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生物表面活性剂在环境生物工程中的应用
陈坚;华兆哲;伦世仪
【期刊名称】《中国科技纵横》
【年(卷),期】1996(17)4
【摘要】生物表面活性剂是由细菌、酵母或真菌生成的天然产物，由于其化学结构和物理性质相近或优于许多人工合成表面活性剂，并且对淡水、海水及地球生态系统毒性较低，因而在环境污染的治理方面，特别是对石油和有机溶剂类污染现场的生物补救，具有极大的应用潜力。
此外，生物表面活性剂对有毒杀虫剂的增溶与乳化作用也有助于在污染场地降解这些有害物质。
今后，生物表面活性剂技术要成功地应用于生物补救处理，需重点研究和开发与污染场地的物理条件和化学性质极其适应的生物表面活性剂系统。
【总页数】4页(P84-87)
【作者】陈坚;华兆哲;伦世仪
【作者单位】无锡轻工大学生物工程系
【正文语种】中文
【中图分类】X17
【相关文献】
1.生物表面活性剂在环境生物工程中的应用 [J], 张元峰
2.生物表面活性剂在环境生物工程中的应用 [J], 陈坚;华兆哲;伦世仪
3.生物表面活性剂在环境生物工程中的应用 [J], 陈坚;华兆哲;伦世仪
4.生物表面活性剂在环境生物工程中的应用 [J], 金文杰
5.生物表面活性剂在环境生物工程中的应用 [J], 陈坚;华兆哲;伦世仪
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表面活性剂对土壤微生物的影响及其生态效应表面活性剂是一类具有高表面张力降低和起泡力等特征的化学物质，广泛应用于化妆品、洗涤剂、农药和工业防腐剂等领域。
然而，表面活性剂的广泛使用也引起了人们对其对环境的潜在危害的关注。
尤其是在土壤环境中，表面活性剂的长期使用可能会对土壤微生物群落和生态系统产生影响。
本文将探讨表面活性剂对土壤微生物的影响及其生态效应。
表面活性剂对土壤微生物的影响表面活性剂的存在可能会对土壤微生物的生态系统、群落和代谢过程产生不同程度的影响。
具体来说，表面活性剂可能会对土壤微生物对有机物的生物降解、氮循环、微生物群落组成和土壤酶活性等方面产生影响。
首先，表面活性剂的存在可能会对土壤中的生物降解和生物处理能力产生影响。
表面活性剂可以通过促进微生物的代谢活动和生物质转化来改善土壤中的有害物质。
但是，表面活性剂具有较高的毒性，在一定浓度下会抑制微生物的降解能力。
实验结果表明，部分阴离子表面活性剂可以抑制土壤微生物代谢和降解有机物的通路。
这可能导致有机物的积累，进而影响土壤的品质和肥力。
其次，表面活性剂可能会影响土壤中氮素转化的生物过程。
氮素是土壤生态系统的重要组成部分，其转化对土壤肥力、植物生长和有机物的降解都具有重要的影响。
通过加入表面活性剂，可以提高土壤微生物对氨的利用效率，促进氨的硝化过程。
但在长期使用情况下，表面活性剂可能会改变土壤微生物群落结构和资源的利用方式。
这可能导致土壤氮素经过转化过程变得不稳定，进而影响土壤肥力和作物生长。
表面活性剂的存在也可能影响微生物群落组成和土壤酶活性。
微生物群落结构的改变可能会影响土壤生态系统的整体稳定性和耐荒性。
此外，表面活性剂也会影响土壤酶的结构和功能。
研究表明，长期使用表面活性剂的土壤和水环境中，酶活性明显降低，土壤中其他元素的利用率也明显降低。
表面活性剂的生态效应表面活性剂的广泛使用可能会对土壤微生物群落和整体生态系统产生一系列负面影响。
这包括：1. 土壤质量下降：表面活性剂的存在可能导致土壤微小孔隙的堵塞，影响土壤的通透性和空气透气性，进而限制根系生长和土壤肥力。
专论与综述生物表面活性剂对微生物生长和代谢的影响钱欣平1 阳永荣 孟 琴(浙江大学联合化学反应工程研究所 杭州 310027)摘要:综述了生物表面活性剂在微生物生长和代谢过程中的影响。
根据其分子结构特征,系统分析了生物表面活性剂通过与难溶底物和微生物细胞之间的相互作用促进烷烃摄取的机理,利用该机理可以合理解释生理现象。
生物表面活性剂还在参与细胞代谢活动的过程中发挥特殊功能。
关键词:生物表面活性剂,糖脂,鼠李糖脂,烃类发酵中图分类号:Q93 文献标识码:A 文章编号:025322654(2002)0320075204生物表面活性剂是生物(主要是微生物)生成的低分子量表面活性剂,包括糖脂、多糖脂、脂肽、脂蛋白以及中性类脂衍生物等。
它们的分子结构由两部分组成,一部分是疏油亲水的极性基团,如单糖、聚糖、氨基酸、肽和磷酸基等,另一部分是由疏水亲油的碳氢链组成的非极性基团,如饱和或非饱和的脂肪醇及脂肪酸等。
正是由于具有这种既亲油又亲水的两亲性分子结构,生物表面活性剂才能具有分散、加溶、润湿、渗透等性能,但它们的生理功能还不是很清楚[1]。
虽然大多数的生物表面活性剂被看作是次级代谢产物,但它们对微生物的生长却具有重要作用。
例如,烃类的难溶性使得摄取烃类的微生物在生长过程中往往伴随着生物表面活性剂的生成,它们的作用主要是使烃类在水溶液中有效扩散,并渗入细胞内部被同化分解。
另一方面,生物表面活性剂可以通过调节细胞表面的疏水性能来影响微生物细胞与烃类之间的亲和力。
除此之外,很多生物表面活性剂具有杀菌活性,并在细菌滑动穿越界面的活动中以及适应恶劣环境的代谢过程中发挥特殊作用。
几乎所有这些生物功能均与它们的两亲性分子特征相关。
1 促进难溶底物的分散与吸收烃降解酶往往嵌入于细胞质膜中或存在于细胞内,烃类底物必须通过外层亲水细胞壁进入细胞内,才能被烃降解酶作用。
因此,烃的疏水性是限制烃被摄取的主要因素,而生物表面活性剂的作用正是促使烃被动扩散进入细胞内部。
生物表面活性剂研究生物表面活性剂是指天然有机大分子化合物，能在生物体表面形成具有表面活性的亲水性和疏水性的结构。
它能够在生物体表面形成一层稳定的薄膜，调节细胞的菌落形成、降低细胞受到外界环境的损害和细胞膜的液态性质，它的功能十分重要。
近年来，随着科技的不断进步，生物表面活性剂研究的意义更加突出。
广泛应用于食品工业、日化用品、环境治理、医药领域以及油脂和气体开采等方面，它的研究将会对人类社会的发展带来极大的推动。
下面我们简单谈一谈生物表面活性剂研究的现状和前景。
生物表面活性剂的来源生物表面活性剂具有多个来源，包括微生物、普通草本植物、动物、环境等。
在微生物群体中，特别是革兰氏阳性菌中，生物表面活性剂的种类和含量都较高，被大量关注和应用。
除了微生物产生的表面活性剂外，一些天然植物，如咖啡豆壳等，也含有表面活性剂成分，草本植物中含有大量的黄酮类化合物和角鲨烷类化合物，这些化合物可以提取到表面活性剂成分。
动物中代表性物种是皮脂，其组成部分相似于一些表面活性剂，可以提取到皮脂酸等表面活性剂成分。
研究现状生物表面活性剂的研究始于20世纪，然而表面活性剂的结构与性质在很长一段时间内并不清楚。
直到近年来，随着基础科学的不断深入，人们开始关注生物表面活性剂的兴趣。
研究人员首先寻找生物体中的表面活性剂成分，并对成分进行分离、提取、纯化和表征，获得了对表面活性剂分子结构与性质的深入认识。
人们开始逐步探索表面活性剂的制备工艺、应用范围以及安全性等问题。
现在，生物表面活性剂已被广泛应用于海洋油污、污泥处理、食品添加剂等多个领域。
研究前景开发生物表面活性剂是一项有前途的研究，在生物界中，表面活性剂与超分子化学的关系十分密切，因为它们都涉及分子间的相互作用。
生物表面活性剂的研究将增加表面活性剂的来源，产生新的表面活性剂成分，同时也可以提高表面活性剂的使用效率。
开发生产和应用生物表面活性剂的技术和产品将会推动科学和技术的发展，为复杂的环境中提供保护和改善措施。
简述生物表面活性剂在环境生物工程中的应用摘要：地球正在以各种方式向人们释放信号，对环境污染造成的严重后果进行警告，环境生物工程建设在保护自然、治理污染、美化环境等方面发挥着重要作用。
表面活性剂是环境生物工程处理各种问题经常用到的一种物质，有的是通过化学反应将化学成分合成的，有的是生物代谢过程中产生，也就是生物表面活性剂。
两者相比，生物表明活性剂具有多方面的优势，比如效率高、成本低、不会破坏环境等等，提高了环境工程建设的质量和效益。
关键词：生物表面活性剂；环境生物工程；应用引言化学表面活性剂在过去的环境工程中发挥着重要的作用，但是其对周围环境的破坏和对人们生活的不利影响不容忽视，同时无法充分保障环境工程的效益。
目前，无论是国家层面，还是普通百姓，对环境问题的重视程度和认知都在不断加强，化学表面活性剂正在逐渐失去市场，取而代之的是更为生态、环保的生物表面活性剂，不仅在功能、效果上不输于甚至更强于化学表面活性剂，在成本方面也更低，而且生物作为大自然生物链中的一环，其参与到环境处理中是符合自然发展规律的，能够最大程度的减少对环境的不良影响。
一、生物表面活性剂概述生物表面活性剂作为一种微生物的代谢产物，是微生物在不断进化和运动的过程中产生的具有表面活性的物质，其不仅具有传统活性剂的功能，还具有很多传统活性剂不具备的优势，使用范围广泛，比如工业生产、农业生产、食品工程、环境工程等领域。
其最突出的价值就是在环境保护、污染处理方面的应用，可对有机污染进行降解，且不会产生其他有害环境的物质。
那么，哪些微生物可以代谢生成这种物质呢，据研究，这样的微生物主要包括三类：细菌、真菌、酵母菌，其生产菌一般可从被油类污染的自然环境中获取，比如遭受油污染的海洋或其他水域以及油污染的土壤，通过科学的筛选方式就可以得到[1]。
由此可见，微生物的获得渠道并不难找，也无需耗费大量资金。
本文对生物表面活性剂的种类以及微生物来源进行了总结，如图1。
生物表面活性剂及其应用*马歌丽1**彭新榜1 马翠卿2 许 平2(1郑州轻工业学院食品与生物工程系 郑州 450002 2山东大学微生物技术国家重点实验室 济南 250100)摘要 生物表面活性剂是由微生物产生的一类具有表面活性的生物化合物,除具有化学合成表面活性剂的理化特性外,还具有无毒、能生物降解等优点,其应用前景非常广阔,并有可能成为化学合成表面活性剂的替代品或升级换代品。
简述了生物表面活性剂的历史、特性、种类及应用研究进展。
关键词 生物表面活性剂收稿日期:2002-07-10*河南省教育厅自然科学研究项目资助(20011800006)**电子信箱:mageli123@表面活性剂(Surfac tants)是一类重要的化工原料,素有/工业味精0之称,它在石油工业、环境工程、食品工业、精细化工等许多领域中占有特殊和重要的地位[1]。
目前,几乎所有的表面活性剂都是以石油为原料化学合成而来,化学合成的表面活性剂在生产和使用过程中常常会带来严重的环境污染问题。
生物表面活性剂(Biosurfactants)是表面活性剂家族中的后起之秀,它是由微生物所产生的一类具有表面活性的生物大分子物质[2]。
与化学合成的表面活性剂相比,生物表面活性剂除具有降低表面张力、稳定乳化液和增加泡沫等相同作用外,还具有一般化学合成表面活性剂所不具备的无毒、能生物降解等优点。
生物表面活性剂的这些特性尤其适合于石油工业和环境工程,如石油的生物降粘、提高原油采收率、重油污染土壤的生物修复等[3]。
另外,生物表面活性剂作为天然添加剂,在食品工业、精细化工、医药和农业等工业方面也愈来愈受到人们的青睐。
随着人们崇尚自然和环保意识的增强,生物表面活性剂将有更加广阔的应用前景,并有可能成为化学合成表面活性剂的替代品或升级换代品。
1 生物表面活性剂的研究历史[4]早在20世纪40年代,Zobell 在研究硫酸盐还原细菌从沙粒中释放原油的机制时就指出,微生物产生表面活性剂是细菌驱油的主要机制之一。
生物表面活性剂在环境生物工程中的应用摘要：本文探讨了生物表面活性剂在环境生物工程中的应用，包括其基本概念、应用领域、难点和问题，以及加强其应用的有效策略。
生物表面活性剂是一类具有广泛用途的生物分子，可用于改善环境生物工程过程的效率和环境友好性。
然而，应用过程中存在一些挑战，如生物表面活性剂的生产和稳定性问题。
本文强调了合理设计和选择生物表面活性剂、优化生产过程以及监测环境影响的重要性，以促进其在环境生物工程中的应用。
关键字：生物表面活性剂；环境生物工程；应用引言生物表面活性剂是一类具有生物活性的化合物，可以在界面上降低表面张力，广泛应用于环境生物工程中。
这些分子可以改善污水处理、油污清洁、生物降解等过程的效率，从而有助于环境保护和可持续发展。
本文将探讨生物表面活性剂的基本概念、在环境生物工程中的应用、面临的挑战以及加强其应用的策略。
一．生物表面活性剂的基本概念生物表面活性剂是一类分子，它们在生物体内发挥关键的结构和功能调节作用。
这些分子通常具有双亲性质，即同时具有亲水性和疏水性。
生物表面活性剂的分子结构通常由一个亲水性头部和一个疏水性尾部组成。
头部通常是极性或带电的，而尾部通常是非极性的。
这种结构使得它们能够在生物体内调节液体界面的性质，包括细胞膜、胶体系统和组织液中的界面。
这些分子在生物体内有多种功能。
它们可以降低液体界面的表面张力，使得生物体内的液体能够更容易流动，有助于维持正常的生理过程。
生物表面活性剂在细胞膜中起着关键作用，帮助维持细胞结构和功能。
它们形成脂质双层，是细胞膜的主要组成部分之一。
生物表面活性剂还可以稳定胶体系统，如乳液和胶体悬浮液，通过包裹和分散疏水性颗粒或分子，防止它们聚集和沉淀。
这对于维持某些生物体内的液体结构至关重要。
生物表面活性剂通常对生物体相容性较高，因为它们在生理条件下能够与生物体的其他分子相互作用，不会引起严重的毒性或免疫反应。
二．生物表面活性剂在环境生物工程中的应用2.1油污染治理生物表面活性剂可以与石油烃类物质相互作用，改善石油烃类物质与水相互作用的特性，从而增强微生物对油污的降解能力。
环境工程中生物表面活性剂的应用彭诗阳发布时间：2021-08-18T07:10:09.865Z 来源：《防护工程》2021年13期作者：彭诗阳[导读] 二十一世纪之后，中国出现了越来越多的关于生物表面活性剂的调查，该领域得到了突飞猛进的成长。
虽然进步明显，但是国内外发展状况差距较大，在国外已经有很多国家申请了关于生物表面活性剂的专利,像是作为胞外生物乳化剂的物质乙酸钙不动杆菌，现已在市面上销售；湖南鑫恒环境科技有限公司摘要：所谓的生物表面活性剂，指的是微生物存在于合适的生长环境内，在其代谢环节产生的代谢物质具有表面活性的特征。
和那些化学合成表面活性剂的物质对比发现，生物表面活性剂的优势十分明显。
因为化学合成表面活性剂会被原材料、价格、产品性能影响，此外其生产和应用都会对环境带来危害，还会损伤人们身体健康。
此次研究的重点就是对生物表面活性剂应用到环境工程的情况进行探究。
关键词：生物表面活性剂；环境工程；环保二十一世纪之后，中国出现了越来越多的关于生物表面活性剂的调查，该领域得到了突飞猛进的成长。
虽然进步明显，但是国内外发展状况差距较大，在国外已经有很多国家申请了关于生物表面活性剂的专利,像是作为胞外生物乳化剂的物质乙酸钙不动杆菌，现已在市面上销售；而中国关于生物表面活性剂的调研时间晚，不过好在中国对该领域的研究十分重视,现在我国取得成果最丰硕的当属“生物表面活性剂在提高石油采收率以及生物修复中的应用”。
1生物表面活性剂的种类及其生产菌1.1生物表面活性剂的种类通常情况下化学合成表面活性剂的分类方式是判断它们极性基团性质，如果是生物表面活性剂就依靠它们生化性质、生产菌差异加以区分。
目前的生物表面活性剂基本由以下几种，分别是糖脂、磷脂和脂肪酸、脂肽和脂蛋白、聚合物和特殊表面活性剂。
1.2生物表面活性剂的生产菌细菌、酵母菌、真菌代谢物共同组成了大部分的生物表面活性剂。
以上生产菌的来源基本上是从被油污染的湖泊、土壤、海洋等环境得到的。
生物表面活性剂的研究与开发随着科技的不断发展，对生物表面活性剂的研究越来越深入。
生物表面活性剂是指广泛存在于各种微生物表面的一类化合物, 它们具有表面活性性质，可以在水溶液中形成胶束结构。
相较于化学合成表面活性剂，生物表面活性剂具有生物可降解性、毒性低以及在处理某些废弃物流程中的优点。
因此，逐渐成为一种非常热门的研究领域，也被广泛应用于医药、农业、环保等领域。
1. 生物表面活性剂的征象生物表面活性剂是一群以羟基脂肪酸和脂肪酸类球形分子为主要成分的高分子物质。
常见的产生表面活性剂的微生物有绿脓杆菌、乳杆菌、假单胞菌等。
生物表面活性剂通常可以分为两类，一类是内生菌株产生的表面活性剂，另一类就是外源菌株产生的表面活性剂。
2. 生物表面活性剂的优点由于其与化学合成表面活性剂在生产、使用等方面存在巨大的差异，使得在生物组中应用生物表面活性剂具有如下优点：(1) 生物可降解性：生物表面活性剂是由微生物生产合成的统合物质, 与化学合成表面活性剂不同, 其降解成产物有机溶剂和二氧化碳等,降解过程无需其他辅助物质, 不会对环境造成二次污染;(2) 对环境、机体的污染低：其降解产物为二氧化碳和水等生物体正常代谢产物，因此不会对环境造成二次污染;(3) 生产成本低：与传统的化学合成表面活性剂不同，生物表面活性剂以廉价的油脂、废油为基础原料, 避免了环境污染;(4) 应用范围广: 由于生物表面活性剂之间可以相互调节，且应用领域五花八门（医药、环保、农业等），因此应用范围较为广泛。
3. 生物表面活性剂在医药领域的应用生物表面活性剂在医药领域中的应用一直受到广泛关注。
研究表明，生物表面活性剂具有良好的抗菌、抗病毒等生物学活性；可以促进药物吸收，增强药效；缓释剂量；对组织细胞有保护作用。
4. 生物表面活性剂在环境领域的应用目前应用生物表面活性剂处理油污、色谷醇类农药、重金属离子以及印染废水等领域得到广泛运用，并且取得了应用效果良好的应用效果。
生物表面活性剂在环境生物工程中的应用微探摘要：生物表面活性剂是一种生物制剂物品，具有天然保护作用，其源于特殊条件下对生物进行培养，由生物产生的代谢产物。
在环境生物工程中具有重要应用价值，不仅能够减少环境污染，改善水源，优化生态，还可以提升我国环境生物工程研究水平。
基于此，本文对生物表面活性剂在环境生物工程中的应用进行分析，希望促进生态环境质量和生物研究工作的提升关键词：生物表面活性剂；环境生物工程；污染；应用生物表面活性剂具有发泡、分散、乳化、增溶等特性，对土壤污染、水源污染、生物修复以及含油污泥等方面的处理效果显著。
且具有低成本、高效率等优势，受到各行各业的广泛关注，尤其受到生物系统、水资源、植物资源等领域的重视。
其可以维护生态环境，净化污染，实现人与自然的和谐相处。
在化学物品和工业污染物的大肆污染下，加强生物表面活性剂的应用有着重要的现实意义。
1.污水处理在环境工程当中，生物表面活性剂对于废水处理具有独特优势。
具体污水处理原理为：利用活性污泥微生物菌裙，将废水中的重金属离子消除，并中和水中毒性元素，进而实现污水预处理[1]。
通过生物表面活性剂与吸附-浮选法的充分结合，将污水中含有的镉离子等元素有效去除。
且利用生物活性剂化除污水的离子浮选，进而全面消除污水中的污染物质。
从当前污水整体处理情况来看，对于污水中的重金属离子，一般使用氢氧化物沉淀法进行处理。
具体原理为：氢氧化物对重金属离子进行溶解。
但实际应用上看，污水处理效果较差，不符合处理标准。
有人尝试着使用浮选法对重金属离子进行溶解，溶解效果达到预期，但是水源出现二次污染。
这两种方法都有局限，不能充分满足污水处理要求。
而生物表面活性剂可以实现两者的优势统一。
其不仅能够有效去除重金属离子，而且不会导致水源二次污染。
随着研究不断深入，生物表面活性剂的应用优势受到越来越广泛的关注和重视。
1.生物修复生物表面活性剂对微生物修复方面也有巨大作用，其可以改善污染物-水-微生物细胞界面的接触行为，进一步提升疏水性有机物质的亲水性、细胞膜的疏水性，从而有效提升土壤中微生物对污染物质的降解速度和利用效果，且不会破坏土壤结构和微生物的生长[2]。
专论与综述生物表面活性剂对微生物生长和代谢的影响钱欣平1 阳永荣 孟 琴(浙江大学联合化学反应工程研究所 杭州 310027)摘要:综述了生物表面活性剂在微生物生长和代谢过程中的影响。
根据其分子结构特征,系统分析了生物表面活性剂通过与难溶底物和微生物细胞之间的相互作用促进烷烃摄取的机理,利用该机理可以合理解释生理现象。
生物表面活性剂还在参与细胞代谢活动的过程中发挥特殊功能。
关键词:生物表面活性剂,糖脂,鼠李糖脂,烃类发酵中图分类号:Q93 文献标识码:A 文章编号:025322654(2002)0320075204生物表面活性剂是生物(主要是微生物)生成的低分子量表面活性剂,包括糖脂、多糖脂、脂肽、脂蛋白以及中性类脂衍生物等。
它们的分子结构由两部分组成,一部分是疏油亲水的极性基团,如单糖、聚糖、氨基酸、肽和磷酸基等,另一部分是由疏水亲油的碳氢链组成的非极性基团,如饱和或非饱和的脂肪醇及脂肪酸等。
正是由于具有这种既亲油又亲水的两亲性分子结构,生物表面活性剂才能具有分散、加溶、润湿、渗透等性能,但它们的生理功能还不是很清楚[1]。
虽然大多数的生物表面活性剂被看作是次级代谢产物,但它们对微生物的生长却具有重要作用。
例如,烃类的难溶性使得摄取烃类的微生物在生长过程中往往伴随着生物表面活性剂的生成,它们的作用主要是使烃类在水溶液中有效扩散,并渗入细胞内部被同化分解。
另一方面,生物表面活性剂可以通过调节细胞表面的疏水性能来影响微生物细胞与烃类之间的亲和力。
除此之外,很多生物表面活性剂具有杀菌活性,并在细菌滑动穿越界面的活动中以及适应恶劣环境的代谢过程中发挥特殊作用。
几乎所有这些生物功能均与它们的两亲性分子特征相关。
1 促进难溶底物的分散与吸收烃降解酶往往嵌入于细胞质膜中或存在于细胞内,烃类底物必须通过外层亲水细胞壁进入细胞内,才能被烃降解酶作用。
因此,烃的疏水性是限制烃被摄取的主要因素,而生物表面活性剂的作用正是促使烃被动扩散进入细胞内部。
生物表面活性剂促进烃吸收的作用在许多实验中均得到证实[2]。
例如,1,500mg/L 的十八烷烃在300mg/L鼠李糖脂的作用下,扩散浓度提高了4个数量级,使20%的十八烷烃在84h内被P.areuginosa降解,而在没有鼠李糖脂存在的情况下,仅有5%的十八烷烃被利用。
另外,P.areuginosa的一株缺陷型菌株无法利用石蜡进行生长,合成的鼠李糖脂明显较少,但加入少量鼠李糖脂可以修复它利用石蜡的能力。
实验发现[3],低浓度的鼠李糖脂促进十八烷烃扩散的能力明显优于高浓度的鼠李糖脂。
研究鼠李糖脂浓度与十六烷烃生物降解速率的关系曲线,结果在1～50mg/L范 收稿日期:2001201212,修回日期:2001203230围内与50～500mg/L范围内,呈现出两种不同的线性关系,在较低的浓度范围内,十八烷烃可以被更快地利用。
分析认为[4],生物表面活性剂可以通过两种途径来提高有机物的生物可利用率。
一种途径在较低浓度下,显著降低界面张力,使烷烃得以有效扩散,增大油/水界面面积,从而便于细胞与较大油滴之间的直接接触。
另一种途径是利用表面活性剂的增溶作用,即当活性剂浓度大于临界胶束浓度(C MC)时,自由单体浓度不再增加,而是形成胶团,将有机物分子加溶在胶团中,然后被细胞吸收并降解。
表面活性剂的浓度进一步增加时,溶液的表面张力几乎不再下降,而溶液中的胶团数目和尺寸却随之增加。
表面活性剂的浓度越大,胶团形成得越多,难溶物也就溶解得越多。
另外,微生物在烃类培养基中生长时,细胞结构明显不同[5]:胞内发生烷烃的累积,在它们的外面有一层特殊的膜状复合物;细胞的外表面变得不规整,出现褶皱。
根据以上事实推测,在生物表面活性剂的作用下,细胞壁的外表面出现一种特殊的吸收系统,将加溶了难溶底物的胶团直接运至与膜结合的酶系统或运入细胞内部。
生物表面活性剂胶团加溶难溶有机物的现象十分复杂,在不同条件下可以形成多种胶团结构,胶团的大小与形状主要取决于表面活性剂的分子结构与浓度[6]。
疏水基碳原子数的增加将导致表面活性剂的亲油性增加,在水溶液中的胶团尺寸相应增加, C MC也下降。
在活性剂浓度刚刚超过C MC时,胶团大多呈球状,极性基处在胶团外壳与水直接接触;当活性剂在溶液中的浓度为10倍于C MC或更高时,从能量角度来讲形成球状是不利的,这时棒状胶团具有更高的热力学稳定性;当活性剂的浓度更高时,就会形成巨大的层状胶团。
另一方面,活性剂分子中亲水头部与疏水尾部的相对大小决定了胶团的形状。
头部较大者易形成球状,头部较小、尾部较短者易形成棒状,而具有较长尾部的活性剂往往形成胶囊状胶团。
除了表面活性剂本身的性质与浓度之外,温度、无机盐、离子强度以及pH等均可以对C MC和胶团性质产生影响,进而影响烃类的分散及生物降解[7]。
例如,pH通过影响溶液中表面活性剂的聚集形式来影响烃类的扩散。
在pH710,烷烃被插入胶团粒子中,烷烃的扩散最充分;在pH710～610,表面活性剂形成层状胶团,烷烃的扩散程度急剧下降;在pH610～515,表面活性剂形成胶囊状胶团,烷烃的扩散程度再次提高。
微生物在生长过程中,往往生成多种结构型式的表面活性剂,这可能是微生物适应环境能力的表现[8]。
由于环境对胶团的性质会产生影响,微生物便通过调节多种活性剂的组成分布,来保证烷烃得到最大程度的分散。
如鼠李糖脂具有脂肪酸型和甲酯型两种存在形式:脂肪酸型的疏水端含有羰基基团,它携带的一个负电荷增强了鼠李糖脂和水的作用,减弱了和烷烃的作用,因此其水溶性很好,但在降低界面张力方面不是很有效;相反,甲酯型的疏水端多一个碳原子,形成胶团的尺寸较大,具有较低的C MC,可以产生更低的表面和界面张力。
这样微生物就可以通过调节脂肪酸型和甲酯型两种形式鼠李糖脂的浓度,兼顾水溶性和亲油性两个矛盾,最大程度地适应各种不同环境。
2 调节细胞表面与难溶底物之间的亲和力一些菌种合成的生物表面活性剂对其它菌种在烃类培养基中的生长没有影响甚至产生抑制作用;烷烃的生物降解不仅取决于生物表面活性剂的性质与用量,还与细胞的性质和浓度密切有关;理想的分散状况并不总是对应着较高的生物降解速率[9]。
这些说明生物表面活性剂在微生物摄取烃类的过程中,不仅仅具有分散烃类的能力,还应该从细胞、生物表面活性剂、烃三个方面来分析。
油滴与细胞的直接接触常常是主要的烃吸收机制,而细胞表面的疏水性是决定细胞与烃类液滴接触的关键性质。
烷烃的快速降解者具有较高的细胞疏水性,对烃类具有更高的亲和性,可以更加有效地利用烃类。
而生物表面活性剂可以提高慢速降解者的细胞疏水性,并直接影响生物降解速率。
生物表面活性剂分子可以利用它们的亲水基或疏水基锚定于微生物细胞表面,将另一端暴露在外面,形成控制细胞表面疏水性或亲水性的调节膜。
微生物也可以分泌生物表面活性剂于外部介质中,通过改变吸附界面的特性来调节细胞与界面之间的亲和力。
如将疏水界面转换为亲水性质,使其只能与亲水细胞发生相互作用。
吸附于界面上的微生物能够通过释放细胞表面的全部或部分表面活性剂来实现脱附,这些表面活性剂将被留在界面上或介质中[10]。
3 其它生理功能生物表面活性剂并不一定要在难溶性烷烃诱导作用下才能合成[2]。
例如:Bacillus subtilis只能利用水溶性基质产生生物表面活性剂;而T1apicola产生的糖脂没有刺激菌种在烃类基质中生长的能力;不能利用十六烷烃生长的缺陷型菌株,当在葡萄糖培养基中生长时,却可以产生两倍数量的鼠李糖脂,而乳化作用在这一培养过程中显然是不必要的。
这些现象意味着生物表面活性剂除了可以促进难溶底物的摄取,还有其它生理功能。
生物表面活性剂往往具有抗菌活性。
如Itoh实验室分离得到的鼠李糖脂具有一定的抗菌、抗病毒和抗枝原体的性能[11]。
这可能仍与它们的两亲性分子特征直接相关。
即利用生物表面活性剂溶解异源细胞膜的主要成分来实现杀菌功能,或者通过改变环境的界面性质,使环境更有利于自身的生存。
生物表面活性剂的过量合成往往需要培养基中含有大量的碳源,以及一些限制性条件,如限制性氮源、限制性Mg2+等[12]。
从代谢的角度分析,培养基中碳比氮多时,细胞生长将持续到氮源耗尽。
当细胞不再生长,需氮的生物合成反应亦不再进行时,碳仍可运入细胞,在细胞中经糖解或烃氧化,发生脂肪酸的累积。
但当胞内脂肪酸浓度大于某一极限量时,细胞就不再能忍受其毒性。
因此,脂肪酸与糖苷、氨基酸、磷酸基等结合,从而生成了各种生物表面活性剂。
也就是说,生物表面活性剂是微生物调节自身代谢过程的一种产物。
以石蜡等烃类作为发酵基质的微生物在限制性生长条件下和代谢转换过程中,生物表面活性剂常常作为碳源和能量的储备物质发生累积,当细胞处于极度饥饿状态时,它们又会被氧化分解[13]。
这类物质包括海藻糖脂、脂肽、脂肪酸等。
而且微生物不能利用鼠李糖脂进行生长,但是它在生长后期也会发生降解,具体原因还不清楚。
另一方面,生物表面活性剂对微生物的生长并不总是有利的。
在中性环境中,低浓度的阴离子型表面活性剂与烃结合形成的复合物带有负电,它与带负电的细胞壁产生静电排斥,从而强烈抑制细胞与烃的亲和,反而抑制了细菌的生长[8]。
另外,细胞与生物表面活性剂分子长期接触,不仅会对膜结构造成一定的破坏,还将引起膜活性的改变,干扰正常的摄取同化机制。
借助于代谢工程和基因工程的相关知识,确定具体的生物合成路径将有助于了解生物表面活性剂的生理功能。
生物表面活性剂中脂肪酸部分的合成单体或者是乙酰C oA 或者是烃的氧化中间体,乙酰C oA 是关键的合成中间体。
在研究鼠李糖脂合成的相关基因时,利用分子克隆及核苷酸序列分析技术,首先选育出鼠李糖脂合成的缺陷型菌株,分离得到鼠李糖脂生物合成的相关基因,然后将其与野生型菌株的基因实行基因互补。
分析发现,当鼠李糖脂的合成单体(T DP -鼠李糖和相应的脂肪酸)在细胞内已经存在时,鼠李糖脂的最终合成将被鼠李糖苷转移酶所催化。
这类酶共有两种,负责催化四种鼠李糖脂的生成。
而鼠李糖苷转移酶由rhlAB 基因编码,与rhlAB 基因位于同一个操纵子上的rhlR 基因和rhlI 基因顺序排列,负责调控rhlAB 基因的表达。
RhlR 调控蛋白的活性受细胞密度以及由RhlI 蛋白形成的一种自诱导剂的影响。
rhlI 基因缺陷的变异菌株不能合成鼠李糖脂[14]。
目前,关于生物表面活性剂合成的分子生物学研究只是处于初期阶段,进一步的遗传学和酶学研究将有助于详细了解它们生物合成的调控机理,从而最终确定它们的生理功能。
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