Биосурфактанты: продуценты, свойства и практическое использование
И.Н.Гоготов1,2, С.В. Белоножкин2 , Р.С.Ходаков2, А.Н.Шкидченко3
1Институт фундаментальных проблем биологии РАН, 2Мордовский государственный университет им. Н.П.Огарева, 3Институт биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К.Скрябина
Дан анализ литературных и собственных данных о продуцентах поверхностно активных веществ (= биосурфактантов), свойствах и возможностях использования биосурфактантов в нефтедобывающей, химической, фармацевтической и пищевой промышленностях, сельском хозяйстве и очистке окружающей среды от углеводородов, тяжелых металлов и других поллютантов.
Введение
Биосурфактанты, являющиеся поверхностно активными веществами (ПАВ), которые образуются многими микроорганизмами, в последние годы привлекают значительное внимание, как в теоретическом, так и практическом плане. Это обусловлено, прежде всего, широкими возможностями их использования в нефтедобывающей и горнодобывающей промышленности, химической, фармацевтической и пищевой промышленности, сельском хозяйстве и для очистки окружающей среды от углеводородов, тяжелых металлов и других поллютантов. Биосурфактанты, образуемые микроорганизмами, по эффективности к эмульгированию не уступают синтетическим сурфактантам. Однако, в отличие от синтетических сурфактантов, они обладают такими преимуществами, как биодеградабельность и отсутствие токсичности, а также получение из возобновляемых источников, что делает их перспективными для разработки новых экологически безопасных технологий.
Cурфактанты являются амфипатическими молекулами, имеющие две функциональные части: полярную, с головной гидрофильной группой и неполярную, с липофильным хвостом. Свойства сурфактанта определяются балансом между его гидрофильным и липофильным компонентами. В растворе молекулы сурфактанта имеют тенденцию к агрегации с образованием мицелл или между фазами различной полярности, такими как нефть/вода. Сурфактанты характеризуются по их способности снижать поверхностное натяжение (ПН), критической концентрацией мицелл (ККМ), избыточной поверхностью Гиббса, межфазовым натяжением (МФН) и гидрофильно-липофильным балансом (Cooper, Zajic, 1980).
Имеются два обширных класса сурфактантов – химически синтезированные сурфактанты и образуемые микроорганизмами биосурфактанты (= биологические поверхностно активные соединения, биоПАВ). Химически синтезированные сурфактанты обычно классифицируют согласно природе полярной группы (катионной, анионной и неполярного типа). И хотя имеются ионные и не ионные биосурфактанты, но обычно они характеризуются по их химическому составу и/или продуценту. В настоящее время известно 5 классов биосурфактантов: гликолипиды; липополисахариды и полисахарид-липидные комплексы; липопептиды; жирные кислоты и нейтральные липиды (Desai, Banat, 1997). Согласно имеющихся сведений физиологическая роль биосурфактантов микроорганизмов состоит в адгезии к субстрату и эмульгированию питательных компонентов, десорбции с поверхности, антибактериальной и противогрибковой активности и рецепторов для бактериофагов.
Продуценты биосурфактантов
В отличие от химически синтезированных сурфактантов, для классификации биосурфак- тантов используют их химический состав и продуценты. Структура биосурфактантов включает гидрофильную часть, состоящую из аминокислотных или пептидных анионов или катионов; моно-, ди- или полисахаридов и гидрофобных компонентов, состоящих из ненасыщенных или насыщенных жирных кислот. Поэтому, в соответствии с химической природой, биосурфактанты разделяют на следующие группы (Desai, Banat, 1997):
1) гликолипиды (рамнолипиды – Pseudomonas aeruginosa; трегалозолипиды – Rhodococcus erythropolis, Nocardia rhodochrous, N. erythropolis, Мycobacterium phlei; cофорозолипиды – Torulopsis bombicola, T. ampicola, T. petrophilum);
2) липобелки и липопептиды (лихенизин – Bacillus licheniformis; субтилизин - B. subtilis; циркулоцины - B. circularis; полимиксины – B. subtilis; вискозин – Pseudomonas fluorescens; эмульсан – Phormidium sp.; липозан – Candida lypolytica);
3) полисахариды (эмульсаны – Arthrobacter sp., A. calcoaceticus; Phormidium sp.; ксантан – Xanthomonas campestris);
4) жирные кислоты – Candida spp., C. lepus.;
5) фосфолипиды – Tiobacillus thiooxidans; Corynebacterium sp.; Candida sp.);
Регуляция синтеза биосурфактантов
Бактерии рода Rhodococcus синтезируют биосурфактанты в ответ на присутствие в среде n–алканов (Пирог и др., 2004; Костина и др., 2005). Биосурфактанты родококков представляют собой гликолипиды, включая трегалозолипиды (трегалозомоно- и трегалозодикориномиколат). Физиологическая роль биосурфактантов при росте родококков на углеводородах состоит в солюбилизации гидрофобных субстратов в клетках. Поверхностное натяжение супернатанта культуральной жидкости, полученной после выращивания R. erythropolis AP-25 на гексадекане, составляет 30,3 мН/м, а на глюкозе – около 50 мН/м. В составе биосурфактанта, синтезируемого этой бактерией при росте на глюкозе, отсутствует трегалозомонокориномико- лат, а спектр липидов значительно беднее, чем при росте культуры на среде с гексадеканом.
Количество биосурфактантов, синтезируемых родококками на гидрофобных субстратах, колеблется в пределах от 0,5 до 30 г/л и зависит от концентрации источника углерода, соотношения углерод/азот, природы источника питания, значения рН, концентрации растворенного кислорода и ряда других факторов (Пирог и др., 2004). При периодическом культивировании родококков в колбах на средах, содержащих 2% гексадекана или керосина, синтезируется биосурфактанта не более 1-3 г/л.
Cвойства биосурфактантов
Биосурфактанты обладают теми же физико-химическими свойствами, что и синтетические сурфактанты. Для них известны значения ККМ (критической концентрации образования мицелл), ГЛБ (гидрофильно-липофильного баланса), поверхностного и межфазного натяжения и другие. Для измерения концентрации биосурфактанта часто используют показатель разбавления культуральной жидкости, клеточной суспензии или очищенных экстрактов до величины ККМ (Елисеев, Кучер, 2001). Биосурфактанты, для которых величина ГЛБ меньше 6, проявляют тенденцию к стабилизации эмульсий типа "вода в масле", а при значении ГЛБ, равном 10-18, они образуют системы типа "масло в воде". Эмульсии получаются в том случае, когда одна жидкая фаза диспергируется в виде микроскопических капель в другой жидкой непрерывной фазе. Биосурфактанты могут стабилизировать (эмульгаторы) и дестабилизировать (деэмульгаторы) эмульсии. Эмульгаторы характеризуются по времени распада суспензии углеводорода в водном растворе биосурфактанта, а деэмульгаторы рассматриваются по действию биосурфактанта на стандартную эмульсию, созданную с использованием синтетического сурфактанта (Елисеев, Кучер, 2001).
Гетерополисахарид ксантан в относительно чистом виде представляет собой мягкий пушистый порошок, легко растворяющийся в малых количествах воды и образующий гели. Он термостабилен, устойчив к действию электролитов, сохраняет вязкость в засоленных растворах, не адсорбируется твердыми частицами. Названные свойства сохраняются при использовании гетерополисахарида в очень низких концентрациях (Гоготов, 2005). Склерглюкан легко растворяется в воде, образуя растворы, имеющие высокую устойчивость в широком диапазоне температур, рН и концентрации солей.
Промышленный интерес к эмульсану обусловлен его способностью к стабилизации эмульсии типа "масло в воде" и образованию эмульсии "вода в масле" в условиях низких энергетических затрат. Эмульсан создает эмульсии как алифатических, так и ароматических углеводородов. При этом он проявляет способность образовывать пленку толщиной 2 нм на поверхности масляной капли с гидрофильными группами, ориентированными по отношению к водной фазе таким образом, что предотвращается их смешивание и наблюдается стабилизация эмульсии. Сродство этого биоэмульгатора является чрезвычайно высоким даже при центрифугировании, так как эмульсия не разрушается, хотя и разделяется на верхний слой, содержащий крем, и нижний, представляющий собой водную фазу. Крем, названный эмульсаносолом, относится к эмульсии типа "масло в воде" и содержит около 70% масла (Елисеев, Кучер, 2001). Эмульсан, активный в присутствии высоких концентраций солей, не адсорбируется на известняках и песчаниках. Необычайно эффективными эмульгаторами, обладающими высокой степенью специфичности к сырой нефти, являются эмульсаны, получаемые на среде с этанолом. Безбелковые апоэмульсаны устойчивы к высоким температурам. В нейтральной или щелочной среде при 100оС они полностью сохраняют свои эмульгирующие свойства в течение двух часов. Одним из важных свойств, обуславливающих применение биоэмульгаторов, является их способность эмульгировать углеводороды при определенных значениях рН. Биосурфактанты отторгают нефть от поверхности песка, гидрофилизируя эту поверхность и таким образом создают условия для свободного "скольжения" нефти в пространстве между песчинками. Не исключено также, что при этом происходит снижение вязкости и поверхностного натяжения нефти.
Максимальная активность липозана получена при соотношении гексана к липозану 50:1. Соотношение более 50:1 вызывает падение эмульгирующей активности. Максимальная эмульгирующая активность его была при рН от 2 до 5. Липозан термостабилен в течение 1 часа при 70оС и до 60% активности теряет после прогревания в течение 1 часа при 100оС. При концентрации 10 мМ ионы К и Na стимулируют активность в 1,2 раза, тогда как ионы Mg, Mn и Ca на активность влияют слабо. При концентрации ионов в 1М эмульгирующая активность уменьшается с 1,2 до 2,5 раз. Способность липозана стабилизировать или эмульгировать различные водонерастворимые соединения проявляется в зависимости от длины их цепи. Липопептидный биосурфактант итурин, выделенный из культуры B. amyloliguefacies, проявляет достаточную стабильность в лабораторных условиях. Он сохраняет поверхностные и антибиотические свойства при хранении в течение 2 месяцев при 20оС и инкубировании в течение 30 минут при 100оС. Однако при автоклавировании (20 мин., 121оС) активность итурина снижается на 40%. При действии солнечного или ультрафиолетового света его антибиотическая и поверхностная активности не изменяются.
Практическое использование биосурфактантов
Биосурфактанты являются структурно разносторонней группой поверхностно активных молекул, синтезируемых микроорганизмами. Эти соединения снижают напряжение поверхности и границы раздела как в водных растворах, так и смесях углеводородов, что делает их потенциальными кандидатами для повышения выхода нефти (Banat, 1995) и процессов разрушения эмульсии (Desai, Banat, 1997). Биосурфактанты имеют ряд преимуществ перед химическими сурфактантами, включая низкую токсичность, высокую биодеградабельность, лучшую совместимость с окружающей средой (Georgiou et al., 1990), высокое пенообразование, селективность и специфическую активность к повышенным температурам, рН и солям (Velikonja, Kosaric, 1993), а также способность синтеза из возобновляемых материалов. Поэтому одним из потенциальных потребителей биосурфактантов является нефтяная промышленность, которая может использовать препараты с минимальной очисткой, включая суспензию целых клеток (Banat, 1995). По сравнению с химическими сурфактантами они требуются в небольших количествах, очень селективны, эффективны в широком диапазоне нефти и условий резервуара и экологически не опасны. Показано, что приблизительно на 30% увеличивается нефтеотдача из подземных песчаников при использовании трегалолипидов Nocardia rhodochrous. Фирма “Multy-biotech”, субсидируемая ”Geodyne Technology”, освоила промышленное производство биосурфактантов для повышения нефтеотдачи. Показано, что обработка сырой тяжелой нефти Венесуэлы биосурфактантом эмульсаном снижает её вязкость с 200 000 до 100 сР. Это позволяет перекачивать тяжелую нефть насосами по промышленному трубопроводу до 26 000 миль, что невозможно сделать это при обработке её химическими сурфактантами. В Кувейте показана возможность использования биосурфактанта для перекачки сырой нефти в нефтехранилища. Компанией Petrogen Inc. (США) достигнуто 90% удаление нефти, включенной в осадок сточных вод, за счёт использования образующих биосурфактант микроорганизмов (Benerjee, 1998). Важным направлением использования микроорганизмов, образующих биосурфактанты, являются технологии биоремедиации почв, загрязненных углеводородами (Banat, 1995). Так, рамнолипид Pseudomonas aeruginosa удалял значительные количества разлитой нефти из галечного песка Аляски, загрязненного фирмой Exxon Valdez. Показано также, что этот биосурфактант способен удалять до 25-70% и 40-80% углеводородов из загрязненной супеси и суглинков, соответственно. Кроме того, высокую эффективность биосурфактанты проявляют и в биоремедиации почв от тяжелых металлов, включая уран, кадмий и свинец (Miller, 1995), фенантрена и полихлорированного бифенила (Van Dyke et al., 1993).
Биосурфактанты в виде пищевых добавок перспективны для использования в пищевой промышленности. Лецитин и его производные, эфиры жирных кислот, содержащие глицерин, сорбит или этиленгликоль и этил оксилированные производные моноглицеридов широко используют в ней в качестве эмульгаторов. Биосурфактанты применяют также в медицинской и косметической промышленности (Klekner, Kosaric, 1993). Компания Kao Co. Ltd использует софоролипид в качестве увлажнителя кожи и волос в косметических препаратах «Софина» и губной помаде. Некоторые биосурфактанты перспективны для использования в медицине и ветеринарии. Показано, что сукцинил-трегалозный липид Rhodococcus erythropolis подавляет вирус простого герпеса и вирус гриппа с летальной дозой 10-30 мкг/мл. Биосурфактант сурфактин можно использовать при обезвоживании торфа, бумажной, угольной, текстильной и добывающей урановую руду промышленности (Desai, Banat, 1997). Единственным препятствием для практического использования биосурфактантов является высокая стоимость их производства, которая в 3-10 раз выше их химических аналогов.
Литература
1. Гоготов И.Н. Полисахариды: свойства, получение и практическое использование. В: Материалы Межд. научно-практич. конф. «Перспективы и проблемы развития биотехнологии в рамках единого экономического пространства стран содружества», Минск-Нароч: РИВШ, 2005. С. 54-55.
2. Елисеев С.А., Кучер Р.В. Поверхностно-активные вещества и биотехнология. Киев: Наукова думка, 2001. 60 с.
3. Костина Е.Г., Ревин В.В., Атыкян Н.А., Гоготов И.Н. Влияние условий культивирования на биосинтез полисахаридов культурой Rhodococcus erythropolis штамм ВКМ Ас-858Т. В: IV Респ. Научно-практич. конф. «Наука и инновации в республике Мордовия». Саранск: Изд-во Мордовского госуниверситета, 2005. С. 583-588.
4. Пирог Т.П., Шевчук Т.А., Волошина И.Н., Карпенко Е.В. Образование поверхностно-активных веществ при росте штамма Rhodococcus erythropolis ЭК-1 на гидрофильных и гидрофобных субстратах. // Прикл. биохим. и микробиол., 2004. Т. 40. С. 544-550.
5. Cooper D.G., Zajic J.E. Surface active compounds from microorganisms. // Adv. Appl.Microbiol., 1980. V. 26. P. 229-253.
6. Desai J.D., Banat I.M. Microbial production of surfactants and their commercial potencial. // Microbiol. Molecular Biol. Rev., 1997. V. 61. P. 47-64.
7. Banat I.M. Biosurfactants production and possible uses in microbial enhanced oil recovery and oil pollution remediation: a review. // Bioresurce Technol., 1995. V. 51. P. 1-12.
8. Velikonja J., Kosaric N. Biosurfactant in food applications. In: Biosurfactant production, properties, applications (N. Kosaric, ed.). N.Y.: Marcel Dekker, 1993. P. 419-446.
9. Georgiou G., Lin S.C., Sharma M.M. Surface active compounds from microorganisms. // Bio/Technology, 1990. V. 10. P. 60-65.
10. Benerjee S. Biosurfactant for desludging crude/fuel oil storage tank. // Chem. Ind. Dig., 1998. V. 4. P. 75-78.
11. Miller R.M. Biosurfactant – facilitaded remediation of metal contaminated spils. // Environ. Health Perspect., 1995. V. 103. P. 59-62.
12. Van Dyke M.I., Gulley S.L., Lee H., Trevors J.T. Evaluation of microbial surfactants for recovery of hydrophobic pollutants from soil. // J. Jnd. Microbiol., 1993. V. 11. P. 163-170.
13. Klekner V., Kosaric N. Biosurfactants for cosmetics. In: Biosurfactants production, properties, applications (N. Kosaric, ed.). N.Y.: Marcel Dekker, 1993. P. 329-372.