煤矿粉尘是煤炭生产过程中产生的固体微细颗粒的总称，其主要危害可归结为对健康、安全、环境3个方面的负面影响[1-2]。① 常导致尘肺病等职业病，严重损害煤矿工人的健康;② 可发生煤尘爆炸，严重威胁矿井安全生产;③ 污染矿内和矿区周边环境，制约美丽矿山和矿区生态文明建设。因此，粉尘防治是煤炭工业安全、健康、绿色发展的重大需求。为了防治煤矿粉尘危害，国内外开展了大量研究，研发了多种防尘技术，其中湿式防尘是最常用的技术手段[2-3]，即以水或水溶液作为润湿、黏结或凝并粉尘的介质，如煤层注水[4]、喷雾降尘[5]、湿式除尘器[6]等。但由于煤尘具有较强的憎水性、水的表面张力较大，导致清水介质难以与煤尘有效结合[7]，防尘效果不理想[8]。抑尘剂(降尘剂)可以改善水对煤尘的亲和性，增强水介质对煤尘的润湿、黏结或凝并能力，提高降尘效率，因此成为粉尘防治领域的研究热点之一。
过去对矿山抑尘剂的研究主要集中在化学抑尘剂。面向煤炭开采中的防尘，ZHANG等[9]采用化学改性的方法，通过天然高分子瓜尔胶与环氧丙烷的亲核取代反应合成了羟丙基瓜尔胶，制备了一种喷雾用抑尘剂;JIN等[10]通过研究脂肪醇酰胺、烷基季铵盐等表面活性剂复配体系的表面张力及与煤的接触角，得出了一种煤层注水用抑尘剂配方;孙鑫等[11]通过复合快速渗透剂和两性表面活性剂制备抑尘剂，并在溶液中加入适量二价金属阳离子提升润湿性能;蒋仲安和王伟[12]研究了将氯化钠、十二烷基苯磺酸钠、硫酸铜和氯化铵作为降尘剂添加至水袋中，可以降低爆破时的烟尘浓度;YANG等[13]采用单因素分析法研究润湿剂、凝聚剂和吸湿无机盐对降尘性能的影响，并以脂肪醇聚氧乙烯醚、聚丙烯酰胺和氯化钙制备了一种喷雾用降尘剂;XU等[14]采用分子动力学模拟研究了十二烷基硫酸钠和聚乙烯醇在空气/水界面的结构。面向煤炭储运过程的防尘，ZHOU等[15]将海藻酸钠与2-丙烯酰胺-2-甲基丙烯磺酸反应，得到的中间体与丙烯酸接枝共聚，制备出具有较好成膜性和黏结性的抑尘剂;LI等[16]以羧甲基纤维素钠为基体，与聚乙烯醇和n-乙烯基吡咯烷酮接枝共聚合成了一种用于露天矿的结壳型抑尘剂;罗瑞冬等[17]以大豆分离蛋白为黏结剂，与十二烷基磺酸钠、羧甲基纤维素钠、甲基硅酸钠等复配制备了一种可在煤堆表面形成固化层的抑尘剂;杨树莹等[18]将高分子单体瓜尔豆胶与表面活性剂曲拉通X-100复配，得到一种针对褐煤粉尘的结壳型抑尘剂;DING等[19]以羟乙基纤维素、丙烯酰胺和硬脂基丙烯酸甲酯为原料，采用胶束聚合法制备了一种可自修复的凝胶抑尘剂。化学抑尘剂在煤矿粉尘治理中发挥了积极作用，但许多化学抑尘剂存在表面活性较低、有一定的毒性、刺激性和腐蚀性等问题，且降解性差、环保性不足，制约其在煤矿中的应用。较之化学抑尘剂，生物表面活性剂具有天然的易降解性和高表面活性，可杜绝二次污染，且可实现严格意义上的无毒无害[20]，是新一代抑尘剂研发的发展方向。芬兰BioMintec Environment公司开发了一种生物纳膜抑尘技术，即将水源、生物纳膜抑尘剂与气源经发生器制备产生的纳膜喷洒于物料表面，通过吸附和团聚微细固体颗粒，从而抑制粉尘的产生和飞扬[21]。该技术主要针对破碎、筛分和运输过程的产尘，已在选矿厂、水泥厂、黄金矿山等场所应用[22-24]，对于矿井采煤、掘进过程的产尘不适用。MARYAM,WU等[25-26]采用微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术(利用脲酶分解尿素生成CO2、而后在碱性溶液中与钙盐反应析出碳酸钙)制备脲酶型生物抑尘剂，并分析了其固结粉尘和抗风蚀能力;该抑尘剂主要用于矿物表面固尘或预防土质路面扬尘，对煤矿井下采掘产尘不适用。
微生物发酵具有安全性高，环境污染小，生产成本低等优点[27]，可实现目标产物的天然环保性和无毒无害性。因此，笔者提出利用微生物发酵合成生物抑尘剂BDS的思路，运用现代实验与测试分析技术开展BDS合成试验、发酵工艺优化、结构探究和性能试验，以期开拓煤矿绿色高效抑尘材料研发新局面。
1 试验方案
1.1 BDS合成试验
本文生物抑尘剂(生物表面活性剂)BDS合成试验采用的工程细菌为枯草芽孢杆菌(购自北京北纳创联生物技术研究院，编号BNCC.189983)，通过对枯草芽孢杆菌活化、筛选、培养得到发酵液，然后采用酸化沉淀→超声萃取→减压蒸发方法从发酵液中提纯得到目标产物。合成过程中NB培养基用于菌株的活化，BAB平板用于筛选高产菌株;LB培养基作为种子培养基，用于细菌的扩大培养;Landy培养基则为细菌发酵合成生物抑尘剂提供营养物质，其原料来自上海国药集团。BDS合成工艺流程如图1所示。
图1 BDS合成工艺示意
Fig.1 Schematic diagram of BDS synthesis process
(1)菌株活化、筛选与培养。首先，将冷藏的枯草芽孢杆菌解冻，加入NB培养基充分混合，充分混匀，取菌悬液均匀涂布至NA平板(NB的固体培养基)，在37 ℃的恒温培养箱中培养12 h。待NA平板长出淡粉色菌落，接种至LB培养基，在37 ℃、180 r/min水浴摇床中扩大培养48 h。LB种子液用pH=7.0的无菌氯化钠-蛋白胨缓冲液分级稀释一定倍数后均匀涂布于血琼脂平板，在恒温培养箱中37 ℃条件下培养12 h。其次，因枯草芽孢杆菌的次级代谢产物具有溶血特性，并且浓度越高，溶血能力越强，在BAB平板上形成的光圈相对面积越大，因此可根据此特性筛选合成目标产物能力较强的菌株，将筛选后的菌株作为母体转种至LB培养基中，在水浴摇床中37 ℃扩大培养48 h，转速为180 r/min。最后，取LB培养基中溶液接种到Landy培养基中，在水浴摇床中发酵培养48 h。
(2)提纯。发酵完成后，发酵液在4 ℃温度条件下恒温水浴30 min;水浴完成后，将发酵液置于高速离心机，在相对离心力为8 kg的条件下离心20 min;取上清液，用6 mol/L浓盐酸调节pH至2.0;上清液酸化后，在4 ℃温度条件下静置，在相对离心力为10 kg的条件下离心20 min，弃上清液;沉淀用超净水重悬，调节pH至2.0再次酸洗;离心后，收集沉淀，即为生物抑尘剂BDS粗品。将BDS粗品加入一定量的无水甲醇，经40 kHz超声波萃取30 min，使其充分溶解于甲醇试剂;在相对离心力为16 kg的条件下离心5 min，上清液在50 ℃真空为0.5的旋转蒸发仪中减压蒸发至干;蒸干物加超净水，用1 mol/L NaOH调节pH至12.0，用滤纸过滤;滤液用6 mol/L浓盐酸调节pH至2.0;在相对离心力为10 kg的条件下离心20 min，收集沉淀并干燥。沉淀干燥物即为BDS纯品。
1.2 发酵条件优化试验
枯草芽孢杆菌是一种好氧型微生物，菌落中的部分细菌可通过次级代谢生成BDS。这一类代谢属于交联复催化反应，受代谢酶控制。这些酶的活性受到发酵条件的影响，包括环境温度、pH值、溶氧量、微生物数量等，不同的发酵条件对应不同的次级代谢强度，从而调控BDS的合成。因此，合理的发酵条件既可以保证枯草芽孢杆菌稳定生长，也可以提高BDS产量。本文采用Box-Behnken设计-响应面法(BBD-RSM)，通过建立回归方程及绘制响应面图优化发酵条件。响应面分析法(Response Surface Methodology，RSM)是一种充分考虑了各因素交互作用对目标物影响的一种实验方法，被广泛运用于多因素多水平实验。发酵条件优化试验采用5因素3水平，每个因素有3个取值，高值对应编码为+1，低值对应编码为-1，中间编码为默认值0。表1中实验设置不同的发酵条件，包括发酵液温度(℃)、发酵液pH值、摇床转速(r/min)、接种量(体积分数，%)、装液量(mL)，设定总发酵时间为72 h，利用Design Expert软件编码，得到测试所需编码46组(表2)，探究多因素耦合下BDS的产量与发酵条件的关系。
表1 实验水平编码
Table 1 Experimental level coding table
影响因素标记编码水平-10+1温度/℃X1323742pHX26 7 8 摇床转速/(r·min-1)X3140180220接种量/%X4135装液量/mLX5205080
1.3 BDS结构探究试验
采用SmartLab 9 kW X射线衍射仪测试BDS的晶体特性，其扫描范围2θ为0°～90°，旋转速度为2(°)/min。采用Nicolet IS50傅里叶红外光谱仪(Thermo Fisher Scientific)测试BDS对不同波长红外光的吸收程度，推测它可能含有的官能团结构;先制备背景试样，将纯溴化钾放到压片磨具中压片，之后装入样品池，扫描背景谱图，保存;然后在纯溴化钾压片上滴加BDS样品,再将制作KBr-BDS的样品放在支架上，在4 000～400 cm-1波长区域扫描样品，测试BDS对不同波长红外光的吸收能力，得到BDS的红外光谱图;最后分析测试样的红外光谱图。
1.4 BDS性能试验
1.4.1 BDS界面性能试验
先采用表面张力仪WJB-2000A测试不同质量浓度、温度、酸碱度、NaCl盐度(以下简称盐度)下BDS的表面张力，分析BDS的界面性能和环境耐受性。先配制等质量浓度梯度的BDS溶液(质量浓度0～40 mg/L、质量浓度梯度1 mg/L)，在25 ℃,pH=7.0的无盐环境下逐次测定每个质量浓度梯度溶液的表面张力，根据质量浓度变化趋势来判断临界胶束浓度CMC。然后按照表3所示的测试条件依次完成测试。
1.4.2 BDS润湿性能试验
通过接触角测试和扫描电镜测试(SEM)，比较生物抑尘剂BDS与常用化学抑尘剂的润湿性能。聚氧乙烯脂肪醇醚AEO具有良好的润湿性能[9]、表面活性和稳定性，价格低廉，应用广泛[28-29]。因此，本文选择化学抑尘剂AEO作为比较对象(预备实验测得其临界胶束质量浓度CMC为500 mg/L)。接触角测试采用法国TECLIS公司的界面流变仪Tracker(图2)完成;先使用压片机在10 MPa下将煤尘(1 g，2 000目)进行压片制成煤尘样品;将样品溶液分别吸入注射器中，采用角度法测量4 mm3的液滴在煤尘样品上形成的接触角。电镜扫描测试采用日本HITACHI公司的扫描电镜Regulus8100完成，分别观察清水、AEO、BDS溶液作用下的煤体表面及孔隙的形貌特征，对比不同溶液对煤体的润湿能力。
表2 发酵条件优化实验参数编码
Table 2 Encoding table of experimental parameters for fermentation condition optimization
序号温度/℃pH摇床转速/(r·min-1)接种量/%装液量/mL序号温度/℃pH摇床转速/(r·min-1)接种量/%装液量/mL11001024001012-1010025000-113000002601-10040001127100-1050000028101006110002900-1-107-1100030-1001080010-13101010900000320110010010-10330-1-1001100000340-100-112-1-1000350100113000-1-1360001-114-100013710-10015000003800-10116-100-10390-11001700-10-14000110180-10-1041-10-100190-1001420100-1201-1000431000-1210-101044001-1022-1000-1450000023100014600-110
表3 不同条件下的表面张力测试
Table 3 Surface tension tests under different conditions
测试组别自变量自变量标识控制变量自变量范围自变量变化梯度CMC测试质量浓度/(mg·L-1)12,3,4[0,40]1耐高温测试温度/℃21,3,4[5,100]5耐酸碱测试pH 31,2,4[0,14]0.5耐盐测试NaCl质量分数/%41,2,3[0,40]1
注：自变量为2,3,4时，质量浓度取CMC±5 mg/L。
图2 界面流变仪(Tracker)
Fig.2 Interfacial rheometer(Tracker)
为了直观考察BDS在低浓度下的润湿能力，接触角测试和SEM电镜扫描测试中选择清水、500 mg/L的AEO和1/5临界胶束质量浓度的BDS进行比较。
2 试验结果与分析
2.1 发酵条件优化及机理
将不同条件的试样在Landy培养基下发酵48 h，得到了每组发酵条件对应的BDS产品产量Y，见表4。
表4 各组试验条件下的产量Y
Table 4 Response values Y for each group under experimental conditions g/L
序号产量Y序号产量Y序号产量Y11.19 171.37 331.18 21.29 181.34 341.77 31.37 190.76 350.76 41.22 201.16 362.0151.37 211.22 371.34 61.33 221.64 381.19 71.09 231.22 391.18 81.37 241.16 401.26 91.36 251.31 411.28 101.90 261.15 421.81 111.45 271.54 431.30 121.28 281.22 441.28 131.84 291.32 451.48 141.14 301.19 461.23 151.34 310.79 161.27 321.34
将发酵液温度A(℃)、发酵液pH值B、摇床转速C(r/min)、接种量D(体积分数，%)、装液量E(mL)作为自变量，BDS产品产量作为因变量，基于表4中结果，建立二次回归模型，得到回归方程，如式(1)所示：
Y=1.360 0+0.014 00A-0.200 0B+
0.003 4C-0.038 0D-0.180 0E+0.091 0AB-
0.032 0AC-0.016 00AD+0.031 0AE+
0.049 0BC-0.120 0BD+0.015 0BE+
0.016 0CD-0.009 4CE-0.160 0DE-
0.060 0A2-0.150 0B2-0.046 0C2+
8.860 0D2-0.019 0E2
(1)
式中，Y为BDS产品产量，g/L。
由式(1)可预测得出BDS的最大产量为1.99 g/L，此时发酵条件为温度A=37.56 ℃、酸碱度B=7.99、摇床转速C=220 r/min、接种量D=2.17%、装液量E=59.89 mL;在该条件下重复实验，得到目标物产量为2.09 g/L，即预测值的误差为4.31%。而当温度A=32.16 ℃、酸碱度B=6.01、摇床转速C=162 r/min、接种量D=1.17%、装液量E=26.49 mL时，BDS产品产量的预测值最低，仅为0.43 g/L;通过该条件下的重复实验，得到实际产量为0.41 g/L，预测误差为4.65%。此外，在表4中发酵条件36下，BDS预测产品产量1.92 g/L，实际产量2.01 g/L，预测误差为4.48%。这表明所建模型的预测误差较小。为了进一步检验预测模型的准确性，考察了该模型的标准化外部残差正态分布以及标准化外部残差分布，分别如图3所示。
图3 BDS产量预测模型规律性检验
Fig.3 Regularity examination of BDS yield prediction model
图3(a)图示的直线表示模型预测产量的标准化外部残差累积正态分布线，而散点描述了实际产量的标准化外部残差所处的累积正态分布位置。由图3(a)可知，散点靠近正态分布线;图3(b)所示的实际产量与预测产量的标准化外部残差在“0线”附近呈随机分布状态。这表明该预测模型与实际情况吻合较好，进一步验证了模型的准确性。
由表4和式(1)可知，不同发酵条件显著影响目标物产量。事实上，发酵液温度、pH值、摇床转速、接种量、装液量对目标物产量影响的显著程度不同，并且这些因素之间也相互影响。因此，将上述变量两两组合，采用响应面分析法(RSM)设计，根据2D等高线与3D相应曲面可得到各发酵因素间相互影响的程度及其对目标物产量影响的显著程度。其中温度与pH值的影响最为显著，如图4所示。
为了进一步探究发酵液温度和酸碱度对目标物产量的影响，选择目标物产量最高的试验组所对应的温度A=37.56 ℃、酸碱度B=7.99作为极优发酵条件，目标产物产量最低的试验组对应的温度A=32.16 ℃、酸碱度B=6.01作为极差发酵条件，其余条件保持一致，均为目标物质量浓度最高的试验组所对应的摇床转速C=220 r/min、接种量D=2.17%、装液量E=59.89 mL，发酵72 h，每隔3 h测定发酵液中生物量(菌浓度)OD600值和BDS产量，结果分别如图5所示。
由图5(a)可看出，在2种极端条件下的生物总量大致接近，表明在本试验涉及极端温度和酸碱度的发酵环境下，细菌自身的生长受环境的影响程度不显著。而图5(b)证明在极端温度和酸碱度的发酵环境下，枯草芽孢杆菌发酵合成BDS的能力存在显著差别。并且由图4可知，温度和酸碱度相互之间会产生显著影响。原因在于发酵产BDS的次级代谢过程同时受到A，B两种调节控制，如图5所示。2种调节的初始条件都由生物生长信号comA所激发，A调节促进目标物生产，B调节抑制目标物生产。这两个调节分别受蛋白酶ProX与ProY的影响。温度直接影响A调节，适宜温度下ProX酶活性远高于ProY，从而A调节相对于B调节明显占优，但温度过高或过低时会导致ProX酶失去作用，难以产生BDS;酸碱度直接影响B调节，当酸碱度高于或低于平衡值时，为维持膜电荷平衡，K+→KC反应加剧，促进SPA→SPA～P反应，为ProY促进SrfC的表达供能，从而促进B调节，间接抑制了A调节，最终导致BDS产量下降。若酸碱度大幅偏离平衡值，酶ProX失去作用，也无法产生BDS。
图4 发酵条件对BDS产量影响的显著性(温度、pH)
Fig.4 Effect of fermentation conditions on BDS yield (temperature and pH)
图5 2种极端条件下的发酵特点
Fig.5 Fermentation characteristics under two extreme conditions
因此，温度和酸碱度不仅自身显著影响目标物产量，而且由于温度直接控制A调节，酸碱度直接控制B调节，二者相互关联，最终导致了温度和酸碱度在共同影响目标物产量方面有着显著的关联。这种关联对实践中合理调节发酵参数从而提高目标物产量有着重要意义。
2.2 BDS微观结构初探
采用X射线衍射仪测试得到了BDS在不同角度X射线下的衍射特性，如图6(a)所示。从图6(a)不难看出BDS的X射线谱图呈现单一弥散峰的状态，不具备绝大多数晶体的X射线衍射特性。并且X射线峰的峰宽较大，呈峰包形态，表明BDS结晶程度极差。弥散峰出现位置在2θ=19.18°附近，峰值为8 173 s-1，这是由氧化物形成的X射线峰。由此可推断BDS的物相形态为一种非晶体有机物。
图6 BDS结构特性
Fig.6 Structural characteristics of BDS
为了揭示BDS中可能含有的官能团结构，测试分析了其红外光谱特性，如图6(b)所示，在3 420.22 cm-1处形成了较宽的强吸收峰，这是由多个N—H键和O—H键伸缩振动共同作用引起的;3 000～2 800 cm-1形成的密集吸收峰是饱和C—H伸缩振动引起的;2 959.54 cm-1和2 872.12 cm-1处的吸收峰则是由—CH3中C—H键的伸缩振动引起，2 926.21 cm-1和2 854.39 cm-1处吸收则由—CH2—中C—H键的伸缩振动引起。此外，C—H键和—CH3键的对称变形分别引起1 410.11 cm-1和1 385.11 cm-1处的吸收峰;BDS分子中还含有多个—C
O结构，其CO键和—CO键伸缩振动分别引起1 647.71 cm-1和1 455.21 cm-1处的吸收峰;1 226.93 cm-1和1 056.94 cm-1处的吸收峰则是分别由羧基中C—O键和醚键C—O—C的伸缩振动引起。698.29 cm-1处存在一个较窄吸收峰，是由长烷链面内摇摆引起的微弱吸收峰。而530 cm-1处较强的吸收峰是C—X伸缩振动引起，很可能是BDS酸化提取过程中，BDS的部分H被卤素X取代所致。由以上分析可知，BDS中存在大量的—CO和—NH键，表明BDS可能存在肽键—NH—CO—;同时，考虑到分子内氢键的存在，推测肽键—NH—CO—很可能位于环上，以促进分子内氢键的形成。综上，可推断BDS是一种具有长烷链的环状多肽结构。
2.3 BDS的界面性能
生物抑尘剂在煤矿的应用中会面临温度、酸碱度或盐度等环境参数波动变化带来的挑战。因此，有必要考察分析BDS在复杂环境下是否具备良好的界面性能。下面以BDS在温和环境(A=25 ℃,pH=7.0,NaCl质量分数为0)时的表面张力作为对照，讨论BDS溶液的表面张力随温度、酸碱度或盐度的变化关系。
如图7(a)为温和环境下BDS溶液表面张力随质量浓度的变化关系。图7(a)显示在该环境条件下，随着质量浓度的升高，溶液表面活性分子数目逐渐增加，表面张力逐渐降低，使得液相分子容易在疏水介质(如煤尘)表面铺展，从而增强润湿能力。当BDS质量浓度超过30 mg/L时，溶液表面活性剂分子吸附达到饱和状态，表面张力降至26.94 mN/m，即为BDS的临界胶束质量浓度CMC，当质量浓度继续增加时，表面张力基本不变;虽然BDS分子在溶液表面排列“杂乱无章”，但相同质量浓度溶液在不同位置测得的表面张力相同，这表明BDS的界面性质具有各向同性的特点，即不随方向而改变。由2.2节中分析可知，BDS的疏水基团为长烷链或其同系物，亲水基团为多肽酯环，含—CO—NH—,—COOH和—COOR—等亲水结构;长烷链BDS向溶液表面快速吸附的动力，拉拽大分子多肽环状结构在溶液表面充分铺展，使单个分子在溶液表面具有较大面积。因此，这一吸附过程具有单位面积吸附能量少的特点，其物理表现为如图7(a)所示的低表面张力。
图7 BDS环境耐受能力测试
Fig.7 Test of environmental tolerance for BDS
为探究BDS对温度、酸碱度和盐度的环境耐受能力，选择质量浓度为CMC±5 mg/L，即25，30和35 mg/L溶液分别在温度为5～100 ℃，pH值为0～14，NaCl质量分数为0～40%的环境中测试溶液表面张力，分别如图7(b)～(d)所示。由图7(b)可知，低温状态下BDS的界面性能几乎不受影响，而当温度逐渐升高，表面张力逐渐增大。当温度低于70 ℃时，溶液的表面张力小于30 mN/m，能保持优良的界面性能;而当温度继续增加时，其界面性能快速下降。这是因为BDS分子的环状结构中含有电负性较强的N，O原子，在环内形成分子内氢键，维持环状结构稳定。温度升高时，分子内氢键在一定程度上维持分子空间结构，吸附在溶液表面的BDS分子，其亲水多肽环状结构的铺展形态未明显改变，表面张力维持稳定。而当温度高于70 ℃时，分子内氢键失稳或破坏，分子结构在高温下形变，导致BDS无法在溶液表面充分铺展，单位面积分子的Gibbs吸附能增加，表面张力亦增加，界面性能减弱。因而表现出如图7(b)所示的变化规律。
BDS在偏酸性或偏碱性环境中的表面张力变化情况如图7(c)所示。在中性状态下，BDS溶液的表面张力最低，而在pH为5～9的弱酸或弱碱环境下，BDS溶液的表面张力小于30 mN/m，能维持高表面活性，而当酸碱度处于中强度或高强度状态时，BDS溶液的表面张力随酸碱度增加而快速增加，良好的界面性能逐渐丧失。导致该现象的原因主要是:当酸碱度变化时，溶液中H+或OH-开始与BDS分子中的肽键发生水解。当酸碱度较低(pH为5～9)时，由于溶液H+或OH-质量浓度不足，水解效应不明显，BDS分子未发生明显形变。而当酸碱度进一步增加，BDS的环状结构因水解而逐渐破坏，单个BDS分子在溶液表面铺展的面积减小。此外，BDS水解形成的离子从溶液体相逐渐吸附至表面相，使两相逐渐失去电中性，BDS形成的离子向表面相吸附的过程中受到电场力干扰，使单个BDS粒子吸附至表面相所需的能量增加，因此，单位面积分子吸附至溶液表面所需能量增加，表面张力增大，界面性能减弱。而BDS分子在碱性溶液中的抗形变能力强于在酸性溶液中的抗形变能力，这是由于在碱性条件下，先与BDS分子中的—COOH反应。因而表现出如图7(c)所示的变化规律。
而BDS在不同盐度条件下的表面张力变化情况如图7(d)所示。当NaCl质量分数为0～8%时，BDS溶液表面张力随NaCl质量分数增加而下降;当NaCl质量分数继续增加时，表面张力随之增加，但在NaCl质量分数≤15%的环境中表面张力仍能保持在30 mN/m以下，具有较稳定的界面性能。NaCl质量分数的变化对BDS溶液界面性能的影响机制较为复杂。分析认为，由于BDS分子中存在极性原子N，O，局部电矩矢量和不为0，影响周围正负离子分布，形成局部电场，使电偶极子有振荡趋势，另一方面，N，O分子内氢键束缚电偶极子振荡。当NaCl质量分数较低时，N偶极子和O偶极子受分子间氢键约束而不会发生振荡。而偶极子周围的“正负离子对”在电偶极子影响下绕N，O偶极子周期性运动，从而吸附在N，O原子周围，使溶液中的BDS分子产生协同效应，使得溶液表面张力进一步降低。而当NaCl质量分数较高时，偶极子的振荡趋势破坏分子间氢键，从而产生N，O偶极子的振荡，带动环状BDS发生扭转或弯曲，使单个吸附在溶液表面的面积降低，单位面积分子Gibbs吸附能增加，表面张力的增大，界面性能减弱。因而表现出如图7(d)所示的变化规律。
2.4 BDS的润湿性能
由2.3节中可知BDS的临界胶束质量浓度CMC为30 mg/L;以水作为参照，测试得到清水、500 mg/L的AEO、6 mg/L(1/5临界胶束质量浓度)BDS与煤尘表面接触30 s时的接触角，如图8(a)～(c)所示。采用扫描电镜SEM测试比较清水、500 mg/L的AEO和6 mg/L的BDS在煤尘表面的润湿情况，图8(d)～(f)为2万倍率下观察得到的3种情形下的煤样表面形貌。
由图8(a)～(c)可知，500 mg/L的AEO和6 mg/L的BDS均可以增强水对煤尘的润湿能力，二者与煤尘表面接触角分别为30.68°和11.19°，与水相比分别提高了66.63%和87.83%，并且BDS的提高幅度比AEO高出21%。由图8(d)～(f)所示的煤孔隙形貌可以发现，水润湿的煤孔隙最为疏松，而500 mg/L的AEO和6 mg/L的BDS润湿煤表面后，溶液渗透到孔隙内部，形成液膜包裹煤孔隙内介质，起到对原生粉尘的抑制作用。而图8(f)显示的液膜更为密实地包裹煤孔隙内介质，表明6 mg/L的BDS润湿煤表面后渗透到煤孔隙内部并包裹粉尘颗粒的能力强于500 mg/L的AEO。这是主要是因为AEO是亲水基团分布较散的表面活性剂，而BDS的亲水基分布更加集中，且成环状结构，BDS单个分子吸附在溶液表面的面积比AEO更大。因此，BDS达到饱和吸附状态的质量浓度比AEO低，相同质量浓度下BDS的表面张力远低于AEO;固体表面相同时，BDS的润湿固体能力远强于AEO。
3 结 论
(1)微生物发酵法合成生物抑尘剂的工艺主要分为2个阶段:① 对菌株进行活化、筛选、培养，得到发酵液，② 对发酵液进行酸化沉淀、超声萃取、减压蒸发，提纯得到目标产物;该工艺合成条件温和、安全性好，合成速率快，制备成本低，具有良好的发展前景。
图8 AEO与BDS润湿性能比较
Fig.8 Comparison of wettability between AEO and BDS
(2)发酵条件的差异以及发酵阶段不同，生物抑尘剂合成效率也不同;以温度、酸碱度、摇床转速、接种量和装液量5个发酵条件参数为自变量，BDS产量为因变量建立的二次回归预测模型能较好地预测目标产物产量和指导工艺优化;微生物发酵条件的优化可以有效提升发酵效率，进而降低生产成本。
(3)在一定范围内，随着浓度的增加，BDS的界面性能也随之提升，并在低质量浓度下即可将水的表面张力降至26.94 mN/m，具有优异的表面活性;当酸碱度、温度和盐度等环境条件在较大范围波动时，BDS溶液仍能保持高表面活性，具备良好的环境耐受性;当BDS使用质量浓度仅为化学表面活性剂AEO使用质量浓度1.2%时，BDS对煤尘的润湿效果仍然优于AEO，在润湿性能和经济性方面均表现出显著优势。
(4)基于X射线衍射试验和傅里叶红外光谱试验及理论分析，本文合成的生物抑尘剂BDS是一种各向同性的非晶体活性物质，其分子结构存在长烷链和肽键—NH—CO—，即BDS是一种带有长烷链的环状多肽结构，这种结构特性是其具有良好环境耐受性、优异界面性能和润湿性能的内因。
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