劉 俊

(湖南有色金屬研究院,湖南長(zhǎng)沙 410015)

生物表面活性劑在土壤修復(fù)中的研究現(xiàn)狀及堆肥中的應(yīng)用展望

劉 俊

(湖南有色金屬研究院,湖南長(zhǎng)沙 410015)

文章對(duì)國(guó)內(nèi)外關(guān)于生物表面活性劑在土壤中有機(jī)污染物和重金屬污染物去除方面的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了較全面的綜述,分析了生物表面活性劑提高污染物去除效率的作用機(jī)理,并且對(duì)其在堆肥中的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

生物表面活性劑;土壤;有機(jī)污染物;重金屬;堆肥

在土壤修復(fù)中,水溶性是影響污染物去除的重要因素,很多污染物都是疏水性很強(qiáng)的物質(zhì),一般的水洗修復(fù)速度慢,而且效率低,近年來(lái)人們通過(guò)加入各種添加劑來(lái)增強(qiáng)修復(fù)效果,這些添加劑能夠縮短時(shí)間提高污染物去除率,添加劑必須是低毒性并且可生物降解的[1],生物表面活性劑是一種很有用的添加劑,它本身包含憎水基團(tuán)和親水基團(tuán),能夠促進(jìn)土壤顆粒上污染物的分散和增溶,而且還具有無(wú)或較小的環(huán)境影響的優(yōu)點(diǎn)和原位生長(zhǎng)的可能性。生物表面活性劑正逐漸取代合成表面活性劑成為生物修復(fù)研究中的主流。國(guó)內(nèi)外許多文獻(xiàn)報(bào)道了將生物表面活性劑應(yīng)用于土壤修復(fù)的研究[2]。

1 生物表面活性劑的應(yīng)用背景

生物表面活性劑是微生物的次級(jí)代謝產(chǎn)物,它本身具有既親油又親水的兩親性分子結(jié)構(gòu),具有分散、增溶、潤(rùn)濕、滲透等特性,能夠降低界面張力和表面張力(如圖1所示[1])。生物表面活性劑與合成表面活性劑相比,具有更好的生物可降解性、生物可適應(yīng)性以及環(huán)境友好性等特性。大多數(shù)生物表面活性劑是陰離子型和中性的,疏水基團(tuán)多數(shù)是不飽和或羥基取代脂肪酸,親水基團(tuán)則是由單糖、二糖、多糖、羧酸、氨基酸等組成。它們的臨界膠束濃度一般在1～200 mg/L之間,分子500～1 500 amu。

圖1 表面張力、界面張力、污染物溶解性隨表面活性劑濃度變化情況

2 土壤修復(fù)中的研究現(xiàn)狀

土壤修復(fù)一直是人們研究的熱點(diǎn),其中有機(jī)污染物和重金屬的修復(fù)尤為重要,常用方法有物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)以及生物修復(fù)。許多研究表明物理和化學(xué)修復(fù)方法有很多局限性,例如修復(fù)費(fèi)用昂貴、修復(fù)效率低、易造成二次污染等。生物修復(fù)克服了這些缺點(diǎn),特別是添加生物表面活性劑或者生物表面活性劑產(chǎn)生菌能夠大幅縮短修復(fù)時(shí)間、提高修復(fù)效率,并且能夠保持良好的環(huán)境友好性。近年來(lái),國(guó)外對(duì)生物表面活性劑在土壤修復(fù)中的研究很多,并且取得了很大的進(jìn)展。

2.1 有機(jī)污染物修復(fù)中的研究

生物表面活性劑具有兩親性結(jié)構(gòu),它可以通過(guò)調(diào)節(jié)細(xì)胞表面的疏水特性來(lái)改變微生物細(xì)胞與有機(jī)物之間的親和力[3],從而促進(jìn)土壤中難溶有機(jī)物的分散和吸收。生物表面活性劑已經(jīng)被證明能夠增強(qiáng)土壤中烴類(lèi)的去除效率,它能夠有效地降低土壤中難溶有機(jī)物與水的界面張力。

2.1.1 在土壤中的吸附性

在土壤的生物修復(fù)中,生物表面活性劑在土壤中的吸附性是影響其作用效果的重要因素,吸附性高的表面活性劑容易導(dǎo)致活性劑損失,阻礙活性劑在土壤中的傳輸,同時(shí)也影響了土壤顆粒上疏水性污染物的解吸附,阻礙了污染物的去除。另外,大多生物表面活性劑是多組分的,由于疏水性的差別,在吸附和傳輸過(guò)程中容易造成表面活性劑的組成發(fā)生改變,導(dǎo)致其表面活性發(fā)生變化,這樣必然影響了表面活性劑的作用效果,因此了解生物表面活性劑在土壤中的吸附性是很有必要的。Wouter H.等人[4]通過(guò)序批式實(shí)驗(yàn)和柱實(shí)驗(yàn)分析了多組分鼠李糖脂在土壤中的吸附性、吸附的影響因素以及吸附過(guò)程中各組分的變化情況,提出鼠李糖脂的吸附不是一個(gè)在土壤有機(jī)質(zhì)中的分配過(guò)程而是一個(gè)發(fā)生在土壤-水界面上的吸附過(guò)程,高濃度的鼠李糖脂能夠降低土壤對(duì)鼠李糖脂的阻滯系數(shù),減小土壤對(duì)它的吸附。土壤修復(fù)過(guò)程中生物表面活性劑的組分變化也會(huì)影響表面活性劑的臨界膠束濃度以及增溶、乳化特性,為了避免組分改變,在土壤修復(fù)中應(yīng)該選用高濃度的生物表面活性劑。

2.1.2 對(duì)土壤中有機(jī)物的增溶和傳輸?shù)拇龠M(jìn)作用

土壤中的有機(jī)污染物大部分都是牢固地吸附在土壤顆粒上的,用普通的水洗辦法很難將污染物解吸附下來(lái),而生物表面活性劑具有特殊的兩親性結(jié)構(gòu),加入生物表面活性劑溶液能夠很好地提高解吸附效率。Wouter H.等人[5]選用鼠李糖脂,通過(guò)柱淋洗實(shí)驗(yàn)和建立吸附動(dòng)力學(xué)模型得出鼠李糖脂能夠通過(guò)膠束增溶作用和改變菲在土壤中的吸附平衡來(lái)提高菲的去除率,實(shí)驗(yàn)還考察了鼠李糖脂對(duì)有機(jī)物在土壤中傳輸?shù)挠绊?也得到了積極的結(jié)論。

土壤中有機(jī)污染物的的傳輸對(duì)土壤的修復(fù)也有著很大的影響。Wouter H.等人[6]研究了生物表面活性劑鼠李糖脂對(duì)多環(huán)芳香烴(PAHs)在不同土壤介質(zhì)中的傳輸?shù)挠绊?得到了這樣的結(jié)論:PAHs在土壤介質(zhì)中傳輸狀況的變化受液相中鼠李糖脂的濃度的影響,當(dāng)它的濃度低于CMC時(shí),半膠束態(tài)的吸附在親水性強(qiáng)的介質(zhì)中對(duì)PAHs的傳輸有削弱,而在親脂性介質(zhì)中對(duì)疏水性強(qiáng)的PAHs(如芴和菲)的傳輸有促進(jìn)作用;當(dāng)它的濃度遠(yuǎn)大于CMC時(shí),增溶效應(yīng)克服了污染物在介質(zhì)中的吸附作用等負(fù)效應(yīng),此時(shí)鼠李糖脂的存在對(duì)PAHs在不同介質(zhì)中的傳輸都有增強(qiáng)作用。可見(jiàn)生物表面活性劑濃度足夠高時(shí),它對(duì)土壤中有機(jī)物的傳輸起促進(jìn)作用。

2.1.3 對(duì)有機(jī)污染物作用的選擇性

生物表面活性劑對(duì)土壤中不同的有機(jī)物有著不同的 作 用 效 果,Scheibenbogen 等 人[7]發(fā) 現(xiàn)P.aerrginosa生產(chǎn)的鼠李糖脂能夠有效地去除沙質(zhì)土壤中的碳?xì)浠衔?去除率取決于有機(jī)污染物的類(lèi)別以及表面活性劑的濃度。Deschênes等人[8]證明同一菌屬產(chǎn)生的鼠李糖脂對(duì)四環(huán)多環(huán)芳香烴的溶解性的增強(qiáng)程度比對(duì)三環(huán)多環(huán)芳香烴的要高?？梢?jiàn)生物表面活性劑對(duì)有機(jī)污染物具有一定的選擇性,因此對(duì)應(yīng)不同的污染物需要選擇最佳的生物表面活性劑,這也是以后土壤修復(fù)應(yīng)用中的重點(diǎn)。

2.1.4 對(duì)土壤中有機(jī)農(nóng)藥的去除作用

農(nóng)藥能夠保證農(nóng)作物的正常生長(zhǎng),同時(shí)也會(huì)不斷的積累在土壤中,造成土壤質(zhì)量的下降。許多國(guó)外的學(xué)者對(duì)土壤中農(nóng)藥的去除作了研究,考察了生物表面活性劑對(duì)土壤中農(nóng)藥的解吸附、傳輸?shù)确矫娴挠绊?。Juan C.Mata-Sandoval等人[9]作了一系列的研究,他們通過(guò)建立蘭格繆爾吸附模型估計(jì)了鼠李糖脂對(duì)有機(jī)殺蟲(chóng)劑在土壤-水態(tài)-膠束系統(tǒng)中的分配情況的影響,得出了這樣的結(jié)論:當(dāng)被吸附的表面活性劑的濃度低于臨界膠束濃度(CMC)時(shí),會(huì)增加土壤的疏水性、增加土壤對(duì)殺蟲(chóng)劑的吸附性;當(dāng)濃度超過(guò)CMC時(shí),表面活性劑起到了助溶劑的作用,土壤中的殺蟲(chóng)劑能夠有效地解吸附而且不受土壤干濕度的影響。

2.1.5 生物表面活性劑對(duì)有機(jī)污染物降解的影響

土壤中有機(jī)物的降解很大程度上取決于降解微生物的生存繁殖情況及其降解活性,土壤的質(zhì)地、環(huán)境參數(shù)(溫度、pH、通風(fēng)等)、土著微生物的替換作用以及菌種的競(jìng)爭(zhēng)適應(yīng)性等因素都影響著微生物的生存繁殖和降解活性。許多研究證明一些生物表面活性劑能夠促進(jìn)土壤中有機(jī)污染物的降解,同樣也有研究表明生物表面活性劑對(duì)一些土壤中有機(jī)物的降解有抑制作用。Scheibenbogen等人[10]證明了P.aeruginosa UG2生產(chǎn)的鼠李糖脂能夠提高土壤中幾種多環(huán)芳香烴(PAH)和多氯化聯(lián)苯(PCB)的礦化效果。Miguel A.Providenti等人[11]研究了不同土壤中鼠李糖脂對(duì)菲的降解的影響,發(fā)現(xiàn)沙質(zhì)土壤和粉砂土壤中鼠李糖脂的加入抑制菲的降解,而在木餾油污染的土壤中對(duì)菲的降解有增強(qiáng)作用,究其原因發(fā)現(xiàn)由于土壤中存在著能夠利用鼠李糖脂為碳源繁殖生長(zhǎng)的微生物,額外碳源的加入使這種微生物大量繁殖從而取代了菲的降解菌占優(yōu)勢(shì),而在木餾油污染的土壤中菲降解菌未被取代。

土壤條件、污染物種類(lèi)、微生物種類(lèi)等因素都影響著生物表面活性劑對(duì)土壤中有機(jī)物降解的作用效果,要找到對(duì)各種土壤中不同污染物有效的生物表面活性劑仍需要做大量的研究。

2.2 重金屬修復(fù)中的研究

一些生物表面活性劑能夠促進(jìn)土壤顆粒上重金屬離子的去除,這些生物表面活性劑對(duì)土壤中重金屬的修復(fù)作用是依賴(lài)于它們的陰離子(帶負(fù)電荷)性,它們能夠吸附到土壤上與重金屬離子結(jié)合,使其從土壤顆粒上分離出來(lái)進(jìn)入土壤溶液中,結(jié)合到表面活性劑膠束中。

生物表面活性劑對(duì)土壤中重金屬修復(fù)的影響的研究比較少,但仍然取得了一定的進(jìn)展。Mulligan等人對(duì)生物表面活性劑對(duì)土壤和沉淀物中重金屬去除的影響作了系統(tǒng)的研究。首先他們將脂蛋白(surfactin)用于烴類(lèi)污染土壤中銅和鋅的去除,首次將生物表面活性劑應(yīng)用于有機(jī)物和重金屬雙重污染的土壤的修復(fù)中,實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:在70%的銅離子被去除的同時(shí),有50%的烴類(lèi)污染物被去除,顯然這個(gè)結(jié)果是很理想的。后來(lái)他們又通過(guò)序批實(shí)驗(yàn)[12]進(jìn)一步證明了陰離子生物表面活性劑脂蛋白、鼠李糖脂應(yīng)用于重金屬修復(fù)的可行性,并且揭示了它們的作用機(jī)理。尋找合適的生物表面活性劑、合適的作用條件以及考察其對(duì)復(fù)合污染(有機(jī)物和重金屬)土壤的作用效果將成為生物表面活性劑應(yīng)用于重金屬修復(fù)的重點(diǎn)。

3 堆肥中應(yīng)用的展望

堆肥過(guò)程是利用微生物在一定溫度、濕度和pH值條件下,使固體廢物中有機(jī)物發(fā)生生物化學(xué)降解,形成一種類(lèi)似腐殖質(zhì)土壤的物質(zhì)。隨著城市人口的增多,傳統(tǒng)堆肥方法的效率已不能滿(mǎn)足要求。考慮到生物表面活性劑在土壤修復(fù)中表現(xiàn)出來(lái)的優(yōu)越性,將生物表面活性劑應(yīng)用于堆肥過(guò)程,提高堆肥效率應(yīng)該是可行的。其作用可能有以下幾個(gè):

1.生物表面活性劑的解吸附作用有利于有機(jī)物從堆肥顆粒上脫除進(jìn)入堆肥間隙液相中,再由微生物進(jìn)行降解,這樣也就間接地縮短了堆肥時(shí)間。

2.生物表面活性劑的存在可能降低堆肥顆粒間隙液相的表面張力,有利于有機(jī)物和菌體的傳輸,使堆肥各個(gè)層面的有機(jī)物與菌體充分接觸,必然會(huì)提高堆肥的效率。

3.加入生物表面活性劑可能促進(jìn)水分在堆肥顆粒中傳輸和分散,使水分在較短的時(shí)間內(nèi)滲透到堆肥的深層,而且生物表面活性劑具有良好的保濕性能,能夠減緩堆肥中水分的蒸發(fā),有利于長(zhǎng)時(shí)間保持微生物的活性。

當(dāng)然,堆肥中的微生物、有機(jī)物多而雜,生物表面活性劑會(huì)不會(huì)影響微生物的生長(zhǎng)、微生物會(huì)不會(huì)影響生物表面活性劑的作用效果以及生物表面活性劑對(duì)不同有機(jī)物的降解是否有積極作用還需要大量實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。

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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

國(guó)家863高技術(shù)資助項(xiàng)目(2001AA644020);國(guó)家自然科學(xué)基金(70171055、50179011);國(guó)家杰出青年科學(xué)基金(50225926);高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目(20020532017);2000年教育部高等學(xué)校優(yōu)秀青年教師教學(xué)科研獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃資助項(xiàng)目

劉 俊(1979-),男,助理工程師,主要從事環(huán)境影響評(píng)價(jià)工作。

2010-05-12