生物表面活性劑及其在地下水污染修復領域的應用與展望*

張文靜 梁振天

(1.吉林大學新能源與環境學院，吉林 長春 130012； 2.吉林大學地下水資源與環境教育部重點實驗室，吉林 長春 130012)

表面活性劑是一種一端親油一端親水的活性分子[1]。化學表面活性劑常會乳化其他有毒物質而增強毒性[2]。研究發現，洗衣粉會對蚤類運動產生影響，甚至造成大量死亡[3]。生物表面活性劑(BS)具有無毒無害、生物特性良好的特點[4]，適應范圍廣，分子結構類型多樣，表面性能優異，可生物降解，適用于極端條件，生物相容性好，一般不會過敏[5]。但BS在一定條件下會影響降解細菌群落的生存，影響土著微生物的群落發育。自然環境中，微生物如果受到外部環境的影響會發生應激反應，這種情況下分泌的BS對其他微生物往往有害，通過抑制其他不利因素獲得競爭優勢(偏害共棲)[6]。類似的研究還發現，一定結構的BS會抑制某些真菌和細菌的生長[7]，因此實際應用中BS的選擇仍需進一步研究，不當使用BS可能會破壞土著微生物的生存環境。

BS達到一定濃度時會形成膠束，從而表現出新的特性，該濃度稱為臨界膠束濃度(CMC)。由于BS具有活化特性，石油污染行業應用廣泛。BS可與重金屬發生絡合作用，增強植物的吸收。在地下水中，BS還可促進重金屬物質的遷移，增加其與植物、微生物的接觸，最終被微生物和植物吸收去除。

將BS應用于地下水修復是一個很好的研究思路。因此，本研究系統總結BS在地下水修復領域的應用，重點介紹BS在去除石油烴污染和重金屬方面的科學研究(包括BS的分類及特性、生產底物和修復機理等)，并對其與新技術和新材料的結合進行展望。

1 BS分類及特性

據活性劑結構特征和對應的來源微生物，BS主要分為糖脂類、磷脂類、脂肽類和有機高分子表面活性劑類[8]。現階段研究和應用最廣泛的BS是糖脂類，其代表為鼠李糖脂、槐糖脂和海藻糖脂[9]。

確定BS產生菌的菌群特點和菌群類型，有利于確定天然條件下污染場地中可能存在的BS及其和土著微生物的作用情況，同時還有利于通過生物工程技術生產BS。常見BS微生物來源及分類見表1。

表1 常見BS微生物來源及分類

1.1 糖脂類

糖脂類BS在生物降解性、毒性、表面活性方面性能更優異，研究測試了其對魚卵和多種菌類的毒性，發現幾乎不存在毒性[10]。糖脂類BS可很好地跟微生物技術結合，其作用機制主要是由于糖脂類BS可改善細胞表面的疏水性，同時還能增加脂多糖的釋放[11]，這一性質實現了疏水性的中和，意味著可通過糖脂類BS實現親水疏水物質的融合。糖脂類BS還可改變細胞表面的電荷性質[12]，而微生物對于有機物的一部分作用機制恰恰是利用電子轉移實現氧化或還原。

鼠李糖脂是一種主要由綠膿桿菌產生的生物代謝性的BS，是目前研究最多的糖脂類BS，在環境修復中應用十分突出。它主要是經植物油碳源發酵產生。該類BS能顯著降低表面張力，水、油水表面張力一般可分別降至30、1 mN/m左右，這對于非水溶性有機污染物的溶解十分有利。單糖、雙糖雙脂型鼠李糖脂的CMC分別為40、5 mg/L[13]，較低的CMC決定了鼠李糖脂在保障修復效果的情況下需求量較小，間接降低了成本。

海藻糖脂主要是由紅球菌和放線菌(Actinomycetes)分泌產生，其親水端為海藻糖，疏水端為脂肪酸。當生產底物包含正十六烷時其產率最高。海藻糖四脂是最常見的海藻糖脂。海藻糖四脂的CMC一般為37 mg/L，可降低水表面張力達到27.9 mN/m。

槐糖脂主要來自酵母菌(Saccharomyces)類微生物，是目前公認最具有應用前景的一類BS。槐糖脂產量較高，CMC一般為40～100 mg/L。

1.2 磷脂類

磷脂類BS是含磷酸根的單脂衍生物，兩端分別為親水的含磷頭和疏水的長烴基鏈。磷脂類BS以薄膜狀包裹在油滴表面，同時也可和水分子產生一定的吸引力，這一作用降低了水油兩相的界面能，使水油快速混合成均勻穩定的乳化液。磷脂類BS一般不溶于水，但吸水能力強，親水疏水平衡值(HLB)可達10，吸水后形成膠束[14]。

1.3 脂肽類

脂肽類BS是微生物發酵過程中產生的次級產物，疏水基團一般是脂肪酸類，親水基團是肽鏈或肽環。主要產生于芽孢桿菌(Bacillus)。脂肽類BS的CMC通常僅為9×10-5mol/L[15]，但受其生產水平限制，應用不廣泛。

1.4 有機高分子表面活性劑類

有機高分子表面活性劑類BS多產生于醋酸鈣不動桿菌(Acinetobactercalcoaceticus)，是一種兩性胞外聚陰離子生物活性劑[16]，由親水的多糖鏈和親油的脂肪酸鏈組成，分別可降低水面、界面張力至27.0、3.0 mN/m，在穩定乳化液方面性能優異。

2 BS生產底物

BS生產底物多樣，類似于碳氫化合物、植物油、乳制品等均可作為生產底物[17]。生產底物研究對垃圾和廢物的無害化處理和資源化利用至關重要[18]，借助廢棄物開發低廉的BS生產底物，可實現垃圾廢物再利用。以3%(體積分數，下同)玉米浸泡液和含3%糖蜜的礦物營養液作為BS生產底物，價格低廉且高效[19]。石油加工產生的廢物是最直接的生產底物之一，這些廢物中包含了大量的營養物質。現階段不同類型的生產底物中油處理方面底物占比最大，大約35%(質量分數)，其次分別為農業廢水廢渣、日用品和食品等工業廢水[20]。

研究發現，乳清、乳清廢料等大量的生產底物可從乳品工業中產生。農業副產物中典型含糖物質(如甜菜根和甘蔗渣)、非典型含糖物質(如水稻秸稈、玉米秸稈等)都是經濟有效的生產底物[21]。這一發現實現了廢物資源化利用。利用羊脂產生BS的速度較慢，但產物對多種金屬都有效果[22]，這主要是羊脂可同時為多種微生物提供生存場所，實現多種BS的混合。微生物生長所必需的碳水和脂類化合物可取自工農業廢渣和廢水，同時產生的BS進一步溶解廢渣，形成良好的正反饋。

當然，生產底物的選擇只是解決BS成本問題的一個方面，進一步的研究還可將其與生物工程、高級功能菌株篩選和基因工程相結合，誘導突變體和基因嫁接技術的實施更有利于特異性BS的生產。據報道，曾有人利用基因工程和克隆技術顯著增強了假單胞桿菌(Pseudomonsadaceae)生產鼠李糖脂的能力[23]。

3 BS修復地下水污染機理

3.1 地下水中石油烴污染去除機理

BS分子以疏水和親水分子為單一單體單元存在。隨著溶液濃度的增加，這些單體單元在溶劑-BS界面形成小型團聚體的趨勢逐漸增大。BS在處理有機污染物時一般會有兩種作用機制：增加溶解性和增強可移動性。BS通常以膠束的形式存在，但可進行分離并吸附在土壤表層的污染物上，這個過程需要BS的非極性端必須吸附在水相中的有機污染物上，這樣就形成了第三型微球，是一個三相共存的體系，此時的BS端尾恰好被水相和油相包裹。將吸附在固相表面的污染物解吸后，BS疏水端會繼續與油滴結合，改變其表面張力形成微乳液進而去除該污染物。BS去除地下水中石油烴污染機理見圖1[24]。加入BS后，增溶作用增加了疏水物質的溶解度，并將疏水物質直接轉移到原本不可溶的水相中。增溶作用與非極性基團的大小有關，基團越大增溶效果越好，此外濃度仍是一個至關重要的影響因素，通常濃度大于CMC去除效果更好[25]。水相中微生物運移相對自由，微生物可快速吸收有機污染物，并利用其作為營養物質將其降解。

3.2 地下水中重金屬去除機理

在處理地下水重金屬污染時，BS可表現出離子交換、絡合作用，還有反離子結合和端基尾基共同作用。當體系中存在BS時，重金屬不易與介質發生作用，遷移能力明顯增強。當BS濃度達到CMC時，重金屬會形成膠束團聚體與含有BS的淋洗劑一起遷移。同時，BS還可直接與重金屬進行競爭吸附點位，實現陰離子交換作用，使重金屬從含水層介質中解吸。綜合表現就是，BS特殊的結構和帶電情況可有效改善重金屬和含水層介質的表面性質，從而降低重金屬的吸附性。當水流經過時，水流帶來的縱向剪切力會將重金屬離子帶入水中，完成洗脫，此時BS親水基團會與水形成氫鍵，增強結合物與水相的聯系，加速脫附，效果見圖2[26]。雖然BS具有一系列的優良特性，但濃度、溫度、作用時間、pH和污染物存在狀態均會在一定程度上影響其修復效果[27]。如pH會通過改變重金屬的存在形態對其造成影響，而存在形態決定了重金屬的生物可利用性[28]，同時也決定了水中的溶解能力。

圖1 BS去除地下水中石油烴污染機理Fig.1 Mechanism of removing petroleum hydrocarbon from groundwater by BS

圖2 BS去除地下水-土壤界面的重金屬機理Fig.2 Mechanism of removing heavy metals from the groundwater-soil interface by BS

4 BS在地下水修復中應用

4.1 BS在有機污染中的應用

石油工業造成的污染是一直存在的，而且毒性較高[29]。地下水修復不僅僅是地下水體的治理，它還包含包氣帶固液氣三相環境和飽水帶固液共存環境的治理，特別是含水層介質和水體的污染治理。

WANG等[30]研究發現，BS的加入明顯改變了地下水中微生物的降解能力，這一過程主要是依賴BS可增加溶解碳氫化合物來實現，這個過程發生往往還伴隨著微生物代謝酶活性的改變。CAMEOTRA等[31]研究發現，加入BS后，原吸附在含水層介質上的多環芳烴(PAHs)被分解成細小的液滴進入液相中，最終被微生物利用。在研究微生物與BS共同作用時，對比發現，柴油污染物中加入BS后，其修復有效時間明顯變長，最大降解率上升至88%，而加入化學表面活性劑的降解率在達到50%后變化較小，BS加入后微生物的降解潛能被激發得較明顯[32]。ZHONG等[33]研究發現，BS加入后，微生物細胞表面結構的改變增強了細胞的滲透性，即污染物質可快速進入細胞內部發生快速降解，這使得微生物修復地下水中有機污染的效率大大增加。

關于BS多是定性研究。楊建等[34]利用BS去除地下水中輕質非水溶性有機污染物(LNAPLs)時發現，表面張力過大的問題被明顯改善，去除效率增強。CAZALS等[35]研究生物表面活性對PAHs的降解作用時發現，加入BS后，菲、芘和苯并芘的增溶率分別為0.214、0.120 4和0.006 8。MANICKAM等[36]研究發現，鼠李糖脂增加了六氯環己基同分異構體的溶解，溶解效果為之前的3～6倍。

這些研究主要揭示了BS在地下水修復中可能存在的作用，主要利用了BS可改變表面張力的性質。在獲得這樣的研究基礎后，研究人員開始將BS應用在修復污染物上，并對其加以改進。PEI等[37]測試了BS加入前后對菲的降解，發現加入BS后，鼠萊素對菲的降解率可達99.5%。還有研究發現，BS與污染物似乎不是絕對對應的。SRIKANTH REDDY等[38]研究發現，他們培養的一株菌不僅可降解汽油和柴油，還能對蒽和芴進行降解。這一研究為BS應用于復合污染場地提供了可能。同樣的，KANG等[39]也做了類似的研究，利用槐糖脂修復地下水中的脂肪烴、芳香烴、原油等，總體降解率達到了85%以上。

修復效率和速率限制了BS在場地規模的應用。為突破這些限制，研究者開始嘗試多技術的結合。文煒濤等[40]嘗試將BS與微生物技術結合，發現在多菌共同作用時，加入脂肽類BS，有機污染物的降解率可達到63.78%。譚文捷等[41]針對土壤和地下水中的PAHs去除進行研究，發現生物的加入使得其去除效率大大提高，這個改觀主要是由于加入微生物后，原地豐富的營養物質刺激了微生物代謝污染物并產生BS，從而強化降解土壤和地下水中的PAHs，形成了正反饋。研究人員嘗試借助BS更好激發微生物的作用。梁生康[42]利用分離出的綠膿桿菌產生的鼠李糖脂去除土壤和地下水中的石油烴，結果發現，處理后的污染物表現出極強的生物可利用性，使得原位石油污染土壤和地下水更容易修復。這一發現同樣為多技術結合提供了指引。余曉倩等[43]利用鼠李糖脂結合空氣噴射修復技術對地下水中的苯和氯苯污染進行去除研究，結果發現，加入鼠李糖脂后，表面張力可由71.65 mN/m降低至29.25 mN/m。這一實踐的實現機制主要是BS改善了去除拖尾反彈的現象，說明BS在修復實施的開始階段可為其他技術提供良好的“預處理”。對苯系物降解研究發現，加入鼠李糖脂，地下水中苯系物降解效果均有大幅增強，借用模型模擬得到不同物質所需的最佳配比，這項研究將BS和數據模型進行結合，為工程實施篩選了更合理的條件[44]。同樣，實驗室的研究也不斷地進行篩選，吳小紅等[45]采用正交試驗改變環境因子對水體污染進行研究，結果發現，鼠李糖脂的加入使得去除效果增加了26%，同時模擬預測了不同污染物不同環境下BS的選擇和使用量。

4.2 BS在重金屬污染中的應用

自從有了關于BS淋洗重金屬實踐后，人們更多關注土壤和地下水的重金屬聯合修復，BS已開始廣泛應用于地下水重金屬污染修復中[46]。李彩霞[47]研究發現，在高濃度有機物和Cu污染的地下水中加入分離菌株產生的脂肽類BS可顯著改變溶液的表面張力，使得水中有機污染發生變性，同時研究還發現，該BS可極大改善Cu的污染。時進鋼[48]采用BS和微生物共同作用的方法研究重金屬的去除，結果發現：實驗產生的BS對重金屬有顯著的去除效果；尤其實驗產生的鼠李糖脂對含水層介質中的Cd、Pb有明顯的去除作用，在鼠李糖脂溶液pH為10.0的條件下對重金屬的去除效果較好，當鼠李糖脂在含水層介質上的吸附達到飽和時去除效率達到最大；BS對含水層中可交換態Cd、Pb最大去除率可達80.1%和36.5%。BAILON SALAS等[49]研究發現，加入BS后，實驗條件下含水層中Pb和Cu的最大去除率可達99.96%和99.62%，但這是在實驗室完成的，去除效果與場地規模會有一定的差異。其后，他們借助試驗場地進行回歸分析，進行模型預測，這一預測將BS修復地下水的研究上升到數學建模層次，具有一定的借鑒意義。

5 結論與展望

(1) BS是一種產生于生物體內、環境友好的有機物質，正在積極應用于地下水有機污染和重金屬污染的修復中。現階段應用不足主要受限于其高成本，對于生產底物的研究正在解決這一問題。

(2) BS修復地下水中有機污染時，其作用機制主要是改變界面能，增強水相有機物的溶解性和吸附在固相表面的有機物的可移動性；BS修復重金屬污染時，作用機制主要為競爭吸附點位促進重金屬的轉移。

(3) 將BS應用于地下水有機污染和重金屬的污染的研究發現，其修復效果較好，且二次污染較小，特別是多技術的結合更是優勢明顯。

(4) 今后的研究，應更多關注技術間的優勢互補，與已有成熟技術的結合將大大提高BS修復效果，如利用BS優良的導熱性將其與熱處理技術結合會有較大的收益；將BS與新材料技術結合，實現定點投放，靶向控制從而實現BS的高效利用和污染物的回收，降低成本；對產BS的微生物進行訓化和培養，可使其更高效地產生BS；積極總結前人已取得的研究成果，在場地更好利用BS。

(致謝：感謝本課題組所有成員以及為本研究提供幫助的所有水文地質從業人員和前輩們)