de-rol-van-biosurfactantia-bij-de-opname-van

ministerie van verkeer en waterstaat
rijkswaterstaat
dienst binnenwateren/riza
I
I
De rol van biosurfactantia bij de
opname van hydrofobe
verbindingen door microorganismen.
Werkdocument nr. 90.189X
M.J.A. Swart
Literatuurscriptie, November 1990
Hydrophilic
end
Hydrophobic
chains
Water
Uitgevoerd bij:
In opdracht van:
DBW\RIZA
Afdeling AOCM
Postbus 17
8200 AA Lelystad
Hogeschool *\lkmaar
Sector Techniek-chemie
Afstudeerrichting Milieukunde
Plantage 2
1943 LM Beverwijk
Stagementor: J.E.M. Beurskens
VOORWOORD
Deze literatuurscriptie is uitgevoerd in het kader van de H.L.O.-opleiding aan de
Hogeschool Alkmaar, sector techniek-chemie, afstudeerrichting Milieukunde. De
opdracht is uitgevoerd bij DBW/RIZA, afdeling AOC Milieuchemie, te Lelystad.
Bij deze wil ik Koos Beurskens bedanken voor de begeleiding bij het schrijven van
deze scriptie.
SAMENVATTING
Biosurfactantia zijn amfifatische moleculen die zich concentreren op grensvlakken
van stoffen en de oppervlaktespanning van een stof verlagen. Ze kunnen de
oplosbaarheid van een stof vergroten. Een aantal belangrijke termen m.b.t.
biosurfactantia worden besproken.
Hydrofobe organische microverontreinigingen zitten in aquatisch milieu
grotendeels gebonden aan b.v. sediment. Microorganismen zijn in staat om een grote
verscheidenheid van verbindingen als substraat te gebruiken. Microorganismen
kunnen een verbinding het makkelijkst opnemen als deze in oplossing is. De
afbraaksnelheid is gerelateerd aan de opnamesnelheid. Wanneer opname plaatsvindt
met vrij in oplossing zijnde moleculen, kan sorptie deze snelheden beinvloeden.
Sorptie verhoogt de opnamesnelheid wanneer de af te breken stof of zijn
metabolieten toxisch zijn voor microorganismen. De opnamesnelheid kan ook
verhoogd worden door biosurfactantia, doordat deze de oplosbaarheid van een stof
vergroten. Sorptie verlaagt de opnamesnelheid door ten eerste simpelweg de
concentratie van een niet-toxische stof te verlagen, ten tweede door zeer lage
desorptiesnelheden.
Biosurfactantia worden meestal geclassificeerd aan de hand van het type
verbinding. Een kort overzicht wordt hier gegeven van een aantal veel voorkomende
typen biosurfactantia.
In hoeverre pseudo-oplosbaarheid een belangrijke rol speelt bij de opname en
afbraak van verontreinigingen in het milieu wordt in deze literatuurscriptie nagegaan
door in te gaan op vormingscondities en functies van biosurfactantia.
Biosurfactantproductie is waarschijnlijk een reactie van microorganismen op de
aanwezigheid van hydrofobe verbindingen. De productie vindt voornamelijk plaats in
de late exponentiele groeifase. Het type geproduceerde biosurfactant is o.a.
afhankelijk van het soort microorganisme en het soort substraat. de geproduceerde
hoeveelheid wordt o.a. bepaald door de voorkeur van het microorganisme voor een
bepaald substraat en de samenstelling van het medium. Belangrijke parameters
hierin zijn de stikstofbron en de metaalconcentratie. Algemeen wordt aangenomen
dat biosurfactantia door microorganismen geproduceerd worden om de oplosbaarheid
van het substraat te vergroten. Dit blijkt echter niet altijd het geval te zijn.
Biosurfactantia kunnen in principe voor vrijwel alle toepassingen gebruikt worden
waarvoor nu synthetische surfactantia gebruikt worden. De industriele toepassing van
biosurfactantia is echter voorlopig nog in een ontwikkelingsstadium. Een goede
industrie waarop de biosurfactantproductie zich kan richten is de olieindustrie.
Nadeel van biosurfactant gebruik is dat het te duur is. Voordelen zijn onder andere
de biologische afbreekbaarheid en het bezit van een groter scala aan oppervlakte
actieve eigenschappen.
Biosurfactantia kunnen een rol spelen bij het opruimen van organische
microverontreinigingen. Olie en PAKs zijn onder aerobe omstandigheden
afbreekbaar. Biosurfactantia zorgen hier voor een emulsie van de stof in de
waterfase, zodat een grotere beschikbaarheid voor de microorganismen wordt
verkregen. Laag gechloreerde PCBs en CBs kunnen ook onder aerobe
omstandigheden worden afgebroken. De hoog gechloreerde PCBs en CBs moeten
echter eerst onder anaerobe condities gedechloreerd worden voordat aerobe afbraak
kan plaatsvinden. De rol van biosurfactantia bij de omzetting of mineralisatie van
deze verbindingen is niet bekend.
De vooruitzichten voor het gebruik van biosurfactantia zijn gunstig. Er zal
echter nog veel onderzoek verricht moeten worden. Er zijn vele verschillende
soorten biosurfactantia die worden geproduceerd door een grote verscheidenheid aan
microorganismen. Grote voorzichtigheid is geboden bij het extrapoleren van
conclusies, die zijn getrokken uit experimenten met een bepaalde biosurfactant, naar
andere biosurfactantia en systemen.
INHOUDSOPGAVE
biz
VOORWOORD
SAMENVATTING
1.
INLEIDING
1
2.
DOEL VAN DE SCRIPTIE
2
3.
WAT IS EEN BIOSURFACTANT ?
3
4.
TERMINOLOGIE VAN BIOSURFACTANTIA
4
4.1
4.2
43
4.4
Oppervlakte spanning
Effectiviteit en efficientie
Critische micel concentratie
Factoren die de werking van een biosurfactant kunnen
beinvloeden
4
4
5
5.
OPNAME EN AFBRAAK VAN SUBSTRAAT
7
6.
TYPEN BIOSURFACTANTIA
9
6.1
6.1.1
6.1.2
6.1.3
Glycolipiden
Trehalose lipiden
Rhamnolipiden
Soforolipiden
9
10
11
12
6.2
63
6.4
6.5
Fosfoslipiden
Vetzuren
Lipopeptiden
Celoppervlak
12
13
13
14
7.
VORMINGSCONDITIES
14
8.
FUNCTIE VAN BIOSURFACTANTIA
16
9.
TOEPASSINGEN
16
10.
BIOSURFACTANTIA: DE VOOR- EN NADELEN
17
6
11.
CONCLUSIES EN DISCUSSIE
19
REFERENTIES
22
1.
INLEIDING
Vanuit verschillende oogpunten is de interesse in biosurfactantia de laatste jaren
sterk
toegenomen.
Biosurfactantia
zijn
moleculen
uitgescheiden
door
microorganismen die in staat zijn stoffen beter in oplossing te brengen. Toepassingen
van biosurfactantia worden onder andere toebedacht bij reiniging van verontreinigde
bodems, in wasmiddelen en bij oliewinning. Bodemverontreiniging en oliewinning zijn
hiervan de belangrijkste.
De verontreiniging van bodems wordt vaak veroorzaakt door apolaire stoffen
zoals olie, PCBs en PAKs. Het opruimen van deze verontreinigingen is vaak
wenselijk of zelfs noodzakelijk. De laatste jaren is er veel onderzoek verricht naar in
situ reiniging met behulp van microorganismen. Door de grote flexibiliteit in
metabole processen zijn microorganismen ook in staat 'milieuvreemde' organische
verontreinigingen af te breken. Microorganismen kunnen een verbinding echter het
makkelijkst afbreken als deze in oplossing is (5,6,35). Slecht oplosbare stoffen zoals
olie, PCBs en PAKs zitten in oppervlakte water geadsorbeerd aan bodemdeeltjes en
zwevende stofdeeltjes (4,22). Om deze verbindingen toch af te kunnen breken
moeten de microorganismen ze eerst in oplossing brengen. Ze kunnen dit doen met
behulp van biosurfactantia die ze al dan niet extracellulair gebruiken. De
biosurfactantia zorgen voor een emulsie van de apolaire stof en dus voor een betere
beschikbaarheid voor de bacterie.
In de olieindustrie worden synthetische surfactantia gebruikt om een betere
oliewinning te verkrijgen. De dikke olie zit vaak vast in de porien van de bodem,
waardoor het vrijwel niet opgepompt kan worden. Door het toevoegen van
synthetische surfactantia wordt de olie vloeibaarder en kan zo beter opgepompt
worden. Biosurfactantia bezitten echter een groter scala aan oppervlakteactieve
eigenschappen dan synthetische surfactantia vanwege het feit dat er veel meer
verschillende biosurfactanten zijn dan synthetische. Als biosurfactanten op
eenvoudige wijze geisoleerd kunnen worden uit microbiele culturen heeft men de
beschikking over een veel uitgebreider pakket van oppervlakteactieve stoffen.
Hierdoor zou onder andere de oliewinning nog meer verbeterd kunnen worden. De
biosurfactantia kunnen de, vaak niet biologisch afbreekbare, synthetische surfactantia
vervangen. Dit voorkomt weer vervuiling van de bodem.
Het onderzoek naar biosurfactantia heeft zich de laatste jaren sterk uitgebreid.
Surfactantia zijn, onder andere voor de industrie, van groot belang. Ze worden
gebruikt voor vele doeleinden. Of het haalbaar is dat biosurfactantia synthetische
surfactantia vervangen is onder andere afhankelijk van de productiekosten en de
hoeveelheid die geproduceerd kan worden. De kosten die een commerciele productie
van biosurfactantia met zich meebrengt zijn tot nu toe vrij hoog. Ook de hoeveelheid
die geproduceerd wordt, is bij de meeste microorganismen te gering om rendabel te
zijn voor commercieel gebruik.
DOEL VAN DE SCRIPTBE
Het onderwerp van deze scriptie is gekozen in het kader van het onderzoek naar de
afbraak van hydrofobe organische microverontreinigingen, zoals bijvoorbeeld PCBs.
Deze verbindingen hebben vaak een zeer lage oplosbaarheid in water en worden
zeer langzaam afgebroken door microorganismen. Er wordt gedacht de
oplosbaarheid van de hydrofobe organische microverontreinigingen te vergroten met
behulp van biosurfactantia. Men hoopt dan dat deze verbindingen op deze manier
sneller worden afgebroken. Deze scriptie is geschreven om kennis te verkrijgen over
biosurfactantia.
De concrete doelstellingen van deze scriptie zijn:
- het karakteriseren van surfactantia, zowel wat betreft structuur als eigenschappen;
- een overzicht geven van de diverse typen biosurfactantia;
- een overzicht geven van wat er op dit moment bekend is over de rol van
biosurfactantia bij de opname cq afbraak van hydrofobe verbindingen. In het
bijzonder gechloreerde aromatische koolwaterstoffen en poly aromatische
koolwaterstoffen (PAKs).
3.
WAT IS EEN BIOSURFACTANT ?
Surfactant is een afkorting van het engelse 'surface active agent'. Het voorvoegsel
Tjio' duidt erop dat het door organismen gemaakt wordt en dus niet chemisch bereid
is. Karakteristiek voor een surfactant is o.a. dat deze zich concentreren op
grensvlakken van stoffen en de oppervlaktespanning van een stof verlagen (7,29,37).
De grensvlakken kunnen vloeistof/gas grensvlakken, vast/vloeistof grensvlakken of
vloeistof/vloeistof grensvlakken zijn. Door het verlagen van de oppervlaktespanning
van een stof kan deze makkelijker gedispergeerd worden. Op de verlaging van de
oppervlaktespanning door surfactanten wordt later teruggekomen.
Surfactantia worden in het algemeen gebruikt om een
bepaalde
oppervlakteactiviteit te produceren, induceren of te voorkomen. Voorbeelden hiervan
zijn: dispersie, bevochtiging, adsorptie, emulsievorming, etc. Voor biosurfactantia is
het gebruik vooral gericht op dispersie en emulsievorming. Surfactantia, en dus ook,
biosurfactantia kunnen de oplosbaarheid van hydrofobe verbindingen vergroten
(4,22). Dit is weer gunstig voor microorganismen die de hydrofobe verbindingen als
substraat gebruiken. Hun groei wordt hierdoor vergemakkelijkt (12).
Een surfactantmolecuul bestaat uit twee gescheiden delen waarvan er 66n genoeg
affiniteit heeft voor het oplosmiddel om het hele molecuul in oplossing te brengen
(15,37). Het andere deel heeft minder affiniteit voor het oplosmiddel dan de
oplosmiddelmoleculen voor elkaar. Het ene deel is hydrofiel, het andere deel is
hydrofoob. Een surfactant is dus amfifatisch. Dit is de reden waarom surfactanten
zich concentreren op grensvlakken.
Het hydrofobe deel is meestal een lange koolstofketen, zoals die van een
vetzuur. Het hydrofiele deel kan bestaan uit een groot aantal verschillende
mogelijkheden. Dit zijn bijvoorbeeld de carboxylaat- of de hydroxylgroep van
neutrale lipiden, de fosfaatgroep van fosfolipiden, een koolhydraat van glycolipiden,
een aminozuur van lipopeptiden, etc.
hydrofoob
hydrofiel
figuur 1: De amfifatische structuur van een surfactant.
Bron: (7)
De meeste biosurfactantia zijn neutraal of negatief. De negatieve lading van de
anionische biosurfactantia is vaak te wijten aan een carboxylaat- en/of een
fosfaatgroep. In enkele gevallen kan de negatieve lading veroorzaakt worden door
een sulfaatgroep. Een voorbeeld hiervan is erilipin geproduceerd door Gluconobacter
cerinus (7,12).
Vaak worden de woorden 'surfactant' en 'emulgator' door elkaar gebruikt. Met beide
wordt dan bedoeld dat deze stoffen een emulsie of dispersie tot stand kunnen
brengen of in stand kunnen houden. Een verschil is echter dat een surfactant de
oppervlaktespanning van een vloeistof verlaagt en een emulgator dit niet doet
(7,29,37). In deze scriptie zal er naar gestreeft worden alleen stoffen het etiket
'surfactant' mee te geven als deze ook echt de oppervlaktespanning verlagen.
TERMINOLOGIE VAN BIOSURFACTANTIA
Bij de bespreking van biosurfactantia zijn een aantal termen belangrijk. Voor een
goed begrip van biosurfactantia en hun eigenschappen is het van belang deze termen
te kennen en te begrijpen. Vandaar dat hieronder een paar termen nader zullen
worden verklaard.
4.1
Oppervlakte spanning
Oppervlakte spanning is de neerwaartse en zijdelingse aantrekkingskracht die de
oppervlakte moleculen naar binnen trekt. De moleculen binnen in een vloeistof of
vaste stof ondervinden een gelijke aantrekkingskracht van de omringende moleculen.
Een oppervlakte molecuul is echter gedeeltelijk omringd door zijn eigen soort
moleculen. Dit zijn degenen beneden en naast hem. Hierdoor wordt het molecuul
naar binnen getrokken. Dit resulteert in een moleculaire cohesie en orientatie. Dit
gedrag heet oppervlakte spanning en is verantwoordelijk voor de weerstand van een
vloeistof of vaste stof tegen het binnendringen van het oppervlak (21). Zoals al
gezegd kan de oppervlakte spanning veranderen door het toevoegen van een
surfactant. Door zijn amfifatische structuur gaat de surfactant op het grensvlak van
een stof zitten en dringt zich tussen de oppervlakte moleculen. Hierdoor wordt de
cohesiekracht minder. Het gevolg is dat de oppervlakte spanning omlaag gaat (25).
De oppervlakte spanning (ST) wordt uitgedrukt in mN/m.
4.2
Effectiviteit en efficientie
Om practische redenen is het belangrijk dat er onderscheid wordt gemaakt tussen
effectieve biosurfactantia en efficiente biosurfactantia. Met effectiviteit wordt bedoeld
tot welke minimale waarde een biosurfactant de oppervlakte spanning kan laten
dalen. Hoe lager de te bereiken oppervlakte spanning, hoe effectiever. Met
efficientie wordt bedoeld welke concentratie biosurfactant er minimaal nodig is om
de oppervlakte spanning in redelijke mate te laten dalen (25,36,37). Voorbeelden
van zeer effectieve en efficiente biosurfactantia zijn surfactin geproduceerd door
Bacillus subtilis en een nog niet nader gei'dentificeerde biosurfactant geproduceerd
door Bacillus licheniformis JF-2 (7,12,20,29,37).
De efficientie stijgt normaal gesproken bij een grotere apolaire ketenlengte en daalt
bij grotere mate van onverzadiging van de keten. De efficientie daalt ook wanneer
de polaire groep verplaatst wordt naar een centrale positie in het molecuul.
Hierintegen stijgt de effectiviteit bij de twee laatst genoemde veranderingen (zie
fig. 2).
/VWVWVVO
figuur 2: Structuur van een efficiente biosurfactant (A) en een effectieve
biosurfactant (B).
Bron: (36)
4.3
Critische micel concentratie
Bij lage concentraties zijn surfactanten in een emulsie aanwezig als afzonderlijke
moleculen. Wordt de concentratie echter verhoogd tot een bepaalde waarde dan
zullen de surfactant moleculen samenklonteren om zogeheten micellen te vormen
(21). De concentratie van surfactantia waarbij dit gebeurt wordt de Critische Micel
Concentratie (CMC) genoemd. Bij een concentratie van surfactant groter dan de
CMC is er geen verlaging van de oppervlakte spanning meer (12,22,25,36,37).
Hierdoor wordt de CMC ook wel als maat voor de efficiency gebruikt.
Een micel is een geordende verzameling van surfactant moleculen, waarbij de polaire
groepen naar polaire fase zijn gericht en de apolaire groepen naar de apolaire fase.
(zie fig.3) (22,36,37).
Hydrophilic
end
Hydrophobic
chains
Water
Figuur 3: Structuur van een micel. Het oliedruppeltje hoeft niet aanwezig te zijn
om een micel te vormen.
Bron: (36)
Micellen worden voornamelijk gevormd door surfactantia met maar een apolaire
staart. Surfactantia met twee apolaire staarten vormen bij voorkeur dubbellagen. Dit
betekent dat de meeste glycolipiden en de meeste fosfolipiden geen micellen vormen
maar dubbellagen (33).
4.4
Factoren die de werking van een biosurfactant beinvloeden
Er zijn een aantal factoren die de oppervlakte activiteit van een biosurfactant
kunnen beinvloeden. Dit zijn o.a. pH, temperatuur, zout concentratie en
cosurfactantia. Cosurfactantia zijn stoffen die de werking van een surfactant
versterken. Voorbeelden hiervan zijn alcoholen. Hoe hoger de alcohol concentratie,
hoe lager de oppervlaktespanning. Voor de zoutconcentratie geldt het zelfde als voor
de concentratie cosurfactant. Hier komt bij dat ook de CMC verlaagd wordt bij een
hogere zoutconcentratie (13,20). Lang niet alle biosurfactantia worden beinvloed
door bovengenoemde factoren. De oppervlakte activiteit van de meeste glycolipiden,
behalve de rhamnolipiden, wordt hierdoor niet beinvloed (29). De oplosbaarheid van
glycolipiden is wel pH afhankelijk (10). Hoe hoger de pH, hoe groter de
oplosbaarheid. Dit betekent weer dat de oppervlakte activiteit van de glycolipiden,
tot op zekere hoogte (CMC), indirect wel beinvloed wordt door de pH.
Biosurfactantia waarbij hun werking niet wordt beinvloed door zoutgehalte,
temperatuur of pH zijn onder andere gevonden bij Mycobacterium, Rfiodococcus,
Torulopsis, Acinobacter en Bacillus spec. (10,20,29).
Biosurfactantia die wel onder invloed staan van de pH, zijn degene die een zure
of basische groep in zich hebben. Dit zijn bijvoorbeeld rhamnolipiden en fosfolipiden
(29). Een biosurfactant geproduceerd door een Bacillus spec, verliest zijn activiteit bij
een pH die hoger is dan 6.5 a 7 (8). Dit is het typische gebied waar primaire
aminen worden geprotoneerd. Ook van andere biosurfactantia is bekend dat hun
activiteit afhankelijk is van de pH (11,29).
Uit het voorafgaande blijkt dat het heel moelijk is om algemene regels op te stellen
die aangeven of een biosurfactant beinvloed kan worden door bovenstaande
factoren. Elke biosurfactant zal hierop afzonderlijk getest moeten worden.
5.
OPNAME EN AFBRAAK VAN SUBSTRAAT
Een stof moet eerst worden opgenomen door een microorganisme voordat het deze
kan afbreken. Het afbreken van sterk hydrofobe verbindingen kan in principe op
twee manieren plaatsvinden namelijk in de eel of buiten de eel. In geval van afbraak
buiten de eel zouden de afbraakproducten door de eel kunnen worden opgenomen.
Het door bacterien produceren van extracellulaire enzymen die de verbinding totaal
afbreken, is niet erg aannemelijk. Dit omdat de eerste stappen in de afbraak van
enkelvoudige verbindingen meestal oxidaties zijn (15). Grote polymeer moleculen
kunnen wel buiten de eel verkleind worden tot bijvoorbeeld monomeren, waarna ze
in de eel afgebroken worden. De oxidaties vinden plaats via complexe reactieseries,
welke gekatalyseerd worden door intracellulaire enzymen en coenzymen. Wat dus
over blijft is de intracellulaire afbraak. De opname van slecht oplosbaar substraat
kan op drie manieren gebeuren:
1.
2.
3.
Homogeen: Substraten worden in een opgeloste toestand opgenomen door
bacterien. Voorbeelden hiervan zijn naftaleen, anthraceen en fenantreen.
Door de zeer lage oplosbaarheid van deze stoffen is de opnamesnelheid zeer
beperkt (5).
Pseudo-oplosbaarheid: De bacterien scheiden verbindingen uit die de oplosbaarheid van deze slecht oplosbare stof vergroten (5,32).
Grensvlak adsorptie: De bacterien die in de waterige fase leven hechten zich
aan de substraatdeeltjes. De substraatoverdracht naar de eel vindt
hoogstwaarschijnlijk plaats via adsorptie aan het celoppervlak (5). De
opnamesnelheid wordt bepaald door de beschikbare hoeveelheid substraat.
De opname van substraat door grensvlak adsorptie is zeer gering, omdat
vaste stoffen niet door de celmembraan kunnen dringen (6).
De meest waarschijnlijke manier voor de opname van slecht oplosbaar substraat
door microorganismen is de pseudo-oplosbaarheid. Dit omdat vrijwel alle
microorganismen die groeien op slecht oplosbaar substraat biosurfactantia
produceren die een stimulerend effect hebben op hun groei (19,23).
De opnamesnelheid, en dus de afbraaksnelheid, van hydrofobe verbindingen wordt
beinvloed door sorptie processen. Sorptie kan deze snelheden verhogen of verlagen.
Sorptie verhoogt de opnamesnelheid wanneer de af te breken stof of zijn
metabolieten toxisch zijn voor microorganismen. De sorptie zorgt hier voor een lage
waterconcentratie van de toxische hydrofobe verbinding. Echter meestal zorgt sorptie
voor een lagere opnamesnelheid. Wanneer microorganismen een verbinding alleen
kunnen gebruiken wanneer deze in oplossing is kan sorptie de opnamesnelheid, en
dus de afbraaksnelheid, op twee manieren beinvloeden (27). Er wordt wel vanuit
gegaan dat sorptie de beperkende factor is voor de opnamesnelheid. Ten eerste
door de waterconcentratie van een niet-toxische stof simpelweg te verlagen,
waardoor deze zelfs lager kan worden dan de drempelwaarde. Een deel van de
aanwezige verbinding zal onttrokken worden aan de waterfase doordat het sorbeert,
bijvoorbeeld aan sediment. De hoeveelheid stof die per tijdseenheid opgenomen kan
worden is nu minder. Ten tweede door zeer lage desorptiesnelheden (28). Per
tijdseenheid wordt er zeer weinig stof vrijgegeven aan de waterfase waar het
opgenomen en afgebroken kan worden. De desorptiesnelheid is afhankelijk van de
diffusieafstand en van het concentratiegradient. Microorganismen die dichtbij een
poreus systeem als klei of sediment zitten, kunnen deze desorptiesnelheid vergroten
door: Enerzijds het substraatdeeltje te verwijderen van het sorbent. Hierdoor wordt
het concentratiegradient steiler. Anderzijds door dicht bij het adsorbent te gaan
waardoor de diffusieafstand verkleind wordt. Dit resulteert in een grotere
opnamesnelheid (27).
Biosurfactantia kunnen de opnamesnelheid verhogen. Biosurfactantia kunnen
namelijk in de porien van het adsorbent doordringen waar een microorganisme niet
meer kan komen. De biosurfactantia zorgen er dan voor dat de verbinding in
oplossing komt en uit het adsorbent kan diffunderen. Het resultaat is een grotere
opname-, en dus afbraaksnelheid.
De resultaten die hier besproken zijn, zijn het resultaat van laboratorium
experimenten. Uit deze laboratorium experimenten blijkt dat microorganismen goed
in staat zijn om de meeste hydrofobe verontreinigingen af te breken. Men moet
echter voorzichtig zijn met het extrapoleren van deze gegevens naar de veldsituatie.
De omstandigheden bij een laboratoriumexperiment zijn optimaal. Men heeft vaak
de beschikking over een aangepaste microbiele populatie. De microorganismen
hebben hier een zeer hoge dichtheid. De beschikbaarheid van het substraat voor de
microorganismen is groot. Er wordt vaak met microbiele culturen gewerkt waarin
geen sediment zit. Het substraat wordt hier dan niet aan de microorganismen
onttrokken door sorptieprocessen aangezien er weinig is waaraan sorptie kan
8
plaatsvinden.
In de veldsituatie treden echter complicaties op. Ten eerste kan de dichtheid
van de microorganismen die instaat zijn verontreinigingen af te breken veel lager
zijn. Ten tweede kunnen de omstandigheden in de veldsituatie niet optimaal zijn. Elk
organisme heeft een optimale waarde of traject voor wat betreft vochtgehalte,
zuurgraad, temperatuur, etc. Extreme waarden kunnen er toe leiden dat omzetting
niet of nauwelijks plaatsvindt. Bijvoorbeeld door een te lage temperatuur of
zuurgraad. De beschikbaarheid van de hydrofobe verontreinigingen wordt in de
veldsituatie verminderd door onder andere sorptie processen (34). De concentratie
van de hydrofobe verontreinigingen is in het veld vele maten lager dan onder
laboratoriumomstandigheden.
Het
gevolg hiervan
is dat
de
hydrofobe
verontreinigingen in de veldsituatie naar het microorganisme moeten diffunderen. Dit
alles zorgt voor een langzamere afbraak in de veldsituatie.
Een ander aspect van de verminderde afbraak in de veldsituatie is de
restconcentratie. Onder natuurlijke omstandigheden wordt de verontreiniging niet
helemaal afgebroken. Als de concentratie van de hydrofobe verontreiniging zeer laag
is, is het voor het microorganisme niet rendabel meer om deze af te breken. Het
'neemt' dan een andere koolstofbron waar het z'n energie uithaalt. Onder
laboratoriumomstandigheden is er vaak geen andere koolstofbron aanwezig of is de
keuze zeer beperkt. Het microorganisme wordt zo gedwongen om de hydrofobe
verontreiniging helemaal af te breken. Dit zal hoogst waarschijnlijk niet helemaal
lukken, maar de afbraak gaat wel verder dan in de veldsituatie.
6.
TYPEN BIOSURFACTANTIA
Chemisch bereide surfactantia worden meestal geclassificeerd aan de hand van de
aard van het hydrofiele deel. Deze kan anionisch, kationisch, amfoterisch of nonionisch zijn (2,21,36). Biosurfactantia worden echter meestal anders geclassificeerd.
Dit gebeurt aan de hand van het type verbinding (29). Dit zijn o.a. de glycolipiden,
de fosfolipiden, de vetzuren en de lipopeptiden. Hieronder volgt een kort overzicht
van deze biosurfactantia.
6.1
Glycolipiden
Biosurfactantia die worden geproduceerd door microorganismen zijn meestal
glycolipiden (12,25,37). Glycolipiden zijn moleculen die zijn opgebouwd uit
koolhydraten en vetzuren. Vaak zijn dit ook hydroxycarbonzuren met een lange
koolstofketen (12,25,37). Glycolipiden zijn betrokken bij de opname van sterk
hydrofobe verbindingen door microorganismen (37). De meest algemeen
voorkomende
glycolipiden zijn glycosyl diglyceriden. Ze komen voor in de
membranen van veel verschillende bacterien. Glycosyl diglyceriden zijn opgebouwd
zoals wordt weergegeven in figuur 4.
CH,0~ISUCARI„
I
?
CM
O C R
I
?
CH, o-C-R
figuur 4: Algemene structuur van een glycosyl diglyceride. R I en R2 zijn vetzuren.
Bron: (29)
De eigenschappen van biologische glycosyl diglyceriden aan grensvlakken zijn nog
niet intensief bestudeerd (12,29).
Veel voorkomende en bestudeerde glycolipiden zijn trehaloselipiden, rhamnolipiden
en soforolipiden. Deze bevatten respectievelijk de suikers trehalose, rhamnose en
soforose. Een korte beschrijving van deze glycolipiden volgt hieronder.
6.1.1
Trehalose lipiden
Trehalose is een disaccharide. Het komt veel voor in de extracellulaire lipiden van
Arthrobacter, Mycobacterium, Corynebacterium, Brevibacterium en Nocardia spec.
(12,25,29,37). De algemene structuur van trehalose lipiden wordt weergegeven in
figuur 5.
CM,O-CO-0
OH
'
°1
OM
JC fr
O-CO-S*
figuur 5: Algemene structuur van trehalose lipiden. Trehalose lipiden verschillen van
elkaar in de structuur van de R en R' groepen.
Bron: (29)
10
Trehalose is via een esterverbinding verbonden met een B-hydroxyvetzuur welke een
alkylvertakking heeft op het a-koolstofatoom. Dit wordt ook wel corynomycolzuur
genoemd. (zie fig. 6).
,
OH
H
0
I
I
II
R 1 — C — C — C—OH
I
L
H
R2
figuur 6: De structuur van een corynomycolzuur. RI en R2 zijn alkylgroepen met
een totaal aan koolstofatomen dat kleiner is dan 40.
Bron: (12)
Niet alle trehaloselipiden zijn extracellulair. Ze zijn ook wel gebonden aan het
celoppervlak van de bacterie. Een voorbeeld hiervan zijn trehaloselipiden van
Rliodococcus erythropolis (25).
De structuur van thehalose lipiden kan veranderd worden door het groeimedium
te veranderen. Groeit een bacterie op een sucroserijke voedingsbodem, dan zal de
sucrose het trehalose gedeelte van de biosurfantant vervangen (12).
6.1.2
Rhamnolipiden
Rhamnose is een monosaccharide. Het komt voor in de extracellulaire lipiden van
Pseudomonas en Arthrobacter spec. (12,17,25,29,37). Bij rhamnolipiden is rhamnose
via een glycoside binding verbonden met de B-hydroxylgroep van een ahydroxycarbonzuur. Een rhamnolipide bevat hierdoor, in tegenstelling tot een
trehalose lipide, een vrije carboxylgroep. (zie fig. 7). Het is mogelijk dat er meer dan
een B-hydroxycarbonzuur aan rhamnose zitten. De hydroxylgroep van de vrije
carboxylaatgroep wordt dan veresterd aan de B-hydroxylgroep van het volgende Bhydroxycarbonzuur (12,25,29,37). Vanwege het feit dat rhamnolipiden een vrije
carboxylaatgroep hebben, zijn ze boven pH=4 anionisch.
HO A
9.0-CH-CH2-COOH
Wt
HO
OH
s
3
figuur 7: De structuur van een rhamnolipide geisoleerd uit Arthrobacter paraffineus.
Bron: (12)
11
6.1.3
Soforolipiden
Soforose is een disaccharide. Het komt voornamelijk voor in de lipiden van
Torulopsis spec. (10,11,12,25,29,37). Net als bij rhamnolipiden is soforose via een
glycosidebinding verbonden met een hydroxycarbonzuur. De terminate carboxylgroep
van het hydroxycarbonzuur kan in de lactonische vorm (zie fig. 8) of in de
gehydroliseerde vorm zijn. Dit levert een anionische biosurfactant op bij een pH die
groter is dan 4.
CH, OAc
<CH,I, S
c-o
figuur 8: Structuur van een lactonische soforose lipide. Soms kan de lactosering
geopend worden, wat een zure soforolipide oplevert.
Bron: (29)
Hoewel soforolipiden de oppervlaktespanning verlagen, zijn het toch niet zulke
effectieve biosurfactanten (10,29). Op de effectiviteit van biosurfactantia wordt later
teruggekomen. De structuur van soforolipiden kan, net als bij trehalose lipiden,
veranderd worden door het groeimedium te veranderen (12).
6.2
Fosfolipiden
Fosfolipiden zijn de meest voorkomende bestanddelen in membranen. Extracellulaire
productie van fosfolipiden komt echter niet vaak voor. Extracellulaire productie van
fosfolipiden is o.a. waargenomen bij Thiobacillus, Acinetobacter, Corynebacterium en
Candida spec. (12,29,37).
Fosfolipiden bevatten een glycerolgedeelte dat veresterd zit aan twee vetzuren
en een fosfaatgroep. Aan deze fosfaatgroep kan eventueel nog een substituent zitten.
Bijvoorbeeld een ethylaminogroep. (zie figuur 9).
12
0
"
R-C-0-CH2
-.1
0
2
"
'
R-C-O-CH
HC-O-P-O-X
I
0_
figuur 9: Algemene structuur van fosfolipiden. RI en R2 zijn alkylsubstituenten. X
kan uit veel verschillende substituenten bestaan. B.v. X=CH,NH2,
fosfatidylethanolamine.
Bron: (12)
Fosfolipiden blijken niet zulke effectieve biosurfactantia te zijn. Ze brengen maar
een kleine verlaging van de oppervlakte spanning tot stand (12,37).
63
Vetzuren
Vetzuren komen voor in alle bacteriele cellen en worden vaak extracellulair
aangetroffen (12,29,37). De meeste van deze vetzuren vertonen enige oppervlakte
activiteit. Bij de productie van vetzuren zijn meestal bacterien betrokken die groeien
op koolwaterstoffen. Dit suggereert dat vetzuren belangrijk zijn bij het emulgeren
van koolwaterstoffen. Vooral de hydroxyvetzuren hebben een goede oppervlakte
actieve eigenschappen. Ze blijken veel effectiever te zijn dan 'gewone' vetzuren. Op
de effectiviteit van biosurfactantia wordt later teruggekomen. Een voorbeeld van een
hydroxyvetzuur is corynomycolzuur (zie figuur 6).
6.4
Lipopeptiden
Lipopeptiden zijn geisoleerd uit een grote verscheidenheid van bacterien en gisten.
Er zijn er echter maar een paar grondig onderzocht. Lipopeptiden worden onder
andere geproduceerd door Corynebacterium, Bacillus, Candida, Nocardia en
Mycobacterium spec. Lipopeptiden zijn opgebouwd uit (een) aminozuurketen(s) en
(een) vetzuurketen(s). Het bekendste voorbeeld hiervan is een lipopeptide met de
triviale naam 'surfactin' of 'subtilysin' (zie fig. 10). Het wordt geproduceerd door
Bacillus subtilis. Surfactin is de meest effectieve biosurfactant die tot nu toe
13
gevonden is. 0,005(m/v)% surfactin verlaagd de oppervlakte spanning van 0,1M
NaHCOj van 71,6 tot 27,9 mN/ra (1,7,29,37). Op de effectiviteit van biosurfactantia
wordt later teruggekomen.
CH
\
/
II
CH-(CH?la-CHCH?C-L-Glu-L-Leu-D-ljeu-L-vQl-L-Asp
CH/
3
I
I
I
I
0
L-Leu
O-Leu
figuur 10: De structuur van surfactin of subtilysin, een lipopeptide geproduceerd
door Bacillus subtilis.
Bron: (12)
6.5
Celoppervlak
Tot dusver heeft de bespreking van biosurfactantia zich er op gericht dat
biosurfactantia chemische uitscheidingsproducten van microorganisen zijn die
geproduceerd worden tijdens de microbiele groei. De eel zelf kan echter ook als
biosurfactant worden beschouwd. De eel speelt een grote rol als biosurfactant bij
koolwaterstof/water en lucht/water grensvlakken. Celsuspensies van bacterien
veroorzaken een verlaging van de oppervlakte spanning en van grensvlak spanning.
Het celoppervlak is opgebouwd uit een mozaik van hydrofobe en hydrofiele delen.
Het zijn deze delen die zorgen voor een amfifatische opbouw van het celoppervlak.
Een eerste vereiste van een biosurfactant is dat deze amfifatisch is. De hydrofobiteit
van de celmembraan wordt bepaald door de soort eel, celleeftijd en de samenstelling
van de meersoortige bacteriecultuur. De oppervlakte activiteit van cellen is te wijten
aan hun hydrofobiteit. Hierdoor kan een eel dus geclassificeerd worden als
biosurfactant (29,37).
7.
VORMINGSCONDnTES
De meeste biosurfactant producerende microorganismen lijken de biosurfactantia te
produceren als reactie op de aanwezigheid van hydrofobe verbindingen in het
groeimedium. Deze biosurfactantia productie is waarschijnlijk een extractie proces
door de hydrofobe verbinding. Bestanddelen van de celmembraan worden emit
geextraheerd, wat de eel aanzet tot de productie van nieuw membraanmateriaal om
het verlies ongedaan te maken (8,11,25). Biosurfactantia die vooral via dit proces
verkregen worden zijn verschillende soorten lipiden. Biosurfactantia worden
voornamelijk geproduceerd in de late exponentiele groeifase. Nadat een bepaalde
hoeveelheid biosurfactant geproduceerd is, blijft de concentratie van de
biosurfactantia gelijk of wordt deze vermindert (10,20,25). Hoe dit valt te rijmen met
14
biosurfactantproductie door extractie is niet duidelijk. Als de biosurfactantproductie
met behulp van een extractieproces zou gebeuren dan zou dit proces continu moeten
doorgaan. Dit blijkt dus niet het geval te zijn.
Het type en de hoeveelheid geproduceerde biosurfactant is o.a. afhankelijk van
het soort microorganisme en het soort substraat. Er zijn microorganismen die
afhankelijk van het substraat een andere biosurfactant produceren (11). Wanneer
een microorganisme glycolipiden produceert en groeit op een koolhydraat medium,
zal de koolhydraat van het medium het suikergedeelte van de glycolipide vervangen
(25). De eigenschappen van de glycolipide veranderen hierdoor ook. Glycolipiden
zijn de meest geproduceerde biosurfactantia. Ze worden geproduceerd zowel door
microorganismen die groeien op hydrofiel substraat als door microorganismen die
groeien op hydrofoob substraat (10,11,17,19,25,26). Er lijkt geen relatie te bestaan
tusssen geproduceerde type biosurfactant en de polariteit van het substraat.
De geproduceerde hoeveelheid biosurfactant kan sterk verschillen. Bepaalde
microorganismen hebben een voorkeur voor bepaalde substraten. De biosurfactant
productie zal dan ook het hoogst zijn wanneer het substraat dat de voorkeur
verdiend aanwezig is (9,19,25). Een andere belangrijke parameter voor biosurfactant
productie is de samenstelling van het medium. De stikstofbron die het
microorganisme tot zijn beschikking heeft vormt hier een belangrijk onderdeel van.
Microorganismen geven bij de productie van een biosurfactant vaak de voorkeur aan
een soort stikstofbron (8-10,17,20,24-26). Dat wil zeggen, stikstof in gereduceerde of
in geoxideerde vorm. Ammonium en nitraat zijn respectievelijk hiervoor de meest
gebruikte nutrienten. Zowel microorganismen die groeien op hydrofiel substraat als
die groeien op hydrofoob substraat, gebruiken ammonium als stikstofbron. Dit zelfde
geldt voor nitraat. Het 'kiezen' van de soort stikstofbron door het microorganisme is
dus onafhankelijk van de polariteit van het substraat. Er lijkt geen relatie te bestaan
tussen de stikstofbron en de polariteit van het substraat. Een ander belangrijk
onderdeel van het medium is de metaalconcentratie. De biosurfactant productie
wordt aanzienlijk vergroot wanneer de aanwezigheid van alle multivalente
metaalionen wordt beperkt (25). Bij een te hoge metaalconcentratie wordt er zelfs
geen biosurfactant meer geproduceerd (17).
Van veel microorganismen is bekend dat ze biosurfactantia produceren. Dit gebeurt
echter vaak onder aerobe condities. Deze microorganismen kunnen niet gebruikt
worden voor oliewinning en het opruimen van verontreinigingen in sedimenten
aangezien deze milieucompartimenten voor het grootste gedeelte anaeroob zijn. Er is
weinig bekend over biosurfactantiaproductie onder anaerobe condities. Er is geen
reden om aan te nemen dat biosurfactantia niet onder anaerobe condities worden
geproduceerd door microorganismen. Van een Bacillus spec, is bekend dat deze
dezelfde biosurfactant produceerd onder zowel aerobe als anaerobe condities (20).
Dit artikel is vrijwel het enige dat gaat over de anaerobe productie van
biosurfactantia. Zowel de aerobe als de anaerobe geproduceerde biosurfactantia
werken even goed. Ze verlagen beide de oppervlakte spanning tot dezelfde waarde.
15
8.
FUNCTIE VAN BIOSURFACTANTIA
Veel
microorganismen
die hydrofobe
verbindingen
afbreken
produceren
extracellulaire biosurfactanten. Hieruit kan worden afgeleid dat emulsificatie een rol
speelt bij de opname van hydrofoob substraat door
microorganismen.
Microorganismen kunnen een verbinding het makkelijkst opnemen als deze in
oplossing is (5,6,35). Algemeen wordt dan ook aangenomen dat biosurfactantia door
microorganismen geproduceerd worden om de oplosbaarheid van het substraat te
vergroten, waardoor een betere opname mogelijk is (7,11,17,18,25,29,37). Dit
resulteert weer in een versnelde groei van de microorganismen. Dit is echter niet de
enige functie van biosurfactantia, want er zijn veel voorbeelden van biosurfactant
productie door bacterien die groeien op goed oplosbare substraten zoals
koolhydraten (10,11,17,24). Ook is er biosurfactant productie bekend bij
microorganismen die groeien op slecht oplosbaar substraat, maar waarbij de
biosurfactantia niet worden gebruikt voor een makkelijkere opname van het
substraat (8). Soms wordt de groei van microorganismen zelfs geremd door
biosurfactant productie (29). In al deze gevallen worden biosurfactantia niet
geproduceerd om de opname van slecht oplosbaar substraat gemakkelijker te maken.
Waarom de biosurfactanten dan wel geproduceerd worden is in de meeste gevallen
niet duidelijk.
Biosurfactanten stimuleren meestal de groei van microorganismen (18,19,23,29).
De oorzaak hiervan blijft echter suggestief. Het kan zijn dat ze de opname van
substraat door de membraan van het microorganisme vergemakkelijken. Andere
oorzaken zijn echter ook mogelijk. Biosurfactantia zouden bijvoorbeeld de
desorptiesnelheid kunnen vergroten waardoor er een grotere beschikbaarheid van de
hydrofobe verbinding is voor de microorganismen.
9.
TOEPASSINGEN
Surfactantia worden gebruikt voor een grote verscheidenheid aan toepassingen. Er is
vrijwel geen industrie die geen surfactantia gebruikt. Surfactantia worden onder
andere gebruikt voor het stabiliseren van een emulsie, het breken van een emulsie,
schuimvorming tegen gaan of het juist te stimuleren. Het stabliseren van een emulsie
is onder andere nodig in de voedselindustrie. Het breken van een emulsie is nodig
bij ontwateringsprocessen. Bijvoorbeeld het ontwateren van ruwe olie. In de
olieindustrie worden surfactantia ook gebruikt als detergent. Bijvoorbeeld voor het
verkrijgen van een betere oliewinning. De surfactant zorgt ervoor dat de olie
vloeibaarder wordt zodat deze makkelijker opgepompt kan worden. Een andere
toepassing is het opruimen van bodemverontreinigingen zoals olieresten. De
surfactant zorgt dan voor het vrijkomen van de verontreiniging van de bodemdeeltjes
waardoor deze verwijderd kan worden. Bij het stimuleren van schuimvorming moet
gedacht worden aan toepassingen in brandblussers of in de voedselindustrie.
16
Bijvoorbeeld in slagroomspuiten.
Op zich kunnen biosurfactantia aan al deze toepassingen voldoen. De industriele
toepassing van biosurfactantia is echter voorlopig nog in een ontwikkelingsstadium.
De olieindustrie is een goede industrie waarop de biosurfactantproductie zich kan
richten. De olieindustrie gebruikt grote hoeveelheden surfactantia. Bij de toepassing
van biosurfactantia kan men hier volstaan met ruwe extracten of zelfs een hele
vergistingscultuur. Het testen van de biosurfactantia hoeft hiervoor ook minder
rigoreus te gebeuren dan voor bijvoorbeeld de voedselindustrie. Bij het isoleren van
de juiste biosurfactant, zal deze veel specifieker kunnen werken dan de meeste voor
handen zijnde synthetische surfactantia.
10.
BIOSURFACTANTIA: DE VOOR- EN NADELEN
Surfactantia zijn zeer interessante stoffen voor de industrie. Biosurfactantia worden
echter tot nu toe op zeer kleine schaal gebruikt. Voor een grootschalig gebruik moet
er een duidelijk overzicht zijn van alle voor- en nadelen van biosurfactantia t.o.v. de
nu veel gebruikte synthetische surfactantia. Hieronder volgt een globale uiteenzetting
van de voor- en nadelen van het gebruik van biosurfactantia i.p.v. synthetische
surfactantia. Om maar met de voordelen te beginnen;
- Biosurfactantia zijn vanzelfsprekend biologisch afbreekbaar (29,7). Hierdoor
veroorzaken ze geen vervuilingsproblemen. Veel synthetische surfactantia zijn vaak
niet of slechts gedeeltelijk biologisch afbreekbaar (29,37). Het is niet waarschijnlijk
dat biosurfactantia vergiftigingsproblemen veroorzaken hoewel de surfactant
eigenschappen schadelijk kunnen zijn ongeacht de bron van herkomst (7).
-
Biosurfactantia bezitten een groter scala aan oppervlakteactieve eigenschappen
dan synthetische surfactantia (25,29). Surfactantia worden gebruikt voor tal van
toepassingen. Elke toepassing vereist een andere biosurfactant die optimaal past
bij de condities waarbij de biosurfactant gebruikt wordt. Vanwege het feit dat er
meer biosurfactantia zijn dan synthetische surfactantia, kunnen de biosurfactantia
voor meer toepassingen gebruikt worden en de huidige chemische processen
(indien nodig) optimaliseren.
- Biosurfactantia komen voort uit een bron die onuitputtelijk is. De biosurfactantia
producerende microorganismen groeien op een grote verscheidenheid aan stoffen
(8-11,17-20,23,24,26,35). Deze varieren van hydrofiel tot hydrofoob. Het
hoofdbestanddeel voor de productie van synthetische surfactantia wordt gemaakt
uit olie. Olie is echter een uitputtelijke bron. Op den duur kan de productie van
synthetische surfactantia dus stagneren door een gebrek aan grondstoffen.
17
-
Bij de productie van biosurfactantia hoeven de grondstoffen niet zuiver te zijn.
Dat wil zeggen, het groeimedium is een mengsel van allerlei stoffen die nodig zijn
voor een optimale bacteriegroei en een optimale biosurfactantia productie. Het is
mogelijk om biosurfactantia te produceren in afvalwaterstromen (7). Dit milieu is
zeer onzuiver. Toch presteren de microorganismen het om hierin biosurfactantia
te produceren. Bij synthetische surfactantia productie moeten de grondstoffen zeer
zuiver zijn, anders krijgt men niet de gewenste surfactant.
Natuurlijk zitten er ook nadelen aan het gebruik van biosurfactantia in plaats van
synthetische surfactantia. Het belangrijkste nadeel van het gebruik van
biosurfactantia is dat de productie te duur is. Redenen waarom staan hieronder
vermeld.
- Omdat biosurfactantia geproduceerd worden in een mengsel van stoffen (het
groeimedium) moeten ze eerst gezuiverd worden voordat ze voor commerciele
doeleinden gebruikt kunnen worden. Het verkrijgen van een zeer zuiver product is
nogal moeilijk. Hier komt bij, door de ingewikkelde zuiveringsstappen, dat deze
zuivering vrij duur is.
- Biosurfactantia worden, op enkele uitzonderingen na (17), geproduceerd in batch
processen. Dit is veel duurder dan wanneer de biosurfactant productie in een
continu proces kan plaatsvinden.
- Biosurfactant productie is tot nog toe niet rendabel, omdat de geproduceerde
hoeveelheid te klein is. Bij slechts een enkeling is de biosurfactant productie wel
rendabel wat de geproduceerde hoeveelheid betreft (10).
De bovengenoemde nadelen van het gebruik van biosurfactantia kunnen wegvallen
wanneer er betere productie technieken ontwikkeld worden voor het verkrijgen van
voldoende en zuivere biosurfactantia. De ontwikkeling hiervan staat niet stil. Steeds
vaker is men in staat om microorganismen meer biosurfactantia te laten produceren.
Op de duur zouden alle synthetische surfactantia wel eens vervangen kunnen worden
door biosurfactantia. Dit kan zijn omdat ze specifieke voordelen hebben bij bepaalde
toepassingen, om milieukundige of om economische redenen.
18
11.
CONCLUSIES EN DISCUSSIE
Biosurfactantia zijn amfifatische moleculen die de oplosbaarheid van een stof kunnen
vergroten. Hun eigenschappen worden beinvloed door onder andere pH,
temperatuur, zoutconcentratie en cosurfactantia. Echter niet alle biosurfactantia zijn
hier gevoelig voor. Microorganismen kunnen een verbinding het makkelijkst
opnemen als deze in oplossing is. Indien de opname van slecht oplosbaar substraat
gebeurt via pseudo-oplosbaarheid, kan sorptie de opnamesnelheid verhogen wanneer
de af te breken stof of zijn metabolieten toxisch zijn voor microorganismen. Sorptie
verlaagd de opnamesnelheid door de waterconcentratie van de niet-toxische stof te
verlagen of door zeer lage resorptiesnelheden. Sorptie kan verminderd worden met
behulp van surfactantia.
Biosurfactantia worden geclassificeerd aan de hand van het type verbinding. Ook
het celoppervlak kan als biosurfactant dienst doen. De meeste biosurfactantia
worden waarschijnlijk geproduceerd als reactie op de aanwezigheid van hydrofobe
verbindingen in het medium. Het type en hoeveelheid geproduceerde biosurfactant is
onder andere afhankelijk van het soort microorganisme en het soort substraat. Een
andere belangrijke parameter voor biosurfactantproductie is de samenstelling van het
medium. Belangrijke onderdelen hierin zijn de stikstofbron en de metaalconcentratie.
Biosurfactantia spelen een rol bij de emulsificatie van hydrofobe verbindingen.
Algemeen
wordt
aangenomen
dat biosurfactantia
door
microorganismen
geproduceerd worden om de oplosbaarheid van slecht oplosbaar substraat te
vergroten, waardoor een betere opname mogelijk is. Echter, biosurfactantia worden
ook geproduceerd bij goed oplosbaar substraat. Het is niet duidelijk waarom dit
gebeurt.
De huidige kennis van biosurfactantia is voornamelijk gebaseerd op losstaande
experimenten. Dat wil zeggen, experimenten met een bepaald substraat en met een
bepaald microorganisme. Zoals gebleken is, is er grote onduidelijkheid over de
relatie tussen het microorganisme, het substraat en de geproduceerde biosurfactant.
Deze onduidelijkheid komt ook doordat er veelal met mengculturen wordt gewerkt.
In dat geval is het, in geval van afbraak, niet duidelijk welk microorganisme een
bepaald substraat afbreekt. Tevens is er onduidelijkheid over de functie van
biosurfactantia die geproduceerd worden door microorganismen die groeien op
hydrofiel substraat.
De vraag rijst welke rol de biosurfactantia spelen bij de opname van hydrofobe
verontreinigingen in het milieu. Op deze vraag moet eerst een duidelijk antwoord
komen voordat men biosurfactantia eventueel kan toepassen bij het schoonmaken
van verontreinigde grond.
Bij opname en afbraak van hydrofobe organische microverontreinigingen kunnen
biosurfactantia worden geproduceerd. Olie en PAKs worden onder aerobe condities
afgebroken. De stoffen dienen hier als koolstofbron en energiebron voor de
microorganismen. Olie blijkt in de meeste gevallen goed afbreekbaar te zijn. In
experimenten waarbij veelal wordt gewerkt met n-hexadecaan, als modelstof voor
19
olie, is de vorming van biosurfactantia aangetoond (11,18,23,26). De biosurfactant
'emulsan' blijkt bijzonder effectief en effient ruwe olie te emulgeren (29,30,31). De
geproduceerde biosurfactantia zorgen voor het emulgeren van de stof in de
waterfase, zodat een grotere beschikbaarheid voor de microorganismen tot stand
komt.
PCBs en chloorbenzenen (CBs) kunnen door microorganismen gedechloreerd
worden, maar ze dienen hierbij niet als koolstofbron. De dechlorering van hoog
gechloreerde PCBs en CBs vindt plaats onder anaerobe condities via cometabolisme.
Cometabolisme is het verschijnsel waarbij de structuur van een molecuul verandert,
maar waarbij dit molecuul met als voedsel- of energiebron dient. De PCBs en CBs
dienen hier als electronenacceptor wat dechlorering tot gevolg heeft. Bij laag
gechloreerde PCBs en CBs is aerobe mineralisatie mogelijk. Welke rol
biosurfactantia spelen bij de dechlorering en mineralisatie van deze gechloreerde
verbindingen is niet bekend.
In verontreinigd sediment overheersen anaerobe condities en zijn de
concentraties PCB en CB zeer laag. Ook is een groot deel onttrokken aan de
beschikbaarheid van microorganismen door sorptie. Het kan zijn dat het te veel
energie kost voor het microorganisme om de PCBs of CBs als electronenacceptor te
laten dienen door de beperkte aanwezigheid van beiden. Het gevolg is dat de PCBs
of CBs niet, of slechts zeer langzaam, gedechloreerd worden. De vraag is of er in
het veld biosurfactantia geproduceerd worden. De investering in het verkrijgen van
biosurfactantia is hier waarschijnlijk groter dan de winst door verbeterde opname en
afbraak.
Bij een zeer lage concentratie van substraat kost het 'maken' van
biosurfactantia, voor een betere substraatopname, meer energie dan er verkregen
wordt door substraat afbraak. De biosurfactantproductie is dan niet rendabel. Op
deze manier lijkt het erop dat er een drempelconcentratie is waaronder er geen
biosurfactantia geproduceerd worden. Of dit ook werkelijk het geval is zou moeten
blijken uit verder onderzoek.
De beschikbaarheid van PCBs en CBs voor microorganismen zou vergroot
kunnen worden door het toevoegen van biosurfactantia. Dit kan gebeuren door een
goed afbreekbare koolstofbron aan het sediment toe te voegen en vervolgens te
enten met microorganismen die dit kunnen afbreken en biosurfactantia produceren.
Door de geproduceerde biosurfactantia zouden de PCBs en CBs dan beter
beschikbaar kunnen komen, zodat ze, eventueel door andere microorganismen,
gedechloreerd kunnen worden. Voor een totale afbraak (mineralisatie) van
bijvoorbeeld PCBs zal eerst een anaerobe toestand aanwezig moeten zijn voor het
dechloreren. Vervolgens moet een aerobe toestand gecreeerd worden voor de
afbraak van het koolstofskelet. Dit betekent dat er minstens twee soorten
microorganismen moeten zijn voor totale afbraak. Anaerobe en aerobe
microorganismen. Beide kunnen echter niet gelijktijdig aanwezig zijn. Door gebrek
aan menging van de bodem zal er in het veld geen mineralisatie van PCBs
plaatsvinden. Biosurfactantia worden zowel aeroob als anaeroob gevormd. Hydrofobe
organische microverontreinigingen worden onder anaerobe condities gedeeltelijk
20
afgebroken. Onder andere in het geval van PCBs via cometabolisme. Volledige
mineralisatie vindt plaats onder aerobe condities. Afbraak zou bevorderd kunnen
worden door na een toestand van anaerobie de grond intensief te beluchten.
De vooruitzichten voor het gebruik van biosurfactantia zijn gunstig. Er zal
echter nog veel onderzoek verricht moeten worden. De olieindustrie lijkt in eerste
instantie een goede industrie waarop men zich kan richten. Biosurfactantia zijn veel
voorkomende moleculen en de kans is groot dat er een biosurfactant wordt
gevonden die goede eigenschappen heeft voor een bepaalde toepassing. Voordat
biosurfactantia echter commercieel gebruikt kunnen worden is het noodzakelijk dat
de opbrengsten verhoogd worden en de zuiveringskosten omlaag gaan. De huidige
hoge productiekosten van biosurfactantia zullen waarschijnlijk in de loop van de tijd
omlaag gaan door verbetering van de productie processen.
Het is belangrijk dat men zich realiseert dat er vele verschillende soorten
biosurfactantia zijn die geproduceerd worden door een grote verscheidenheid aan
microorganismen. Het is niet erg aannemelijk dat deze biosurfactantia allemaal
dezelfde functie hebben. Biosurfactantia hebben een grote verscheidenheid aan
structuren (zelfs bij dezelfde soort) en functies. Grote voorzichtigheid is dus geboden
bij het extrapoleren van conclusies, die zijn getrokken uit experimenten met een
bepaalde biosurfactant, naar andere biosurfactantia en systemen.
21
REFERENTIES
1) Arima, K., Kakinuma, A. and Tamura, G., Surfactin, a crystalline peptidolipid
surfactant produced by Bacillus subtilis: isolation, characterization and its
inhibition of fibrin clot formation. Biochem. Biophys. Res. Commun., 1968, 31:
488 - 494.
2) Bock, K J . and Stache, H., Surfactants, The handbook of environmental
chemistry, 1982, 3: 163 - 199.
3) Bourrel, M. and Chambu, C , The rules for achieving high solubilization of
brine and oil by amphiphilic molecules, Society of petroleum engineers journal,
1983, 23: 327 - 338.
4) Brickel, J.L. and Keinath, T.M., The effect of surfactants on the sorption
partition coefficients of naphtalene on aquifer soils, Wat. Sci. Techn., 1991, 23:
455 - 463. (in prep.)
5) Cameotra, S.S., Singh, H.D., Hazarika, A.K. and Baruah, J.N., Mode of uptake
of insoluble solid substrate by microorganisms. II: uptake of solid n-alkanes by
yeast and bacterial species, Biotech, and Bioeng., 1983, 25: 2945 - 2956.
6) Chakravarty, M., Amin, P.M., Singh, H.D., Baruah, J.N. and Iyengar, M.S., A
kinetic model for microbial growth on solid hydrocarbons, Biotech, and Bioeng.,
1972, 14: 61 - 73.
7) Cooper, D.G., Biosurfactants, Microbiol. Sci., 1986, 3: 145 - 149.
8) Cooper, D.G. and Goldenberg, B.G., Surface-active agents from two Bacillus
species, App. Env. Microbiol., 1987, 53-2: 224 - 229.
9) Cooper, D.G., Liss, S.N., Longay, R. and Zajic, J.E., Surface activity of
Mycobacterium and Pseudomonas, J. Ferment. Technol., 1981, 59-2: 97 - 101.
10) Cooper, D.G., Paddock, D.A., Production of a biosurfactant from Torulopsis
bombicola, App. Env. Microbiol., January 1984, 47: 173 - 176.
11) Cooper, D.G., Paddock, D.A., Torulopsis petrophilum and surface activity, App.
Env. Microbiol., December 1983, 46: 1426 - 1429.
22
12) Cooper, D.G., Zajic, J.E., Surface-active compounds from microorganisms, Adv.
App. Microbiology, 1980, 26: 229 - 253.
13) Dupeyrat, M., Minssieux, L. and Naggarr, A.E.I., Investigation of the
physico-chemical mechanisms involved in oil water interfacial tension lowering,
Papers presented at the Europian Symposium on enhanced oil recovery,
Edinburgh, Scotland, 5 - 7 July, 1978, 161 -184.
14) Encyclopedia of chemical technology, 3* ed., 8: 900.
15) Encyclopedia of chemical technology, 3* ed., 22: 332.
16) Fattom, A. and Shilo, M., Production of emulcyan by Phormidium J-l: its
activity and function, FEMS microbiology ecology, 1985, 31: 3 - 9.
17) Guerra-Santos, L., Kappeli, O. and Fiechter, A., Pseudomonas aeruginosa
biosurfactant production in continuous culture with glucose as carbon source,
App. Env. Microbiol., August 1984, 48: 301 - 305.
18) Hisatsuka, k., Nakahara, T., Sano, N. and Yamada, K., Formation of
rhamnolipids by Pseudomonas aeruginosa and its function in hydrocarbon
fermentation, Agric. Biol. Chem., 1971, 35: 686 - 692.
19) Ito, S. and Inoue, S., Sophorolipids from Torulopsis bombicola: possible
relation to alkane uptake, App. Env. Microbiol., 1982, 43-6: 1278 - 1283.
20) Javaheri, M., Jenneman, G.E., Mclnerey, M.J. and Knapp, R.M., Anaerobic
production of a biosurfactant by Bacillus Licheniformis JF-2, App. Env.
Microbiol., 1985, 50-1: 698 - 700.
21) Kouloheris, A.P., Surfactants: important tools in chemical processing, Chemical
engineering, October 1989, 130 - 136.
22) Lui, Z., Laha, S., Luthy, R.G., Surfactant solubilization of polycyclic aromatic
hydrocarbon compounds in soil-water suspensoins, Wat. Sci. Techn., 1991, 23:
475 - 485. (in prep.)
23) Nakahara, T., Hisatsuka, K. and Minoda, Y., Effect of hydrocarbon
emulsification on growth and respiration of microorganisms in hydrocarbon
media, J. Ferment. Technol., 59-5: 415 - 418.
23
24) Neu, T.R., Poralla, K-, Emulsifying agents from bacteria isolated during screening
for cells with hydrophobic surfaces, App. Microbiol. Biotechn., 1990, 32:
521 - 525.
25) Parkinson, M., Biosurfactants, Biotechnol. Adv., 1985, 3: 65 - 83.
26) Ramsay, B., McCarthy, J., Guerra-Santos, L., Kappeli, O. and Fiechter, A.,
Biosurfactant production and diauxic growth of Rhodococcus aurantiacus when
using n-alkanes as the carbon source, Canadian Journal of Microbiology, 1988,
34: 1209 - 1212.
27) Rijnaarts, H.H.M., Bachmann, A., Jumelet, J.C. and Zehnder, A.J.B., Effect of
desorption and intraparticle mass transfer on the aerobic biomineralization of
a-Hexachlorocyclohexane in a contaminated calcareous soil, Env. Sci. and Techn.,
1990, 24-9: 1349 - 1354.
28) Robinson, K.G., Farmer, W.S. and Novak, J.T., availability of sorbed toluene in
soils for biodegradation by acclimated bacteria, Wat. Res., 1990, 24-3: 345 - 350.
29) Rosenberg, E., Microbial surfactants, CRC Crit. Rev. Biotechnol., 1986, 3:
109 - 132.
30) Rosenberg, E., Perry, A., Gibson, D.T. and Gutnick, D.L., Emulsifier of
Arhtrobacter RAG-1: Specificity of hydrocabron substrate, App. Env. Microbiol.,
1979, 37-3: 409 - 413.
31) Rosenberg, E., Zuckerberg, A., Rubinovitz, C. and Gutnick, D.L., Emulsifier of
Arhtrobacter RAG-1: Isolation and emulsifying properties, 1979, 37-3: 402 - 408.
32) Shih-Yow, H. and Ming-Shean, C , Kinetic model for microbial uptake of
insoluble solid-state substrate, Biotech, and Bioeng., 1990, 35: 547 - 558..
33) Stryer, L, Biochemistry, W.H. Freeman and company, New York, 1981, 2nd ed.,
205 - 231.
34) Van der Velde, L.E., Sorptie kinetiek van hydrofobe organische verbindingen
aan sediment, Intern rapport DBW/RIZA Lelystad, literatuurscriptie, feb. 1990.
35) Wodzinski, R.S. and Coyle, J.E., Physical state of phenantrene for utilization by
bacteria, App. microbiology, 1974, 27-6: 1081 - 1084.
36) Zajic, J.E. and Panchal, C.J., Bio-emulsifiers, CRC Crit. Rev. in Microbiol.,
November 1976, 39 - 43.
24
37) Zajic, J.E., Seffens, W., Biosurfactants, CRC Crit. Rev. Biotechnol., 1984, 1:
86 - 107.
25

Download Report