近年来,一些可以降解石油烃的微生物被发现可以合成生物表面活性剂。业内人士认为,未来随着更多生物表面活性剂“助推”的生物修复技术的出现,石油污染问题将会获得更多更环保的解决方案。

找到连接水与油的“桥梁”

当人们想将疏水的碳氢化合物尽可能地溶解到水中时,就需要引入表面活性剂,因为它的双亲结构使得它可以同时亲疏水相和水相。当表面活性剂被加入含有疏水有机物的水中时,其分子的两端会分别与疏水有机物和水结合。

此时,表面活性剂将自身作为“桥梁”,连接水相和疏水有机物。当容器内水相的体积大于疏水有机物的体积,此时表面活性剂的疏水端向内包裹着疏水有机物微粒,而亲水端则向外与水相接触,进而形成了水包油的情况。

反之,水相的体积小于疏水有机物的体积时,则形成油包水的情况。表面活性剂正是通过水包油的方式将疏水有机物溶解至水相内的。

需要注意的是,表面活性剂的浓度是影响疏水有机物增溶情况的重要因素。当生物表面活性剂浓度低于临界胶束浓度(CMC)时,表面活性剂主要以单体形式存在,它的疏水端会与疏水有机物发生结合,通过降低水相和疏水相之间的排斥力,逐渐形成由生物表面活性剂分子包裹疏水有机物分子的小集体。

当生物表面活性剂浓度进一步增大并超过CMC时,表面活性剂会通过形成胶束将疏水有机物包裹起来,外部为表面活性剂亲水基团的共聚体,进而显着提高疏水烃类在水中的溶解度。

以假单胞菌CH1合成的生物表面活性剂为例,其可以将?在水中的溶解度从1.29 mg/L提高至193.14 mg/L,增溶效果为148.7倍。同时,其还能使稠油的粘度降低90%以上。

“助推”石油烃污染生物修复

近年来,生物表面活性剂因其对疏水烃类的显着增溶能力以及低毒、可生物降解等优点,常被应用于石油烃污染物的强化修复中。它可增加疏水有机物在水中的溶解度,同时还可以通过修饰细胞表面性质来增强细胞与疏水有机物之间的亲和力。

而这两种情况均是通过增加疏水有机物的溶解度和生物利用度的方式来提升微生物对污染物的利用效率进而提升处理效果。

微生物的生存离不开水,它们从水中摄取所需的营养物质。因此当疏水有机物在水中的溶解度越高时,微生物就可以摄取越多的有机物,这提高了疏水性有机物的生物利用度。生物表面活性剂还可作为能量来源促进微生物的生长,从而进一步提高微生物对有机物的降解能力。

总之,生物表面活性剂作为一种降解过程中的辅助物质,它是通过增强污染物的生物可利用度等方式来“助推”石油烃降解微生物对污染物的生物修复过程。只有更多的疏水性有机物溶于水中被微生物利用了才能提高该污染物的去除效果,也只有更多的疏水性有机物可以被微生物所利用才能降低污染物的修复时间。

近年来已有许多将生物表面活性剂运用于石油烃修复的相关研究报道。例如,将生物表面活性剂应用于受机油污染的沙子和海水的生物修复,30天内可在微生物修复的基础上提高20%的机油降解率。

需要注意的是,虽然生物表面活性剂具备低毒性和生物可降解性,但过量使用仍会对降解体系中的功能菌产生毒性作用,改变细菌群落组成,从而对生物修复造成不利影响。而且,由于生物表活性剂的生产和提取成本较高,添加过量的表面活性剂也可能存在资源浪费的情况。研究表明,添加0.5 CMC生物表面活性剂的处理组要比1.0 CMC和1.5 CMC的处理组具有更好的微生物降解石油烃“助推”效果。

在实际应用实践中,由于生物表面活性剂较高的提取和纯化成本,其工业化的生产和应用常常受到限制,因而开发更为经济有效的生物表面活性剂强化修复策略具有十分重要的意义。

作者简介

章春芳博士,日本名古屋大学博士,现任浙江大学海洋学院副教授,研究方向为海洋污染环境生物修复,在卤代持久性有机污染物的厌氧还原脱卤机制方面取得理论突破,并在石油烃污染的生物修复机制及应用方面取得较好的成果。