生物表面活性剂在土壤修复中的研究现状及堆肥中的应用展望

刘 俊

(湖南有色金属研究院,湖南长沙 410015)

生物表面活性剂在土壤修复中的研究现状及堆肥中的应用展望

刘 俊

(湖南有色金属研究院,湖南长沙 410015)

文章对国内外关于生物表面活性剂在土壤中有机污染物和重金属污染物去除方面的研究现状进行了较全面的综述,分析了生物表面活性剂提高污染物去除效率的作用机理,并且对其在堆肥中的应用前景进行了展望。

生物表面活性剂;土壤;有机污染物;重金属;堆肥

在土壤修复中,水溶性是影响污染物去除的重要因素,很多污染物都是疏水性很强的物质,一般的水洗修复速度慢,而且效率低,近年来人们通过加入各种添加剂来增强修复效果,这些添加剂能够缩短时间提高污染物去除率,添加剂必须是低毒性并且可生物降解的[1],生物表面活性剂是一种很有用的添加剂,它本身包含憎水基团和亲水基团,能够促进土壤颗粒上污染物的分散和增溶,而且还具有无或较小的环境影响的优点和原位生长的可能性。生物表面活性剂正逐渐取代合成表面活性剂成为生物修复研究中的主流。国内外许多文献报道了将生物表面活性剂应用于土壤修复的研究[2]。

1 生物表面活性剂的应用背景

生物表面活性剂是微生物的次级代谢产物,它本身具有既亲油又亲水的两亲性分子结构,具有分散、增溶、润湿、渗透等特性,能够降低界面张力和表面张力(如图1所示[1])。生物表面活性剂与合成表面活性剂相比,具有更好的生物可降解性、生物可适应性以及环境友好性等特性。大多数生物表面活性剂是阴离子型和中性的,疏水基团多数是不饱和或羟基取代脂肪酸,亲水基团则是由单糖、二糖、多糖、羧酸、氨基酸等组成。它们的临界胶束浓度一般在1～200 mg/L之间,分子500～1 500 amu。

图1 表面张力、界面张力、污染物溶解性随表面活性剂浓度变化情况

2 土壤修复中的研究现状

土壤修复一直是人们研究的热点,其中有机污染物和重金属的修复尤为重要,常用方法有物理修复、化学修复以及生物修复。许多研究表明物理和化学修复方法有很多局限性,例如修复费用昂贵、修复效率低、易造成二次污染等。生物修复克服了这些缺点,特别是添加生物表面活性剂或者生物表面活性剂产生菌能够大幅缩短修复时间、提高修复效率,并且能够保持良好的环境友好性。近年来,国外对生物表面活性剂在土壤修复中的研究很多,并且取得了很大的进展。

2.1 有机污染物修复中的研究

生物表面活性剂具有两亲性结构,它可以通过调节细胞表面的疏水特性来改变微生物细胞与有机物之间的亲和力[3],从而促进土壤中难溶有机物的分散和吸收。生物表面活性剂已经被证明能够增强土壤中烃类的去除效率,它能够有效地降低土壤中难溶有机物与水的界面张力。

2.1.1 在土壤中的吸附性

在土壤的生物修复中,生物表面活性剂在土壤中的吸附性是影响其作用效果的重要因素,吸附性高的表面活性剂容易导致活性剂损失,阻碍活性剂在土壤中的传输,同时也影响了土壤颗粒上疏水性污染物的解吸附,阻碍了污染物的去除。另外,大多生物表面活性剂是多组分的,由于疏水性的差别,在吸附和传输过程中容易造成表面活性剂的组成发生改变,导致其表面活性发生变化,这样必然影响了表面活性剂的作用效果,因此了解生物表面活性剂在土壤中的吸附性是很有必要的。Wouter H.等人[4]通过序批式实验和柱实验分析了多组分鼠李糖脂在土壤中的吸附性、吸附的影响因素以及吸附过程中各组分的变化情况,提出鼠李糖脂的吸附不是一个在土壤有机质中的分配过程而是一个发生在土壤-水界面上的吸附过程,高浓度的鼠李糖脂能够降低土壤对鼠李糖脂的阻滞系数,减小土壤对它的吸附。土壤修复过程中生物表面活性剂的组分变化也会影响表面活性剂的临界胶束浓度以及增溶、乳化特性,为了避免组分改变,在土壤修复中应该选用高浓度的生物表面活性剂。

2.1.2 对土壤中有机物的增溶和传输的促进作用

土壤中的有机污染物大部分都是牢固地吸附在土壤颗粒上的,用普通的水洗办法很难将污染物解吸附下来,而生物表面活性剂具有特殊的两亲性结构,加入生物表面活性剂溶液能够很好地提高解吸附效率。Wouter H.等人[5]选用鼠李糖脂,通过柱淋洗实验和建立吸附动力学模型得出鼠李糖脂能够通过胶束增溶作用和改变菲在土壤中的吸附平衡来提高菲的去除率,实验还考察了鼠李糖脂对有机物在土壤中传输的影响,也得到了积极的结论。

土壤中有机污染物的的传输对土壤的修复也有着很大的影响。Wouter H.等人[6]研究了生物表面活性剂鼠李糖脂对多环芳香烃(PAHs)在不同土壤介质中的传输的影响,得到了这样的结论:PAHs在土壤介质中传输状况的变化受液相中鼠李糖脂的浓度的影响,当它的浓度低于CMC时,半胶束态的吸附在亲水性强的介质中对PAHs的传输有削弱,而在亲脂性介质中对疏水性强的PAHs(如芴和菲)的传输有促进作用;当它的浓度远大于CMC时,增溶效应克服了污染物在介质中的吸附作用等负效应,此时鼠李糖脂的存在对PAHs在不同介质中的传输都有增强作用。可见生物表面活性剂浓度足够高时,它对土壤中有机物的传输起促进作用。

2.1.3 对有机污染物作用的选择性

生物表面活性剂对土壤中不同的有机物有着不同的 作 用 效 果,Scheibenbogen 等 人[7]发 现P.aerrginosa生产的鼠李糖脂能够有效地去除沙质土壤中的碳氢化合物,去除率取决于有机污染物的类别以及表面活性剂的浓度。Deschênes等人[8]证明同一菌属产生的鼠李糖脂对四环多环芳香烃的溶解性的增强程度比对三环多环芳香烃的要高。可见生物表面活性剂对有机污染物具有一定的选择性,因此对应不同的污染物需要选择最佳的生物表面活性剂,这也是以后土壤修复应用中的重点。

2.1.4 对土壤中有机农药的去除作用

农药能够保证农作物的正常生长,同时也会不断的积累在土壤中,造成土壤质量的下降。许多国外的学者对土壤中农药的去除作了研究,考察了生物表面活性剂对土壤中农药的解吸附、传输等方面的影响。Juan C.Mata-Sandoval等人[9]作了一系列的研究,他们通过建立兰格缪尔吸附模型估计了鼠李糖脂对有机杀虫剂在土壤-水态-胶束系统中的分配情况的影响,得出了这样的结论:当被吸附的表面活性剂的浓度低于临界胶束浓度(CMC)时,会增加土壤的疏水性、增加土壤对杀虫剂的吸附性;当浓度超过CMC时,表面活性剂起到了助溶剂的作用,土壤中的杀虫剂能够有效地解吸附而且不受土壤干湿度的影响。

2.1.5 生物表面活性剂对有机污染物降解的影响

土壤中有机物的降解很大程度上取决于降解微生物的生存繁殖情况及其降解活性,土壤的质地、环境参数(温度、pH、通风等)、土著微生物的替换作用以及菌种的竞争适应性等因素都影响着微生物的生存繁殖和降解活性。许多研究证明一些生物表面活性剂能够促进土壤中有机污染物的降解,同样也有研究表明生物表面活性剂对一些土壤中有机物的降解有抑制作用。Scheibenbogen等人[10]证明了P.aeruginosa UG2生产的鼠李糖脂能够提高土壤中几种多环芳香烃(PAH)和多氯化联苯(PCB)的矿化效果。Miguel A.Providenti等人[11]研究了不同土壤中鼠李糖脂对菲的降解的影响,发现沙质土壤和粉砂土壤中鼠李糖脂的加入抑制菲的降解,而在木馏油污染的土壤中对菲的降解有增强作用,究其原因发现由于土壤中存在着能够利用鼠李糖脂为碳源繁殖生长的微生物,额外碳源的加入使这种微生物大量繁殖从而取代了菲的降解菌占优势,而在木馏油污染的土壤中菲降解菌未被取代。

土壤条件、污染物种类、微生物种类等因素都影响着生物表面活性剂对土壤中有机物降解的作用效果,要找到对各种土壤中不同污染物有效的生物表面活性剂仍需要做大量的研究。

2.2 重金属修复中的研究

一些生物表面活性剂能够促进土壤颗粒上重金属离子的去除,这些生物表面活性剂对土壤中重金属的修复作用是依赖于它们的阴离子(带负电荷)性,它们能够吸附到土壤上与重金属离子结合,使其从土壤颗粒上分离出来进入土壤溶液中,结合到表面活性剂胶束中。

生物表面活性剂对土壤中重金属修复的影响的研究比较少,但仍然取得了一定的进展。Mulligan等人对生物表面活性剂对土壤和沉淀物中重金属去除的影响作了系统的研究。首先他们将脂蛋白(surfactin)用于烃类污染土壤中铜和锌的去除,首次将生物表面活性剂应用于有机物和重金属双重污染的土壤的修复中,实验结果显示:在70%的铜离子被去除的同时,有50%的烃类污染物被去除,显然这个结果是很理想的。后来他们又通过序批实验[12]进一步证明了阴离子生物表面活性剂脂蛋白、鼠李糖脂应用于重金属修复的可行性,并且揭示了它们的作用机理。寻找合适的生物表面活性剂、合适的作用条件以及考察其对复合污染(有机物和重金属)土壤的作用效果将成为生物表面活性剂应用于重金属修复的重点。

3 堆肥中应用的展望

堆肥过程是利用微生物在一定温度、湿度和pH值条件下,使固体废物中有机物发生生物化学降解,形成一种类似腐殖质土壤的物质。随着城市人口的增多,传统堆肥方法的效率已不能满足要求。考虑到生物表面活性剂在土壤修复中表现出来的优越性,将生物表面活性剂应用于堆肥过程,提高堆肥效率应该是可行的。其作用可能有以下几个:

1.生物表面活性剂的解吸附作用有利于有机物从堆肥颗粒上脱除进入堆肥间隙液相中,再由微生物进行降解,这样也就间接地缩短了堆肥时间。

2.生物表面活性剂的存在可能降低堆肥颗粒间隙液相的表面张力,有利于有机物和菌体的传输,使堆肥各个层面的有机物与菌体充分接触,必然会提高堆肥的效率。

3.加入生物表面活性剂可能促进水分在堆肥颗粒中传输和分散,使水分在较短的时间内渗透到堆肥的深层,而且生物表面活性剂具有良好的保湿性能,能够减缓堆肥中水分的蒸发,有利于长时间保持微生物的活性。

当然,堆肥中的微生物、有机物多而杂,生物表面活性剂会不会影响微生物的生长、微生物会不会影响生物表面活性剂的作用效果以及生物表面活性剂对不同有机物的降解是否有积极作用还需要大量实验来验证。

[1] Mulligan.C.N.Surfactant-enhanced remediation of contaminated soil[J].Engineering Geology,2001,60:371-380.

[2] Zhaozhe Hua,JianChen,Shiyi Lun,Influence of biosurfactants produced by Candida Antarctica on surface properties of microorganism and biodegradation of n-alkanes[J].WaterResearch,2003, 37:4 143-4 150.

[3] 钱欣平,阳永荣,孟琴.生物表面活性剂对微生物生长和代谢的影响[J].微生物学通报,2002,29(3):75-78.

[4] WouterH,Noordman,MarkL,Adsorption of a multicomponent rhamnolipid surfactant to soil[J].Environ.Sci.Technol,2000,34: 832-838.

[5] Wouter.H.,Noordman.,W.H.,Effect of rhamnolipid biosurfactants on removal of phenanthrene from soil[J]. Environ. Sci.Technol,1998,32:1 806-1 812.

[6] WouterH.,Noordman,Jaap-Willem.Facilitated transport of a PAH mixture by a rhamnolipid biosurfactant in porous silica matrices[J].Journal of Contaminant Hydrology,2000,44:119-140.

[7] Scheibebbogen,K.Zytner,R.G..Lee.Enhanced removal of selected hydrocarbons from soil by pserdomonas aeruginosa UG2 biosurfactants and somechemical Surfactants[J].J.Chem.Tech. Biotechnol,1994,59:53-59.

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[10]Scheibenbogen,K.Zytner,R.G.Enhanced removal of selected hydrocarbons from soil by P.aeruginosa UG2 biosurfactant and some chemical surfactants[J].J.Chem.Technol.Biotechnol,1994,59: 53-59.

[11]Miguel A.Providenti,Cecily A.Flemming,Hung Lee.Effect of addition of rhamnolipid biosufactants or rhamnolipid-producing pserdomonas aeruginosa on phenanthrene mineral-ization in soil slurries[J].FEMS microbiology,1995,17:15-26.

[12]Mulligan,C.N.Yong,R.N.Gibbs.Heavy metal removal from sediments by biosurfactants[J].Journal of Hazardous Materials,2001, 85,111-123.

Review on the Research of Biosurfactant in Soil Recovery and its Prospect in Compost

LIU Jun

(Hunan Research Institute Nonferrous Metals,Changsha410015,China)

This article completely summarizes the research of biosurfactants on the removal of organic matters and heavy metals in soil,analyzes the mechanism of the effect of biosurfactants.In the end,it makes a preview on the use of biosurfactants in compost.

biosurfactant;soil;organic contamination;heavy metal;compost

X53

A

1003-5540(2010)04-0046-04

国家863高技术资助项目(2001AA644020);国家自然科学基金(70171055、50179011);国家杰出青年科学基金(50225926);高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20020532017);2000年教育部高等学校优秀青年教师教学科研奖励计划资助项目

刘 俊(1979-),男,助理工程师,主要从事环境影响评价工作。

2010-05-12