ما هي المواد الفعالة سطحياً بيولوجياً؟

المواد الفعالة بالسطح الحيوية هي نواتج أيضية تفرزها الكائنات الدقيقة خلال عملياتها الأيضية في ظل ظروف استزراع محددة. وبالمقارنة مع المواد الفعالة بالسطح المصنعة كيميائيًا، تتميز المواد الفعالة بالسطح الحيوية بخصائص فريدة عديدة، مثل التنوع البنيوي، وقابلية التحلل الحيوي، والنشاط البيولوجي الواسع، وملاءمتها للبيئة. ونظرًا لعوامل مثل توافر المواد الخام، والتكلفة، ومحدودية أداء المواد الفعالة بالسطح المصنعة - فضلًا عن ميلها للتسبب في تلوث بيئي حاد ومخاطر على صحة الإنسان أثناء الإنتاج والاستخدام - فقد ازداد البحث في المواد الفعالة بالسطح الحيوية بشكل ملحوظ خلال العقدين الماضيين مع ازدياد الوعي البيئي والصحي. وقد تطور هذا المجال بسرعة، حيث تم تسجيل العديد من براءات الاختراع دوليًا لمختلف المواد الفعالة بالسطح الحيوية وعمليات إنتاجها. وفي الصين، تركز البحث بشكل أساسي على تطبيق المواد الفعالة بالسطح الحيوية في استخلاص النفط المعزز والمعالجة الحيوية.

1. أنواع المواد الفعالة بالسطح الحيوي والسلالات المنتجة

1.1 أنواع المواد الفعالة بالسطح الحيوي

تُصنّف المواد الخافضة للتوتر السطحي المُصنّعة كيميائياً عادةً بناءً على مجموعاتها القطبية، بينما تُصنّف المواد الخافضة للتوتر السطحي الحيوية وفقاً لخصائصها الكيميائية الحيوية والكائنات الحية الدقيقة المُنتجة لها. وهي تُقسّم عموماً إلى خمسة أنواع: الغليكوليبيدات، والفوسفوليبيدات والأحماض الدهنية، والليبوببتيدات والبروتينات الدهنية، والمواد الخافضة للتوتر السطحي البوليمرية، والمواد الخافضة للتوتر السطحي المتخصصة.

1.2 إنتاج سلالات من المواد الفعالة بالسطح الحيوي

معظم المواد الفعالة سطحياً بيولوجياً هي نواتج أيضية للبكتيريا والخمائر والفطريات. ويتم فحص هذه السلالات المنتجة بشكل أساسي من البحيرات الملوثة بالنفط أو التربة أو البيئات البحرية.

2. إنتاج المواد الفعالة بالسطح الحيوي

في الوقت الحالي، يمكن إنتاج المواد الفعالة بالسطح الحيوي من خلال طريقتين رئيسيتين: التخمر الميكروبي والتخليق الأنزيمي.

في عملية التخمير، يعتمد نوع وكمية المواد الفعالة سطحياً الحيوية بشكل أساسي على سلالة الكائنات الدقيقة، ومرحلة نموها، وطبيعة الركيزة الكربونية، وتركيزات النيتروجين والفوسفور وأيونات المعادن (مثل المغنيسيوم والحديد) في وسط الاستنبات، بالإضافة إلى ظروف الاستنبات (الأس الهيدروجيني، ودرجة الحرارة، وسرعة التحريك، إلخ). تشمل مزايا التخمير انخفاض تكاليف الإنتاج، وتنوع المنتجات، وبساطة العمليات، مما يجعله مناسباً للإنتاج الصناعي واسع النطاق. مع ذلك، قد تكون تكاليف الفصل والتنقية مرتفعة.

على النقيض من ذلك، تتميز المواد الفعالة سطحياً المُصنّعة إنزيمياً ببنية جزيئية أبسط نسبياً، لكنها تُظهر نشاطاً سطحياً ممتازاً بنفس القدر. تشمل مزايا هذا النهج الإنزيمي انخفاض تكاليف الاستخلاص، وسهولة تعديل البنية، وبساطة التنقية، وإمكانية إعادة استخدام الإنزيمات المُثبّتة. إضافةً إلى ذلك، يُمكن استخدام المواد الفعالة سطحياً المُصنّعة إنزيمياً لإنتاج منتجات ذات قيمة مضافة عالية، مثل المكونات الصيدلانية. ورغم ارتفاع تكاليف الإنزيمات حالياً، يُتوقع أن تُسهم التطورات في الهندسة الوراثية لتعزيز استقرار الإنزيمات ونشاطها في خفض تكاليف الإنتاج.