利用微生物修復(fù)受石油污染的土壤*

徐佳 王明召 高金龍

北京師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院 北京 100875

利用微生物修復(fù)受石油污染的土壤*

徐佳 王明召 高金龍

北京師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院 北京 100875

介紹微生物修復(fù)受石油污染土壤的基本原理，以及人類促進這種修復(fù)作用的思路，供一線教師用作高中化學(xué)閱讀材料。

高中化學(xué)；閱讀材料；土壤；石油污染；修復(fù)；生物表面活性劑

AbstractBasic knowledge of microbial remediation of oil contaminated soil and human’s role in promoting this remediation were presented for senior school students.

Key wordssenior school; reading material; soil; oil contamination; remediation；biosurfactant

隨著人類對石油的需求增大，石油泄漏的途徑與機會也增多。石油中含有飽和烴、芳香烴等有機物，這些物質(zhì)進入土壤后，先吸附在土壤大孔隙以及各種有機顆粒和無機顆粒的表面，然后逐漸擴散進入土壤微孔（甚至微生物都無法進入的極小孔隙）中，或者分配進土壤有機質(zhì)內(nèi)，也有少部分以純固體或非水相物質(zhì)存在[1]。當(dāng)石油滲入量超過土壤的自凈容量后，積累的油類物質(zhì)將長期殘留，破壞土壤結(jié)構(gòu)，對土壤植物和土壤微生物生態(tài)系統(tǒng)甚至地下水都產(chǎn)生嚴(yán)重影響，對人類造成危害。

1 土壤是怎么自凈的

土壤可以通過微生物降解石油烴來自凈。自然界中廣泛存在能降解石油烴的微生物，它們能夠把石油烴降解為無毒的二氧化碳、水和其他無機物，這種代謝主要是通過所謂“有氧呼吸”進行的。以正己烷的氧化過程[2]為例（圖1），它進入微生物細胞體后首先轉(zhuǎn)化成正己醇，然后在脫氫酶的作用下脫氫形成正己醛，再被氧化成正己酸。正己酸最終被徹底氧化成二氧化碳、水及其他產(chǎn)物，并且釋放能量。

圖1 正己烷在微生物體內(nèi)的代謝反應(yīng)示意圖

微生物可經(jīng)3種途徑攝取石油烴[3]，以后2種為主。一是微生物細胞直接攝取溶解在水中的石油烴，這種途徑僅適于在水相有一定溶解度的石油烴，由石油烴在水中的溶解速率決定攝取速率。二是微生物細胞吸附在難溶于水的石油烴表面，直接攝取比細胞體積大得多的石油烴液滴（或顆粒）。假設(shè)這種攝取是在二者的接觸點通過擴散進行的，主要由細胞可接觸的油滴表面積以及細胞表面的疏水性控制攝取速率。由于實際能接觸到石油烴表面的微生物數(shù)量很小，所以這種途徑的降解速率很慢。三是微生物攝取膠束態(tài)的石油烴。

2 生物表面活性劑怎樣促進微生物降解石油烴

在石油烴的誘導(dǎo)下，微生物能分泌出具有表面活性的物質(zhì)，這些生物表面活性劑分子含有親水性基團和長鏈?zhǔn)杷曰鶊F，其中親水部分為單糖、聚糖、氨基酸、肽和磷酸等基團[4]。當(dāng)它吸附在兩相界面上時，親水基朝向水相，疏水基朝向油相，從而降低油水界面張力。隨著生物表面活性劑在水中濃度增大，水相表面張力降低得很快，當(dāng)它的量達到某個值（臨界膠束濃度cmc）時，就形成膠束。膠束外部由親水基組成，內(nèi)部是由疏水基形成的疏水性內(nèi)核（如圖2所示），其可將疏水性石油烴包裹起來，形成膠束態(tài)石油烴，進而為微生物所攝取。這就是前面提到的第三種攝取途徑。

圖2 生物表面活性劑膠束形態(tài)示意圖

圖3 一種鼠李糖脂的結(jié)構(gòu)式

以研究較多的生物表面活性劑鼠李糖脂（其中一種的結(jié)構(gòu)式如圖3所示）為例，它由銅綠假單胞桿菌利用不同碳源產(chǎn)生。當(dāng)鼠李糖脂的濃度低于cmc時，它可從3個方面增強微生物攝取石油烴的第二種途徑，進而提高微生物的降解速率[5]。一是通過乳化作用將大油滴分散成小油滴，增加微生物細胞表面與石油烴的接觸面積。二是吸附在石油烴-水界面，通過降低界面張力，使石油烴克服土壤孔隙的毛細管阻力，以液態(tài)形式隨水流遷移，促進石油烴液滴在水中分散。三是將親水基結(jié)合在微生物細胞的外表面，疏水基指向環(huán)境，封閉微生物細胞表面的親水部位，使細胞表面的疏水性大大提高，因而增大細胞與石油烴液滴間的親和力。

當(dāng)鼠李糖脂的濃度高于cmc時，除了能發(fā)生上述3種作用外，還可發(fā)生圖4所示過程[6]。鼠李糖脂膠束可將土壤微孔中的石油烴包進疏水內(nèi)核，形成直徑小于1 μm的膠束微粒，進入細胞壁中的兩親分子通道。然后內(nèi)核中的疏水性污染物分子通過磷脂雙分子層的高疏水性通道進入細胞，并在細胞內(nèi)凝聚形成石油烴液滴。鼠李糖脂分子由于體積等因素被阻止在高疏水性通道外，它們離開兩親分子通道回到水中，再重新形成膠束。這個過程增強微生物攝取石油烴的第三種途徑。通常，鼠李糖脂濃度越高，形成的膠束越多，增強作用就越明顯。

3 人類有什么辦法促進微生物降解石油烴

盡管微生物在環(huán)境的刺激下能分泌生物表面活性劑來加快對石油烴的降解，但是降解速率可以受到多種因素的影響，自凈往往十分緩慢。因此，僅靠自凈不能有效解決土壤的石油污染問題。

圖4 鼠李糖脂增溶下微生物攝取石油烴的過程示意圖

人們采用一些辦法來促進微生物修復(fù)受石油烴污染的土壤。一種方法是通過改變微生物所處的環(huán)境來促進土著微生物生長[5]，即改善土壤的理化條件（如土壤的有機質(zhì)含量、氧含量、pH值以及N、P等元素），提供電子受體（如添加過氧化氫，以使有機物的氧化降解過程通暢）以及使用表面活性劑（包括生物表面活性劑和化學(xué)表面活性劑）。例如，人工向修復(fù)場地添加稻草（可以補充N、P等元素），360天后，土壤中石油烴降解菌和多環(huán)芳烴 降解菌的數(shù)量分別達到71.3 g?Kg-1和757.7 g?Kg-1，而未加營養(yǎng)物的土壤的這兩個值只有9.3 g?Kg-1和67.0 g?Kg-1。結(jié)果，添加營養(yǎng)物的土壤中，污染物芳香烴和烷烴的含量分別降至36.5 g?Kg-1和30.3 g?Kg-1，而對照土壤中這兩種物質(zhì)含量分別高達64.5 g?Kg-1和102.4 g?Kg-1[7]。

在污染的土壤中接種一些高效外來微生物也可加快對石油烴的降解?？茖W(xué)家還利用基因工程把不同的降解基因移植到同一菌株中，創(chuàng)造出具有多種降解功能的基因工程菌。

總體上看，盡管利用微生物修復(fù)受石油烴污染土壤的技術(shù)目前還處于實驗室階段，但是它具有操作簡單、修復(fù)時間短、對周圍環(huán)境干擾少、不會形成二次污染、可在原地清除污染物等優(yōu)勢，因而具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1]羅啟仕,等．生物修復(fù)中有機污染物的生物可利用性[J].生態(tài)環(huán)境,2004,13(1):85-87

[2]Jonathan D, et al．Recent Advances in Petroleum Microbiology[J].Microbiol Mol Biol R,2003,67(4):503-549

[3]賈凌云,等.表面活性劑在污染土壤生物修復(fù)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代化工,2003,23(9):58-61

[4]馬滿英,等.生物表面活性劑修復(fù)HOCs污染土壤的研究進展[J].生態(tài)學(xué)雜志,2008,27(5):835-840

[5]喬德波,等.生物表面活性劑在石油污染土壤生物修復(fù)中的應(yīng)用[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2007,35(28):8965-8967

[6]Sekelsky A M, et al．Kinetic Model of Biosurfactant-Enhanced Hexadecane Biodegradation by Pseudomonas aeruginosa[J].Biotechnol Bioeng,1999,63(4):401-409

[7]Liu W, et al．Bioremediation of oily sludge-contaminated soil by stimulating indigenous microbes[J].Environ Geochem Health,2010(32):23-29

Microbial Remediation of Oil Contaminated Soil//

X u Jia, Wang Mingzhao, Gao Jinlong

G633.8

B

1671-489X(2011)06-0036-02

10.3969 /j.issn.1671-489X.2011.06.036

Author’s address Institute of Chemistry, Beijing Normal University, Beijing, China 100875

*資助項目：教育部實驗室共建項目，北京市教育委員會共建項目（102-105834），北京師范大學(xué)教學(xué)建設(shè)與改革項目。