生物表面活性剂介导纳米颗粒的生物合成及其应用进展

李 杨，郑安应，董 浩，孙珊珊，张 凡，佘跃惠*

(1.长江大学石油工程学院,湖北 武汉 430100；2.非常规油气湖北省协同创新中心,湖北 武汉 430100；3.中国地质大学能源学院,北京 100191)

纳米颗粒(nanoparticles,NPs)在生物传感器、催化、药物传递和生物修复等领域得到大规模应用，其合成一直备受关注。生物表面活性剂(biosurfactant,BS)是一种由微生物代谢产生的以糖和脂肪酸为主要成分的天然表面活性剂，与化学表面活性剂相比，其具有生物可降解性、较低的毒性、优良的生物活性以及能利用可再生原料合成等优点。由于环境友好型生物技术和新型材料的需要，BS参与的NPs合成正逐渐成为研究热点， NPs的潜在商业应用覆盖农业、石油、环保、医药等各个领域[1]。作者在此简介BS的特性、种类和产BS微生物的种类，概述BS在NPs生物合成中的研究进展以及NPs在石油工业提高采收率、污染土壤和水的生物修复等方面的应用，并指出BS在上述领域的发展方向。

1 生物表面活性剂的特性及种类

BS是由微生物代谢产生的含亲水、疏水结构和具有表面活性的两亲性化合物[2]。BS的亲水部分主要由酸、肽阳离子(阴离子)、单糖、二糖或多糖组成，而疏水部分可以是不饱和或饱和的烃链或脂肪酸，因此，BS可以在极性和非极性介质间的界面上存在或分配[3]。BS具有乳化、增溶、润湿、分散、聚集、起泡、渗透、杀菌、缓蚀等性质[4]，在极端的pH值和温度下，具有生态友好性、低毒性和更高的生物降解能力，因此，BS作为多功能材料引起了研究者的广泛关注。

BS的分类方法很多，根据分子质量大小分为低分子量BS和高分子量BS。低分子量BS如糖脂、脂肽和磷脂，可有效降低表面和界面张力；高分子量BS如脂蛋白、脂多糖和两亲性多糖或含有多种结构类型的复合物[5]，能更有效地稳定水包油乳液，用作乳液稳定剂。产BS微生物来源广泛，主要有细菌、真菌和酵母，其中假单胞菌属、芽孢杆菌属、红球菌属和念珠菌属的菌株是研究最多的。微生物代谢产生的BS[6-7]见表1。

表1 微生物代谢产生的BSTab.1 Biosurfactant produced by microorganisms

目前，BS的工业生产仍处于起步阶段，工业化面临的挑战是BS的生产成本高。因此，BS研究需要开辟新技术，如利用基因工程技术修饰微生物以获取高产量的BS，降低生产成本。

2 生物表面活性剂介导纳米颗粒的生物合成

纳米材料的合成通常采用两种不同的方法，包括“自上而下”和“自下而上”。微乳液法是最常用的一种“自下而上”的方法，微乳液一般由表面活性剂、亲脂相和亲水相组成[8]。微乳液法NPs的合成机理见图1。由于布朗运动，小尺寸反胶束之间的频繁碰撞形成了二聚体，它可以促进还原剂和金属盐溶液分布一致，最后形成NPs[9]。

图1 微乳液法NPs的合成机理Fig.1 Synthesis mechanism of nanoparticles by microemulsion method

基于BS合成NPs的机理是BS疏水部分之间的非共价键相互作用，该过程形成的胶束或囊泡存在自聚集现象，产生了反胶束、层状结构、棒状、六边形、椭圆形、圆柱形、球形等不同的形态结构(图2)[9]。此外，这些BS通过吸附到NPs上，使NPs表面稳定并防止聚集[10]。BS可以作为模板，在不同的外部因素下合成具有不同结构、功能和物理化学性质的NPs[11]。其次，BS可以作为封端剂，其功能基团如氨基、醛基、羟基等与金属离子作用产生NPs，通过保持NPs表面开放来实现空间或静电稳定，降低NPs的聚集倾向(图3)[12]。在这个意义上，BS可以作为NPs合成的媒介，在液体介质中提供稳定、均匀、分散的NPs，已有许多商业BS以及实验室合成的BS用作NPs合成中的稳定剂和改性剂。

图2 NPs合成过程中BS自聚集模式Fig.2 Self-aggregation patterns of biosurfactant during nanoparticales synthesis

图3 BS溶液在合成纳米材料中的作用Fig.3 Role of biosurfactant solution in synthesis of nanomaterials

2.1 糖脂类生物表面活性剂合成的纳米颗粒

使用糖脂类BS合成NPs，如鼠李糖脂和槐糖脂，解决了脂肪酸作为封端剂时溶解度差的问题，并促进合成的NPs在液体介质中的均匀分散。糖脂介导金属NPs的合成最早是由Singh等报道的[13]，目前已有很多关于糖脂类BS诱导合成Ag-NPs、NiO-NPs、Fe-NPs等的研究。

NPs的尺寸和形状由pH值、温度、BS形态等因素控制。Palanisamy[14]研究发现，当溶液pH值为6时，BS的形态由层状转变为胶束状。Ni(OH)2-NPs在pH值为8.0时呈片状，随着pH值的增大，NPs趋于球形，在较高的pH值下，OH-的过饱和会加快成核速率，从而形成更小的颗粒。在600 ℃下煅烧Ni(OH)2沉淀[15]，形成了直径为8～35 nm的NiO纳米棒。

鼠李糖脂可作为生物合成Ag-NPs的稳定剂和保护剂。Xie等[16]以鼠李糖脂为模板、NaBH4为还原剂，在反胶束中合成了球形Ag-NPs，在不添加钝化剂的情况下，Ag-NPs可以稳定存在至少2个月。Saikia等[17]提出了鼠李糖脂在盐溶液中保护Ag-NPs免受NaCl侵害的观点，表明在盐溶液中鼠李糖脂可能是使Ag-NPs以胶体形式存在的有效稳定剂，能有效防止NaCl与Ag-NPs反应生成AgCl。

槐糖脂在Au-NPs和Ag-NPs的合成中是有效的封端剂和还原剂，槐糖脂封端的Au-NPs可以通过一步法合成，这种Au-NPs-槐糖脂的生物合成法比化学合成法具有明显的优势，如高效、生物相容性好、生态友好等，并且能更好地控制反应参数，减少合成步骤，从而扩大实验室合成规模，提高其应用潜力。糖脂类BS介导合成的NPs[18]见表2。

表2 糖脂类BS介导合成的NPsTab.2 Nanoparticles synthesized by mediation of glycolipid biosurfactants

2.2 脂肽类生物表面活性剂合成的纳米颗粒

在NPs合成中，脂肽类BS常作为Ag-NPs、Au-NPs、Zn-NPs、CdS-NPs等的稳定剂或还原剂。由枯草芽孢杆菌代谢产生的BS参与了Au-NPs和Ag-NPs的生物合成，BS的存在使NPs更加稳定。Eswari等[19]以枯草芽孢杆菌为原料合成了一种BS，并以其介导合成Ag-NPs，利用紫外可见光谱观察到在410 nm处有与Ag-NPs峰值相对应的表面等离子体共振振动带，证明了该生物合成法的可行性。Reddy等[20]研究表明，在碱性、中性及室温的条件下有利于NPs的合成，同时还发现脂肽结构发生变化也会导致Au-NPs形状的改变。此外，Rangarajan等[21]研究发现，不同浓度的脂肽和不同的反应物添加顺序也会导致Ag-NPs形状大小的改变。因此，未来应深入研究生物合成NPs的机理，为有效利用生物合成等手段调控BS合成NPs的形貌、尺寸、分布等提供依据。脂肽类BS介导合成的NPs[18]见表3。

表3 脂肽类BS介导合成的NPsTab.3 Nanoparticles synthesized by mediation of lipopeptide biosurfactants

2.3 其它类型生物表面活性剂合成的纳米颗粒

多糖在NPs合成中可作为稳定剂和还原剂使用，但由于成本原因大规模商业使用还不可行。Sathiyanarayanan等[22]研究发现，使用枯草芽孢杆菌MSBN17生产的生物絮凝剂可以作为稳定剂在反胶束中合成Ag-NPs。Yi等[23]基于生物乳化剂和磷脂合成了NPs。虽然目前关于其它糖肽和糖脂肽组成的BS已有文献研究[24]，但其在NPs合成中的应用还没有充分开发，未来研究可集中于寻找或构建BS高产菌群NPs合成工艺。

关于BS介导生物合成NPs，现阶段研究人员仍在寻求优化NPs的粒径、稳定性和单分散性的方法。下一步可以研究各种工艺参数对NPs形貌的影响来合成理想的纳米材料；其次，可从BS不同功能基团发挥的作用、NPs合成过程的反应动力学等方面研究分析BS在NPs合成过程的机理，提高大规模生物合成NPs的均一性和回收率，不断推进NPs大规模生物合成。

3 生物纳米颗粒的应用

3.1 生物纳米颗粒在石油工业中的应用

近年来，在石油工业中纳米技术常与BS结合使用，生物NPs已成为一种颇具吸引力的提高石油采收率制剂。生物NPs提高石油采收率的原理如下：(1)生物NPs高催化活性、高比表面积的特点使其在渗透性岩石内能轻松运移；(2)生物NPs使催化剂与油分子之间充分接触，加快烃类的裂解和氢化[25]；(3)生物NPs将岩石表面的润湿性从亲油状态变为亲水状态，减小接触角，降低界面张力，提高流度比[10]。

Amani等[26]利用鼠李糖脂合成的二氧化硅纳米流体作为低渗透砂岩油藏采油的润湿性调节剂，石油采收率提高了5%。Elakkiya等[25]合成了鼠李糖脂介导的Ag-NPs，结果表明，化学基Ag-NPs和BS基Ag-NPs的石油采收率分别为14.94%和14.28%。Khademolhosseini等[27]研究了生物NPs形貌对石油采收率的影响，BS-球形NPs与BS-非球形NPs溶液对比，BS-球形NPs溶液可最大程度减小接触角(从112°减小到8°)，其最终石油采收率为53.4%，而BS-非球形NPs溶液的最终石油采收率为44.5%。这些结果表明，NPs和由鼠李糖脂合成的二氧化硅纳米流体不仅稳定，而且为提高石油采收率提供了新的途径，对研究纳米结构在原位微生物采油中的应用具有重要意义。今后将研究不同BS和NPs的协同驱油的机理，以寻找最佳的提高石油采收率制剂。

3.2 生物纳米颗粒在生物修复中的应用

生物NPs具有吸收环境污染物、提高土壤修复能力、缩短处理时间和降低成本的特点[28]。BS可以提高碳氢化合物的水溶性、降低表面张力和增加土壤颗粒中油性物质置换乳化碳氢化合物的能力[2]，因此，NPs和BS同时存在时，可有效提高污染物的降解率。Shanker等[29]以皂角苷合成铁氰化铁纳米颗粒(FeHCF-NPs)，使水和土壤中的蒽及菲的降解率达到80%～90%，而芴和苯并[α]芘的降解率约为70%～80%，说明FeHCF-NPs在光催化下具有降解水和土壤中有害多环芳烃的潜力。Mandal等[30]提出了第一份关于纳米生物修复工艺优化的报告，结果表明，当酵母菌接种量为3%、ZnO-NPs浓度为2 g·L-1、pH值为7.0、温度为30 ℃时，6 d后可以增强63.83%多环芳烃(BghiP)的降解。El-Sheshtawy等[31]研究了地衣芽孢杆菌对原油污染区的生物修复能力，结果表明，含有Zn5(OH)8Cl2-NPs、Fe2O3-NPs和BS的复合制剂能有效增强生物降解能力，原油降解率达到60%。因此，细菌分离物在BS和特定浓度的Fe2O3-NPs存在下具有应用于石油污染区域生物修复的潜力。

4 展望

已知许多不同种类的微生物可以代谢产生BS，与化学表面活性剂相比，BS具有高特异性、生物降解性和生物相容性。基于BS合成NPs的研究，有助于推动先进纳米材料合成的发展。BS作为化学表面活性剂的替代品，合成的新型纳米材料可作为石油工业中的提高石油采收率制剂，还可用于生物修复。然而，为了提高NPs生物合成速度和单分散性，需要更好地了解NPs生物合成的生化和分子机制。未来可以从NPs合成过程的工艺参数、反应动力学等方面阐明BS介导NPs生物合成的机制，以获取形状大小可控及具有良好分散性的NPs。BS还是NPs的优良分散剂和稳定剂，并且合成产品无需分离提纯可直接应用于提高油气采收率以及油气污染的生物修复，因此，研究BS和NPs的协同作用在石油工业中具有广阔的应用前景。