Surfaktanty to związki powierzchniowo czynne (ZPC) znajdujące zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu. Dzięki zdolności do obniżania napięcia międzyfazowego oraz stabilizacji emulsji, wchodzą w skład wielu produktów chemii gospodarczej, kosmetyków, leków i żywności. Stosowane są również w produkcji makulatury, tkanin, farb i wyrobów ceramicznych [1]. W pierwszych latach XXI wieku produkcję surfaktantów oceniono na 18,2 milionów ton rocznie [2].
Ze względu na powszechne stosowanie surfaktantów syntetycznych, coraz częściej dają się odczuć niekorzystne zjawiska związane z ich wpływem na środowisko, a w szczególności na środowisko glebowe i wodne. Surfaktanty wykazują różną toksyczność, jednak do szczególnie toksycznych zalicza się surfaktanty kationowe oraz ZPC z grupy oksyetylenowanychalkilofenoli [3]. Światowa produkcja tych drugich została oszacowana na około 600 tysięcy ton (2007) [4] co spowodowało, iż stały się one głównym zanieczyszczeniem środowiskowym. Ponadto, surfaktanty adsorbując się na powierzchni wody, ograniczają przenikanie tlenu w głąb wód oraz powodują jej pienienie, co zakłóca pracę turbin i urządzeń napowietrzających pracujących w oczyszczalniach ścieków [5]. Dodatkowo w wodach powierzchniowych i ściekach surfaktanty mogą działać jako emulgatory różnych substancji hydrofobowych, takich jak oleje czy smary [3].
Mimo wielu zalet surfaktantów syntetycznych, wykazują one często niekorzystne cechy takie jak wysoka toksyczność i niską podatność biodegradację. Dlatego też, coraz częstsze zainteresowanie naukowców budzą biosurfaktanty.
Biosurfaktanty (BZPC) to związki powierzchniowo czynne pochodzenia biologicznego produkowane najczęściej przez mikroorganizmy, inaczej drobnoustroje do których zalicza się między innymi bakterie, drożdże i pleśnie. Wówczas związki te nazywane są biosurfaktantami drobnoustrojowymi [1,6].
Biosurfaktanty nie tylko skutecznie obniżają napięcie powierzchniowe lub międzyfazowe, co jest wymogiem dla każdego surfaktantu, ale również są nietoksyczne i wysoko podatne na biodegradację. Dlatego, w przeciwieństwie do surfaktantów syntetycznych, nie stanowią zagrożenia dla organizmów żywych [7].
Nie ma jednoznacznego podziału biosurfaktantów. Najczęściej spotykana w literaturze jest klasyfikacja wedługHealy’ena (1996) [8], która dzieli biosurfaktanty biorąc pod uwagę ich budowę chemiczną. Wyróżnia się w niej: glikolipidy, fosfolipidy, lipopeproteiny/lipopeptydy i związki polimerowe.
Glikolipidy należą do najlepiej poznanych biosurfaktantów, wśród których wyróżniamy trzy podgrupy: ramnolipidy wytwarzane przez bakterie Pseudomonassp., trehalolipidy produkowane przez wiele bakterii, między innymi przez Corynebacteriumsp. oraz soforolipidy wytwarzane przez drożdże Torulopsis sp. W dużym uproszczeniu glikolipidy składają się z różnych rodzajów cukrów połączonych z kwasami tłuszczowymi wiązaniami glikozydowymi (Rys. 1) [8]. Posiadają one najwięcej zastosowań. Biosurfaktantyglikolipidowe są między innymi składnikami produktów kosmetycznych [9,10],produktów żywnościowych [11] oraz biorą udział w bioremediacji gleby z produktów ropopochodnych [12] i metali ciężkich [6].
Rysunek 1 Budowa popularnych surfaktantów glikolipidowych [13]
Na szczególną uwagę zasługuje również surfaktyna wytwarzana przez szczep bakteriiBacillussubtilis, która pod względem budowy jest cyklicznym lipopeptydemwykazującym właściwości antybiotyku (Rys. 2) [8].
Rysunek 2 Struktura surfaktyny [13]
Ważną grupą biosurfaktantów są również związki polimerowe. Są to połączenia kwasów tłuszczowych z heteropolisacharydowymi szkieletami o dużej masie cząsteczkowej. Ich najlepiej poznanymi przedstawicielami jest emulsan wytwarzany przez szczep Acinetobactercalcoaceticus RAG-1 oraz liposan produkowany przez szczep Candida lipolyptica(Rys. 3). Są one bardzo dobrymi emulgatorami substancji hydrofobowych w wodzie [8].
Rysunek 3 Budowa emulsanu [13]
Zarówno surfaktanty, jak i biosurfaktanty to cząsteczki o amfifilowej budowie, zawierające hydrofilowa „głowę” i hydrofobowy „ogon” (Rys. 4).
Rysunek 4 Schemat budowy biosurfaktantu [6]
Związki te dzięki swojej specyficznej budowie wykazują powinowactwo zarówno do cieczy polarnych jak i niepolarnych, czego efektem jest zdolność do gromadzenia się na granicy dwóch faz i obniżanie napięcia między tymi fazami. W przypadku, gdy biosurfaktant gromadzi się na granicy faz woda/powietrze, to mówi się, że obniża napięcie powierzchniowe. Natomiast, gdy biosurfaktant gromadzi się na granicy faz woda/olej, to wówczas redukuje napięcie międzyfazowe. Najczęstszym efektem takiego działania jest powstawanie emulsji (Rys. 5).
Rysunek 5 po lewej: schematyczna adsorpcja biosurfaktantu na granicy faz woda/powietrze; po prawej: schematyczna adsorpcja biosurfaktantu na granicy faz olej/woda
Charakterystyczną cechą biosurfaktantów jest zdolność do micelizacji. Micelizacja to proces tworzenia micel (agregatów cząsteczkowych) w roztworze biosurfaktantu powyżej krytycznego stężenia micelarne (CMC). W rozcieńczonym roztworze biosurfaktantu obecne są jedynie pojedyncze cząsteczki adsorbujące się na granicy faz. Wraz ze wzrostem stężenia biosurfaktantu granica ta wysyca się, aż wreszcie po utworzeniu monowarstwycząsteczkowej na granicy faz, dochodzi do przekroczenia CMC i powstania micel o różnych kształtach. Są to między innymi: micele kuliste, cylindryczne, lamelarne, liposomy i micele odwrócone, powstające w fazie hydrofobowej (Rys. 6) [14]. Siłą napędową tworzenia się micel jest dążenie części hydrofobowej biosurfaktantu do maksymalnego ograniczenia kontaktu z fazą wodną [15].
Rysunek 6 Przykłady agregatów tworzonych przez cząsteczki biosurfaktantów [14]
Roztwory micelarne cechują się zdolnością do rozpuszczania związków hydrofobowych – jest to proces solubilizacji. Do wnętrza miceli np. miceli kulistej mogą się dostawać substancje hydrofobowe, które dzięki obecności polarnej otoczki stają się rozpuszczalne w wodzie [14].
Ze względu na taki sam schemat budowy surfaktantów i biosurfaktantów, wszystkie omówione wyżej właściwości biosurfaktantów są również charakterystyczne dla surfaktantów.
Bardzo ważnym zagadnieniem jest produkcja biosurfaktantów. BZPC są wytwarzane głównie przez bakterie tlenowe, jako uboczne produkty metabolizmu podczas ich wzrostu na hydrofilowych lub hydrofobowych substratach [14]. Należy zaznaczyć, że biologiczne związki powierzchniowo czynne należą do metabolitów wtórnych, czyli takich których obecność nie jest niezbędna do wzrostu i rozmnażania się mikroorganizmów. Natomiast ich obecność pomaga przystosować się drobnoustrojom do danych warunków środowiskowych oraz stanowią alternatywny mechanizm obronny komórki [16].
Istnieje wiele czynników wpływających na proces biosyntezy surfaktantów. Bardzo istotny jest odpowiedni skład pożywki hodowlanej w której najważniejszymi zagadnieniami są: źródło węgla, źródło azotu oraz czynniki środowiskowe wpływające na hodowlę, takie jak: pH, temperatura, dostępność tlenu i stężenie soli [11].
Obecnie znane są dwie możliwości otrzymywania biosurfaktantów. Przede wszystkim poprzez fermentację z udziałem mikroorganizmów, w tym: w warunkach wzrostu mikroorganizmów, w warunkach limitujących wzrost, z zastosowaniem komórek immobilizowanychoraz z dodatkiem prekursorów biosurfaktantów. Drugą metodą jestwytwarzanie biosurfaktantów za pomocą biotransformacji [11].
Po wyprodukowaniu biosurfaktantu, kolejnym istotnym zagadnieniem jest szybki, wydajny i tani odzysk produktu, który stanowi około 60% kosztów całkowitej produkcji. Za konwencjonalne metody odzysku biosurfaktantów można uznać: kwasowe strącanie, ekstrakcja rozpuszczalnikami czy krystalizacja. Również kilka niekonwencjonalnych metod odzysku odnotowano w ostatnich latach. Są nimi: frakcjonowanie piany, ultrafiltracja, chromatografia jonowymienna i chromatografia adsorpcyjna na żywicy polistyrenowej. Ich główną zaletą jest fakt, że biosurfaktanty mogą być odzyskiwane w procesach ciągłych a ich czystość jest bardzo wysoka [17].Czasami jednak pojedynczy proces nie jest wystarczający do uzyskania odpowiedniej ilości produktu i wówczas stosuje się odzyskiwanie wieloetapowe, wykorzystujące w odpowiedniej kolejności zatężanie roztworu pohodowlanego i oczyszczania biosurfaktantów [18].
Związki powierzchniowo czynne pochodzenia biologicznego stanowią bardzo zróżnicowaną pod względem budowy i właściwości fizykochemicznych grupę związków. Zaletami biosurfaktantów w porównaniu z surfaktantami syntetycznymi są: wysoka aktywność powierzchniowa i międzyfazowa, akceptacja zmiany temperatury, tolerancja zmiany pH w szerokim zakresie, akceptacja zmiany siły jonowej, łatwy rozkład utworzonej emulsji przez dodanie odpowiedniego enzymu, większa biodegradowalność, niska toksyczność oraz możliwość produkcji z surowców odpadowych (np. z olejów posmażalniczych) i odnawialnych źródeł węgla [14]. Z racji wykazywanych właściwości,biosurfaktanty mogą być praktycznie wykorzystywane w wielu gałęziach przemysłu, takich jak: przemysł farmaceutyczny i kosmetyczny, technologia żywności, przemysł petrochemiczny, papierniczy, tekstylny, ceramiczny czy farbiarski [11]. Są one również stosowane w bioremediacji gleby z produktów ropopochodnych [12] i metali ciężkich [6].
Dotychczasową przeszkodą w powszechnym stosowaniu biosurfaktantów był wysoki koszt produkcji tych związków. Wiele obecnie prowadzonych prac badawczych zmierza do skomercjalizowania BZPC. Jedną z opracowywanych metod jest pozyskiwanie i ulepszanie szczepów zdolnych do wydajnej syntezy biosurfaktantów – tak zwanych hiperproducentów. Inną metodą obniżenia kosztów produkcyjnych jest zastosowanie produktów odpadowych, czyli tanich podłóż hodowlanych. Ponadto dąży się do obniżenia kosztów izolacji biosurfaktantów oraz do opracowania metod wykorzystania produktów ubocznych oraz biomasy drobnoustrojów, które je produkują [1,11,13].
Podsumowując, wzrost świadomości ludzi wobec zagrożeń, jakie może spowodować część surfaktantów syntetycznych negatywnie oddziałując na środowisko, doprowadziły do dużego zainteresowania biosurfaktantami – bardziej przyjaznymi dla środowiska związkami powierzchniowo czynnymi. Biorąc pod uwagę unikalne właściwości biosurfaktantów można przypuszczać, iż w przyszłości z powodzeniem zastąpią surfaktanty syntetyczne a ich światowa produkcja znacznie wzrośnie. To człowiek zadecyduje o tym, czy w niedalekiej przyszłości biosurfaktanty staną się realną szansą dla poprawy warunków środowiska naturalnego, czy jedynie niespełnionym marzeniem.
Praca konkursowa: inż. Kamila Kucińska
Bibliografia:
[1]Paraszkiewicz K., Długoński J., 2003, Biosurfaktanty drobnoustrojowe – synteza i zastosowanie, Biotechnologia, 4 (63), s. 82-91.
[2] Brackmann B., Hager C.D., 2004, The statistical world of raw materials, fatty alcohols and surfactants, 6th World Surfactants Congress – CESIO 2004, Berlin.
[3] Zieliński R., 2009, Surfaktanty. Budowa właściwości i zastosowania, Wyd. Uniwer. Ekonom. w Poznaniu, Poznań, s. 449-451, 463-464.
[4] Heemken O.P., Amann N., 2007, Analytix, 4 (6).
[5]Mędrzycka K., 1995, Detergenty a środowisko naturalne, Pismo PG, 4, s.34-35.
[6]Paraszkiewicz K., Długoński J., 2007, Wykorzystanie drobnoustrojowych surfaktantów do usuwania metali ciężkich z gleby, Biotechnologia, 2 (77), s. 81-94.
[7]Kołwzan B., Biazik J., Czarny A., Zaczyńska E., Karpienko E., 2008, Ocena toksyczności biosurfaktantów produkowanych przez Pseudomonas sp. PS-17, Wrocław, s. 191-196.
[8]Pattanathu K.S.M Rahman, Edward Gakpe, 2008, Production, Characterisation and Applications of Biosurfactants-Review, Biotechnology, 7 (2), s. 360-370.
[9]Aurora Advanced Beauty Labs, Inc., http://aurorabeautylabs.com/cosmoceuticals.html, (28.08.2011).
[10]Domańska A., Kisielewska E., 1996, Charakterystyka powierzchniowo czynnych metabolitów drobnoustrojów, Podstawy Mikrobiologii, 35 (4), s. 427-451.
[11]Gumienna M., Czarnecki Z., 2010, Rola mikroorganizmów w syntezie związków powierzchniowo czynnych, Nauka Przyroda Technologie, 4 (4), #51.
[12]Nowak J., 2008, Bioremediacja gleb z ropy i jej produktów, Biotechnol., 1 (80), s. 97-108.
[13] Desai J.D., Banat I.M., 1997, Microbial Production of Surfactants and Their Commercial Potential, Microbiology and Molecular Biology Reviews, 61 (1), s. 47-64.
[14]Witek J., 2011, Wpływ ramnolipidu otrzymanego z Pseudomonasaeruginosa BI na biodegradację produktów naftowych w układach rozproszonych, Praca doktorska, Wrocław.
[15] Kurczewski B., 2006, Ekstrakcja fenoli w obecności wybranych surfaktantów, Praca doktorska, Wrocław.
[16]Czaszyk K., Marciniak A., Białas W., Muller A., Myszka K., 2007, Wpływ czynników środowiskowych na biosyntezę lipopeptydów przez Bacillus sp., Żwyność. Nauka. Technologia. Jakość, 1 (50), s. 140-149.
[17]Muthusamy K., Gopalakrishnan S., Ravi T.K., Sivachidambaram P., 2008, Biosurfactants: Properties, commercial production and application, Current Science, 94 (6), s. 736-747.
[18]Reiling H. E., Wyass U.T., Guerra-Santos L.H., Hirt R., Kappeli O., Fiechter A., 1986, Pilot plant production of rhamnolipidbiosurfactant by Pseudomosaaeruginosa, Appl. Environ. Microbiol., 51, s. 985-989.
