（环境工程专业论文）鼠李糖脂二糖脂对堆肥中木质纤维素酶解的影响.pdf

a b s t r a c t t l l em a i no b s t a c l eo f b i o c o n v e r s i o no fl i 印o c e l l u l o s ei st h el o wa c t i v i t vo fc e l l u l a s e w h i c hr e s u l ti nt h eh i 曲p r o d u c t i o nc o s t f o rt h ef i r s tt i m e ，i nt h er e s e a r c ht h eb i o s u r f a c t a n t r h 锄n o l i p i dw a sa p p l i e di nt h em a i np r o c e s so ft h ee n z y m a t i ch y d r o l y s i so fc e l l u l o s e t h e p l 印o s eo ft h er e s e a r c hi st oe n h a n c et h ea c t i v i t yo fc e l l u l a s e ，a j l dt h e nt h ed e 蓼a d a t i o nr a t e o fl i 印o c e l l u l o s ea n dt h ec 蚰v e r s i o nr a t eo fe t h a n 0 1c a l lb ei n c r e a s e d r i c es t r a wa n d b 锄b o ol e a v e sw e r eu s e da ss u b s t r a t e st os t u d yt h ee 彘c t so fd i r h 锄n o l i p i do ne n z y n l a t i c h y d r o l y s i so f1 i 印o c e l l u l o s e r e d u c i n gs u g a ry e i l dd u r i n gt h ee i l z y m a t i ch y d r o l y s i sw a s q u a n t 砺e dt o e v a l u a t et h ee 瓶c i e n c yo fd i r h a n m o l i p i da d d i t i o n a n dt h es t 乏l b i l i t v o f c e l l u l a s ea c t i v i t i e sd e t e 肌i n e di i lt e 肌so ff p aw a s i n f l u e n c e dw i md i 腩f e n t c o n c e n t r a t i o n so fs u 而c t a n t t l l l es u r f a c et e n s i o na l l dp hv a l u e a i l a l y s i sw a sc o n d u c t e dt o i n v e s t i g a l et h ep h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h es u p e m a t a l l ta f t e rh y d r o l y s i sw i t hs u 而c t a n t a n d m o r e o v 盯，w ea d dm a 印c t i cf e 3 0 4p a n i c l e so nc e l l u l a s ei nt h ee n z y i n a t i ch y d r o l y s i so f s t r a w i nt i l ep r o c e s so fe n z y m a t i ch y d r o l y s i so fs 乜a w ，l ev a r i a t i o n so fc e l l u l a s e a c t i v i t y ，r e d u c i n gs u g a rc o n c e i l t r a t i o n ，c e l l u l o s ec o n v e r s i o n ，m ea n a l y s i so fp ha j l ds u r f a c e t e n s i o no f h y d r o l y s a t ew e r ee v a l u a t e d i na d d i t o n ，u t i l i z a t i o no fd i r h 锄n o l i p i da n d m a 髀e t i c f e 3 0 4p a n i c l e sa st h ec a m e ro fc e l l u l a s ei m m o b i i i z e db ym a g n e t i cg e l a t i na d s o 叩t i o n ，w e r e u s e dt os t l l d yt h ee n z y m a t i ch y d r o l y s i sq u a l i t yo fc e l l u l a s ei m m o b i l i z e db ym a 印e t i c g e l a t i n ，a n a l y s i st l l ev 撕a t i o n sa n de x p a t i a to nt h er e a s o n s t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a t d i r h 锄n 0 1 i p i d a td i f f - e r e n t c o n c e n t r a t i o n sw 嬲a b l et o i n c r e a s et h ep r o d u c t i o no fr e d u c i n gs u g a r 觚di m p r o v et h ec e l l u l a s es t a b i l i t y r e d u c i n g s u g a ry i e l dw a si n c r e a s e db yl7 19 a n d2 7 6 8 w h i c hc o n v e n e df b ms t r a wa n db 锄b o o l e a v e si nt h ep r e s e n to fd r h a r i m o l i p i da to 2 4 i i la d d i t i o n ，m es u r f a c et e n s i o no f l i q u i d m e d i u mw a s s i g n i f i c a j l t l yd e c r e a s e dd 印e n d i n go n d i r h 锄n o l i p i d c o n c e n t r a t i o n d i r h 锄n o l i p i da t0 2 4 r e d u c e dt h es u r f a c et e n s i o nt o6 3 4m n ma n d6 0 8m n mi n s t r a wa n db a m b o oh y d r o l y s i ss a m p l e s ，r e s p e c t i v e l y 7 1 1 1 en e g l e c t e dc h a n g e so fp hv a l u e a c r o s st h eh y d r o l y s i sp r o c e s sr e v e a l e dt h a tt h es u 而c t a n ta d d i t i o nd i dn o tt a k ea n yn e g a t i v e r e a c t i o n st ot h ep hs y s t e m s o f h y d r o l y s i s m a 朗e t i cg e l a t i ni m m o b i l i z e dc e l l u l a s ew a sa b l e t oi n c r e a s et h er e d u c i n gs u g a ry i e l db y4 4 ( f r o m 8 7 7 5 m m lt o9 16 2 m 咖l ) w h i l e i i i 硕l ：学位论文 w i t ht h ea d d i t i o no fd i r h 锄n o l i p i d ，t h er e d u c i n gs u g a ry i e l di n c r e a s e db y1 1 6 7 ，t oa m a ) 【i m 啪o f9 7 9 9 m g m l h o w e v e r ，n os i 印i f i c a n td i f f e r e n c e sw e r eo b s e r v e di nt h ef i n a l s u i f a c et e n s i o n k e yw o r d s ：d i r h a m n o i i p i d ； l i g n o c e l l u i o s i c ；e n z y m a t i ch y d r o l y s i s ； i m m o b i l i z e d l v 鼠李糖脂_ 二糖n 旨对堆肥中爪质纤维紊酶解的影响 插图索引 图2 1 鼠李糖脂二糖脂浓度对木质纤维素底物产还原糖的影响2 6 图2 2 鼠李糖脂二糖脂对f p a 的影响2 8 图2 3 鼠李糖脂二糖脂浓度对水解液表面张力的影响3 0 图3 1 磁场强度对酶活力的影响3 3 图3 2 磁化时间对纤维素酶活的影响3 4 图3 3 鼠李糖脂二糖脂的磁性明胶对f p a 的影响3 5 图3 4 鼠李糖脂二糖脂对产还原糖的影响3 6 v 硕l j 学位论文 附表索引 表1 1 不同木质纤维素类物质的组成2 表1 2 生物表面活性剂及其产生菌8 表1 3 部分表面活性剂的表面活性【2 1 彩】1 1 硕f 学化论文 1 1 堆肥化概述 第1 章绪论 农业废物指农业生产过程中产生的、不能有效利用并可直接或间接引起环境污染 的物质。广义的农业废物包括农村生活垃圾、畜禽废物、秸秆、农用塑料等。狭义的 农业废物主要指畜禽废物和秸秆两大类。 堆肥化是利用微生物人为地促进生物堆肥化处理技术是肥料化技术的一种。该技 术既可实现畜禽粪便的除臭，同时又能达到脱水、无害化的目的。秸秆作为重要的面 状污染源，具有有机质含量高、有害成分少的优点是堆肥的理想原料【l 】。将农作物秸 秆经堆肥化处理后，将其作为有机肥料或无土栽培有机基质，是处理农作物秸秆的有 效方法之一。 放置在任一场所的有机固体废物在湿度、通风条件满足的情况下，会自动产生热 量( 如秸秆堆垛、垃圾堆垛) 。堆肥化是一种利用自然界中天然存在的、或经过人类某 些改编的微生物对有机固体废物的氧化、分解能力，在一定温度、湿度和p h 值条件 下使可降解有机固体废物发生生物化学降解，形成类似腐殖质土壤的物质，达到有机 固体废物处理无害化和资源化的技术方法。 在堆肥化过程中，可溶性有机物质可透过微生物的细胞壁和细胞膜被微生物直接 吸收；而不溶的胶体有机物质，先被吸附在微生物体外，依靠微生物分泌的胞外酶分 解为可溶性物质，再渗入细胞。微生物通过自身的生命代谢活动，进行分解代谢( 氧 化还原过程) 和合成代谢( 生物合成过程) ，把一部分被吸收的有机物氧化成简单的无机 物，并放出生物生长、活动所需要的能量，把另一部分有机物转化合成新的细胞物质， 使微生物生长繁殖，产生更多的生物体。 农业废物的堆肥处理已有几千年历史，但作为一门科学技术发展却是始于2 0 世 纪。具有运行费用低、二次污染小、符合可持续发展要求等优点，在世界各国尤其是 发展中国家大有发展前途。农业废物的堆肥化使得各类有机废物或污染物得到充分利 用，从而减轻了对环境的污染，同时除去了废物产生的恶臭，大大改善了农村的环境 卫生条件，提高了人们生存环境的质量，有益于健康；堆肥化中的高温堆肥阶段可杀 灭一般的有害致病生命体，这也是防病、防疫的有力措施；堆肥化所获得的优质有机 肥料可替代某些化肥，这些肥料有利于土壤结构的改善，增加土壤养分和提高土壤活 性等作用，有益于农业增产增收；在堆肥腐熟化过程中所产生的热能可以利用作其他 用途，如传统方法制作酱油等【2 】。 随着社会经济的发展和人口的增长，农业种植的规模也越来越大，因此产生的农 鼠乍糖脂_ 二糖脂对堆肥中小质纤维豢酶舫j 的影响 业固体废物也越来越多。由于没有迅速有效无害的处理农业固体废物方法，大多数固 体废物只能通过焚烧处理，这种方法所产生的废气严重污染了大气，同时固体废物中 含有的大量元素脱离了土壤生态循环，长此以往，土壤将越来越贫瘠。农业固体废物 的堆肥化不仅能够避免上述的缺点，还能够有效地利用固体废物中的能量。农作物秸 秆经堆肥化处理后有以下优点：易分解的有机物大部分分解；施入土壤后不产生氮的 生物固定；通过降解除去酚类等有害物质；消灭病原菌、害虫卵和杂草种子。目前通 过堆肥化处理农作物秸秆已经成为应该大力倡导并推广的有效方法【3 】。 1 2 木质纤维素概述 纤维素与木质素及半纤维素共同形成植物体骨架，是自然界中含量极丰富、结构 极复杂的一种天然有机高分子化合物，广泛存在于高等植物细胞壁中。在植物体内， 细胞壁主要由纤维素、半纤维素和木质素三种成分构成，纤维素是细胞壁的骨架结构， 半纤维素是基体物质，而木质素是给壳物质或硬固物质，木质素的存在给植物组织以 强度和硬度，防止过多水分和有害菌类渗入细胞壁。其中，在木本植物中，木质素的 含量约为2 0 3 5 ，在草本植物中其含量约1 5 2 5 。从化学结构看【4 1 ，针叶树的木 质素主要由松柏醇的脱氢聚合物构成愈创木基木质素；阔叶树的木质素由松柏醇和芥 子醇的脱氢聚合物构成愈创木基紫丁香基木质素；而草本植物则是由松柏醇、芥子醇 和对香豆醇的脱氢聚合物和对香豆酸组成因而使木质素成为结构复杂、稳定、多样的 生物大分子物。木质素依靠化学键与半纤维素连接，包裹在纤维之外，形成纤维素。 使得植物组织由于木质素存在而有了强度和硬度。木质纤维素材料的组成变化很大 ( 见表1 1 ) ，但是主要成分都是糖类和芳香族类化合物。 表1 1 不同木质纤维素类物质的组成 1 2 1 木质素 木质素的物化性质因提取得方法不同而有差异。木质素是白色或接近无色的物 质，但在分离、制备的过程中采用的方法不同，会呈现出深浅不同的颜色，由重氯甲 烷甲基化后得到的木质素颜色呈白色，而酸木质素、铜氨木质素、过碘酸盐木质素的 颜色较深，呈浅黄褐色或深褐色等。木质素本来的相对分子量般为几十万，但由于 分离木质素在分离过程中会产生降解、缩合和变性等变化，它的相对分子量要低的多， 一般只能达到几千到几力。木质素的相对密度大约在1 3 5 1 5 0 之间，而在测定时用不 同的液体得到的数值也会略有差异。 木质素属于高分子芳香族化合物，是地球上主要的可再生芳香碳源。在还原碳和 光合作用能量方面，木质素可能超过纤维素，它是最丰富而有可再生的有机资源，据 科学家估算每年由植物光合作用所固定的碳中有2 5 最终要转化为木质素，是地球上 仅次于纤维素的第二丰富的可再生资源。人类利用纤维素已有上千年的历史，但对木 质素的研究工作开始于二十世纪3 0 年代以后，我国丌展这项工作的研究则更晚些。由 于木质素研究工作的艰巨性和复杂性，尽管有很多研究者在这方面做着不懈的努力， 但几十年来进展不是很大。至今对木质素的利用情况还不是很理想，致使每年有大量 的木质素资源被白白浪费掉【5 1 。 木质素分子结构中存在有芳香基、酚羟基、醇羟基、羰基、甲氧基、羧基、共轭 双键等活性基团，目前己发现的能有效降解木质素的生物酶，主要是白腐真菌在降解 木质素过程中产生的木素过氧化物酶( “鲫i np e r o x i d a s e ，即l i p ) 、锰过氧化物酶 ( m n d e p e n d e n tp e r o x i d a s e ，即m l l p ) 及漆酶( l a c c a s e ) 它们所产生的胞外酶作为高 效催化剂参与反应，借助自身形成h 2 0 2 ，靠酶触启动一系列的自由基链反应，先形 成高活性的酶中间体，将木质素等有机物( r h ) 氧化成许多不同的自由基( r ) ， 其中包括氧化能力很强的羟基自由基( o h ) ，实现对木质素的生物降解【6 】。 由于木质素结构的特殊性，其降解的难度也相当的大。近几十年来，国内外学者 一直在寻找降解木质素的最佳途径，研究主要包括以下理化处理和生化处理：将秸秆 等含有木质纤维素的物质进行理化处理，如辐射、蒸汽爆破、膨化、碾磨等；酶解、 生物发酵和生物堆肥；将上述两方面综合考虑。理化处理约可以去掉5 0 的木质素， 并使纤维成为非结晶态，但成本较高，而且容易产生二次污染。 堆肥化中限速有机物的降解一直被认为是快速堆肥的关键。农业废物堆肥化中的 限速有机物主要是指木质纤维素，其主要结构形式是纤维素约占4 0 ，半纤维素约占 2 0 3 0 ，木质素约占2 0 3 0 。这类有机物结构峰硬，难以分解，并与腐殖质的产 生有着密切的联系。纤维素是植物残体中最丰富的部分，它是由p ( 1 4 ) 键的葡萄糖单 元所组成的长链状大分子。通常一条链中含有1 0 0 0 0 多个葡萄糖分子，其葡萄糖亚基 排列紧密有序，形成类似晶体的不透水的网状结构，以及分子间结合不甚紧密、排列 不整齐的无定形区域。纤维素易与半纤维素、木质素等难分解的物质相复合，因此， 纤维素不能溶于水，难以水解。微生物利用纤维素之前，必须把它从木质素和半纤维 素包裹中释放出来，因此，纤维素的分解和木质素的分解是紧密相关的【6 1 。 鼠李糖脂二糖脂对堆肥中木质纤维素酶解的影响 1 2 2 纤维素 纤维素的物理结构分为结晶结构、纤丝结构、纤维素的氢键和纤维素的光谱结构 】。结晶结构是纤维素的聚集状态，即纤维素的超分子结构，主要包括结晶结构、取 向结构和原纤维结构等。 一般认为纤维素分子约由8 0 0 0 1 2 0 0 0 个左右的葡萄糖残基所组成，纤维素分子 含有碳、氢、氧三种元素。其中碳含量为4 4 4 4 ，氢含量为6 1 7 ，氧含量为4 9 3 9 ， 其化学式为c 6 h 1 0 0 5 。纤维素由纯的脱水d 葡萄糖的重复单元所组成，是d 葡萄糖以 b 1 ，4 糖苷键联结成链状高分子化合物。纤维素大分子通过大量氢键联接在一起形成晶 体结构的纤维素束。这种结构使得纤维素的性质很稳定，不溶于水，无还原性，在常 温下不发生水解，在高温下也不易水解，只有在催化剂存在下，纤维素才能被水解。 常用的催化剂是无机酸和纤维素酶，由此分别形成了酸水解和酶水解工艺 7 1 。 纤维素链中的每个葡萄糖基坏上有3 个活泼的羟基，因此，可以发生一系列与羟 基有关的化学反应。然而，这些羟基又可以综合成分子和分子间氢键。纤维素的酸降 解、微生物降解和碱降解主要是纤维素相邻的两个葡萄糖单体间的糖苷键被打开。纤 维素的化学反应主要分为纤维素的降解反应和纤维素羟基有关的衍生化反应。前者包 括纤维素的氧化、酸解、碱解、机械降解、光解、离子辐射和生物降解等，后者包括 纤维素的酯化、醚化、亲核取代、接枝共聚等化学反应。 纤维素大分子中的p 1 ，4 糖苷键是一种缩醛键，对酸特别敏感，在适当的氢离 子浓度、温度和时间作用下，糖苷键断裂，聚合度下降，还原能力提高，这类反应称 为纤维素的酸性水解。纤维素酸水解得到的可溶性成分主要是糖( 如木糖、葡萄糖、 纤维二糖) ，糖醛类( 如糠醛、羟甲基糠醛) 和有机酸( 如乙酸、甲酸、乙酰丙酸) 。生 物质在浓酸中的均相水解是纤维素晶体结构在酸中润胀或溶解后，通过形成酸复合物 再水解成低聚糖和葡萄糖，在稀酸中则经历多相水解。水解发生于固相纤维素和稀酸 溶液之间，在高温高压下，稀酸可将纤维素完全水解成葡萄糖。 1 2 3 半纤维素 由于半纤维素在化学结构上具有支链，所以它的物理结构是无定形的。但是某些 半纤维素是有结晶结构的。 半纤维素是生物质的另外一个主要成分，是由木糖、甘露糖、葡萄糖等构成的一 类多糖物质。半纤维素与纤维素的区别主要在于：半纤维素由不同的糖单元聚合而成， 分子链短且带有支链，主链可以由一种糖单元构成，称为均聚糖。 不同植物中半纤维素的含量不同，结构亦不同。半纤维素的聚合物主链可以由同 一种糖单元构成，也可以由多种糖单元构成，糖与糖之问的连接方式也不同。由于这 种特点，半纤维素的结构不可能像纤维素那样表示出来。通常根据聚合物主链的组成， 将半纤维素大致分为三类：聚木糖类半纤维素、聚葡萄糖一甘露糖类半纤维素以及其 4 硕l “学f t 论文 它类型半纤维素。 由于半纤维素是不同种类糖的共聚物，与纤维素类似，每个糖单元上还有羟基、 烷氧基等活性基团。半纤维素的水解产物包括两种五碳糖( 木糖和阿拉伯糖) 和三种六 碳糖( 葡萄糖、半乳糖和甘露糖) 。各种糖所占比例随原料而变化，一般木糖占一半以 上，以农作物秸秆和草为水解原料时还有相当量的阿拉伯糖生成( 可占五碳糖的 1 0 2 0 ) 。半纤维素的聚合度较低，也无晶体结构，故较易水解。半纤维素在1 0 0 左右就能在稀酸罩水解，也可在酶催化作用下完成水解。但因生物质里的半纤维素和 纤维素、木质素相互交织在一起，故只有当纤维素被水解时，半纤维素才能水解完全。 1 2 4 堆肥化中木质纤维素降解 堆肥化处理技术是肥料化技术的一种。该技术既可实现畜禽粪便的除臭，同时又 能达到脱水、无害化的目的。秸秆作为重要的面状污染源，具有有机质含量高、有害 成分少的优点，是堆肥的理想原料【8 j 。将农作物秸秆经堆肥化处理后，将其作为有机肥 料或无土栽培有机基质，是处理农作物秸秆的有效方法之一。 我国作为一个农业大国，每年约有7 亿吨农作物秸杆由于木质素复杂的理化特性 难以利用，最终作为固体废物被丢弃；同时，因为没有很好的处理方法，木质素作为 木材水解工业和造纸工业的副产品，是污染环境的有害物质。如散布在淮河流域周围 大大小小的造纸厂排出的大量黑液，主要成分是得不到利用的木质素，这些废液排入 淮河，严重污染了当地的地表水和地下水，导致该流域附近众多城镇居民生活用水困 难、健康水平下降、农业生产下滑。而在植物内部，由于纤维素受到木质素的保护， 要在堆肥过程中迅速达到良好的腐熟度，加快木质素纤维转化为腐殖质的就成为了关 键。堆肥中生物降解木质素作为一种降解木质素的比较低成本方法，不断研究完善它， 对我国经济建设有十分重要的促进作用。 堆肥中木质素的完全降解是在细菌，真菌及相关微生物的共同作用下完成的。其 中细菌能在一定程度上使木质素结构发生改性，成为水可溶的聚合产物，极少矿化木 质素产生c 0 2 ；另外，细菌在木质素降解过程中主要起着间接的作用，使真菌在这种 作用下更容易的攻击木质素，真菌通过菌丝作用进入到木质材料中，同时菌丝分泌出 特殊的胞外酶攻击植物细胞壁中的木质纤维素，导致木质素与纤维素的解聚和溶解。 此外放线菌也对木质素的降解起到了一定的作用。 1 3 生物表面活性剂 表面活性剂是一类能显著降低溶剂表面张力的物质，其分子由极性亲水基团和非 极性亲油基团两部分组成，表面活性剂可以在相接口上形成分子层，降低接口能量， 这个特性使表面活性剂具有乳化、润湿、分散、增溶、发泡、洗涤等作用，因此在生 产和生活中具有广泛的应用。但是，传统的表面活性剂都是用化学方法合成的，大量 鼠李糖脂二糖脂对堆肥中小质纤维素酶解的影响 的化学合成表面活性剂的使用会对环境造成严重的污染，并且损害人类的身体健康， 所以人们迫切的需要寻找一类物质，具有和化学合成表面活性剂一样的表面活性剂， 但是又没有毒性，或者毒性非常小。生物技术能给人们带来活性高、性能优良、环境 友好的表面活性剂一生物表面活性。 1 3 1 生物表面活性剂的概念及优势 生物表面活性剂是一类由微生物在其代谢过程中分泌出具有一定表面活性的集 亲水基和憎水基于一体的具有表面活性的代谢产物。大多数生物表面活性剂是微生物 的次级代谢产物。生物表面活性剂主要是一类由微生物产生的具有一定表面活性的两 性物质，可以在界面上优先分配。其亲水基团主要包括单糖、双糖、多糖和多肽链， 憎水基团则一般由一个或几个碳链长度不同的饱和或不饱和脂肪酸构成，脂肪酸通过 糖脂键或酰胺键与亲水基相连，大多数表面活性剂是电中性或带负电的。生物表面活 性剂主要分为糖脂类、脂多肽和脂蛋白类、磷脂和脂肪酸类、聚合表面活性剂类和微 粒表面活性剂类等五大类【8 、9 j 。本实验所采用的是由铜绿假单胞菌在一定条件下产生 的鼠李糖脂( 1 地a m n o l i p i d ，简写为r l ) 是生物表面活性剂中常用的一种表面活性剂， 由于具有较好的乳化性能和降低表面张力的性能而得到较广泛的应用，在目前使用表 面活性剂来提高某些生物可利用性较差的化合物的降解研究中得到了较大的重视。本 研究尝试着将鼠李糖脂应用到木质素酶解中，提高木质素降解效率。 与传统的化学合成生物表面活性剂相比，生物表面活性剂既有与其相似或相同的 性质，又具有自己独特的性质。由于生物表面活性剂的分子中同时具有亲水基和亲油 基，所以其与化学合成表面活性剂一样，具有优良的表面活性，能大大降低两相间的 表面张力，并且具有渗透、湿润、增溶、乳化、发泡、洗涤等作用，而且具有较好的 热稳定性和化学稳定性，多数生物表面活性剂在很广的p h 值范围内都能保持稳定， 在9 0 的高温下仍然具有较低的表面张力。生物表面活性剂还有特性耐盐性，盐溶液 中不易盐析；可生物降解性，生物表面活性剂在水体和土壤中容易降解；环境友好性， 对环境不产生污染和破坏；可原位合成，因而可以大大降低使用成本；生产工艺简单， 常温常压下即可发生反应；生产原料来源广阔价廉，可以利用工业废料和农副产品为 原料，生产过程对环境不产生危害n 0 。 1 3 2 生物表面活性剂的产生及生产方法 很多微尘物菌种可以以很多不同的基质为营养源生产生物表面活性剂。菌种生长 在非水溶性的物质中，如石油烃、聚苯乙烯、煤油、甲苯、儿士林、二甲苯等，并以 它们为食物源进行新陈代谢。例如铜绿假单胞菌可以以c 1 1 和c 1 2 的链烷烃、玻拍酸 盐、丙酮酸配盐、柠檬酸盐、果糖、甘油、橄榄油、葡萄糖以及甘露醇为碳源生产鼠 李糖脂f 12 1 。 另外许多生物表面活性剂生产菌是从污染物中分离得到的，如提高采收率的生物 6 硕卜学f t 论文 表面活性剂生产菌，多数是从被原油污染的污泥、海水、地表废水中分离出来的，这 些微生物能有效的降解脂肪族和芳香族的烃类化合物，它们利用这些化合物，在微生 物细胞和烃接触的界面上产生生物表面活性剂。表1 2 列出了几种主要的生物表面活 性剂及其产生菌。 利用基质培养的方法生产生物表面活性剂称为发酵法，此法的三个主要步骤是： 培养发酵、分离提取、产品纯化。此法生产生物表面活性剂的主要基质是烃类。微生 物以烃类为唯一碳源时，一般培养基中不同的碳源对生物表面活性剂的产量和成分都 有影响。不同的生物表面活性剂具有不同的分离、提取和浓缩方法。当以不溶于水的 烷烃为碳源时，分离提取前必须先去除残余烷烃；水溶性胞外生物表面活性剂的分离 通常需要多种浓缩步骤；而不溶于水的生物表面活性剂则可通过离心等技术进行分离 【1 4 _ 5 1 。酶法合成就是利用酶作催化剂合成生物表面活性剂，此法具有反应专一性强、 副反应少、产品容易分离纯化以及固定化酶可以重复利用等优点，并且可在常温和常 压下进行、使三废减少或无三废，产品具有明显的绿色特点【l o 】。酶法主要合成单酰 化甘油脂类、糖脂类、氨基酸类生物表面活性剂。酶法合成必须选择恰当的溶剂，这 样既能维持酶的活性，又能增加酶和底物的互溶程度r 7 1 。 生物表面活性剂的亲水基可以是糖类、氮基酸类、磷酸根或其它一些化合物；憎 水基部分主要是长链梭基。许多情况下，从初级代谢可直接合成生物表面活性剂的前 体。因此，虽然生物表面活性剂的种类很多，但在其合成途径及调节方面，仍有一些 共同的原则可循。 如生物表面活性剂中最大一类一糖脂的生物合成途径有四种【1 3 】，糖基和类脂基 均由全程合成；糖基由全程合成，类脂基的合成视烃基质的链长而定；类脂基由全程 合成，糖基合成视烃基质而定；糖基基于生物表面活性剂的堆肥微环境条件的改良和 类脂基合成均视烃基质而定。 鼠李糖脂：糖脂对堆肥中术质纤维素酶解的影响 表1 2 生物表面活性剂及其产生菌 生物表面活性剂名称 产生卤 i a 砌o l i p i d s 鼠李糖脂 2t r e h a l o s el i p i d s 海藻糖脂 3 s o p h o i o s el i p i d s 槐糖脂 _ g l u c o s e ， f m c t o s e 一，s a c c h a r o s el i p i d s 4 1 一 葡萄糖脂，果糖脂和蔗糖脂 5 6 c e l l o b i o s e1 i p i d s 纤维二糖脂 p o l y o ll i p i d s 多羟基脂 7 p h o s p h 0 1 i p i d s 磷脂 s u l f o n y l i p i d s 磺酰基脂 m o n o - d i 9 1 y c e r i d e sd i g l y c o s y l d i g l y c e r i d e s 甘油单脂和_ 二脂，糖基甘 油脂 甘露糖赤藓糖醇脂( m e l ) l y s i n l i p i d 赖氨酸脂 o m i t h i n e - l i p i d 鸟氨酸脂 n u t r o l i p i d 中性脂 m y c 0 1 a t e so fm o n o d i a n dt r i s a c c h a r i d e p s e u d o m o n a ss p p 假单胞菌 p s 饥d o m o n a sa e m g i n o s a 铜绿假单胞菌 a r d l r o b a c t e rp a r a m n e u s 了i 蜡。肖杆菌 c o 驴e b a c t e r i u ms p p 棒杆菌 m y c o b a c t e r i u ms p p 分枝杆菌 m y c o b a c t 酣u mp a r a f f i n i c 啪孑i 蜡分枝杆菌 m y c o b a c t 丽u mp h l e i 草分枝杆菌 m y c o b a c t 丽u ms m e g m a t i s 耻垢分枝杆菌 m i c f o m o n o s p o r a 小单胞菌 r o d o c o c c u se r y t h r o p o l i s 红串红球菌 c 蹰d i d as p p 假丝酵母 p s 朋d o m o n a ss p p 假单胞菌 t 0 九1 1 0 p s i sb o m b i c o l a 球拟酵母 t 0 n l l o p s i sa p i c o l a ( 尖型) 球拟酵母 a n h l l o b a c t e rs p p 节杆菌 a n h r o b a c t e rp a r a 硒n e u s 石蜡1 ，杆菌 c o r y n e b a c t 硎眦ls p p 棒杆菌 c o r y e b a c t e r i u mh y d r o c a r b o c l a s t i l s 解烃棒杆菌 r h o d o c o c c l i se r y t h r o p 0 1 i s 红串红球菌 u s t i l a g om a y d i s r h o d o t o m l a9 1 u t i n u s r h o d o t o m l a 鲫i n u s a c i n e t o b a c t e rs p p 不动杆菌 c o r y n e b a c t e t i 啪s p p 棒杆菌 c o r y l l e b a c t e r i 啪a l k a n o l ”i c 啪解烷烃棒杆菌 m i c r o c o c c u ss p p 微球菌 t h i o b a c i l l u st h i o o x i d a n s 氧化硫硫杆菌 c a p n o c ”o p h a g as p p 噬纤维菌 a c i n e t o b a c t 盯s p p 不动杆菌 l a c t o b a c i l l u sf e 咖e i l t i i 发酵乳杆菌 c a n d i d aa n t a r c t i c 假丝酵母 a g r o b a c t “啪t u m e f a c i e i i s 根癌十壤杆菌 p s e u d o m o n a sn l b e s c e t l s 浅红假单胞菌 1 r h i o b a c i l u si h i 0 0 x i d a i l s 氧化硫硫杆菌 n o c a r d i ae r ”h r o p l i s 诺f 氏菌 c o r ”e b a c t e r i u md j p h t h 鲥a e 白喉棒杆菌 8 8 9 m n 他 b m 硕卜位论文 15 l i p o p 0 1 y s a c c h a r j d e s 脂多糖 16 p 。l y s a c c h a r i d e - p r o t e j nc 伽p l e x 多糖蛋 白质复合物 ， c a 而o h y d r a t e p r o t e i n l i p i dc o m p l e x 碳 水化合物蛋白质脂质化合物 18 1 9 2 0 l i p o p 印t i d e s ( s u r f a c t i i l ，、，i s c o s i n ， g “u n i c i d i n ， p o l y m i x i l l s ， e ta 1 )脂肽 和脂蚩白( 莎梵婷，粘质，短杆菌肽， 多粘菌素等) o m i m i n e ，l y s i n ep e p t i d e s 鸟氨酸肽和赖 氨酸肽 f a n ya c i d s( c o r y n o m ) ，c o l i ca c i d s ， s p i c u l i s p o r i ca c i d s ，i r e h a l o s e m y c o l a t e s ， s e 哟w e t t i n ，e ta 1 )脂肪 酸( 棒状杆i 窘地农酸，s p i c u l i s p o r i c 酸， 海藻糖霉菌酸，沙雷维婷等) w h o l ec e l l ( 1 i p o p 印t i d e ) 细胞整体( 脂 2 l 11一 一一 肽) a c i n e t o b a c t e rc a l c o a c e t i c u s 乙酸钙不动杆菌 p s e u d o m o n a ss p p 假单胞菌 c a n d i d al i p o l y t i c a 解脂假丝酵母 c o r y e b a c t e r j u mh y d r o c a r b o c l a s t u s 解烃棒杆菌 p s e u d o m o n a sf l u o r e s c e n s 荧光假单胞凶 舡t l l r o b a c 衙s p p 节杆菌 b a c i l l u sb r e 访s 短芽孢杆菌 b a c i l l u sp o l y t n ”a 多粘芽孢杆菌 b a c i l l u sp u m i l i s 短小芽孢杆菌 b a c i l l u ss u b t i l i s 枯草芽孢杆菌 b a c i l l u sl i c h e n i f o l t n i s 地衣芽孢杆菌 c a n d i d al i p o l y t i c a 解脂假丝酵母 c a n d i d ap e 仃o p h i l i u m 石油假丝酵母p s e u d o m o n 嬲 f l u o r e s c e n s 荧光假单胞菌 s 盯m t i am a l l c e s c e l l s 粘质沙雷氏菌 g l u c o n o b a c t e rc “n u s 蜡状葡萄杆菌 s 仃e p t o m y c e ss i o y a e i l s i s 盐屋链霉菌 t 1 1 i o b a c i l l u st h i o o x i d a n s 氧化硫硫卡十菌 a n h r o b a c t e rp a r a f i n e l l s 彳i 蜡节卡f 菌 c a i l d i d at r o p i c o l a 热带假丝酵母 c o d ，1 1 e b a c t e r i u ms p p 棒杆菌 c o r y i l e b a c t e r i 啪1 印u s 野兔棒杆菌 m i c r o c o c c u ss p p 微球菌 p i c i l l i u ms p i c u l i s p o r u m 不动杆菌 i n o d o c o c c u s 哪h r o p o l i s 红串红球菌 t a l a m m y c e s 仃a c h y s p e m u s a c i n e t o b a c t e rc a l c o a c e t i c u s 乙酸钙不动卡十菌 生物表面活性剂的生产方法有从动植物中提取、发酵法和酶法合成三种。磷脂、 卵磷脂类等生物表面活性剂是从蛋黄或大豆中分离提取出来的，皂角苷是从植物体内 提取的，这类生物表面活性剂的来源都是天然生物原料，受到原料的限制，难以大量 生产。 利用基质培养的方法生产生物表面活性剂称为发酵法，此法的三个主要步骤是： 培养发酵、分离提取、产品纯化。此法生产生物表面活性剂的主要基质是烃类。微生 物以烃类为唯一碳源时，一般培养基中不同的碳源对生物表面活性剂的产量和成分都 9 鼠李糖脂：糖脂对j f i 肥中木质纤维素酶解的影响 有影响。不同的生物表面活性剂具有不同的分离、提取和浓缩方法。当以不溶于水的 烷烃为碳源时，分离提取的必须先去除残余烷烃；水溶性胞外生物表面活性剂的分离 通常需要多种浓缩步骤；而不溶于水的生物表面活性剂则可通过离心等技术进行分离 【1 4 ”】。酶法合成就是利用酶作催化剂合成生物表面活性剂，此法具有反应专一性强、 副反应少、产品容易分离纯化以及固定化酶可以重复利用等优点，并且可在常温和常 压下进行、使三废减少或无三废，产品具有明显的绿色特剧1 0 】。酶法主要合成单酰 化甘油脂类、糖脂类、氨基酸类生物表面活性剂。酶法合成必须选择恰当的溶剂，这 样既能维持酶的活性，又能增加酶和底物的互溶程度【1 6 1 7 】。 生物表面活性剂是含有亲脂基团和亲水基团的两性生物分子。其中亲脂基团为脂 肪酸的碳链或甾酮碳环，亲水基团( 极性基团) 为脂肪酸或氨基酸的羧基、磷脂的磷酞 基或糖类和缩氨酸的羟基【蝎】。生物表面活性剂可以按分子大小分成两类：如糖脂、 磷脂、脂肪和脂肪酸等能够有效降低表面张力的低分子章分子和如脂多糖和脂蛋白等 多聚物。对生物表面活性剂有不同的分类方法，但是使用较多的是按化学结构来分类， 按照此方法可以将其分为糖脂、含氨基酸类脂、磷脂、脂肪酸中性脂、结合多糖蛋白 质的高分子生物表面活性剂、颗粒生物表面活性剂。目前研究和应用比较多的生物表 面活性剂有以下几种： ( 1 ) 糖脂类生物表面活性剂 糖脂类生物表面活性剂是由碳水化合物与长链脂肪酸或者烃基脂肪酸以共价键 形式结合而成，此类生物表面活性剂中糖为亲水基、脂肪酸或羟基脂肪酸的烷基部分 为亲油基团。它是目前研究最多的一类生物表面活性剂中的，也是最重要的一类。其 中主要有海藻糖脂、鼠李糖脂、槐糖脂、甘露糖脂等。 ( 2 ) 聚合体生物表面活性剂 高分子量生物聚合物往往能够表现出很多有用的特性，如高粘性、张力和抗剪性 等等。因此聚合体生物表面活性剂的广泛应用也就不足为奇。目前研究比较多的此类 生物表面活性剂包括甘露蛋白、多聚糖蛋白等等。 ( 3 ) 含氨基酸类脂 此类表面活性剂主要有脂肽、鸟氨酸糖脂和脂蛋白三类。莎梵婷是1 9 6 8 年a r i m a 首次发现的由枯草杆菌( b a c i l l u ss u b t i l i s ) 产生的一种环状脂肽化合物，是至今发现的最 有活力的一种生物表面活性剂。枯草杆菌所产生的脂肽是由莎梵婷、i t 谢n 和f e n g y c i n 等形成具有抗生素作用的一系列环状肽链化合物。它们的脂肪酸长度按顺序分别为 c 1 3 c 1 6 、c 1 4 c 1 7 、c 1 4 c 1 8 ，每一种脂肽都有许多同源化合物和异构体。莎梵婷、 i 嘶n 是由7 个氨基酸组成的环状结构，而f e n g y c i n 则由1 0 个氨基酸组成。 ( 4 ) 磷脂和脂肪酸 磷脂是以磷酸基为亲水基团的生物表面活性剂，由一些细菌和酵母菌在烷烃培养 基中生长的过程中产生，主要有磷脂酰乙醇胺、磷脂酰丝氨酸、磷脂酰甘油。 l o 硕l j 学位论文 l - 3 3 生物表面活性剂的物化性质及特性 生物表面活