微生物對(duì)油污地石油的降解作用及影響因素

于洋 鄒莉 孫婷婷 郭靜 張國(guó)權(quán) 任清政 唐慶明

摘要 生物降解有機(jī)物可能成為凈化土壤和水資源的一種有效方式。生物降解手段的成本與焚化、貯存或土壤清洗相比要低。重點(diǎn)探討了微生物對(duì)油污地石油降解的機(jī)理，分析了影響微生物降解的相關(guān)因素，包括營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和化合物、氧氣 、水、溫度、核酸等，還探討了油污地降解過(guò)程中植物的作用及生物降解微生物的作用，以期為油污地的治理提供基礎(chǔ)理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞 油污地；土壤微生物；石油降解；非生物因子

中圖分類號(hào) S181.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2014）16-05198-03

生物修復(fù)（Bioremediation）又稱為生物恢復(fù)，是指利用生物特別是微生物的代謝潛能消除或減少污染地區(qū)有害物質(zhì)濃度的技術(shù)。石油是一種含有多種烴類（正烷烴、支鏈烷烴、芳烴、脂環(huán)烴）及少量其他有機(jī)物（硫化物、氮化物、烷烴酸類等）的復(fù)雜混合物，石油類物質(zhì)主要污染土壤及其土壤環(huán)境，并且隨著人們對(duì)石油及其產(chǎn)品需求的增加，石油對(duì)土壤污染的情況逐年嚴(yán)重。同其他環(huán)境介質(zhì)與污染物類型相比，土壤同石油污染物之間具有更強(qiáng)的親和能力，增加了降解的難度和費(fèi)用。所以，要通過(guò)生物因素降解石油、改善石油這種頑固性必須考慮諸多因素，如表面活性劑、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和化合物、氧氣 、水、溫度、核酸、 植物的作用、生物降解微生物等。近些年，有關(guān)生物降解石油的研究資料越來(lái)越多，如在低溫的南北極和高山地區(qū)石油烴的多種成分的生物降解已被報(bào)道，且被認(rèn)為是當(dāng)?shù)剡m寒微生物降解的結(jié)果。由于研究涉及到植物、土壤微生物的各種生理生化功能，因此受到人們的關(guān)注，已成為研究的熱點(diǎn)。該研究就此領(lǐng)域內(nèi)的研究進(jìn)展加以歸納，以期在未來(lái)的研究中提供借鑒。

1 土壤微生物對(duì)油污地的降解作用

土壤微生物在土壤生態(tài)系統(tǒng)中扮演著重要的角色。主要表現(xiàn)為，土壤微生物分別特征及群落結(jié)構(gòu)影響著土壤肥力及健康狀況，在土壤的物質(zhì)循環(huán)、能量循環(huán)、生物轉(zhuǎn)化等方面有著不可替代的作用。它們參與的主要的生態(tài)化學(xué)過(guò)程包括：土壤中動(dòng)植物殘?bào)w的分解、污染物及大分子化合物的降解、化學(xué)元素的轉(zhuǎn)化及土壤養(yǎng)分的循環(huán)等。在油污地土壤中土壤微生物作為分解者在油污地土壤的修復(fù)中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。

2 影響土壤微生物降解的非生物因子的作用

2.1 營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和化合物 氮磷等營(yíng)養(yǎng)元素是微生物生長(zhǎng)不可缺少的，尤其是海水中氮和磷是限制微生物降解烴類的最重要因素[1]。Atlas[2]、Leahy等[3]認(rèn)為微生物降解多環(huán)芳香烴主要受限于兩種因素，這兩種因素常常導(dǎo)致生物降解效率低于期望值。一個(gè)因素在于化合物生物可利用率低，另一個(gè)是生物降解污染土壤的因素是氮和磷的利用，這是增加微生物菌落的大小所必需的。他們還認(rèn)為細(xì)胞菌落結(jié)構(gòu)的變化既取決于生物的降解過(guò)程同時(shí)又取決于營(yíng)養(yǎng)成分的添加。氮磷溶液作為營(yíng)養(yǎng)元素能夠被植物的根表面所吸收，在根部深層區(qū)域能夠有效地提高養(yǎng)分的運(yùn)輸、激活降解石油的微生物，并且提供微生物到土壤微孔的通道[4]?；谶@些機(jī)理，在還原性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)條件及7 ℃下，受燃料污染的極地土壤中最廣泛的多環(huán)芳香烴的降解可達(dá)到39%[5]。由于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)是十分容易溶于水的，又可作為電子受體，因此，找到這樣一個(gè)降解石油烴的微生物群落就成為可能，只要它在接連漲落潮之間的沼澤處，能接觸到石油且檢測(cè)其周圍有相當(dāng)濃度的硫酸鹽[6]。如果減少營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的使用，那么會(huì)使植物降解烴所獲益的效果失效[7]。但是，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的添加必須做到適時(shí)，否則，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的添加在有機(jī)物（多環(huán)芳香烴和石油烴）降解的晚期反而起到了副作用[8]。

2.2 氧氣及水 富集群落的成分組成可能受氧氣的影響且比溫度、接種生物降解微生物的影響要大。研究發(fā)現(xiàn)在干燥的土壤中，石油烴的濃度并沒(méi)有減少；因此研究者們認(rèn)為含水量和有氧呼吸是土壤生物降解的主要原因，同時(shí)堅(jiān)持含水量和通風(fēng)的良好程度是多環(huán)芳香烴降解的關(guān)鍵因素[9]?？偟膩?lái)說(shuō)，在短期內(nèi)，合理地保持濕度被認(rèn)為比增加植物扎根深度效果好；在長(zhǎng)期降解石油污染土壤的這方面，不同的灌溉方式起到了不同的灌溉效果，不同的灌溉深度有助于衡量用水和營(yíng)養(yǎng)物的灌溉深度。對(duì)于灌溉深度，頻繁地、少量地灌溉水和融入其中的養(yǎng)分除可灌溉土壤次表面外，在促進(jìn)石油烴污染的降解過(guò)程中也起著十分重要的作用[10]。在植物根系的生長(zhǎng)過(guò)程中，石油烴的降解和灌溉的水平要保持一致，合理的地下灌溉比地表灌溉更為有效[11]。

不同的電子受體在無(wú)氧降解有機(jī)物的過(guò)程中可與氧氣發(fā)生交換作用。在含硫酸鹽污染地區(qū)，硫酸鹽可作為最終的電子受體，在生物降解中起到積極的作用。硫酸鹽的還原導(dǎo)致培養(yǎng)基上硫酸根的富集，這種現(xiàn)象致使芳香烴的降解受阻。其他向微生物提供電子的有機(jī)化合物（如丙酮、脂肪酸、葡萄糖等）的存在也抑制甲苯和氧化二甲苯的生物降解且這些化合物在一定濃度下可造成對(duì)微生物的毒害。

使用表面活性劑有助于對(duì)親水性差的污染物質(zhì)的降解。烷烴、芳香烴、多環(huán)芳烴是石油的重要組分，這類物質(zhì)的水溶性較低且難被微生物降解。一些降解石油的微生物能產(chǎn)生表面活性物質(zhì)，使這些烴類乳化從而促進(jìn)細(xì)胞吸收[12]。使用生物表面活性劑可增加多環(huán)芳烴的溶解度但這對(duì)微生物是有害的。

2.3 溫度（低溫） 低溫主要影響不易溶的大分子多環(huán)芳烴的降解。在有氧條件下，低溫嚴(yán)格地限制多環(huán)芳烴的生物降解。多環(huán)芳烴的降解和脫氮作用在低溫條件中聯(lián)系緊密，但這種降解僅限于萘、2.甲基萘。Risgaard等在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)生物降解90 d后，20 ℃有氧培養(yǎng)基從20%到52%至88%的多環(huán)芳烴被降解；在7 ℃、有氧條件下，石油污染土壤中最廣泛的多環(huán)芳烴的降解達(dá)到53%；各種土質(zhì)的培養(yǎng)基降解萘和2-甲基萘的溫度條件都在7 ℃[13]。事實(shí)說(shuō)明，低溫制約多環(huán)芳烴的生物降解，主要是通過(guò)影響多環(huán)芳烴生物利用率的作用效果。從微生物角度來(lái)講，石油烴在低溫環(huán)境中（包括高山環(huán)境）的生物降解是本地適寒微生物能夠降解污染物的結(jié)果[14]。

2.4 核酸 最近的研究表明，有7種基因型的表達(dá)參與n.鏈烷或其他碳?xì)浠衔锏慕到猓╝lkB， alkB1， alkB2，xylE，ndoB，nidA， alkM），許多這樣的基因在質(zhì)粒上攜帶，它們?cè)谖廴疚镏斜粰z測(cè)為一個(gè)相當(dāng)高的比例，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通的土壤，說(shuō)明這些生物機(jī)體富集在土壤中來(lái)尋找污染物[15]。研究者們還發(fā)現(xiàn)污染的程度與基因型的數(shù)量呈相當(dāng)顯著的正相關(guān)；有機(jī)質(zhì)含量與石油烴的含量部分相關(guān)，與土壤干燥質(zhì)量水平呈相當(dāng)程度的負(fù)相關(guān)；石油烴的含量和從革蘭氏陽(yáng)性菌提取的基因類型（ alkB1，alkB2，nidA）沒(méi)有太多的相關(guān)性[16]。另外，異化基因編碼的烷烴單氧酶（alkB）、萘的雙加氧酶和苯磷二酚.2，3.雙加氧酶，它們被用來(lái)估計(jì)細(xì)胞中參加石油烴降解的表達(dá)數(shù)[17]。因此，降解系統(tǒng)降解長(zhǎng)期存在的石油烴的本質(zhì)，就是通過(guò)增加細(xì)胞內(nèi)烷基異化基因的數(shù)量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

不同的土壤中處于優(yōu)勢(shì)地位的群落幾乎都包含16S rRNA的部分片段，但從未出現(xiàn)包含相同核酸基因間隔的情況。此外，尚未探明在一般土壤加工細(xì)胞群落中16S核酸DNA成分的變化，但存在針對(duì)特定植物帶有選擇性的效果，這種效果是作用在特異性異化基因的表達(dá)[18]。

3 植物的作用

植物在水體和土壤生物修復(fù)中也可起到重要的作用。植物可直接吸收污染物質(zhì)，通過(guò)轉(zhuǎn)化和輸送，以非植物性毒素的形式進(jìn)行積累。另一方面，植物通過(guò)向土壤中分泌營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)（單糖、氨基酸、脂肪族化合物、芳香烴等）和酶以及傳遞氧氣到根部來(lái)刺激根系周圍微生物生長(zhǎng)，并改變土壤的生化活性，從而加速土壤的生物修復(fù)作用。植物對(duì)石油高污染淤泥所發(fā)揮的修補(bǔ)作用可作為植物灌溉、施肥深度的依據(jù)，并且植物影響下的加工細(xì)胞對(duì)十六烷和菲的礦化比無(wú)植物狀態(tài)下處理的效果好。然而，不是所有的植物都能參與降解污染土壤中的石油烴。例如，酥油草（Festuca arundinacea）能有效地加強(qiáng)基因（ndoB， alkB， xylE）的表達(dá)；對(duì)比之下，苜蓿（Trifolium hirtum）在根際土壤中就減少了分解基因的表達(dá)和萘的礦化的程度。但對(duì)苜蓿的研究又同時(shí)發(fā)現(xiàn)，植物特殊性相互作用在植物降解過(guò)程中是重要的[19]。

植物對(duì)微生物多樣性的影響基于土壤的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)和土生微生物群落。進(jìn)一步說(shuō)明，植物的存在能夠有效改善土壤的物理結(jié)構(gòu)并增加微生物群落數(shù)量。通過(guò)改變功能微生物群落的成分，植物降解系統(tǒng)有效地增強(qiáng)了根際土壤的異化潛力。這種改變并未證實(shí)與16S DNA有關(guān)，而是與降解石油烴的特殊功能基因類型有關(guān)。高等植物降解石油污染地主要受兩個(gè)因素的制約：植物扎根的程度以及在發(fā)生生物修補(bǔ)過(guò)程中微生物寄宿點(diǎn)營(yíng)養(yǎng)的分布。在植物根的作用下，石油等有機(jī)物的降解得到進(jìn)一步的增強(qiáng)，這是因?yàn)槲⑸锏男玛惔x和根際聯(lián)合代謝污染物的水平都得到了提高的結(jié)果。

4 生物降解微生物的作用

生物降解微生物的作用是處理因芳香烴污染的水體在地上和地下都可進(jìn)行的無(wú)氧和有氧作用。由于這類微生物長(zhǎng)期適應(yīng)污染的環(huán)境并做出了相應(yīng)的反應(yīng)，致使它防御外界環(huán)境的機(jī)制得到了進(jìn)化，從而使其能夠在這種不良的條件下生存。在寒冷地帶只要周圍的溫度符合它生長(zhǎng)的溫度域，適寒微生物就能發(fā)揮其降解烴的作用；在路棲和水生生態(tài)環(huán)境中，微生物在多環(huán)芳烴的降解中充當(dāng)著極其重要的角色[20]。

早期降解過(guò)程中，從土壤中接種的生物群落結(jié)構(gòu)與用營(yíng)養(yǎng)素激活的土壤中的結(jié)構(gòu)十分相近，這期間同時(shí)出現(xiàn)了最大降解率。因此，土生土長(zhǎng)的菌落改變了接種菌落的獨(dú)立性。晚期降解過(guò)程中，大部分降解多環(huán)芳烴微生物和石油烴的降解率有著聯(lián)系，尤其是存在更多不易降解多環(huán)芳烴這樣的條件下。有科學(xué)家認(rèn)為在根際或一般性土壤中，有兩種機(jī)制可提升異化作用的效果：一種是通過(guò)增強(qiáng)諸多微生物的活力來(lái)提高異化作用的活力；第二種就是因根際效應(yīng)增加微生物數(shù)量的同時(shí)迅速擴(kuò)增特定微生物的群落。如果這種說(shuō)法成立，那么污染降解的細(xì)胞群落和土壤降解污染物的潛力在植物降解的過(guò)程中明顯增加。對(duì)長(zhǎng)時(shí)間的適應(yīng)能力，最重要的因素可能在于存在少量活躍的微生物，它們最初是生活在沉積層中，在這種活躍的微生物群體中，因其分布的不同存在著異質(zhì)性。通過(guò)對(duì)核酸的基因間隔分析，發(fā)現(xiàn)富集導(dǎo)致一部分細(xì)胞群落占據(jù)支配地位，如Acidovorax、Bordetella、Pseudomonas、Sphingomonas、Variovorax 5個(gè)屬。嗜溫的多環(huán)芳烴降解者在土壤中相當(dāng)廣泛地存在。相反地，耐寒的多環(huán)芳烴降解者的分布并不廣泛，它們需要長(zhǎng)時(shí)間去富集。木餾油污染的土壤中革蘭氏陰性菌在生物降解過(guò)程中占據(jù)主導(dǎo)地位。而且，眾多類型的細(xì)胞之間產(chǎn)生相互作用，這種作用的機(jī)制是復(fù)雜的。并且存在一種媒介環(huán)境，它存在于生物修復(fù)的過(guò)程中，能夠影響微生物菌落的降解能力。說(shuō)明在對(duì)微生物菌落的改變方面，生物降解的過(guò)程充當(dāng)極其重要的選擇因素。

5 結(jié)論

實(shí)踐表明，生物降解技術(shù)是可行、有效的，且發(fā)展?jié)摿κ蔷薮蟮?，該技術(shù)已應(yīng)用于多種類型環(huán)境污染的治理。德國(guó)、丹麥、荷蘭等歐洲國(guó)家對(duì)生物修復(fù)技術(shù)非常重視，全歐洲從事該項(xiàng)技術(shù)的研究機(jī)構(gòu)和商業(yè)公司有近百個(gè)。我國(guó)生物修復(fù)的研究與應(yīng)用也已受到越來(lái)越多的關(guān)注。但是目前生物修復(fù)技術(shù)還并不成熟，未能大面積推廣，原因可能在于實(shí)際因素要遠(yuǎn)比考慮到的因素更復(fù)雜、更難以規(guī)律化，需要更多的人力、財(cái)力投入。因此，全方面多角度地審視生物修復(fù)的改良問(wèn)題成為一種必然。還要看到，當(dāng)今類似的世界先進(jìn)的尖端技術(shù)掌握在發(fā)達(dá)國(guó)家中，有必要為發(fā)展中國(guó)家量身定做一套更為實(shí)用、更為經(jīng)濟(jì)合理的生物修復(fù)方法。

生物修復(fù)今后的研究重點(diǎn)一是擴(kuò)展對(duì)在降解毒害化合物中具有普遍意義的微生物互惠共生群體結(jié)構(gòu)的了解；二是確定好氧、厭氧微生物降解毒害化合物的生物化學(xué)機(jī)制，加強(qiáng)對(duì)其代謝途徑及遺傳學(xué)的研究；三是開展生物修復(fù)新技術(shù)的小試/中試研究，并建立專用基地供實(shí)地試驗(yàn)；四是開發(fā)有關(guān)生物傳感器及生物過(guò)程模型，以評(píng)估實(shí)地試驗(yàn)效果。

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