化學及生物(好菌)介面活性劑分類:

 
介面活性劑為吸著於兩相(two phases)之介面,使其表面張力或介面張力降低,並在水中達一定之濃度時會合而形成集合體,使溶解中之一群物質,在一分子中兼具有非極性(nonpolar)之油性基及具極性(polar)之親水基,由此二基適當的平衡(hydrophilic lipophilic balance,HLB)而表現介面活性。易言之,介面活性劑為促進油脂易溶於水中,可以降低兩相間之表面張力,或油水間之介面張力。

介面活性劑之基本構造為一分子中有親水性(hydrophilic part)部份與親脂性(lipophilic part)部份共存之化合物(圖一)。親脂基部份有直鍊、側鍊甚或環狀芳香族碳氫原子團。親水基部份則有碳酸鹽、硫酸鹽等;構成介面活性劑之主要原子團列如表一。由親脂基與親水基之交錯組合,可調配成多種的介面活性劑;化學介面活性劑可概分為四大類(圖二):
1.陰離子介面活性劑(anionic surfactants)

2.陽離子介面活性劑(cationic surfactants)

3.兩性離子介面活性劑(amphoteric surfactants)

4.非離子介面活性劑(nonionic surfactants)

所有介面活性劑多少都具有滲透、潤濕、分散、乳化、洗淨、可溶及發泡之作用。使一液體在他液體中均一並保持分散之性質稱之為乳化性(emulsification)。其分為O/W(水中油滴)型及W/O(油中水滴)型。乳化時,為使分散相(乳劑)易分散於分散媒(水)中,需藉介面活性劑降低兩者間之介面張力而易於混合。表面張力值最小時介面活性劑之濃度與形成介面活性劑之微膠粒臨界濃度(critical micelle concentration,CMC)近乎一致。介面活性劑之濃度在臨界濃度以上時,介面活性劑將不溶於水之物質包在內部形成集合體,並在水中溶解分散,稱之可溶化狀態。各類介面活性劑,一般以非離子介面活性劑效果較佳。

介面活性劑廣泛用於石油工業、工業洗劑、潤滑劑、農藥業、紡織業、冶煉業、油漆塗料被覆業、造紙業、皮革業、食品工業、製藥工業、化妝品工業、清潔劑甚至於個人照護(personal care),幾乎沒有一種工業不用到介面活性劑者;Banat(1995) 估計北美及西歐1990年介面活性劑用量達66億磅之多,且每年尚以2-3 ﹪成長。Frank (2001)估計全世界市場年需1000萬公噸。

化學介面活性劑雖然用途廣泛,但有些具有毒性。有些雖然低毒,但在自然界不易生物降解,甚或分解後衍生成具有環境荷爾蒙效應之代謝物,對人體健康、生態保育造成極大之衝擊。

三 生物介面活性劑之定義

Inoh(2001)稱從非水溶性化學污染物上分離出之某種微生物(EM菌),將此等微生物予以純化培養,於其培養液中可萃取得某些種化學物質;此等化學物質可使得液體之表面活性化,具有介面活性劑之功能,稱之為『生物介面活性劑(biosurfactant)』。另依Banat(1995)之定義,生物介面活性劑為微生物所產生之一群異質介面活性化分子,此分子可以降低液體溶液與碳氫化合物混合之表面張力、微膠粒臨界濃度、介面張力。在微膠粒產生過程中,可以使溶液藉由微乳化作用,使碳氫化合物溶於水中,或使水溶於碳氫化合物中。其分子構造包括親水性之原子團(諸如:氨基酸、胜類、陽離子、陰離子、單醣、雙醣或多醣等)與親脂(疏水)性之原子團(諸如:飽和、不飽和或羥基脂肪酸,或疏水性脂胜類等)。Ochsner等(1996) 稱生物介面活性劑係整合生物生理學、生化學、分子生物學以及基因學所產製之細胞外萃取物(extracellular compounds)。

化學合成介面活性劑對環境微生物常有毒害,致無法生物降解(biodegrable),容易形成環境蓄積,衝擊環境生態。而生物介面活性劑具有與化學合成介面活性劑同等之乳化作用,且低(或無)毒,可以生物降解、消化,不會在環境中殘留,對環境生態友善。另Frank (2001)稱,如以天然衍生之生物介面活性劑替代石化產品化學介面活性劑,可以減少地球溫室效應。Shreve等(1995) 稱生物介面活性劑rhamnolipid在溶液內溶解碳氫化物之效能約為化學合成陰離子介面活性劑ABS (alkyl benzene sulfonate)之9倍。Vasileva-Tonkova等(2001)以酵母菌測試多種的生物界面活性劑,證實生物界面活性劑對生態環境安全無虞。Desai和Banat(1997)稱生物界面活性劑比化學界面活性劑效能更佳、具選擇性、可被微生物分解,對環境友善。

四 生物介面活性劑之生產

由於生物介面活性劑多用於碳氫化合物污染之清除處理,其生產亦多自碳氫化合物降解菌(hydrocarbon degrading microorganisms)培養液中萃取而得。據Banat(1995)之報告,生產生物介面活性劑之微生物常見的有14個屬28種;產生的生物介面活性劑有18類之多。Cassidy和Hudak(2001)曾篩選出Candida tropicalis 、Brevibacterium casei、 Flavobacterium aquatile、 Pseudomonas aeruginosa 、Pseudomonas fluorescens等五種微生物可以生產生物介面活性劑,用以處理柴油污染。Mulligan等(2001)報告,Bacillus subtilis產生之surfactin,Pseudomonas aeruginosa產生之rhamnolipid,Torulopsis bombicola產生之sophorolipid,皆為生物介面活性劑,可清除底泥中之重金屬污染。Barathi 和Vasudevan(2001)稱Pseudomonas fluorescens利用其n-alkanes之長短鍵,使石油碳氫化物污染土壤之aliphatic及aromatic碳氫化物乳化而降解。Ilori和Amund(2001)從Pseudomonas aeruginosa 某品系培養液中另分離出peptidoglycolipid,對原油、煤油具有很好的乳化效果,為極佳之生物乳化劑。Kim等(2001)報告一種酵母菌Candida sp.,可以生產glycolipid,具有降低水面表面張力,減少煤油介面張力之效能。Pomponio等(2002)報告從Echinacea purpurea 植物根部,萃取得菊苣酸(cichoric acid)等十種酚酸(phenolic acid)可製成錠劑,作為介面活性劑之用。據Frank(2001)之報告,近年生物介面活性劑之產銷,以rhamnolipid與sorphorolipid為主軸。Noordman等(2002)亦證實以生物介面活性劑清除hexadecane之污染,rhamnolipid 要明顯比其他14種生物介面活性劑 效果好。

sorphorolipid為酵母菌Candida bombicola發酵之產物,為一種醣脂質(glycolipid),其分子構造含有雙醣(sophorose,槐醣)及脂肪酸或脂質。rhamnolipid亦為醣脂質,其分子結構包括鼠李醣(rhamnose,6-deoxymannose)及β-hydroxydecanoic acid,為Pseudomonas aeruginosa發酵產物,產品可以精煉至99 ﹪,其研發潛力較諸sorphorolipid似有過之。Cosson等(2002)以阿米巴(Dictyostelium discoideum)測試,證實Pseudomonas aeruginosa rh1不具有病毒性(virulence)。

培養液中萃取之生物介面活性劑,一般在2.5-5 g/L;且其產量、品質與微生物培養之碳源關係至大﹔Hori等(2002) 報告稱,十碳的decanoate要比六碳的glucose佳;其他諸如培養基內氮、磷、鎂、鐵、錳之濃度、鹽度,酸鹼值、溫度、振盪及稀釋度均有影響。Santos等(2002)稱Pseudomonas aeruginosa 可調整培養基之C:N比,以提升rhamnolipid之產量;主要氮源不同,所產生之rhamnolipid之組成份亦異。Iqbal等(1995)以γ射線誘導Pseudomonas aeruginosa S-8突變為EBN-8,其rhamnolipid產量可以提高2-3倍。Ochsner(1995)稱Pseudomonas aeruginosa產生rhamnolipid之基因群rh1ABR為Rh1R系列蛋白質及分泌鼠李醣轉化酵素Rh1AB所組成。Holden等(2002)更以綠螢光蛋白(green fluorescent protein,GFP)證實其推論。

五 生物介面活性劑之作用原理

大部份的生物介面活性劑為糖脂質(glycolipids),其碳氫化合物之一端,具有長鏈的脂肪酸;他端則為脂胜類(lipopeptides)、脂蛋白(lipoproteins)以及異多醣類(heteropolysaccharides)。Deziel等(1999)報告稱rhamnolipid至少含有28種同屬物(congeners)。Karpenko等(1996)稱Pseudomonas sp.S-27所生產之rhamnolipid可以降低液體之表面張力29.2 mN/m,介面間張力0.05 mN/m。且為生物多隅體,可穩定碳氫化物與油之乳化作用。Al-Tahhan 等(2000)稱rhamnolipid在污染物上可以形成微膠粒結構(micelle structures),使有機物易於溶解,有效的增加有機污染物之水溶性,俾易於溶出排除;可用於清除油污染之油槽、油槽洩漏清理以及有機污染場址之生物復育等。Mata-Sandoval等(2001)稱rhamnolipid與triton X-100可以使污水或土壤內之殺蟲劑生物降解。

Ochoa-Loza等(2001)在進行rhamnolipid生物介面活性劑清除重金屬污染的研究報告時稱,污染物重金屬離子緊緊的鍵結於土壤膠質或有機物顆粒上,rhamnolipid就好像陰離子介面活性劑般的能將重金屬陽離子吸附住,排列於rhamnolipid分子表面上,並與之結合成複合體反應(rhamnolipid-metal complexation reaction),將土壤內之重金屬化合物很順暢的萃取出來。Rhamnolipid與金屬離子之結合穩定常數(stability constant, log K)依序為Al3+> Cu2+> Pb2+> Cd2+>Zn2+> Fe3+>Hg2+>Ca2+> Co2+>Ni2+>Mn2+> Mg2+> K+ 。rhamnolipid特別容易與土壤或廢水中之鉛、鎘、汞等重金屬結合。

微生物間為了彼此食物競爭,以致某些微生物產生的生物介面活性化合物,具有破壞其他微生物細胞膜之功能;故某些微生物亦具有抗菌之性能。據Sandrin(1990)之報告,Bacillus subtilis產生之脂胜類iturin即具有殺真菌之功能。此外,sorphorolipid對革蘭氏陽性細菌及某些腸內微生物,具有殺菌作用;其主要作用機制,則為其取代了細胞膜之磷脂,而使得細胞膜之構造及滲透率變質,終致細胞破裂而死。

六 生物介面活性劑之應用

介面活性劑之選用,除了要考慮效果好,使用方便,價錢便宜外;亦應考量其整個生命週期衝擊(life cycle impact,LCI)﹔亦即要分析其對整個生態系統之影響、能源之消耗、二氧化碳溫室氣體的效應等。換言之,除了價格外,亦應將環境及生態之價格(environmental and ecological costs,E&E cost)納入考量。

Rhamnolipid具有很強的清潔除污性能,除了作為清潔劑、乳化劑之用外,尚可供污染整治、漏油阻斷、促進油污回收、貯油槽清洗等用途。此外,亦可用於土壤淋洗、廢水處理,清除土壤重金屬污染、農藥污染等。

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