鼠李糖脂对萘、菲、芘三种物质增溶作用研究

田丹妮,汪如婷,王鸿雁,雒晓芳

(1.西北民族大学生命科学与工程学院,甘肃兰州730100；2.西北民族大学实验中心，甘肃兰州 730100)

鼠李糖脂对萘、菲、芘三种物质增溶作用研究

田丹妮1,汪如婷1,王鸿雁1,雒晓芳2*

(1.西北民族大学生命科学与工程学院,甘肃兰州730100；2.西北民族大学实验中心，甘肃兰州 730100)

[摘要]实验通过改变温度、pH、盐度对生物表面活性剂溶液进行处理并改变其反应浓度，了解生物表面活性剂对多环芳烃类物质增溶的最佳浓度，以及温度、pH、盐度对其增溶效果的影响.结果表明：当鼠李糖脂浓度在临界胶束(CMC)以下时，多环芳烃类物质在水相中的溶解度变化较小；在临界胶束以上时，多环芳烃类物质在水相中的溶解度随表面活性剂浓度的增加而增大；当表面活性剂浓度为500 mg/L时，其溶解度最大.鼠李糖脂对萘、菲的增溶作用随温度的升高和盐度的增加而增大.随着pH的增大鼠李糖对萘的增溶作用在pH=4时为45.107 4 mg/L，菲的增溶作用在pH=5时为31.510 8 mg/L，均达到最大.

[关键词]生物表面活性剂;鼠李糖脂;多环芳烃;增溶作用

生物表面活性剂一般是指通过生物催化和生物合成等技术从微生物和动植物体上获取的具有表面活性的化合物.表面活性剂由于具有双亲结构，可自发在水中形成亲水基向外、疏水基向里的胶束结构，从而具有显著的增溶作用[1].生物表面活性剂具有无毒、生物可降解等优点，不会造成环境污染.如今已有多人利用市场购买的单一生物表面活性剂研究其对多环芳烃的增溶作用，这些活性剂实际是经过多步提纯获得[2～3].

本实验以鼠李糖脂混合物为生物表面活性剂的代表,系统研究其对多环芳烃萘、菲、芘的增溶作用,同时考察了温度、pH值及盐度等环境因子对三者增溶作用的影响，进而更好地利用生物技术对石油类物质所污染的土壤进行修复，最大程度地减小石油类物质对环境的污染.

1 材料和方法

1.1　试剂

试剂：盐酸(AR)；氢氧化钠(AR)；萘(95%)；芘(97%)；菲(AR)；鼠李糖脂(糖脂含量≥90%，湖州紫金生物科技有限责任公司)；NaN3(AR).

1.2　实验方法

1.2.1不同浓度鼠李糖脂对多环芳烃的增溶作用

在25 mL三角瓶中先加入0.5 g萘、菲、芘，然后再加入过量的环己烷，待溶剂挥发后，分别加入浓度为25、50、100、150、200、300、400、500、600、700 mg/L的鼠李糖脂溶液.在三角瓶中加入0.02%(w/v)的NaN3以抑制微生物生长，密封.将三角瓶于25 ℃ ,120 r/min振荡48 h,将溶液转移至离心管中,25 ℃,5 000 r/min离心15 min以除去未溶解的固态溶质.取上清液用0.5 mol/L的盐酸溶液调节pH值为2.0,等体积的环己烷萃取两次, 合并有机相.测定水相中多环芳烃含量.

1.2.2不同温度条件下鼠李糖脂对萘、菲的增溶作用

在25 mL三角瓶中首先分别加入0.5 g萘、菲，然后加入过量环己烷，待溶剂完全挥发后，加入浓度为500 mg/L的鼠李糖脂溶液并置于摇床上，分别于20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃、40 ℃培养48 h后，测定水相中多环芳烃含量.

1.2.3不同pH条件下鼠李糖脂对萘、菲的增溶作用

在25 ℃条件下用1 mol/L的盐酸或氢氧化钠溶液调节浓度为500 mg/L鼠李糖脂溶液pH分别为4、5、6、7、8、9、10，然后将其分别加入到处理好的含有萘、菲的三角瓶中震荡培养48 h，测定水相中多环芳烃含量.

1.2.4不同盐度对鼠李糖脂增溶作用的影响

将浓度为500 mg/L鼠李糖脂溶液分别加入处理好的含有萘、菲的三角瓶中,然后再向其中加入NaCl，使NaCl的浓度分别达到0、10、20、40、80、120和160 mmol/L,振荡培养48 h后测定水相中多环芳烃含量.

2结果及分析

2.1　不同浓度鼠李糖脂对多环芳烃的增溶作用

图1为萘、菲、芘表观溶解度随鼠李糖脂浓度变化的曲线.实验中使用的鼠李糖脂的临界胶束浓度(CMC)为76.5 mg/L,观察图中曲线变化趋势可得，当鼠李糖脂浓度小于CMC时，萘、芘在水相中的溶解度变化较小，菲在水相中的溶解度有小幅度的增加.当鼠李糖脂浓度大于CMC时，萘、菲、芘在水相中的溶解度随鼠李糖脂浓度的增加均有明显的不同程度的增加.同时在鼠李糖酯浓度达到500 mg/L之后，萘、菲、芘在水相中的溶解度均出现不同程度的降低.当鼠李糖脂浓度低于CMC时存在增溶作用.这是由于生物表面活性剂溶液中存在一定量的表面活性剂分子二聚体和三聚体.这些二聚体和三聚体可在一定程度上增加了疏水有机物在水中的溶解度[4]，表面活性剂单体本身也可能增加疏水有机物在水中的溶解度[5].在CMC以下，表面活性剂对疏水有机物的增溶作用是一种类似于共溶剂的增溶机理.当鼠李糖脂浓度达到CMC及以上时，由于胶团的形成，随着表面活性剂浓度的增加，胶团数量增加，从而难溶物质的溶解度也就逐渐增加.

图1　水相中萘、菲、芘的表观溶解度随鼠李糖脂浓度变化曲线图

2.2　不同温度条件下鼠李糖脂对萘、菲的增溶作用

图2为萘、菲分别在不同温度下的溶解效果，随着温度的增加两者的溶解度均增大.萘和菲的溶解度从25 ℃到40 ℃分别从24.319 8 mg/L和13.473 1 mg/L增加到最大值117.985 7 mg/L和56.096 9 mg/L.其中萘的增溶结果与郭利果等[13]的结果相同.随着温度的升高，鼠李糖脂对萘、菲的增溶作用逐渐增强，这可能是由于温度的升高使得表面活性剂分子在水溶液中的热运动加快，从而形成的胶团的增溶空间增加,增溶效果更加显著.

图2　温度对鼠李糖脂增溶作用的影响

2.3　不同pH条件下鼠李糖脂对萘、菲的增溶作用.

图3是不同pH条件鼠李糖脂分别对萘、菲的增溶作用曲线.随着pH的增大，水溶液碱性增大，鼠李糖脂对萘的增溶作用逐渐减弱.当pH由7增加到8时，曲线出现部分增加.随着pH的继续增加，曲线开始下降，最后在pH由9增加到10时曲线开始趋于平缓.对于菲，随着水溶液碱性的增大，在pH由4到5 时曲线出现了一个较大幅度的增加，因此鼠李糖脂对菲的增溶作用最好的酸碱条件为pH为5.之后随着pH值的增加曲线开始下降，在pH为7 时曲线趋于平缓.这可能是由于随着溶液pH的增加，鼠李糖脂的胶束结构从较大的层状胶团变成较小的棒状胶团，然后再转变为更小的胶束[9～10].pH增加使得活性剂分子的负电荷增多， 从而使得分子之间的斥力增加、胶团的聚集数量减少、胶团的体积变小，最终导致多环芳烃的增溶量减少.

图3　pH对鼠李糖脂增溶作用的影响

2.4　不同盐度条件下鼠李糖脂对多环芳烃的增溶作用

图4中不同盐度条件下鼠李糖脂分别对萘、菲的增溶曲线.随着盐度的增加，鼠李糖脂对萘的增溶作用以NaCl浓度20 mmol/L为界，以不同程度的线性增加.对于菲，随着盐度的增加，鼠李糖脂对其的增溶作用也逐渐增加.在NaCl浓度达到120 mmol/L时曲线开始趋于平缓.吴星杰[7],郭利果[13]等研究表明,随着水溶液中离子强度的增加，鼠李糖脂的增溶作用也明显增大.盐度的增加使得表面活性剂溶液中离子强度增大，表面活性剂分子之间的静电斥力减小，越来越多的表面活性剂分子形成半胶束[10].溶液中NaCl使表面活性剂的CMC和表面张力下降.随着NaCl浓度的不断增大，CMC和表面张力下降也就更加明显.鼠李糖脂作为一种离子表面活性剂，其表面的反离子浓度影响离子胶束的扩散双电层，减少表面活性剂离子之间的斥力，从而使得双电层的厚度减小，胶束更容易形成，能更好地吸附多环芳烃，使之表观溶解度增大.

图4　盐度对鼠李糖脂增溶作用的影响

3讨论

鼠李糖脂作为一种生物表面活性剂对多环芳烃的增溶效果随着溶液条件的改变而改变，不同条件下其对应的多环芳烃表观溶解度的最大值各有不同.不同浓度下鼠李糖脂对多环芳烃的增溶作用随被增溶物分子的增大而增大[13].本实验通过对鼠李糖脂的浓度、盐度、温度、pH进行验证,同时李玉瑛等[14]研究发现,生物表面活性剂是否可以提高对石油烃的生物降解,不仅与所添加的浓度有关，还与环境介质有关.本实验中将可能对表面活性剂的作用产生影响的几种因素进行细化，得到了它们对表面活性剂作用影响的具体趋势.由此，我们可以发现在进行鼠李糖脂的增溶实验中应该多方面考虑各因素对其作用的影响，从而确定更好的作用条件，最大程度上使之发挥作用.由于条件所限，本实验主要研究了单因素对表面活性剂作用的影响，未能更深入地研究多因素以及作为对照研究其他表面活性剂对多环芳烃增溶作用.但是与刘晶蕊[3]等人的研究结果比较，我们可以发现,单一体系鼠李糖脂对多环芳烃的增溶作用优于CG12-2-12、TX-100、Tween-80以及Brij35，但较弱于混合体系.鼠李糖脂能够与菌体以及其他表面活性剂协同作用于多环芳烃、原油等中的难降解物质，从而更好地发挥功效[14～16].因此，在使用鼠李糖脂降解难溶物质时，我们一方面应该注意其作用是所处环境介质的影响，另一方面还应该借助其他物质的协同作用，以期达到更好的效果.

4结论

1)随着鼠李糖脂浓度的增加，萘、菲、芘的表观溶解度均有不同程度的增加，鼠李糖脂浓度为500 mg/L时，三者的表观溶解度达到最大，分别为725 mg/L、53.774 2 mg/L和2.051 7 mg/L.

2)当鼠李糖脂浓度为500 mg/L时，萘的表观溶解度随温度和盐度的增加而增加.

3)随着pH的增大鼠李糖脂对萘的增溶作用在pH=4时为45.107 4 mg/L，菲的增溶作用在pH=5时为31.510 8 mg/L，均达到最大.

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[作者简介]田丹妮(1980—)，女，陕西宝鸡人.

[通讯作者]*

[基金项目]西北民族大学2015年大学生创新创业训练计划项目(201510742079)；2015年西北民族大学开放项目.

[收稿日期]2015-08-20

[中图分类号]Q53；X131.3

[文献标识码]A

[文章编号]1009-2102(2015)03-0033-05