生物表面活性劑及其修復石油污染研究進展

孫文爽 許萌 高宇

摘 ? ? ?要：近年來，石油泄漏所引起的環境污染事件頻發，嚴重破壞自然生態環境，影響人類健康。隨著人們對生態環境重視程度的提高，生物表面活性劑的環保功能性使其在石油污染生物修復中成為一類具有吸引力的化合物。特別是糖脂類的生物表面活性劑，已在石油污染修復工程中得以應用。生物表面活性劑的提取和生產方法也多種多樣。本文主要對生物表面活性劑的性質、結構、分類、生產提取方法及其在石油污染生物修復中的研究進展進行了簡要概述。

關 ?鍵 ?詞：生物表面活性劑;石油污染;生物修復;分類;提取

中圖分類號：TE991 ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? 文章編號： 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

近年來，石油開采、加工、運輸、儲存過程的泄漏所引起的海洋污染與土壤污染事件頻發[1]，造成了巨大的經濟損失，嚴重破壞了自然生態環境，影響人類健康。據調查統計，全球每年石油泄漏總量約為1.1×106 t，其中海洋溢油占約五分之三[2， 3]。美國墨西哥灣“深水地平線”鉆井平臺石油泄漏之后，路易斯安那州超過160km的海岸受到泄漏原油的污染，近岸部分鹽沼群落在高濃度的石油作用下死亡，濕地和海灘被毀，漁業受損[4]。我國溢油事故發生頻率也不容小覷，有報道稱，近年來中國每年約12×104 t石油排入海洋，且近海海域石油的平均質量濃度已達到 0.055 mg/L[5]。因微生物修復技術比物理、化學方法更經濟高效且對環境無污染，所以備受研究者和技術人員重視。與其他水溶性污染物相比，石油中的烴類，尤其是多環芳烴等難降解的疏水性物質阻礙了油的分散，使得微生物和油接觸的表面積大大減少，從而降低了微生物降解石油的效果[6]。因此，石油的微生物修復過程中，常采用表面活性劑促進石油類物質的乳化溶解，形成小油滴以便微生物利用。本文旨在通過對生物表面活性劑及其在石油污染修復中的應用進行簡要概述，為其更好的應用于海洋和土壤石油污染提供科學依據。

1 ?生物表面活性劑概述

1.1 ?生物表面活性劑的定義及性質

生物表面活性劑是微生物在一定條件下代謝產生的同時擁有親水性和疏水性、并具有一定表面活性的兩親化合物。生物表面活性劑結構龐大、復雜，具有增溶、乳化、潤濕、發泡、分散、降低表面張力等與化學表面活性劑相同的作用。同時，生物表面活性劑還具有可生物降解、生態毒性低和生產原料廣泛等特點。馬斌斌等[7]從舟山漁場污染海水中提取出一株高效的石油降解菌，所產表面活性劑可使發酵液表面張力可從74 mN/m降至21.66 mN/m; 張曉青等[8]研究的紅球菌屬SY095的生物表面活性劑，可使發酵液表面張力從初始59.235 mN/m下降到 26.455 mN/m。

1.2 ?生物表面活性劑的分類及結構

生物表面活性劑依據其微生物來源和結構特征可分為糖脂、脂肽和脂蛋白、脂肪酸和磷脂、中性脂以及聚合物表面活性劑（表1）。其中，已知的生物表面活性劑多屬于脂肽和糖脂類。

槐糖脂（sophorolipid）是由假絲酵母菌以糖和植物油等為碳源，經一定條件的發酵產生的微生物次級代謝產物。主要有內酯型和酸型兩種結構類型，兩者在生物活性和理化性質上有較大差異[13]。與常見的鼠李糖脂比，兩者性能相近，槐糖脂分子量較大，屬一種低泡型表面活性劑，更適用于工業和民用清洗、化妝品等領域。

鼠李糖脂是由假單胞菌（一般采用銅綠假單胞菌（Pseudomonase））產生的一種生物代謝產物，屬于糖脂類的陰離子表面活性劑。研究表明，發酵產物中一般含有兩種主要類型的鼠李糖脂，即單鼠李糖脂和雙鼠李糖脂，其主要有四種結構（圖1）。朱洪勝等[14]利用薄層色譜實驗證明了兩種鼠李糖脂中均含有單糖脂和多糖脂。鼠李糖脂是一種性能優良的生物表面活性劑，在科研領域研究時間最長且已成功產業化[5]。

脂肽可根據其結構特征分為環狀脂肽和線狀脂肽，大量含有十肽抗生素和脂肽抗生素的環狀脂肽分別由短芽孢桿菌和多粘芽孢桿菌產生，其中由枯草芽孢桿菌產生的環狀脂肽是一種很強功效的生物表面活性劑。李靜等[15]曾利用芝麻油發酵生產出一種環狀脂肽類生物表面活性劑，具有良好的乳化性能。

2 ?生物表面活性劑的生產及提取方法

2.1 ?生物表面活性劑的生產

目前，已報道的降解石油污染物的微生物有100余種200多屬，包括細菌、霉菌和酵母菌等，其中細菌是主要的作用菌群[16]。研究表明，降解石油烴類的大部分菌株可產多種表面活性劑[16，17]。目前，生物表面活性劑生產方法主要有微生物發酵法和酶法合成兩大類[18]。微生物發酵法產生的表面活性劑種類多、可用原料廣、生產工藝簡單，是目前獲取生物表面活性劑的主要方法;酶法合成是借助于外源生物酶催化合成生物表面活性劑的一種方法，與微生物法比較， 其可以獲得高含量的目標產物且產物易回收， 并且產品結構的修飾具有較大的靈活性，然而， 由于目前人們對生物代謝和蛋白質工程的認識不足， 很難準確地通過人為調控改變微生物代謝途徑來改變生物表面活性劑的結構[19，46]。這兩種方法要根據實際的情況進行合理選擇，從而實現生物表面活性劑的價值（表2）[20]。

2.2 ?微生物發酵原料

微生物發酵法產生的生物表面活性劑種類多、可用原料廣、工藝簡單，但因高成本和低產量等限制，目前還存在一定的市場壁壘[24]。生物表面活性劑的研究趨于綠色化和優質化，所以使用生產成本低、低環境污染、無毒無害可再生的原材料生產具有良好的發展趨勢。西格瑪化學公司（Sigma Chemical Company）[25]曾指出最理想的生物表面活性劑的價格在3～5美元/磅。目前的替代原料主要是各種農業和工業的副產品和廢料，像植物提取液和廢物、玉米漿、馬鈴薯皮[26]、木薯廢水、蒸餾和乳清廢物及植物油磨出液等[27]。朱洪勝等[14]曾用地溝油和橄欖油為碳源發酵獲得單雙鼠李糖脂;梁生康等[11]用油脂廢水生產出鼠李糖脂，并具有良好的石油降解效果。

2.3 ?生物表面活性劑的提取

生物表面活性劑的提取方法主要有萃取法、超濾法、泡沫層析法、酸沉淀法、色譜法、柱層析法[28]和旋轉蒸發法[21， 27]。溶劑萃取是一種常用的提取方法，萃取溶劑的選擇一般根據“相似相溶”原理，以甲醇、乙醇、氯仿、二氯甲烷等作為常用有機溶劑。超濾是用于從發酵液中提取生物表面活性劑的一種新方法，在壓力差的作用下根據膜孔徑大小進行物質篩分的分離過程，可達到凈化、分離和濃縮的目的，并且實現產物的快速分離，提取過程短，安全性高。泡沫分離過程就是利用待分離生物表面活性劑本身具有表面活性的特點，使目的產物在鼓泡塔中被吸附在氣泡表面得以富集，達到提取濃縮待分離物質的目的，避免了泡沫及產物對微生物的不利影響，降低了生產成本，是工業生產中提取生物表面活性劑比較可取的方法，但構成泡沫的生物表面活性劑含量較低，泡沫又是非穩定體系，檢測難度較大。酸沉淀法是利用大多數表面活性劑在酸性條件下溶解度降低的特點來提取分離表面活性劑，然后再離心或過濾即可得到目的產物，必要時可用重結晶等進一步純化，此法應用廣泛，提取方便，產物相對于其他方法更純凈，易于測定，不產生其他有害物質且容錯率較高。色譜法是一種能夠顯著提高樣品純度的提純方法。旋轉蒸發法通常和萃取法結合使用，從而提取表面活性劑純品。

生物表面活性劑的提取常同時采用一種以上的方法以獲得更高的品質。李靜等[15]采用柱層析方法獲得分離純化的表面活性劑產物;梁生康等[11]利用萃取法得到糖脂粗提物;張曉青等[8]利用萃取法和旋轉蒸發法得到表面活性劑粗制品;Sajna等[29]用乙酸乙酯提取粗產物后，用硅膠柱層析法對生物表面活性劑進行純化。

3 ?生物表面活性劑促進石油降解原理

石油是由不同數量的碳氫構成的復雜化合物，包括直鏈烷烴、支鏈烷烴、環烷烴和芳香烴等，降解石油污染實質上是生物表面活性劑促進了烴類物質的代謝[16]。石油污染主要包括土壤污染和水污染。近年來，許多學者利用生物表面活性劑來修復石油污染，促進石油降解，提高生物修復的效率。

生物表面活性劑主要通過兩種途徑來提高石油的生物可利用率[30，47]。一種途徑是通過降低油水界面張力并促進兩者乳化，以增大界面面積，促使微生物與較大油滴之間的直接有效接觸;第二種途徑是利用表面活性劑對烴類物質的增溶機制，使石油相在水相中分散開，從而便于細菌吸收粒徑小于自身的油滴[29， 31， 32]。多環芳烴在石油成分中比重較大，且降解困難[33]，由于生物表面活性劑的增溶作用，當其濃度大于臨界膠束濃度（CMC）時，會形成膠束，膠束內的疏水性微環境對疏水性有機溶劑的分配作用較強，可顯著增大烴類有機污染物的表觀溶解度（圖2）[34]。

4 ?生物表面活性劑在石油污染修復中的應用

4.1 ?水體石油污染修復

生物表面活性劑在水體溢油污染生物修復中已有多項應用。在1989年美國阿拉斯加的“ExxonValdez”號溢油事件中，通過加入銅綠假單胞菌合成的海藻糖脂，幾周內石油中的正烷烴幾乎被全部去除，是成功應用生物修復石油污染的開

端[35]。此后，含生物表面活性劑的菌劑Alpha BioSeaTM和Tera–ZymaTM分別被用于修復德克薩斯州溢油污染海岸線和日本重質原油污染場地，均取得了較好的修復效果[36]。實驗室研究方面，郝文靜[37]通過構建生物模擬系統，經過20 d的生物模擬實驗，水面表觀石油的去除率達到了98.26%，水中的去除率也已達到90.67%，效果顯著;Sakthipriya等[38]利用從垃圾場中分離出來的產生物表面活性劑的Bacillus subtilis降解原油，10天內原油降解率高達80%，黏度則降低60%;劉穎等[39]等發現菌株Halomonassp.DH1產生的表面活性劑可顯著促進石油降解與洗脫，10 ℃的實驗條件下，添加了表面活性劑的水溶液可將黏附了原油的沙子上82. 1%的原油洗脫，證明了此菌具有應用于北方海域冬季溢油生物修復工作的潛力。

4.2 ?土壤石油污染修復

利用生物表面活性劑進行石油污染土壤修復受到越來越多的關注。崔鵬等[40]曾指出對于含油污泥的處理，生物法相比非生物法對環境的污染要小;朱生鳳等[41]在降解體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%，同時提高了烷烴和芳香烴的降解率;謝丹平等[42]從培養菌 XD-1中提取出脂肽類和糖脂類混合的生物表面活性劑， 使菌 XD-1 降解原油的誘導期縮短一半， 并提高了菌對原油的降解率;陳賢等[10]在新疆油田的含油污泥中分離馴化出三株石油降解菌，將產生的三種表面活性劑制成的復合型生物表面活性劑，對含油污泥處理效果良好，且原油回收率大于95%，基本實現了對含油污泥的資源化處理;劉魏魏等[43]研究發現添加生物表面活性劑可顯著促進土壤中PAHs的降解;Sunita等[44]從土壤中分離出的銅綠假單胞菌對石油具有良好的降解能力，表明其在石油污染現場原位生物修復和陸地海洋溢油修復方面具有良好的應用前景;Kang等[45]在實驗室條件下研究了槐糖脂對脂肪族和芳香烴以及伊朗輕質原油的生物降解，結果表明，在土壤中添加槐糖脂可將碳氫化合物的生物降解率由85%提高至97%;Luna等[27]利用一株球形假絲酵母菌（Candida sphaerica）所產的陰離子糖脂型表面活性劑清洗機油污染的河砂，機油去除率可達95%，對其生物毒性（植物和動物）的測試結果表明，一定濃度范圍內（<0.5 g/L），該生物表面活性劑對植物種子萌芽率、根的伸張率，以及動物（鹽水蝦）的孵化率均無抑制作用。

5 ?展望

綜上所述，生物表面活性劑已經成功應用于海洋溢油和土壤石油污染生物修復中。但是由于目前生物表面活性劑的生產成本比化學表面活性劑的高，生物表面活性劑的廣泛應用與批量生產受到一定限制，所以進一步改進生產工藝和尋找更為廉價的發酵原料，是生物表面活性劑生產的主要的發展方向。

參考文獻：

[1]李佳， 曹興濤， 隋紅， 等. 石油污染土壤修復技術研究現狀與展望[J]. 石油學報（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， 劉聚濤， 等. 生物表面活性劑在溢油污染處理中的應用現狀綜述[J]. 江西水利科技， 2017，43（04）：263-266.

[6]張卉， 張筆威， 張妍， 等. 生物表面活性劑產生菌處理水體石油污染物的研究[J]. 安全與環境學報， 2015，15（6）：269-273.

[7]馬斌斌， 馬恒軼， 李少君， 等. 海洋柴油降解細菌的篩選鑒定及其生物表面活性劑特性[J]. 浙江農業科學， 2018，59（03）：400-404.

[8]張曉青， 司曉光， 郝建安， 等. 紅球菌SY095產生物表面活性劑發酵工藝優化及產物穩定性研究[J]. 食品與發酵科技， 2017，53（02）：9-12.

[9]尤賀， 張麗敏， 欒靜， 等. 1株耐高溫生物表面活性劑產生菌的特性研究[J]. 微生物學雜志， 2017，37（03）：10-15.

[10]陳賢， 陳弘毅， 張賢明， 等. 復合生物表面活性劑處理含油污泥實驗研究[J]. 石油與天然氣化工， 2015，44（06）：122-124.

[11]梁生康， 王修林， 單寶田， 等. 假單胞菌O- 2- 2利用油脂廢水生產鼠李糖脂研究[J]. 現代化工， 2005，25：192-196.

[12]鄧振山， 馬琳， 張襲， 等. 一株產表面活性劑石油降解菌篩選及其特性[J]. 環境工程學報， 2017，11（05）：3295-3303.

[13]翟秋倩. 槐糖脂生物表面活性劑高產菌株構建和高效發酵工藝優化[D]. 青島科技大學， 2017.

[14]朱洪勝， 聶麥茜， 胡睿， 等. 發酵碳源對銅綠假單胞菌NY3所產鼠李糖脂結構及性能的影響[J]. 工業微生物， 2017，47（04）：37-42.

[15]李靜， 鄧毛程， 陳維新， 等. 植物油脂生物合成表面活性劑及產物分析[J]. 現代食品科技， 2016，32（04）：171-176.

[16]李國麗， 康小虎， 翟立翔， 等. 石油降解菌產生物表面活性劑的研究進展[J]. 生物學雜志， 2019，36（01）：83-86.

[17]杜瑾， 郝建安， 張曉青， 等. 一株分離自海水的產生物表面活性劑菌株的鑒定及其發酵優化[J]. 生態學雜志， 2016，35（05）：1378-1385.

[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]劉穎， 徐薇薇， 郭平， 等. 海洋石油降解菌Halomonas sp.DH1產生物表面活性劑的性能[J]. 中國航海， 2018，41（04）：112-115.

[40]崔鵬， 郭鐵. 含油污泥藥劑處理方法研究進展[J]. 當代化工， 2013，42（07）：999-1002.

[41]朱生鳳， 梁生康， 吳亮， 等. 鼠李糖脂及其產生菌對原油生物降解影響研究[J]. 環境科學與技術， 2010，33（05）：15-20.

[42]謝丹平， 尹華， 彭輝， 等. 生物表面活性劑對菌XD-1降解原油的作用[J]. 暨南大學學報（自然科學與醫學版）， 2004（03）：365-369.

[43]劉魏魏， 尹睿， 林先貴， 等. 生物表面活性劑強化微生物修復多環芳烴污染土壤的初探[J]. 土壤學報， 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]楊葆華， 黃翔峰， 聞岳， 等. 生物表面活性劑在石油工業中的應用[J]. 油氣田環境保護， 2005，15（3）：17-20.

[47]于洋. 分散劑及生物柴油對石油降解微生物多樣性的影響研究[D]. 青島理工大學， 2014.