生物表面活性剂及其应用和前景分析研究 环境工程专业

生物表面活性剂及其应用和前景分析研究环境工程专业摘要：随着世界经济的发展以及科学技术领域的开拓，微生物以及微生物的代谢产物在许多领域都有涉及和应用。而生物表面活性剂作为一种新的技术，它的应用领域渐渐扩展，已发展到了环保、石油、农业、多种修复工程等多项领域。近年来在环保中的应用更是有较大的突破，而且其应用范围还在不断地扩大。目前国内、外有关生物表面活性剂应用实例的研究也相当多。下面我将对此项技术这几年出现的新方法、和研究动向作着重介绍与阐述。关键词：生物表面活性剂、培养、筛选、应用1生物表面活性剂的背景生物表面活性剂的研究始于20世纪60,70年代，加拿大、英国、西德、美国等国家先后进行了研究和开发[1].80年代己经研制出不同类型的生物表面活性剂。生物表面活性剂主要是由微生物在好氧或厌氧条件下在不同的碳源培养基中生长时产生的。这些碳源培养基可以是碳水化合物、烃类、油、脂肪或者是它们的混合物。生物表面活性剂的研究始于20世纪60,70年代，加拿大、英国、西德、美国等国家先后进行了研究和开发[1].80年代己经研制出不同类型的生物表面活性剂。生物表面活性剂主要是由微生物在好氧或厌氧条件下在不同的碳源培养基中生长时产生的。这些碳源培养基可以是碳水化合物、烃类、油、脂肪或者是它们的混合物。和传统的化学合成的表面活性剂相比，生物表面活性剂有许多明显的优势:更强的表面和界面活性;对热的稳定性;对离子强度的稳定性;生物可降解性、生物可适应性、环境友好性等[2]特点。由于这些显著特点，使生物表面活性剂在一些方面可以逐渐代替化学合成的表面活性剂，而且应用也越来越广泛。如微生物产生的生物表面活性剂可以增强油类提取(MEOR);对于被油污染的海面或土壤，可加快油类的降解:对重金属污染的土壤和地下水的修复等。随着人们对环境问题的认识加深，从源头减少污染及治理污染的同时不产生二次污染己经成为人们的共识，因此生物表面活性剂无疑是未来发展的趋势。2生物表面活性剂的分类生物表面活性剂可分为非离子型和阴离子型，阳离子型较为少见。像其它表面活性物质一样，生物表面活性剂由一个或多个亲水性和憎水性基团组成。亲水基可以是酷、轻基、磷酸盐、或羧酸盐基团、或者是搪基。憎水基[3]可以是蛋白质或者是含有憎水性支链的缩氨酸。根据生物表面活性剂的结构特点，可将其分为5类:糖脂、含氨基酸类脂、聚合物、磷脂和脂肪酸或中性脂。3生物表面活性剂的其生产菌及筛选3.1生物表面活性剂的生产菌生物表面活性剂大多是由细菌和酵母菌产生的，也有报道由真菌产生。微生物发酵法生产生物表面活性剂的生产菌种大致分为三类，一类是严格以烷烃作为碳源的微生物，如棒状杆菌（Corynebacteriumsp）;一类是以水溶性底物为碳源的微生物，如杆菌（Bacillussp）:另一类可以以烷烃和水溶性底物两者作为碳源，如假单胞菌（Pseudomonassp）。这些微生物在以碳氢化合物为底物的培养基上生长[4]时，可以合成一系列范围很广的具有表面活性作用的物质，如糖脂、脂蛋白、多糖一蛋白质复合物、磷脂、脂肪酸和中性脂。在烃基质中培养时，许多微生物都可以有利于烃基质被动扩散而进入细胞内的效应，这是通过微生物产生的一大类物质而起作用的，这类物质就称作“生物表面活性剂”[5]生物表面活性剂已有二十多年的发展历史，人们对产生生物表面活性剂的微生物及其产生机理已有了较多的认识。在通过发酵法生产生物表面活性剂的过程中，可以利用不同条件下的微生物细胞生产生物表面活性剂，如细胞生长相关型生物表面活性剂是细胞繁殖生长过程中的代谢产物，在各种限制条件下可利用生长细胞或休止细胞生产生物表面活性剂，或是将发酵法与生物转换结合起来通过加入一种底物前体生产生物表面活性剂[6]。3.2生物表面活性剂的筛选生物表面活性剂的生产首先依赖于生产菌，不同的生产菌产生不同的生物表面活性剂。如何快速而有效地筛选和分离出生物表面活性剂生产菌，是人们研究很多的一个问题。己有许多方法通过测量液体和空气或两种液体之间的界面力来确定生物表面活性剂的浓度，从而判定出生物表面活性剂生产菌[7]的存在。这些方法包括毛细上升法、威廉米吊片法、环法、泡压法及悬滴法[8]。近年来，不少文献报道了一些快速的生物表面活性剂产生菌的筛选方法。如液滴轴线对称分析法(ADSA-P)和比色法等方法。另外，还有一些简单的测定方法:(1)快速破泡实验；(2)薄层层析法；(3)乳化指数值测定；(4)针对阴离子表面活性剂的新的半定量琼脂平板生物表面活性剂实验法。此外，通过致突变等手段筛选高产菌株是一种有效地获取生物表面活性剂生产菌的途径。有文献报道了一种筛选生物表面活性剂变异株的改良细菌菌落TLC法，，TLC法样品前处理需费时许多天，但该法可在TLC平板上直接用细菌群体，并在平板上进行预展开，随后含细菌提取液的平板在去除菌体并干燥后进行预展开，随后含细菌提取液的平板在去除菌体并干燥后进行展开。该实验方法被成功的应用于生物表面活性剂生产变异菌株的鉴定与分离。4生物表面活性剂的应用4.1生物表面活性剂在环境工程中的应用近年来，世界各国投入了大量的实力研究和发展环境生物工程技术。表面活性剂由于能增强憎水性化合物的亲水性(如图1所示)，从而可以增加生物可利用性，因而已被认为是现代生物修复技术的一部分。生物修复是目前非常热门的一种现场处理各种环境污染的技术，具有处理费用低和效率高的优点。生物修复技术所处理的污染物包括工业废物、多环芳烃、精炼油产物、酸性矿废弃物，杀虫剂，军用化合物(如三硝基甲苯TNT)以及无机重金属和原油等等。图1.污染物的溶解性随生物表面活性剂浓度的变化生物表面活性剂可以增强油类提取(MEOR)，对于被油污染的海面或土壤，可加快油类的降解;对重金属污染的土壤和地下水的修复等[9]-[10]。近年来，黄国和等[11]开展了生物表面活性剂用于治理地下水污染的研究，取得了很好的试验效果。他们还对生物表面活性剂强化治理效果进行了数值模拟，并建立了模型。WouterHN等[12]对十六烷降解过程中鼠李糖脂的作用进行了研究。MoranAC等[13]研究了Bacillussubtilis产生的生物表面活性剂对烷烃废物降解的促进作用。ShulgaA等[14]研究了生物表面活性剂对石油污染的环境的修复作用。VipulanandanC等[15]研究了生物表面活性剂对苯类物质的溶解与降解作用。GuMB和ChangST用固定化重组细胞微生物和生物表面活性剂研究了一种用来检测土壤中PAH毒性的生物传感器。RahmanKSM等鼠李糖脂生物表面活性剂对汽油污染的土壤的修复作用。Ochoa-LozaFJ等研究了鼠李糖脂生物表面活性剂和各种金属的络合常数。CassidyDP等在一个续批式反应器中对生物表面活性剂对柴油污染的土壤的修复作用进行了研究。4.2在医学领域的应用研究表明生物表面活性剂对人体细胞中的免疫缺陷蛋白病毒具有抑制作用。肺部表面活性剂(一种磷脂蛋白)的不足，是导致早产婴儿呼吸停止的主要原因。这种表面活性剂的蛋白质分子合成基因的分离以及在细菌中克隆，已使得有可能用发酵法生产的这种生物表面活性剂应用于医药。红串红球菌(Rhodococcuserythropol)合成的玻泊酞海藻糖脂能够抑制单纯疮疹病毒和流感病毒，致死剂量仅为10-301xg/mL。铜绿假单胞菌DR54菌株合成的酞胺粘液菌素对植物致病菌(Pythiumultimum)有良好的抑制作用，这种具有抗生特性的生物表面活性剂有望应用于植物病害的生物防治。4.3在农业及其它方面的应用生物表面活性剂在农业中的用途也很广泛[16]，可用于土壤[17]的改良、用作肥料、清洁、植物保护以及作杀虫剂等方面。在其它领域还可用于高效细胞破碎和快速测定微生物的数量。由于生物表面活性剂可将细菌和真菌的细胞破碎，细胞内的ATP释放后可与荧光素酶和荧光素系统反应，产生荧光。通过测定所产生的荧光的量即能推算出细胞的数量，从而达到快速测定的目的。5前景与小结综合上述对生物表面活性剂的认识，我个人认为由于微生物产生的生物表面活性剂具有超过合成表面活性剂的优点，化学结构多样，可生物降解等，使其在应用领域的角度上比合成表面活性剂更具有竞争性。但从市场角度而言，生物表面活性剂在商业上的应用取决于其成本与性质，而在目前，因为生物表面活性剂生产成本较高，其在食品与化学工业中的应用不完全具有市场竞争性。这是这项技术所欠缺的，因此目前怎样可以加快它的工程化、大规模化生产，使其在市场上取得更大市场份额，更有竞争性，获得更多效益，我觉得这正是摆在研究者面前的一个问题，也是他们值得努力的方向。假如这方面能取得成功，那么不但生物表面活性剂技术本身可以得到更加快速的发展，而且这样还可以促进使经济的繁荣。当然，合成表面活性剂本身对的环境影响，使微生物产生的化合物更会引起科学家的广泛兴趣和关注。此外，还有许多生物表面活性剂在环境保护中得到应用，这里就不一一枚举了。我要指出的是目前生物表面活性剂相当一部的功能应用还处于实验室研究阶段，还需增加学科间的交叉渗透，促进学术思想交流，才能取得更多、更好的创新。我想在这方面今后研究的重点应放在生物表面活性剂的选择和最佳使用条件的分析上。生物表面活性剂的种类繁多，在众多表面活性剂中选择出适合具体污染物治理的生物表面活性剂技术是实际应用的关键，包括处理效果、对环境友好性（生物毒性、降解性）、适用范围研究等，其中对研究应引起高度重视，以避免造成二次污染。总之在现今的各个领域中的应用方兴未艾，为其自身的发展和相关产业的发展展示了一个广阔的前景。参考文献：[1]WagnerFH,KretschmerA.ProductionandchemicalcharacterizationofsurfactantsfromRhidococcuseruthropolisandPseudomonassp.MUBgrownonhydrocarbons,MicrobialEnhancedOilRecovery.AmericaTucsonAriz:PebbwellPublishing,1983,55-66[2]赵玉玺,朱涉瑶著,生物表面活性剂作用原理[M]北京:中国环境科学出版社,1998[3]董亮,戴树佳,憎水性污染物在表面活性剂中的增容动力学[J],环境科学,2000,21(1):27-31[4]钱欣平,阳永荣,孟琴,生物表面活性剂对微生物生长和代谢[J],微生物学通报2002,29(3)：75-78[5]魏明等,表面活性剂生产菌的研究,微生物通报,1998,34(2):149-153[6]徐燕莉等,表面活性剂的功能,北京:化学工业出版社,2000,8-14[7]高士祥,曹加胜,孙成,王连生,不同类型表面活性剂性质分析,土壤与环境,1999,8(3):184-188[8]夏咏梅,方云,生物表面活性剂的开发和应用,日用化学工业,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,Wachter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