生物表面活性劑環(huán)境工程中的應用
生物表面活性劑是微生物在一定條件下培養(yǎng)時,在代謝過程中分泌的具有表面活性的代謝產(chǎn)物。與化學合成表面活性劑相比,生物表面活性劑具有許多獨特的屬性,如:結構的多樣性、生物可降解性、廣泛的生物活性及對環(huán)境的溫和性等[1]。由于化學合成表面活性劑受原材料、價格和產(chǎn)品性能等因素的影響,且在生產(chǎn)和使用過程中常會嚴重污染環(huán)境及危害人類健康。 因此,隨著人類環(huán)保和健康意識的增強,近二十多年來,對生物表面活性劑的研究日益增多,發(fā)展很快,國外已就多種生物表面活性劑及其生產(chǎn)工藝申請了專利[2],如乙酸鈣不動桿菌生產(chǎn)的一種胞外生物乳化劑已經(jīng)有了成品出售。國內(nèi)對生物表面活性劑的研制和開發(fā)應用起步較晚,但近年來也給予了高度重視,其中研究最多的就是生物表面活性劑在提高石油采收率以及生物修復中的應用。1、生物表面活性劑的種類及其生產(chǎn)菌
1.1生物表面活性劑的種類 化學合成表面活性劑通常是根據(jù)它們的極性基團來分類,而生物表面活性劑則通過它們的生化性質和生產(chǎn)菌的不同來區(qū)分。一般可分為五種類型:糖脂、磷脂和脂肪酸、脂肽和脂蛋白、聚合物和特殊表面活性劑。
1.2生物表面活性劑的生產(chǎn)菌 大多數(shù)生物表面活性劑是細菌、酵母菌和真菌的代謝產(chǎn)物。這些生產(chǎn)菌大多是從油類污染的湖泊、土壤或海洋中篩選得到的。如Banat等[3]從油泥污染的土壤中分離得到兩株生物表面活性劑的菌株:芽孢桿菌AB-2和Y12-B。表1列出了一些主要的生物表面活性劑的種類及其生產(chǎn)菌[2,4]。
2、生物表面活性劑的生產(chǎn)目前,可以通過兩種途徑生產(chǎn)生物表面活性劑:微生物發(fā)酵法和酶法。 采用發(fā)酵法生產(chǎn)時,生物表面活性劑的種類、產(chǎn)量主要取決于生產(chǎn)菌的種類、生長階段,碳基質的性質,培養(yǎng)基中N、P和金屬離子Mg2+、Fe2+的濃度以及培養(yǎng)條件(pH、溫度、攪拌速度等)。如Davis等[5]在成批培養(yǎng)枯草芽孢桿菌時發(fā)現(xiàn),在溶解氧耗盡和限氮條件下可得最大濃度(439.0mg/L)的莎梵婷。Kitamoto等[6]利用南極假絲酵母的休止細胞生產(chǎn)甘露糖赤蘚糖醇脂,對培養(yǎng)條件進行優(yōu)化后,最高產(chǎn)量可達140g/L。發(fā)酵法生產(chǎn)生物表面活性劑的優(yōu)點在于生產(chǎn)費用低、種類多樣和工藝簡便等,便于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn),但產(chǎn)物的分離純化成本較高。 與微生物發(fā)酵法相比,酶法合成的表面活性劑分子多是一些結構相對簡單的分子,但同樣具有優(yōu)良的表面活性。其優(yōu)點在于產(chǎn)物的提取費用低、次級結構改良方便、容易提純以及固定化酶可重復使用等,且酶法合成的表面活性劑可用于生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品,如藥品組分。盡管現(xiàn)階段酶制劑成本較高,但通過基因工程技術增強酶的穩(wěn)定性與活性,有望降低其生產(chǎn)成本。
3、生物表面活性劑的提取 發(fā)酵產(chǎn)物的提取(也稱下游處理)費用大約占總生產(chǎn)費用的60%,這是生物表面活性劑產(chǎn)品商業(yè)化的一個主要障礙。生物表面活性劑的最佳提取方法隨發(fā)酵操作及其物理化學性質的不同而不同。其中溶劑萃取是最常用的提取方法,如Kuyukina等[7]利用甲基-叔丁基醚萃取紅球菌生產(chǎn)的生物表面活性劑,可以獲得較高產(chǎn)率10mg/L。超濾是用于提取生物表面活性劑的一種新方法。Lin等[8]用分子量截止值為30000Da的超濾膜從發(fā)酵液中提取枯草芽孢桿菌產(chǎn)生的脂肽類生物表面活性劑莎梵婷,收率達95%。Mattei等設計了一套連續(xù)提取生物表面活性劑的裝置,應用切面流過濾法能連續(xù)提取產(chǎn)物,產(chǎn)率高達3g/L[1]。能與連續(xù)發(fā)酵生產(chǎn)配套的產(chǎn)物提取方法有泡沫分離、離子交換樹脂法等。Davis等[9]用泡沫分離法連續(xù)提取枯草芽孢桿菌產(chǎn)生的莎梵婷,收率達71.4%。鼠李糖脂的提取過程是先離心過濾除去細胞,再通過吸附色譜將鼠李糖脂濃縮在安珀萊特XAD-2樹脂上,后用離子交換色譜法提純,最后將液體蒸發(fā)和冷凍干燥可得純度為90%的成品,收率達60%[2]。
4、生物表面活性劑在環(huán)境工程中的應用 許多化學合成表面活性劑由于難降解、有毒及在生態(tài)系統(tǒng)中的積累等性質而破壞生態(tài)環(huán)境,相比之下,生物表面活性劑則由于易生物降解、對生態(tài)環(huán)境無毒等特性而更適合于環(huán)境工程中污染治理。如:在廢水處理工藝中可作為浮選捕收劑與帶電膠粒相吸以除去有毒金屬離子,修復受有機物和重金屬污染的場地等。
4.1在廢水處理工藝中的應用 用生物法處理廢水時,重金屬離子對活性污泥中的微生物菌群常會產(chǎn)生抑制或毒害作用,因此,在用生物法處理含重金屬離子的廢水時須進行預處理。當前,常用氫氧化物沉淀法除去廢水中的重金屬離子,但其沉淀效率受氫氧化物溶解度的限制,應用效果不甚理想;浮選法用于廢水預處理時又常因所用浮選捕收劑在其后續(xù)處理過程中難降解(如化學合成表面活性劑十二烷基磺酸鈉),易產(chǎn)生二次污染而受限制,因此,有必要開發(fā)易生物降解、對環(huán)境無毒害的替代品,而生物表面活性劑恰好具有這一優(yōu)勢。但是,國內(nèi)外對這一方面的應用研究很少,直到最近才有報道。Zouboulis等[10]研究了生物表面活性劑作為捕收劑除去廣泛存在于工業(yè)廢水中的兩種有毒金屬離子:Cr4+和Zn2+。結果表明,莎梵婷和地衣芽孢桿菌素在pH為4時均能很好地從廢水中分離吸附了Cr4+的αFeO(OH)或Cr4+與FeCl3?6H2O形成的螯合物,極大地提高了Cr4+(50mg/L)的去除率,幾乎可達100%;在pH為6時,莎梵婷對螯合物中的Zn2+(50mg/L)去除率高達96%,而在相同條件下,地衣芽孢桿菌素的處理效果不明顯,去除率為50%左右。4.2在生物修復中的應用 在利用微生物催化降解有機污染物,從而修復被污染環(huán)境的過程中,由于所使用的生物表面活性劑可以直接使用發(fā)酵液,能節(jié)省表面活性劑的分離提取和產(chǎn)品純化成本,因此,生物表面活性劑在現(xiàn)場生物修復有機污染場地的應用潛力很大。國外對生物修復的研究大約起始于20世紀80年代初期,至今已有大量成功的工程實例。如Harvey等[11]將銅綠假單胞菌生產(chǎn)的海藻糖脂,加入ExxonValdez號油輪在阿拉斯加威廉王子海灣造成的原油泄漏污染的海水中,大大提高了原油的降解速度。這也是目前為止規(guī)模最大的實際應用中最成功的現(xiàn)場生物修復。而在國內(nèi)還未見有將生物表面活性劑成功用于環(huán)境污染物治理方面的報道。
4.2.1促進烷烴類物質的降解 烷烴是石油的主要組成成分。在石油勘探、開采、運輸、加工及儲存過程中,不可避免地會有石油排入環(huán)境中而對土壤、地下水造成污染。為了提高烷烴的降解速率,加入生物表面活性劑能夠增強疏水性化合物的親水性和生物可降解性,增加微生物的數(shù)量,繼而提高烷烴的降解速率。Noordman等[12]研究了不同類型表面活性劑對十六烷的降解作用,結果表明生物表面活性劑鼠李糖脂對十六烷的降解作用明顯優(yōu)于其他十四種化學合成表面活性劑。Rahman等[13]發(fā)現(xiàn)分別添加0.1%和1%鼠李糖脂的堆制系統(tǒng)中,汽油污染土壤中碳氫化合物的降解率分別提高了11.9%~45.2%和20.2%~48.3%。最近Rahman等[14]在研究儲油罐底部泥狀沉積物與土壤混合堆制過程中正構烷烴的降解情況時,也發(fā)現(xiàn)添加鼠李糖脂能顯著增加烷烴的降解率。
4.2.2促進多環(huán)芳烴的降解 多環(huán)芳烴因其“三致”(致癌、致畸、致突變)作用而日益受到人們的重視,許多國家都已將其列為優(yōu)先污染物。已有研究表明,微生物降解是從環(huán)境中去除多環(huán)芳烴的最主要途徑,且多環(huán)芳烴的降解性能隨苯環(huán)數(shù)量的增加而降低,三環(huán)以下的多環(huán)芳烴易降解,四環(huán)以上的較難降解。迄今為止,關于多環(huán)芳烴降解菌能促進多環(huán)芳烴的生物可利用性存在三種假說:(1)通過分泌生物表面活性劑促進多環(huán)芳烴的降解[15]。(2)通過產(chǎn)生胞外聚合物促進多環(huán)芳烴的降解[16]。(3)通過形成生物膜促進多環(huán)芳烴的降解[17,18]。Johnsen等[19]的實驗結果表明少動鞘脂單胞菌是通過分泌表面活性劑——葡聚糖脂的方式而促進多環(huán)芳烴化合物降解的。
4.2.3用于除去有毒重金屬 由于有毒重金屬在土壤環(huán)境中的污染過程具有隱蔽性、穩(wěn)定性及不可逆性等特點,因此,土壤中有毒重金屬污染的修復一直是學術界的熱點研究課題。目前可以用玻璃化、固定化/穩(wěn)定化、熱處理等技術除去土壤中的重金屬。玻璃化處理技術可行,但是工程量大,費用高;固定化過程具有可逆性,因此處理后還需要不間斷地監(jiān)測處理效果;而熱處理技術則只適用于除去易揮發(fā)的重金屬如Hg等。因此,低成本的生物學處理方法發(fā)展很快。近年來,人們開始利用對生態(tài)環(huán)境無毒的生物表面活性劑修復受重金屬污染土壤。Torrens等[20]的實驗結果表明,添加鼠李糖脂使Cd的去除率提高了8%~54%。Mulligan等[21]用0.25%的莎梵婷連續(xù)5d沖洗受重金屬污染的土壤后,Cu的去除率達70%。Mulligan等[22]分別使用三種不同的生物表面活性劑沖洗受重金屬Cu、Zn污染的沉積物。三種生物表面活性劑對重金屬的去除效果都不同:0.5%的鼠李糖脂對Cu的去除效果較好,去除率為65%;4%的槐糖脂則對Zn的去除效果較好,為60%;而莎梵婷對兩者均無多大效果,去除率僅為15%和6%。并研究了重金屬在沉積物中賦存形態(tài)量的變化,其中,鼠李糖脂和莎梵婷主要除去了有機結合態(tài)的Cu,槐糖脂主要除去了氧化物結合態(tài)和碳酸鹽結合態(tài)的Zn。這一研究結果也證實了用生物表面活性劑沖洗沉積物除去其中重金屬的方法是可行的。
生物表面活性劑在石油、化工、醫(yī)藥、化妝品、食品等行業(yè)也有廣泛的應用,因而其市場前景廣闊。目前,生物表面活性劑的研究大多還處于實驗室或模擬實驗研究階段,其主要原因就是生產(chǎn)成本還很高,和化學合成表面活性劑相比還沒有明顯的競爭優(yōu)勢,在污染物的治理應用中受到限制。為了早日實現(xiàn)生物表面活性劑的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn),提高實際應用程度,今后的研究將著重于以下三個方面:(1)選育能以廉價碳源為底物、產(chǎn)量高的菌種(如Benincasa等[23]利用生產(chǎn)向日葵油過程中產(chǎn)生的廢物皂料為唯一碳源成批培養(yǎng)銅綠假單胞菌,獲得的鼠李糖脂最大濃度為16g/L)。(2)在對生物表面活性劑的純度要求較高的應用場合應設計經(jīng)濟有效的產(chǎn)物分離純化方法。將其二次開發(fā)產(chǎn)品應用于化妝品、食品、制藥等行業(yè),能在一定程度上抵消生物表面活性劑的高生產(chǎn)成本。(3)研究生物表面活性劑生產(chǎn)菌降解有機污染物的作用機制,明確生物表面活性劑在污染現(xiàn)場的作用過程,使之在直接應用發(fā)酵液進行生物修復時能快速、有效降解污染物。
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