生物表面活性劑及其在土壤重金屬修復(fù)中的研究進展

黃 健

(湖南有色金屬研究院,湖南長沙 410015)

生物表面活性劑及其在土壤重金屬修復(fù)中的研究進展

黃 健

(湖南有色金屬研究院,湖南長沙 410015)

介紹了生物表面活性劑制取、種類和性能。敘述了其在土壤重金屬修復(fù)方面的作用機理和應(yīng)用情況。提出了在該領(lǐng)域中有待解決的問題并作出了展望。

生物表面活性劑;重金屬;土壤修復(fù)

土壤是人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ),然而隨著社會現(xiàn)代化和工農(nóng)業(yè)的發(fā)展,大量重金屬通過各種途徑排放到土壤中去并使得土壤的重金屬污染日益嚴重。土壤重金屬污染具有隱蔽性、積累性、滯后性和長期性的特點[1]。因此,土壤重金屬污染修復(fù)成為環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域研究的熱點問題[2]。然而,土壤環(huán)境重金屬污染修復(fù)受土壤基質(zhì)、重金屬分布形態(tài)等因素的影響較大,存在修復(fù)難度大、去除效果不理想等問題[1]。近年來,生物表面活性劑在環(huán)境污染治理方面的應(yīng)用受到廣泛關(guān)注。生物表面活性劑是一類具有親水親脂兩親性的表面活性物質(zhì)。這類物質(zhì)與化學(xué)表面活性劑性能相似,但相比之下,還有其他優(yōu)點,如:(1)可生物降解,不會造成二次污染;(2)無毒或低毒;(3)一般對生物的刺激性較低,可消化;(4)可以利用工業(yè)廢物作為原料生產(chǎn),生產(chǎn)成本低;(5)具有更好的環(huán)境相容性、更高的起泡性;(6)在極端溫度、pH值、鹽濃度下具有更好的選擇性和專一性; (7)結(jié)構(gòu)多樣,可適用于特殊的領(lǐng)域[3]。生物表面活性劑因其眾多優(yōu)點越來越受重視,在土壤和水體修復(fù)方面具有很好的應(yīng)用價值。近年來人們對于生物表面活性劑在重金屬污染的修復(fù)研究也不斷深入[4]。

1 生物表面活性劑的產(chǎn)生和分類

1.1 生物表面活性劑的制備

生物表面活性劑的制取主要依靠微生物發(fā)酵法獲得,但是酶催化合成法作為新興的技術(shù)在近年來也得到較快發(fā)展。

1.1.1 微生物發(fā)酵法

在微生物發(fā)酵過程中,生物表面活性劑多數(shù)由細菌和酵母菌產(chǎn)生。也有少量報道稱真菌可以產(chǎn)生生物表面活性劑。這些微生物可以利用不同的碳源產(chǎn)生生物表面活性劑。根據(jù)碳源的不同,微生物發(fā)酵法產(chǎn)生生物表面活性劑的菌種主要分為三類:一類是以疏水性有機物(如烷烴)作為碳源的微生物;一類是以水溶性有機物(如葡萄糖)作為碳源的微生物;另一類以疏水性和水溶性有機物作為碳源[5]。其中,以微生物制備糖脂類生物表面活性劑為例,發(fā)酵法生產(chǎn)生物表面活性劑的具體方法一般分為三步,即培養(yǎng)發(fā)酵、分離提取和產(chǎn)品純化[6]。生物表面活性劑是一類結(jié)構(gòu)多樣的化合物,但其大多數(shù)微生物發(fā)酵產(chǎn)生的表面活性劑的分離、提取和純化都有一些類似的方法,如萃取、鹽析、離心沉淀、結(jié)晶以及冷凍干燥等,在技術(shù)和經(jīng)濟上非常適合大量生產(chǎn)[7]。

1.1.2 酶催化合成法

酶催化合成生物表面活性劑是近年來快速發(fā)展起來的方法。酶法合成的生物表面活性劑分子多是一些結(jié)構(gòu)相對簡單的分子。酶促反應(yīng)合成生物表面活性劑具有以下特點:(1)由于酶在非極性溶劑中或微水環(huán)境下仍然能很好地發(fā)揮其催化功能,這極大地拓寬了酶作為催化劑催化合成生物表面活性劑的應(yīng)用范圍;(2)比發(fā)酵法合成品在結(jié)構(gòu)上更接近化學(xué)合成表面活性劑,因而可以立即應(yīng)用于化學(xué)合成產(chǎn)物原有的應(yīng)用領(lǐng)域;(3)通過酶法處理,可以對親油基結(jié)構(gòu)進行修飾,并將之接駁到生物表面活性劑的親水基結(jié)構(gòu)上;(4)酶法反應(yīng)具有專一性,可在常溫和常壓下進行,產(chǎn)物易回收,副產(chǎn)物少[7,8]。目前能夠利用酶法合成的生物表面活性劑種類多樣,主要有單酰化甘油脂類、糖脂類、氨基酸類、磷脂類和烷基糖苷類等[9]。近幾年,酶合成法與微生物發(fā)酵法相結(jié)合成為制取生物表面活性劑的新的發(fā)展方向[7]。

1.2 生物表面活性劑的分類

根據(jù)結(jié)構(gòu)和形態(tài),可以將生物表面活性劑分為六類,即羥基化和交聯(lián)化的脂肪酸(地衣酸)、糖脂、磷脂、脂多糖、脂肽和脂蛋白以及細胞整體[5]。也可以根據(jù)分子量大小將生物表面活性劑分為兩類:一類是低分子量的生物表面活性劑如糖脂(如槐糖脂、海藻糖脂和鼠李糖脂等)和脂肽(如莎梵婷等);另一類是高分子量的生物表面活性劑如脂多糖、脂蛋白、蛋白質(zhì)和多糖等[10]。

2 生物表面活性劑在去除土壤中重金屬的作用機理及應(yīng)用

2.1 淋洗技術(shù)

土壤淋洗修復(fù)技術(shù)是一種有效并且切實可行的土壤重金屬污染修復(fù)技術(shù)。土壤淋洗不僅可以單獨應(yīng)用于小面積污染土壤的治理,還可以與其它修復(fù)方法聯(lián)用治理污染土壤[11]。目前研究較多的淋洗劑包括強酸、人工螯合劑、天然有機酸、化學(xué)表面活性劑和生物表面活性劑等。其中生物表面活性劑具有低毒性、生物可降解性且對土壤結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)破壞不大,是一種非常有前景的淋洗修復(fù)劑[2]。

關(guān)于生物表面活性劑作為淋洗劑在去除土壤中重金屬的作用機制,國內(nèi)外有部分學(xué)者進行了研究。主要機理分為以下幾點:(1)生物表面活性與重金屬爭奪土壤顆粒表面的吸附位點。以往有研究表明,生物表面活性劑能夠吸附在土壤顆粒表面,這種吸附作用使得生物表面活性劑分子在土壤的液相和固相的分界面上進行重新排列并占據(jù)了土壤顆粒表面的吸附位點,減弱了土壤顆粒對重金屬的吸附能力[12];(2)降低界面張力。有研究表明生物表面活性劑能夠降低界面張力使土壤中重金屬離子與表面活性劑直接接觸,從而奪取吸附在土壤表面的重金屬并使其進入液相[12];(3)生物表面活性劑與液相中的重金屬絡(luò)合。Kim等通過紅外光譜分析發(fā)現(xiàn)鼠李糖脂的羥基能與Pb結(jié)合并在重金屬的去除中起到重要作用[13]。Yuan等也通過實驗證明皂角苷通過羧基與重金屬絡(luò)合,并根據(jù)絡(luò)合物的對稱伸縮振動吸收峰和反對稱伸縮振動吸收峰的差值判別得出皂角苷與重金屬形成的是單齒配體[14]。

基于以上的機理,生物表面活性劑能有效提高土壤中重金屬離子的活性,并促進重金屬在土壤中的分離。目前,研究較多的生物表面活性劑包括鼠李糖脂、沙梵婷、槐糖脂和皂角苷等,具體情況見表1。

表1 生物表面活性劑在重金屬去除中的應(yīng)用

2.2 強化植物修復(fù)

植物修復(fù)是進行土壤中重金屬修復(fù)的一種重要的方法。而土壤中重金屬極低的生物有效性限制了植物修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用。為了提高植物富集土壤中重金屬的效能,人們通過在土壤中加入有機配體來強化植物對重金屬的吸收能力。但由于有機配體大都是人工合成的化合物,毒性較高,價格較貴,且生物降解性差[1]。近年來,利用生物表面活性劑促進重金屬的活化,從而強化植物修復(fù)效率的研究逐步被人們重視。除了上述提到的生物表面活性劑作用于土壤中并提高重金屬的活性外,該類有機物還能夠作用于植物體,從而促進重金屬的吸收。有研究表明生物表面活性劑促進植物吸收重金屬的作用機理可能與它破壞細胞膜透性有關(guān)。生物表面活性劑是一種可溶性、兩親性的特殊化合物。不同于構(gòu)成生物膜成分的不溶性和具膨脹性的脂類化合物,它在水中有較高的單體溶解度。其兩親性使之能與膜中的親水和親脂基團成分相互作用,從而改變膜的結(jié)構(gòu)和透性,促使植物對重金屬的吸收。石福貴等研究發(fā)現(xiàn)鼠李糖脂和EDDS的加入大幅增加了土壤溶液中Cu、Zn、Pb和Cd的濃度,并且顯著增加了黑麥草地上部分植株中Cu、Zn、Pb和Cd的含量[20]。

3 展 望

作為一種新型的表面活性劑,生物表面活性劑引起了越來越多研究者的廣泛關(guān)注。我國關(guān)于生物表面活性劑的研究起步較晚,無論是在技術(shù)還是在品種數(shù)量上都有待于更進一步的深入研究。多數(shù)生物表面活性劑品種處于實驗研究階段,還沒有進行大規(guī)模的生產(chǎn),只有少數(shù)產(chǎn)品走向了市場。這主要是由于其生產(chǎn)成本比化學(xué)表面活性劑高。另外一些生物表面活性劑是否會造成二次污染,是否對環(huán)境及人類健康有危害還都有待進一步研究[7]。

目前,生物表面活性劑主要應(yīng)用于石油工業(yè)領(lǐng)域,在其它行業(yè)中,如環(huán)境工程、食品工業(yè)、洗滌化妝品、生物醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、紡織、采礦、建材等領(lǐng)域還存在極大的應(yīng)用空間。生物表面活性劑是一種應(yīng)用前景很好的重金屬修復(fù)劑。但哪些生物表面活性劑的效果最佳以及生物表面活性劑在修復(fù)重金屬污染土壤時對重金屬的選擇性有待于進一步的研究。

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Abstract:The biosurfactant production,type and characteristic were briefly introduced.The mechanism and application in remediation of heavy metals in soil were also descried.Problems existing in this field were raised and prospection was also made.

Key words:biosurfactant;heavy metal;soil remediation

Application of Biosurfactants in Heavy Metal Remediation in Soil

HUANGJian
(Hunan Research Institute of Nonferrous Metals,Changsha410015,China)

X53

A

1003-5540(2011)05-0057-03

2011-07-26

黃 健(1983-),男,助理工程師,主要從事環(huán)境治理和環(huán)境評價工作。