生物表面活性劑復(fù)配行為及在疏水性有機(jī)污染修復(fù)中的應(yīng)用.pdf

1、表面活性劑增效修復(fù)是一種很有前途的去除土壤及地下水中疏水性有機(jī)污染物技術(shù)。相比于化學(xué)合成表面活性劑，生物表面活性劑具有高表（界）面活性、低臨界膠束濃度（CMC）、低毒、易于生物降解等特點(diǎn)，在疏水性有機(jī)物污染場(chǎng)地修復(fù)中具有良好的應(yīng)用潛力。在實(shí)際應(yīng)用中，往往將不同類型表面活性劑復(fù)配，利用混合表面活性劑較單一表面活性劑所具有的更強(qiáng)的增溶能力和更好的膠體穩(wěn)定性，來(lái)提高修復(fù)效率，降低修復(fù)成本。但目前缺乏對(duì)生物表面活性劑特別是其復(fù)配體系所形成膠束結(jié)

2、構(gòu)和膠束基本性質(zhì)的認(rèn)識(shí)，限制了應(yīng)用生物表面活性劑及其復(fù)配體系增溶洗脫疏水性有機(jī)物的深入研究，因而難以指導(dǎo)生物表面活性劑及其復(fù)配體系在疏水性有機(jī)污染場(chǎng)地的應(yīng)用。
　　本論文在選育槐糖脂生物表面活性劑高產(chǎn)菌和確定槐糖脂主要理化性質(zhì)的基礎(chǔ)上，綜合應(yīng)用穩(wěn)態(tài)熒光探針?lè)?、表面張力法、?dòng)態(tài)激光散射法和低溫透射電鏡等方法，系統(tǒng)研究了非離子生物表面活性劑槐糖脂與陰離子生物表面活性劑鼠李糖脂復(fù)配體系的膠束形態(tài)、膠束結(jié)構(gòu)及熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，進(jìn)而探討了

3、該復(fù)配體系對(duì)多環(huán)芳烴（PAHs）污染土壤增效修復(fù)作用及其機(jī)制，并應(yīng)用均勻設(shè)計(jì)法，開發(fā)出以糖脂類生物表面活性劑和非離子的山梨醇酯類表面活性劑復(fù)配體系為主體的環(huán)境友好型溢油分散劑。論文主要研究結(jié)果可歸納如下：
　　1.篩選出槐糖脂生物表面活性劑高產(chǎn)菌，確定了該菌株利用不同碳源所產(chǎn)槐糖脂同系物的組成和主要理化性質(zhì)，優(yōu)化了該菌株利用不同底物發(fā)酵制備槐糖脂的培養(yǎng)基組成。
　?。?）從含油廢水中篩選出生物表面活性劑高產(chǎn)菌O-13-1，經(jīng)

4、18S rDNA測(cè)序鑒定為假絲酵母菌（Starmerella bombicola），所產(chǎn)生物表面活性劑經(jīng)薄層層析（TLC）、紅外光譜（FT-IR）及液質(zhì)聯(lián)用（HPLC-MS/MS）確定為槐糖脂同系物。該菌株以葡萄糖為水溶性底物和以油酸、菜籽油、棉籽油和煎炸廢油等脂溶性底物為雙碳源發(fā)酵時(shí)，產(chǎn)物均為含多種自由酸型和內(nèi)酯型槐糖脂同系物，而內(nèi)酯型同系物為主要成分，在槐糖內(nèi)酯中均以脂肪烴鏈為單不飽和的十八烯酸（C18:1）結(jié)構(gòu)為主，如ω-1型17

5、-L-[(2'-O-β-D-吡喃葡萄糖基-β-D-吡喃葡萄糖基)-O-]-十八烯酸-1',4"-內(nèi)酯-6',6"二乙酸酯。
　?。?）槐糖脂溶液具有良好的表面活性、較低的臨界膠束濃度（CMC）和良好的耐溫性、耐酸堿性和熱穩(wěn)定性。該糖脂溶液能使水的表面張力將至37.0 mN/m，CMC僅為30 mg/L，在100℃下加熱2 h、NaCl濃度為0-20％和pH為2-10范圍時(shí)均保持較高表面活性；而槐糖內(nèi)脂的CMC值隨短鏈脂肪醇的加入而

6、增大，隨NaCl電解質(zhì)的加入而減小。
　?。?）通過(guò)設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，優(yōu)化確定O-13-1菌株產(chǎn)槐糖脂的搖瓶發(fā)酵培養(yǎng)基組成為：葡萄糖60 g/L；油酸60 mL/L，酵母粉8 g/L，尿素2 g/L。而該菌株利用廉價(jià)水溶性碳源如葡萄糖漿和糖蜜以及脂溶性碳源如棉籽油和煎炸廢油時(shí)槐糖脂產(chǎn)量較低；而以葡萄糖和油酸或葡萄糖和菜籽油作為雙碳源時(shí)，發(fā)酵制備槐糖脂的碳源成本較低，分別為11040元/噸和11425元/噸。因此，O-13-1菌株發(fā)酵合

7、成槐糖脂的優(yōu)選水溶性碳源為葡萄糖，優(yōu)選脂溶性碳源為油酸和菜籽油。
　　2.綜合應(yīng)用多種技術(shù)手段研究了槐糖脂和鼠李糖脂復(fù)配體系混合膠束和表面吸附性質(zhì)。
　?。?）首先，采用穩(wěn)態(tài)熒光探針?lè)椒y(cè)定了非離子生物表面活性劑槐糖內(nèi)酯（LS）單組分和陰離子生物表面活性劑雙鼠李糖脂（R2）單組分按比例復(fù)配所形成的混合膠束的CMC，并通過(guò)Rubingh規(guī)則溶液理論模型計(jì)算了二者相互作用參數(shù)β及熱力學(xué)函數(shù)。LS/R2混合體系的CMC低于根據(jù)Cl

8、int理論混合模型計(jì)算的CMCideal值，在LS摩爾分?jǐn)?shù)（αLS）=0.1時(shí)，該復(fù)配體系的協(xié)同增效作用最為明顯，混合體系的CMC值較單一LS或R2體系的CMC值分別降低了61.7%和18.9%。αLS在0.025-0.3之間時(shí)，復(fù)配體系膠束相互作用參數(shù)β以及混合膠束形成自由能ΔGmic和超額自由能GE值更負(fù)，說(shuō)明在溶液中有少量LS存在時(shí)，LS和R2在膠束中有強(qiáng)烈的吸引作用，易于自發(fā)形成混合膠束。
　?。?）鑒于實(shí)際發(fā)酵得到的槐糖

9、脂和鼠李糖脂都為含有多種組分的同系物，本文進(jìn)一步采用表面張力方法研究了槐糖脂同系物（SLs）和鼠李糖脂同系物（RLs）復(fù)配體系特點(diǎn)，通過(guò)吉布斯公式和Rubingh規(guī)則溶液理論模型計(jì)算了二者在表面吸附層和膠束中行為。結(jié)果顯示復(fù)配體系的CMC實(shí)驗(yàn)值低于CMCideal，當(dāng)溶液中含有少量的槐糖脂時(shí)，β更負(fù)，SLs和RLs在混合膠束中表現(xiàn)出強(qiáng)烈的吸引作用，與二者單體復(fù)配體系研究結(jié)果一致?；碧侵诒砻嫖綄又械哪柗?jǐn)?shù)（xSLsσ）及混合膠束中的

10、摩爾分?jǐn)?shù)（xSLs）隨其在溶液中摩爾分?jǐn)?shù)（αSLs）的增大而增大且均大于αSLs，槐糖脂在表面吸附層和混合膠束中占優(yōu)，對(duì)復(fù)配增效作用貢獻(xiàn)較大。
　　（3）穩(wěn)態(tài)熒光探針?lè)椒?、?dòng)態(tài)激光散射法和低溫透射電鏡測(cè)定結(jié)果表明，在兩種糖脂總濃度為0.3-0.8 mmol/L范圍時(shí)，SL/R2復(fù)配體系單分散膠束的Nagg僅為3-6，平均膠束直徑約5-20 nm，SL/R2復(fù)配體系所形成膠束具有聚集數(shù)（Nagg）小而膠束直徑大的特點(diǎn)。同時(shí)在糖脂體系

11、中，單分散膠束發(fā)生聚集形成膠束聚集體，當(dāng)LS摩爾分?jǐn)?shù)為0.7時(shí)，膠束聚集體直徑最大，達(dá)160 nm。這是由于槐糖內(nèi)脂和雙鼠李糖脂分子中均含有葡萄糖基和長(zhǎng)鏈?zhǔn)杷?，占?jù)較大空間，不利于分子間的有序排列，導(dǎo)致其復(fù)配體系形成尺寸較大的囊泡狀膠束聚集體結(jié)構(gòu)，可能對(duì)疏水性有機(jī)物具有較強(qiáng)增溶能力。
　　3.研究了SLs/RLs復(fù)配體系對(duì)水溶液中PAHs的增溶作用及其對(duì)PAHs污染土壤的淋洗修復(fù)作用，并考察了pH值、鹽度和重金屬離子等對(duì)SLs/

12、RLs復(fù)配體系增效修復(fù)PAHs污染土壤的影響。
　?。?）SLs/RLs復(fù)配體系對(duì)水溶液中PAHs的增溶作用和對(duì)土壤中PAHs的洗脫作用明顯優(yōu)于二者單一存在的體系，且對(duì)于疏水性相對(duì)較弱的菲的增溶和解吸能力大于疏水性較強(qiáng)的芘。如在SLs摩爾分?jǐn)?shù)為0.7時(shí)，SLs/RLs復(fù)配體系對(duì)PAHs的協(xié)同增溶作用最強(qiáng)，對(duì)菲的摩爾增溶比（MSR）為0.274，分別是SLs和RLs單一體系的1.6倍和8.6倍，對(duì)芘的MSR為0.079，分別為SLs

13、和RLs單一體系的1.8和5.3倍。2種糖脂總濃度為4.2 mmol/L且SLs摩爾分?jǐn)?shù)為0.7時(shí)，SLs/RLs復(fù)配體系協(xié)同去除菲和芘的效率最高，分別達(dá)到71.5%和59.3%，較單一的SLs體系分別高出39.7%和35.7%，而較單一的RLs體系分別高出33.2%和32.7%。
　　（2）溶液pH值對(duì)SLs/RLs復(fù)配體系增溶PAHs能力有顯著影響，在pH為5.5-8.0的范圍內(nèi)，其增溶能力隨pH值的增大而減小，在pH為5.5

14、時(shí)，SLs/RLs形成的混合膠束對(duì)PAHs的增溶效率最高。鹽度對(duì)SLs/RLs復(fù)配體系洗脫P(yáng)AHs作用的影響與表面活性劑濃度大小和鹽度大小密切相關(guān)。兩種糖脂總濃度小于3 mmol/L時(shí)，洗脫液中添加0.01 mol/L NaCl對(duì)SLs/RLs復(fù)配體系洗脫P(yáng)AHs具有抑制作用，而兩種糖脂總濃度大于4mmol/L時(shí)，洗脫液中添加0.01 mol/L NaCl則對(duì) SLs/RLs復(fù)配體系洗脫 PAHs具有促進(jìn)作用；當(dāng)洗脫液中添加0.05 m

15、ol/L NaCl時(shí)，對(duì)SLs/RLs復(fù)配體系洗脫P(yáng)AHs都具有抑制作用，但抑制作用明顯小于單一的槐糖脂和鼠李糖脂體系，表明SLs/RLs復(fù)配體系具有更強(qiáng)的耐鹽性；而共存重金屬Cd2+對(duì)于槐糖脂、鼠李糖脂及復(fù)配體系解吸PAHs能力的影響較小。
　　4.將槐糖脂和鼠李糖脂復(fù)配體系應(yīng)用到溢油分散劑制備中，開發(fā)出高效低毒的環(huán)境友好型溢油分散劑，并確定了該溢油分散劑的適宜應(yīng)用條件。
　?。?）應(yīng)用均勻?qū)嶒?yàn)設(shè)計(jì)方法，以分散率為主要評(píng)價(jià)

16、指標(biāo)，確定了以槐糖脂、鼠李糖脂、以及兩種山梨醇酯類非離子表面活性劑復(fù)配體系為主體的濃縮型溢油分散劑配方SRTG-16。該配方為槐糖脂/鼠李糖脂/山梨醇酯1/山梨醇酯2/溶劑：6.80/0.83/3.28/39.10/50，該溢油分散劑對(duì) QHD32-6原油的分散性能優(yōu)于任一單一表面活性劑，10 min分散率達(dá)到46.30%。
　?。?）確定了該溢油分散劑的適宜應(yīng)用條件為：劑油比，1:10-1:25；溫度，5-20℃；鹽度，0-40

17、；pH，6.0-10.0。
　　（3）分別以斑馬魚（Danio rerio）和紋縞鰕虎魚（Tridentiger trigonocephalus）為受試生物，通過(guò)急性毒性試驗(yàn)確定所開發(fā)的溢油分散劑SRTG-16的生物毒性，結(jié)果表明該溢油分散劑對(duì)斑馬魚（D. rerio）的48h致死率和對(duì)紋縞鰕虎魚（T. trigonocephalus）的24 h致死率都為0%，明顯優(yōu)于國(guó)標(biāo)（GB18181.1-2000）中半致死時(shí)間大于24 h的