近年來,一些可以降解石油烴的微生物被發現可以合成生物表面活性劑。業內人士認為,未來隨著更多生物表面活性劑“助推”的生物修復技術的出現,石油污染問題將會獲得更多更環保的解決方案。
找到連接水與油的“橋梁”
當人們想將疏水的碳氫化合物盡可能地溶解到水中時,就需要引入表面活性劑,因為它的雙親結構使得它可以同時親疏水相和水相。當表面活性劑被加入含有疏水有機物的水中時,其分子的兩端會分別與疏水有機物和水結合。
此時,表面活性劑將自身作為“橋梁”,連接水相和疏水有機物。當容器內水相的體積大于疏水有機物的體積,此時表面活性劑的疏水端向內包裹著疏水有機物微粒,而親水端則向外與水相接觸,進而形成了水包油的情況。
反之,水相的體積小于疏水有機物的體積時,則形成油包水的情況。表面活性劑正是通過水包油的方式將疏水有機物溶解至水相內的。
需要注意的是,表面活性劑的濃度是影響疏水有機物增溶情況的重要因素。當生物表面活性劑濃度低于臨界膠束濃度(CMC)時,表面活性劑主要以單體形式存在,它的疏水端會與疏水有機物發生結合,通過降低水相和疏水相之間的排斥力,逐漸形成由生物表面活性劑分子包裹疏水有機物分子的小集體。
當生物表面活性劑濃度進一步增大并超過CMC時,表面活性劑會通過形成膠束將疏水有機物包裹起來,外部為表面活性劑親水基團的共聚體,進而顯著提高疏水烴類在水中的溶解度。
以假單胞菌CH1合成的生物表面活性劑為例,其可以將?在水中的溶解度從1.29 mg/L提高至193.14 mg/L,增溶效果為148.7倍。同時,其還能使稠油的粘度降低90%以上。
“助推”石油烴污染生物修復
近年來,生物表面活性劑因其對疏水烴類的顯著增溶能力以及低毒、可生物降解等優點,常被應用于石油烴污染物的強化修復中。它可增加疏水有機物在水中的溶解度,同時還可以通過修飾細胞表面性質來增強細胞與疏水有機物之間的親和力。
而這兩種情況均是通過增加疏水有機物的溶解度和生物利用度的方式來提升微生物對污染物的利用效率進而提升處理效果。
微生物的生存離不開水,它們從水中攝取所需的營養物質。因此當疏水有機物在水中的溶解度越高時,微生物就可以攝取越多的有機物,這提高了疏水性有機物的生物利用度。生物表面活性劑還可作為能量來源促進微生物的生長,從而進一步提高微生物對有機物的降解能力。
總之,生物表面活性劑作為一種降解過程中的輔助物質,它是通過增強污染物的生物可利用度等方式來“助推”石油烴降解微生物對污染物的生物修復過程。只有更多的疏水性有機物溶于水中被微生物利用了才能提高該污染物的去除效果,也只有更多的疏水性有機物可以被微生物所利用才能降低污染物的修復時間。
近年來已有許多將生物表面活性劑運用于石油烴修復的相關研究報道。例如,將生物表面活性劑應用于受機油污染的沙子和海水的生物修復,30天內可在微生物修復的基礎上提高20%的機油降解率。
需要注意的是,雖然生物表面活性劑具備低毒性和生物可降解性,但過量使用仍會對降解體系中的功能菌產生毒性作用,改變細菌群落組成,從而對生物修復造成不利影響。而且,由于生物表活性劑的生產和提取成本較高,添加過量的表面活性劑也可能存在資源浪費的情況。研究表明,添加0.5 CMC生物表面活性劑的處理組要比1.0 CMC和1.5 CMC的處理組具有更好的微生物降解石油烴“助推”效果。
在實際應用實踐中,由于生物表面活性劑較高的提取和純化成本,其工業化的生產和應用常常受到限制,因而開發更為經濟有效的生物表面活性劑強化修復策略具有十分重要的意義。
作者簡介
章春芳博士,日本名古屋大學博士,現任浙江大學海洋學院副教授,研究方向為海洋污染環境生物修復,在鹵代持久性有機污染物的厭氧還原脫鹵機制方面取得理論突破,并在石油烴污染的生物修復機制及應用方面取得較好的成果。
