源自Bacillus velezensis DG5714的具有潜力的生物表面活性剂：合成表面活性剂的可持续替代品

《Journal of Environmental Sciences》：Promising biosurfactant derived from Bacillus velezensis DG5714: A sustainable alternative to synthetic surfactants

生物表面活性剂研究：从含油污泥中分离出Bacillus velezensis DG5714菌株，其代谢产物surfactin C表面活性剂表现出优异的环境稳定性（pH4-10，30-80℃）和低毒性，泡沫与乳化性能接近合成产品，为可持续替代方案提供新资源。

　　

郑Geum-Jae | 金Do-Kyun | 朴Dong-Joo | 曹Kyung-Jin | 尹Da-Hyeon | 乔Eun-Byol | 郑Won-Kyo | Khan Fazlurrahman | 金Young-Mog

韩国釜山普 kyong 国立大学食品科学与技术系，邮编48513

摘要

表面活性剂在各个工业领域都不可或缺；然而，合成表面活性剂较差的生物降解性和环境毒性加剧了对可持续替代品的需求。在这项研究中，从受油泥污染的环境中分离出了 Bacillus velezensis DG5714，并对其代谢和遗传特性进行了全面分析，以验证其生态安全性和作为生物表面活性剂生产菌株的潜力。从该菌株中提取的生物表面活性剂被鉴定为表面活性素C。它表现出优异的表面活性，在临界胶束浓度为0.1 mg/mL时，可将水的表面张力降低至23.13 mN/m。此外，该生物表面活性剂在广泛的pH值（4–10）、温度（30–80 °C）和盐度（3 %–18 %）范围内表现出显著的稳定性。功能评估显示，其起泡和乳化能力与传统合成表面活性剂相当。毒性评估（包括溶血试验、体外细胞毒性试验和体内植物毒性试验）证实了其出色的生物相容性和生态安全性。总体而言，来自 B. velezensis DG5714的生物表面活性剂由于其优异的表面活性，显示出作为合成表面活性剂可持续且有效的替代品的强大潜力。此外，本研究还提出了一种系统的方法来提出传统合成表面活性剂的可持续替代品。

引言

表面活性剂在现代配方中发挥着多样且关键的作用，这主要归功于它们能够降低表面张力，从而调节界面现象（Possmayer等人，2023年）。此外，它们的两亲分子结构使得它们能够分散、溶解和稳定不相溶的相，因此在化学、制药、食品和石化等众多工业领域中不可或缺（Baccile等人，2021年）。合成表面活性剂被分为阴离子型、阳离子型、非离子型和两性离子型，由于具有明确的物理化学性质、成本效益和可生产性，被广泛使用（Mustan等人，2022年；Thakur等人，2024年；Verma等人，2023年）。然而，人们越来越关注它们较差的生物降解性、水生毒性和有限的环境持久性（Johnson等人，2021年），这加剧了开发基于可再生和环保材料的替代品的需求。

在这种背景下，微生物来源的生物表面活性剂成为有前景的替代品。这些生物表面活性剂由各种微生物产生，它们通过代谢疏水性底物而形成，因其生物降解性、多功能性和环境兼容性而受到重视（Begum等人，2023年；Kumar和Ngueagni，2021年）。它们具有广泛的功能特性，包括起泡、乳化、润湿和抗菌活性（Jahan等人，2020年）。这些特性使它们在环境修复、提高石油回收率、食品加工和生物制药等领域展现出应用潜力（Kashif等人，2022年）。值得注意的是，生物表面活性剂在极端pH值、盐度和温度等恶劣环境条件下仍表现出低毒性、优异的生物降解性和功能稳定性（Jeong等人，2025年；Kumar和Ngueagni，2021年）。这些特性使它们成为替代合成表面活性剂的理想候选者。它们的结构多样性，包括糖脂、脂肽和聚合物变体，进一步增强了其功能多样性（Kashif等人，2022年）。随着工业兴趣的增长和环境法规的严格化，生物表面活性剂越来越被视为可持续的替代品。对生物表面活性剂的关键性能指标（如起泡效率和乳化稳定性）进行比较评估，可以提供有关表面活性剂结构与物理化学性质之间关系的宝贵见解，从而帮助选择最佳配方（Jahan等人，2020年）。

生物表面活性剂的功能优势在应对复杂的环境挑战（如石油烃污染）方面尤为重要。与石油相关的工业活动在生产、运输和储存过程中经常导致泄漏，改变土壤和地下水的物理化学性质，并抑制本土微生物群落的生长和代谢（Pandey等人，2022年）。适应污染环境的微生物通常会分泌生物表面活性剂，从而提高烃类的溶解度和生物可利用性，加速其生物降解（Batista等人，2006年；De等人，2015年）。因此，受石油污染的环境可能成为具有生物表面活性剂生产能力的本土微生物菌株的宝贵资源。

因此，本研究旨在从受油泥污染的环境中分离出生产生物表面活性剂的菌株，并通过评估其起泡和乳化能力来评估这些生物表面活性剂作为合成表面活性剂替代品的潜力。本研究采用了一种系统的方法，包括以下步骤（图1）：（i）从受油泥污染的土壤中筛选出具有强表面活性的菌株；（ii）鉴定和表征选定的菌株；（iii）从鉴定出的菌株中回收和纯化生物表面活性剂；（iv）对提取的生物表面活性剂进行结构和物理化学分析；（v）将生物表面活性剂的起泡效率和乳化能力与合成表面活性剂进行比较；（vi）对生物表面活性剂进行毒理学评估，包括溶血活性、体外细胞毒性和体内植物毒性。

部分内容

化学品、试剂和溶剂

乙腈、所有培养基（ACB）、阿米卡星、氨苄西林、苯、氯霉素、氯仿、环丙沙星、红霉素、乙醇、甲酸、十六烷、己烷、盐酸、甲醇、矿物油、石蜡、石油醚、氯化钠、十二烷基硫酸钠（SDS）、氢氧化钠、次氯酸钠、四环素、妥布霉素、甲苯、Triton X-100、万古霉素和二甲苯均购自Sigma-Aldrich（美国）。Dulbecco改良Eagle培养基（DMEM）

筛选具有强表面活性的生物表面活性剂产生菌

在这项研究中，受油泥污染的土壤被用作分离能够合成具有显著表面活性生物表面活性剂的菌株的来源。从各种样本中分离出51株细菌，其中8株被确认为生物表面活性剂生产者（图2）。

这8株细菌的上清液在滴落塌陷试验（图2a）和油扩散试验（图2b）中呈阳性，与阴性对照（水）相比有显著差异。

结论

本研究从受油泥污染的土壤中鉴定出 B. velezensis DG5714 作为一种有前景的生物表面活性剂生产菌株。通过全面的结构、物理化学和毒理学评估，证实该菌株产生的生物表面活性剂是一种表面活性素型脂肽，具有强表面活性、在多种环境条件下的稳定性和出色的生物相容性。功能评估进一步证明了其具有竞争力的起泡能力

CRediT作者贡献声明

郑Geum-Jae：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、验证、方法学、研究、正式分析、数据管理。金Do-Kyun：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、验证、方法学、研究、正式分析、数据管理、概念化。朴Dong-Joo：方法学、研究、正式分析。曹Kyung-Jin：方法学、研究、正式分析。尹Da-Hyeon：方法学、正式分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了韩国国家研究基金会（NRF）基础科学研究计划的支持，该计划由教育部资助（RS-2021-NR060118和RS-2025-00555808）。本研究是韩国海洋与渔业部资助的全球蓝色食品领导项目（RS-2025-02373103）的一部分。图1的部分图形摘要是用Servier Medical Art的模板绘制的，该模板采用知识共享署名4.0许可协议。