在全球工業化蓬勃發展的今天,傳統的工業技術已相繼退出歷史舞臺,取而代之的是新的工業技術例如生物技術。據統計,1980年生物技術的世界市場貿易金額是25百萬美無,1992年增至約17億美元,20世紀末可超過5000億美元(Muller等,1997)。

表面活性劑是當今生物技術中常用的和重要的化合物。它可以減少液體､固體和氣體界面間的表面或界面張力,使其在水或其他液體中容易混合或擴散,因而廣泛用于現代工業的幾乎每一個領域。僅以美國的化學工業而論,20世紀80年代對表面活性劑的需求量就比過去增長300%(Greek,1990)。現今世界表面活性劑的年產量已超過300萬噸,產值高達約40億美元,20世紀末可超400萬噸(例如Sarney等,1995)。在世界表面活性劑的總產中,有54%用于制造家庭洗滌劑,32%用于其他工業生產。

目前大多數市售的表面活性劑主要是來自石油的化學產品。近年來,鑒于這些人工合成的化學表面活性劑不僅不能生物降解,而且可造成環境毒害,人們迫切要求用生物表面活性劑來取代化學表面活性劑,以確保環境的潔凈。

生物表面活性劑可用簡單的方法和培養基質從可利用碳氫化合物的微生物包括細菌和真菌生產。它們是具有多種類型化學結構的離子或非離子化合物,包括短鏈脂肪酸和多聚物。也是具有親水域和疏水域的兩親性化合物,其非極性疏水部分常為一碳氫化合物鏈,極性部分則有多種變化。微生物表面活性劑的特點是:具有特別高的表面活性和乳化活性,可以生物降解,沒有毒性或毒性低于化學表面活性劑,以及可在極端的溫度和酸堿條件下使用。因而不僅用途廣泛而且有利于環境衛生。某些微生物表面活性劑很難用化學方法合成(表1和表2)。

1 微生物表面活性劑在石油工業中的應用

1.1 利用微生物和微生物表面活性劑回收巖層中的石油

利用微生物表面活性劑可回收含油巖層中經一次和二次回收后殘留的石油。在利用微生物和/或其代謝物進行的第三次重要的回收中,微生物產生的多聚物和表面活性劑不僅可通過降低油-巖的界面張力,有助于石油的回收,還可通過降低毛細力,防止石油從巖孔中逸出。微生物表面活性劑可促進石油的乳化,消除巖石上的油膜。巖層中石油的粘滯度也因此而減低。

為促進巖層中某些可產生生物表面活性劑的微生物的生長和產生表面活性物質,可將某些營養物例如糖蜜和無機營養物注入巖層或油井。也可引入可產生生物表面活性劑的微生物。但這些微生物必須可耐受巖層或油井中的絕端的環境條件,例如高溫､高壓､高鹽和低氧以及原位土著微生物的競爭。已發現可適應這些條件的微生物有枯草芽孢桿菌(Makkar等,1998)和地衣狀芽孢桿菌(Yakimov等,1997)等。

目前世界各國已在實驗室和油田中進行了利用微生物回收石油的研究。其中,捷克､匈牙利､荷蘭､波蘭､羅馬尼亞､美國和前蘇聯已在這方面取得一定的成果。例如,已檢測了枯草芽孢桿菌MTCC2423和1427､節桿菌A.proto phormiae､粘質沙雷氏菌､紅球菌､芽孢桿菌AB-2和細菌Pet1006產生的表面活性劑的乳化效應和回收石油的效果(例如Makkar等,1998)。Behlugil等(1992)利用油巖模型(長100cm､直徑6.2cm的不銹鋼管)進行的試驗表明,將厭氧細菌丙酮乙醇梭菌(Clostridium aetobutylicum)在38℃下注入含有土耳其重油(羅馬油)的油巖模型。結果發現,此時石油的回收率比對照增加12%。認為這是由于加入的細菌產生的表面活性劑引起原油粘度和pH值改變所致。還發現,不同類型的微生物表面活性劑可取得不同程度的石油回收率(表3)。

1.2 利用微生物表面活性劑降低石油粘滯度和凈化貯油罐

由于微生物表面活性劑可降低重油的粘滯度,故可應用于石油的回收和運輸。例如利用從革蘭氏陰性桿菌H13A產生的糖脂表面活性劑,可使重油的粘滯度下降50%(Finnerty等,1985)。早在1974年,Zajic等就曾分離出一個假單胞菌,其產物可乳化重燃料油。Hayes等(1986)證實,微生物表面活性劑Emulsan可使委內瑞拉的Boscan重油的粘滯度從200000cP下降至100cP。利用這種微生物表面活性劑,通過輸油管泵吸和運輸重油的路程可達26000英里。Banat等(1991)的油田中試表明,利用細菌Pet1006可凈化貯油罐,并從乳化淤泥中回收烴類。曾利用2t含有生物表面活性物質的細菌細胞培養凈化了850m³的油泥,將其中的91%(774m³)回收為可重新出售的原油。與常規的凈化方法比較,用此法凈化石油淤泥不僅代價低廉,而且避免了石油淤泥對環境的污染。

2 微生物表面活性劑在采礦工業中的應用

微生物表面活性劑可促進無機礦質的分散。Rosenberg等證明,乙酸鈣不動桿菌(A.calcoaceticusA2)產生的陰離子多糖(生物分散劑)可防止石灰石水混物發生絮凝,使其產生10%的分散,也可促使石灰石裂解為小顆粒。日本Kao化學公司曾將假單胞菌､棒桿菌(Corynebacterium)､諾卡氏菌､節桿菌､芽孢桿菌和產堿菌(Alcolibenes)產生的生物表面活性劑用于煤泥的穩定,以便于運輸(Kao,1984;澳大利亞8317-8555號專利)。Polman等(1994)曾利用假絲酵母C.bombicola產生的生物表面活性劑的粗制品使褐煤發生局部增溶溶解。

3 微生物表面活性劑在食品工業中的應用

乳化可在食品原料形成一定的濃度､質地和分散相中發揮重要作用。微生物表面活性劑可作為乳化劑用于食品原料的加工。也可用于面包和肉類生產,改善面粉的流變學特征,以及部分裂解的脂肪組織的乳化。目前已將卵磷脂及其衍生物作為乳化劑用于食品工業(Bloomberg,1991)。還發現微生物表面活性劑可防止嗜熱鏈球菌(Streptococcus thermophilus)在巴氏滅菌消毒器中的熱交換板上的生長和污腐(Busscher等,1996)。

4 微生物表面活性劑在農業中的應用

近年來,鑒于化學農藥對環境的污染,全球科學家均十分關注利用微生物表面活性劑對作物病蟲害進行生物防治。例如,Stanghellini等(1996和1997)曾觀察到,銅綠假單胞菌的代謝物鼠李糖脂可作為生物表面活性劑,在營養液中溶解黃瓜和辣椒的根腐病真菌瓜果腐霉(Pythium aphanider matum)和辣椒疫霉(Phytophthora capsici)的游動孢子。證實這種生物表面活性劑在5～30μgml^-1的濃度下,可摻入并破壞游動孢子的質膜,從而殺滅腐霉､疫霉和單軸霉(Plasmopara)游動孢子。

微生物表面活性劑可使粘重土壤親水化,進而增加其可濕性,令肥料和農藥均勻地分布于土壤。還可增加有機磷殺蟲劑的溶解度。例如已發現2株芽孢桿菌所產生的乳化劑(可能是一種糖脂肽)可使農藥倍硫磷溶液形成穩定的乳劑(Patel等,1986)。

5 微生物表面活性劑在醫藥中的應用

已證實微生物產生的表面活性劑可供藥用。例如銅綠假單胞菌產生的鼠李糖脂､枯草芽孢桿菌和地衣狀芽孢桿菌產生的脂肽,以及南極假絲酵母產生的甘露赤蘚糖脂都有抗微生物活性。

作為最早發現的微生物表面活性劑之一的枯草芽孢桿菌表面活性劑或枯草芽孢桿菌脂肽(Surtactin)有多種藥用價值,諸如可抑制血纖維蛋白凝塊形成和溶血(Bernheimer等,1970),以及脂膜中離子通道的形成(Sheppard等,1991)。還發現其具有抗埃利希氏腹水癌細胞活性(Kameda等,1974),可抑制環腺苷3′,5′-一磷酸二酯酶(Hosono等,1983),以及抗真菌活性(Vater,1986)。Thimon等(1985)還描述了枯草芽孢桿菌產生的另一種抗真菌生物表面活性脂肽Iturin(一種類似于枯草芽孢桿菌表面活性劑的環七肽,但含β-氨基脂肪酸作為其脂類組份。—編譯者注)。這種脂肽可影響酵母細胞的形態和膜結構。

Naruse等(1990)證明,短小芽孢桿菌表面活性劑Pumilacidin(枯草芽孢桿菌表面活性劑的類似物)對單純性皰疹病毒1(HSV-1)有顯著的抑制作用。它也可抑制H⁺､K⁺-ATP酶,對胃潰瘍有體內保護作用。Itokawa等(1994)認為,枯草芽孢桿菌表面活性劑可抑制人免疫缺陷病毒或艾滋病毒1(HIV-1)。Vollenbroich等(1997)表明,枯草芽孢桿菌表面活性劑可用于防止生物技術產品和醫藥產品的病毒污染。認為這種微生物表面活性劑的抗病毒活性是由于其與病毒脂膜間的生理化學互作。

最近,科學家們日益關注微生物表面活性劑對人體和動物細胞和細胞系的作用效應。已證明,產紫晶鏈孢囊菌亞種(Streptospoirangium a methystogenes subsp fukuinense A1-23456)產生的脂肽的性質類似于某些生物表面活性劑,可誘導粒細胞群刺激因子和粒細胞-巨噬細胞群刺激因子(Hida等,1995)。Takizawa等(1995)證明,產紫晶鏈孢囊脂肽可強烈刺激BALB/c雌小鼠骨髓細胞增殖。Isoda等(1997)研究了南極假絲酵母T-34的微生物糖脂的生物學活性,稱其可在人前髓細胞(早幼粒細胞)白血病細胞系HL60中誘導細胞分化。也可誘導人骨髓性白血病細胞系K562和人嗜堿性白血病細胞系Ku812,使其分化成為單核細胞,粒細胞和巨核細胞。還有人證實,微生物糖脂有抗生作用(Neu等,1990)以及抑制白血細胞中HIV病毒的生長。Kosaric(1996)認為,微生物糖脂可作為乳化劑協助藥物輸送至感染部位,補充肺表面活性劑,或充當疫苗的佐劑。有人證明,肺表面活性劑的匱缺可使早產嬰兒發生呼吸衰竭(Tayler等,1985)。目前,已利用這種表面活性劑蛋白分子基因的克隆,將其發酵產物用于治療(Lang等,1999)。據報道,紅球菌R.erythropolis的琥珀酰-海藻脂可抑制HSV和流感病毒,其致死劑量為10～30μg/ml^-1。此外,表面活性劑還可參與微生物的吸附和解吸。例如Pratt-Terpstra等(1989)證實,口腔中的緩癥鏈球菌(S.mitis)釋出的生物表面活性劑可減少可變鏈球菌(S.mutans)的粘附。Velraeds-Martine等(1996和1997)證實,乳桿菌產生的生物表面活性劑可抑制腸道病原菌的粘附,還可以決定于劑量的方式,抑制糞埃希氏菌(Escherichia faecalis)和其他細菌粘附在疏水和親水基質上的初始沉積速率。

6 微生物表面活性劑在保健化妝品中的應用

微生物表面活性劑具有一定的保濕能力,且可與皮膚相容。已發現假絲酵母C.bombocolaKSM-36以棕櫚油和葡萄糖作為碳源(Itoh,1987),假絲酵母C.apicola以葡萄糖和葵花籽油作為基質(Stuwer等,1987),可分別產生100～150gl^-1和約90g1^-1的槐糖脂。已生產出一種含有1摩爾槐糖脂和12摩爾丙二醇的皮膚保濕劑(Yamane,1987)。日本Kao公司利用槐糖脂生產了一種皮膚保濕化妝品“Sofina”。有人利用假絲酵母C.bombicola以菜籽油作為主要碳源,藉助于兩種不同的二期發酵技術,分別獲得更高濃度即300g1^-1 (Davila等,1997)和422gl^-1 (Daniel等,1998)的槐糖脂。據預測,微生物表面活性劑將可在多種化妝品中取得廣泛的應用。

7 微生物表面活性劑在環境保護中的應用

7.1 用微生物表面活性劑消除海域中的石油污染

據預測,在全世界開采的全部石油中,最終有約0.08%～0.4%的石油流入海洋。海輪的石油泄漏事件層出不窮。在1991年的海灣戰爭中,有10⁵t以上的石油釋入海洋。這一切都給海洋和沿海環境帶來了嚴重的石油污染。鑒于表面活性劑可乳化烴-水混合物,故可將其用于治理海洋石油污染。與化學表面活性劑比較,微生物表面活性劑毒性小,環境殘留時間短。已發現例如銅綠假單胞菌SB30等所產生的乳劑可將海灘中的石油迅速分散為微滴。

7.2 利用微生物表面活性劑消除土壤中的烴污染

Ermolenko等(1997)利用轉黃分枝桿菌(My cobacteriu flavescens Ex91)生產了一種可消除土壤油污染的制劑。證實這種制劑可有效地凈化核電站排出的污染油的廢水。Bai等(1997)利用銅綠假單胞菌產生的陰離子鼠李糖脂生物表面活性劑,消除了沙柱中84%或22%的殘余烴類(十六碳烷)。鼠李糖脂的最適濃度為500mgl^-1。

7.3 用微生物表面活性劑消除多環芳族烴和脂族烴

只有少數微生物可降解土壤中具有4個以上稠合芳香環的多環芳族烴。微生物表面活性劑可通過增溶作用或乳化作用,使吸附于土壤有機物質的烴脫落。Berg等(1990)描述了利用銅綠假單胞菌LG2產生的乳化劑增加泥漿中六氯聯苯的溶解度,使其回收率增至31%。Churchill等(1995)證實,細菌產生的鼠李糖脂可增加土壤中十六碳烷､苯､甲苯､甲酚和萘的降解率。VanDyke等(1993)的對比試驗證明,在13種微生物表面活性劑中,消除土壤六氯聯苯的效果以銅綠假單胞菌和乙酸鈣不動桿菌A.calcoaceticus的產物為最好。Robinson等(1996)證實,加入微生物表面活性劑鼠李糖脂后,再加入微生物純培養,可有效地消除非液相的和結合于土壤的多氯聯苯。本文作者在最近的合作研究中表明,枯草芽孢桿菌MTCC2423所產生的生物表面活性劑400μgml^-1可使有機氯殺蟲劑α和β硫丹的生物降解率提高30%～40%。Awasthi等(1999)也證明,這種生物表面活性劑可促進硫丹異構體殘毒發生生物降解。Noordman(1998)在實驗柱上用含微生物表面活性劑鼠李脂(500mgl^-1)的電解質溶液洗脫土壤的菲污染,結果證實可在較短的時間內回收50%～90%的菲。

7.4 用微生物表面活性劑消除土壤中的金屬污染

將微生物表面活性劑加入土壤,可促進土壤中重金屬的脫附。例如Tan等(1994)曾利用銅綠假單胞菌ATCC9027產生的鼠李糖脂消除土壤中的鎘污染。

8 微生物表面活性劑在其他方面的應用

微生物表面活性劑還可用于水處理､紙漿和造紙工業､紡織工業､陶瓷工業､鈾礦開采､木材防腐､瀝青(柏油)和水泥。例如,曾將大囊傘(Macroystispyrifera)和維涅蘭德固氮菌(Azotobactervinelandii)產生的雜多糖作為分散劑成功地應用于陶瓷工業(Pollerin等,1991)。也曾將乙酸鈣不動桿菌A2產生的聚合生物表面活性劑(生物分散劑)用于涂料工業(Rosenberg等,1998)。在生物分散劑參與下形成的懸浮液中,顆粒的沉淀極慢,可使涂料具有更好的展布和混和性能。

此外,前蘇聯的合成纖維研究所(1984)曾將由假絲酵母產生的表面活性劑用于紡織工業､藥物工業和化妝品工業(蘇聯1006-1481號專利)。Beng mark(1998)認為微生物表面活性劑可用于免疫營養。Mulligan等(1985)曾將微生物表面活性劑作為脫水劑用于泥煤或泥炭的壓制。認為在加壓前加入微生物表面活性劑可促使水分的排出。

Ishigami(1997)還設想,微生物表面活性劑可廣泛用于生物技術,包括用于低溫保存劑､蛋白質增溶劑,酶類穩定劑､DNA分離劑､切花保鮮劑､植物生長促進劑､創傷和腫脹的康復劑,以及用于生物膜功能的調控。

9 結語

綜上所述,可見微生物表面活性劑在工農業､醫藥衛生和環保等諸多方面均有廣泛的用途。它具有可生物降解和低度毒性等優點。但迄今為止,就經濟效益而論,尚無法與市場上人工合成的化學產品相抗衡。認為今后(1)亟需改進微生物表面活性劑的生產工藝,降低生產成本;(2)加強菌種的遺傳學研究,通過基因工程培育重組菌株,生產更有效的微生物表面活性劑;(3)進行全面的毒理學試驗,以策安全?？上驳氖?/SPAN>,封閉系統中的模擬試驗證明,微生物表面活性劑可望在不久的將來應用于開放的海洋或沿海環境中消除碳氫化合物污染。微生物表面活性劑在保健化妝品和醫藥衛生上的應用方興未艾,商業前景看好。利用脂酶對微生物表面活性劑進行酶促合成,更有可能進一步推動微生物表面活性劑的生產和應用。