المواد الخافضة للتوتر السطحي والحيوية: ما الغرض منها ، الأمثلة والاستخدامات - مادة الاحياء - 2025

A السطحي هو مركب كيميائي قادر على الحد من التوتر السطحي للمادة السائلة، التي تعمل في واجهة أو الاتصال السطح بين مرحلتين، على سبيل المثال المياه في الهواء أو الماء بالزيت.

يأتي مصطلح الفاعل بالسطح من الكلمة الإنجليزية السطحي ، والتي بدورها مشتقة من اختصار التعبير surf ace active agent ، مما يعني في اللغة الإسبانية الوكيل مع النشاط السطحي أو السطحي.

الشكل 1. هيكل السطحي. المصدر: مقياس رئيسي ، من ويكيميديا ​​كومنز

في اللغة الإسبانية ، تُستخدم كلمة "السطحي" للإشارة إلى قدرة المركب الكيميائي على العمل على التوتر السطحي أو السطحي. يمكن تعريف التوتر السطحي على أنه مقاومة يجب أن تزيد السوائل من سطحها.

يمتلك الماء توترًا سطحيًا مرتفعًا لأن جزيئاته مرتبطة بإحكام شديد وتقاوم الفصل عند ممارسة الضغط على سطحها.

على سبيل المثال ، يمكن لبعض الحشرات المائية ، مثل "الإسكافي" (Gerris lacustris) ، أن تتحرك على الماء دون أن تغرق ، وذلك بفضل التوتر السطحي للماء ، مما يسمح بتكوين غشاء على سطحه.

الشكل 2. حشرة قادرة على التحرك على الماء. المصدر: TimVickers ، من ويكيميديا ​​كومنز

كما أن الإبرة الفولاذية تبقى على سطح الماء ولا تغرق بسبب التوتر السطحي للماء.

هيكل ووظيفة السطحي

جميع العوامل الكيميائية الخافضة للتوتر السطحي أو الفاعل بالسطح هي ذات طبيعة برمائية ، أي أن لها سلوكًا مزدوجًا ، نظرًا لحقيقة قدرتها على إذابة المركبات القطبية وغير القطبية. تحتوي المواد الخافضة للتوتر السطحي على جزأين رئيسيين في هيكلها:

• رأس قطبي محب للماء ، يشبه الماء والمركبات القطبية.
• ذيل غير قطبي محب للدهون ، كاره للماء ، يشبه المركبات غير القطبية.

يمكن أن يكون الرأس القطبي غير أيوني أو أيوني. يمكن أن يكون ذيل الفاعل بالسطح ، أو الجزء القطبي ، عبارة عن ألكيل أو كربون ألكيل بنزين وسلسلة هيدروجين.

يعطي هذا الهيكل الخاص للغاية المركبات الكيميائية الخافضة للتوتر السطحي سلوكًا مزدوجًا ، برمائيًا: تقارب للمركبات أو الأطوار القطبية ، قابل للذوبان في الماء وأيضًا تقارب للمركبات غير القطبية ، غير قابلة للذوبان في الماء.

بشكل عام ، تقلل عوامل الفاعل بالسطح من التوتر السطحي للماء ، مما يسمح لهذا السائل بالتمدد والتدفق بدرجة أكبر ، مما يبلل الأسطح والمراحل المجاورة.

ما هي السطحي ل؟

تمارس المواد الكيميائية الخافضة للتوتر السطحي نشاطها على الأسطح أو الواجهات.

عندما تذوب في الماء ، فإنها تهاجر إلى واجهات الماء - الزيت أو الماء - الهواء على سبيل المثال ، حيث يمكن أن تعمل على النحو التالي:

• المشتتات والمواد المذابة للمركبات غير القابلة للذوبان أو ضعيفة الذوبان في الماء.
• المرطبات ، لأنها تفضل مرور الماء إلى مراحل غير قابلة للذوبان فيه.
• مثبتات لمستحلبات المركبات غير القابلة للذوبان في الماء والماء ، مثل الزيت والماء من المايونيز.
• تعزز بعض المواد الخافضة للتوتر السطحي بينما يمنع البعض الآخر الرغوة

المواد الخافضة للتوتر السطحي: المواد الخافضة للتوتر السطحي من أصل بيولوجي

عندما يأتي الفاعل بالسطح من كائن حي ، يطلق عليه اسم عامل الفاعل بالسطح.

بالمعنى الدقيق للكلمة ، تعتبر المواد الخافضة للتوتر السطحي مركبات بيولوجية برمائية (ذات سلوك كيميائي مزدوج ، قابلة للذوبان في الماء والدهون) ، تنتجها الكائنات الحية الدقيقة مثل الخميرة والبكتيريا والفطريات الخيطية.

تفرز المواد الخافضة للتوتر السطحي أو يتم الاحتفاظ بها كجزء من غشاء الخلية الميكروبية.

يتم أيضًا إنتاج بعض المواد الخافضة للتوتر السطحي من خلال عمليات التكنولوجيا الحيوية ، باستخدام الإنزيمات التي تعمل على مركب كيميائي بيولوجي أو منتج طبيعي.

أمثلة على العوامل الحيوية

تشتمل المواد الخافضة للتوتر السطحي الطبيعية على مادة الصابونين النباتية مثل زهرة الكايين (Hibiscus sp.) ، والليسيثين ، والعصائر الصفراوية من الثدييات أو الفاعل بالسطح الرئوي البشري (مع وظائف فسيولوجية مهمة جدًا).

بالإضافة إلى ذلك ، فإن الأحماض الأمينية ومشتقاتها ، البيتين والفوسفوليبيدات ، كل هذه المنتجات الطبيعية ذات الأصل البيولوجي ، هي عوامل بيولوجية.

تصنيف العوامل الحيوية وأمثلة

- حسب طبيعة الشحنة الكهربائية في الجزء القطبي أو الرأس

يمكن تصنيف المواد الخافضة للتوتر السطحي في الفئات التالية ، بناءً على الشحنة الكهربائية لرأسها القطبي:

أنيوني الخافضات الحيوية

لديهم شحنة سالبة عند الطرف القطبي ، غالبًا بسبب وجود مجموعة سلفونات - SO ₃ ^-.

العوامل البيولوجية الموجبة

لديهم شحنة موجبة على الرأس ، وعادة ما تكون مجموعة الأمونيوم الرباعية NR ₄ ⁺ ، حيث تمثل R سلسلة من الكربون والهيدروجين.

الخافضات الحيوية المتذبذبة

لديهم شحنة موجبة وسالبة على نفس الجزيء.

المواد الحيوية غير الأيونية

ليس لديهم أيونات أو شحنات كهربائية في رؤوسهم.

-حسب طبيعته الكيميائية

وفقًا لطبيعتها الكيميائية ، يتم تصنيف المواد الحيوية إلى الأنواع التالية:

خافضات التوتر السطحي الجليكوليبيد

الجليكوليبيدات عبارة عن جزيئات تحتوي في تركيبتها الكيميائية على جزء من الدهون أو الدهون وجزء من السكر. معظم الخافضات الحيوية المعروفة هي جليكوليبيدات. يتكون الأخير من كبريتات السكريات مثل الجلوكوز والجالاكتوز والمانوز والرامنوز والجلاكتوز.

من بين الجليكوليبيدات ، الأكثر شهرة هي rhamnolipids ، المستحلبات الحيوية التي تمت دراستها على نطاق واسع ، مع نشاط استحلاب عالي وتقارب كبير للجزيئات العضوية الكارهة للماء (التي لا تذوب في الماء).

تعتبر هذه المواد الخافضة للتوتر السطحي الأكثر فاعلية لإزالة المركبات الكارهة للماء في التربة الملوثة.

تتضمن أمثلة rhamnolipids المواد الخافضة للتوتر السطحي التي تنتجها بكتيريا من جنس Pseudomonas.

هناك جليكوليبيدات أخرى ، تنتجها شركة Torulopsis sp. ، ذات نشاط مبيد بيولوجي وتستخدم في مستحضرات التجميل ، والمنتجات المضادة للقشرة ، ومضادات الجراثيم ومزيلات العرق للجسم.

البروتينات الدهنية وخافضات الأسطح الدهنية الدهنية

البروتينات الدهنية هي مركبات كيميائية تحتوي في بنيتها على جزء من الدهون أو الدهون وجزء آخر من البروتين.

على سبيل المثال ، Bacillus subtilis عبارة عن بكتيريا تنتج ببتيدات دهنية تسمى سيرفاكتين. هذه هي من بين أقوى عوامل التوتر السطحي التي تقلل من التوتر السطحي.

تتمتع Surfactins بالقدرة على إنتاج تحلل كرات الدم الحمراء (انهيار خلايا الدم الحمراء) في الثدييات. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن استخدامها كمبيدات حيوية للآفات مثل القوارض الصغيرة.

الخافضات الحيوية للأحماض الدهنية

يمكن لبعض الكائنات الحية الدقيقة أكسدة الألكانات (سلاسل الكربون والهيدروجين) إلى الأحماض الدهنية التي لها خصائص الفاعل بالسطح.

عوامل الخافض للتوتر السطحي الفوسفوليبيد

الفسفوليبيدات عبارة عن مركبات كيميائية لها مجموعات فوسفاتية (PO ₄ ^3-) ، مرتبطة بجزء به بنية دهنية. هم جزء من أغشية الكائنات الحية الدقيقة.

بعض البكتيريا والخمائر التي تتغذى على الهيدروكربونات ، عندما تنمو على ركائز الألكان ، تزيد من كمية الدهون الفوسفورية في غشاءها. على سبيل المثال ، Acinetobacter sp. و Thiobacillus thioxidans و Rhodococcus erythropolis.

بوليمرية بيولوجية

الخافضات الحيوية البوليمرية هي جزيئات كبيرة ذات وزن جزيئي مرتفع. أكثر المواد الحيوية التي تمت دراستها في هذه المجموعة هي: مستحلب ، ليبوزان ، مانوبروتين ومجمعات بروتين عديد السكاريد.

على سبيل المثال ، تنتج بكتيريا Acinetobacter calcoaceticus مستحلب بوليانيونيك (بشحنات سالبة مختلفة) ، وهو مستحلب حيوي فعال للغاية للهيدروكربونات في الماء. كما أنه أحد أقوى مثبتات المستحلب المعروفة.

Liposan هو مستحلب خارج الخلوي قابل للذوبان في الماء ، ويتكون من عديد السكاريد وبروتين المبيضات الدهني.

الإصحاح البيئي

تُستخدم المواد الخافضة للتوتر السطحي في المعالجة الحيوية للتربة الملوثة بالمعادن السامة ، مثل اليورانيوم والكادميوم والرصاص (عوامل الفاعلية الحيوية من Pseudomonas spp. و Rhodococcus spp.).

كما أنها تستخدم في عمليات المعالجة الحيوية للتربة والمياه الملوثة بالبنزين أو الانسكابات النفطية.

الشكل 3. تُستخدم المواد الخافضة للتوتر السطحي في عمليات الإصحاح البيئي بسبب انسكاب النفط. المصدر: وزارة الخارجية الإكوادورية ، عبر ويكيميديا ​​كومنز

على سبيل المثال ، Aeromonas sp. تنتج مواد خافضة للتوتر السطحي تسمح بتحلل الزيت أو تقليل الجزيئات الكبيرة إلى جزيئات أصغر ، والتي تعمل كمغذيات للكائنات الحية الدقيقة والبكتيريا والفطريات.

في العمليات الصناعية

تُستخدم المواد الخافضة للتوتر السطحي في صناعة المنظفات والمنظفات ، لأنها تعزز عملية التنظيف عن طريق إذابة الدهون التي تلوث الملابس أو الأسطح في مياه الغسيل.

كما أنها تستخدم كمركبات كيميائية مساعدة في صناعات النسيج والورق والمدابغ.

في صناعة مستحضرات التجميل والأدوية

في صناعة مستحضرات التجميل ، تنتج Bacillus licheniformis مواد خافضة للتوتر السطحي تُستخدم كمنتجات مضادة للقشرة ومضادة للجراثيم ومزيل للعرق.

تُستخدم بعض المواد الخافضة للتوتر السطحي في الصناعات الدوائية والطبية الحيوية لنشاطها كمضاد للميكروبات و / أو مضاد للفطريات.

في صناعة المواد الغذائية

في صناعة المواد الغذائية ، تُستخدم المواد الخافضة للتوتر السطحي في صناعة المايونيز (وهو مستحلب من ماء البيض والزيت). تأتي هذه المواد الخافضة للتوتر السطحي من الليكتين ومشتقاته ، مما يحسن الجودة والذوق أيضًا.

في الزراعة

في الزراعة ، تُستخدم العوامل الحيوية في المكافحة البيولوجية لمسببات الأمراض (الفطريات والبكتيريا والفيروسات) في المحاصيل.

استخدام آخر للخواص الحيوية في الزراعة هو زيادة توافر المغذيات الدقيقة من التربة.

المراجع

1. بنات ، إم ، مكار ، رس ، كاموترا ، إس إس (2000). التطبيقات التجارية المحتملة للمواد الخافضة للتوتر السطحي الميكروبية. تكنولوجيا علم الأحياء الدقيقة التطبيقية. 53 (5): 495-508.
2. Cameotra، SS and Makkar، RS (2004). التطبيقات الحديثة للمواد الخافضة للتوتر السطحي كجزيئات بيولوجية ومناعية. الآراء الحالية في علم الأحياء الدقيقة. 7 (3): 262-266.
3. Chen، SY، Wei، YH and Chang، JS (2007). التخمير المتكرر لدفعات الأس الهيدروجيني للإنتاج الرامنوليبيد باستخدام التكنولوجيا الحيوية التطبيقية لعلم الأحياء الدقيقة الأصلية Pseudomonas aeruginosa. 76 (1): 67-74.
4. موليجان ، سي إن (2005). التطبيقات البيئية للمواد الحيوية. التلوث البيئي. 133 (2): 183-198.doi: 10.1016 / j.env.pol.2004.06.009
5. Tang ، J. ، He ، J. ، Xin ، X. ، Hu ، H. and Liu ، T. (2018). عززت المواد الخافضة للتوتر السطحي إزالة المعادن الثقيلة من الحمأة في المعالجة الكهربية الحركية. مجلة الهندسة الكيميائية. 334 (15): 2579-2592. دوى: 10.1016 / j.cej.2017.12.010.