復等領域得到大規(guī)模應用，其合成一直備受關注。生物表面活性劑(biosurfactant,BS)是一種由微生物代謝產生的以糖和脂肪酸為主要成分的天然表面活性劑，與化學表面活性劑相比，其具有生物可降解性、較低的毒性、優(yōu)良的生物活性以及能利用可再生原料合成等優(yōu)點。由于環(huán)境友好型生物技術和新型材料的需要，BS參與的NPs合成正逐漸成為研究熱點， NPs的潛在商業(yè)應用覆蓋農業(yè)、石油、環(huán)保、醫(yī)藥等各個領域[1]。作者在此簡介BS的特性、種類和產BS微生物的種類，概述BS在NPs生物合成中的研究進展以及NPs在石油工業(yè)提高采收率、污染土壤和水的生物修復等方面的應用，并指出BS在上述領域的發(fā)展方向。

1 生物表面活性劑的特性及種類

BS是由微生物代謝產生的含親水、疏水結構和具有表面活性的兩親性化合物[2]。BS的親水部分主要由酸、肽陽離子(陰離子)、單糖、二糖或多糖組成，而疏水部分可以是不飽和或飽和的烴鏈或脂肪酸，因此，BS可以在極性和非極性介質間的界面上存在或分配[3]。BS具有乳化、增溶、潤濕、分散、聚集、起泡、滲透、殺菌、緩蝕等性質[4]，在極端的pH值和溫度下，具有生態(tài)友好性、低毒性和更高的生物降解能力，因此，BS作為多功能材料引起了研究者的廣泛關注。

BS的分類方法很多，根據分子質量大小分為低分子量BS和高分子量BS。低分子量BS如糖脂、脂肽和磷脂，可有效降低表面和界面張力；高分子量BS如脂蛋白、脂多糖和兩親性多糖或含有多種結構類型的復合物[5]，能更有效地穩(wěn)定水包油乳液，用作乳液穩(wěn)定劑。產BS微生物來源廣泛，主要有細菌、真菌和酵母，其中假單胞菌屬、芽孢桿菌屬、紅球菌屬和念珠菌屬的菌株是研究最多的。微生物代謝產生的BS[6-7]見表1。

表1 微生物代謝產生的BSTab.1 Biosurfactant produced by microorganisms

目前，BS的工業(yè)生產仍處于起步階段，工業(yè)化面臨的挑戰(zhàn)是BS的生產成本高。因此，BS研究需要開辟新技術，如利用基因工程技術修飾微生物以獲取高產量的BS，降低生產成本。

2 生物表面活性劑介導納米顆粒的生物合成

納米材料的合成通常采用兩種不同的方法，包括“自上而下”和“自下而上”。微乳液法是最常用的一種“自下而上”的方法，微乳液一般由表面活性劑、親脂相和親水相組成[8]。微乳液法NPs的合成機理見圖1。由于布朗運動，小尺寸反膠束之間的頻繁碰撞形成了二聚體，它可以促進還原劑和金屬鹽溶液分布一致，最后形成NPs[9]。

圖1 微乳液法NPs的合成機理Fig.1 Synthesis mechanism of nanoparticles by microemulsion method

基于BS合成NPs的機理是BS疏水部分之間的非共價鍵相互作用，該過程形成的膠束或囊泡存在自聚集現象，產生了反膠束、層狀結構、棒狀、六邊形、橢圓形、圓柱形、球形等不同的形態(tài)結構(圖2)[9]。此外，這些BS通過吸附到NPs上，使NPs表面穩(wěn)定并防止聚集[10]。BS可以作為模板，在不同的外部因素下合成具有不同結構、功能和物理化學性質的NPs[11]。其次，BS可以作為封端劑，其功能基團如氨基、醛基、羥基等與金屬離子作用產生NPs，通過保持NPs表面開放來實現空間或靜電穩(wěn)定，降低NPs的聚集傾向(圖3)[12]。在這個意義上，BS可以作為NPs合成的媒介，在液體介質中提供穩(wěn)定、均勻、分散的NPs，已有許多商業(yè)BS以及實驗室合成的BS用作NPs合成中的穩(wěn)定劑和改性劑。

圖2 NPs合成過程中BS自聚集模式Fig.2 Self-aggregation patterns of biosurfactant during nanoparticales synthesis

圖3 BS溶液在合成納米材料中的作用Fig.3 Role of biosurfactant solution in synthesis of nanomaterials

2.1 糖脂類生物表面活性劑合成的納米顆粒

使用糖脂類BS合成NPs，如鼠李糖脂和槐糖脂，解決了脂肪酸作為封端劑時溶解度差的問題，并促進合成的NPs在液體介質中的均勻分散。糖脂介導金屬NPs的合成最早是由Singh等報道的[13]，目前已有很多關于糖脂類BS誘導合成Ag-NPs、NiO-NPs、Fe-NPs等的研究。

NPs的尺寸和形狀由pH值、溫度、BS形態(tài)等因素控制。Palanisamy[14]研究發(fā)現，當溶液pH值為6時，BS的形態(tài)由層狀轉變?yōu)槟z束狀。Ni(OH)2-NPs在pH值為8.0時呈片狀，隨著pH值的增大，NPs趨于球形，在較高的pH值下，OH-的過飽和會加快成核速率，從而形成更小的顆粒。在600 ℃下煅燒Ni(OH)2沉淀[15]，形成了直徑為8～35 nm的NiO納米棒。

鼠李糖脂可作為生物合成Ag-NPs的穩(wěn)定劑和保護劑。Xie等[16]以鼠李糖脂為模板、NaBH4為還原劑，在反膠束中合成了球形Ag-NPs，在不添加鈍化劑的情況下，Ag-NPs可以穩(wěn)定存在至少2個月。Saikia等[17]提出了鼠李糖脂在鹽溶液中保護Ag-NPs免受NaCl侵害的觀點，表明在鹽溶液中鼠李糖脂可能是使Ag-NPs以膠體形式存在的有效穩(wěn)定劑，能有效防止NaCl與Ag-NPs反應生成AgCl。

槐糖脂在Au-NPs和Ag-NPs的合成中是有效的封端劑和還原劑，槐糖脂封端的Au-NPs可以通過一步法合成，這種Au-NPs-槐糖脂的生物合成法比化學合成法具有明顯的優(yōu)勢，如高效、生物相容性好、生態(tài)友好等，并且能更好地控制反應參數，減少合成步驟，從而擴大實驗室合成規(guī)模，提高其應用潛力。糖脂類BS介導合成的NPs[18]見表2。

表2 糖脂類BS介導合成的NPsTab.2 Nanoparticles synthesized by mediation of glycolipid biosurfactants

2.2 脂肽類生物表面活性劑合成的納米顆粒

在NPs合成中，脂肽類BS常作為Ag-NPs、Au-NPs、Zn-NPs、CdS-NPs等的穩(wěn)定劑或還原劑。由枯草芽孢桿菌代謝產生的BS參與了Au-NPs和Ag-NPs的生物合成，BS的存在使NPs更加穩(wěn)定。Eswari等[19]以枯草芽孢桿菌為原料合成了一種BS，并以其介導合成Ag-NPs，利用紫外可見光譜觀察到在410 nm處有與Ag-NPs峰值相對應的表面等離子體共振振動帶，證明了該生物合成法的可行性。Reddy等[20]研究表明，在堿性、中性及室溫的條件下有利于NPs的合成，同時還發(fā)現脂肽結構發(fā)生變化也會導致Au-NPs形狀的改變。此外，Rangarajan等[21]研究發(fā)現，不同濃度的脂肽和不同的反應物添加順序也會導致Ag-NPs形狀大小的改變。因此，未來應深入研究生物合成NPs的機理，為有效利用生物合成等手段調控BS合成NPs的形貌、尺寸、分布等提供依據。脂肽類BS介導合成的NPs[18]見表3。

表3 脂肽類BS介導合成的NPsTab.3 Nanoparticles synthesized by mediation of lipopeptide biosurfactants

2.3 其它類型生物表面活性劑合成的納米顆粒

多糖在NPs合成中可作為穩(wěn)定劑和還原劑使用，但由于成本原因大規(guī)模商業(yè)使用還不可行。Sathiyanarayanan等[22]研究發(fā)現，使用枯草芽孢桿菌MSBN17生產的生物絮凝劑可以作為穩(wěn)定劑在反膠束中合成Ag-NPs。Yi等[23]基于生物乳化劑和磷脂合成了NPs。雖然目前關于其它糖肽和糖脂肽組成的BS已有文獻研究[24]，但其在NPs合成中的應用還沒有充分開發(fā)，未來研究可集中于尋找或構建BS高產菌群NPs合成工藝。

關于BS介導生物合成NPs，現階段研究人員仍在尋求優(yōu)化NPs的粒徑、穩(wěn)定性和單分散性的方法。下一步可以研究各種工藝參數對NPs形貌的影響來合成理想的納米材料；其次，可從BS不同功能基團發(fā)揮的作用、NPs合成過程的反應動力學等方面研究分析BS在NPs合成過程的機理，提高大規(guī)模生物合成NPs的均一性和回收率，不斷推進NPs大規(guī)模生物合成。

3 生物納米顆粒的應用

3.1 生物納米顆粒在石油工業(yè)中的應用

近年來，在石油工業(yè)中納米技術常與BS結合使用，生物NPs已成為一種頗具吸引力的提高石油采收率制劑。生物NPs提高石油采收率的原理如下：(1)生物NPs高催化活性、高比表面積的特點使其在滲透性巖石內能輕松運移；(2)生物NPs使催化劑與油分子之間充分接觸，加快烴類的裂解和氫化[25]；(3)生物NPs將巖石表面的潤濕性從親油狀態(tài)變?yōu)橛H水狀態(tài)，減小接觸角，降低界面張力，提高流度比[10]。

Amani等[26]利用鼠李糖脂合成的二氧化硅納米流體作為低滲透砂巖油藏采油的潤濕性調節(jié)劑，石油采收率提高了5%。Elakkiya等[25]合成了鼠李糖脂介導的Ag-NPs，結果表明，化學基Ag-NPs和BS基Ag-NPs的石油采收率分別為14.94%和14.28%。Khademolhosseini等[27]研究了生物NPs形貌對石油采收率的影響，BS-球形NPs與BS-非球形NPs溶液對比，BS-球形NPs溶液可最大程度減小接觸角(從112°減小到8°)，其最終石油采收率為53.4%，而BS-非球形NPs溶液的最終石油采收率為44.5%。這些結果表明，NPs和由鼠李糖脂合成的二氧化硅納米流體不僅穩(wěn)定，而且為提高石油采收率提供了新的途徑，對研究納米結構在原位微生物采油中的應用具有重要意義。今后將研究不同BS和NPs的協同驅油的機理，以尋找最佳的提高石油采收率制劑。

3.2 生物納米顆粒在生物修復中的應用

生物NPs具有吸收環(huán)境污染物、提高土壤修復能力、縮短處理時間和降低成本的特點[28]。BS可以提高碳氫化合物的水溶性、降低表面張力和增加土壤顆粒中油性物質置換乳化碳氫化合物的能力[2]，因此，NPs和BS同時存在時，可有效提高污染物的降解率。Shanker等[29]以皂角苷合成鐵氰化鐵納米顆粒(FeHCF-NPs)，使水和土壤中的蒽及菲的降解率達到80%～90%，而芴和苯并[α]芘的降解率約為70%～80%，說明FeHCF-NPs在光催化下具有降解水和土壤中有害多環(huán)芳烴的潛力。Mandal等[30]提出了第一份關于納米生物修復工藝優(yōu)化的報告，結果表明，當酵母菌接種量為3%、ZnO-NPs濃度為2 g·L-1、pH值為7.0、溫度為30 ℃時，6 d后可以增強63.83%多環(huán)芳烴(BghiP)的降解。El-Sheshtawy等[31]研究了地衣芽孢桿菌對原油污染區(qū)的生物修復能力，結果表明，含有Zn5(OH)8Cl2-NPs、Fe2O3-NPs和BS的復合制劑能有效增強生物降解能力，原油降解率達到60%。因此，細菌分離物在BS和特定濃度的Fe2O3-NPs存在下具有應用于石油污染區(qū)域生物修復的潛力。

4 展望

已知許多不同種類的微生物可以代謝產生BS，與化學表面活性劑相比，BS具有高特異性、生物降解性和生物相容性?；贐S合成NPs的研究，有助于推動先進納米材料合成的發(fā)展。BS作為化學表面活性劑的替代品，合成的新型納米材料可作為石油工業(yè)中的提高石油采收率制劑，還可用于生物修復。然而，為了提高NPs生物合成速度和單分散性，需要更好地了解NPs生物合成的生化和分子機制。未來可以從NPs合成過程的工藝參數、反應動力學等方面闡明BS介導NPs生物合成的機制，以獲取形狀大小可控及具有良好分散性的NPs。BS還是NPs的優(yōu)良分散劑和穩(wěn)定劑，并且合成產品無需分離提純可直接應用于提高油氣采收率以及油氣污染的生物修復，因此，研究BS和NPs的協同作用在石油工業(yè)中具有廣闊的應用前景。