生物表面活性剂及其在地下水污染修复领域的应用与展望*

张文静 梁振天

(1.吉林大学新能源与环境学院，吉林 长春 130012； 2.吉林大学地下水资源与环境教育部重点实验室，吉林 长春 130012)

表面活性剂是一种一端亲油一端亲水的活性分子[1]。化学表面活性剂常会乳化其他有毒物质而增强毒性[2]。研究发现，洗衣粉会对蚤类运动产生影响，甚至造成大量死亡[3]。生物表面活性剂(BS)具有无毒无害、生物特性良好的特点[4]，适应范围广，分子结构类型多样，表面性能优异，可生物降解，适用于极端条件，生物相容性好，一般不会过敏[5]。但BS在一定条件下会影响降解细菌群落的生存，影响土著微生物的群落发育。自然环境中，微生物如果受到外部环境的影响会发生应激反应，这种情况下分泌的BS对其他微生物往往有害，通过抑制其他不利因素获得竞争优势(偏害共栖)[6]。类似的研究还发现，一定结构的BS会抑制某些真菌和细菌的生长[7]，因此实际应用中BS的选择仍需进一步研究，不当使用BS可能会破坏土著微生物的生存环境。

BS达到一定浓度时会形成胶束，从而表现出新的特性，该浓度称为临界胶束浓度(CMC)。由于BS具有活化特性，石油污染行业应用广泛。BS可与重金属发生络合作用，增强植物的吸收。在地下水中，BS还可促进重金属物质的迁移，增加其与植物、微生物的接触，最终被微生物和植物吸收去除。

将BS应用于地下水修复是一个很好的研究思路。因此，本研究系统总结BS在地下水修复领域的应用，重点介绍BS在去除石油烃污染和重金属方面的科学研究(包括BS的分类及特性、生产底物和修复机理等)，并对其与新技术和新材料的结合进行展望。

1 BS分类及特性

据活性剂结构特征和对应的来源微生物，BS主要分为糖脂类、磷脂类、脂肽类和有机高分子表面活性剂类[8]。现阶段研究和应用最广泛的BS是糖脂类，其代表为鼠李糖脂、槐糖脂和海藻糖脂[9]。

确定BS产生菌的菌群特点和菌群类型，有利于确定天然条件下污染场地中可能存在的BS及其和土著微生物的作用情况，同时还有利于通过生物工程技术生产BS。常见BS微生物来源及分类见表1。

表1 常见BS微生物来源及分类

1.1 糖脂类

糖脂类BS在生物降解性、毒性、表面活性方面性能更优异，研究测试了其对鱼卵和多种菌类的毒性，发现几乎不存在毒性[10]。糖脂类BS可很好地跟微生物技术结合，其作用机制主要是由于糖脂类BS可改善细胞表面的疏水性，同时还能增加脂多糖的释放[11]，这一性质实现了疏水性的中和，意味着可通过糖脂类BS实现亲水疏水物质的融合。糖脂类BS还可改变细胞表面的电荷性质[12]，而微生物对于有机物的一部分作用机制恰恰是利用电子转移实现氧化或还原。

鼠李糖脂是一种主要由绿脓杆菌产生的生物代谢性的BS，是目前研究最多的糖脂类BS，在环境修复中应用十分突出。它主要是经植物油碳源发酵产生。该类BS能显著降低表面张力，水、油水表面张力一般可分别降至30、1 mN/m左右，这对于非水溶性有机污染物的溶解十分有利。单糖、双糖双脂型鼠李糖脂的CMC分别为40、5 mg/L[13]，较低的CMC决定了鼠李糖脂在保障修复效果的情况下需求量较小，间接降低了成本。

海藻糖脂主要是由红球菌和放线菌(Actinomycetes)分泌产生，其亲水端为海藻糖，疏水端为脂肪酸。当生产底物包含正十六烷时其产率最高。海藻糖四脂是最常见的海藻糖脂。海藻糖四脂的CMC一般为37 mg/L，可降低水表面张力达到27.9 mN/m。

槐糖脂主要来自酵母菌(Saccharomyces)类微生物，是目前公认最具有应用前景的一类BS。槐糖脂产量较高，CMC一般为40～100 mg/L。

1.2 磷脂类

磷脂类BS是含磷酸根的单脂衍生物，两端分别为亲水的含磷头和疏水的长烃基链。磷脂类BS以薄膜状包裹在油滴表面，同时也可和水分子产生一定的吸引力，这一作用降低了水油两相的界面能，使水油快速混合成均匀稳定的乳化液。磷脂类BS一般不溶于水，但吸水能力强，亲水疏水平衡值(HLB)可达10，吸水后形成胶束[14]。

1.3 脂肽类

脂肽类BS是微生物发酵过程中产生的次级产物，疏水基团一般是脂肪酸类，亲水基团是肽链或肽环。主要产生于芽孢杆菌(Bacillus)。脂肽类BS的CMC通常仅为9×10-5mol/L[15]，但受其生产水平限制，应用不广泛。

1.4 有机高分子表面活性剂类

有机高分子表面活性剂类BS多产生于醋酸钙不动杆菌(Acinetobactercalcoaceticus)，是一种两性胞外聚阴离子生物活性剂[16]，由亲水的多糖链和亲油的脂肪酸链组成，分别可降低水面、界面张力至27.0、3.0 mN/m，在稳定乳化液方面性能优异。

2 BS生产底物

BS生产底物多样，类似于碳氢化合物、植物油、乳制品等均可作为生产底物[17]。生产底物研究对垃圾和废物的无害化处理和资源化利用至关重要[18]，借助废弃物开发低廉的BS生产底物，可实现垃圾废物再利用。以3%(体积分数，下同)玉米浸泡液和含3%糖蜜的矿物营养液作为BS生产底物，价格低廉且高效[19]。石油加工产生的废物是最直接的生产底物之一，这些废物中包含了大量的营养物质。现阶段不同类型的生产底物中油处理方面底物占比最大，大约35%(质量分数)，其次分别为农业废水废渣、日用品和食品等工业废水[20]。

研究发现，乳清、乳清废料等大量的生产底物可从乳品工业中产生。农业副产物中典型含糖物质(如甜菜根和甘蔗渣)、非典型含糖物质(如水稻秸秆、玉米秸秆等)都是经济有效的生产底物[21]。这一发现实现了废物资源化利用。利用羊脂产生BS的速度较慢，但产物对多种金属都有效果[22]，这主要是羊脂可同时为多种微生物提供生存场所，实现多种BS的混合。微生物生长所必需的碳水和脂类化合物可取自工农业废渣和废水，同时产生的BS进一步溶解废渣，形成良好的正反馈。

当然，生产底物的选择只是解决BS成本问题的一个方面，进一步的研究还可将其与生物工程、高级功能菌株筛选和基因工程相结合，诱导突变体和基因嫁接技术的实施更有利于特异性BS的生产。据报道，曾有人利用基因工程和克隆技术显著增强了假单胞杆菌(Pseudomonsadaceae)生产鼠李糖脂的能力[23]。

3 BS修复地下水污染机理

3.1 地下水中石油烃污染去除机理

BS分子以疏水和亲水分子为单一单体单元存在。随着溶液浓度的增加，这些单体单元在溶剂-BS界面形成小型团聚体的趋势逐渐增大。BS在处理有机污染物时一般会有两种作用机制：增加溶解性和增强可移动性。BS通常以胶束的形式存在，但可进行分离并吸附在土壤表层的污染物上，这个过程需要BS的非极性端必须吸附在水相中的有机污染物上，这样就形成了第三型微球，是一个三相共存的体系，此时的BS端尾恰好被水相和油相包裹。将吸附在固相表面的污染物解吸后，BS疏水端会继续与油滴结合，改变其表面张力形成微乳液进而去除该污染物。BS去除地下水中石油烃污染机理见图1[24]。加入BS后，增溶作用增加了疏水物质的溶解度，并将疏水物质直接转移到原本不可溶的水相中。增溶作用与非极性基团的大小有关，基团越大增溶效果越好，此外浓度仍是一个至关重要的影响因素，通常浓度大于CMC去除效果更好[25]。水相中微生物运移相对自由，微生物可快速吸收有机污染物，并利用其作为营养物质将其降解。

3.2 地下水中重金属去除机理

在处理地下水重金属污染时，BS可表现出离子交换、络合作用，还有反离子结合和端基尾基共同作用。当体系中存在BS时，重金属不易与介质发生作用，迁移能力明显增强。当BS浓度达到CMC时，重金属会形成胶束团聚体与含有BS的淋洗剂一起迁移。同时，BS还可直接与重金属进行竞争吸附点位，实现阴离子交换作用，使重金属从含水层介质中解吸。综合表现就是，BS特殊的结构和带电情况可有效改善重金属和含水层介质的表面性质，从而降低重金属的吸附性。当水流经过时，水流带来的纵向剪切力会将重金属离子带入水中，完成洗脱，此时BS亲水基团会与水形成氢键，增强结合物与水相的联系，加速脱附，效果见图2[26]。虽然BS具有一系列的优良特性，但浓度、温度、作用时间、pH和污染物存在状态均会在一定程度上影响其修复效果[27]。如pH会通过改变重金属的存在形态对其造成影响，而存在形态决定了重金属的生物可利用性[28]，同时也决定了水中的溶解能力。

图1 BS去除地下水中石油烃污染机理Fig.1 Mechanism of removing petroleum hydrocarbon from groundwater by BS

图2 BS去除地下水-土壤界面的重金属机理Fig.2 Mechanism of removing heavy metals from the groundwater-soil interface by BS

4 BS在地下水修复中应用

4.1 BS在有机污染中的应用

石油工业造成的污染是一直存在的，而且毒性较高[29]。地下水修复不仅仅是地下水体的治理，它还包含包气带固液气三相环境和饱水带固液共存环境的治理，特别是含水层介质和水体的污染治理。

WANG等[30]研究发现，BS的加入明显改变了地下水中微生物的降解能力，这一过程主要是依赖BS可增加溶解碳氢化合物来实现，这个过程发生往往还伴随着微生物代谢酶活性的改变。CAMEOTRA等[31]研究发现，加入BS后，原吸附在含水层介质上的多环芳烃(PAHs)被分解成细小的液滴进入液相中，最终被微生物利用。在研究微生物与BS共同作用时，对比发现，柴油污染物中加入BS后，其修复有效时间明显变长，最大降解率上升至88%，而加入化学表面活性剂的降解率在达到50%后变化较小，BS加入后微生物的降解潜能被激发得较明显[32]。ZHONG等[33]研究发现，BS加入后，微生物细胞表面结构的改变增强了细胞的渗透性，即污染物质可快速进入细胞内部发生快速降解，这使得微生物修复地下水中有机污染的效率大大增加。

关于BS多是定性研究。杨建等[34]利用BS去除地下水中轻质非水溶性有机污染物(LNAPLs)时发现，表面张力过大的问题被明显改善，去除效率增强。CAZALS等[35]研究生物表面活性对PAHs的降解作用时发现，加入BS后，菲、芘和苯并芘的增溶率分别为0.214、0.120 4和0.006 8。MANICKAM等[36]研究发现，鼠李糖脂增加了六氯环己基同分异构体的溶解，溶解效果为之前的3～6倍。

这些研究主要揭示了BS在地下水修复中可能存在的作用，主要利用了BS可改变表面张力的性质。在获得这样的研究基础后，研究人员开始将BS应用在修复污染物上，并对其加以改进。PEI等[37]测试了BS加入前后对菲的降解，发现加入BS后，鼠莱素对菲的降解率可达99.5%。还有研究发现，BS与污染物似乎不是绝对对应的。SRIKANTH REDDY等[38]研究发现，他们培养的一株菌不仅可降解汽油和柴油，还能对蒽和芴进行降解。这一研究为BS应用于复合污染场地提供了可能。同样的，KANG等[39]也做了类似的研究，利用槐糖脂修复地下水中的脂肪烃、芳香烃、原油等，总体降解率达到了85%以上。

修复效率和速率限制了BS在场地规模的应用。为突破这些限制，研究者开始尝试多技术的结合。文炜涛等[40]尝试将BS与微生物技术结合，发现在多菌共同作用时，加入脂肽类BS，有机污染物的降解率可达到63.78%。谭文捷等[41]针对土壤和地下水中的PAHs去除进行研究，发现生物的加入使得其去除效率大大提高，这个改观主要是由于加入微生物后，原地丰富的营养物质刺激了微生物代谢污染物并产生BS，从而强化降解土壤和地下水中的PAHs，形成了正反馈。研究人员尝试借助BS更好激发微生物的作用。梁生康[42]利用分离出的绿脓杆菌产生的鼠李糖脂去除土壤和地下水中的石油烃，结果发现，处理后的污染物表现出极强的生物可利用性，使得原位石油污染土壤和地下水更容易修复。这一发现同样为多技术结合提供了指引。余晓倩等[43]利用鼠李糖脂结合空气喷射修复技术对地下水中的苯和氯苯污染进行去除研究，结果发现，加入鼠李糖脂后，表面张力可由71.65 mN/m降低至29.25 mN/m。这一实践的实现机制主要是BS改善了去除拖尾反弹的现象，说明BS在修复实施的开始阶段可为其他技术提供良好的“预处理”。对苯系物降解研究发现，加入鼠李糖脂，地下水中苯系物降解效果均有大幅增强，借用模型模拟得到不同物质所需的最佳配比，这项研究将BS和数据模型进行结合，为工程实施筛选了更合理的条件[44]。同样，实验室的研究也不断地进行筛选，吴小红等[45]采用正交试验改变环境因子对水体污染进行研究，结果发现，鼠李糖脂的加入使得去除效果增加了26%，同时模拟预测了不同污染物不同环境下BS的选择和使用量。

4.2 BS在重金属污染中的应用

自从有了关于BS淋洗重金属实践后，人们更多关注土壤和地下水的重金属联合修复，BS已开始广泛应用于地下水重金属污染修复中[46]。李彩霞[47]研究发现，在高浓度有机物和Cu污染的地下水中加入分离菌株产生的脂肽类BS可显著改变溶液的表面张力，使得水中有机污染发生变性，同时研究还发现，该BS可极大改善Cu的污染。时进钢[48]采用BS和微生物共同作用的方法研究重金属的去除，结果发现：实验产生的BS对重金属有显著的去除效果；尤其实验产生的鼠李糖脂对含水层介质中的Cd、Pb有明显的去除作用，在鼠李糖脂溶液pH为10.0的条件下对重金属的去除效果较好，当鼠李糖脂在含水层介质上的吸附达到饱和时去除效率达到最大；BS对含水层中可交换态Cd、Pb最大去除率可达80.1%和36.5%。BAILON SALAS等[49]研究发现，加入BS后，实验条件下含水层中Pb和Cu的最大去除率可达99.96%和99.62%，但这是在实验室完成的，去除效果与场地规模会有一定的差异。其后，他们借助试验场地进行回归分析，进行模型预测，这一预测将BS修复地下水的研究上升到数学建模层次，具有一定的借鉴意义。

5 结论与展望

(1) BS是一种产生于生物体内、环境友好的有机物质，正在积极应用于地下水有机污染和重金属污染的修复中。现阶段应用不足主要受限于其高成本，对于生产底物的研究正在解决这一问题。

(2) BS修复地下水中有机污染时，其作用机制主要是改变界面能，增强水相有机物的溶解性和吸附在固相表面的有机物的可移动性；BS修复重金属污染时，作用机制主要为竞争吸附点位促进重金属的转移。

(3) 将BS应用于地下水有机污染和重金属的污染的研究发现，其修复效果较好，且二次污染较小，特别是多技术的结合更是优势明显。

(4) 今后的研究，应更多关注技术间的优势互补，与已有成熟技术的结合将大大提高BS修复效果，如利用BS优良的导热性将其与热处理技术结合会有较大的收益；将BS与新材料技术结合，实现定点投放，靶向控制从而实现BS的高效利用和污染物的回收，降低成本；对产BS的微生物进行训化和培养，可使其更高效地产生BS；积极总结前人已取得的研究成果，在场地更好利用BS。

(致谢：感谢本课题组所有成员以及为本研究提供帮助的所有水文地质从业人员和前辈们)