生物表面活性劑在土壤修復(fù)中的研究現(xiàn)狀及堆肥中的應(yīng)用展望

劉 俊

(湖南有色金屬研究院,湖南長沙 410015)

生物表面活性劑在土壤修復(fù)中的研究現(xiàn)狀及堆肥中的應(yīng)用展望

劉 俊

(湖南有色金屬研究院,湖南長沙 410015)

文章對國內(nèi)外關(guān)于生物表面活性劑在土壤中有機污染物和重金屬污染物去除方面的研究現(xiàn)狀進行了較全面的綜述,分析了生物表面活性劑提高污染物去除效率的作用機理,并且對其在堆肥中的應(yīng)用前景進行了展望。

生物表面活性劑;土壤;有機污染物;重金屬;堆肥

在土壤修復(fù)中,水溶性是影響污染物去除的重要因素,很多污染物都是疏水性很強的物質(zhì),一般的水洗修復(fù)速度慢,而且效率低,近年來人們通過加入各種添加劑來增強修復(fù)效果,這些添加劑能夠縮短時間提高污染物去除率,添加劑必須是低毒性并且可生物降解的[1],生物表面活性劑是一種很有用的添加劑,它本身包含憎水基團和親水基團,能夠促進土壤顆粒上污染物的分散和增溶,而且還具有無或較小的環(huán)境影響的優(yōu)點和原位生長的可能性。生物表面活性劑正逐漸取代合成表面活性劑成為生物修復(fù)研究中的主流。國內(nèi)外許多文獻報道了將生物表面活性劑應(yīng)用于土壤修復(fù)的研究[2]。

1 生物表面活性劑的應(yīng)用背景

生物表面活性劑是微生物的次級代謝產(chǎn)物,它本身具有既親油又親水的兩親性分子結(jié)構(gòu),具有分散、增溶、潤濕、滲透等特性,能夠降低界面張力和表面張力(如圖1所示[1])。生物表面活性劑與合成表面活性劑相比,具有更好的生物可降解性、生物可適應(yīng)性以及環(huán)境友好性等特性。大多數(shù)生物表面活性劑是陰離子型和中性的,疏水基團多數(shù)是不飽和或羥基取代脂肪酸,親水基團則是由單糖、二糖、多糖、羧酸、氨基酸等組成。它們的臨界膠束濃度一般在1～200 mg/L之間,分子500～1 500 amu。

圖1 表面張力、界面張力、污染物溶解性隨表面活性劑濃度變化情況

2 土壤修復(fù)中的研究現(xiàn)狀

土壤修復(fù)一直是人們研究的熱點,其中有機污染物和重金屬的修復(fù)尤為重要,常用方法有物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)以及生物修復(fù)。許多研究表明物理和化學(xué)修復(fù)方法有很多局限性,例如修復(fù)費用昂貴、修復(fù)效率低、易造成二次污染等。生物修復(fù)克服了這些缺點,特別是添加生物表面活性劑或者生物表面活性劑產(chǎn)生菌能夠大幅縮短修復(fù)時間、提高修復(fù)效率,并且能夠保持良好的環(huán)境友好性。近年來,國外對生物表面活性劑在土壤修復(fù)中的研究很多,并且取得了很大的進展。

2.1 有機污染物修復(fù)中的研究

生物表面活性劑具有兩親性結(jié)構(gòu),它可以通過調(diào)節(jié)細胞表面的疏水特性來改變微生物細胞與有機物之間的親和力[3],從而促進土壤中難溶有機物的分散和吸收。生物表面活性劑已經(jīng)被證明能夠增強土壤中烴類的去除效率,它能夠有效地降低土壤中難溶有機物與水的界面張力。

2.1.1 在土壤中的吸附性

在土壤的生物修復(fù)中,生物表面活性劑在土壤中的吸附性是影響其作用效果的重要因素,吸附性高的表面活性劑容易導(dǎo)致活性劑損失,阻礙活性劑在土壤中的傳輸,同時也影響了土壤顆粒上疏水性污染物的解吸附,阻礙了污染物的去除。另外,大多生物表面活性劑是多組分的,由于疏水性的差別,在吸附和傳輸過程中容易造成表面活性劑的組成發(fā)生改變,導(dǎo)致其表面活性發(fā)生變化,這樣必然影響了表面活性劑的作用效果,因此了解生物表面活性劑在土壤中的吸附性是很有必要的。Wouter H.等人[4]通過序批式實驗和柱實驗分析了多組分鼠李糖脂在土壤中的吸附性、吸附的影響因素以及吸附過程中各組分的變化情況,提出鼠李糖脂的吸附不是一個在土壤有機質(zhì)中的分配過程而是一個發(fā)生在土壤-水界面上的吸附過程,高濃度的鼠李糖脂能夠降低土壤對鼠李糖脂的阻滯系數(shù),減小土壤對它的吸附。土壤修復(fù)過程中生物表面活性劑的組分變化也會影響表面活性劑的臨界膠束濃度以及增溶、乳化特性,為了避免組分改變,在土壤修復(fù)中應(yīng)該選用高濃度的生物表面活性劑。

2.1.2 對土壤中有機物的增溶和傳輸?shù)拇龠M作用

土壤中的有機污染物大部分都是牢固地吸附在土壤顆粒上的,用普通的水洗辦法很難將污染物解吸附下來,而生物表面活性劑具有特殊的兩親性結(jié)構(gòu),加入生物表面活性劑溶液能夠很好地提高解吸附效率。Wouter H.等人[5]選用鼠李糖脂,通過柱淋洗實驗和建立吸附動力學(xué)模型得出鼠李糖脂能夠通過膠束增溶作用和改變菲在土壤中的吸附平衡來提高菲的去除率,實驗還考察了鼠李糖脂對有機物在土壤中傳輸?shù)挠绊?也得到了積極的結(jié)論。

土壤中有機污染物的的傳輸對土壤的修復(fù)也有著很大的影響。Wouter H.等人[6]研究了生物表面活性劑鼠李糖脂對多環(huán)芳香烴(PAHs)在不同土壤介質(zhì)中的傳輸?shù)挠绊?得到了這樣的結(jié)論:PAHs在土壤介質(zhì)中傳輸狀況的變化受液相中鼠李糖脂的濃度的影響,當(dāng)它的濃度低于CMC時,半膠束態(tài)的吸附在親水性強的介質(zhì)中對PAHs的傳輸有削弱,而在親脂性介質(zhì)中對疏水性強的PAHs(如芴和菲)的傳輸有促進作用;當(dāng)它的濃度遠大于CMC時,增溶效應(yīng)克服了污染物在介質(zhì)中的吸附作用等負效應(yīng),此時鼠李糖脂的存在對PAHs在不同介質(zhì)中的傳輸都有增強作用。可見生物表面活性劑濃度足夠高時,它對土壤中有機物的傳輸起促進作用。

2.1.3 對有機污染物作用的選擇性

生物表面活性劑對土壤中不同的有機物有著不同的 作 用 效 果,Scheibenbogen 等 人[7]發(fā) 現(xiàn)P.aerrginosa生產(chǎn)的鼠李糖脂能夠有效地去除沙質(zhì)土壤中的碳氫化合物,去除率取決于有機污染物的類別以及表面活性劑的濃度。Deschênes等人[8]證明同一菌屬產(chǎn)生的鼠李糖脂對四環(huán)多環(huán)芳香烴的溶解性的增強程度比對三環(huán)多環(huán)芳香烴的要高。可見生物表面活性劑對有機污染物具有一定的選擇性,因此對應(yīng)不同的污染物需要選擇最佳的生物表面活性劑,這也是以后土壤修復(fù)應(yīng)用中的重點。

2.1.4 對土壤中有機農(nóng)藥的去除作用

農(nóng)藥能夠保證農(nóng)作物的正常生長,同時也會不斷的積累在土壤中,造成土壤質(zhì)量的下降。許多國外的學(xué)者對土壤中農(nóng)藥的去除作了研究,考察了生物表面活性劑對土壤中農(nóng)藥的解吸附、傳輸?shù)确矫娴挠绊憽uan C.Mata-Sandoval等人[9]作了一系列的研究,他們通過建立蘭格繆爾吸附模型估計了鼠李糖脂對有機殺蟲劑在土壤-水態(tài)-膠束系統(tǒng)中的分配情況的影響,得出了這樣的結(jié)論:當(dāng)被吸附的表面活性劑的濃度低于臨界膠束濃度(CMC)時,會增加土壤的疏水性、增加土壤對殺蟲劑的吸附性;當(dāng)濃度超過CMC時,表面活性劑起到了助溶劑的作用,土壤中的殺蟲劑能夠有效地解吸附而且不受土壤干濕度的影響。

2.1.5 生物表面活性劑對有機污染物降解的影響

土壤中有機物的降解很大程度上取決于降解微生物的生存繁殖情況及其降解活性,土壤的質(zhì)地、環(huán)境參數(shù)(溫度、pH、通風(fēng)等)、土著微生物的替換作用以及菌種的競爭適應(yīng)性等因素都影響著微生物的生存繁殖和降解活性。許多研究證明一些生物表面活性劑能夠促進土壤中有機污染物的降解,同樣也有研究表明生物表面活性劑對一些土壤中有機物的降解有抑制作用。Scheibenbogen等人[10]證明了P.aeruginosa UG2生產(chǎn)的鼠李糖脂能夠提高土壤中幾種多環(huán)芳香烴(PAH)和多氯化聯(lián)苯(PCB)的礦化效果。Miguel A.Providenti等人[11]研究了不同土壤中鼠李糖脂對菲的降解的影響,發(fā)現(xiàn)沙質(zhì)土壤和粉砂土壤中鼠李糖脂的加入抑制菲的降解,而在木餾油污染的土壤中對菲的降解有增強作用,究其原因發(fā)現(xiàn)由于土壤中存在著能夠利用鼠李糖脂為碳源繁殖生長的微生物,額外碳源的加入使這種微生物大量繁殖從而取代了菲的降解菌占優(yōu)勢,而在木餾油污染的土壤中菲降解菌未被取代。

土壤條件、污染物種類、微生物種類等因素都影響著生物表面活性劑對土壤中有機物降解的作用效果,要找到對各種土壤中不同污染物有效的生物表面活性劑仍需要做大量的研究。

2.2 重金屬修復(fù)中的研究

一些生物表面活性劑能夠促進土壤顆粒上重金屬離子的去除,這些生物表面活性劑對土壤中重金屬的修復(fù)作用是依賴于它們的陰離子(帶負電荷)性,它們能夠吸附到土壤上與重金屬離子結(jié)合,使其從土壤顆粒上分離出來進入土壤溶液中,結(jié)合到表面活性劑膠束中。

生物表面活性劑對土壤中重金屬修復(fù)的影響的研究比較少,但仍然取得了一定的進展。Mulligan等人對生物表面活性劑對土壤和沉淀物中重金屬去除的影響作了系統(tǒng)的研究。首先他們將脂蛋白(surfactin)用于烴類污染土壤中銅和鋅的去除,首次將生物表面活性劑應(yīng)用于有機物和重金屬雙重污染的土壤的修復(fù)中,實驗結(jié)果顯示:在70%的銅離子被去除的同時,有50%的烴類污染物被去除,顯然這個結(jié)果是很理想的。后來他們又通過序批實驗[12]進一步證明了陰離子生物表面活性劑脂蛋白、鼠李糖脂應(yīng)用于重金屬修復(fù)的可行性,并且揭示了它們的作用機理。尋找合適的生物表面活性劑、合適的作用條件以及考察其對復(fù)合污染(有機物和重金屬)土壤的作用效果將成為生物表面活性劑應(yīng)用于重金屬修復(fù)的重點。

3 堆肥中應(yīng)用的展望

堆肥過程是利用微生物在一定溫度、濕度和pH值條件下,使固體廢物中有機物發(fā)生生物化學(xué)降解,形成一種類似腐殖質(zhì)土壤的物質(zhì)。隨著城市人口的增多,傳統(tǒng)堆肥方法的效率已不能滿足要求。考慮到生物表面活性劑在土壤修復(fù)中表現(xiàn)出來的優(yōu)越性,將生物表面活性劑應(yīng)用于堆肥過程,提高堆肥效率應(yīng)該是可行的。其作用可能有以下幾個:

1.生物表面活性劑的解吸附作用有利于有機物從堆肥顆粒上脫除進入堆肥間隙液相中,再由微生物進行降解,這樣也就間接地縮短了堆肥時間。

2.生物表面活性劑的存在可能降低堆肥顆粒間隙液相的表面張力,有利于有機物和菌體的傳輸,使堆肥各個層面的有機物與菌體充分接觸,必然會提高堆肥的效率。

3.加入生物表面活性劑可能促進水分在堆肥顆粒中傳輸和分散,使水分在較短的時間內(nèi)滲透到堆肥的深層,而且生物表面活性劑具有良好的保濕性能,能夠減緩堆肥中水分的蒸發(fā),有利于長時間保持微生物的活性。

當(dāng)然,堆肥中的微生物、有機物多而雜,生物表面活性劑會不會影響微生物的生長、微生物會不會影響生物表面活性劑的作用效果以及生物表面活性劑對不同有機物的降解是否有積極作用還需要大量實驗來驗證。

[1] Mulligan.C.N.Surfactant-enhanced remediation of contaminated soil[J].Engineering Geology,2001,60:371-380.

[2] Zhaozhe Hua,JianChen,Shiyi Lun,Influence of biosurfactants produced by Candida Antarctica on surface properties of microorganism and biodegradation of n-alkanes[J].WaterResearch,2003, 37:4 143-4 150.

[3] 錢欣平,陽永榮,孟琴.生物表面活性劑對微生物生長和代謝的影響[J].微生物學(xué)通報,2002,29(3):75-78.

[4] WouterH,Noordman,MarkL,Adsorption of a multicomponent rhamnolipid surfactant to soil[J].Environ.Sci.Technol,2000,34: 832-838.

[5] Wouter.H.,Noordman.,W.H.,Effect of rhamnolipid biosurfactants on removal of phenanthrene from soil[J]. Environ. Sci.Technol,1998,32:1 806-1 812.

[6] WouterH.,Noordman,Jaap-Willem.Facilitated transport of a PAH mixture by a rhamnolipid biosurfactant in porous silica matrices[J].Journal of Contaminant Hydrology,2000,44:119-140.

[7] Scheibebbogen,K.Zytner,R.G..Lee.Enhanced removal of selected hydrocarbons from soil by pserdomonas aeruginosa UG2 biosurfactants and somechemical Surfactants[J].J.Chem.Tech. Biotechnol,1994,59:53-59.

[8] Deschênes.L.,Lafrance,P.Villeneuve.The impact of a biological and chemical anionic surfactants on the biodegradation and solubilization of PAHs in a creosote contaminated soil[J].Presented at the Fourth Annual Symposium on Groundwater and Soil Remedia-tion,1994,(9):21-23.

[9] Juan C.Mata-Sandoval,Jeffrey Karns.Influence of rhamnolipids and triton X-100 on the desorption of pesticides from soils[J]. Environ.Sci.Technol,2002,36:4 669-4 675.

[10]Scheibenbogen,K.Zytner,R.G.Enhanced removal of selected hydrocarbons from soil by P.aeruginosa UG2 biosurfactant and some chemical surfactants[J].J.Chem.Technol.Biotechnol,1994,59: 53-59.

[11]Miguel A.Providenti,Cecily A.Flemming,Hung Lee.Effect of addition of rhamnolipid biosufactants or rhamnolipid-producing pserdomonas aeruginosa on phenanthrene mineral-ization in soil slurries[J].FEMS microbiology,1995,17:15-26.

[12]Mulligan,C.N.Yong,R.N.Gibbs.Heavy metal removal from sediments by biosurfactants[J].Journal of Hazardous Materials,2001, 85,111-123.

Review on the Research of Biosurfactant in Soil Recovery and its Prospect in Compost

LIU Jun

(Hunan Research Institute Nonferrous Metals,Changsha410015,China)

This article completely summarizes the research of biosurfactants on the removal of organic matters and heavy metals in soil,analyzes the mechanism of the effect of biosurfactants.In the end,it makes a preview on the use of biosurfactants in compost.

biosurfactant;soil;organic contamination;heavy metal;compost

X53

A

1003-5540(2010)04-0046-04

國家863高技術(shù)資助項目(2001AA644020);國家自然科學(xué)基金(70171055、50179011);國家杰出青年科學(xué)基金(50225926);高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金資助項目(20020532017);2000年教育部高等學(xué)校優(yōu)秀青年教師教學(xué)科研獎勵計劃資助項目

劉 俊(1979-),男,助理工程師,主要從事環(huán)境影響評價工作。

2010-05-12