楊子云，馬科鋒，何禹錕，龍旭偉

(南京理工大學(xué) 環(huán)境與生物工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

生物表面活性劑(biosurfactants，BS)是由細菌或真菌分泌的具有表面活性的胞外次級代謝產(chǎn)物。BS分子由一個或多個親水性和疏水性基團組成，親水基可以是酯、羥基、肽、磷酸鹽或者是糖基；疏水基可以是飽和或非飽和脂肪醇及脂肪酸鏈等[1]。生物表面活性劑獨特的兩親性分子結(jié)構(gòu)使其能在兩相界面定向排列形成分子層，從而降低界面能。生物表面活性劑具有良好的分散、增溶和潤濕等功能，在食品、農(nóng)業(yè)、日化、環(huán)保和醫(yī)藥等領(lǐng)域[2]具有廣泛的應(yīng)用前景。值得一提的是，由于具有良好的環(huán)境友好特性，生物表面活性劑近年來在石油化工行業(yè)上的應(yīng)用研究越來越受到關(guān)注，例如：可用于原油開采、石油回收和污染土壤的生物修復(fù)等。

表面活性素(surfactin)是研究報道較多、也是最具潛力的生物表面活性劑之一。Surfactin是在1968年由Arima等[3]用肉湯培養(yǎng)枯草芽孢桿菌BacillussubtillsIFO 3039時首次發(fā)現(xiàn)。Surfactin最初被用作纖維蛋白凝集抑制劑，后被發(fā)現(xiàn)能溶解紅細胞，且可以顯著降低水的表面張力，是表面活性最為優(yōu)異的生物表面活性劑之一[4]。Surfactin具有生物相容性、生物降解性、低毒性和超強的表/界面活性等優(yōu)點，在石油開采、環(huán)境治理、醫(yī)藥、食品工業(yè)和化妝品等領(lǐng)域具有非常良好的應(yīng)用前景[5]，尤其是在石油化工領(lǐng)域。但目前為止，surfactin尚無法用于實際的工業(yè)中，究其根本在于surfactin發(fā)酵生產(chǎn)水平低下，應(yīng)用時的成本無法與化學(xué)表面活性劑進行競爭。

本文中，筆者首先對surfactin的結(jié)構(gòu)性質(zhì)和近年來的發(fā)酵工藝進行綜述，然后對其近年來的應(yīng)用研究，尤其是在石油化工領(lǐng)域內(nèi)的研究進行歸納總結(jié)，并對surfactin未來的研究進行展望，旨在促進surfactin的工業(yè)化應(yīng)用。

1 Surfactin的結(jié)構(gòu)與理化性質(zhì)

Surfactin是一種環(huán)脂肽類生物表面活性劑，由含7個氨基酸殘基的肽環(huán)與含13～16個碳的β-羥基脂肪酸以內(nèi)酯鍵結(jié)合而成(圖1)[6]。由于脂肪酸鏈長度和氨基酸種類、位置的不同，surfactin具有多種同系物和異構(gòu)體。依據(jù)其疏水結(jié)構(gòu)中脂肪酸的鏈長差異，surfactin主要由C13、C14、C15及C16這4種同系物構(gòu)成[7]。其中，C15 surfactin(即surfactin C)具有更高的表面活性和生物活性[8-9]。因此，現(xiàn)有的部分研究在提高surfactin產(chǎn)量的同時也關(guān)注如何提高surfactin C組分的比例。

圖1 Surfactin A,B,C,D的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of surfactin A,B,C,D

Surfactin具有卓越的表/界面活性，當(dāng)其濃度低至20 μmol/L時，即可將水的表面張力降低至27 mN/m。Surfactin在水中的臨界膠束濃度(critical micelle concentration,CMC)為23 mg/L[10]，遠低于大多數(shù)表面活性劑，表現(xiàn)出更加優(yōu)越的表面活性。同時，surfactin有良好的耐鹽特性，可在鹽度高達21%的環(huán)境中仍保持活性；它還具有良好的熱穩(wěn)定性，在121 ℃高溫處理2 h后表面活性和乳化能力仍然保持穩(wěn)定[11]。此外，surfactin還表現(xiàn)出溶血、抗菌、抗病毒及抗支原體等活性，可用作抗生素[12]。

2 Surfactin的發(fā)酵生產(chǎn)及影響因素

Surfactin的發(fā)酵產(chǎn)量較低，極大地制約了它的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。早期文獻報道的surfactin產(chǎn)量普遍在0.1～0.8 g/L之間[13]，如此低的產(chǎn)量遠無法滿足工業(yè)化生產(chǎn)的要求。為了提高surfactin的產(chǎn)量，研究者們在優(yōu)化菌株類型、發(fā)酵條件(溫度、pH、接種量、轉(zhuǎn)速等)、發(fā)酵培養(yǎng)基(碳源、氮源、微量元素等)和發(fā)酵工藝等方面進行了大量工作。

2.1 Surfactin的發(fā)酵菌株

Surfactin主要由芽孢桿菌屬細菌發(fā)酵產(chǎn)生，其中枯草芽孢桿菌是生產(chǎn)surfactin能力最強的微生物。一般而言，產(chǎn)surfactin的枯草芽孢桿菌菌株大多來自于石油或烴類污染的土壤，表1歸納了近些年來報道的產(chǎn)surfactin的相關(guān)高產(chǎn)野生菌株。

從表1可以看出，不同菌株的surfactin產(chǎn)量具有顯著差異。盡管發(fā)酵工藝參數(shù)對產(chǎn)量的影響不可忽略，但菌株自身產(chǎn)surfactin的能力差異也較為明顯。例如，Willenbacher等[15]采用批次發(fā)酵結(jié)合泡沫分離技術(shù)對6株Bacillussubtillis的產(chǎn)surfactin能力進行了分析，發(fā)現(xiàn)DSM 10T的surfactin產(chǎn)量可達3.99 g/L，約為其他菌株的2倍。因此，為了提高surfactin產(chǎn)量，研究者們構(gòu)建了高產(chǎn)的突變菌株和重組體菌株。Mulligan等[22]借助紫外誘變手段對B.subtillis進行誘變，surfactin產(chǎn)量比野生菌株提高2倍以上。Ohno等[23]將包含Ipa-14基因的質(zhì)粒導(dǎo)入B.subtillisMI 113中構(gòu)建重組體菌株，通過固態(tài)發(fā)酵(solid state fermentation,SSF)生產(chǎn)surfactin，其surfactin的產(chǎn)量比野生菌株提高了約7倍。離子束注入法(ion beam implantation)也被應(yīng)用于突變B.subtillis以獲得更高的surfactin產(chǎn)量[24-25]。例如：Gong等[25]利用離子束注入法得到高產(chǎn)突變菌株B.subtillisE8，采用配有泡沫回收裝置的改良反應(yīng)器發(fā)酵生產(chǎn)surfactin，其產(chǎn)量可達10.26 g/L，顯著高于相同發(fā)酵工藝下的野生菌株。

表1 不同菌株的surfactin產(chǎn)量

2.2 發(fā)酵條件和發(fā)酵培養(yǎng)基的影響

2.2.1 發(fā)酵條件的影響

枯草芽孢桿菌發(fā)酵生產(chǎn)surfactin的過程中，pH、溫度和溶氧量都會影響細胞的生長，從而影響surfactin的產(chǎn)量。為了獲得較高的surfactin產(chǎn)量，大量研究者對B.subtillis發(fā)酵生產(chǎn)surfactin的相關(guān)參數(shù)進行了優(yōu)化。

一般而言，B.subtillis生產(chǎn)surfactin的較適宜溫度為25～37 ℃[26-27]，這與surfactin合成過程的酶有關(guān)。Surfactin的合成受非核糖體多肽合成酶(non-ribosomal peptide synthases,NRPSs)調(diào)控[28]，其合成酶復(fù)合體主要由4個酶亞基組成，分別是SrfA、SrfB、SrfC和SrfD，其中SrfD在surfactin合成的初始階段至關(guān)重要[29]。上述酶活均受溫度影響，因而溫度會影響到surfactin的產(chǎn)量及組成成分。

表2列出了發(fā)酵轉(zhuǎn)速和pH對surfactin產(chǎn)量的影響。由表2可知：pH[7,26]和溶解氧也在很大程度上會影響surfactin產(chǎn)量。Cosby等[33]報道，pH接近中性時，surfactin產(chǎn)量比其他pH條件下高出許多，這主要是由于Srf的表達是pH依賴性誘導(dǎo)，在pH為5.0或更低時，Srf表達非常低；提高pH至接近中性，可促進Srf的表達并大幅提高surfactin的產(chǎn)量。此外，surfactin的生產(chǎn)是好氧過程，B.subtillis對氧的需求較高，因此，提高發(fā)酵過程中的轉(zhuǎn)速也有利于提高surfactin的產(chǎn)量。一般而言，攪拌轉(zhuǎn)速越高，溶氧越好，surfactin的產(chǎn)量也越高；但轉(zhuǎn)速過高時，較大的剪切力會對細胞造成傷害，從而不利菌體生長和surfactin的合成。

表2 發(fā)酵轉(zhuǎn)速和pH對surfactin的產(chǎn)量影響

2.2.2 發(fā)酵培養(yǎng)基的影響

培養(yǎng)基優(yōu)化是目前研究最多、也是工業(yè)發(fā)酵過程中用于提高產(chǎn)量最為普遍的應(yīng)用手段之一。B.subtilis生產(chǎn)surfactin的發(fā)酵培養(yǎng)基優(yōu)化研究集中在碳源、氮源和微量元素上，這些成分是維持枯草芽孢桿菌代謝的物質(zhì)基礎(chǔ)，同時也影響著surfactin的產(chǎn)量和種類?，F(xiàn)有的研究大多是基于合成培養(yǎng)基的，且多以葡萄糖為碳源。Surfactin的發(fā)酵過程中，葡萄糖質(zhì)量濃度一般在20～40 g/L，因為過高的葡萄糖濃度會導(dǎo)致培養(yǎng)基的pH過低，從而影響surfactin的合成[26]。此外，為了降低surfactin的發(fā)酵成本，農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品和食品加工廢水等廢棄物都被用來作為碳源代替葡萄糖，如腰果果汁、木薯粉和乳清蛋白等[34-35]。

氮源是B.subtillis生長代謝的必需營養(yǎng)因子，且氮源代謝過程與surfactin的合成密切相關(guān)。朱玲燕等[36]發(fā)現(xiàn)NH4NO3為發(fā)酵培養(yǎng)的最佳氮源，且質(zhì)量濃度為2 g/L時surfactin產(chǎn)量最高。Willenbacher等[17]在培養(yǎng)基中添加50 mmol的(NH4)2SO4作為氮源，使surfactin產(chǎn)量從0.7 g/L提升至1.1 g/L。

微量金屬離子是B.subtillis新陳代謝和surfactin生物合成過程中關(guān)鍵酶活性調(diào)節(jié)所必需的因子。Wei等[37]研究發(fā)現(xiàn)Fe2+的添加可以維持培養(yǎng)基的pH在一個穩(wěn)定的范圍，使surfactin產(chǎn)量從0.1 g/L提高到3 g/L。Mn2+也會影響B(tài).subtillis對氮源的吸收和K+的攝取，添加0.01 mmol/L的Mn2+可以使surfactin的產(chǎn)量從0.33 g/L提高至2.6 g/L[38]。另外，Mg2+和K+的添加也會促進surfactin的產(chǎn)生，Mg2+是Sfp蛋白的輔助因子，能激活B.subtilisSfp蛋白合成從而提高surfactin的產(chǎn)量，而K+可促進surfactin合成后的分泌[39-40]。

2.3 發(fā)酵工藝的影響

B.subtilis生產(chǎn)surfactin的發(fā)酵工藝按加料方式可以分為批次發(fā)酵(batch culture)和流加發(fā)酵(fed-batch culture)，按發(fā)酵載體可以分為液體發(fā)酵(submerged fermentation，SMF)和固體發(fā)酵(SSF)。另外，共發(fā)酵法和半連續(xù)發(fā)酵法也逐漸被開發(fā)用于surfactin的發(fā)酵。其中，流加發(fā)酵是以批次發(fā)酵為基礎(chǔ)，間歇或連續(xù)地補加新鮮培養(yǎng)基的一種發(fā)酵方法，可以減少菌體生長量，提高有用產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化率，且可避免培養(yǎng)基有毒代謝物的積累，因此受到廣泛關(guān)注。Sivapathasekaran等[41]采用動態(tài)的流加速率(3.7～10 mL/min)流加葡萄糖發(fā)酵生產(chǎn)表面活性劑，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：該流加策略可使表面活性劑產(chǎn)量達6.2 g/L，比批次發(fā)酵提升了35%。

Surfactin系生物表面活性劑，在高通氣攪拌下，不可避免地會產(chǎn)生大量的泡沫。這些泡沫不僅影響傳質(zhì)效率，而且會造成逃液和增加染菌風(fēng)險，從而使發(fā)酵異常甚至失敗。為了減少或避免泡沫的產(chǎn)生，研究者們提出固定化發(fā)酵和固態(tài)發(fā)酵工藝。Yeh等[26]在B.subtilisATCC 21332發(fā)酵液中加入少量固體多孔材料(如：活性炭或黏土)生產(chǎn)surfactin，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在培養(yǎng)基中加入25 g/L的活性炭后，surfactin產(chǎn)量達到3.6 g/L，比無載體的液體發(fā)酵提高了近36倍。He等[42]利用廢酒糟谷物作為碳源，采用共發(fā)酵法發(fā)酵解淀粉芽孢桿菌(Bacillusamyloliquefaciens)MT45和B.amyloliquefaciensX82生產(chǎn)surfactin，最終產(chǎn)量達到3.4 g/L。

值得關(guān)注的是，最近黃和教授課題組的Yi等[43]開發(fā)了半連續(xù)式發(fā)酵工藝，通過循環(huán)批次發(fā)酵BacillussubtilisBS-37生產(chǎn)surfactin，使固定化的細胞得以重復(fù)利用。他們將B.subtilisBS-37 固定在棉毛巾上，于5 L的攪拌槽反應(yīng)器中發(fā)酵，結(jié)合泡沫分餾技術(shù)和半連續(xù)式操作達到循環(huán)批次發(fā)酵的目的。發(fā)酵過程中采用分階段調(diào)控pH方式：菌株生長階段(前6 h)pH穩(wěn)定在5.0；產(chǎn)物積累階段(7～24 h)pH穩(wěn)定在7.5。經(jīng)過7個批次的高效循環(huán)發(fā)酵，surfactin產(chǎn)量共計達7 887.3 mg/L，遠高于其前期的流加發(fā)酵工藝。

圖2 半連續(xù)切換培養(yǎng)工藝示意Fig.2 Sequential fed-batch fermentation with fill-and-draw operation

筆者所在課題組的He等[42]在前期研究生物表面活性劑鼠李糖脂(rhamnolipid)的發(fā)酵生產(chǎn)中，開發(fā)了高效的半連續(xù)切換培養(yǎng)工藝，如圖2所示。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)：培養(yǎng)5 d的發(fā)酵液，補加等體積的新鮮培養(yǎng)基，實現(xiàn)稀釋產(chǎn)物和流加營養(yǎng)物質(zhì)雙重效果。此工藝可顯著高效地提高鼠李糖脂的生產(chǎn)效率，并能顯著緩解發(fā)酵過程中嚴重的泡沫問題，在生物表面活性劑發(fā)酵過程中具有良好的應(yīng)用前景，但surfactin發(fā)酵過程中尚未見報道。

3 Surfactin在石油化工領(lǐng)域的應(yīng)用研究現(xiàn)狀

近年來，隨著石油開采行業(yè)的快速發(fā)展和人們對環(huán)境要求的逐步提升，surfactin在石油化工領(lǐng)域的應(yīng)用越來越受到關(guān)注，例如：surfactin可應(yīng)用于三次采油，促進油水高效分離和原油污染土壤的修復(fù)等，這也是surfactin目前最具潛力的應(yīng)用領(lǐng)域。

3.1 用于三次采油

微生物三次采油(microbial enhanced oil recovery，MEOR)是將微生物及其營養(yǎng)物質(zhì)注入地下油層，使微生物在油層中生長繁殖，產(chǎn)生有利于提高采收率的代謝產(chǎn)物，或單純注入微生物發(fā)酵代謝產(chǎn)物，以提高油田采收率的采油方法[44]。根據(jù)操作方式的不同，MEOR可分為兩類：第一類是異位微生物采油(ex-situ MEOR)，是將在地表發(fā)酵裝置制備的微生物代謝產(chǎn)物注入油層提高油田采收率；第二類是原位微生物采油(in-situ MEOR)，是注入微生物，讓其在巖層中生長繁殖，所產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物(表面活性物質(zhì))用于提高原油采收率。限于巖層的環(huán)境和條件不可控，直接加入微生物的方式適用性差。因此，直接往油井內(nèi)注入生物表面活性劑或外源表面活性劑產(chǎn)生菌[45]更為可行和常見。

大慶油田開發(fā)研究院的王大威等[46]分離得到一株產(chǎn)脂肽類生物表面活性劑工程菌B.subtilisZW-3，研究表明：該菌株代謝產(chǎn)生的surfactin耐高溫(50～100 ℃)且耐高鹽(12% NaCl)，pH(4～10)適應(yīng)性好，菌株發(fā)酵生產(chǎn)的脂肽表面活性劑乳化性能和發(fā)泡性能較強，可以提高原油采收率5.1%，且與1.8%NaOH溶液復(fù)配后，可提高原油采收率9.2%。

Amani等[47]從農(nóng)田土壤中分離得到一株產(chǎn)surfactin的枯草芽孢桿菌，將發(fā)酵的surfactin用于三次采油，排油圈實驗結(jié)果表明，surfactin的加入提高了殘余油的回收率約25%。Hossein等[48]篩選得surfactin產(chǎn)生菌B.subtilisNLiM 0110，原油驅(qū)油實驗表明surfactin的加入使殘余油回收率提高了10.1%。Liu等[49]研究發(fā)現(xiàn)，surfactin在其質(zhì)量濃度低至30 mg/L時即可實現(xiàn)88.5%的原油洗脫效率和13.48%的原油驅(qū)油效率，且發(fā)酵產(chǎn)物中surfactin C含量越高時，其洗油效率和驅(qū)油效率越高。Albahry等[19]研究表明，surfactin的加入可將殘余油的回收率提高9.7%，且surfactin還表現(xiàn)出溫度(40～100 ℃)適應(yīng)性好，化學(xué)穩(wěn)定性高(在pH 6～12條件下活性穩(wěn)定)，和耐高鹽(20%NaCl)等特性。Surfactin這種良好的化學(xué)穩(wěn)定性及其高效的表/界面活性對其用于三次采油非常重要，為surfactin在三次采油中的應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。

圖3 pH調(diào)控surfactin乳化和破乳示意圖Fig.3 Oil-water emulsification and oil separation controlled by pH

Surfactin在驅(qū)油實驗中的優(yōu)異乳化活性奠定了它在三次采油中應(yīng)用的基礎(chǔ)，也受到了廣泛的關(guān)注。然而，原油回收的另一關(guān)鍵步驟(破乳)卻未引起足夠重視。依據(jù)相關(guān)的破乳機制：破乳劑需具有比乳化劑更優(yōu)的表面活性，而surfactin具有比大多數(shù)表面活性劑都優(yōu)越的表面活性，因此，破乳由surfactin穩(wěn)定的乳液難以實現(xiàn)。本課題組前期的研究發(fā)現(xiàn)，surfactin易在酸性環(huán)境下沉淀析出，應(yīng)該可以實現(xiàn)surfactin穩(wěn)定乳液的快速破乳并實現(xiàn)油相分離。因此，我們探究了pH對surfactin乳化活性的影響[50]，為進一步推進surfactin在MEOR中的應(yīng)用奠定了一定的基礎(chǔ)。研究表明：surfactin具有優(yōu)異的乳化性，能很好地乳化不溶的油相；但其乳化活性在酸性環(huán)境下會迅速丟失，從而導(dǎo)致油相快速高效地分離。在pH為11時，surfactin可以很好地穩(wěn)定乳液(圖3)，油的乳化率高達98%。但當(dāng)pH降至3.0時，乳液中的油相可快速分離，油的回收率可達98%以上。上述surfactin的pH敏感性讓它在穩(wěn)定乳液(乳化)和油水分離(破乳)之間只需通過pH的調(diào)節(jié)實現(xiàn)高效快速地切換，且surfactin的這種特性在多次乳化和破乳反復(fù)循環(huán)使用中仍然保持穩(wěn)定。上述特性為surfactin用于三次采油奠定了更多的可行性。

3.2 原油污染土壤的修復(fù)

原油污染土壤對人類健康和生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成了嚴重威脅，需對其進行無害化處理并避免二次污染。由于自身的環(huán)境友好特性，利用surfactin進行的原油污染土壤生物修復(fù)越來越受到關(guān)注。原油污染土壤主要包含兩類污染物：疏水性有機污染物和重金屬離子，兩類污染物進入土壤后都會造成嚴重污染。疏水性有機污染物(HOCs)具有穩(wěn)定的物化性質(zhì)和強烈的毒性，極易吸附和富集于土壤中，是污染土壤的最主要成分之一。利用表面活性劑洗滌污染土壤可有效去除土壤中的HOCs[51]，但殘留于土壤中的化學(xué)表面活性劑大多系石油基聚合物，難以被生物降解，對土壤易造成二次污染[52]。生物表面活性劑環(huán)境相容性好、毒性低，被認為是前景良好的HOCs污染修復(fù)劑。Lai等[53]研究發(fā)現(xiàn)兩種生物表面活性劑(表面活性素和鼠李糖脂)都可以去除土壤中的總石油烴(TPH)，且去除效率遠優(yōu)于化學(xué)表面活性劑。牛明芬等[54]從油泥中分離得3株surfactin產(chǎn)生菌株，利用surfactin洗滌油泥，處理72 h后，油泥中的有機烴去除率分別達62.31%、81.69%和71.38%，為原油污染土壤的治理提出了一種可行方法。Surfactin修復(fù)土壤的另一途徑是促進降解土壤有害物質(zhì)，呂應(yīng)年等[55]在農(nóng)藥污染土壤中添加surfactin或surfactin產(chǎn)生菌，結(jié)果都能顯著促進降解有害成分，其中對硫丹殺蟲劑的降解率可提高30%～45%。

研究表明，surfactin還可以選擇性去除原油污染土壤中的Pb、Zn、Cu和Cd等重金屬離子[55]。一般認為，其作用機理包括兩種方式：與重金屬形成絡(luò)合物；降低土壤溶液表面張力，直接吸附與其接觸的重金屬。此外，還有研究發(fā)現(xiàn)，surfactin對有機態(tài)和氧化態(tài)Cu和Zn也具有良好洗脫作用[56]。

4 總結(jié)與展望

生物表面活性劑surfactin卓越的表/界面活性、可生物降解性和低毒性讓它在石油化工領(lǐng)域中三次采油和原油污染土壤修復(fù)上具有化學(xué)表面活性劑所不具備的優(yōu)勢，因此也愈來愈受到人們關(guān)注。但由于高產(chǎn)菌株的缺失，發(fā)酵過程中泡沫積累以及產(chǎn)物的產(chǎn)量低且提取難度大等問題致使surfactin發(fā)酵成本及應(yīng)用成本過高，無法與已市場化的化學(xué)表面活性劑相競爭。盡管大量的研究工作已在一定程度上提高了surfactin的生產(chǎn)效率，但仍無法滿足實際需要。因此，高產(chǎn)菌株的發(fā)現(xiàn)、高效的surfactin發(fā)酵生產(chǎn)工藝以及培養(yǎng)條件的優(yōu)化對于進一步促進surfactin的工業(yè)化生產(chǎn)仍至關(guān)重要。通過探究發(fā)酵過程中菌體濃度和surfactin產(chǎn)量之間的相互關(guān)系和引入高效的半連續(xù)切換培養(yǎng)工藝或許可進一步提高surfactin的產(chǎn)量。雖然surfactin在眾多領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景，但高昂的生產(chǎn)成本限制了其與化學(xué)表面活性劑的競爭。因此，在化學(xué)表面活性劑處理性能差或無法有效處理的領(lǐng)域開發(fā)surfactin的應(yīng)用可增強其競爭性，污油破乳或許可成為surfactin較有潛力的應(yīng)用之一。

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