许多化学合成表面活性剂由于难降解、有毒及在生态系统中的积累等性质而破坏生态环境,相比之下,生物表面活性剂则由于易生物降解、对生态环境无毒等特性而更适合于环境工程中污染治理。如:在废水处理工艺中可作为浮选捕收剂与带电胶粒相吸以除去有毒金属离子,修复受有机物和重金属污染的场地等。
1.在废水处理工艺中的应用
用生物法处理废水时,重金属离子对活性污泥中的微生物菌群常会产生抑制或毒害作用,因此,在用生物法处理含重金属离子的废水时须进行预处理。当前,常用氢氧化物沉淀法除去废水中的重金属离子,但其沉淀效率受氢氧化物溶解度的限制,应用效果不甚理想;浮选法用于废水预处理时又常因所用浮选捕收剂在其后续处理过程中难降解(如化学合成表面活性剂十二烷基磺酸钠),易产生二次污染而受限制,因此,有必要开发易生物降解、对环境无毒害的替代品,而生物表面活性剂恰好具有这一优势。但是,国内外对这一方面的应用研究很少,直到最近才有报道。Zouboulis 等[10]研究了生物表面活性剂作为捕收剂除去广泛存在于工业废水中的两种有毒金属离子:Cr4+和Zn2+。结果表明,莎梵婷和地衣芽孢杆菌素在pH为4 时均能很好地从废水中分离吸附了Cr4+的αFeO(OH)或Cr4+与 FeCl3•6H2O形成的螯合物,极大地提高了Cr4+(50 mg/L)的去除率,几乎可达100%;在pH为6时,莎梵婷对螯合物中的Zn2+(50 mg/L)去除率高达96%,而在相同条件下,地衣芽孢杆菌素的处理效果不明显,去除率为50%左右。
2.在生物修复中的应用
在利用微生物催化降解有机污染物,从而修复被污染环境的过程中,由于所使
用的生物表面活性剂可以直接使用发酵液,能节省表面活性剂的分离提取和产品纯化成本,因此,生物表面活性剂在现场生物修复有机污染场地的应用潜力很大。国外对生物修复的研究大约起始于20世纪80年代初期,至今已有大量成功的工程实例。如Harvey等将铜绿假单胞菌生产的海藻糖脂,加入Exxon Valdez号油轮在阿拉斯加威廉王子海湾造成的原油泄漏污染的海水中,大大提高了原油的降解速度。这也是目前为止规模最大的实际应用中最成功的现场生物修复。而在国内还未见有将生物表面活性剂成功用于环境污染物治理方面的报道。
(1)促进烷烃类物质的降解
烷烃是石油的主要组成成分。在石油勘探、开采、运输、加工及储存过程中,不可避免地会有石油排入环境中而对土壤、地下水造成污染。为了提高烷烃的降解速率,加入生物表面活性剂能够增强疏水性化合物的亲水性和生物可降解性,增加微生物的数量,继而提高烷烃的降解速率。Noordman等研究了不同类型表面活性剂对十六烷的降解作用, 结果表明生物表面活性剂鼠李糖脂对十六烷的降解作用明显优于其他十四种化学合成表面活性剂。Rahman等发现分别添加0.1%和1%鼠李糖脂的堆制系统中,汽油污染土壤中碳氢化合物的降解率分别提高了11.9%~45.2%和20.2%~48.3%。最近Rahman等[14]在研究储油罐底部泥状沉积物与土壤混合堆制过程中正构烷烃的降解情况时,也发现添加鼠李糖脂能显著增加烷烃的降解率。
(2)促进多环芳烃的降解
多环芳烃因其“三致”(致癌、致畸、致突变)作用而日益受到人们的重视,许多国家都已将其列为优先污染物。已有研究表明,微生物降解是从环境中去除多环芳烃的最主要途径,且多环芳烃的降解性能随苯环数量的增加而降低,三环以下的多环芳烃易降解,四环以上的较难降解。迄今为止,关于多环芳烃降解菌能促进多环芳烃的生物可利用性存在三种假说:(1) 通过分泌生物表面活性剂促进多环芳烃的降
解。(2) 通过产生胞外聚合物促进多环芳烃的降解。(3) 通过形成生物膜促进多环芳烃的降解。Johnsen等的实验结果表明少动鞘脂单胞菌是通过分泌表面活性剂——葡聚糖脂的方式而促进多环芳烃化合物降解的。
(3) 用于除去有毒重金属
由于有毒重金属在土壤环境中的污染过程具有隐蔽性、稳定性及不可逆性等特点,因此,土壤中有毒重金属污染的修复一直是学术界的热点研究课题。目前可以用玻璃化、固定化/稳定化、热处理等技术除去土壤中的重金属。玻璃化处理技术可行,但是工程量大,费用高;固定化过程具有可逆性,因此处理后还需要不间断地监测处理效果;而热处理技术则只适用于除去易挥发的重金属如Hg等。因此,低成本的生物学处理方法发展很快。近年来,人们开始利用对生态环境无毒的生物表面活性剂修复受重金属污染土壤。Torrens等的实验结果表明,添加鼠李糖脂使Cd的去除率提高了8%~54%。Mulligan等用0.25%的莎梵婷连续5 d冲洗受重金属污染的土壤后,Cu的去除率达70%。Mulligan等分别使用三种不同的生物表面活性剂冲洗受重金属Cu、Zn污染的沉积物。三种生物表面活性剂对重金属的去除效果都不同:0.5%的鼠李糖脂对Cu的去除效果较好,去除率为65%;4%的槐糖脂则对Zn的去除效果较好,为60%;而莎梵婷对两者均无多大效果,去除率仅为15%和6%。并研究了重金属在沉积物中赋存形态量的变化,其中,鼠李糖脂和莎梵婷主要除去了有机结合态的Cu,槐糖脂主要除去了氧化物结合态和碳酸盐结合态的Zn。这一研究结果也证实了用生物表面活性剂冲洗沉积物除去其中重金属的方法是可行的。