能顯著降低液體表面張力或兩相間界面張力的物質稱為表面活性劑（或界面活性劑）。表面活性劑在工業(yè)領域的各個方面都占有特別重要的地位，但化學合成表面活性劑常常存在原材料來源和價格、產(chǎn)品性能等方面的問題，同時在生產(chǎn)和使用過程中還會帶來一些環(huán)境污染問題，因此，人們很早就考慮應用生物技術來生產(chǎn)活性高、具有特效的表面活性劑，以避免出現(xiàn)上述問題。生物表面活性劑比化學合成表面活性劑更具潛在的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在：結構的多樣性（可為具體應用提供更寬的選擇范圍）；生物可降解性；對環(huán)境的溫和性等。因此，對生物表面活性劑的研究具有重要意義。

生物表面活性劑的分類主要是根據(jù)它的化學組成。通常生物表面活性劑都具有兩親基團，一類是親水基團，主要是氨基酸、肽正離子 / 負離子或者單 / 雙 / 寡聚糖；一類是疏水基團，一般是飽和或者不飽和脂肪酸。相應地，生物表面活性劑可分為糖脂、脂肽、脂蛋白、磷脂、脂肪酸、聚合物表面活性劑、粒狀物表面活性劑等。以烴類、糖類為碳源的微生物代謝出來的生物表面活性劑最主要的是脂肽、糖脂、磷脂等，其中脂肽、糖脂一般為胞外產(chǎn)物，除去菌體后存在于上清或者疏水層中；磷脂一般為胞內(nèi)物質，通常是由于細胞解體而被分泌到發(fā)酵液中的。

1.生物表面活性劑的種類示例

（1）脂肽類生物表面活性劑。

脂肽類生物表面活性劑的親水基團由短肽或氨基酸組成，疏水基團由脂肪酸組成，一種脂肽往往是多種異構單體組成的混合體。由于脂肽中的脂肪酸鏈長和支鏈數(shù)量以及氨基酸的組成具有多變性，致使脂肽表面活性劑的種類繁多。代表性的脂肽有surfactin、lichenysin、fengycin、iturin、mycosubtilin及bacillomycin等。其中，Bacillus subtilis產(chǎn)生的surfactin在sigma公司已經(jīng)商品化。脂肽類生物表面活性劑依照結構分為線性和環(huán)狀兩類，線性脂肽是氨基酸通過酰胺鍵與脂肪酸相連，環(huán)狀脂肽除具有以上結構之外，其脂肪酸分子通過一個內(nèi)酯鍵鏈接到親水的肽的另一端從而形成一個環(huán)狀結構。環(huán)狀脂肽surfactin的結構如圖3-7所示。

圖3-7　surfactin結構式

大多的脂肽具有抗菌活性，例如surfactin具有明顯的抗細菌活性；fengycin有抗絲狀真菌的能力。迄今為止，關于脂肽抗菌活性及生理作用已有很多報道。

現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)的脂肽主要來自Bacillus屬，如B.subtilis、B.circulans、B.cereus、B.polymyxa、B.mesentericus等。除了Bacillus產(chǎn)生脂肽外，其他一些種類的微生物也產(chǎn)生脂肽，如Mycobacterium fortuirum、Streptomyces canus、Pseudomonas fluorescens、Serratiamarcescens等。Peng從太平洋深海中分離出一株產(chǎn)生脂肽的紅球菌（Rhodococcus sp.TW53），ESI-QTOF-MS分析表明，此脂肽的氨基酸序列為Ala-Ile-Asp-Met-Pro，純化后的脂肽的CMC濃度為23.7mg/L，能將水的表面張力降低到30.7mN/m。喬楠等也從海洋中分離出一種食烷菌（Alcanivorax dieselolei B-5），產(chǎn)生一種脯氨酸脂的表面活性劑，這種氨基酸脂有較低的CMC值（40mg/L）、很寬的溫度和pH穩(wěn)定范圍、很強的離子強度耐受性及很好的乳化能力，而且無抗菌活性。

（2）糖脂類生物表面活性劑。

微生物糖脂是生物表面活性劑中數(shù)量最大、品種最多的一類。糖脂按分子中親水部分所含糖苷的個數(shù)分為單糖脂、雙糖脂、多糖脂等，其疏水部分通常是由一個或者兩個長鏈脂肪酸或者長鏈羥基脂肪酸組成，它們通過酰基脂化或者配糖鍵與親水部分相連。常見的糖脂主要是鼠李糖脂、海藻糖脂、槐糖脂等。然而，近些年又出現(xiàn)了一種新的糖脂類生物表面活性劑甘露糖赤蘚糖醇脂。

鼠李糖脂（圖3-8）是假單胞菌在限制條件下所產(chǎn)生的胞外代謝產(chǎn)物，這是一種具有較高分散、乳化、發(fā)泡和滲透能力的生物表面活性劑；一般是由一個或者兩個鼠李糖環(huán)上連上一個或者兩個β-羥基脂肪酸組成的，它是目前了解的最為透徹的一種糖脂。喬楠等從南海深海沉積物中分離到一株Dietzia sp.N3ZF-1，產(chǎn)一種雙鼠李糖脂，在以正十六烷為唯一碳源的液體培養(yǎng)基中可將發(fā)酵液的表面張力降至33.6mN·。

圖3-8　鼠李糖脂結構式

海藻糖脂廣泛存在于棒狀桿菌、分枝桿菌、諾卡氏菌中，是構成上述細菌細胞壁的主要成分之一。迄今為止，已報道了幾種海藻糖脂的結構；其中，大部分Mycobacterium、Nocardia、Corynebacterium的菌株產(chǎn)生的海藻糖脂結構是兩個海藻糖環(huán)在C-6和C-6′處與霉菌酸相連；霉菌酸是一個有α-支鏈 -β-羥基的長鏈脂肪酸；不同菌株產(chǎn)生的海藻糖脂的差異主要是在霉菌酸部分：碳原子的數(shù)量、飽和程度等。圖3-9是海藻糖 -6-6′-棒桿霉菌酸雙脂的結構圖。海藻糖脂主要用于石油開采，其優(yōu)越的破乳化性能有利于提高石油的開采率。

圖3-9　海藻糖脂結構式

甘露糖赤蘚糖醇脂（manno-sylerythritol lipid，MELs）是一種新型的非離子型生物表面活性劑，大多由絲狀真菌（如Ustilagomaydis）或者酵母產(chǎn)生，現(xiàn)已報道它共有四種同系物（圖3-10），即MEL-A、MEL-B、MEL-C和MEL-D。MELs有著很多優(yōu)良的特性，因此越來越成為很多領域研究的熱點。MELs的CMC低（40～100mg/L），親水親油平衡值在8.8左右，對皮膚和眼睛無毒，可生物降解性好，有良好的乳化性和表面活性（界面性能好，最小表面張力和界面張力分別可達28mN/m和2mN/m），還有抗菌性（特別是革蘭氏陽性菌），最早應用在石油污染現(xiàn)場的防治上，高溫下乳化廢油，使其易于被微生物降解。MELs應用于環(huán)保、食品、化妝品，用作乳化劑、表面活性劑、面粉品質改良劑、保濕劑、抗凝結劑（抑制低溫儲存冰漿中冰粒的凝結），在醫(yī)藥工業(yè)中也有很好的應用前景。喬楠等從海洋中分離出一株產(chǎn)甘露糖赤蘚糖醇脂的畢赤酵母（P.guilliermondii 510-6jm），能將發(fā)酵液表面張力降至28mN/m左右。

圖3-10　甘露糖赤蘚糖醇脂結構式

（3）脂肪酸和磷脂。

有些微生物在以疏水性物質（如烷烴、PAHs）為碳源的情況下，可以產(chǎn)生大量的脂肪酸和磷脂類表面活性劑。脂肪酸作為一種表面活性劑在20世紀七八十年代曾受到廣泛關注。從生長在正烷烴上的紅平諾卡氏菌（Nocardia erythropolis）發(fā)酵液中抽提出來的中性脂戊烷提取液中發(fā)現(xiàn)約90%為表面活性物質，其中含有一種單甘油酯、一種脂、一種脂肪醇和一些游離脂肪酸。

磷脂是細胞膜的主要成分。1982年，Kretschmer等人從紅串球菌中分離到一類磷脂的混合物，它可以將水的界面張力（對正十六烷）降低至1mN/m，CMC值僅為30mg/L。

2.生物表面活性劑在海洋石油污染修復中的應用

考慮到石油烴組分的水溶性較小和微生物的可利用率較低是造成生物修復效能下降的主要因素，在海洋環(huán)境中通常使用表面活性劑來降低石油烴組分的界面張力，促進其解吸和溶解，以此來提高微生物對溢油污染物的生物降解。國內(nèi)外對此展開了較為廣泛的研究并取得了較為豐碩的成果，Carriere等對非離子表面活性劑（Tritonx-100）進行了研究，結果顯示，通過非離子表面活性劑的作用，在生物降解過程中有效地增加了烴組分的可溶性，從而大大提高了生物降解的效率。Tiehm等同樣對兩種非離子表面活性劑的性能進行了探討，結果表明，這兩種表面活性劑對污染區(qū)域多環(huán)芳烴的溶解具有較強的活化作用，在表面活性劑的作用下，多環(huán)芳烴在環(huán)境中的濃度和毒性作用均有大幅度下降，促進了修復效能。

但是，化學合成表面活性劑對微生物生長的促進作用還是極為有限的。大部分的化學表面活性劑在實際的生物修復過程中，如果不對濃度進行有效控制，也會對微生物的生長帶來較強的毒性危害。通常情況下，非離子型表面活性劑的毒性要小于離子型表面活性劑，并且在環(huán)境中容易被生物加以代謝和利用，黏附性較低，因此引入二次污染的程度較小。

基于此，高效、無污染的生物表面活性劑的現(xiàn)場應用成為溢油修復過程中的研究熱點。生物表面活性劑同化學表面活性劑一樣，能夠對石油烴組分界面張力起到很好的降低作用，并且生物表面活性劑臨界膠束濃度（CMC）較低，效率好，環(huán)境中也能夠被生物有效利用，具有安全、環(huán)保、無二次污染的優(yōu)點。