المشتتات الحيوية Biosurfactants

وهي المواد التي تقلل من الشد السطحي وتعد عمليات المنافسة بين الصناعات الكيماوية والحيوية في هذه المنطقة ساخنة جدا. والمشتتات او المستحلبات الحيوية مواد تعمل عند سطوح الاطوار المادية مؤدية الى تقليل الشد السطحي، وتقلل الشد السطحي عند تلاقي سطوح الأطوار المختلفة من المواد خاصة الكارهة والمحبة للماء وتساعد على امتزاجها.

وأغلب الاحياء المنتجة هي من مستهلكات الهيدروكاربونات والتي تكون قليلة الذوبان في الماء. اذ يبلغ ذوبان بعضها مثل  ^{7 -}10 x 3 Decane مول، و ^{8 -}10 x 1.7 dodecane مول و ^10-10 x 9.8 Tetradecane مول، ومثل هذه لا يمكن للأحياء استعمالها الا اذا انتقلت الى الطور المائي ثم تنقل الى الخلايا، وتوجد بعض الاحياء التي تنمو على السكريات والكحول الاثيلي ومواد اخرى وتستطيع ان تنتج المشتتات. والمشتتات الحيوية تعمل على التجزئة بين سطوح المواد المختلفة بدرجات مختلفة من القطبية والأواصر الهيدروجينية مثل سطوح تلاقي الزيت مع الماء او الهواء مع الماء.

هذه الصفات أدت الى جعل المشتتات او المواد المقللة للشد السطحي قادرة على تقليل الشد السطحي وتكوين المستحلبات Microemulsion وبمساعدتها يمكن إذابة الهيدروكاربونات والزيوت في الماء وبالعكس.

مزايا المشتتات الحيوية

لهذه المواد بعض الصفات الجيدة والتي يمكن ان تتفوق بها على نظيراتها الكيماوية ومنها :

• قليلة السمية.
• قابلة للتحلل الحيوي.
• ملائمة للبيئة ولا تسبب التلوث البيئي.
• تكون رغوة اكبر من المشتتات الكيماوية.
• لها انتقائية عالية، وتكون متنوعة كثيراً.
• لها فعالية عالية عند تطرف الظروف مثل درجات الحرارة والارقام الهيدروجينية والملوحة العالية.
• يمكن انتاجها بطرق التخمر من مواد متجددة.
• تستعمل بتراكيز واطئة جداً.

لذا يكون لها أسواق واسعة ويتوقع ان تزداد في المستقبل.

تركيب وتصنيف المشتتات الحيوية

تصنف المشتتات الحيوية اعتمادا على التركيب والأصل الميكروبي لها، اما المشتتات الكيماوية فيعتمد التركيب فقط في تصنيفها. والمشتتات الحيوية مركبات او جزيئات امفوتيرية اي جزيئات هجينة مكونة من أجزاء متباينة وبشكل عام تتكون من :

• جزء محب للماء ويتكون من حوامض أمينية أو بيبتيدات موجبة او سالبة الشحنة او من سكريات احادية او ثنائية او مكوثرة.
• جزء كاره للماء ويتكون من مواد تحوي حوامض دهنية مشبعة او غير مشبعة مثل الدهون السكرية، او بيبتيدات دهنية، او دهون فوسفاتية او حوامض دهنية.

ويمكن ان تستعمل طبيعة المركبات في التصنيف، فالبعض منها جزيئية Particulate . وتستعمل صفة قوة الجزء المحب للدهون والمحب للماء على سطح الجزيئية وهذه تعرف بـ (Hydrophile - lipophile balance) HLB  وقيمها توضح فيما اذا كانت المادة ستؤدي الى انتشار الماء في الزيت او الزيت في الماء، وذلك بمقارنتها بمشتتات معروفة فمثلا HLB للـ Oleic acid هي 1 وللـ Na – oleate تساوي 20، لذلك فان المستحلب المحب للدهون تكون قيم HLB واطئة اي اوطأ من المحب للماء.

فالقيم الأقل من 6 تؤدي الى تشتيت الماء في الزيت، اما القيم 10 – 18 فلها تأثير معاكس وتؤدي الى استحلاب الزيت في الماء. وتكون قيم HLB لها علاقة بطول سلسلة الهيدروكاربون (أي الجزء الكاره للماء) الذي تعمل عليه.

وبعض الأحيان تكون سطوح الخلايا بمثابة مشتتات حيوية وتؤدي الى تغير حالة استحلاب الانظمة نظراً لتعقيد السطوح الخارجية والتي تكون فيها جزيئات محبة للماء واخرى محبة للدهون، فهي تحوي على بروتينات ودهون فوسفاتية وسكريات مكوثرة دهنية ومستلمات للعاثيات ومواقع التصاق وكل هذه تكون بمثابة حواجز امام انتشار بعض المركبات. فمثلا سطوح الخلايا Zymomonas mobilis يكون توازنها HLB مساوي 22.5 ، والبكتريا B. subtilis يساوي 13.2 ، والبكتريا Corynebacterium fascians مساويا 4.

وتقاس تراكيز المشتتات بحساب (Critical micelle concentration) CMC ، وتحسب القيمة من اضافة تراكيز متزايدة التي يرافقها انخفاض في الشد السطحي  الى ان تصل الى قيمة حرجة تتكون جزئيات Amphiphilic اي تكون الفتيتات Micelle .

وتنتج العديد من الاحياء المختلفة أنواع مختلفة من المشتتات ضمن أصناف كيماوية مختلفة كما موضح في الجدول (1).

جدول 1 : أنواع المشتتات الحيوية الميكروبية

ومن أصنافها :

الدهون السكرية

من أكثر المشتتات المعروفة وهي كاربوهيدرات متصلة بسلسلة طويلة من الحوامض الاليفاتية او Hydroxyaliphatic acid والمستعمل منها بكثرة دهون الرامينوز Rhamnolipids دهون التريهالوز Trehalolipids ودهون السفيروز Sophorolipids لموضحة تراكيبها في الشكل (1).

شكل 1 : تركيب بعض المشتتات من الدهون السكرية المنتجة من الاحياء المجهرية

دهون الرامينوز

وتتكون من جزئية واحدة او اثنين من سكر الرامينوز مع جزيئة واحدة او اثنين من B - hydroxydecanoic acid . وتنتج من جنس Pseudomonas ومنها Ps. aeruginosa تنتج نوعين منه. وتستطيع المادة تقليل الشد السطحي لخليط من n-hexadecane من 30 الى 25 والشد السطحي عند تلاقي السطوح او الاطوار الى حوالي 0.25، وكذلك تقلل من الشد السطحي للـ Alkanes وتشجيع النمو، وعند فقدان البكتريا لإنتاج هذه المواد يقل نموها على الهيدروكاربونات او ينعدم.

دهون التريهالوز

ويرتبط الجزء الدهني او الكاره للماء وهو حامض المايكوليك Mycolic acid الموجود في بكتريا السل و Nocardia و Corynebcaterium الى الذرة السادسة من احدى جزيئيتي السكريات الاحادية المكونة له. وحامض المايكوليك المرتبط هو سلاسل طويلة من الحوامض الدهنية المتفرعة كما موضح في الشكل أعلاه. وتختلف الاحياء في انتاج المشتت اعتمادا على الجنس فمثلا Rhodococcus تنتج انواعا تختلف عن تلك المنتجة من Arthrobacter ويمكن ان تختلف المشتتات باختلاف المواد الاولية المستعملة للإنتاج وكذلك باختلاف ظروف التنمية الاخرى.

دهون السفيروز

تنتج هــــــــــــــــــــــــــــــــذه المجموعة مـــــــــــــــن الخمائر بشكل رئيس مـــــثل Torulopsis bombicola T. apicola, T. petrophilum ويتكون من جزيئيتين من سكر السيفروز مرتبطة بسلسلة طويلة من الحوامض الدهني وهي خليط من 6 – 9 من Hydrophobic sophorosides المختلفة. وتوجد أنواع اخرى من المجموعة تكون ذائبة في الماء تنتج من الخميرة Candida bogoriensis . والخميرة T. petrophilum لا تنتج دهون السفيروز عند نموها على الكلوكوز وإنما تنتج عوامل استحلاب تحوي على البروتينات وهي حالة استثنائية اذ ان المشتتات تنتج لاستهلاك المواد غير الذائبة في الماء.

البروتينات والبيبتيدات الدهنية

وتضم العديد من المشتتات :

• البيبتديات الدهنية الحلقية، منها مضادات حيوية مثل مضادات Gramicidins (بيبتيدات عشرية) تنتج من B. brevis والبيبتيدات الدهنية مثل المضادات Polymyxins التي تنتجها B. polymyxa ولها صفات تقليل الشد السطحي.
• توجد انواع تحوي على الحوامض الاميني الاورنثين تنتجه Ps. rubescens وكذلك تنتجه Acidithiobacillus thiooxidans . وتوجد مواد اخرى مثل Cerilipin وهي دهون تحوي على الاورنثين Taurine وتنتجه Gluconobacter cerinus . أما البكتريا Ag. Tumefaciens فتنتج مشتت يحوي على اللايسين.
• وتنتج Serratia marcescens مشتت يسمى Serratamolide يؤدي الى زيادة محبة الماء لسطوح الخلايا بغلقه المواقع الكارهة للماء.

ولعل أهم افراد هذه المجموعة من المشتتات هو Surfactin وهو من المشتتات القوية جدا وهو بيبتيدات دهني حلقي تنتجه B.subtilis ويقلل من الشد السطحي للماء الطبيعي البالغ 72 ملي نيوتن / متر الى 29 بتراكيز واطئة جدا تصل الى 0.005 ، وتركيبه موضح في الشكل (2) والذي يحلل كريات الدم الحمر لدم اللبائن لذا يمكن الكشف عنه في أوساط أكر الدم.

شكل 2 : تركيب المشتت Surfactin (بيبتيد دهني حلقي)

وتنتج البكتريا B. licheniformis 86 مشتتات تعمل بشكل متآزر عند درجات حرارية وأرقام هيدروجينية مختلفة فمثل BL – 86 يقلل الشد السطحي للماء الى 27 ملي نيوتن / متر ويتكون من خليط من البيبتيدات الدهنية بوزن جزيئي 979-1091 دالتون. اضافة الى انتاج Lichenysin A الذي يقلل الشد السطحي الى 28 عند CMC 12 مايكرو مول.

والاختلاف بين Surfactin و Lichenysin A ان الأول يحوي على الليوسين في النهاية الكاربوكسيلية والثاني يحوي على الايزوليوسين، كما ان الأول يحوي على حامض الاسبارتيك بدلا من الاسباراجين Asparagine .

الحوامض الدهنية والدهون الاخرى : ينتج عدد كبير من البكتريا والخمائر الحوامض الدهنية والمشتتات من الدهون الفوسفاتية عند نموها على Alkanes ومنها Phosphatidylethanolamine ينتج في حويصلات غنية به في البكتريا Acinetobacter ويساعد في استحلاب دقيق للالكينات في الماء. وينتج المركب أيضاً من R. erythropolis عند نموها على الالكينات مؤديا الى تقليل الشد بين التقاء أطوار الزيت مع الماء الى اقل من 1 وتركيز CMC يصل الى 30 ملغم / لتر.

ومن الاحياء المنتجة للدهون الفوسفاتية انواع من جنس الفطريات Aspergillus والبكتريا Ps. aeruginosa والبكتريا At. thiooxidans وبعض سلالات من Arthrobacter والاخيرة يمكن ان تجمع الدهون الى تراكيز تصل الى 40% من وزن الخلايا عند نموها على Hexadecane وتجمع حوالي 80% عند نموها على زيت الزيتون.

المصادر

الخفاجي , زهرة محمود (2008) . التقنية الحيوية الميكروبية (توجهات جزيئية ) . معهد الهندسة الوراثية والتقنية الحيوية . جامعة بغداد .