生物表面活性剂及其修复石油污染研究进展

来源:用户上传      作者:

　　摘      要：近年来，石油泄漏所引起的环境污染事件频发，严重破坏自然生态环境，影响人类健康。随着人们对生态环境重视程度的提高，生物表面活性剂的环保功能性使其在石油污染生物修复中成为一类具有吸引力的化合物。特别是糖脂类的生物表面活性剂，已在石油污染修复工程中得以应用。生物表面活性剂的提取和生产方法也多种多样。本文主要对生物表面活性剂的性质、结构、分类、生产提取方法及其在石油污染生物修复中的研究进展进行了简要概述。
　　关  键  词：生物表面活性剂;石油污染;生物修复;分类;提取
　　中图分类号：TE991       文献标识码： A       文章编号： 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
　　近年来，石油开采、加工、运输、储存过程的泄漏所引起的海洋污染与土壤污染事件频发[1]，造成了巨大的经济损失，严重破坏了自然生态环境，影响人类健康。据调查统计，全球每年石油泄漏总量约为1.1×106 t，其中海洋溢油占约五分之三[2， 3]。美国墨西哥湾“深水地平线”钻井平台石油泄漏之后，路易斯安那州超过160km的海岸受到泄漏原油的污染，近岸部分盐沼群落在高浓度的石油作用下死亡，湿地和海滩被毁，渔业受损[4]。我国溢油事故发生频率也不容小觑，有报道称，近年来中国每年约12×104 t石油排入海洋，且近海海域石油的平均质量浓度已达到 0.055 mg/L[5]。因微生物修复技术比物理、化学方法更经济高效且对环境无污染，所以备受研究者和技术人员重视。与其他水溶性污染物相比，石油中的烃类，尤其是多环芳烃等难降解的疏水性物质阻碍了油的分散，使得微生物和油接触的表面积大大减少，从而降低了微生物降解石油的效果[6]。因此，石油的微生物修复过程中，常采用表面活性剂促进石油类物质的乳化溶解，形成小油滴以便微生物利用。本文旨在通过对生物表面活性剂及其在石油污染修复中的应用进行简要概述，为其更好的应用于海洋和土壤石油污染提供科学依据。
　　1  生物表面活性剂概述
　　1.1  生物表面活性剂的定义及性质
　　生物表面活性剂是微生物在一定条件下代谢产生的同时拥有亲水性和疏水性、并具有一定表面活性的两亲化合物。生物表面活性剂结构庞大、复杂，具有增溶、乳化、润湿、发泡、分散、降低表面张力等与化学表面活性剂相同的作用。同时，生物表面活性剂还具有可生物降解、生态毒性低和生产原料广泛等特点。马斌斌等[7]从舟山渔场污染海水中提取出一株高效的石油降解菌，所产表面活性剂可使发酵液表面张力可从74 mN/m降至21.66 mN/m; 张晓青等[8]研究的红球菌属SY095的生物表面活性剂，可使发酵液表面张力从初始59.235 mN/m下降到 26.455 mN/m。
　　1.2  生物表面活性剂的分类及结构
　　生物表面活性剂依据其微生物来源和结构特征可分为糖脂、脂肽和脂蛋白、脂肪酸和磷脂、中性脂以及聚合物表面活性剂（表1）。其中，已知的生物表面活性剂多属于脂肽和糖脂类。
　　槐糖脂（sophorolipid）是由假丝酵母菌以糖和植物油等为碳源，经一定条件的发酵产生的微生物次级代谢产物。主要有内酯型和酸型两种结构类型，两者在生物活性和理化性质上有较大差异[13]。与常见的鼠李糖脂比，两者性能相近，槐糖脂分子量较大，属一种低泡型表面活性剂，更适用于工业和民用清洗、化妆品等领域。
　　鼠李糖脂是由假单胞菌（一般采用铜绿假单胞菌（Pseudomonase））产生的一种生物代谢产物，属于糖脂类的阴离子表面活性劑。研究表明，发酵产物中一般含有两种主要类型的鼠李糖脂，即单鼠李糖脂和双鼠李糖脂，其主要有四种结构（图1）。朱洪胜等[14]利用薄层色谱实验证明了两种鼠李糖脂中均含有单糖脂和多糖脂。鼠李糖脂是一种性能优良的生物表面活性剂，在科研领域研究时间最长且已成功产业化[5]。 　　脂肽可根据其结构特征分为环状脂肽和线状脂肽，大量含有十肽抗生素和脂肽抗生素的环状脂肽分别由短芽孢杆菌和多粘芽孢杆菌产生，其中由枯草芽孢杆菌产生的环状脂肽是一种很强功效的生物表面活性剂。李静等[15]曾利用芝麻油发酵生产出一种环状脂肽类生物表面活性剂，具有良好的乳化性能。
　　2  生物表面活性剂的生产及提取方法
　　2.1  生物表面活性剂的生产
　　目前，已报道的降解石油污染物的微生物有100余种200多属，包括细菌、霉菌和酵母菌等，其中细菌是主要的作用菌群[16]。研究表明，降解石油烃类的大部分菌株可产多种表面活性剂[16，17]。目前，生物表面活性劑生产方法主要有微生物发酵法和酶法合成两大类[18]。微生物发酵法产生的表面活性剂种类多、可用原料广、生产工艺简单，是目前获取生物表面活性剂的主要方法;酶法合成是借助于外源生物酶催化合成生物表面活性剂的一种方法，与微生物法比较， 其可以获得高含量的目标产物且产物易回收， 并且产品结构的修饰具有较大的灵活性，然而， 由于目前人们对生物代谢和蛋白质工程的认识不足， 很难准确地通过人为调控改变微生物代谢途径来改变生物表面活性剂的结构[19，46]。这两种方法要根据实际的情况进行合理选择，从而实现生物表面活性剂的价值（表2）[20]。
　　2.2  微生物发酵原料
　　微生物发酵法产生的生物表面活性剂种类多、可用原料广、工艺简单，但因高成本和低产量等限制，目前还存在一定的市场壁垒[24]。生物表面活性剂的研究趋于绿色化和优质化，所以使用生产成本低、低环境污染、无毒无害可再生的原材料生产具有良好的发展趋势。西格玛化学公司（Sigma Chemical Company）[25]曾指出最理想的生物表面活性剂的价格在3～5美元/磅。目前的替代原料主要是各种农业和工业的副产品和废料，像植物提取液和废物、玉米浆、马铃薯皮[26]、木薯废水、蒸馏和乳清废物及植物油磨出液等[27]。朱洪胜等[14]曾用地沟油和橄榄油为碳源发酵获得单双鼠李糖脂;梁生康等[11]用油脂废水生产出鼠李糖脂，并具有良好的石油降解效果。
　　2.3  生物表面活性剂的提取
　　生物表面活性剂的提取方法主要有萃取法、超滤法、泡沫层析法、酸沉淀法、色谱法、柱层析法[28]和旋转蒸发法[21， 27]。溶剂萃取是一种常用的提取方法，萃取溶剂的选择一般根据“相似相溶”原理，以甲醇、乙醇、氯仿、二氯甲烷等作为常用有机溶剂。超滤是用于从发酵液中提取生物表面活性剂的一种新方法，在压力差的作用下根据膜孔径大小进行物质筛分的分离过程，可达到净化、分离和浓缩的目的，并且实现产物的快速分离，提取过程短，安全性高。泡沫分离过程就是利用待分离生物表面活性剂本身具有表面活性的特点，使目的产物在鼓泡塔中被吸附在气泡表面得以富集，达到提取浓缩待分离物质的目的，避免了泡沫及产物对微生物的不利影响，降低了生产成本，是工业生产中提取生物表面活性剂比较可取的方法，但构成泡沫的生物表面活性剂含量较低，泡沫又是非稳定体系，检测难度较大。酸沉淀法是利用大多数表面活性剂在酸性条件下溶解度降低的特点来提取分离表面活性剂，然后再离心或过滤即可得到目的产物，必要时可用重结晶等进一步纯化，此法应用广泛，提取方便，产物相对于其他方法更纯净，易于测定，不产生其他有害物质且容错率较高。色谱法是一种能够显著提高样品纯度的提纯方法。旋转蒸发法通常和萃取法结合使用，从而提取表面活性剂纯品。
　　生物表面活性剂的提取常同时采用一种以上的方法以获得更高的品质。李静等[15]采用柱层析方法获得分离纯化的表面活性剂产物;梁生康等[11]利用萃取法得到糖脂粗提物;张晓青等[8]利用萃取法和旋转蒸发法得到表面活性剂粗制品;Sajna等[29]用乙酸乙酯提取粗产物后，用硅胶柱层析法对生物表面活性剂进行纯化。
　　3  生物表面活性剂促进石油降解原理
　　石油是由不同数量的碳氢构成的复杂化合物，包括直链烷烃、支链烷烃、环烷烃和芳香烃等，降解石油污染实质上是生物表面活性剂促进了烃类物质的代谢[16]。石油污染主要包括土壤污染和水污染。近年来，许多学者利用生物表面活性剂来修复石油污染，促进石油降解，提高生物修复的效率。
　　生物表面活性剂主要通过两种途径来提高石油的生物可利用率[30，47]。一种途径是通过降低油水界面张力并促进两者乳化，以增大界面面积，促使微生物与较大油滴之间的直接有效接触;第二种途径是利用表面活性剂对烃类物质的增溶机制，使石油相在水相中分散开，从而便于细菌吸收粒径小于自身的油滴[29， 31， 32]。多环芳烃在石油成分中比重较大，且降解困难[33]，由于生物表面活性剂的增溶作用，当其浓度大于临界胶束浓度（CMC）时，会形成胶束，胶束内的疏水性微环境对疏水性有机溶剂的分配作用较强，可显著增大烃类有机污染物的表观溶解度（图2）[34]。
　　4  生物表面活性剂在石油污染修复中的应用
　　4.1  水体石油污染修复
　　生物表面活性剂在水体溢油污染生物修复中已有多项应用。在1989年美国阿拉斯加的“ExxonValdez”号溢油事件中，通过加入铜绿假单胞菌合成的海藻糖脂，几周内石油中的正烷烃几乎被全部去除，是成功应用生物修复石油污染的开
　　端[35]。此后，含生物表面活性剂的菌剂Alpha BioSeaTM和Tera–ZymaTM分别被用于修复德克萨斯州溢油污染海岸线和日本重质原油污染场地，均取得了较好的修复效果[36]。实验室研究方面，郝文静[37]通过构建生物模拟系统，经过20 d的生物模拟实验，水面表观石油的去除率达到了98.26%，水中的去除率也已达到90.67%，效果显著;Sakthipriya等[38]利用从垃圾场中分离出来的产生物表面活性剂的Bacillus subtilis降解原油，10天内原油降解率高达80%，黏度则降低60%;刘颖等[39]等发现菌株Halomonassp.DH1产生的表面活性剂可显著促进石油降解与洗脱，10 ℃的实验条件下，添加了表面活性剂的水溶液可将黏附了原油的沙子上82. 1%的原油洗脱，证明了此菌具有应用于北方海域冬季溢油生物修复工作的潜力。 　　4.2  土壤石油污染修复
　　利用生物表面活性剂进行石油污染土壤修复受到越来越多的关注。崔鹏等[40]曾指出对于含油污泥的处理，生物法相比非生物法对环境的污染要小;朱生凤等[41]在降解体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%，同时提高了烷烃和芳香烃的降解率;谢丹平等[42]从培养菌 XD-1中提取出脂肽类和糖脂类混合的生物表面活性剂， 使菌 XD-1 降解原油的诱导期缩短一半， 并提高了菌对原油的降解率;陈贤等[10]在新疆油田的含油污泥中分离驯化出三株石油降解菌，将产生的三种表面活性剂制成的复合型生物表面活性劑，对含油污泥处理效果良好，且原油回收率大于95%，基本实现了对含油污泥的资源化处理;刘魏魏等[43]研究发现添加生物表面活性剂可显著促进土壤中PAHs的降解;Sunita等[44]从土壤中分离出的铜绿假单胞菌对石油具有良好的降解能力，表明其在石油污染现场原位生物修复和陆地海洋溢油修复方面具有良好的应用前景;Kang等[45]在实验室条件下研究了槐糖脂对脂肪族和芳香烃以及伊朗轻质原油的生物降解，结果表明，在土壤中添加槐糖脂可将碳氢化合物的生物降解率由85%提高至97%;Luna等[27]利用一株球形假丝酵母菌（Candida sphaerica）所产的阴离子糖脂型表面活性剂清洗机油污染的河砂，机油去除率可达95%，对其生物毒性（植物和动物）的测试结果表明，一定浓度范围内（<0.5 g/L），该生物表面活性剂对植物种子萌芽率、根的伸张率，以及动物（盐水虾）的孵化率均无抑制作用。
　　5  展望
　　综上所述，生物表面活性剂已经成功应用于海洋溢油和土壤石油污染生物修复中。但是由于目前生物表面活性剂的生产成本比化学表面活性剂的高，生物表面活性剂的广泛应用与批量生产受到一定限制，所以进一步改进生产工艺和寻找更为廉价的发酵原料，是生物表面活性剂生产的主要的发展方向。
　　参考文献：
　　[1]李佳， 曹兴涛， 隋红， 等. 石油污染土壤修复技术研究现状与展望[J]. 石油学报（石油加工）， 2017，33（5）：811-833.
　　[2]Kvenvolden K A， Cooper C K. Natural seepage of crude oil into the marine environment[J]. Geo-Marine Letters， 2003，23（3-4）：140-146.
　　[3]Truax D D， Britto R， Sherrard J H. Bench-scale studies of reactor-based treatment of fuel-contaminated soils[J]. Waste Management， 1993，15（5/6）：351-357.
　　[4]Silliman B R， van de Koppel J， McCoy M W， et al. Degradation and resilience in Louisiana salt marshes after the BP-Deepwater Horizon oil spill[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences， 2012，109（28）：11234-11239.
　　[5]魏立娥， 尹鑫， 刘聚涛， 等. 生物表面活性剂在溢油污染处理中的应用现状综述[J]. 江西水利科技， 2017，43（04）：263-266.
　　[6]张卉， 张笔威， 张妍， 等. 生物表面活性剂产生菌处理水体石油污染物的研究[J]. 安全与环境学报， 2015，15（6）：269-273.
　　[7]马斌斌， 马恒轶， 李少君， 等. 海洋柴油降解细菌的筛选鉴定及其生物表面活性剂特性[J]. 浙江农业科学， 2018，59（03）：400-404.
　　[8]张晓青， 司晓光， 郝建安， 等. 红球菌SY095产生物表面活性剂发酵工艺优化及产物稳定性研究[J]. 食品与发酵科技， 2017，53（02）：9-12.
　　[9]尤贺， 张丽敏， 栾静， 等. 1株耐高温生物表面活性剂产生菌的特性研究[J]. 微生物学杂志， 2017，37（03）：10-15.
　　[10]陈贤， 陈弘毅， 张贤明， 等. 复合生物表面活性剂处理含油污泥实验研究[J]. 石油与天然气化工， 2015，44（06）：122-124.
　　[11]梁生康， 王修林， 单宝田， 等. 假单胞菌O- 2- 2利用油脂废水生产鼠李糖脂研究[J]. 现代化工， 2005，25：192-196.
　　[12]邓振山， 马琳， 张袭， 等. 一株产表面活性剂石油降解菌筛选及其特性[J]. 环境工程学报， 2017，11（05）：3295-3303.
　　[13]翟秋倩. 槐糖脂生物表面活性剂高产菌株构建和高效发酵工艺优化[D]. 青岛科技大学， 2017.
　　[14]朱洪胜， 聂麦茜， 胡睿， 等. 发酵碳源对铜绿假单胞菌NY3所产鼠李糖脂结构及性能的影响[J]. 工业微生物， 2017，47（04）：37-42.
　　[15]李静， 邓毛程， 陈维新， 等. 植物油脂生物合成表面活性剂及产物分析[J]. 现代食品科技， 2016，32（04）：171-176.
　　[16]李国丽， 康小虎， 翟立翔， 等. 石油降解菌产生物表面活性剂的研究进展[J]. 生物学杂志， 2019，36（01）：83-86.
　　[17]杜瑾， 郝建安， 张晓青， 等. 一株分离自海水的产生物表面活性剂菌株的鉴定及其发酵优化[J]. 生态学杂志， 2016，35（05）：1378-1385. 　　[18]刘雪红， 刘慧， 高洁， 等. 鼠李糖脂在石油工业中的应用研究进展[J]. 化学工业与工程技术， 2012，33（02）：5-8.
　　[19]方云， 吕栓锁， 夏咏梅. 酶法合成生物表面活性剂[J]. 无锡轻工大学学报， 2004（01）：99-105.
　　[20]徐涛. 环境工程中生物表面活性剂的应用[J]. 研究探讨， 2017（36）：191.
　　[21]Varjani S J， Upasani V N. Critical review on biosurfactant analysis， purification and characterization using rhamnolipid as a model biosurfactant[J]. Bioresource Technology， 2017，232：389-397.
　　[22]楊乐. 产表面活性剂解烃菌的筛选及其降解条件研究[J]. 环境工程， 2015，33（06）：153-157.
　　[23]时进钢， 袁兴中， 曾光明， 等. 生物表面活性剂的合成与提取研究进展[J]. 微生物学通报， 2003（01）：68-72.
　　[24]黄毅梅， 邓丰， 李静. 微生物发酵生产生物表面活性剂的研究进展[J]. 广东轻工职业技术学院学报， 2016，15（02）：6-9.
　　[25]Makkar R S， Cameotra S S， Banat I M. Advances in utilization of renewable substrates for biosurfactant production[J]. AMB Express， 2011，1（1）：1-19.
　　[26]Das K， Mukherjee A K. Comparison of lipopeptide biosurfactants production by Bacillus subtilis strains in submerged and solid state fermentation systems using a cheap carbon source： Some industrial applications of biosurfactants[J]. Process Biochemistry， 2007，42（8）：1191-1199.
　　[27]Luna J M， Rufino R D， Sarubbo L A， et al. Characterisation， surface properties and biological activity of a biosurfactant produced from industrial waste by Candida sphaerica UCP0995 for application in the petroleum industry[J]. Colloids and Surfaces B： Biointerfaces， 2013，102：202-209.
　　[28]Satpute S K， Banpurkar A G， Dhakephalkar P K， et al. Methods for investigating biosurfactants and bioemulsifiers： a review[J]. Critical Reviews in Biotechnology， 2010，30（2）：127-144.
　　[29]张晓青， 郝建安， 任华峰， 等. 生物表面活性剂对红球菌SY095降解正十六烷及细胞表面性质的影响[J]. 生物技术通讯， 2017，28（03）：328-332.
　　[30]Mulligan C N， Gibbs B F. Types，Production and Applications of Biosurfactants[J]. Indian natn Sci Acad， 2004， 70 （1）： 31-55.
　　[31]Kim S H， Lim E J， Lee S O， et al. Purification and characterization of biosurfactants from Nocardia sp. L-417[J]. Biotechnology and applied biochemistry， 2000，31 （ Pt 3）（3）：249.
　　[32]Sajna K V， Sukumaran R K， Gottumukkala L D， et al. Crude oil biodegradation aided by biosurfactants from Pseudozyma sp. NII 08165 or its culture broth[J]. Bioresource Technology， 2015， 191： 133-139.
　　[33]刘迪. 分散剂作用下溢油乳化和生物降解效果研究[D]. 青岛理工大学， 2013.
　　[34]石金礼， 张言诚， 张力浩， 等. 生物表面活性剂产生菌的筛选及产物性能研究[J]. 农业环境科学学报， 2016，35（09）：1717-1726.
　　[35]聂利红， 刘宪斌， 田胜艳. 生物表面活性剂在海洋溢油生物修复中的应用[J]. 海洋信息， 2008（02）：27-29.
　　[36]郑向荣， 吴新民， 慕建东. 海洋石油污染生物修复技术研究进展[J]. 河北渔业， 2013（01）：46-47.
　　[37]郝文静. 高效海洋石油降解菌的筛选鉴定及生物修复研究[D]. 大连交通大学， 2013. 　　[38]Sakthipriya N， Doble M， Sangwai J S. Bioremediation of Coastal and Marine Pollution due to Crude Oil Using a Microorganism Bacillus subtilis[J]. Procedia Engineering， 2015，116：213-220.
　　[39]劉颖， 徐薇薇， 郭平， 等. 海洋石油降解菌Halomonas sp.DH1产生物表面活性剂的性能[J]. 中国航海， 2018，41（04）：112-115.
　　[40]崔鹏， 郭铁. 含油污泥药剂处理方法研究进展[J]. 当代化工， 2013，42（07）：999-1002.
　　[41]朱生凤， 梁生康， 吴亮， 等. 鼠李糖脂及其产生菌对原油生物降解影响研究[J]. 环境科学与技术， 2010，33（05）：15-20.
　　[42]谢丹平， 尹华， 彭辉， 等. 生物表面活性剂对菌XD-1降解原油的作用[J]. 暨南大学学报（自然科学与医学版）， 2004（03）：365-369.
　　[43]刘魏魏， 尹睿， 林先贵， 等. 生物表面活性剂强化微生物修复多环芳烃污染土壤的初探[J]. 土壤学报， 2010，47（06）：1118-1125.
　　[44]Varjani S J， Upasani V N. Biodegradation of petroleum hydrocarbons by oleophilic strain of  Pseudomonas aeruginosa  NCIM 5514[J]. Bioresource Technology， 2016，222：195-201.
　　[45]Kang S， Kim Y， Shin J， et al. Enhanced Biodegradation of Hydrocarbons in Soil by Microbial Biosurfactant， Sophorolipid[J]. Appl Biochem Biotechnol， 2010，160：780-790.
　　[46]杨葆华， 黄翔峰， 闻岳， 等. 生物表面活性剂在石油工业中的应用[J]. 油气田环境保护， 2005，15（3）：17-20.
　　[47]于洋. 分散剂及生物柴油对石油降解微生物多样性的影响研究[D]. 青岛理工大学， 2014.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/1/view-15298769.htm