表面活性剂环境工程中使用 表面活性剂环境工程中使用 表面活性剂环境工程中使用
摘要:综述了生物表面活性剂的种类及其生产菌,介绍了目前常用的两种生产方法:微生物发酵法和酶法合成生物表面活性剂。总结了其在环境工程中的应用,如在废水处理中浮选去除重金属离子,在污染场地的生物修复中用于促进烷烃、多环芳烃(PAHs)的降解,修复受重金属污染的土壤等,并对今后的研究方向做了探讨。
关键词:生物表面活性剂生物修复重金属多环芳烃
生物表面活性剂是微生物在一定条件下培养时,在代谢过程中分泌的具有表面活性的代谢产物。与化学合成表面活性剂相比,生物表面活性剂具有许多独特的属性,如:结构的多样性、生物可降解性、广泛的生物活性及对环境的温和性等[1]。由于化学合成表面活性剂受原材料、价格和产品性能等因素的影响,且在生产和使用过程中常会严重污染环境及危害人类健康。
因此,随着人类环保和健康意识的增强,近二十多年来,对生物表面活性剂的研究日益增多,发展很快,国外已就多种生物表面活性剂及其生产工艺申请了专利[2],如乙酸钙不动杆菌生产的一种胞外生物乳化剂已经有了成品出售。国内对生物表面活性剂的研制和开发应用起步较晚,但近年来也给予了高度重视,其中研究最多的就是生物表面活性剂在提高石油采收率以及生物修复中的应用。
1生物表面活性剂的种类及其生产菌
1.1生物表面活性剂的种类
化学合成表面活性剂通常是根据它们的极性基团来分类,而生物表面活性剂则通过它们的生化性质和生产菌的不同来区分。一般可分为五种类型:糖脂、磷脂和脂肪酸、脂肽和脂蛋白、聚合物和特殊表面活性剂[1]。 大多数生物表面活性剂是细菌、酵母菌和真菌的代谢产物。这些生产菌大多是从油类污染的湖泊、土壤或海洋中筛选得到的。如Banat等[3]从油泥污染的土壤中分离得到两株生物表面活性剂的菌株:芽孢杆菌AB-2和Y12-B。表1列出了一些主要的生物表面活性剂的种类及其生产菌[2,4]。
2生物表面活性剂的生产
目前,可以通过两种途径生产生物表面活性剂:微生物发酵法和酶法。
采用发酵法生产时,生物表面活性剂的种类、产量主要取决于生产菌的种类、生长阶段,碳基质的性质,培养基中N、P和金属离子Mg2+、Fe2+的浓度以及培养条件(pH、温度、搅拌速度等)。如Davis等[5]在成批培养枯草芽孢杆菌时发现,在溶解氧耗尽和限氮条件下可得最大浓度(439.0mg/L)的莎梵婷。Kitamoto等[6]利用南极假丝酵母的休止细胞生产甘露糖赤藓糖醇脂,对培养条件进行优化后,最高产量可达140g/L。发酵法生产生物表面活性剂的优点在于生产费用低、种类多样和工艺简便等,便于大规模工业化生产,但产物的分离纯化成本较高。
与微生物发酵法相比,酶法合成的表面活性剂分子多是一些结构相对简单的分子,但同样具有优良的表面活性。其优点在于产物的提取费用低、次级结构改良方便、容易提纯以及固定化酶可重复使用等,且酶法合成的表面活性剂可用于生产高附加值产品,如药品组分。尽管现阶段酶制剂成本较高,但通过基因工程技术增强酶的稳定性与活性,有望降低其生产成本。
3生物表面活性剂的提取 4生物表面活性剂在环境工程中的应用
许多化学合成表面活性剂由于难降解、有毒及在生态系统中的积累等性质而破坏生态环境,相比之下,生物表面活性剂则由于易生物降解、对生态环境无毒等特性而更适合于环境工程中污染治理。如:在废水处理工艺中可作为浮选捕收剂与带电胶粒相吸以除去有毒金属离子,修复受有机物和重金属污染的场地等。
4.1在废水处理工艺中的应用 4.2在生物修复中的应用
在利用微生物催化降解有机污染物,从而修复被污染环境的过程中,由于所使用的生物表面活性剂可以直接使用发酵液,能节省表面活性剂的分离提取和产品纯化成本,因此,生物表面活性剂在现场生物修复有机污染场地的应用潜力很大。国外对生物修复的研究大约起始于20世纪80年代初期,至今已有大量成功的工程实例。如Harvey等[11]将铜绿假单胞菌生产的海藻糖脂,加入ExxonValdez号油轮在阿拉斯加威廉王子海湾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。这也是目前为止规模最大的实际应用中最成功的现场生物修复。而在国内还未见有将生物表面活性剂成功用于环境污染物治理方面的报道。
4.2.1促进烷烃类物质的降解 4.2.2促进多环芳烃的降解 4.2.3用于除去有毒重金属 5展望
生物表面活性剂在石油、化工、医药、化妆品、食品等行业也有广泛的应用,因而其市场前景广阔。目前,生物表面活性剂的研究大多还处于实验室或模拟
