近年來(lái),一些可以降解石油烴的微生物被發(fā)現(xiàn)可以合成生物表面活性劑。業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為,未來(lái)隨著更多生物表面活性劑“助推”的生物修復(fù)技術(shù)的出現(xiàn),石油污染問(wèn)題將會(huì)獲得更多更環(huán)保的解決方案。

找到連接水與油的“橋梁”

當(dāng)人們想將疏水的碳?xì)浠衔锉M可能地溶解到水中時(shí),就需要引入表面活性劑,因?yàn)樗碾p親結(jié)構(gòu)使得它可以同時(shí)親疏水相和水相。當(dāng)表面活性劑被加入含有疏水有機(jī)物的水中時(shí),其分子的兩端會(huì)分別與疏水有機(jī)物和水結(jié)合。

此時(shí),表面活性劑將自身作為“橋梁”,連接水相和疏水有機(jī)物。當(dāng)容器內(nèi)水相的體積大于疏水有機(jī)物的體積,此時(shí)表面活性劑的疏水端向內(nèi)包裹著疏水有機(jī)物微粒,而親水端則向外與水相接觸,進(jìn)而形成了水包油的情況。

反之,水相的體積小于疏水有機(jī)物的體積時(shí),則形成油包水的情況。表面活性劑正是通過(guò)水包油的方式將疏水有機(jī)物溶解至水相內(nèi)的。

需要注意的是,表面活性劑的濃度是影響疏水有機(jī)物增溶情況的重要因素。當(dāng)生物表面活性劑濃度低于臨界膠束濃度(CMC)時(shí),表面活性劑主要以單體形式存在,它的疏水端會(huì)與疏水有機(jī)物發(fā)生結(jié)合,通過(guò)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(jī)物分子的小集體。

當(dāng)生物表面活性劑濃度進(jìn)一步增大并超過(guò)CMC時(shí),表面活性劑會(huì)通過(guò)形成膠束將疏水有機(jī)物包裹起來(lái),外部為表面活性劑親水基團(tuán)的共聚體,進(jìn)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(shí),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(fù)

近年來(lái),生物表面活性劑因其對(duì)疏水烴類的顯著增溶能力以及低毒、可生物降解等優(yōu)點(diǎn),常被應(yīng)用于石油烴污染物的強(qiáng)化修復(fù)中。它可增加疏水有機(jī)物在水中的溶解度,同時(shí)還可以通過(guò)修飾細(xì)胞表面性質(zhì)來(lái)增強(qiáng)細(xì)胞與疏水有機(jī)物之間的親和力。

而這兩種情況均是通過(guò)增加疏水有機(jī)物的溶解度和生物利用度的方式來(lái)提升微生物對(duì)污染物的利用效率進(jìn)而提升處理效果。

微生物的生存離不開(kāi)水,它們從水中攝取所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。因此當(dāng)疏水有機(jī)物在水中的溶解度越高時(shí),微生物就可以攝取越多的有機(jī)物,這提高了疏水性有機(jī)物的生物利用度。生物表面活性劑還可作為能量來(lái)源促進(jìn)微生物的生長(zhǎng),從而進(jìn)一步提高微生物對(duì)有機(jī)物的降解能力。

總之,生物表面活性劑作為一種降解過(guò)程中的輔助物質(zhì),它是通過(guò)增強(qiáng)污染物的生物可利用度等方式來(lái)“助推”石油烴降解微生物對(duì)污染物的生物修復(fù)過(guò)程。只有更多的疏水性有機(jī)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(jī)物可以被微生物所利用才能降低污染物的修復(fù)時(shí)間。

近年來(lái)已有許多將生物表面活性劑運(yùn)用于石油烴修復(fù)的相關(guān)研究報(bào)道。例如,將生物表面活性劑應(yīng)用于受機(jī)油污染的沙子和海水的生物修復(fù),30天內(nèi)可在微生物修復(fù)的基礎(chǔ)上提高20%的機(jī)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(guò)量使用仍會(huì)對(duì)降解體系中的功能菌產(chǎn)生毒性作用,改變細(xì)菌群落組成,從而對(duì)生物修復(fù)造成不利影響。而且,由于生物表活性劑的生產(chǎn)和提取成本較高,添加過(guò)量的表面活性劑也可能存在資源浪費(fèi)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(shí)際應(yīng)用實(shí)踐中,由于生物表面活性劑較高的提取和純化成本,其工業(yè)化的生產(chǎn)和應(yīng)用常常受到限制,因而開(kāi)發(fā)更為經(jīng)濟(jì)有效的生物表面活性劑強(qiáng)化修復(fù)策略具有十分重要的意義。

作者簡(jiǎn)介

章春芳博士,日本名古屋大學(xué)博士,現(xiàn)任浙江大學(xué)海洋學(xué)院副教授,研究方向?yàn)楹Ｑ笪廴经h(huán)境生物修復(fù),在鹵代持久性有機(jī)污染物的厭氧還原脫鹵機(jī)制方面取得理論突破,并在石油烴污染的生物修復(fù)機(jī)制及應(yīng)用方面取得較好的成果。