生物表面活性剂及其在土壤重金属修复中的研究进展

黄 健

(湖南有色金属研究院,湖南长沙 410015)

生物表面活性剂及其在土壤重金属修复中的研究进展

黄 健

(湖南有色金属研究院,湖南长沙 410015)

介绍了生物表面活性剂制取、种类和性能。叙述了其在土壤重金属修复方面的作用机理和应用情况。提出了在该领域中有待解决的问题并作出了展望。

生物表面活性剂;重金属;土壤修复

土壤是人类赖以生存的物质基础,然而随着社会现代化和工农业的发展,大量重金属通过各种途径排放到土壤中去并使得土壤的重金属污染日益严重。土壤重金属污染具有隐蔽性、积累性、滞后性和长期性的特点[1]。因此,土壤重金属污染修复成为环境科学领域研究的热点问题[2]。然而,土壤环境重金属污染修复受土壤基质、重金属分布形态等因素的影响较大,存在修复难度大、去除效果不理想等问题[1]。近年来,生物表面活性剂在环境污染治理方面的应用受到广泛关注。生物表面活性剂是一类具有亲水亲脂两亲性的表面活性物质。这类物质与化学表面活性剂性能相似,但相比之下,还有其他优点,如:(1)可生物降解,不会造成二次污染;(2)无毒或低毒;(3)一般对生物的刺激性较低,可消化;(4)可以利用工业废物作为原料生产,生产成本低;(5)具有更好的环境相容性、更高的起泡性;(6)在极端温度、pH值、盐浓度下具有更好的选择性和专一性; (7)结构多样,可适用于特殊的领域[3]。生物表面活性剂因其众多优点越来越受重视,在土壤和水体修复方面具有很好的应用价值。近年来人们对于生物表面活性剂在重金属污染的修复研究也不断深入[4]。

1 生物表面活性剂的产生和分类

1.1 生物表面活性剂的制备

生物表面活性剂的制取主要依靠微生物发酵法获得,但是酶催化合成法作为新兴的技术在近年来也得到较快发展。

1.1.1 微生物发酵法

在微生物发酵过程中,生物表面活性剂多数由细菌和酵母菌产生。也有少量报道称真菌可以产生生物表面活性剂。这些微生物可以利用不同的碳源产生生物表面活性剂。根据碳源的不同,微生物发酵法产生生物表面活性剂的菌种主要分为三类:一类是以疏水性有机物(如烷烃)作为碳源的微生物;一类是以水溶性有机物(如葡萄糖)作为碳源的微生物;另一类以疏水性和水溶性有机物作为碳源[5]。其中,以微生物制备糖脂类生物表面活性剂为例,发酵法生产生物表面活性剂的具体方法一般分为三步,即培养发酵、分离提取和产品纯化[6]。生物表面活性剂是一类结构多样的化合物,但其大多数微生物发酵产生的表面活性剂的分离、提取和纯化都有一些类似的方法,如萃取、盐析、离心沉淀、结晶以及冷冻干燥等,在技术和经济上非常适合大量生产[7]。

1.1.2 酶催化合成法

酶催化合成生物表面活性剂是近年来快速发展起来的方法。酶法合成的生物表面活性剂分子多是一些结构相对简单的分子。酶促反应合成生物表面活性剂具有以下特点:(1)由于酶在非极性溶剂中或微水环境下仍然能很好地发挥其催化功能,这极大地拓宽了酶作为催化剂催化合成生物表面活性剂的应用范围;(2)比发酵法合成品在结构上更接近化学合成表面活性剂,因而可以立即应用于化学合成产物原有的应用领域;(3)通过酶法处理,可以对亲油基结构进行修饰,并将之接驳到生物表面活性剂的亲水基结构上;(4)酶法反应具有专一性,可在常温和常压下进行,产物易回收,副产物少[7,8]。目前能够利用酶法合成的生物表面活性剂种类多样,主要有单酰化甘油脂类、糖脂类、氨基酸类、磷脂类和烷基糖苷类等[9]。近几年,酶合成法与微生物发酵法相结合成为制取生物表面活性剂的新的发展方向[7]。

1.2 生物表面活性剂的分类

根据结构和形态,可以将生物表面活性剂分为六类,即羟基化和交联化的脂肪酸(地衣酸)、糖脂、磷脂、脂多糖、脂肽和脂蛋白以及细胞整体[5]。也可以根据分子量大小将生物表面活性剂分为两类:一类是低分子量的生物表面活性剂如糖脂(如槐糖脂、海藻糖脂和鼠李糖脂等)和脂肽(如莎梵婷等);另一类是高分子量的生物表面活性剂如脂多糖、脂蛋白、蛋白质和多糖等[10]。

2 生物表面活性剂在去除土壤中重金属的作用机理及应用

2.1 淋洗技术

土壤淋洗修复技术是一种有效并且切实可行的土壤重金属污染修复技术。土壤淋洗不仅可以单独应用于小面积污染土壤的治理,还可以与其它修复方法联用治理污染土壤[11]。目前研究较多的淋洗剂包括强酸、人工螯合剂、天然有机酸、化学表面活性剂和生物表面活性剂等。其中生物表面活性剂具有低毒性、生物可降解性且对土壤结构和理化性质破坏不大,是一种非常有前景的淋洗修复剂[2]。

关于生物表面活性剂作为淋洗剂在去除土壤中重金属的作用机制,国内外有部分学者进行了研究。主要机理分为以下几点:(1)生物表面活性与重金属争夺土壤颗粒表面的吸附位点。以往有研究表明,生物表面活性剂能够吸附在土壤颗粒表面,这种吸附作用使得生物表面活性剂分子在土壤的液相和固相的分界面上进行重新排列并占据了土壤颗粒表面的吸附位点,减弱了土壤颗粒对重金属的吸附能力[12];(2)降低界面张力。有研究表明生物表面活性剂能够降低界面张力使土壤中重金属离子与表面活性剂直接接触,从而夺取吸附在土壤表面的重金属并使其进入液相[12];(3)生物表面活性剂与液相中的重金属络合。Kim等通过红外光谱分析发现鼠李糖脂的羟基能与Pb结合并在重金属的去除中起到重要作用[13]。Yuan等也通过实验证明皂角苷通过羧基与重金属络合,并根据络合物的对称伸缩振动吸收峰和反对称伸缩振动吸收峰的差值判别得出皂角苷与重金属形成的是单齿配体[14]。

基于以上的机理,生物表面活性剂能有效提高土壤中重金属离子的活性,并促进重金属在土壤中的分离。目前,研究较多的生物表面活性剂包括鼠李糖脂、沙梵婷、槐糖脂和皂角苷等,具体情况见表1。

表1 生物表面活性剂在重金属去除中的应用

2.2 强化植物修复

植物修复是进行土壤中重金属修复的一种重要的方法。而土壤中重金属极低的生物有效性限制了植物修复技术的应用。为了提高植物富集土壤中重金属的效能,人们通过在土壤中加入有机配体来强化植物对重金属的吸收能力。但由于有机配体大都是人工合成的化合物,毒性较高,价格较贵,且生物降解性差[1]。近年来,利用生物表面活性剂促进重金属的活化,从而强化植物修复效率的研究逐步被人们重视。除了上述提到的生物表面活性剂作用于土壤中并提高重金属的活性外,该类有机物还能够作用于植物体,从而促进重金属的吸收。有研究表明生物表面活性剂促进植物吸收重金属的作用机理可能与它破坏细胞膜透性有关。生物表面活性剂是一种可溶性、两亲性的特殊化合物。不同于构成生物膜成分的不溶性和具膨胀性的脂类化合物,它在水中有较高的单体溶解度。其两亲性使之能与膜中的亲水和亲脂基团成分相互作用,从而改变膜的结构和透性,促使植物对重金属的吸收。石福贵等研究发现鼠李糖脂和EDDS的加入大幅增加了土壤溶液中Cu、Zn、Pb和Cd的浓度,并且显著增加了黑麦草地上部分植株中Cu、Zn、Pb和Cd的含量[20]。

3 展 望

作为一种新型的表面活性剂,生物表面活性剂引起了越来越多研究者的广泛关注。我国关于生物表面活性剂的研究起步较晚,无论是在技术还是在品种数量上都有待于更进一步的深入研究。多数生物表面活性剂品种处于实验研究阶段,还没有进行大规模的生产,只有少数产品走向了市场。这主要是由于其生产成本比化学表面活性剂高。另外一些生物表面活性剂是否会造成二次污染,是否对环境及人类健康有危害还都有待进一步研究[7]。

目前,生物表面活性剂主要应用于石油工业领域,在其它行业中,如环境工程、食品工业、洗涤化妆品、生物医疗、农业、纺织、采矿、建材等领域还存在极大的应用空间。生物表面活性剂是一种应用前景很好的重金属修复剂。但哪些生物表面活性剂的效果最佳以及生物表面活性剂在修复重金属污染土壤时对重金属的选择性有待于进一步的研究。

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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

黄 健(1983-),男,助理工程师,主要从事环境治理和环境评价工作。