生物表面活性剂

能显著降低液体表面张力或两相间界面张力的物质称为表面活性剂（或界面活性剂）。表面活性剂在工业领域的各个方面都占有特别重要的地位，但化学合成表面活性剂常常存在原材料来源和价格、产品性能等方面的问题，同时在生产和使用过程中还会带来一些环境污染问题，因此，人们很早就考虑应用生物技术来生产活性高、具有特效的表面活性剂，以避免出现上述问题。生物表面活性剂比化学合成表面活性剂更具潜在的优势，主要表现在：结构的多样性（可为具体应用提供更宽的选择范围）；生物可降解性；对环境的温和性等。因此，对生物表面活性剂的研究具有重要意义。

生物表面活性剂的分类主要是根据它的化学组成。通常生物表面活性剂都具有两亲基团，一类是亲水基团，主要是氨基酸、肽正离子 / 负离子或者单 / 双 / 寡聚糖；一类是疏水基团，一般是饱和或者不饱和脂肪酸。相应地，生物表面活性剂可分为糖脂、脂肽、脂蛋白、磷脂、脂肪酸、聚合物表面活性剂、粒状物表面活性剂等。以烃类、糖类为碳源的微生物代谢出来的生物表面活性剂最主要的是脂肽、糖脂、磷脂等，其中脂肽、糖脂一般为胞外产物，除去菌体后存在于上清或者疏水层中；磷脂一般为胞内物质，通常是由于细胞解体而被分泌到发酵液中的。

1.生物表面活性剂的种类示例

（1）脂肽类生物表面活性剂。

脂肽类生物表面活性剂的亲水基团由短肽或氨基酸组成，疏水基团由脂肪酸组成，一种脂肽往往是多种异构单体组成的混合体。由于脂肽中的脂肪酸链长和支链数量以及氨基酸的组成具有多变性，致使脂肽表面活性剂的种类繁多。代表性的脂肽有surfactin、lichenysin、fengycin、iturin、mycosubtilin及bacillomycin等。其中，Bacillus subtilis产生的surfactin在sigma公司已经商品化。脂肽类生物表面活性剂依照结构分为线性和环状两类，线性脂肽是氨基酸通过酰胺键与脂肪酸相连，环状脂肽除具有以上结构之外，其脂肪酸分子通过一个内酯键链接到亲水的肽的另一端从而形成一个环状结构。环状脂肽surfactin的结构如图3-7所示。

图3-7　surfactin结构式

大多的脂肽具有抗菌活性，例如surfactin具有明显的抗细菌活性；fengycin有抗丝状真菌的能力。迄今为止，关于脂肽抗菌活性及生理作用已有很多报道。

现在发现的脂肽主要来自Bacillus属，如B.subtilis、B.circulans、B.cereus、B.polymyxa、B.mesentericus等。除了Bacillus产生脂肽外，其他一些种类的微生物也产生脂肽，如Mycobacterium fortuirum、Streptomyces canus、Pseudomonas fluorescens、Serratiamarcescens等。Peng从太平洋深海中分离出一株产生脂肽的红球菌（Rhodococcus sp.TW53），ESI-QTOF-MS分析表明，此脂肽的氨基酸序列为Ala-Ile-Asp-Met-Pro，纯化后的脂肽的CMC浓度为23.7mg/L，能将水的表面张力降低到30.7mN/m。乔楠等也从海洋中分离出一种食烷菌（Alcanivorax dieselolei B-5），产生一种脯氨酸脂的表面活性剂，这种氨基酸脂有较低的CMC值（40mg/L）、很宽的温度和pH稳定范围、很强的离子强度耐受性及很好的乳化能力，而且无抗菌活性。

（2）糖脂类生物表面活性剂。

微生物糖脂是生物表面活性剂中数量最大、品种最多的一类。糖脂按分子中亲水部分所含糖苷的个数分为单糖脂、双糖脂、多糖脂等，其疏水部分通常是由一个或者两个长链脂肪酸或者长链羟基脂肪酸组成，它们通过酰基脂化或者配糖键与亲水部分相连。常见的糖脂主要是鼠李糖脂、海藻糖脂、槐糖脂等。然而，近些年又出现了一种新的糖脂类生物表面活性剂甘露糖赤藓糖醇脂。

鼠李糖脂（图3-8）是假单胞菌在限制条件下所产生的胞外代谢产物，这是一种具有较高分散、乳化、发泡和渗透能力的生物表面活性剂；一般是由一个或者两个鼠李糖环上连上一个或者两个β-羟基脂肪酸组成的，它是目前了解的最为透彻的一种糖脂。乔楠等从南海深海沉积物中分离到一株Dietzia sp.N3ZF-1，产一种双鼠李糖脂，在以正十六烷为唯一碳源的液体培养基中可将发酵液的表面张力降至33.6mN·。

图3-8　鼠李糖脂结构式

海藻糖脂广泛存在于棒状杆菌、分枝杆菌、诺卡氏菌中，是构成上述细菌细胞壁的主要成分之一。迄今为止，已报道了几种海藻糖脂的结构；其中，大部分Mycobacterium、Nocardia、Corynebacterium的菌株产生的海藻糖脂结构是两个海藻糖环在C-6和C-6′处与霉菌酸相连；霉菌酸是一个有α-支链 -β-羟基的长链脂肪酸；不同菌株产生的海藻糖脂的差异主要是在霉菌酸部分：碳原子的数量、饱和程度等。图3-9是海藻糖 -6-6′-棒杆霉菌酸双脂的结构图。海藻糖脂主要用于石油开采，其优越的破乳化性能有利于提高石油的开采率。

图3-9　海藻糖脂结构式

甘露糖赤藓糖醇脂（manno-sylerythritol lipid，MELs）是一种新型的非离子型生物表面活性剂，大多由丝状真菌（如Ustilagomaydis）或者酵母产生，现已报道它共有四种同系物（图3-10），即MEL-A、MEL-B、MEL-C和MEL-D。MELs有着很多优良的特性，因此越来越成为很多领域研究的热点。MELs的CMC低（40～100mg/L），亲水亲油平衡值在8.8左右，对皮肤和眼睛无毒，可生物降解性好，有良好的乳化性和表面活性（界面性能好，最小表面张力和界面张力分别可达28mN/m和2mN/m），还有抗菌性（特别是革兰氏阳性菌），最早应用在石油污染现场的防治上，高温下乳化废油，使其易于被微生物降解。MELs应用于环保、食品、化妆品，用作乳化剂、表面活性剂、面粉品质改良剂、保湿剂、抗凝结剂（抑制低温储存冰浆中冰粒的凝结），在医药工业中也有很好的应用前景。乔楠等从海洋中分离出一株产甘露糖赤藓糖醇脂的毕赤酵母（P.guilliermondii 510-6jm），能将发酵液表面张力降至28mN/m左右。

图3-10　甘露糖赤藓糖醇脂结构式

（3）脂肪酸和磷脂。

有些微生物在以疏水性物质（如烷烃、PAHs）为碳源的情况下，可以产生大量的脂肪酸和磷脂类表面活性剂。脂肪酸作为一种表面活性剂在20世纪七八十年代曾受到广泛关注。从生长在正烷烃上的红平诺卡氏菌（Nocardia erythropolis）发酵液中抽提出来的中性脂戊烷提取液中发现约90%为表面活性物质，其中含有一种单甘油酯、一种脂、一种脂肪醇和一些游离脂肪酸。

磷脂是细胞膜的主要成分。1982年，Kretschmer等人从红串球菌中分离到一类磷脂的混合物，它可以将水的界面张力（对正十六烷）降低至1mN/m，CMC值仅为30mg/L。

2.生物表面活性剂在海洋石油污染修复中的应用

考虑到石油烃组分的水溶性较小和微生物的可利用率较低是造成生物修复效能下降的主要因素，在海洋环境中通常使用表面活性剂来降低石油烃组分的界面张力，促进其解吸和溶解，以此来提高微生物对溢油污染物的生物降解。国内外对此展开了较为广泛的研究并取得了较为丰硕的成果，Carriere等对非离子表面活性剂（Tritonx-100）进行了研究，结果显示，通过非离子表面活性剂的作用，在生物降解过程中有效地增加了烃组分的可溶性，从而大大提高了生物降解的效率。Tiehm等同样对两种非离子表面活性剂的性能进行了探讨，结果表明，这两种表面活性剂对污染区域多环芳烃的溶解具有较强的活化作用，在表面活性剂的作用下，多环芳烃在环境中的浓度和毒性作用均有大幅度下降，促进了修复效能。

但是，化学合成表面活性剂对微生物生长的促进作用还是极为有限的。大部分的化学表面活性剂在实际的生物修复过程中，如果不对浓度进行有效控制，也会对微生物的生长带来较强的毒性危害。通常情况下，非离子型表面活性剂的毒性要小于离子型表面活性剂，并且在环境中容易被生物加以代谢和利用，黏附性较低，因此引入二次污染的程度较小。

基于此，高效、无污染的生物表面活性剂的现场应用成为溢油修复过程中的研究热点。生物表面活性剂同化学表面活性剂一样，能够对石油烃组分界面张力起到很好的降低作用，并且生物表面活性剂临界胶束浓度（CMC）较低，效率好，环境中也能够被生物有效利用，具有安全、环保、无二次污染的优点。