成大研發快訊 - 文摘
成大研發快訊 第十卷 第四期 - 2009年八月二十八日
[ http://research.ncku.edu.tw/re/articles/c/20090828/1.html ]
非離子界面活性劑對海洋單胞菌（Neptunomonas
naphthovorans ）降解菲的影響
李景亮
1、陳炳宏
2,*1Department of Chemical and Biomolecular Engineering, National University of
Singapore; and Faculty of Engineering and Industrial Science, Swinburne University of Technology, Australia
2國立成功大學化學工程學系 [email protected]
Journal of Hazardous Materials, 162(1), 66–73 (Feb. 15, 2009).
期刊排名：1/89 (Category: Engineering, Civil)
我
們這一篇論文主要在描述非離子生物可降解界面活性劑對以海洋單 胞菌（Neptunomonas naphthovorans）降解菲（phenanthrene）能力 的影響。此海洋單胞菌種除了可以降解菲以外，也可以降解我們所使用的 這三種非離子生物可降解界面活性劑（Tergitol 15-S-X, X = 7, 9和12, 由陶 氏化學所生產）。菲在此微生物降解的反應行為可以用一次降解動力學來 描述。在各種實驗中，菲也常用來代表多苯環芳香烴（polycyclicaromatic hydrocarbon）。而這些多苯環芳香烴大多為致癌物，不論在美 國、日本或者歐洲都把它們列為優先處理的環境汙染物。菲是具有3個苯
環結構的芳香烴化合物，疏水性高的化合物，可以由像是香煙、石油、煤焦油等等的自然或人為的途徑產 生。也因此，它也會隨著碳氫化合物的不當使用及不當的廢棄物管理，而經常出現在地下水的汙染場址中。
因為多苯環芳香烴的水相溶解度非常低，因此一旦汙染了地下水層以後，很難有其它方法將之移除。通常而 言，使用可以降解多苯環芳香烴的微生物的生物治理程序（Bioremediation process），是一項比較常用的方 法。不過，因為這些化合物的溶解度低，幾乎不會存在於可流動的水相中，大部分被吸附、固定在岩層表 面，因而生體可利用性（bioavailability）比較低，使用微生物完全降解的所需時間，也要相當長。
界面活性劑，顧名思義，可以使原本很難互溶的液體溶化在一起。也就是說，它可以用溶解的方式，大大地 提高這些難溶的多苯環芳香烴的飽和溶解度，因而可以提高微生物可利用性，大幅地縮短微生物降解的時 間。因此，在此研究中，我們比較各種操作參數，探討微生物在有界面活性劑存在的情形下，降解菲的各種 可能機制。
雖然，界面活性劑可以提高菲的微生物可利用性，然而過多的界面活性劑却是會危害微生物的生命。這主要 是因為微生物的細胞膜主要是由疏水性脂質所組成的。不巧的是，界面活性劑除了可以溶解多苯環芳香烴以 外，當然還可以溶化或吸附在這些疏水性的脂質中。因此，既使過量的界面活性劑雖然不足以將細胞膜完全 溶解掉，但是毫無疑問的，還是會改變細胞膜的特性，像是吸附在或溶入脂質層中，因此而改變細胞膜的親 疏水性及等張壓，最後導致微生物穿孔，或者因過多的水進入微生物體中，導致微生物膨漲而死亡。這也是 說在一般的藥物針劑或者流感疫苗中，往往會添加像是聚氧乙烯山梨糖醇類的界面活性劑（Polysorbate 80, Tween 80），作為「抑菌劑」來保存藥物。
在過去以微生物降解菲（或其它多苯環芳香烴）的程序中，界面活性劑的添加因此而往往小於其臨界微胞濃 度（CMC）。但是，如果要有效地提升這些難溶的環境汙染物的飽合溶解度，進一步提高其生體可利用率，
所添加的界面活性劑的濃度，往往在它CMC的10~100倍。因此，這也造成生物降解環境污染物程序的兩難局
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面。在文獻中，關於界面活性劑是否能夠提高微生物降解的速率或者效率的問題，可以說正反雙方的評論勢 均力敵。
圖1: Tergitol 15-S-7 界面活性劑濃度對菲降解的影響
（初始菲濃度 = 2.13 mg/L，初始微生物量 = 0.22 mg Carbon/L）
在我們的研究中，為了探討在界面活性劑微胞存在 下，微生物降解的情形，界面活性劑的添加濃度從數 個到30個CMC之間。圖1、圖2、圖3正好顯示我們所用 的界面活性劑濃度對於菲降解速率的結果。為了模仿 在汙染場地中，菲汙染物的可能濃度應小於其水相的 溶解度，這裏所使用的菲濃度在2.13 mg/L，小於其水 相的飽和溶解度。在圖1中，當界面活性劑初始濃度在 200 mg/L時，最後有90%的菲可以被降解，相對於沒 有界面活性劑微胞存在的情形下，只有2%左右的菲被 降解。在這一個菲的濃度下，菲會以自由分子型態存 在於水相中，而不是完全吸附在我們實驗的玻璃器皿 上。因此，「少量」界面活性劑的存在下，的確會大 幅地改善微生物的降解程序。因此，我們推測當有界 面活性劑微胞存在時，菲傾向待在微胞中。如果，微 胞的濃度不要太高，還不足以對微生物造成任何負面 的影響。同時，微生物的細胞膜相對來說是比較疏水
的。微胞內充滿著數百個界面活性劑的疏水鏈，疏水程度相當高，所以，在凡德瓦力（所謂的疏水作用力）
的引導下，微胞會靠近微生物（圖四），而將溶解再其內的菲帶給微生物，因而增加微生物的降解速率。
不過，在圖1~圖3中，高界面活性劑濃度不代表菲的降解速率可以以被大幅地提高，因為微生物的生長被抑制 了。。我們也可以解釋在一段時間後，菲的降解速率會有顯著的增加。可能的機制除了微生物的指數成長階 段，使得降解速率提昇外，另外的可能是因為界面活性劑被降解，因此使得更多的菲顯露在微胞外層，使得 微生物更容易去利用它、降解。簡單地來說，微胞中的界面活性劑逐漸地減少，微胞的溶化能力也隨之降 低，反而可以增加疏水汙染物的微生物降解的可利用性。也就是說微胞可以當成碳源（汙染物）的貯存倉 庫，再慢慢地「釋放」給微生物使用。
圖2: Tergitol 15-S-9 界面活性劑濃度對菲降解的影響
（初始菲濃度 = 2.64 mg/L，初始微生物量 = 0.27 mg Carbon/L）
圖3: Tergitol 15-S-12 界面活性劑濃度對菲降解的影 響（初始菲濃度 = 1.64 mg/L，初始微生物量 = 0.97 mg Carbon/L）
由我們的結果可以歸納界面活性劑對於疏水汙染物的生物降解機制如下：
（一）、在較高界面活性劑濃度下，疏水汙染物的生物可利用性反而較低，因為太多的微胞反而會將菲圍繞
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在微胞內，同時也會危害到微生物。
（二）、界面活性劑會與被降解物共同競爭微生物。
（三）、在高界面活性劑濃度下，微生物的成長、繁殖，可能會被抑制，甚至降低，而導致整體的降解速率 降低。
簡單地作結論，界面活性劑除了可以提高，也會抑制微生物的降解速率及效果，端頼其與被降解物一起競爭 微生物，及對於微生物的竹族群生長的結果而定。因此，各種操作因子都必須事先決定，方可確保整體的降 解，生物治理程序的成功。
圖4: 被降解物在微胞相中微生物利用的途徑。
界面活性劑的簡介：
界面活性劑自古以來被人類廣泛地應用在清潔衛生程序上，文獻也記載著翡尼基人（Phoenician）在四千多 年以前便懂得利用牛、羊脂和草木灰燼作用來製造肥皂。在今天，從化粧品、個人保養品、藥品到食物中，
或者在工業生產的程序上，都可以看到界面活性劑的蹤跡。在人體中，膽鹽類的界面活性劑，使得人類可以 消化脂肪類的食物；肺泡中的界面活性劑使得我們的肺臟得以擴張，不會塌陷，而可以呼吸；如果，新生兒 缺乏肺泡界面活性劑，那麼他們不會啼哭，他們的小生命在接觸人世間的幾分鐘內，便會如同小天使離去。
另外，疏水性的界面活性劑，像是膽固醇、卵磷脂等等，也是構成細胞膜的主要成分，是人體不可或缺的物 質。那麼，什麼是界面活性劑呢？
界面活性劑（Surfactant）一般來說，係指對溶液具有兩種極端性質，即雙親（Amphiphilic）性質的分子。
以水或油為溶液來說明，其一端為極性的親水基（Hydrophilic or Lipophobic）、而另一端則是由非極性碳氫 鏈構成的親油基（Lipophilic or Hydrophobic）。簡單的說，界面活性劑的最大的功用在於降低兩個不互溶的 液體間的排斥作用。因此，不僅是在化妝品、清潔劑、洗衣粉中，可以看到界面活性劑，在原油開採提煉 裡，在你使用的汽油中，在你吃的冰淇淋中，甚至在你生病時必須服用的藥丸中，施打的針劑和預防針裡，
都有界面活性劑的蹤影。
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