石油污染水體的生物修復(fù)研究進(jìn)展

邵正宏，馮成江

（1.中國(guó)石油 大慶化工研究中心 ，黑龍江 大慶 163714；2.中國(guó)石油 大慶石化分公司化工二廠 ，黑龍江 大慶 163714）

石油工業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有十分重要的地位，是國(guó)家綜合實(shí)力的重要組成部分。但是，在石油工業(yè)迅速發(fā)展的同時(shí)，許多環(huán)境問(wèn)題也隨之出現(xiàn)，因油輪失事、油井井噴、海上采油或煉油廠漏油事故以及戰(zhàn)爭(zhēng)所造成的嚴(yán)重溢油事故堪稱典型。石油進(jìn)入水體，短時(shí)間內(nèi)難以降解，石油烴類化合物增大了水體的碳含量，危害水體生態(tài)系統(tǒng)。有毒害的芳香烴污染水體，通過(guò)魚(yú)類等動(dòng)植物進(jìn)入食物鏈，危害人們的生活與生存。石油污染可以使生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能遭受破壞，而且污染水體中低沸點(diǎn)的燃料油類能引起人體的麻醉、窒息、化學(xué)性肺炎等，其中多環(huán)芳烴對(duì)人還有致癌、致突變和致畸等作用。石油污染水體給生態(tài)環(huán)境帶來(lái)巨大危害的同時(shí)也給國(guó)家和社會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。所以，水體石油污染修復(fù)與人類生活密切相關(guān)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 水體石油污染的來(lái)源及危害

1.1 水體中石油污染的來(lái)源

水體石油污染包括原油污染以及石油產(chǎn)品引起的污染。在海洋石油開(kāi)采過(guò)程中，不合理的作業(yè)方式會(huì)引起原油散落，突發(fā)的油田事故會(huì)引起井噴，采油洗井和檢修采油設(shè)備也會(huì)造成原油泄漏。石油海洋運(yùn)輸過(guò)程中的偶然事件、港口區(qū)不合理的儲(chǔ)油罐也是一個(gè)重大的石油污染水體問(wèn)題。用于船舶運(yùn)行包括潤(rùn)滑油在內(nèi)的烴類礦物油，在生產(chǎn)中會(huì)產(chǎn)生殘余物。船舶燃油逸出或排放進(jìn)入水體中，造成水體污染損害或引起此種損害嚴(yán)重的一系列環(huán)境事件。土壤中的石油向下滲漏污染地下水，或者被雨水?dāng)y帶污染地表水體，也是石油污染水體的一種重要途徑。

1.2 水體中石油污染的危害

大量石油烴類污染物直接進(jìn)入水體，超過(guò)水體自凈容量后，就會(huì)危害生態(tài)系統(tǒng)。石油能夠?qū)е滤w生物種群數(shù)量、群落結(jié)構(gòu)和組成、群落多樣性的變化，破壞水體微生態(tài)環(huán)境。受石油污染的地下水或者地表水體，可造成水源地長(zhǎng)期污染。石油中的難降解化學(xué)物質(zhì)（如苯、甲苯、酚類等）可以通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體，引起急慢性中毒，損傷中樞神經(jīng)。石油中的多環(huán)芳烴類物質(zhì)會(huì)影響皮膚、肝、腎等器官的正常功能，甚至?xí)l(fā)皮膚癌。

2 石油污染水體的生物修復(fù)

生物修復(fù)是指生物特別是微生物催化降解有機(jī)污染物，從而修復(fù)被污染環(huán)境或消除環(huán)境中污染物一個(gè)受控或自發(fā)進(jìn)行的過(guò)程。在石油污染水體生物修復(fù)的過(guò)程中通過(guò)接種特定的石油降解菌、添加營(yíng)養(yǎng)物或表面活性劑、提供電子受體和共代謝底物及優(yōu)化處理?xiàng)l件等，可以強(qiáng)化環(huán)境中土著微生物自發(fā)降解石油污染物的進(jìn)程。

生物修復(fù)可分為原位修復(fù)和異位修復(fù)。原位生物修復(fù)不需將水或土壤轉(zhuǎn)移處理，其優(yōu)點(diǎn)是費(fèi)用低但較難控制。異位生物修復(fù)則需將被污染物質(zhì)通過(guò)某種途徑從污染現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)走，這種運(yùn)輸可能會(huì)增加費(fèi)用，但便于對(duì)修復(fù)過(guò)程進(jìn)行控制［1］。原位生物修復(fù)又可以分為：土著原位生物修復(fù)和工程原位生物修復(fù)?？刂莆廴经h(huán)境通常十分困難而且昂貴，而與此同時(shí)已經(jīng)有緩慢的自然微生物降解發(fā)生。在這種情況下，監(jiān)測(cè)整個(gè)降解過(guò)程很有意義，可以避免污染場(chǎng)地進(jìn)一步擴(kuò)大。這種環(huán)境中自身存在的由土著微生物進(jìn)行的自然凈化過(guò)程就是土著生物修復(fù)。如果土著原位生物修復(fù)不發(fā)生或速度太慢，可以通過(guò)一些途徑促進(jìn)生物降解、提高反應(yīng)速率，這稱為工程原位生物修復(fù)［2］。在工程原位生物修復(fù)中的一個(gè)常用方法是為污染場(chǎng)地提供營(yíng)養(yǎng)，如限制微生物降解烴的氮、磷和電子受體（最常用的是氧氣）。

3 石油烴的微生物攝取

3.1 烴的生物利用性

石油烴生物降解的第一步是烴類從油相轉(zhuǎn)移到微生物細(xì)胞上，也就是微生物如何真正接觸到底物進(jìn)而攝取烴類。在生物修復(fù)過(guò)程中，化學(xué)物質(zhì)的生物可利用性一般用與微生物細(xì)胞內(nèi)在活力相關(guān)的傳質(zhì)速率表示。而微生物轉(zhuǎn)化化學(xué)物質(zhì)的速率取決于兩個(gè)因素：攝取和代謝的速率以及轉(zhuǎn)移到細(xì)胞的速率（傳質(zhì)）。

微生物細(xì)胞與底物的接觸對(duì)于微生物攝取是很重要的。在石油污染水體生物修復(fù)過(guò)程中，對(duì)于少量可溶性烴而言，微生物細(xì)胞可以與其直接接觸；但是對(duì)于大部分水溶性極差的烴，烴必須在水相中以某種方式運(yùn)輸直到接觸到細(xì)胞。

3.2 微生物攝取石油烴的模式

烷烴的攝取是石油污染水體生物修復(fù)過(guò)程的關(guān)鍵，但不同模式中微生物的動(dòng)力學(xué)行為、石油烷烴進(jìn)入細(xì)胞的機(jī)制及影響攝取的關(guān)鍵因素的比較研究國(guó)內(nèi)外非常缺乏，因此，對(duì)微生物攝取石油烷烴的過(guò)程進(jìn)行全面、深入的研究，確定石油污染生物修復(fù)過(guò)程中微生物攝取石油烷烴的模式及關(guān)鍵因素，對(duì)揭示石油烷烴污染水體和土壤生物修復(fù)過(guò)程機(jī)制，從而提出強(qiáng)化修復(fù)過(guò)程的技術(shù)措施，具有重要學(xué)術(shù)意義和應(yīng)用價(jià)值。

目前，一般認(rèn)為微生物細(xì)胞攝取石油烴存在三種模式［2］：①微生物細(xì)胞攝取溶解在水相中的烴類；②微生物細(xì)胞與比其大得多的烴類顆粒直接接觸進(jìn)而進(jìn)行攝?。虎畚⑸锛?xì)胞與比其小得多的假溶、擬溶或被包裹的烴類顆粒作用，進(jìn)而進(jìn)行攝取。可見(jiàn)，石油烴的攝取是石油污染水體生物修復(fù)的關(guān)鍵。

4 影響石油污染水體生物修復(fù)的因素

4.1 烷烴狀況

石油烴的物理狀態(tài)對(duì)其在水中的生物降解影響很大。液態(tài)烴可被攝取并滲入細(xì)胞膜，但對(duì)固態(tài)烴的利用機(jī)制尚不清楚。烴類在水中以水包油乳濁液的形式存在時(shí)，油的體積小且分散，所以增大了油的表面積，即增加了微生物的接觸面積。但是大量塊狀和片狀的油包水，則會(huì)使油相對(duì)集中，即相同體積下油的表面積降低，抑制生物降解［3］。

石油的不同化學(xué)組成影響其降解速率，一般來(lái)說(shuō)，微生物對(duì)烷烴的氧化是從低碳到高碳，從正烷烴—支鏈烷烴—低分子量芳香烴—環(huán)烴—高分子量芳香烴逐級(jí)進(jìn)行的［3］。多環(huán)芳烴中環(huán)的多少與環(huán)的排列都影響多環(huán)芳烴在環(huán)境中的穩(wěn)定性，其穩(wěn)定性的排列是環(huán)性＞角性＞線性，生物可降解性則與此相反，且多環(huán)芳烴的溶解度和揮發(fā)性均隨環(huán)數(shù)的增加而減少［4］。

石油烴濃度低時(shí)可以溶解在水里，但絕大多數(shù)的石油泄漏事件所釋放的石油烴遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了所能溶解的范圍。微生物降解長(zhǎng)鏈烷烴（C≥12）是通過(guò)烴表面乳化或細(xì)胞直接接觸進(jìn)行的，長(zhǎng)鏈烷烴的溶解度小于0.01mg/L，而微生物對(duì)它們的降解程度卻可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)這個(gè)數(shù)值。通過(guò)在烴溶解度很高的有機(jī)介質(zhì)中觀察發(fā)現(xiàn)，許多烴的生物降解速率與其濃度無(wú)關(guān)。而高濃度的烴通常會(huì)導(dǎo)致難分散的厚油層的產(chǎn)生，從而導(dǎo)致?tīng)I(yíng)養(yǎng)物和氧的缺乏或受到揮發(fā)性烴的毒性影響而抑制烴的生物降解。

4.2 環(huán)境因素

溫度對(duì)水中石油生物降解的影響在于它會(huì)影響石油的物理狀態(tài)、化學(xué)組成、微生物代謝烴的速率及微生物菌群的組成。溫度低時(shí)，石油黏度升高，使石油在水中的擴(kuò)散減少，但是這時(shí)短鏈烷烴（C≤10）的揮發(fā)也減小，在水中溶解度增加，即對(duì)微生物的毒性增加，從而延遲生物降解的起動(dòng)，同時(shí)酶活力也降低；而長(zhǎng)鏈烷烴的降解則受其有限的生物可利用性抑制。較高的溫度可使烴代謝速率升至最大，一般為30～40℃，高于40℃時(shí)烴的毒性增大，抑制烴類的微生物降解。只有極少烴類的生物降解在低溫、高溫的極端條件下發(fā)生。

烴的微生物降解通常在好氧條件下發(fā)生，細(xì)菌和真菌代謝脂肪族、環(huán)狀和芳香烴的起始步驟通常是加氧酶氧化底物，這時(shí)需要分子氧。而微生物在厭氧條件下降解石油烴的速率很小，通常被認(rèn)為意義很小。但是芳香烴的微生物降解通常是在厭氧條件下降解效果較好，如苯甲酸和鹵化芳香化合物等。

環(huán)境中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)有限，尤其是對(duì)于微生物降解石油烴很重要的氮和磷。當(dāng)烴類釋放到含有低濃度無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)物的水溶液中時(shí)，通常會(huì)產(chǎn)生很高的C/N、C/P比，這對(duì)微生物生長(zhǎng)是很不利的。因此，在水中加入尿素—磷酸、N－P－K營(yíng)養(yǎng)物、銨和磷酸鹽（包括不溶性氮源）可以加速石油的生物降解，尤其是含N、P的親油性肥料［5］；但也有研究發(fā)現(xiàn)，加入營(yíng)養(yǎng)物并沒(méi)有相應(yīng)地提高生物降解速率或延遲了幾個(gè)月和一年后才有所提高。

在烴的生物降解中壓力的影響主要體現(xiàn)在深海環(huán)境中。研究發(fā)現(xiàn)，一組烴的混合物，4℃時(shí)在1 atm（101kPa）下8個(gè)星期降解了94%，而在500 atm（5 050kPa）的高壓下需要40個(gè)星期才能達(dá)到同樣的效果［3］。所以，深海中石油的自然降解十分緩慢，通常要存在幾個(gè)世紀(jì)。

不同的菌株對(duì)pH值要求不同，大部分異養(yǎng)細(xì)菌和真菌適宜的pH值接近中性，真菌能適應(yīng)一定的酸性環(huán)境。過(guò)高或過(guò)低的pH值對(duì)微生物降解石油烴都是不適宜的。

表面活性物質(zhì)可以促進(jìn)石油烴的乳化作用，提高石油烴在水中溶解度及生物利用性。Boris、Fu、許華夏、魏德洲等研究了化學(xué)表面活性劑對(duì)微生物降解石油烴的促進(jìn)作用［6－8］；而Zhang Y M、李祖義等發(fā)現(xiàn)，微生物在降解石油烴的過(guò)程中自身能產(chǎn)生生物表面活性劑（如鼠李糖脂），在促進(jìn)石油烴的降解及微生物生長(zhǎng)上有更好的效果［9－12］。與化學(xué)表面活性劑相比，生物表面活性劑具有高效、無(wú)毒、抗菌、經(jīng)濟(jì)及無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn)［13］。因此，生物表面活性劑對(duì)于疏水性烴類的降解是十分重要的，以特定的方式加入或利用微生物自身產(chǎn)生的生物表面活性劑可以增強(qiáng)烴類的降解，從國(guó)際石油污染處理的發(fā)展趨勢(shì)看，生物表面活性劑必將受到重視并在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。

4.3 生物因素

環(huán)境中微生物普遍具有代謝石油烴的能力，單個(gè)菌株在純培養(yǎng)時(shí)只能代謝一定范圍內(nèi)不同種類的烴，所以降解烴的復(fù)雜混合物（如石油）就需要將具有各種酶活力的菌株進(jìn)行混合培養(yǎng)。據(jù)大量的報(bào)道，在海洋中，烴類降解最重要的細(xì)菌是無(wú)色桿菌（Achromobacter）、不動(dòng)桿菌（Acinetobacter）、產(chǎn)堿桿菌（Alcaligenes）、節(jié)桿菌（Arthtobacter）、芽孢桿菌（Bacillus）、黃桿菌屬（Flavobacterium）、諾卡氏菌屬（Nocardia）、假單胞菌屬（Pseudomonas）及棒桿菌（Corynebacterium）等。

在選擇降解烴的微生物菌群之前，很重要的一點(diǎn)是考察烴是否能夠較快地被生物降解，即菌群是否能很快地適應(yīng)有烴存在的環(huán)境。這個(gè)由菌群對(duì)烴的氧化潛力提高造成的現(xiàn)象叫做適應(yīng)性。與適應(yīng)性有關(guān)的三種機(jī)制是：對(duì)特異性酶誘導(dǎo)或抑制；基因改變產(chǎn)生新的代謝能力；選擇性富集能轉(zhuǎn)化目標(biāo)化合物。生態(tài)系統(tǒng)中利用烴的微生物數(shù)量通常反應(yīng)其污染程度。有研究認(rèn)為，這個(gè)現(xiàn)象與降解烷烴微生物種類之間的競(jìng)爭(zhēng)有關(guān)，但也有研究發(fā)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)中菌群種類沒(méi)有變化，有的甚至還會(huì)增加［2］。這些明顯矛盾的現(xiàn)象可以用以下事實(shí)解釋：烴污染對(duì)微生物菌群基因組成的影響取決于所處的環(huán)境。土著微生物菌群通常高度適應(yīng)一個(gè)特定的環(huán)境，不能降解由多種烴組成的復(fù)雜混合物如石油。但土著微生物菌群的存在會(huì)對(duì)接種微生物造成負(fù)面影響，而且通常在競(jìng)爭(zhēng)中處于優(yōu)勢(shì)而生存下來(lái)。因此，在已經(jīng)存在土著微生物的環(huán)境中接種微生物，不能使烴類的生物降解速率提高很多。在目前的研究中發(fā)現(xiàn)，在發(fā)酵罐中接種特定的烴降解菌處理烴污染，可以減少或消除與土著微生物的競(jìng)爭(zhēng)并且將系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化，從而達(dá)到最大的生物降解速率［2］。采用微生物接種與傳統(tǒng)的大規(guī)模處理（包括原地生物修復(fù)）組合的方法來(lái)提高烴的去除也是可行的，對(duì)此需要進(jìn)一步研究。

目前，此領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)移到應(yīng)用先進(jìn)的分子生物學(xué)技術(shù)來(lái)研究微生物菌群對(duì)烴的降解，如分離DNA質(zhì)粒、構(gòu)建DNA探針及將多種降解基因用遺傳工程手段轉(zhuǎn)入同一菌株，培育具有廣譜降解能力的基因工程菌應(yīng)用于石油污染水體的生物修復(fù)［14］。

5 展望

國(guó)外在石油污染水體的生物修復(fù)方面研究較為深入并且已將其運(yùn)用于現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)?；谖覈?guó)石油污染現(xiàn)狀和環(huán)保要求，低費(fèi)用、高效率的生物修復(fù)技術(shù)具有很強(qiáng)的工業(yè)可行性，如能成功地用于處理我國(guó)的石油污染，必將產(chǎn)生巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。但是，生物修復(fù)技術(shù)對(duì)某些污染物的降解性能、在環(huán)境中的適應(yīng)性及成本效益等因素尚需深入研究。當(dāng)前研究中最可能取得突破的領(lǐng)域是厭氧處理芳香烴和應(yīng)用DNA探針?lè)治鑫⑸锞簩?duì)芳香烴的適應(yīng)性，同時(shí)還將DNA探針技術(shù)擴(kuò)展到檢測(cè)代謝其它烴的基因編碼，這可為微生物降解烴研究開(kāi)辟一條新途徑。

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