生物表面活性劑

2024年3月12日發(fā)(作者：朗誦配樂純音樂)

98-25：脂肽

H：環(huán)脂肽

【內(nèi)容】

所有的生物都是由細(xì)胞所構(gòu)成，細(xì)胞中70％的是水分，蛋白質(zhì)、核酸、糖類、脂類等各

種物質(zhì)通過細(xì)胞內(nèi)的精細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行著有序的活動(dòng)。表面活性劑作為控制細(xì)胞界面秩序而不可

缺少的物質(zhì)起著重要作用。

由于生物體內(nèi)的表面活性劑是在極其復(fù)雜的生物物質(zhì)群中微量地存在，因此大量提取純

制品非常困難。近來發(fā)現(xiàn)微生物在其菌體外較大量地產(chǎn)生、積蓄微生物表面活性劑。這已在

石油三次回收劑、石油環(huán)境污染的無公害處理劑及功能性表面活性劑等許多領(lǐng)域得到應(yīng)用和

開發(fā)。

生物表面活性劑具有合成表面活性劑所沒有的結(jié)構(gòu)特征，大多有著發(fā)掘新表面活性功能

的可能性，人們正希望開發(fā)出生物降解性和安全性及生理活性都好的生物表面活性劑。

1．生物表面活性劑分類

生物表面活性劑根據(jù)其親水基的類別，分為以下五種類型：①以糖為親水基的糖脂系生

物表面活性劑；②以低縮氨酸為親水基的酰基縮氨酸系生物表面活性劑；③以磷酸基為親水

基的磷脂系生物表面活性劑；④以羧酸基為親水基的脂肪酸系生物表面活性劑；⑤結(jié)合多糖、

蛋白質(zhì)及脂的高分子生物表面活性劑(生物聚合體)。

(1)糖脂系生物表面活性劑 糖脂與磷脂形成復(fù)合脂成為連接脂和糖的橋梁，從化學(xué)結(jié)構(gòu)

來看，它們是由脂肪醇或脂肪酸形成的復(fù)雜脂。根據(jù)這種糖脂的結(jié)構(gòu)和分布可分為四類：鞘

氨糖脂，植物糖脂，甘油糖脂，結(jié)構(gòu)單元中無鞘氨醇和甘油的其他糖脂。

鞘氨糖脂是動(dòng)物糖脂的代表性物質(zhì)，存在于動(dòng)物組織，特別是動(dòng)物的腦神經(jīng)組織中。植

物糖脂主要存在于植物中。

甘油糖脂廣泛存在于高等植物、藻類和能進(jìn)行光合作用的細(xì)菌中，既有植物性又有微生

物性糖脂的特性。

屬于結(jié)構(gòu)單元中無鞘氨醇和甘油的糖脂有來自高好堿性菌的硫糖脂，及源于植物的有代

表性的皂草苷生物表面活性劑。以前，人們常用皂草苷作洗滌用品，從結(jié)構(gòu)上看，它是由以

甾族化合物或三萜系化合物為非糖部分(皂草配基)與低聚配糖體構(gòu)成的。皂草苷具有生物活

性，如具有溶血、強(qiáng)心和免疫等作用。

(2)酰基縮氨酸系生物表面活性劑 大 致分為硫放線菌素類和脂氨基酸類，這類物質(zhì)以

氨基酸或低聚縮氨酸作親水基。它廣泛存在于各種微生物、植物、無脊椎動(dòng)物的消化液、雞

的卵管、人的皮膚等中。 雖然對(duì)脂氨基酸的生理意義還不了解，但作為生物膜的存在，它與

維持膜結(jié)構(gòu)及膜機(jī)能有關(guān)，而且存在于皮膚的角質(zhì)層中，也與保濕作用有關(guān)。硫放線菌素類

是微生 物的產(chǎn)物，有高表面活性。

(3)磷脂系生物表面活性劑 這是磷脂與糖脂在復(fù)合脂中形成的一大領(lǐng)域。大致分為甘油

磷脂和鞘氨磷脂。

甘油磷脂是以磷脂酰酸作基本骨架，由具有羥基的各種化合物構(gòu)成，結(jié)構(gòu)式如下：

鞘氨磷脂是由具有脂肪酸鞘氨醇鹽和膽堿乙醇胺的化合物構(gòu)成，結(jié)構(gòu)式如下：

磷脂是構(gòu)成生物體膜的成分，廣泛存在于微生物、植物和動(dòng)物體內(nèi)，但從微生物制取見

于報(bào)道的甚少。

大豆卵磷脂是典型磷脂生物表面活性劑。大豆卵磷脂具有高安全性和生物降解性，廣泛

用于食品、醫(yī)藥和化妝品生產(chǎn)。

(4)其他生物表面活性劑 這類生物表面活性劑包括脂肪酸系生物表面活性劑和高分子

系生物表面活性劑。

脂肪酸系生物表面活性劑包括所有的脂肪酸類，如動(dòng)物體分泌的膽汁中存在的膽汁酸即

屬于這類生物表面活性劑。

高分子系生物表面活性劑代表物有烴類化合物轉(zhuǎn)化細(xì)菌產(chǎn)生的生物乳化劑和烴類乳化

劑。前者的主要成分為多糖蛋白質(zhì)-脂質(zhì)，后者為多糖-脂質(zhì)。

2．源于微生物的生物表面活性劑

由微生物開發(fā)生物表面活性劑不同于由植物和動(dòng)物開發(fā)，在制備技術(shù)及經(jīng)濟(jì)效果方面非

常有利，并且可以大量生產(chǎn)。

(1)糖脂系生物表面活性劑 這類糖脂系生物表面活性劑有鼠李糖脂、藻蛋白糖脂、槐糖

脂和其他糖脂。

鼠李糖脂是由微生物產(chǎn)生的具有表面活性的物質(zhì)。鼠李糖脂有多種，其結(jié)構(gòu)式如下：

1949年，加爾維斯(Jarvis)對(duì)綠膿桿菌N0.141、N0.142產(chǎn)生的具有抗生活性糖月旨迸

行了研究，該物質(zhì)是由2mol鼠李糖作糖基，2molβ-羥基癸酸作脂肪酸基構(gòu)成的酯結(jié)合型糖

脂，即鼠李糖脂Ⅱ。它對(duì)革蘭陽性菌有抗生性，對(duì)革蘭陰性菌無抗生性。

綠膿桿菌SIB7殘株對(duì)烴類化合物的發(fā)酵有促進(jìn)作用，而這種促進(jìn)物質(zhì)即為鼠李糖脂Ⅱ。

SIB7殘株為工業(yè)用表面活性劑，它與吐溫-20和壬基酚聚氧乙烯醚(Noigen EAl41)等具有同

樣的表面活性，這可從它對(duì)烴類化合物具有同樣的乳化能力來佐證。除鼠李糖脂Ⅱ外，鼠李

糖脂l、鼠李糖脂Ⅲ、鼠李糖脂Ⅳ對(duì)烴類化合物發(fā)酵亦都有促進(jìn)作用。

藻蛋白糖脂是由節(jié)細(xì)菌屬、短桿菌屬、棒狀桿菌屬、諾卡菌屬，以及分枝桿菌屬的烴分

解性細(xì)菌產(chǎn)生的，這種產(chǎn)物具有很強(qiáng)的乳化能力，稱為藻蛋白糖脂I。具有酯結(jié)合的藻蛋白

糖脂Ⅱ的乳化能力更強(qiáng)，可用作乳化劑，其結(jié)構(gòu)式如下：

由烴分解性細(xì)菌產(chǎn)生的生物表面活性劑產(chǎn)量低，還沒有達(dá)到實(shí)用的生產(chǎn)水平。以發(fā)酵生

產(chǎn)的糖脂為起始物，用有機(jī)化學(xué)方法可生產(chǎn)出更有用的衍生物，但目前在技術(shù)上尚有困難，

還不能應(yīng)用于各種工業(yè)生產(chǎn)中。

從野草花蜂蜜中分離出來的槐糖脂有槐糖脂工和槐糖脂Ⅱ。槐糖脂I是由好滲透性酵母

屬Toru1opsis bombica1aATCC 22214產(chǎn)生的，槐糖脂Ⅱ是由Candida bogoriensis從葡萄糖

產(chǎn)生的。下面為槐糖脂Ⅰ的結(jié)構(gòu)式：

1．R

1

=R

2

=CUCH

3

；

2．R

1

=COCH

3

，R

2

=H

3．R

1

=H，R

2

=COCH

3

12

4．R=R=H；

5．異構(gòu)內(nèi)酯；

12

6．R=R=COCH

3

；

7．R

1

=COCH

3

，R

2

=H

8．R

1

=H，R

2

=COCH

3

9．R

1

=R

2

=H

槐糖脂利用其富有反應(yīng)性的端羧基和槐糖的羥基，可制成各種烷基酯衍生物，或各種環(huán)

氧乙烷加成衍生物。槐糖脂的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高，由其可制得各種衍生物，是糖脂系生物表面活

性劑中最有應(yīng)用前途的。

由T．bombico1a KSM-36發(fā)酵產(chǎn)生的槐糖是混合脂，與酸或堿作用容易變?yōu)榫哂谢瘜W(xué)穩(wěn)

定的乙內(nèi)酰醚鍵的單一糖脂。酸-槐糖脂與糖脂系工業(yè)表面活性劑--斯盤、吐溫和糖脂比較，

有非常高的HLB值，適合作洗滌劑。因此，將酸-槐糖脂中脂肪酸末端的游離羧基與甲醇或乙

醇等低級(jí)醇等進(jìn)行酯化后形成甲基槐糖脂或乙基槐糖脂，它們可用于洗滌劑的生產(chǎn)，其洗滌

效果優(yōu)于糖脂。

槐糖脂的羧基與高級(jí)脂肪醇進(jìn)行酯化反應(yīng)生成烷基-槐糖脂衍生物；槐糖脂的羥基與環(huán)氧

乙烷或環(huán)氧丙烷進(jìn)行加成反應(yīng)則得到聚氧乙烯或聚氧丙烯衍生物。它們可用于增溶劑、潤濕

劑和乳化劑的開發(fā)。

C

1

～C

18

烷基-槐糖脂衍生物的HLB值從7～45。加成數(shù)摩爾環(huán)氧丙烷的聚氧丙烯-槐糖脂衍

生物，其物理化學(xué)性質(zhì)顯著地不同于烷基-槐糖脂，它有較強(qiáng)的油性，為水中乳化油。

槐糖脂及其衍生物對(duì)皮膚有奇特的親和性，賦予皮膚柔軟性和濕潤性。目前，利用發(fā)酵

生產(chǎn)槐糖脂，由其獲得的聚氧丙烯-槐糖脂已用于化妝品的生產(chǎn)。

其他糖脂有甘露糖赤蘚醇脂和黑粉菌酸。前者在酸、堿介質(zhì)中化學(xué)不穩(wěn)定，易脫去脂肪

酸基，所以用它來制備新的有用的表面活性劑是有困難的。黑粉菌酸是具有抗生性的糖脂，

有良好的表面活性。

(2)酰基縮氨酸系生物表面活性劑 屬于酰基縮氨酸系生物表面活性劑的主要有硫放線

菌素和脂氨基酸。

硫放線菌素是由枯草桿菌產(chǎn)生的，其表面活性相當(dāng)于十二烷基硫酸鈉，具有溶解血栓的

性能，是一種優(yōu)異的表面活性劑。但由于產(chǎn)量低，毒性強(qiáng)，限制了其開發(fā)。

脂氨基酸方面，已知的鳥氨酸酯和西利里平酯(cerieipin1ipid)的結(jié)構(gòu)式如下：

此外，由烴分解性酵母產(chǎn)生的乳化劑物質(zhì)(由五種氨基酸和脂肪酸構(gòu)成)和棒狀桿菌屬產(chǎn)

生的脂縮氨酸對(duì)烴的乳化能力都很好，對(duì)若干烴有增殖促進(jìn)作用。

(3)磷脂系生物表面活性劑和脂肪酸系表面活性劑 磷脂分為從大豆渣滓和卵黃分離制

得的卵磷脂和由微生物產(chǎn)生的各種磷脂。如前所述，卵磷脂是用于食品乳化的良好表面活性

劑，目前已能工業(yè)規(guī)模大量生產(chǎn)，得到廣泛應(yīng)用。由微生物產(chǎn)生的磷脂由于產(chǎn)量小，目前應(yīng)

用還不夠廣泛。

脂肪酸系生物表面活性劑有柯立諾麥克酸(corynomyco1ic acids)和斯匹克斯堡酸(spi—

cu1isporicacid)：

柯立諾麥克酸具有特異的表面活性，可用來分離、回收石油餾分。

斯匹克斯堡酸的表面活性與十二烷基硫酸鈉相似，具有良好的降低表面張力的作用，是

一種低泡沫表面活性劑，可用作金屬防銹劑、抗靜電劑、防霧劑、除油劑以及透氧劑等。

(4)高分子系生物表面活性劑 高分子系生物表面活性劑有烴類經(jīng)烴分解棒狀桿菌發(fā)酵

產(chǎn)生的生物乳化劑，及烴類經(jīng)Acinetobacter SP．RAC-9發(fā)酵產(chǎn)生的乳化糖。此種生物乳化

劑含糖20％～70％、蛋白質(zhì)5％和組成不明的天然聚合物脂質(zhì)，它可用作油田的石油三次回

收劑及環(huán)境的油污染去除劑。

上述乳化糖是由N-乙酰半乳糖胺、N-乙酰半乳糖胺醛酸及氨基糖構(gòu)成的脂多糖，在多糖

上有脂肪酸酯鍵，其相對(duì)分子質(zhì)量為10

6

，是具有乳化能力的脂多糖。這種乳化糖對(duì)烴類化合

物有特異的乳化能力，對(duì)除去石油污垢特別有效，可用作油輪貯油罐和燃料庫的無害洗凈劑。

生物表面活性劑在結(jié)構(gòu)上有其特征，故必定還有人們所未發(fā)現(xiàn)的新表面活性功能，

借助于高效液相色譜法可望大量制備它們，給深入研究其物理化學(xué)性質(zhì)創(chuàng)造了條件。

生物表面活性劑的概況與發(fā)展

內(nèi) 容：

生物科學(xué)是一門古老的科學(xué),在制藥工業(yè)、食品工業(yè)中已得到了很大的應(yīng)用,如其產(chǎn)品

有:食品穩(wěn)定劑、乳化劑、維生素、氨基酸、蛋白質(zhì)、食品酶、酶制劑、特種脂肪酸、保水劑、

風(fēng)味劑及發(fā)泡劑等。

近年來,生物學(xué),尤其是分子生物學(xué)有了突破性的進(jìn)展,使生物技術(shù)顯出巨大的前景,在

許多原來與生物體系或生物技術(shù)似乎無關(guān)的領(lǐng)域,如:原材料處理、加工工藝、產(chǎn)品改良、汰選、

廢物處理、能量再循環(huán)以及節(jié)能等方面都具有了應(yīng)用的可能性,在石油化工方面也逐步獲得較

大應(yīng)用如:MEOR、石油脫瀝青、粘度控制、脫硫、溢油控制、廢水處理及解毒、乳化、破乳

等。由于應(yīng)用范圍和規(guī)模的不斷擴(kuò)大,生物制品的銷售額也就逐步上升如:1980年全球生物技

術(shù)產(chǎn)品銷售額為2500萬美元,而1988～1990年為270億美元,預(yù)計(jì)在本世紀(jì)末將達(dá)到5000億

美元。

表面活性劑素有"工業(yè)味精"之稱,在各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域中都有廣泛的應(yīng)用,但化學(xué)合成表面活

性劑受到原材料、價(jià)格和產(chǎn)品性能等因素的影響,同時(shí)在生產(chǎn)和使用過程中常常會(huì)帶來嚴(yán)重的

環(huán)境污染問題以及對(duì)人體的毒害問題。生物技術(shù)快速發(fā)展、生物制品銷售見好的今天,如果能

夠利用生物技術(shù)生產(chǎn)出活性高、具有特效的表面活性劑,就可以避免以上出現(xiàn)的各種問題。

生物表面活性劑是微生物在一定條件下培養(yǎng)時(shí),在其代謝過程中分泌出具有一定表面活

性的代謝產(chǎn)物,如:糖脂、多糖脂、脂肽或是中性類脂衍生物等等。

1生物表面活性劑的形成和制備

生物表面活性劑的形成:許多微生物都可能僅靠烴類為單一碳源而生長,如:酵母菌和真菌

主要利用直鏈飽和烴;細(xì)菌則除了降解異構(gòu)烴或環(huán)烷烴以外,還可能利用不飽和烴和芳香族化

合物。微生物要利用各種烴類,就必須使烴類通過外層親水細(xì)胞壁進(jìn)入細(xì)胞,受降解酶作用而被

降解,由于烴基水溶性非常小,因此各種微生物常以不同方式解決這一問題,一些細(xì)菌和酵母菌

分泌出離子型表面活性劑如:Pudomonas sp.產(chǎn)生的鼠李糖脂、Torulopis sp.產(chǎn)生的槐糖脂。另

一些微生物產(chǎn)生非離子型表面活性劑如:Candidalipolytica和Candidatropicalis在正構(gòu)烷烴中培

養(yǎng)時(shí)產(chǎn)生胞壁結(jié)合脂多糖、Rhodococus erythropolis以及一些Mycobacterium和Arthrobacter sp.

在原油或正構(gòu)烷烴中產(chǎn)生非離子海藻糖棒桿霉菌酸酯。

并且同一種細(xì)菌有時(shí)在不同的培養(yǎng)基和不同的環(huán)境中可分泌形成不同的表面活性劑,如

31012在淡水、海水、棕櫚酸鈉溶液以及十二烷烴中,輔以其他必要成份,

均可分泌生成一種屬聚合糖類的表面活性劑。但是31012在十八烷烴中

則分泌生成微結(jié)構(gòu)相似的另一種表面活性劑。通過在溫和條件下將這兩種表面活性劑水解又

可獲得其它結(jié)構(gòu)相似的表面活性劑。

由此可見,在烴基質(zhì)中培養(yǎng)時(shí),許多微生物都可以有利于烴基質(zhì)被動(dòng)擴(kuò)散而進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的

效應(yīng),這是通過微生物產(chǎn)生的一大類物質(zhì)而起作用的,這類物質(zhì)就稱作"生物表面活性劑"。

生物表面活性劑的制備主要分為培養(yǎng)發(fā)酵、分離提取、產(chǎn)品純化三大步驟。

培養(yǎng)發(fā)酵:由于細(xì)菌種類成千上萬,每種可分泌生成表面活性劑的細(xì)菌其要求的碳源不同,

輔助成份不同,加上所要求的發(fā)酵條件不同,因此各種細(xì)菌的培養(yǎng)發(fā)酵便不同,在此就不一一敘

述,而對(duì)大多數(shù)細(xì)菌所分泌形成表面活性劑的分離提取、產(chǎn)品純化均有一些類似的方法,如萃

取、鹽析、滲析、離心、沉淀、結(jié)晶以及冷凍干燥等。下面以31012

為例簡(jiǎn)單介紹一下分離提取、產(chǎn)品純化這兩方面。

當(dāng)31012在特定的培養(yǎng)基中,在一定溫度和濕度下,通過一定時(shí)間的

發(fā)酵以后,將發(fā)酵液慢慢冷卻并加入電解質(zhì),使發(fā)酵液分為兩層,取出上層澄清部分,沉淀部分再

用飽和電解質(zhì)溶液清洗,并離心分出上層清亮部分,合并兩次的液體部分用硅藻土過濾。

將收集起來的沉淀溶于水中,用乙醚萃取后,再用蒸餾水滲析,然后通過冷凍干燥即可得到

一種屬于聚合糖類的生物表面活性劑的粗產(chǎn)品。

得到粗產(chǎn)品后便要進(jìn)行產(chǎn)品純化即:取一定量的粗產(chǎn)品溶于水中,在室溫下加入十六烷基

三甲基溴化銨,使其凝聚沉淀,然后進(jìn)行離心分離,沉淀部分用蒸餾水清洗,再將洗后的沉淀溶于

硫酸鈉溶液中,不溶部分用離心方法除去,然后加碘化鉀,形成的十六烷基三甲基碘化銨沉淀通

過離心除去,所剩的清液部分用蒸餾水滲析,然后通過冷凍干燥得到一種白色固體---純凈的生

物表面活性劑。

2生物表面活性劑的性質(zhì)

表1 Rhodococcus和 Pudomonas sp.

產(chǎn)生的糖脂在模擬地層水中40℃下的表面活性和界面活性

同一般化學(xué)合成的表面活性劑一樣,生物表面活性劑分子中也含有憎水基團(tuán)和親水基

團(tuán)兩部分,憎水基一般為脂肪酰基鏈,極性親水基則有多種形式如:中性脂的酯或醇功能團(tuán)、脂

肪酸或氨基酸的羥基、磷脂中含磷的部分以及糖脂中的糖基。生物表面活性劑能顯著降低表

面張力和界面張力,如表1,表2。

除此之外,還具有其它特有的性能,如:Pu- domonassp-產(chǎn)生的鼠李糖脂的乳化性能很好,

優(yōu)于常用的化學(xué)合成乳化劑Tween,并且生物表面活性劑具有良好的抗菌性能,這一點(diǎn)是一般

化學(xué)合成的表面活性劑難以匹敵的,如日本的Itoh實(shí)驗(yàn)室從Pudomonassp-得到鼠李糖脂具有

一定的抗菌、抗病毒和抗枝原體的性能等。有些生物表面活性劑可以耐強(qiáng)堿、強(qiáng)酸如α、α

-D-海藻糖-6-棒桿霉菌酸酯,在0.1N鹽酸中70小時(shí)僅有10%的糖脂被降解。

PudomonasaeruginosaS7B1產(chǎn)生的類蛋白活化劑在pH為1. 7～11. 4范圍內(nèi)非常穩(wěn)定,并且有

許多生物表面活性劑耐熱性非常好,如表3。

表3 溫度對(duì)生物表面活性劑的γ

1

的影響

同時(shí)由于生物表面活性劑是天然產(chǎn)物,因此具有更好的生物降解性。鑒于人們對(duì)生物表面

活性劑的研究還很少,因此對(duì)各種生物表面活性劑的各種性質(zhì)的測(cè)試報(bào)道還不多。

3生物表面活性劑的應(yīng)用

由于生物表面活性劑有其特殊的性質(zhì),因此生物表面活性劑在石油化工方面有著廣泛的

應(yīng)用如:德國WintershullAG公司、美國PhillipsPe-troleum公司、Petroferm公司、

PetroleumBioResources公司、Petroge -neticAG公司、GeneticsInternational公司、以及

WorneBiotechnolgy公司都采用了MEOR技術(shù)(microbialen-chancedoilrecovery)。在MEOR

技術(shù)中,生物表面活性劑起到了非常獨(dú)特的作用,如由31012分泌而制

備的一種聚合糖類的生物表面活性劑,可以在高濃度鹽的環(huán)境中,非常有效地將一采、二采后仍

遺留在油井中的脂肪烴、芳香烴和環(huán)烷烴徹底乳化,同時(shí)其本身基本不會(huì)被地層中泥沙、砂石

所吸收,并且用量非常小。這種生物表面活性劑在清洗貯油罐、油輪貯倉、輸油管道以及各種

運(yùn)油車時(shí)也非常有效,首先其用量很小,僅需處理油污量的千分之一到萬分之一,并且最后形成

的乳液用通常的物理和化學(xué)方法便可破乳,洗下的油可以回收。生物表面活性劑還大量應(yīng)用于

乳化、破乳、潤濕、發(fā)泡及抗靜電等方面,如日本花王(KAO)公司將Pudomonas、

Corynebacterium、No-cardia、Arthrobacter、Bacillus和Alkaligenessp.產(chǎn)生的生物表面活

性劑用于穩(wěn)定水煤漿以便輸送。處理煉油廠廢水時(shí),若在活性污泥處理池中加入鼠李糖脂,會(huì)大

大加快正構(gòu)烷烴的生物降解過程,生物表面活性劑在紡織、醫(yī)藥、化妝品、食品等工業(yè)領(lǐng)域中

都能有重要應(yīng)用。生物表面活性劑是由微生物代謝分泌而來,它不同于通常化學(xué)合成的表面活

性劑,化學(xué)合成的表面活性劑是具有一定毒性的并且不易被生物降解,而生物表面活性劑是完

全可以生物降解并且基本是無毒的。若將煉油廠廢棄的油作為烴基用來培養(yǎng)微生物,這樣既可

解決煉油廠的環(huán)境污染問題,又可獲得非常有使用價(jià)值的生物表面活性劑。幾乎所有大的石油

公司和大的跨國化學(xué)公司都在積極地計(jì)劃發(fā)展生物技術(shù),生物表面活性劑的開發(fā)是此項(xiàng)發(fā)展

計(jì)劃的主要組成部分,由于工業(yè)技術(shù)保密,因而從公開發(fā)表的文獻(xiàn)中很少能獲得這方面的信息。

4生物表面活性劑的前景

生物表面活性劑在石油、化工、醫(yī)藥、化妝品、食品等行業(yè)中都有廣泛的應(yīng)用,因而其市

場(chǎng)也是非常大的,并隨著社會(huì)的進(jìn)步,科學(xué)的發(fā)展,應(yīng)用范圍會(huì)日益擴(kuò)大。

(以上為網(wǎng)上資料)

1、盧國滿. 產(chǎn)表面活性劑菌株的篩選、發(fā)酵條件優(yōu)化及定量研究

[1]

湖南大學(xué)

,

2006

.

生物表面活性劑具有化學(xué)合成表面活性劑所無法比擬的環(huán)境兼容性及廣闊的發(fā)展前景,

日益受到國內(nèi)外科學(xué)界的關(guān)注。豐富生物表面活性劑產(chǎn)生菌資源、提高其在發(fā)酵液中產(chǎn)量及

對(duì)表面活性劑定量方法進(jìn)行研究具有廣泛的生物學(xué)和經(jīng)濟(jì)意義。 本文通過設(shè)計(jì)篩選培養(yǎng)基,

從飯店下水道污泥中篩選出12株生物表面活性劑產(chǎn)生菌,它們都能使復(fù)篩發(fā)酵液的表面張力

從(68±0.2)mN/m降低到小于40 mN/m。經(jīng)菌種鑒定,篩選出來的菌種中細(xì)菌占大多數(shù),還有真

菌,其中唐昌蒲伯克霍爾德氏菌和犁頭霉菌表面活性最好,故采用正交試驗(yàn)對(duì)這兩株菌種進(jìn)行

培養(yǎng)條件優(yōu)化。在最優(yōu)培養(yǎng)條件下,唐昌蒲伯克霍爾德氏菌、犁頭霉菌的生物表面活性劑產(chǎn)量

分別提高了17倍、13倍。通過亞甲基藍(lán)測(cè)驗(yàn)和薄層色譜展開,唐昌蒲伯克霍爾德氏菌所產(chǎn)的

生物表面活性劑是脂肽類生物表面活性劑,其CMC值為20~25mg/L。 在生物表面活性劑眾

多種類中,鼠李糖脂是研究最多的一種,所以,本文研究了鼠李糖脂的蒽酮-硫酸法、L-半胱氨酸-

硫酸法、苯酚-硫酸法及其影響因素,結(jié)果顯示,蒽酮-硫酸法優(yōu)于其它兩種方法,并得出了其最佳

測(cè)試條件。發(fā)酵液中剩余的葡萄糖、上清液對(duì)鼠李糖脂定量分析的影響...

2、檢樣稀釋至傾注平板時(shí)間對(duì)食品中菌落總數(shù)測(cè)定結(jié)果的影響，王淑香，職業(yè)與健康，

2006/16

菌落總數(shù)是用來判定食品被細(xì)菌污染的程度及其衛(wèi)生質(zhì)量的指標(biāo),它反映食品是否符合

衛(wèi)生要求,以便對(duì)被檢食品做出適當(dāng)?shù)男l(wèi)生學(xué)評(píng)價(jià)。在測(cè)定過程中每一步的操作均影響到菌落

總數(shù)測(cè)定的準(zhǔn)確性,一般認(rèn)為較為關(guān)鍵的是樣品的處理和稀釋。

3、藍(lán)色凝膠平板法篩選生物表面活性劑產(chǎn)生菌，沈薇，南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，

2005/04

從某煉油廠廢水和油泥樣中經(jīng)富集培養(yǎng)、藍(lán)色凝膠平板和發(fā)酵液表面張力的測(cè)定篩選出

生物表面活性劑產(chǎn)生菌8株。選擇其中2株BS-03和BS-01作進(jìn)一步研究。經(jīng)初步鑒定2

株菌均屬于假單胞菌屬。菌株BS-03和BS-01的發(fā)酵液表面張力由56.8mN/m分別降至

25.6mN/m和27.4mN/m。電噴霧質(zhì)譜檢測(cè)得到菌株BS-03的代謝產(chǎn)物鼠李糖脂主要成分是

RhaC10C10,而菌株BS-01則為Rha2C10和Rha2C10C10,其臨界膠束濃度CMC值分別為

326mg/L和58mg/L。菌株BS-03發(fā)酵液對(duì)苯、正己烷、正十八烷、柴油和原油的乳化性能

都大于70%,而菌株BS-01發(fā)酵液則對(duì)這些物質(zhì)的乳化性能不超過60%。

4、寧長發(fā),沈薇,孟廣榮,楊樹林. 產(chǎn)生物表面活性劑菌種的一種快速篩選模型，微生物學(xué)通報(bào) ,

2004,(03) .

利用生物表面活性劑具有溶血性和在產(chǎn)生過程中能使藍(lán)色凝膠平板變色等特性,建立了

產(chǎn)生物表面活性劑菌種的快速篩選模型。模型用于從采自油田和煉廠的土樣和水樣中篩選生

物表面活性劑產(chǎn)生菌,選出12株能產(chǎn)生物表面活性劑的微生物,其中1株糖脂產(chǎn)量為6.5g/L,

產(chǎn)生的糖脂配成0.5％水溶液,能在25℃將水的表面張力從71.3mN/m降到30.5mN/m。

6、陳翠敏; 府偉靈; 張曉兵; 龔雅麗; 抗真菌藥敏試驗(yàn)在3種不同瓊脂平板的比較，中華醫(yī)

院感染學(xué)雜志, 2006年 11期

摘要：目的通過對(duì)臨床常用的5種抗真菌藥物的紙片擴(kuò)散法藥敏試驗(yàn),對(duì)3種真菌藥敏培

養(yǎng)基進(jìn)行比較分析。方法選用5種Rosco公司的Neo-Sensitab抗真菌藥敏紙片,在Shadomy

改良瓊脂、RPMI 1640瓊脂(RPMI1640)和葡萄糖亞甲藍(lán)M-H瓊脂(GMB M-H)3種培養(yǎng)基上

對(duì)80株臨床分離酵母菌檢測(cè),以Shadomy改良瓊脂為對(duì)照。結(jié)果對(duì)于5種抗真菌藥物其敏

感性,RPMI 1640瓊脂與Shadomy改良瓊脂相比較,它們的符合率相同都較高;亞甲藍(lán)MH無

其他兩種的符合率高,RPMI 1640和GMB M-H與Shadomy相比都顯示了較好的相關(guān)性

(P<0.01)。結(jié)論RPMI 1640瓊脂可以用于Rosco抗真菌藥敏紙片試驗(yàn),既經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)便、快速、

準(zhǔn)確,又有良好的實(shí)用性,可以代替Shadomy培養(yǎng)基;MH亞甲藍(lán)培養(yǎng)基對(duì)于5-氟胞嘧啶的判讀

結(jié)果與NCCLS相差甚遠(yuǎn),對(duì)于其他藥敏紙片的結(jié)果與NCCLS的符合率,也沒有另外兩種瓊脂

上做出結(jié)果的符合率高,不建議使用M-H(亞甲藍(lán))瓊脂進(jìn)行Rosco紙片擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)。

7、陳蓉明. 生物表面活性素高產(chǎn)菌UN1101的選育和理化性質(zhì)的研究.

福建師范大學(xué)

,

2001

.

本文報(bào)道了枯草芽孢桿菌ATCC2233產(chǎn)生生物表面活性素的發(fā)酵條件的 優(yōu)化、高產(chǎn)突

變株的篩選、表面活性素的理化性質(zhì)及純化等方面的研究工作。 利用高效液相色譜對(duì)枯草芽

孢桿菌ATCC2233產(chǎn)生生物表面活性素進(jìn)行 定性分析，以薄層層定量分析方法研究該菌株

的最佳發(fā)酵條件，在此基礎(chǔ)上 以ATCC2233為出發(fā)菌株經(jīng)過6代的紫外和亞硝酸鈉的誘變，

并經(jīng)過培養(yǎng)基 的調(diào)整獲得了一株高產(chǎn)突變株UN1101，其在遺傳上是穩(wěn)定的。 用等電點(diǎn)沉

淀和有機(jī)溶劑相結(jié)合的方法可得到粗表面活性素，研究其表 面活性、臨界膠束濃度、抑菌作

用、熱穩(wěn)定性等。表面活性素粗品經(jīng)硅膠柱 層析純化得到含3個(gè)組分的表面活性素，用氨基

酸自動(dòng)分析儀分析其氨基酸 組成。

安徽省帝元生物科技有限責(zé)任公司為深圳市帝元生物技術(shù)開發(fā)有限公司與中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究

院共同在合肥國家高新技術(shù)開發(fā)區(qū)設(shè)立的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化企業(yè)，注冊(cè)資本2000萬元人民幣。公司以中科

院物質(zhì)科學(xué)研究院帝元生物科技創(chuàng)新園為基地，致力于離子束生物技術(shù)新產(chǎn)品及其設(shè)備的研發(fā)、生產(chǎn)、銷

售和環(huán)保科技成果的產(chǎn)業(yè)化運(yùn)營。

公司技術(shù)力量雄厚，以中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院為強(qiáng)大的技術(shù)依托。中科院離子束重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室余增

亮主任（研究員、博導(dǎo)）擔(dān)綱帝元生物科技創(chuàng)新園首席科學(xué)家， 強(qiáng)大的科研隊(duì)伍中：研究員8人，博導(dǎo)4

人，碩導(dǎo)6人，高級(jí)工程師4人，博士13人，碩士70人。同時(shí)擁有一批高學(xué)歷、年富力強(qiáng)的管理經(jīng)營團(tuán)

隊(duì)。具有多項(xiàng)自 主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和世界領(lǐng)先水平的科技成果。公司首批產(chǎn)業(yè)化的三項(xiàng)技術(shù)及其產(chǎn)品（生物表

面活性劑、化肥納米控失劑、有機(jī)污水處理劑）的面世，將會(huì)提高人們的生活 質(zhì)量，改善自然環(huán)境，降

低江河湖泊污染，促進(jìn)農(nóng)業(yè)節(jié)肥增效，造福社會(huì)。

生物表面活性劑BS－莎梵婷（Surfactin）的新寵

表面活性劑是一類很低濃度即能顯著降低液體表面張力的化合物,具有極其廣泛的應(yīng)用，包括乳化、發(fā)

泡、去污、浸潤、分散和增溶等領(lǐng)域；素有“工業(yè)味精”的美稱。

由微生物、植物或動(dòng)物產(chǎn)生的天然表面活性劑稱為生物表面活性劑（Biosurfactants,簡(jiǎn)稱BS）。生物表

面活性劑結(jié)構(gòu)通常比化學(xué)表面活性劑更為 復(fù)雜和龐大，單個(gè)分子占據(jù)更大的空間，因而顯示出較低的臨

界膠團(tuán)濃度。生物表面活性劑具有選擇性好、用量少、無毒無副作用，能夠被生物完全降解，不對(duì)環(huán)境 造

成污染，可用微生物方法引入化學(xué)方法難以合成的新基因等特點(diǎn)。

莎梵婷Surfactin（C53 H 93N7O13）是中國科學(xué)院離子束生物工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、國家發(fā)酵工程（合肥）

研究中心利用離子注入枯草芽孢桿菌Bacillus subtilis獲得的Surfactin 高產(chǎn)菌株E-8發(fā)酵生產(chǎn)出的主要產(chǎn)物

為分子量1022Da的環(huán)脂肽類表面活性物質(zhì)，比國內(nèi)外研發(fā)的1036Da環(huán)脂肽少一個(gè)亞甲基（CH2），其表

面活性更強(qiáng)，CMC 值僅為1μM，在濃度低至20μM 就可將水的表面張力從72 mN/m降低到27mN/m，是

有文獻(xiàn)記載的最強(qiáng)的生物表面活性劑。采用該菌種發(fā)酵生產(chǎn)，時(shí)間短，產(chǎn)量高（其產(chǎn)量高于日本昭和公司

開發(fā)的同類產(chǎn)品），產(chǎn)品生產(chǎn)成本大幅度降低，按價(jià)格/性能比價(jià)，僅為國際上同類產(chǎn)品的幾十分之一。

生物表面活性劑特點(diǎn)目前大多數(shù)市售的表面活性劑主要是來自石油基的化學(xué)產(chǎn)品，其生產(chǎn)過程需要消

耗大量的石油產(chǎn)品，同時(shí)環(huán)境污染嚴(yán)重。化學(xué)表面活性劑難以降解，存在環(huán)境毒害。

生物表面活性劑的特點(diǎn)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，可在極端的

溫度和酸堿條件下使用，不僅用途廣泛而且環(huán)境友好。

Surfactin 源自于生物，具有化學(xué)合成表面活性劑所不能的優(yōu)越性、可生物降解性、良好的生物親和性、

超低的刺激性，并具有殺菌作用且無毒副作用，比其他生物表面活性劑具有更強(qiáng)的表面活性。

/?corpID=9558

（安徽帝元生物科技有限公司的產(chǎn)品簡(jiǎn)介）

生物表面活性劑

Surfactin應(yīng)用于化妝品，可以改善化妝品的水洗性能，增加皮膚的光潤和滑嫩性。即使微量使用也能

顯示出優(yōu)異的乳化安定性及分散性，特別是作為敏感性肌膚、干燥性肌膚、過敏性皮膚炎患者使用的化妝

品原料配料更能充分發(fā)揮其效能。

Surfactin在食品工業(yè)中的應(yīng)用。其優(yōu)良的乳化性可在食品原料形成一定的濃度、質(zhì)地和分散相中發(fā)

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(chǎn)，改善面

粉的流變學(xué)特征以及部分裂解的脂肪組織的乳化，還可以防止嗜熱鏈球菌

(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）。

Surfactin 在醫(yī)藥上的應(yīng)用，具有抗菌、抗真菌，抑制血纖維素凝集，誘導(dǎo)脂雙層膜離子通道的形成，

抑制c AMP, 抗病毒和抗腫瘤以及抗支原體活性。由于 Surfactin具有化學(xué)合成表面活性劑所不具備的特

殊結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)的生理活性，有作為藥物的潛能，特有的溶血性可以作為溶解血栓劑使用，制成的脂質(zhì)體可

以和多種抗癌藥物結(jié)合，通過局部或全身給藥，特異性的與靶細(xì)胞結(jié)合，充分發(fā)揮治療作用，降低毒副作

用；

生物表面活性劑：用于農(nóng)業(yè)

Surfactin 在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用。在農(nóng)業(yè)方面，Surfactin生物表面活性劑可用于土壤改良，加快土壤中有機(jī)

質(zhì)的生物降解；作為分散劑可使化肥和農(nóng)藥能在施用田里均勻分布，提高效率；作為農(nóng)藥助劑可以替代現(xiàn)

有的化學(xué)表面活性劑，尤其在水劑型農(nóng)藥中應(yīng)用效果較好。

摘要:評(píng)述了表面活性劑在疏水性有機(jī)物污染土壤生物修復(fù)中的應(yīng)用。從表面活性劑、污染物、土壤及

微生物之間相互作用的角度討論了表面活性劑的作用機(jī)制。指出導(dǎo)致污染土壤生物修復(fù)效率低的一個(gè)很重

要原因是傳遞問題,而表面活性劑的加入可以加快疏水性有機(jī)物污染物從土壤表面到水相的傳質(zhì)過程。目前

已經(jīng)發(fā)現(xiàn)某些表面活性劑能夠促進(jìn)疏水性有機(jī)污染物的生物降解,但并未發(fā)現(xiàn)一致的規(guī)律。

賈凌云,吳剛,楊鳳林.表面活性劑在污染土壤生物修復(fù)中的應(yīng)用.現(xiàn)代化工，2003,23(9)：58-61

表面活性劑UV分析

取經(jīng)過濾離心處理的發(fā)酵液和培養(yǎng)基各2mL加入兩支10mL比色管中，分別加入1mL5%苯酚水溶液，

然后分別將5mL濃硫酸迅速垂直加入比色管中，室溫靜置10min，再在30e的水浴中反應(yīng)20min，搖勻，

以培養(yǎng)基比色管為參比，在UV-260上掃描發(fā)酵液的最大吸收峰(480nm)。經(jīng)微生物作用后發(fā)酵液與苯酚硫

酸溶液反應(yīng)，溶液呈現(xiàn)桔黃色，而且顯色靈敏、穩(wěn)定說明微生物以烴類為唯一碳源代謝產(chǎn)生的表面活性物

質(zhì)含有糖基部分，即為糖脂類表面活性物質(zhì)。鼠李糖及其衍生物與苯酚硫酸溶液反應(yīng)在480nm處有最大吸

收峰，該方法在鑒定糖及其衍生物方面非常有效[4]。

包木太,牟伯中,王修林.采油微生物的代謝過程.化學(xué)研究與應(yīng)用，2003,15(4)：555-557

寧長發(fā)，沈薇，孟廣榮，楊樹林. 產(chǎn)生物表面活性劑菌種的一種快速篩選模型. 生物學(xué)通報(bào)，

2004,31(3)：55-58

摘要:針對(duì)特低滲透油藏注水開發(fā)過程中呈現(xiàn)出的油井產(chǎn)水快速上升、產(chǎn)能下降、供液能力差、低產(chǎn)低效的

局面,選用自制的以微生物表面活性劑為主的菌液,在室內(nèi)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),并推入礦場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn).結(jié)果表明:利用

微生物調(diào)剖驅(qū)油,能降低注水井注入壓力的25.3%~61.0%,提高原油采收率6.30%~10.50%,改善注采狀況,對(duì)

區(qū)塊起到降水增油的作用。

賈振岐,覃生高,田 利.低滲透油藏微生物的調(diào)剖驅(qū)油.大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2006,30（1）：106－108

摘要：由于其致癌、致突變和致畸性，多環(huán)芳烴（PAHs）成為環(huán)境中一類重要的有機(jī)污染物。生物修復(fù)是

一種經(jīng)濟(jì)和有效的修復(fù)污染土壤的方法。由于PAHs 低的水溶性、強(qiáng)的吸附性，使其生物可利用性降低，

不利于生物修復(fù)。添加表面活性劑是一種常見的加強(qiáng) PAHs 生物利用性的方法。文章概述了近年來在多環(huán)

芳烴生物修復(fù)中關(guān)于表面活性劑的研究進(jìn)展。

陳來國，冉 勇.多環(huán)芳烴生物修復(fù)中的表面活性劑.生態(tài)環(huán)境 2004, 13(1):88-91

摘要:生物表面活性劑是由微生物(細(xì)菌、酵母和霉菌)產(chǎn)生的天然化合物,具有或優(yōu)于化學(xué)合成表面活性

劑的理化性質(zhì),本文介紹了產(chǎn)糖脂類微生物表面活性劑的幾種篩選方法。

生物表面活性劑是一類由微生物合成的、結(jié)構(gòu)不同的表面活性分子,是七十年代后期國際生物工程領(lǐng)域

中發(fā)展起來的一個(gè)新課題。微生物在一定條件下培養(yǎng)時(shí),在其代謝過程中分泌產(chǎn)生的一些具有一定表/界面

活性,集親水基和疏水基結(jié)構(gòu)于一分子內(nèi)部的兩親化合物,稱為生物表面活性劑(1)(Biosurfactants)。與化學(xué)合

成的表面活性劑相比,生物表面活性劑有更多的優(yōu)點(diǎn),如:更低的毒性,更高的生物降解性,更好的環(huán)境相容性,

更高的起泡性,在極端溫度、pH、鹽濃度下的更好的選擇性和專一性。也由于這些優(yōu)點(diǎn),使生物表面活性劑

在各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域如采油和能源工業(yè)、藥物和化妝品、食品、環(huán)境工程等中的廣泛應(yīng)用,并有可能替代化學(xué)合

成的表面活性劑。

生物表面活性劑主要分為糖脂類、脂多肽和脂蛋白類、磷脂和脂肪酸類、聚合表面活性劑類和微粒表

面活性劑類等五大類(2)。最大的一類生物表面活性劑是糖脂類,本文著重介紹了產(chǎn)糖脂類微生物的幾種篩

選方法。

劉曄，許有強(qiáng)，牟宏，林建強(qiáng). 幾種快速篩選生物表面活性劑的方法.山東輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2003,17（4）：

38-39

糖脂含量的測(cè)定：

Zhang Y, Miller RM. Enhanced octadecane dispersion and biodegradation by a Pudomonas rhamnolipid

surfactant (bio-surfactant) [J]. Appl. Environ. Microbiol, 1992, 58 (10):3276-3282.

表面活性劑的溶血效應(yīng)

菌體培養(yǎng)42h,離心去掉菌體,用微量進(jìn)樣器吸取20ml上清液并注射到含有5%綿毛血的瓊脂平板上的孔

穴中(直徑3mm),結(jié)果在孔穴周圍出現(xiàn)透明圈,4h后透明圈直徑達(dá)到最大,說明Surfactin能夠溶解紅血細(xì)胞,

將標(biāo)準(zhǔn)Surfactin配制成相對(duì)含量不同的梯度,以0.25g/L定為100%,進(jìn)樣到血瓊脂平板上,結(jié)果在平板上形成

大小不同的透明圈,4h后測(cè)定透明圈的直徑大小,結(jié)果表明透明圈大小與相對(duì)含量成一定的函數(shù)關(guān)系,見圖1,

該曲線可作為發(fā)酵條件摸索和篩選高產(chǎn)突變株粗篩的測(cè)定方法[5]。

陳蓉明，林躍鑫，黃諺諺. 枯草芽孢桿菌ATCC2233產(chǎn)生表面活性素的研究. 福建輕紡，2000,12：1-4

辛中堯，陳秀蓉，楊成德，薛莉.枯草芽飽桿菌Bl, B2發(fā)酵液生物表面活性劑初探.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，

2005,40(4)：501-506

沈薇,楊樹林,寧長發(fā),袁輝.藍(lán)色凝膠平板法篩選生物表面活性劑產(chǎn)生菌.南京理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2005,

29(4): 486-490

從1000份土壤和水等樣品中，經(jīng)富集培養(yǎng)、血平板分離、搖瓶培養(yǎng)和排油活性測(cè)定等方法篩選出10

株能產(chǎn)生各種生物表面活性劑的菌株（包括細(xì)菌，酵母和霉菌）。其中一株細(xì)菌產(chǎn)海藻糖脂，一株細(xì)菌產(chǎn)

鼠李糖脂，兩株細(xì)菌分別產(chǎn)長碳鏈不飽和脂肪酸和壬二酸，兩株酵母產(chǎn)生的脂多糖具有良好的乳化性能

1.2.1 生物表面活性劑排油活性測(cè)定：取一培養(yǎng)皿, 加水, 水面上加0.1mL正烷烴形成油膜。在油膜

中心加搖瓶發(fā)酵液,中心油膜被擠向四周形成一圓圈,圓圈的直徑與表面活性劑含量和活性成正比。圓圈直

徑大于3cm的菌株保留作進(jìn)一步的研究。

潘冰峰,徐國梁,施邑屏,李江云,李祖義.生物表面活性劑產(chǎn)生菌的篩選.微生物學(xué)報(bào)，1999,39(3)：264-267

盧國滿, 劉紅玉, 曾光明等. 生物表面活性劑產(chǎn)生菌犁頭霉菌(Absidiaorchidis)的篩選及發(fā)酵條件優(yōu)化. 環(huán)

境科學(xué)學(xué)報(bào)，2006, 29(6)：1426-1632

摘要：以東海原甲藻為實(shí)驗(yàn)材料，研究了銅綠假單胞菌產(chǎn)鼠李糖脂類生物表面活性劑對(duì)藻細(xì)胞的抑制和殺

藻作用。結(jié)果表明，鼠李糖脂在較低濃度下對(duì)東海原甲藻的生長有明顯的抑制效果，增大用量，可直接殺

滅藻細(xì)胞。生長延滯期的藻細(xì)胞對(duì)鼠李糖脂的作用更為敏感。在相同實(shí)驗(yàn)條件下，鼠李糖脂對(duì)綠藻生長的

影響基本可以忽略，在低濃度下對(duì)中肋骨條藻和湛江叉鞭金藻生長的影響也很弱，鼠李糖脂的濃度增至

5.0mg/L以上時(shí)，對(duì)中肋骨條藻和湛江叉鞭金藻的生長表現(xiàn)出一定的抑制作用。

龔良玉 ，李雁賓 ，王修林等.生物表面活性劑對(duì)東海原甲藻生長的影響.中國環(huán)境科學(xué) 2004，24(6)：692-696

油平板篩選： 油平板制作方法是利用去掉碳源后的固體富集培養(yǎng)基倒平板、然后在其上加上一張已滅菌

的并均勻浸有原油的粗濾紙、把富集的培養(yǎng)液劃線接種于以原油為唯一碳源的油平板上、37℃保溫保濕培

養(yǎng)5.7ｄ。只有產(chǎn)生表面活性劑能夠乳化碳?xì)浠衔锏木瓴拍芪绽檬托纬墒捎桶摺Ｌ暨x出有噬油

斑的菌落接種于斜面上作進(jìn)一步研究。

丁立孝,何國慶,劉曄,李海軍,林建強(qiáng).脂肽生物表面活性劑產(chǎn)生菌的篩選.農(nóng)業(yè)生物技術(shù)學(xué)報(bào),2004，12（3）：

330-333

Ding Lixiao, He Guoqing, Liu Ye, Li Haijun, Lin ion and Screening of Microbe Producing

Lipopeptide l of Agricultural Biotechnology 2004，12（3）：330-333

Engineering bacteria for production of rhamnolipid as an

agent for enhanced oil recovery

Qinhong Wang, Xiangdong Fang

*

, Baojun Bai, Xiaolin Liang, Patrick J. Shuler, William

A. Goddard III, Yongchun Tang

Power, Energy and Environment Rearch (PEER) Center, Division of Chemistry and

Chemical Engineering, California Institute of Technology, Pasadena, California 91125

email:XiangdongFang(*******************.edu)

*

Correspondence to Xiangdong Fang, Power, Energy and Environment Rearch (PEER)

Center, Division of Chemistry and Chemical Engineering, California Institute of Technology,

Pasadena, California 91125; telephone: 626-858-5077; fax: 626-858-9250.

Funded by:

Department of Energy; Grant Number: DE-FC26-04NT15525

KEYWORDS

rhamnolipid ?biosurfactant ?transposome ?chromosomal inrtion ?interfacial

tension ?enhanced oil recovery

ABSTRACT

Rhamnolipid as a potent natural biosurfactant has a wide range of potential

applications, including enhanced oil recovery (EOR), biodegradation, and

bioremediation. Rhamnolipid is compod of rhamno sugar molecule and

-hydroxyalkanoic acid. The rhamnosyltransfera 1 complex (RhlAB) is the key enzyme

responsible for transferring the rhamno moiety to the -hydroxyalkanoic acid

moiety to biosynthesize rhamnolipid. Through transposome-mediated chromosome

integration, the RhlAB gene was inrted into the chromosome of the

Pudomonas

aeruginosa

PAO1-rhlA

-

and

Escherichia coli

BL21 (DE3), neither of which could produce

rhamnolipid. After chromosome integration of the RhlAB gene, the constitute strains

P. aeruginosa

PEER02 and

E. coli

TnERAB did produce rhamnolipid. The HPLC/MS spectrum

showed that the structure of purified rhamnolipid from

P. aeruginosa

PEER02 was

similar to that from other

P. aeruginosa

strains, but with different percentage for

each of the veral congeners. The main congener (near 60%) of purified rhamnolipid

from

E. coli

TnERAB was 3-(3-hydroxydecanoyloxy) decanoate (C

10

-C

10

) with

mono-rhamno. The surfactant performance of rhamnolipid was evaluated by

measurement of interfacial tension (IFT) and oil recovery via sand-pack flooding

tests. As expected, pH and salt concentration of the rhamnolipid solution

significantly affected the IFT properties. With just 250 mg/L rhamnolipid (from

P.

aeruginosa

PEER02 with soybean oil as substrate) in citrate-Na

2

HPO

4

, pH 5, 2% NaCl,

42% of oil otherwi trapped was recovered from a sand pack. This result suggests

rhamnolipid might be considered for EOR applications.

Biotechnol. Bioeng. 2007; 98: 842-853. ? 2007 Wiley Periodicals, Inc.

Received: 23 January 2007; Revid: 5 April 2007; Accepted: 6 April 2007

/cgi-bin/abstract/114250724/ABSTRACT?CRETRY=1&SRETRY=0

Oil & Natural Gas Projects

Exploration and Production Technologies

Bio-Engineering High Performance Microbial Strains for MEOR by

Directed-Protein-Evolution Technology

DE-FC26-04BC15525

Project Goal

The goals of this project are to 1) apply advanced bio-engineering methods (such as genetic

manipulation) to induce bacteria that naturally make biosurfactants do so at a much higher,

commercially uful rate; and 2) implant the genetic information for rapid biosurfactant production

into microbes adaptable in an oil rervoir environment.

Performer

California Institute of Technology, Pasadena, CA

Results

This project is currently in the third and final pha of propod 3-year rearch period. Significant

progress has been made since the project last update, including the following accomplishments:

Rearchers have successfully engineered the new mutant strains P. aeruginosa PEER02

and E. coli TnERAB so they can produce rhamnolipid biosurfactants.

Core flooding tests showed that rhamnolipids produced by the rearchers’ engineered

bacteria are effective agents for microbial enhanced oil recovery (MEOR). At 250 ppm rhamnolipid

concentration from P. aeruginosa PEER02, 42 percent of the remaining oil after waterflood was

recovered. The results were therefore important for considering the exploration of the studied

rhamnolipids as EOR agents.

The engineered P. aeruginosa PEER02 strain can produce rhamnolipids with different

carbon sources as substrate. Interfacial tension analysis (IFT) showed that different rhamnolipids

from different substrates gave different performance.

Through the methodology of synthetic biology and metabolic engineering, rearchers

engineered E. coli strains harboring various gene combinations from P. aeruginosa and successfully

produced either mono-rhamnolipids or di-rhamnolipids (one or two head groups).

Benefits

This project benefits the industry by identifying a wider spectrum of types of surfactant products that

may be uful for EOR. In particular, bio-bad surfactant alternatives offer new (and perhaps

better) choices for an EOR project. The chemicals are more environmentally friendly and can

come from renewable resources.

The State and the public benefit of this rearch is that it promotes MEOR, and thereby a method to

increa domestic oil supply. There is also a general benefit becau the project approach is a

successful example for other rearchers to follow. Other oilfield or industrial chemicals may be

created using bioprocess that will produce a product that costs less, and is environmentally

friendly.

Background

This 3-year project began in October 2004 as an effort to improve the cost-effectiveness of MEOR.

The motivation for this study was that the oil industry had a history from the previous “boom” period

of the late 1970s and 1980s of developing MEOR in the laboratory and having some moderately

successful technical field tests. However, the economics of MEOR prevented widespread

commercial deployment of the technology, due in part to the high cost of the nutrients to maintain

the microbes in-situ and the low production rate of biosurfactant.

The current project eks surface process to manufacture biosurfactant rates efficiently from

waste feed streams so that the chemicals can be cost-competitive with synthetic surfactants.

Implanting this surfactant-making ability in microbes adapted to oil makes feasible an in-situ MEOR

process that requires little operator maintenance.

Summary

Project rearchers have:

Cloned genes involved in the rhamnolipid and surfactin bio-synthesis.

Successfully produced rhamnolipids in both P. aeroginosa PAO1-RhlA- strain and P.

fluorescens ATCC15453 strain, with an increa of 55-fold to 175-fold in production compared with

wild-type bacteria strain.

Successfully engineered E. coli strains that can produce the rhamnolipids.

Established veral methods, such as colorimetric agar plate assay, colorimetric

spectrophotometer assay, and oil-spreading assay, to detect and screen rhamnolipid and surfactin

production.

Characterized the behavior of the rhamnolipid and surfactin as EOR agents by surfactant

adsorption assay, interfacial tension assay, and wettability tests using calcite flotation methods.

Characterized the behavior of the rhamnolipid as EOR agents by core flooding experiments.

Engineering the rhamnolipid at an injected concentration as low as 250 ppm recovered 42 percent of

remaining oil after waterflooding.

Current Status (July 2007)

The project is on schedule, and rearchers have completed Pha 1 and Pha 2 of this project. A

rearch paper has been accepted to be prented at the 2007 SPE International Symposium on

Oilfield Chemistry, and another rearch paper has been submitted to the Journal of Biotechnology

and Bioengineering. In the current pha of this project, the rearchers will continue to perform

DNA quencing of the improved mutant bacteria strains and further evaluate the EOR properties of

the biosurfactants produced by the engineered bacteria strains. The project statement of work will

be reduced in the third year due to reduced DOE funding in FY2007.

Funding

This project was lected in respon to the DOE Oil Exploration and Production solicitation

DE-PS26-04NT15450-3B, with a focus on Enhanced Oil Recovery.

Project Start: October 1, 2004

Project End: September 30, 2007

Anticipated DOE Contribution: $766,786

Performer Contribution: $191,696 (25 percent of total)

Contact Information

NETL – Rhonda Jacobs (**********************.gov or 918-699-2037)

Cal Tech - William Goddard (***************.edu or 626-395-2731)

Cal Tech - Xiangdong Fang (*******************.edu or 626-858-5077)

Publications

Fang X., Wang Q., Bai B., Liu X., Shuler P., Tang Y. and William G.A., “Engineering Rhamnolipid

Biosurfactants as Agents for Microbial Enhanced Oil Recovery,” accepted for prentation at the

2007 SPE International Symposium on Oilfield Chemistry held in Houston, TX, February 28–March

2, 2007.

Wang Q., Fang X, Bai B., Liang X., Shuler P., Goddard W.A. and Tang Y., “Engineering bacteria for

production of rhamnolipid as an agent for enhanced oil recovery,” submitted to Biotechnology and

Bioengineering, January 2007.

Second annual project report to DOE, December 2006. First annual project report to DOE, October

2005.

IFT analysis of rhamnolipid in various conditions. (a) Profile of IFT of different concentration of rhamnolipid in

water. (b) Effects of pH on IFT of rhamnolipid. Diamond: no NaCl; Square: 2% NaCl; Triangle: 8% NaCl. (c)

Effects of Salinity on IFT of rhamnolipid. Diamond: pH 6; Square: pH 5; Triangle: pH 4. (d) Effects of

temperature on IFT of rhamnolipid. Diamond: Rhmanolipid in pH 4, 1%NaCl; Square: pH 5, 2%NaCl; Triangle:

pH 6, 8%NaCl.

Oil recovery test of a waterflooded sand pack core by rhamnolipid flooding. (a) Profile of oil recovery (Triangle)

and IFT (Circle) during flooding. b) Water cut (Square) and cumulative oil recovery (Diamond). (I) rhamnolipid

flooding; (II) Brine flooding. One pore volume was 85 ml brine solution (50mM citrate-Na2HPO4, 2% NaCl, pH

5.0 buffer). The porosity and brine permeability of the sand-packed core in this experiment was 45% and 17.9

Darcies, respectively.

IFT analysis, main congeners and their relative abundance of rhamnolipids from various

sources.

Effects of pH and salinity on the interfacial tension (IFT) value of rhamnolipids produced by recombinant strain

PAAB06. Each strain produces a different rhamnolipid structure that has a different optimal salinity and pH to

create its lowest IFT. Data shown for n-octane as the oil pha and at 30 C.

Oil recovery of initial oil in-place during surfactant flood and water flood. (500 mg/l biosurfactant). The sand pack

absolute permeability is about 20 D with a pore volume of 85 ml. One PV of brine was injected into the core, and

then 3-PV of 500 mg/l rhamnolipid was injected into the core to flush remaining oil; finally, more than 10-PV of

brine was injected. The initial water injection recovered 62.9% OOIP, 3-PV surfactant injection incread the oil

recovery to 67.6% OOIP. Water flood after surfactant flood further incread oil recovery to 80.8% OOIP.

Surfactant flood and then water flood recovered about 48.3% of remaining oil.

Abstract: This paper introduces the results of lecting and breeding a micro-organism, Strain I, and its core

model experiment investigation for microbial enhanced oil recovery (MEOR). Strain I was parated from the

formation water of the Dagang oil field, with analytical results showing that Strain I is a gram-positive bacillus. A

further study revealed that this strain has an excellent tolerance of environmental stress: It can survive in

conditions of 70℃, 30 wt% salinity and pH3.5-9.4. Strain I can metabolize biosurfactants that could increa the

oil recovery ratio, u crude oil as the single carbon source, and decompo long-chain paraffin with a large

molecular weight into short-chain paraffin with a small molecular weight. The core model experiment shows that

Strain I enhances oil recovery well. Using 2 vol% of the fermentation solution of Strain I to displace the crude oil

in the synthetic plastic bonding core could increa the recovery ratio by 21.6%.

1. Introduction

The majority of oil fields in China have entered the late stage of tertiary oil recovery with a high water cut, at

which the chemical flooding and polymer flooding have been the main enhancing oil recovery technology and

en widespread u till now. However, more and more environmental problems and rious damage to the

formation by wide u of chemical flooding and polymer flooding have aroud our attention. Both the emission

water and the injection water contain such chemicals as alkali, surfactants and polymers, all of which are difficult

to remove and degrade in nature. Moreover, the recovered crude oil that contain the chemicals, especially the

polymers, is difficult to treat in subquent process. To avoid or overcome this difficulty, much money and

energy has been consumed over the years, but a perfect solution had not been found until the microbial

enhanced oil recovery (MEOR) technology appeared.

Zobell got the first patent on MEOR in 1946. Since then, the MEOR technology has en numerous

laboratory studies and practical applications in oilfields. Desouky constructed a one-dimensional model to

simulate the process of enhanced oil recovery by three microorganisms: Streptococcus, Staphylococcus and

Bacillus in porous media (Desouky, et al., 1996), Yakimov described a Bacillus licheniformis which was able to

enhance oil recovery in 1997 (Yakimov, et al., 1997), Ma prented some new practical application of MEOR in

China (Ma and Schneider, 1998).

The rearch results proved that the MEOR process was technologically and economically feasible. Many

excellent strains that can degrade hydrocarbons and metabolize biosurfactants (Banat, 1995; Makkar and

Cameotra, 1997)and biopolymers (Khachatoorian, et al.,2003; Shah and Ashtaputre, 1999) have been lected for

MEOR. Now it has become a comprehensive technology for EOR and found widespread u in oilfields, for

example, the investigation and application of MEOR technology in North Sea Rervoir (Bryant,1994). In China,

Venezuela and Romania (He, et al.,2000; Smith and Trebbau, 1998; Rebecca, 1996; Lazar,et al., 1992), pilot

results have boosted encouraging extensive field applications. Compared with other tertiary oil recovery

technologies, MEOR has many advantages such as broad applicable range, simple process, less investment, high

performance, low cost and no harm to the environment in particular(Li, et al.,1997). It is the most prospective oil

recovery process for tertiary oil recovery and American technicians regarded the MEOR process as the fourth oil

recovery technology following the familiar tertiary oil recovery technology such as heat, chemicals and gas

enhanced oil recovery technology in 1991.

The key step of MEOR is lecting an excellent bacterium. Whether it is lected from nature or bred in the

laboratory, the microbe should be able to survive in the oil rervoir conditions, to u crude oil as a carbon source

and produce some uful metabolites such as biosurfactants, organic acids, alcohols, esters, solvents and gas for

oil recovery (McInerneyet, et al., 1985; Li, et al., 2001). The rervoir is almost anoxic initially, however, after oil

production begins, the flooding water brings dissolved oxygen down into the rervoir and increas the oxygen

concentrations, so it is difficult to keep an absolute anoxic condition in industrial production. Therefore, the

facultative anaerobes (tho able to live in either anoxic or aerobic conditions) are more suitable for MEOR

process. Nowadays, most oilfields in China (oil layer temperature: 60-90℃) have come into the later tertiary oil

recovery stage at which the polymer flooding has been carried out, and the difficulty in injection bothered us more

and more frequently becau of the formation damage of the polymer (polyacrylamide). This paper describes the

isolation and evaluation of a strain called I that can metabolize biosurfactants at a high temperature and high

salinity. Its model experiment for MEOR under simulated rervoir conditions indicates that the strain could be a

potential MEOR strain for oilfields in China.

4. Conclusion

An excellent strain called Strain I, which is able to produce biosurfactant and enhance oil recovery had been

parated from the formation water of Dagang oilfield. The primary analysis and comparison show that Strain I is

a gram-positive bacillus with an excellent salinity tolerance (30 wt% NaCl), acidity tolerance(pH3.5-9.4) and

thermo-tolerance (70℃). This strain is a promising prospect for MEOR.

Strain I can degrade long-chain paraffins into short-chain isomeric paraffin in 6 days at 60℃, which decreas

the viscosity and improves the flow ability of crude oil. The most important characteristics of its degradation

ability is that a 4vol% microbial solution can degrade the heavy components of crude oil to light components in a

short time (6 days), and almost reaches 25%.

The core model experiment shows that strain I can increa the oil recovery ratio with crude oil as a carbon

source at 65℃ and an anaerobic condition. The oil recovery ratio increas with the increa of microbial culture

concentration. However, the highest concentration (4 vol %) did not get the best microbial flood effect. Maybe the

possible reason is that this microbe size is too long (6-11μm) and in the highest concentration, there are too many

microbes in the core, so they can plug some holes in the core and restrain the migration of crude oil in some

degree, although the metabolites can reduce the oil-water interface and wash out the oil from the pore wall.

Additionally, different injection time can bring different MEOR effects, the final oil recovery ratio is almost alike

whenever the injection time is Fw=50% or Fw=98%, but the relative increment of recovery ratio has a major

difference. The relative increment of the recovery ratio with Fw=50% is higher than that with Fw=98%, becau

there is more oil remaining in the core in the former than that in the latter. However, the final recovery ratio and

the injected microbial solution volume of the two methods are alike, and more water is consumed in the latter than

that in the former. So, we conclude that the injection time with Fw=50% is better than that with Fw=98%. In

practice, we hope that the MEOR process will be ud when the water cut is less than 80% in flooding process,

since its economy would be the better than that of the latter MEOR process.

Zhang Zhongzhi, Wei Xiaofang, Luo Yijing et al. The Selection and Breeding of a Novel Microorganism Strain I

and Investigation of Core Model Experiment for MEOR. Petroleum Science,2005,2(2):95-102

摘要：評(píng)述了表面活性劑在疏水性有機(jī)物污染土壤生物修復(fù)中的應(yīng)用。從表面活性劑、污染物、土壤及微

生物之間相互作用的角度討論了表面活性劑的作用機(jī)制。指出導(dǎo)致污染土壤生物修復(fù)效率低的一個(gè)很重要

原因是傳遞問題，而表面活性劑的加入可以加快疏水性有機(jī)物污染物從土壤表面到水相的傳質(zhì)過程。目前

已經(jīng)發(fā)現(xiàn)某些表面活性劑能夠促進(jìn)疏水性有機(jī)污染物的生物降解，但并未發(fā)現(xiàn)一致的規(guī)律。

關(guān)鍵詞：表面活性劑；疏水性有機(jī)污染物；土壤生物修復(fù)

疏水性有機(jī)污染物，如石油、有機(jī)氯農(nóng)藥、多氯聯(lián)苯、多環(huán)芳烴、梯恩梯(TNT)等，在自然界中主要以吸

附態(tài)等形式存在于土壤中，在水中不溶或微溶，不易被自然界的微生物降解，易被植物和動(dòng)物富集，并通

過食物鏈進(jìn)入人體，可致癌、致畸、致突變，已成為需要解決的世界性難題之一。目前其污染土壤的主要

修復(fù)方法是生物修復(fù)法，但在生物修復(fù)中存在的關(guān)鍵問題是修復(fù)效率太低，一塊土地要得到徹底修復(fù)往往

需要幾十年到上百年的時(shí)間。導(dǎo)致修復(fù)效率低的一個(gè)很重要因素就是傳遞問題。一系列研究表明，疏水性

有機(jī)污染物從土壤表面到細(xì)胞內(nèi)部的傳遞速率是生物降解的主要限制步驟[1-3]，而表面活性劑增加了疏水

性有機(jī)污染物在水相中的溶解度進(jìn)而增加了污染物的傳遞速率，對(duì)提高土壤修復(fù)效率、降低修復(fù)費(fèi)用等具

有重要意義。

表面活性劑對(duì)疏水性有機(jī)物污染土壤生物修復(fù)的影響包括以下幾方面：表面活性劑對(duì)微生物的影響，即對(duì)

于不能被生物利用的表面活性劑，其毒性可導(dǎo)致抑制微生物的生長，但對(duì)于可生物利用的表面活性劑，微

生物可將其作為輔助碳源促進(jìn)其生長；表面活性劑可以促進(jìn)傳質(zhì)作用，在疏水性有機(jī)物污染土壤的生物修

復(fù)中，表面活性劑的最重要作用是促進(jìn)疏水性有機(jī)污染物從土壤到水相的傳質(zhì)過程，對(duì)處于不同物理狀態(tài)

下的疏水性有機(jī)污染物，表面活性劑對(duì)改善其生物可利用性起重要的作用。

對(duì)于處于吸附態(tài)、固態(tài)或液態(tài)的疏水性有機(jī)污染物，研究者[4]認(rèn)為微生物可能有3種攝取機(jī)制：③生物表

面活性劑存在時(shí)污染物的攝取。第三種攝取機(jī)制主要是針對(duì)能夠分泌生物表面活性劑的某些特殊細(xì)菌而

言，生物表面活性劑可引起疏水性污染物分散度增加，增加污染物與細(xì)菌的接觸面積，提高其生物降解速

率。但從阻礙生物降解的因素考慮，加強(qiáng)疏水性有機(jī)污染物在土壤中的流動(dòng)性、增加微生物與污染物的接

觸頻率將是提高污染土壤生物修復(fù)效率的有效手段。

存在的問題有：

1 表面活性劑的毒性和可生物降解性

在選擇表面活性劑時(shí)，必須首先考慮表面活性劑的生物毒性和可生物降解性。表面活性劑的生物毒性表現(xiàn)

在以下兩方面[7]：表面活性劑與細(xì)菌細(xì)胞膜中脂類成分的相互作用可能破壞細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)；表面活性劑分

子與細(xì)胞必不可少的功能蛋白有可能發(fā)生反應(yīng)。這2個(gè)因素都有可能降低微生物的活性甚至導(dǎo)致其死亡。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在不同條件下，不同種類的表面活性劑所表現(xiàn)出的毒性有很大差別。在pH值為7或稍高時(shí)，陽

離子表面活性劑毒性較大；陰離子表面活性劑則在較低的pH值時(shí)呈現(xiàn)較強(qiáng)毒性，非離子表面活性劑總體

上比離子型表面活性劑的生物毒性要小得多。因此目前在土壤生物修復(fù)中使用的表面活性劑大多為非離子

表面活性劑，如Tween-80、TritonX-100等[8]，而部分研究者在生物修復(fù)中更傾向于采用生物表面活性劑

[9]，如糖脂、磷脂、脂肪酸、脂蛋白等，但其來源與價(jià)格限制了其大規(guī)模使用。

2 表面活性劑對(duì)微生物的作用

表面活性劑對(duì)微生物的作用除上述的毒性外還體現(xiàn)在細(xì)胞膜對(duì)表面活性劑的吸附作用和對(duì)微生物在土壤

中存在狀態(tài)的改變。由于生物膜由大量磷脂分子組成，磷脂與表面活性劑有類似的結(jié)構(gòu)和性能，所以細(xì)胞

膜對(duì)表面活性劑具有較強(qiáng)的吸附作用[13]，這種吸附作用會(huì)降低表面活性劑在水相中的濃度，進(jìn)而可能影

響到污染物的脫附速率，同時(shí)改變了細(xì)胞膜的通透性，使疏水性有機(jī)物和中間代謝物的跨膜速率加快[14]，

這一點(diǎn)對(duì)提高降解速率有利由于生物表面活性劑在細(xì)菌與污染物界面的相互作用中起重要的作用[15]。因

此表面活性劑的添加將影響到微生物在土壤中的存在狀態(tài)，進(jìn)而影響到其流動(dòng)性。

實(shí)驗(yàn)證明，表面活性劑會(huì)影響到細(xì)菌和土壤間的相互作用。如在加入帶有磺酸基的陰離子表面活性劑后，

類產(chǎn)堿假單胞菌同黏土間的吸附作用減弱[16]。引起這種現(xiàn)象的原因可能有以下幾點(diǎn)：表面活性劑能夠引

起土壤和細(xì)菌表面電荷密度的改變進(jìn)而降低細(xì)菌的可逆吸附；表面活性劑會(huì)阻礙絮凝，促進(jìn)菌體的遷移；

細(xì)胞壁表面分泌物和土壤表面有機(jī)質(zhì)的溶解將改變土壤與細(xì)菌的天然相互作用，進(jìn)而改變微生物所處的環(huán)

境和活性[17]，這對(duì)污染土壤的修復(fù)、特別是原位修復(fù)有很大影響。

3 表面活性劑對(duì)疏水性有機(jī)污染物可生物利用性的影響

表面活性劑主要通過以下3方面作用提高疏水性有機(jī)污染物的可生物利用性：對(duì)液體污染物的乳化作用。

提高了污染物在水相的表觀溶解度[18]，但這些處于假溶解狀態(tài)的疏水性有機(jī)物能否被細(xì)菌快速利用目前

還存在很多異議[19]。促進(jìn)污染物的傳遞，包括幾個(gè)不同的過程，如一個(gè)污染物分子與單個(gè)表面活性劑分

子的相互作用；表面活性劑與游離相或被吸附的污染物之間的作用；有機(jī)質(zhì)的乳化導(dǎo)致的污染物的遷移以

及由于土壤顆粒中孔隙水表面張力降低使污染物遷移進(jìn)土壤顆粒內(nèi)核等[20]。

這3種機(jī)制都可以起到強(qiáng)化傳質(zhì)的作用，每種機(jī)制所起作用的大小在很大程度上取決于污染物的物理狀態(tài)，

由于傳遞作用的增強(qiáng)可以導(dǎo)致污染物向非污染區(qū)擴(kuò)散，也會(huì)帶來一些負(fù)面作用。

3. 展望

雖然發(fā)現(xiàn)某些表面活性劑能夠促進(jìn)疏水性有機(jī)污染物的生物降解，但并未發(fā)現(xiàn)一致的規(guī)律，這說明表面活

性劑、微生物、污染物、土壤之間存在著復(fù)雜的作用過程，從一些簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)中得到的結(jié)果還不能充分解

釋實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的現(xiàn)象。另外，利用表面活性劑作為土壤生物修復(fù)的輔助手段有一定的可行性，也是提高疏

水性有機(jī)污染物可生物利用性的有效方法之一。

但表面活性劑在實(shí)際應(yīng)用中還存在很多問題。如對(duì)于原位修復(fù)，表面活性劑加入到土壤中，雖然經(jīng)過多次

土地翻耕可以增強(qiáng)表面活性劑與土壤的混合，同時(shí)也可提供足夠的氧氣以加速污染物的清除，但表面活性

劑的作用仍受混合不均勻的影響；在好氧土壤生物修復(fù)反應(yīng)器中加入表面活性劑會(huì)縮短降解時(shí)間，但同時(shí)

會(huì)產(chǎn)生大量多余的泡沫，不利于操作。如果從修復(fù)成本考慮，最好采用濃度較低的表面活性劑溶液，但低

濃度的表面活性劑對(duì)提高疏水性污染物的流動(dòng)性和分散性作用不明顯。所以，從降低修復(fù)成本和提高修復(fù)

效率兩方面來考慮，可分泌生物表面活性劑的降解菌株的篩選和優(yōu)化是個(gè)有前景的研究方向。因?yàn)槔梦?/p>

染物降解菌(原位或異位)產(chǎn)生的生物表面活性劑不僅可以促進(jìn)污染物的降解，也可排除降解菌和污染物之

間可能產(chǎn)生的相互干擾、消除二次污染，且成本低廉。

總之，在表面活性劑作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)被應(yīng)用到土壤修復(fù)中之前，還需要在實(shí)驗(yàn)室、實(shí)際污染點(diǎn)作大量深

入細(xì)致的實(shí)驗(yàn)研究，以確定表面活性劑的作用機(jī)理和作用效果，為實(shí)際應(yīng)用提供確鑿的依據(jù)。

▲ 賈凌云，吳剛，楊鳳林.表面活性劑在污染土壤生物修復(fù)中的應(yīng)用.現(xiàn)代化工，2003，23(9)：58-61

摘要:從石油化工廠附近的污染土壤中分離到一株產(chǎn)表面活性劑的石油降解菌,經(jīng)鑒定為假單胞菌屬,其生物

表面活性劑的產(chǎn)量為0.53g/L。文章研究了該菌株在不同條件下的生長狀況,并與兩株不產(chǎn)表面活性劑的菌

對(duì)比測(cè)定了其石油降解的效率,生物表面活性劑,最終使另外兩種菌株的降解率在此過程中起了重要作用。

將表面活性劑產(chǎn)生菌與其它菌株組合能有效的提高菌株對(duì)石油的降解效率分別提高了7.38%和18.33%。

▲ 鄭金秀,彭祺,張甲耀，等.產(chǎn)表面活性劑的石油降解菌降解特性研究.環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2007,30(1):5-8

摘要：從大港油田氧化塘池中分離得到1株能降解原油產(chǎn)生生物表面活性劑的菌株I。經(jīng)鑒定，該菌株為

芽孢桿菌屬(Bacillus)。用氣相色譜儀進(jìn)行原油的全烴組分分析，結(jié)果表明原油的重質(zhì)組分減少，輕質(zhì)組分

增加，從而可使原油的流動(dòng)性增加。通過選用不同培養(yǎng)基培養(yǎng)來優(yōu)化代謝產(chǎn)物，確定了培養(yǎng)基的最佳組成。

最后通過巖心模擬試驗(yàn)來驗(yàn)證其提高原油采收率的可能性。結(jié)果表明：增大菌液的濃度，提高采收率的幅

度增大；注入菌液的時(shí)機(jī)不同，提高采收率的幅度也不相同。

利用微生物提高原油采收率的第一項(xiàng)專利是由美國微生物學(xué)家Zobell于1946年提出的[1],它是依靠微生物

形成酸、二氧化碳和其它氣體擴(kuò)大含油層的孔隙,增加原油的流動(dòng)性;或是把高分子的碳?xì)浠衔锓纸獬啥?/p>

鏈的更易流動(dòng)的化合物,以及生物表面活性劑、生物聚合物等物質(zhì)的作用。其中利用細(xì)菌產(chǎn)表面活性劑來提

高原油采收率是近年來研究較多并且獲利較大的方法之一。微生物以烴類為底物產(chǎn)的表面活性劑通常是脂

類,包括脂肪酸、糖脂、脂多糖、脂肽等[2]。生物表面活性劑能提高原油采收率,其作用機(jī)理是能使烴類乳

化,在水中形成小的水包油乳化液滴,增加兩相接觸面積,降低界面張力,改變巖石表面的憎水性質(zhì),增加原油

的流動(dòng)性,從而提高原油采收率[3]。與化學(xué)合成表面活性劑相比,生物表面活性劑具有洗油能力強(qiáng)、吸附滯

留量小、穩(wěn)定性高、耐鹽以及無毒等優(yōu)點(diǎn)。研究表明生物表面活性劑的驅(qū)油效率比人工合成的表面活性劑

的驅(qū)油效率高3.5~8倍,而價(jià)格為人工合成表面活性劑的30%[4]。所以生物表面活性劑可能成為今后提高原

油采收率的重要手段。

1.2 方法

原油的降解情況：將培養(yǎng)前的原油和培養(yǎng)6d的發(fā)酵液離心分離后的上層黑褐色原油用HP6890氣相色譜儀

進(jìn)行原油的全烴組分分析，通過分析原油組分的變化來判斷細(xì)菌對(duì)原油的降解情況。

界面張力的測(cè)定：用JJ2000A旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀測(cè)定過濾后的發(fā)酵液與8mg/ml瀝青質(zhì)模型油間的界面張

力。

室內(nèi)巖心模擬試驗(yàn)：首先測(cè)試巖心的特性參數(shù)；然后用原油飽和巖心，再用10%NaCl溶液驅(qū)替，直至沒

有原油流出為止，測(cè)量驅(qū)出原油體積；最后向巖心中注入菌液，將巖心夾持器置于水浴中，在65e培養(yǎng)箱

中培養(yǎng)72h，再用鹽水驅(qū)替，計(jì)算增收率。

3 結(jié) 論

菌株I為兼性厭氧菌,可在30%NaCl及72e高溫生長,生長酸堿度范圍很寬,適應(yīng)油藏條件。其可代謝生物表

面活性劑,降解原油,洗油效果非常好,通過巖心模擬試驗(yàn)證明了其提高原油采收率的可能性。根據(jù)以上結(jié)論

可以預(yù)見菌株I有望用于微生物采油,這還需礦場(chǎng)試驗(yàn)來驗(yàn)證。

▲ 安秀林，李慶忠，張忠智. 產(chǎn)生生物表面活性劑菌株I降解原油的研究. 河北北方學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，

2005,21(1)：20-23

▲ 王琰. 鼠李糖脂表面活性劑的制備及產(chǎn)生菌的篩選. 表面技術(shù)，2006,35（5）：69－70

Wang Yan. Production of Rhamnolipid Bio-surfactantsants Separation of Pudomonas. Surface technology,

2006,35（5）：69－70

Abstracts

Biosurfactants in environmental biotechnology

William R Finnerty

Finnerty Enterpris Inc, 160 Chinquapin Place, Athens, Georgia 30605, USA

Available online 26 August 2004.

Abstract

Biosurfactants are natural products derived from bacteria, yeasts, or fungi. The

complex chemical structures and physical properties of biosurfactants generally

result in properties equal to, or exceeding, many synthetic surfactants.

Biosurfactants have low toxicity profiles to freshwater, marine, and terrestrial

ecosystems, and are potential candidates for a variety of environmental applications.

Rearch, to date, has largely been focud on the enhancement of oil biodegradation

and microbial enhanced oil recovery. The solubilization and emulsification of

toxic pesticides by biosurfactants has also been reported, aiding in the recovery

of such hazardous materials from contaminated sites. The future success of

biosurfactant technology in bioremediation initiatives will require the preci

targeting of the biosurfactant system to the physical conditions and chemical nature

of the pollution-affected site.

API, American Petroleum Institute; HLB, hydrophilic-lipophilic balance

Ralph J. Portier and Gary P. Miller

Aquatic/Industrial Toxicology Laboratories, Institute for Environmental Studies,

Louisiana State University, Baton Rouge, Louisiana 70803, U.S.A.

Available online 17 December 2004.

Abstract

The application of adapted microbial populations immobilized on a porous

diatomaceous earth carrier to pre-treat and reduce toxic concentration of volatile

organics, pesticides, petroleum aliphatics and aromatics has been demonstrated for

veral industrial sites. In the pre-treatment of industrial effluents and

contaminated ground-waters, the bioreactors have been ud to optimize and reduce

the cost of conventional treatment systems, i.e. steam stripping, carbon adsorption

and traditional biotreatment. Additionally, the systems have been employed as

eding devices for larger biotreatment systems. The cost effective utilization of

an immobilized microbe reactor system for water supply regeneration in a

microgravity environment is prented. The feasibility of using immobilized biomass

reactors as an effluent treatment technology for the biotransformation and

biodegradation of phenols, chlorinated halocarbons, residual oils and lubricants

was evaluated. Primary biotransformation tests of two benchmark toxicants, phenol

and ethylene dichloride at concentrations expected in life support effluents were

conducted. Biocatalyst supports were evaluated for colonization potential, surface

and structural integrity, and performance in continuous flow bioreactors. The

implementation of such approaches in space will be outlined and specific areas for

interfacing with other non-biological treatment approaches will be considered for

advanced life support, tertiary waste water biotreatment.

Author Keywords: immobilized biomass; zero gravity; waste water; biotreatment;

phenols; ethylene dichloride; biotransformation; biodegradation

*1 First prented at the

NASA Symposium on Waste Processing in Space for Advanced

Life Support

, Ames Rearch Center, Moffett Field, California, September 11–13,

1990.

Interaction between thermophilic microorganisms and crude oils: recent

developments

Eugene T. Premuzic and Mow S. Lin

Brookhaven National Laboratory, Upton, NY 11973, U.S.A.

Received 3 January 1990; accepted 14 November 1990. ; Available online 7 July 2003.

Abstract

A considerable rearch effort in the area of microbially enhanced oil recovery

(MEOR) has shown that it is promising and that a recovery biotechnology may be

developed. Successful biochemical process would have to be cost effective and have

certain attributes, such as being able to produce emulsifying agents and acidify the

media. Further, the microbes producing the conditions should be tolerant to high

salt concentrations and be capable of metabolizing high molecular weight compounds.

Since oil rervoirs are also subject to temperature and pressure variations,

successful microbial strains should be able to adapt to such environments.

Thermophilic microorganisms, which usually live in harsh environments, appear to be

good candidates for MEOR. Continuing work in Brookhaven National Laboratory dealing

with the chemistry and biochemistry of microorganisms living under extreme conditions

has been expanded to a systematic study of the interaction of thermophilic

microorganisms with crude oils and oil derivatives. Some recent results of the

studies are prented.

Corresponding author. To whom correspondence should be addresd.

摘要 利用酸沉、醇提和薄層層析等方法從Bacillus nattoTK-1發(fā)酵液中分離得到脂肽。TLC結(jié)果表明,

在遷移值Rf0.58~0.65處出現(xiàn)單一紫紅色條帶其為脂肽粗提物。脂肽的臨界膠束濃度約115mg/L。在濃度

為512mg/L時(shí),脂肽能將水的表面張力顯著地降低到30.1mN/m。同時(shí),通過體外抗粘連實(shí)驗(yàn)表明,脂肽能顯

著抑制沙門氏菌、大腸桿菌和金黃色葡萄球菌對(duì)96孔板固體表面的粘附,其中,對(duì)沙門氏菌的抗粘連效果較

為明顯。通過平板擴(kuò)散法考察脂肽抑菌活性,結(jié)果表明脂肽具有較廣泛的抑菌譜,對(duì)灰霉和鐮胞霉的抑菌能

力較強(qiáng)。

脂肽類生物表面活性劑主要來源于一些由細(xì)菌、酵母菌、真菌分泌的代謝產(chǎn)物,結(jié)構(gòu)上含親水的肽鍵和

親油的脂肪烴鏈兩部分[1,2]。其中肽鏈上的氨基酸能以內(nèi)酯或酰胺鍵形式與脂肪烴鏈的羧基、羥基或氨基

結(jié)合形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)。脂肽分子中脂肪鏈部分的碳原子數(shù)一般在12~19之間,肽鏈部分的氨基酸殘基數(shù)在6~13

之間。由于肽鏈中氨基酸的個(gè)數(shù)、種類及連接順序的不同,以及脂肪鏈中碳原子個(gè)數(shù)及支鏈的位置不同,導(dǎo)

致脂肽往往是多個(gè)結(jié)構(gòu)類似異構(gòu)體的混合物[3]。目前發(fā)現(xiàn)的脂肽類生物表面活性劑已有10多種,主要包括

Surfactin、Lichenysin、Iturin、Fengysin等[4,5]。與化學(xué)表面活性劑相比,生物表面活性劑具有可生物降解、

低毒、可耐受極端環(huán)境(溫度、pH及鹽度)等優(yōu)點(diǎn)[6]。

1968年Armi a等首次報(bào)道在Bacillus subtilis發(fā)酵液中分離得到了一種新的活性物質(zhì)Surfactin,這種生

物活性物質(zhì)可以顯著地降低表面張力,可以在20μmol/L的濃度下將水的表面張力從72mN/m降低到

27mN/m。近幾十年以來,人們對(duì)生物表面活性劑的興趣主要集中在石油開采、食品、化妝品、農(nóng)業(yè)以及環(huán)

境保護(hù)等領(lǐng)域,而對(duì)其在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用卻未給予充分的了解和重視[8~10]。最近的研究表明脂肽類生

物表面活性劑具有許多優(yōu)良的生物活性,如抑菌[11]、抗腫瘤[12]、降低膽固醇[13]、抗支原體[14]等功能。

但有關(guān)脂肽對(duì)致病菌的抗粘連作用還很少見報(bào)道。

病原真菌PDA培養(yǎng)基:馬鈴薯200g,蒸餾水1000ml,煮沸50min,半固體培養(yǎng)基加瓊脂0.8%, pH6.7。

病原細(xì)菌LB培養(yǎng)基:胰蛋白胨10.0g/L,酵母粉5.0g/L,NaCl10.0g/L,蒸餾水定容至1000m,l半固體培養(yǎng)基

加瓊脂0.8%, pH 7.2。

在無菌96孔板中,分別加入不同濃度的脂肽200μ,l每個(gè)濃度設(shè)4個(gè)平行孔,對(duì)照孔加入200μlpH7.2

PBS。置4℃冰箱孵育24h后,倒掉脂肽溶液,并用PBS清洗兩遍,隨后分別在每個(gè)孔內(nèi)加入處于對(duì)數(shù)生長期

的病原菌菌懸液200μ,l菌懸液密度為5×105/m,l繼續(xù)孵育4h后,PBS洗掉未粘附96孔板的菌體,用99%甲

醇固定已粘附菌體。固定完畢后,用1%的結(jié)晶紫對(duì)菌體染色5min,自來水輕輕沖洗掉多余的結(jié)晶紫,隨后在

每孔板內(nèi)加入200μl33%的預(yù)冷乙酸以溶解被菌體富集的結(jié)晶紫,振蕩10min后,在595nm下酶標(biāo)儀測(cè)定其

吸光值,計(jì)算抗粘連率。

抗粘連率(% ) =[對(duì)照組吸光值-實(shí)驗(yàn)組吸光值] /對(duì)照組吸光值×100

1.6 脂肽抑菌活性實(shí)驗(yàn)

將供試菌株活化后,用生理鹽水分別將其制成菌懸液,活菌數(shù)>106cfu/m,l備用。將素瓊脂固體培養(yǎng)基融

化后倒入培養(yǎng)皿,待冷卻凝固后,等距平穩(wěn)地將3個(gè)已經(jīng)滅菌的牛津杯放在固體培養(yǎng)基平面上,再將分別培養(yǎng)

細(xì)菌的LB以及培養(yǎng)霉菌的PDA半固體培養(yǎng)基融化冷卻至40℃~50℃,移取1ml菌懸液到培養(yǎng)基中,混勻,然

后用移液管移取8 ml含菌培養(yǎng)基至素瓊脂平板上。待凝固后,拔出牛津杯,用移液槍取30μl不同濃度脂肽

加入牛津孔內(nèi),以生理鹽水作對(duì)照。每個(gè)處理重復(fù)3次,最后細(xì)菌放置于37℃培養(yǎng)箱培養(yǎng)24h;霉菌置于28℃

培養(yǎng)箱培養(yǎng)48h。培養(yǎng)完成后,取出培養(yǎng)皿測(cè)量抑菌圈的直徑大小。

納豆素中分離的Bacillus nattoTK-1發(fā)酵產(chǎn)生的脂肽為一種生物表面活性劑,具有較強(qiáng)的表面活性。脂

肽在512mg/L的濃度下可將水的表面張力從72.3mN/m降低到30.1 mN/m,其中CMC為115mg/L。

叢集運(yùn)動(dòng)和形成菌斑是細(xì)菌在物體表面?zhèn)魅镜年P(guān)鍵行為,致病菌對(duì)器官的粘連是許多傳染病以及人體

腸道疾病發(fā)生的第一步。因此,嘗試抑制致病菌對(duì)受體部位的粘附力,對(duì)預(yù)防某些流行性疾病的發(fā)生和傳染

具有重要意義[15]。抗粘連實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,脂肽能明顯抑制部分致病菌對(duì)96孔板固體表面的粘附能力,其中,

對(duì)沙門氏菌的抗粘連效果較為顯著。

抑菌實(shí)驗(yàn)表明,脂肽具有較廣泛的抑菌譜,對(duì)灰霉以及鐮胞霉的抑菌效果尤為明顯,說明脂肽是一種非常

有潛力的抗菌劑。目前,脂肽的抑菌機(jī)理還不十分明確,被廣為接受的一種解釋為它可以結(jié)合到微生物的細(xì)

胞膜上(其上含有較多的磷脂),在達(dá)到一定濃度時(shí)產(chǎn)生“去垢劑”一樣的效應(yīng),破壞細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu),造成胞內(nèi)

物質(zhì)外泄,最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡[16,17]。本實(shí)驗(yàn)脂肽對(duì)不同指示菌的抑制效果有一定差異,推測(cè)與菌體磷脂雙

分子層極性頭的甘油分子C3位上的R基團(tuán)不同有關(guān)。不同種類的微生物具有不同的R基團(tuán),如磷脂酸、磷

脂酰甘油、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰膽堿、磷脂酰絲氨酸或磷脂酰肌醇等。不同的R基團(tuán)與脂肽的結(jié)合能力

不同,從而造成了脂肽對(duì)指示菌的不同抑制效果[18],具體的抑菌機(jī)制還有待進(jìn)一步的研究證實(shí)。

曹小紅，廖振宇，王春玲等, Bacillus nattoTK-1

產(chǎn)脂肽的純化、抑菌活性及其表面活性劑特

性

. 中國生物工程雜志, 2008. 28(1): 44-48.

摘要:銅綠假單孢菌在葡萄糖、甘油、石蠟、菜油培養(yǎng)基中合成鼠李糖酯生物表面活性劑的最

高產(chǎn)量分別為0.48 g/L、18.90 g/L、2.28 g/L、13.50 g/L。根據(jù)各碳源的代謝特點(diǎn)和相應(yīng)的發(fā)

酵動(dòng)力學(xué),分析認(rèn)為葡萄糖和短鏈烷烴不適合生物表面活性劑的合成;甘油發(fā)酵中細(xì)胞生長和

產(chǎn)物合成沿著相同的代謝途徑,細(xì)胞的適應(yīng)性好,鼠李糖酯產(chǎn)量高;從經(jīng)濟(jì)性考慮,菜油是大規(guī)模

生產(chǎn)生物表面活性劑的首選碳源。

菜油濃度對(duì)細(xì)胞生長和產(chǎn)物合成的影響類似于液體石蠟,實(shí)驗(yàn)經(jīng)過優(yōu)化選用4 %的菜油進(jìn)

行發(fā)酵研究。圖6為菜油發(fā)酵的過程曲線。微生物生長周期較短,鼠李糖酯的合成也是開始于

細(xì)胞生長的穩(wěn)定期,并在100 h出現(xiàn)一個(gè)明顯的產(chǎn)物過程。接著細(xì)胞快速衰亡,鼠李糖酯的合成

也很快停止,估計(jì)是由于碳源限制造成的,這可以通過加碳源來進(jìn)一步提高產(chǎn)率。雖然菜油在支

持細(xì)胞生長方面不如甘油,鼠李糖酯的產(chǎn)量也略低,但從降低成本的角度考慮,以菜油作為碳源

并輔以合理的發(fā)酵工藝將是工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)鼠李糖酯的首選。

通過上述實(shí)驗(yàn)可以看出,四類碳源均支持銅綠假單胞菌的生長,但遵循完全不同的代謝途

徑。葡萄糖培養(yǎng)基中只有微量鼠李糖酯合成。動(dòng)力學(xué)研究證明,甘油發(fā)酵中的糖酯合成是生長

相關(guān)型的。而對(duì)于疏水性底物而言,鼠李糖酯的合成開始于細(xì)胞生長穩(wěn)定期,屬于次級(jí)代謝過

程。其中,菜油對(duì)生物表面活性劑的大規(guī)模生產(chǎn)具有優(yōu)勢(shì),經(jīng)過進(jìn)一步的菌種選育和發(fā)酵工藝設(shè)

計(jì)可以得到更高的產(chǎn)率。菜油濃度對(duì)細(xì)胞生長和產(chǎn)物合成的影響類似于液體石蠟,實(shí)驗(yàn)經(jīng)過優(yōu)

化選用4 %的菜油進(jìn)行發(fā)酵研究。圖6為菜油發(fā)酵的過程曲線。微生物生長周期較短,鼠李糖酯

的合成也是開始于細(xì)胞生長的穩(wěn)定期,并在100 h出現(xiàn)一個(gè)明顯的產(chǎn)物過程。接著細(xì)胞快速衰

亡,鼠李糖酯的合成也很快停止,估計(jì)是由于碳源限制造成的,這可以通過加碳源來進(jìn)一步提高

產(chǎn)率。雖然菜油在支持細(xì)胞生長方面不如甘油,鼠李糖酯的產(chǎn)量也略低,但從降低成本的角度考

慮,以菜油作為碳源并輔以合理的發(fā)酵工藝將是工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)鼠李糖酯的首選。

通過上述實(shí)驗(yàn)可以看出,四類碳源均支持銅綠假單胞菌的生長,但遵循完全不同的代謝途

徑。葡萄糖培養(yǎng)基中只有微量鼠李糖酯合成。動(dòng)力學(xué)研究證明,甘油發(fā)酵中的糖酯合成是生長

相關(guān)型的。而對(duì)于疏水性底物而言,鼠李糖酯的合成開始于細(xì)胞生長穩(wěn)定期,屬于次級(jí)代謝過

程。其中,菜油對(duì)生物表面活性劑的大規(guī)模生產(chǎn)具有優(yōu)勢(shì),經(jīng)過進(jìn)一步的菌種選育和發(fā)酵工藝設(shè)

計(jì)可以得到更高的產(chǎn)率。

錢欣平，陽永榮，孟琴, 利用不同碳源合成生物表面活性劑的研究. 日用化學(xué)工業(yè), 2002.

32(1): p. 15-17.

驅(qū)油用表面活性劑

一、前言

表面活性劑是一類具有兩親結(jié)構(gòu)的特殊化學(xué)物質(zhì)，它們能夠吸附在表（界）面上，在加入量

很少時(shí)即可顯著改變表（界）面的物理化學(xué)性質(zhì)，從而產(chǎn)生一系列的應(yīng)用功能。表面活性劑

分子結(jié)構(gòu)由親水基和疏水基（也稱親油基）兩部分組成。其中，親油基一般由長鏈烴基構(gòu)成，

結(jié)構(gòu)上差異較小，以碳?xì)浠鶊F(tuán)為主，碳原子在8～20之間；親水基部分的基團(tuán)種類繁多，差

別較大，一般為帶電的離子基團(tuán)和不帶電的極性基團(tuán)。表面活性劑被稱作“工業(yè)味精”，可

以用于洗滌、潤滑、食品、化妝品、農(nóng)業(yè)、采油等多個(gè)行業(yè)，多個(gè)領(lǐng)域。在油田作業(yè)中，表

面活性劑可用于油田鉆井、采油和集輸環(huán)節(jié)。用于采油時(shí)，能夠做驅(qū)油劑、堵水劑、酸化用

添加劑、降粘劑和降凝劑以及油井的清蠟和防蠟。目前，表面活性劑驅(qū)油主要是用于各種化

學(xué)驅(qū)油方法中。

二、概述

1表面活性劑用于驅(qū)油的基本情況

表面活性劑驅(qū)是在油層中注入表面活性劑水溶液驅(qū)油的方法。利用表面活性劑采油并非最近

才提出來的一種方法，20世紀(jì)20年代末，德格魯特就曾提出水溶性表面活性劑有助于提高原

油采收率。當(dāng)表面活性劑溶入溶液時(shí)，雙親基團(tuán)會(huì)在液/固接觸面、液/液界面及體相的溶液中

發(fā)生定向分布，當(dāng)極性基團(tuán)與礦物、巖石的表面結(jié)合時(shí)，就會(huì)破壞原油邊界層，把邊界層中

束縛的原油解脫出來，成為可流動(dòng)油，極性的水分子或親水基團(tuán)就會(huì)占據(jù)顆粒表面，從而使

礦物、巖石表面由油濕變?yōu)樗疂瘢瑫r(shí)發(fā)生油水界面張力降低、原油乳化、油滴聚并等現(xiàn)象，

使原油采收率得以提高。目前，應(yīng)用表面活性劑提高采收率發(fā)展有兩種不同的方法：一種是

注入低濃度大段塞（15%～60%）表面活性劑溶液，表面活性劑溶于油或者水，溶解的表面

活性劑與稱為膠束的表面活性劑聚集體相平衡，注入油層的溶液可以降低油水界面張力，從

而提高原油采收率；第二種則是把小段塞（3%～20%）高濃度表面活性劑注入油層，與原油

形成微乳液。但是，隨著高濃度段塞在油層中的運(yùn)動(dòng)，溶液被地層流體稀釋，該過程就轉(zhuǎn)變

為低濃度驅(qū)了。因此，第一種被稱為低張力表面活性劑驅(qū)油體系，第二種被稱為微乳液驅(qū)油

體系。目前，傾向于采用低濃度大段塞表面活性劑。使用表面活性劑作為提高原油采收率的

驅(qū)油技術(shù)主要包括活性水驅(qū)、堿水驅(qū)、微乳液驅(qū)、泡沫驅(qū)、增稠水驅(qū)、正向異常液驅(qū)，膠束/

聚合物驅(qū)和三元復(fù)合驅(qū)等。實(shí)際應(yīng)用的表面活性劑驅(qū)油體系十分復(fù)雜，主要包括表面活性劑、

油、水、電解質(zhì)、控制粘度的稠化劑、提高或保護(hù)主要表面活性劑性能的助表面活性劑和堵

水劑等。

（2）驅(qū)油用表面活性劑分類用作驅(qū)油劑的表面活性劑品種多：按照親水基團(tuán)的結(jié)構(gòu)，即表面

活性劑溶于水時(shí)的離子類型來分類，是最為常見的驅(qū)油用表面活性劑分類方法，通常有5種類

型：陰離子型、陽離子型、兩性離子型、非離子型和混合型；按照疏水基分類，主要分為疏

水基為碳?xì)浠鶊F(tuán)的碳?xì)浔砻婊钚詣┖褪杷鶠槿虿糠址挤湹谋砻婊钚詣话凑?/p>

分子量大小分類，可以分為低分子量表面活性劑（分子量一般為300左右）和高分子表面活

性劑（分子量一般在1000或者數(shù)千之上）；按照三次采油技術(shù)中油藏條件對(duì)表面活性劑性能

的要求分類，可以分為耐鹽表面活性劑體系、耐溫表面活性劑體系、耐鹽耐溫表面活性劑體

系和特殊油藏條件下的表面活性劑體系；按照來源分類，可分為天然表面活性劑、合成表面

活性劑和生物表面活性劑；按照表面活性劑的溶解特性分類，可以分為水溶性表面活性劑和

油溶性表面活性劑。目前，國內(nèi)外驅(qū)油配方中應(yīng)用最多的表面活性劑是陰離子磺酸鹽類（石

油磺酸鹽、烷基磺酸鹽、芳基磺酸鹽及硫酸鹽）與羧酸鹽類、非離子型表面活性劑（聚氧乙

烯型）和表面活性劑復(fù)配物等。表1概述了離子型驅(qū)油用表面活性劑的特點(diǎn)。

（3）對(duì)驅(qū)油用表面活性劑的要求

隨著各國的主力油田相繼鄰近和進(jìn)入高含水開發(fā)階段，利用表面活性

劑或者其復(fù)配體系的EOR研究和試驗(yàn)日趨增多。在目前的技術(shù)水平下，對(duì)

表面活性劑的應(yīng)用主要提出了以下幾方面的要求：

1在油水界面上的表面活性高，使油水界面張力降至0.01～0.001兆牛/米以下，溶解度、濁點(diǎn)

和pH值適宜，能夠降低巖層對(duì)原油的吸附性；2在巖石表面的被吸附量小；

3在地層介質(zhì)中擴(kuò)散速度較大；

4低濃度水溶液的驅(qū)油能力較強(qiáng)；

5能夠阻止其他化學(xué)劑副反應(yīng)的發(fā)生，即具備“阻化性質(zhì)”；

6能耐高溫；

7能耐高礦化度；

8成本低。目前應(yīng)用較為廣泛的石油磺酸鹽類表面活性劑就是成本相對(duì)較低的一類表面活性

劑。實(shí)際注表面活性劑驅(qū)油時(shí)，應(yīng)該綜合考慮地層礦物組分、地層水、地層溫度、注入水、

油藏枯竭程度以及成本等各方面的因素，選擇合適的表面活性劑類型。

目前，國內(nèi)外采用最多的驅(qū)油用表面活性劑是以鈉鹽為主的陰離子表面活性劑，它是最符合

上述要求的表面活性劑。而陽離子表面活性劑在地層易發(fā)生吸附和沉淀，不易產(chǎn)生超低界面

張力，而且毒性較大，因而不適于三次采油用。非離子表面活性劑可產(chǎn)生超低界面張力，而

且此類體系耐鹽、耐硬水能力很強(qiáng)，具有良好的乳化性能，具有良好的驅(qū)油效果。但非離子

表面活性劑對(duì)溫度敏感，對(duì)環(huán)境污染程度大，不適宜大量使用。

三、驅(qū)油表面活性劑的幾個(gè)有價(jià)值的發(fā)展方向

2生物表面活性劑

（1）生物表面活性劑的定義

生物表面活性劑是人們比較關(guān)注的一種天然表面活性劑，它有嚴(yán)格的親水基團(tuán)和疏水基團(tuán)、由微生物

產(chǎn)生的化學(xué)物質(zhì)。這種微生物生長在水不溶的物質(zhì)中并以此為食物源，它們能吸收，乳化，潤濕，分散，

溶解水不溶的物質(zhì)。

（2）生物表面活性劑的特點(diǎn)

生物表面活性劑具有以下特點(diǎn)：

① 水溶性好，在油－水界面有較高的表面活性；

② 在含油巖石的表面潤濕性好，能剝落油膜，分散原油，具有很強(qiáng)的乳化原油的能力；

③ 固體吸附量小；

④ 反應(yīng)的產(chǎn)物均一，可引進(jìn)新類型的化學(xué)基團(tuán)，其中有些基團(tuán)是化學(xué)方法難以合成的；

⑤ 無毒、安全；

⑥ 生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，在常溫、常壓下即可發(fā)生反應(yīng)。

（3）產(chǎn)生生物表面活性劑的菌種

一般產(chǎn)生生物表面活性劑的菌種生長在水不溶的物質(zhì)中，如石油烴、聚苯乙烯、橄欖油、煤油、甲苯、

凡士林、二甲苯，并以它們?yōu)槭澄镌础Ｌ岣卟墒章实纳锉砻婊钚詣鄶?shù)是從被原油污染的土壤、海水、

地表廢水中分離出來的。這些微生物能有效地降解脂肪族和芳香烴的烴類化合物，它們利用這些化合物，

在微生物細(xì)胞和烴接觸的界面上產(chǎn)生生物表面活性劑。表3列出了部分產(chǎn)生生物表面活性劑的菌種與類型。

（4）生物表面活性劑的分類

生物表面活性劑的來源有整胞生物轉(zhuǎn)換法（發(fā)酵法）和酶促反應(yīng)法。按照生物表面活性劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)不同

可分為6種類型：①糖脂類-糖脂、糖醇脂和糖苷；②磷脂/脂肪酸；③含氨基酸類脂-脂蛋白、脂多肽和脂

氨基酸；④聚合物-脂多糖、脂-糖-蛋白質(zhì)復(fù)合物；⑤中性類脂-甘油單雙酯、聚多元醇酯和其它蠟酯；⑥特

殊型-全胞、膜載體和纖毛。大多數(shù)生物表面活性劑是糖脂，其他的像縮氨酯、脂蛋白和異聚多糖的結(jié)構(gòu)更

復(fù)雜。有多種微生物可以合成不同類型的生物表面活性劑。與此分類方法類似的是將其分為糖脂系生物表

面活性劑、酰基縮氨酸系生物表面活性劑、磷脂系生物表面活性劑、脂肪酸系生物表面活性劑和高分子生

物表面活性劑5類。

（5）應(yīng)用及效果

生物表面活性劑用于油田提高采收率的研究已有60多年的歷史。就目前的研究來看，地衣桿菌JF-2是研

究最多的產(chǎn)表面活性劑菌種。美國、德國、前蘇聯(lián)及中國等國家都進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，效果良好。應(yīng)用生物

表面活性劑提高原油采收率成功的礦場(chǎng)試驗(yàn)有以下幾個(gè)實(shí)例：

①西德的試驗(yàn)室研制了海藻糖脂等生物表面活性劑，并已申請(qǐng)專利，在北海油田進(jìn)行了礦場(chǎng)試驗(yàn)，

加入海藻糖脂50毫克/升，驅(qū)油效果提高30％，與一般的化學(xué)表面活性劑相比，驅(qū)油效果增大5倍。

②美國的俄克拉何馬大學(xué)用兩種方法驗(yàn)證了直接向地層注入微生物表面活性劑和注入活的微生物細(xì)菌地

衣桿菌JF-2（美國專利號(hào)4522261）對(duì)原油提高采收率的影響，兩種方法都獲得了良好的效果。

四、表面活性劑驅(qū)油機(jī)理

表面活性劑驅(qū)油的機(jī)理要么是改變分相流動(dòng)關(guān)系，比如降低界面張力或者增加粘度，要么是改變相態(tài)特性，

比如原油部分溶解在水相內(nèi)或者水溶解在油相內(nèi)。

1基本化學(xué)機(jī)理

水驅(qū)后采出殘余油的機(jī)理分為兩類：一類是在流經(jīng)巖石時(shí)油相對(duì)水相的速度發(fā)生了改變；另一類是液相組

分發(fā)生了改變。注入表面活性劑引起的相對(duì)流速的變化可以通過改變的分流量或者相對(duì)滲透率和流體相粘

度進(jìn)行描述；水相和油相組分的改變，可以用擬三元平衡相圖或者在某些特定的情況下，用這種相圖的非

平衡模擬來表示。對(duì)基本機(jī)理的描述和證明已經(jīng)是定性的，涉及到的主要因素有：（1）油相-水相粘度比；

（2）油相和水相的相對(duì)滲透率曲線；（3）油相和水相間的界面張力；（4）三元相態(tài)圖（水/油/化學(xué)劑）單

兩相區(qū)的雙節(jié)點(diǎn)曲線和準(zhǔn)線。

2使分流量發(fā)生改變的基本機(jī)理

（1）降低界面張力

表面活性劑驅(qū)油方法的主要機(jī)理是能夠降低油相和驅(qū)替水相之間的界面張力。科學(xué)研究表明，當(dāng)富含表面

活性劑的半固體顆粒在水相中擴(kuò)散，到達(dá)油水界面時(shí)，就可形成超低界面張力。如果張力足夠低，將原油

俘獲在孔隙空隙內(nèi)形成油滴或者殘余油塊的毛細(xì)管力會(huì)被削弱，油滴就可以在粘滯力和重力的作用下流

動(dòng)。注水開發(fā)后期，毛管數(shù)一般為10-6～10-7，當(dāng)毛管數(shù)提高到10-2時(shí)，理論上原油采收率可以達(dá)到100%。

根據(jù)毛管數(shù)的公式，只有界面張力值的降低才能使毛管數(shù)的數(shù)量級(jí)提高。油水界面張力通常在20～30兆

牛/米范圍之內(nèi)，而理想的表面活性劑可以使油水界面張力降至10-6～10-7兆牛/米。一般情況下，毛管數(shù)

達(dá)到10-4以上，剩余油飽和度就會(huì)隨毛管數(shù)增加而有顯著下降，進(jìn)而達(dá)到提高采收率的目的，此時(shí)一般界

面張力要達(dá)到10-2～10-3以下。能使油水間界面張力降低到這種程度、能滿足驅(qū)油要求且成本較低的表面

活性劑并不是非常易得的。該機(jī)理涉及到的最重要的無因次變量毛管數(shù)Nc，即達(dá)西定律壓力梯度與界面

張力控制奮斗著毛細(xì)管力的比值。在毛細(xì)管力足夠高時(shí)（即界面張力足夠低時(shí)），油滴變?yōu)榭闪鲃?dòng)的，油

相的分流量fo增加。該分流量是相體積流量與通過巖石孔隙空間的全部流體體積流量的比。由于分流量會(huì)

受到相粘度比的強(qiáng)烈影響，還會(huì)受到毛細(xì)管壓力梯度的影響，因此，根據(jù)多孔介質(zhì)相對(duì)滲透率來說明界面

張力降低的效果更為簡(jiǎn)單。

（2）改變潤濕性

潤濕性是采油中需要注意的一個(gè)重要條件，因?yàn)轵?qū)油效率與巖石的潤濕性密切相關(guān)。適宜的表面活性劑可

以使原油與巖石的潤濕接觸角變小，降低油滴在巖石表面的粘附力。如果原始潤濕條件不利，可以通過加

入化學(xué)劑改變孔壁的潤濕性，進(jìn)而提高采收率。潤濕性是滲吸和排泄動(dòng)態(tài)、毛細(xì)管壓力和相對(duì)滲透率的綜

合作用，可以從中性潤濕性和混合潤濕性條件下的親水轉(zhuǎn)變?yōu)橛H油。Salathiel認(rèn)為，混合潤濕性可能是對(duì)

原油開采最為有利的因素，因?yàn)樵诨旌蠞櫇駰l件下，水相粘附在大面積的孔隙表面上，但是原油附著的連

續(xù)通道延伸到了孔隙表面之外。結(jié)果為在常規(guī)水驅(qū)過程中，沿這些通道在薄膜上流動(dòng)的原油能夠排泄，使

殘余油飽和度極低。表面活性劑和腐蝕性流體能夠改變潤濕性。通過改變孔隙空間內(nèi)流體相的分布，潤濕

性改變可以強(qiáng)烈地影響相對(duì)滲透率，并因此影響到分流量。這是一個(gè)很重要的采油機(jī)理，但對(duì)流體分布的

改變了解不夠，所以無法確定地下潤濕性，因而也難以控制潤濕性。

（3）封堵孔隙

當(dāng)孔隙空間的喉道被固體微粒、乳狀液滴、泡沫、聚合物聚集體或者其他物體堵住后，即出現(xiàn)孔隙堵塞。

局部堵塞會(huì)造成滲透率降低，困此能夠提高宏觀波及效率。通過提高局部壓力梯度，可能沿主要滲流通道

或潛在流道形成的局部堵塞，就能形成毛細(xì)管數(shù)增加的區(qū)域，因此可以幫助驅(qū)替被俘獲的油滴，但這樣的

反應(yīng)極難控制。恰當(dāng)?shù)谋砻婊钚詣?fù)配體系可以出現(xiàn)孔隙封堵效應(yīng)。

（4）改變粘度比

加入表面活性劑復(fù)配體系可以增加水相的有效粘度，從而改變粘度比。根據(jù)達(dá)西定律，改變粘度比會(huì)使原

油分流量增加。此外，粘度比改變的一個(gè)結(jié)果是可能會(huì)抑制粘性指進(jìn)的不穩(wěn)定性。在發(fā)生選擇性孔隙封堵

時(shí)，在水相中局部生成的高粘度會(huì)導(dǎo)致微觀壓力梯度的出現(xiàn)，因此，可以幫助驅(qū)掃被俘獲的油滴，但這一

反應(yīng)不易控制。

3使相態(tài)特性改變的基本機(jī)理

4使視相態(tài)特性改變的基本機(jī)理

在表面活性劑存在的情況下，非混相的水相和油相通過多孔介質(zhì)的流動(dòng)會(huì)伴有穩(wěn)定狀態(tài)的乳狀液的形成。

其中所涉及到的機(jī)理，除了孔隙內(nèi)的拉伸流動(dòng)和剪切形成的正常乳化作用，還有被稱作自發(fā)乳化作用的機(jī)

理，即，認(rèn)為乳狀液是在因擴(kuò)散造成的過飽和三元溶液的沉淀作用下生成的。

（1）水包油乳化作用

水包油乳化作用發(fā)生時(shí)，如果乳化狀態(tài)足夠穩(wěn)定，將會(huì)生成溶解作用的非均衡類似物，也即，曾經(jīng)以細(xì)小

的分散油滴存在的原油仍舊留在水為連續(xù)相的乳狀液（水包油乳狀液）內(nèi)，能夠被采出（只是隨后需要進(jìn)

行油水分離）。如果乳狀液擬相以及任何與之接觸的非混相次相的視組分和表觀特性都是僅僅由它們的總

組分確定的，那么一定存在一個(gè)擬相圖。

（2）油包水乳化作用

油包水乳化作用會(huì)形成脹溶作用的非均衡類似物，也就是說，曾經(jīng)以小水滴的形式擴(kuò)散的水留在油包水乳

狀液內(nèi)。表面活性劑在適當(dāng)?shù)柠}度下能夠與原油形成油包水型乳化液，其粘度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于原油的粘度。這種

高粘度乳化液既可以調(diào)節(jié)地層流體間的流度比，又為剩余油的剝落和剝落油滴的聚并起到了很大的作用；

同時(shí)，由剝落油滴乳化聚并形成的高粘度富油帶也起到一個(gè)活塞推進(jìn)的作用。綜上所述，含表面活性劑驅(qū)

油的機(jī)理是非常復(fù)雜的，但驅(qū)油機(jī)理并非是單一的，而是多種機(jī)理并存，只是某種機(jī)理起主要作用。比如，

一般低張力表面活性劑驅(qū)主要機(jī)理是降低油水相間界面張力，改變潤濕性，乳化作用等；而微乳液驅(qū)的主

要機(jī)理是混相和增溶作用，同時(shí)乳化作用也在起作用。

五、應(yīng)用實(shí)例

根據(jù)文獻(xiàn)，ASP是目前表面活性劑驅(qū)油的一個(gè)重要應(yīng)用方向，礦場(chǎng)試驗(yàn)很多，但從文獻(xiàn)來看，礦場(chǎng)試驗(yàn)主

要是在我們國家做的，尤其是大慶油田，因此，我們對(duì)此沒有做出調(diào)研。

六、結(jié)論

1常用的驅(qū)油用表面活性劑有陰離子磺酸鹽類與羧酸鹽類、非離子型表面活性劑和表面活性劑復(fù)配物等。

其中已工業(yè)化生產(chǎn)的石油磺酸鹽和烷基苯磺酸鹽為主的陰離子磺酸鹽類表面活性劑在驅(qū)油方面應(yīng)用尤為

廣泛，依然是當(dāng)前的主導(dǎo)方向。

2生物表面活性劑是微生物生命活動(dòng)的產(chǎn)物，其以水溶性好、高界面活性、良好的潤濕性、吸附量小、引

入人工無法合成的基團(tuán)、無毒安全、工藝簡(jiǎn)單等等優(yōu)點(diǎn)用于驅(qū)油，使之成為一個(gè)有前途的發(fā)展方向。

3水驅(qū)后采出殘余油的機(jī)理分為兩類：在流經(jīng)巖石時(shí)油相對(duì)水相的速度發(fā)生了改變和液相組分發(fā)生了改變。

表面活性劑驅(qū)油機(jī)理非常復(fù)雜,多種機(jī)理并存，只是某種/某些起主要作用。

4表面活性劑作為驅(qū)油劑既可以作為主劑單獨(dú)注入（表面活性劑驅(qū)、微乳液驅(qū)）也可和其他試劑復(fù)配注入

（三元復(fù)合驅(qū)、表面活性劑/聚合物復(fù)合驅(qū)等），在注入時(shí)既可以單一段塞注入，也可以和其他試劑段塞配

合注入。

張蕾. 驅(qū)油用表面活性劑. 中外科技情報(bào), 2006,10: 8-32

摘要:對(duì)從大慶油田分離到的一株枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis)ZW-3代謝的脂肽生物表

面活性劑的理化性質(zhì)(CMC值、乳化活性、對(duì)溫度、礦化度的穩(wěn)定性、降低油水界面張力能力)

進(jìn)行了測(cè)定,同時(shí)進(jìn)行了物理模擬實(shí)驗(yàn)。研究結(jié)果表明,該脂肽表面活性劑具有優(yōu)良的乳化和降

低油水界面張力的能力,并可以適應(yīng)油藏中復(fù)雜的環(huán)境,可提高采收率9.2 %。在微生物采油中

具有較好的應(yīng)用前景。

表面活性素是生物表面活性劑脂肽(又名脂酰肽)的一種,是微生物產(chǎn)生的次生代謝產(chǎn)物。

1968年,Arima等首次發(fā)現(xiàn)Bacillus subtilis IFO3039能夠產(chǎn)生脂肽類生物表面活性劑[1],是迄

今報(bào)道的效果最好的生物表面活性劑之一,被命名為表面活性素。它是由一個(gè)LLDLLDL(共7個(gè)

短肽)手性序列的親水基團(tuán)和β-羥基脂肪酸的疏水基團(tuán)形成的內(nèi)酯環(huán),具有馬鞍型的結(jié)構(gòu)。近

來,研究者利用高分辨 1H NMR結(jié)合分子成形技術(shù)確定了表面活性素的三維結(jié)構(gòu)模型[2-4]。

由于脂肽及其他生物表面活性劑具備多種活性,因此它們可以應(yīng)用于石油開采等眾多工業(yè)領(lǐng)

域中。Java-heri等報(bào)道了[5] Bacillus licheniformis JF-2在嚴(yán)格缺氧的條件下能產(chǎn)生多種降低

培養(yǎng)基表面張力(小于30mN/m)的脂肽類物質(zhì);郝瑞霞等報(bào)道[6 ]Bacillus subtilis SP4能夠產(chǎn)生

揮發(fā)性脂肪酸、有機(jī)酸、酮、醚、酯和生物表面活性物質(zhì)等代謝產(chǎn)物,同時(shí)能夠轉(zhuǎn)化和降解不

同原油的芳烴、非烴和瀝青質(zhì)組分以及極性有機(jī)硫化合物和有機(jī)氮化合物,降低原油的重質(zhì)餾

分含量,改化合物和有機(jī)氮化合物,降低原油的重質(zhì)餾分含量,改善原油的物理化學(xué)性質(zhì)。筆者

對(duì)菌株發(fā)酵生產(chǎn)的脂肽生物表面活性劑的臨界膠束濃度(CMC)值、乳化活性及其對(duì)溫度、礦

化度的穩(wěn)定性等理化性質(zhì)及在微生物采油中的應(yīng)用進(jìn)行了全面研究。

培養(yǎng)方法是:①種子培養(yǎng)方法:在250mL三角瓶中裝入種子培養(yǎng)基100mL,接入斜面活化后

的種子,在45℃條件下以180r/min速率振蕩,培養(yǎng)至對(duì)數(shù)生長中后期,約10~12h。②初始發(fā)酵條

件:以4%的接種量將種子培養(yǎng)物接入裝有100mL發(fā)酵培養(yǎng)基的500mL搖瓶中,在45℃條件下

以250r/min速率振蕩,培養(yǎng)48h。

1.2.1 脂肽生物表面活性劑乳化活性的測(cè)定方法取0.5mL不同稀釋度的菌株發(fā)酵液、

0.1mL體積比為1∶1的十六烷/2-甲基萘酚混合液、4.4mL總濃度為20mmol/L和MgSO4濃度為

10mmol/L的Tris緩沖液(pH值為7.0)在試管中用Ployron均質(zhì)機(jī)以10000r/min均質(zhì)混合1min,

靜置30min后測(cè)定乳化混合液在540nm處的光密度。

1.2.2 脂肽發(fā)酵液降低油水界面張力測(cè)定采用TVT2滴體積界面張力儀和旋滴界面張力

儀,分別對(duì)地層水、培養(yǎng)基、發(fā)酵液在45℃條件下測(cè)定了界面張力。

1.2.3 脂肽發(fā)酵液乳化原油的穩(wěn)定性測(cè)定取去離子水、細(xì)菌培養(yǎng)基、ZW-3菌株發(fā)酵液

各10ml分別和等體積原油置于30mL的乳化管中,用Ployron均質(zhì)機(jī)以10 000r/min速度混合

1min,45℃放置,最初2h觀察一次,放置7d觀察乳化液分離效果。

1.2.4 脂肽發(fā)酵液泡沫穩(wěn)定性的測(cè)定利用泡沫發(fā)生器,分別使發(fā)酵液和化學(xué)發(fā)泡劑-十二

烷基磺酸鈉起泡,在20℃和50℃下測(cè)定兩者的半衰期。

1.2.5 脂肽發(fā)酵液的物理模擬實(shí)驗(yàn)采用人造巖心柱(滲透率為0.91~0.945μm2,變異系

數(shù)為0.65,飽和度為76.5%~77.1%)進(jìn)行了室內(nèi)物理模擬驅(qū)油實(shí)驗(yàn),采用了大慶第三采油廠聯(lián)合

站的原油,黏度為19.9mPa.s。分別注入菌株發(fā)酵液、發(fā)酵液+0.8%NaOH、發(fā)酵液

+1.0%NaOH、發(fā)酵液+1.5%NaOH。注入方式:模型通過水飽和、油飽和、水驅(qū)油含水率達(dá)到

98%后,分別注入復(fù)合體系段塞0.5倍孔隙體積(PV)。每個(gè)樣品進(jìn)行了3支巖心平行實(shí)驗(yàn)。

為了獲得極低界面張力,使用旋滴界面張力儀對(duì)發(fā)酵液/原油的界面張力進(jìn)行了測(cè)定,1.5h

后觀察油滴拉長情況。根據(jù)大慶油田原油的特點(diǎn),分別加入0.8%、1f%、1.3%、1.5%、1.8%

和2.0%的NaOH溶液與發(fā)酵液進(jìn)行復(fù)配分析(圖4)。從圖4中可以看到,1.8%NaOH與發(fā)酵液復(fù)

配和2.0%NaOH與發(fā)酵液復(fù)配兩個(gè)組合分別使界面張力降至1.2×10-3mN/m和1.4×

10-3mN/m,屬于超低界面張力。說明該脂肽對(duì)降低界面張力具有較強(qiáng)的能力,同時(shí)和堿的加入

量成一定的線性關(guān)系。脂肽生物表面活性劑與堿復(fù)配能降低界面張力,其原因推測(cè)是堿與原油

中的羧基物質(zhì)生成了羧酸鹽類,這對(duì)降低界面張力具有很大的作用。

使用電子顯微鏡觀察ZW-3菌株發(fā)酵液乳化管中的油水混合情況可以看到(圖5),乳化液既

有油包水(W/O)的形式,也有水包油(O/W)的形式,但主要是水包油的形式。這說明該脂肽的乳

化能力較強(qiáng),最后可以形成穩(wěn)定的水包油的乳化液。這些特性有利于原油的增采、輸送以及清

除原油污染。

5 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,脂肽生物表面活性劑的臨界膠束濃度約為33.3mg/L,可耐高溫(50℃

~100℃),高鹽離子(12%NaCl),pH值適應(yīng)范圍為4~10。菌株發(fā)酵液可以將油水界面張力降低到

4.57mN/m;如與1.8%NaOH溶液復(fù)配,可以將油水界面張力降低到0.0012mN/m。同時(shí),對(duì)原油

具有較強(qiáng)的乳化作用和發(fā)泡性能。菌株發(fā)酵液可以提高原油采收率5.1%,與1.0%NaOH溶液復(fù)

配進(jìn)行驅(qū)替模擬實(shí)驗(yàn)表明,可以提高采收率9.2%。其理化性質(zhì)可以適應(yīng)油藏特殊和復(fù)雜的環(huán)境,

在微生物采油中將具有重要的利用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。

王大威，劉永建，楊振宇等, 脂肽生物表面活性劑在微生物采油中的應(yīng)用. 石油學(xué)報(bào), 2008.

29(1): p. 111-115.

生物表面活性劑是由微生物(細(xì)菌、酵母和霉菌)產(chǎn)生的天然化合物,具有或優(yōu)于化學(xué)合成表面

活性劑的理化性質(zhì),本文介紹了產(chǎn)糖脂類微生物表面活性劑的幾種篩選方法。

生物表面活性劑是一類由微生物合成的、結(jié)構(gòu)不同的表面活性分子 ,是七十年代后期國

際生物工程領(lǐng)域中發(fā)展起來的一個(gè)新課題。微生物在一定條件下培養(yǎng)時(shí) ,在其代謝過程中分

泌產(chǎn)生的一些具有一定表/界面活性 ,集親水基和疏水基結(jié)構(gòu)于一分子內(nèi)部的兩親化合物 ,稱

為生物表面活性劑Biosurfactants 。與化學(xué)合成的表面活性劑相比 ,生物表面活性劑有更多的

優(yōu)點(diǎn) ,如:更低的毒性 ,更高的生物降解性 ,更好的環(huán)境相容性 ,更高的起泡性 ,在極端溫度、

pH、鹽濃度下的更好的選擇性和專一性。也由于這些優(yōu)點(diǎn) ,使生物表面活性劑在各個(gè)工業(yè)領(lǐng)

域如采油和能源工業(yè)、藥物和化妝品、食品、環(huán)境工程等中的廣泛應(yīng)用 ,并有可能替代化學(xué)

合成的表面活性劑。

生物表面活性劑主要分為糖脂類、脂多肽和脂蛋白類、磷脂和脂肪酸類、聚合表面活性

劑類和微粒表面活性劑類等五大類 。最大的一類生物表面活性劑是糖脂類 ,本文著重介紹了

產(chǎn)糖脂類微生物的幾種篩選方法。

2 水溶性糖脂的直接篩選

Singer等人提出一種測(cè)定水溶性和擴(kuò)散性糖脂的方法。這種快速評(píng)價(jià)方法是基于表面活

性劑溶解紅血球的能力。將富集培養(yǎng)基中分離出的微生物接種于紅血球瓊脂板上,培養(yǎng)幾天后,

菌落的周圍區(qū)域內(nèi)因微生物生長使紅血球溶解,形成一個(gè)明顯的區(qū)帶形成溶血圈,表明生成了

生物表面活性劑,如圖1所示。根據(jù)溶血圈與菌落之比來判斷菌體產(chǎn)生生物表面活性劑的能力,

這種方法比較直觀。

劉曄,許有強(qiáng),牟宏等. 幾種快速篩選生物表面活性劑的方法[J]. 山東輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào) ，2003,

17 (04) : 38-39

摘要：鼠李糖乳桿菌經(jīng)實(shí)驗(yàn)室耐高糖高酸選育,能夠在高糖濃度下高效高產(chǎn)L2乳酸。以酵粉為

氮源和生長因子,葡萄糖初始濃度分別為120g/L和146g/L,搖瓶培養(yǎng)120h,L2乳酸產(chǎn)量別為

104g/L和117.5g/L,L2乳酸得率分別為86.7%和80.5%。高葡萄糖濃度對(duì)菌的生長和乳發(fā)酵有

一定的抑制。增加接種量,在高糖濃度發(fā)酵條件下,可以縮短發(fā)酵時(shí)間,但對(duì)增加乳酸產(chǎn)效果不

明顯。乳酸濃度對(duì)鼠李糖乳桿菌生長和產(chǎn)酸有顯著的影響。初始乳酸濃度到達(dá)70g/L上時(shí),鼠

李糖乳桿菌基本不生長和產(chǎn)酸,葡萄糖消耗也被抑制。酵母粉是鼠李糖乳桿菌的優(yōu)良源,使用其

它被測(cè)試的氮源菌體生長和產(chǎn)酸都有一定程度的下降。用廉價(jià)的黃豆粉并補(bǔ)充微量生素液,替

代培養(yǎng)基中的酵母粉,可以使產(chǎn)酸濃度和碳源得率得以基本維持。

李海軍,林建群,林建強(qiáng)等.高糖和氮源對(duì)鼠李糖乳桿菌(Lactobacillus rhamnosus)

L2乳酸發(fā)酵的影響. 工業(yè)微生物，2004,36(4)：22-27

丁立孝，何國慶，孔青等. 微生物產(chǎn)生的生物表面活性劑及其應(yīng)用研究. 生物技術(shù)，2003,13

（5）：52-54

▲ 顧曉波，鄭宗明，俞海清等. Bacillus subtilis MO-L010中的ComA蛋白對(duì)脂肽合成的影

響及高產(chǎn)工程菌株的構(gòu)建. 南開大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，38(2)：70－73

▲ 刁虎欣，王踐，張心平等. 假單胞菌23－1菌株烴代謝產(chǎn)生表面活性劑的研究. 微生物學(xué)

通報(bào)，2000,27(6): 413-416

▲ 李國強(qiáng),馬挺,李京浩等.紅球菌 Rhodococcus 23 dszABC基因和dszD 基因在大

腸桿菌中的共表達(dá).微生物學(xué)報(bào),2006,46(2):275-279

2)產(chǎn)生物表面活性劑培養(yǎng)基ⅠNH4Cl(2g)，NaCl(1g)，KH2PO4(2g)，MgSO4(0.2g)，K2HPO4 (0.8g)，蛋白

胨(1g)，酵母膏(1g)，pH=7.0～7.2。

3)產(chǎn)生物表面活性劑培養(yǎng)基ⅡMgSO4(0.2g)，CaCl2(0.02g)，KH2PO4(1.0g)，K2HPO4(1.0g)，NH4NO(1.0g)，

Fe2Cl(0.05g)，酵母膏(1.0g)，膽固醇(0.3g)，pH=7.0～7.2。

4)發(fā)酵液表面張力定性與定量及原油乳化性能分析①發(fā)酵液的排油活性測(cè)定：取90mm培養(yǎng)皿加水20ml，

加液體石蠟10ml，待形成油膜后，分別將離心了的發(fā)酵液加于油膜中心，測(cè)量排油圈直徑。②發(fā)酵液乳化

性能測(cè)定：將發(fā)酵液以5%的接種量接到發(fā)酵培養(yǎng)基中，再接入1%的原油，45℃，搖床培養(yǎng)4d，觀察原

油乳化情況。③發(fā)酵液表面張力測(cè)定[6]：用自制簡(jiǎn)便裝置測(cè)得。

▲ 夏晶晶, 佘躍惠, 張雪梅. 大慶油田聚合物驅(qū)后產(chǎn)生物表面活性劑本源菌研究[J]. 長江大

學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)理工卷. 2008, 5(1): 166-169.

摘要：測(cè)定生物表面活性劑產(chǎn)生的方法有：滴液法、排油圈法和血平板裂解法。排油圈法是較為常用的一

種方法。表面活性劑濃度與排油圈直徑和培養(yǎng)液表面張力之間都呈線性關(guān)系，通過它們之間的線性圖，根

據(jù)其中的一個(gè)參數(shù)就能計(jì)算出另外兩個(gè)參數(shù)。用上述方法對(duì)從大港油田分離出來的一株菌DG-1進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，

證明了排油圈法能快速準(zhǔn)確地對(duì)生物表面活性劑的產(chǎn)生，進(jìn)行定性和定量。

▲ 張凡, 佘躍惠. 排油圈法對(duì)生物表面活性劑的定性與定量[J]. 化學(xué)工程師. 2005, (1):

14-15,38.

▲ 劉佳, 黃翔峰, 陸麗君等. 生物破乳劑產(chǎn)生菌的篩選及其方法研究[J]. 微生物學(xué)通報(bào).

2008, 35(5): 690-695.

生物表面活性劑是集親水基和疏水基結(jié)構(gòu)于一分子內(nèi)的兩親化合物，同一般化學(xué)合成的表面

活性劑一樣，生物表面活性劑具有顯著降低表面張力、穩(wěn)定乳狀液、較低的臨界膠束濃度等

特點(diǎn)；此外，還具有可生物降解、無毒或低毒、不致敏、可消化等優(yōu)點(diǎn)。

▲ 傅時(shí)波, 李爾煬. 生物表面活性劑檢測(cè)方法的研究[J]. 江蘇工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào). 2007, 19(2):

23-25.

建議閱讀“藍(lán)色凝膠平板法篩選生物表面活性劑產(chǎn)生菌”（南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2005年 第29卷 第04期）

藍(lán)色凝膠平板法篩選生物表面活性劑產(chǎn)生菌.pdf

我沒有用過藍(lán)色凝膠平板，查了些文獻(xiàn)推測(cè)藍(lán)平板篩選產(chǎn)生物表面活性劑菌株的現(xiàn)象和原理如下，不知是否合理，供參考。

生物表面活性劑是生物（主要是微生物）合成的低分子量、有表面活性的物質(zhì)，依據(jù)他們的化學(xué)組成和微生物來源可分為糖

脂、脂肽和脂蛋白、脂肪酸和磷脂、聚合物和全胞表面脂質(zhì)等五大類。它們的分子結(jié)構(gòu)主要由兩部分組成：一部分是疏油親

水的極性基團(tuán)，如單糖、聚糖、磷酸基等；另一部分是由疏水親油的碳?xì)滏溄M成的非極性基團(tuán)，如飽和或非飽和的脂肪醇及

脂肪酸等。疏水基一般為脂肪酰基鏈,極性親水基則有多種形式,如中性脂的酯或醇官能團(tuán)。

十六烷基三甲基溴化銨是常見的常見陽離子表面活性劑，溶解在水中達(dá)一定濃度時(shí)，其非極性部分會(huì)自相結(jié)合，形成聚集體，

使疏水基向里、親水基向外，這種多分子聚集體稱為膠束，十六烷基三甲基溴化銨膠束與細(xì)菌表面的脂類生物表面活性劑不

親和，所以分布在集落周圍。因而在十六烷基三甲基溴化銨瓊脂平板上菌落周圍培養(yǎng)基常可以擴(kuò)散有水溶性色素。用亞甲基

藍(lán)為指示劑時(shí)，十六烷基三甲基溴化銨膠束自水溶液中吸附亞甲基藍(lán)，形成蘭色暈圈。如果細(xì)菌表面沒有脂類生物表面活性

劑就不會(huì)形成蘭色暈圈。十六烷基三甲基溴化銨膠束與亞甲基藍(lán)也用亞甲基藍(lán)的親和能力也使得亞甲基藍(lán)法測(cè)定十六烷基三

甲基溴化銨的含量成為可能。