生物法治理潤滑油環(huán)境污染研究進(jìn)展

伍濤，姜巖，王春，張曉華

(重慶工商大學(xué)廢油資源化技術(shù)與裝備教育部工程研究中心，重慶 400067)

潤滑油是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的潤滑劑之一，其中以礦物油作為基礎(chǔ)油的潤滑油占95%以上［1］。礦物基潤滑油是一種復(fù)雜的混合物，主要包括烴類化合物(烷烴、環(huán)烷烴、芳香烴)和少量非烴類化合物，其可生物降解性差，一旦進(jìn)入到環(huán)境中會長期滯留，嚴(yán)重污染土壤和水資源，破壞生態(tài)環(huán)境和生態(tài)平衡［2-3］。當(dāng)前，礦物基潤滑油的關(guān)注焦點(diǎn)集中在兩方面:一是，以提高其資源綜合利用率為目標(biāo)的廢潤滑油再生處理［4］;二是，發(fā)展生物降解性好的綠色潤滑油取代礦物基潤滑油［5］。因此，專門針對礦物基潤滑油環(huán)境污染的治理研究較少，而礦物基潤滑油具有石油烴的三大典型組分(烷烴、環(huán)烷烴、芳香烴)，有關(guān)生物法有效修復(fù)石油烴污染的研究報(bào)道較多［6-8］，其已有的一些研究成果可借鑒用來治理礦物基潤滑油污染。

生物修復(fù)法基于微生物種類和功能的多樣性，利用微生物能夠以潤滑油為唯一碳源和能源實(shí)現(xiàn)生物降解的本質(zhì)屬性，可將存在于環(huán)境中的潤滑油分解成CO2、H2O 等其它無害物質(zhì)，其關(guān)鍵在于微生物的功能特性和活力［9-10］。相比傳統(tǒng)的理化方法治理潤滑油污染，生物修復(fù)法具有處理費(fèi)用低、高效、操作簡單、無二次污染等優(yōu)點(diǎn)，已成為當(dāng)前治理潤滑油污染的有效手段［11］。通常情況下，利用生物法修復(fù)環(huán)境污染可分為生物刺激修復(fù)和生物強(qiáng)化修復(fù)兩類方法［12］。據(jù)此，本文主要從這兩方面進(jìn)行論述。

1 生物刺激修復(fù)法

環(huán)境因素對微生物降解石油烴具有重要的影響，通過改變環(huán)境狀態(tài)，可使本來難降解的烴類物質(zhì)變得易于降解［13］。生物刺激修復(fù)法，即通過人為構(gòu)建微生物適宜的生長降解環(huán)境(溫度、營養(yǎng)、pH、溶解氧、水分等環(huán)境因素)，加快土著微生物繁殖，增強(qiáng)其代謝活性，促進(jìn)潤滑油的生物降解。

1.1 營養(yǎng)物質(zhì)

添加營養(yǎng)物質(zhì)是生物刺激修復(fù)的一種常用手段［14-15］。營養(yǎng)物質(zhì)是維持微生物活性的基礎(chǔ)，而環(huán)境中的營養(yǎng)物質(zhì)卻是有限的。潤滑油進(jìn)入環(huán)境后，顯著增加了環(huán)境中碳的含量，氮、磷就成了制約微生物活性的主要因素。Lee 等［16］將土壤原碳氮磷比例1 160∶4∶1 調(diào)節(jié)為適宜的500∶10∶1，105 d 后分別測定調(diào)節(jié)后的土壤和未調(diào)節(jié)的土壤中潤滑油降解率，結(jié)果顯示前者降解率42% ～51%，后者降解率僅為18%。表明營養(yǎng)物質(zhì)的添加，增強(qiáng)了微生物的活性，提高了潤滑油的生物去除率。因此在修復(fù)過程中，應(yīng)按一定的比例適時適量的添加營養(yǎng)物質(zhì)。

1.2 溫度和pH

溫度能影響蛋白質(zhì)和核酸等微生物細(xì)胞組成物質(zhì)的性質(zhì)，以及通過影響酶活性進(jìn)而影響細(xì)胞內(nèi)生物化學(xué)反應(yīng)速率。過高或過低的溫度，都不利于微生物的生長繁殖及對底物的降解速率。通常情況下，30 ～40 ℃時微生物對石油烴的降解速率最高［17］。pH 可通過影響微生物中酶的活性，細(xì)胞膜的滲透性，代謝過程等影響微生物的生命活動。潤滑油中不同微生物適宜生長的pH 值范圍不同，其大多數(shù)微生物適宜在中性或偏堿性的環(huán)境中繁殖［18］。

張楠［19］研究了假單胞菌屬(Pseudomonas)、蒼白桿菌屬(Ochrobactrum)、博德特氏菌屬(Bordetella)各自降解潤滑油適宜的pH 和溫度，結(jié)果顯示，pH 值分別為7.8，7.0，6.0;溫度分別為32 ～35 ℃、30 ～35 ℃、30 ～34 ℃?？梢姯h(huán)境中存在著不同的可降解潤滑油的微生物，且pH 值和溫度的變化對不同微生物的降解效率會產(chǎn)生影響。郭曉燕等［20］做了進(jìn)一步研究，利用正交實(shí)驗(yàn)分析了一株黃桿菌屬在降解潤滑油中，溫度、碳源、氮源、pH 值4 種因素對潤滑油降解率的影響大小，結(jié)果依次為，溫度＞葡萄糖濃度＞硫酸銨濃度＞pH 值，表明了溫度在微生物降解潤滑油過程中的重要性。為了提高潤滑油生物去除率，需要營造適宜的溫度和pH 環(huán)境，而最適溫度、pH 與選擇的降解菌種類以及具體的降解條件密切相關(guān)。

1.3 溶解氧和水分

大多數(shù)能降解潤滑油的微生物是好氧的，對氧的利用是制約微生物降解潤滑油的影響因素之一。水分則是微生物細(xì)胞的主要組分，微生物的生長代謝離不開水分的參與;但過高或過低的水分含量都不利于生物反應(yīng)的順利進(jìn)行，環(huán)境中應(yīng)保持適宜的水分含量［18］。如潤滑油進(jìn)入土壤后會嚴(yán)重影響其通透性，需改善土壤環(huán)境，以增加土壤中溶氧量及水分含量，從而促進(jìn)潤滑油的生物降解［21］。

1.4 表面活性劑

表面活性劑能通過降低油水界面張力，改善油/水與微生物細(xì)胞界面的接觸行為，以及增加石油烴在水中的溶解度，加快微生物細(xì)胞對油類底物的利用速度［22］。王九［23］研究了陰離子型(十六烷基三甲基溴化銨)、非離子型(Tween-80)和陽離子型(十二烷基苯磺酸鈉)3 類表面活性劑對潤滑油生物降解的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，陰離子和非離子型能促進(jìn)液壓油的生物降解，其生物降解度分別達(dá)72% 和77%;陽離子型可能由于本身具有的殺(抑)菌功能，反而抑制了液壓油的生物降解，其生物降解度僅為3%。他還指出，陰離子和非離子型在水中的含量處于臨界膠束濃度狀態(tài)以下時，隨著其含量增加，液壓油的生物降解度也不斷增大，但其含量超過臨界膠束濃度后對促進(jìn)潤滑油生物降解的能力降低。這說明表面活性劑的加入量不是越多越好，需根據(jù)實(shí)際情況適量添加。

已有文獻(xiàn)報(bào)道證實(shí)生物表面活性劑能促進(jìn)潤滑油生物降解［24-25］。Lai 等［26］則對比了生物表面活性劑(鼠李糖脂、枯草菌脂肽)和化學(xué)表面活性劑(Tween-80、TritonX-100)對促進(jìn)土壤中石油烴降解的效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)生物類表面活性劑對石油烴的去除效果明顯好于化學(xué)類表面活性劑。生物表面活性劑具有化學(xué)合成表面活性劑的某些功能，且自身可被生物降解、環(huán)境毒性小、無二次污染，使其在今后的潤滑油污染生物修復(fù)中具有極大的應(yīng)用潛力。

生物刺激修復(fù)具有操作簡單、費(fèi)用低、環(huán)境影響小等特點(diǎn)，但在實(shí)際應(yīng)用中還應(yīng)綜合考慮多種環(huán)境因素的協(xié)同效應(yīng)，以期達(dá)到更好的修復(fù)效果。Ayotamun 等［27］在對石油烴污染土壤進(jìn)行生物刺激修復(fù)時，綜合考慮了幾種環(huán)境因素的作用，在每公頃施肥4.7 ～12.5 t，維持pH 在5.0 ～6.0、含水率4%～19%，每周耕作2 ～5 次的條件下，修復(fù)36 d 使土壤中石油烴去除率達(dá)到了50% ～95%。潤滑油大多組分生物降解能力差，單純依靠改善外界環(huán)境，增強(qiáng)土著微生物活力，難以將其完全降解。因此，還需要采用更為有效的生物強(qiáng)化修復(fù)法。

2 生物強(qiáng)化修復(fù)法

生物強(qiáng)化修復(fù)是利用生物技術(shù)、工程學(xué)、環(huán)境學(xué)、生態(tài)學(xué)等手段來獲得高效降解菌種(群)，提高底物和微生物接觸機(jī)會以促進(jìn)污染物高效降解［28］，其關(guān)鍵在于獲得能高效降解潤滑油的菌種(群)。

2.1 潤滑油高效降解菌種的分離

當(dāng)前通常采用增加環(huán)境選擇壓力的方法，從土著微生物中篩選潤滑油降解菌并研究其降解特性，再馴化成適應(yīng)性強(qiáng)、降解效能高的菌種，或者組建高效降解菌群重新投入環(huán)境中［29-30］。近年來，已發(fā)現(xiàn)能降解礦物油中某些烴類的微生物共約100 余屬200 多種，分屬于細(xì)菌、放線菌、酵母菌等，其中研究較多的是細(xì)菌，約占40 個屬［3］。污染的土壤和水體環(huán)境中通常存在大量可以降解潤滑油的微生物，可作為菌種分離來源，見表1。

表1 潤滑油降解菌的降解條件研究Table 1 Degradation conditions of bacterial strains for biodegradation of lubricating oil

2.2 高效降解菌種(群)強(qiáng)化修復(fù)的應(yīng)用

Chanthamalee 等［34］將篩選出的戈登氏菌用于修復(fù)船用潤滑油造成的海水污染，經(jīng)過5 d 的修復(fù)，測得含潤滑油量為100 ～1000 mg/L 的海水生物降解率達(dá)到42% ～56%，而僅含有土著細(xì)菌的潤滑油降解率僅為10%。但單一菌株能降解潤滑油中的組分有限，而構(gòu)建高效降解菌群利用其協(xié)同效應(yīng)，可以降解潤滑油中多種組分，是提高礦物潤滑油生物降解性的重要手段［35］。張楠等［36］從石油污染土壤中分離出4 株降解菌，探討了4 株菌的相互抑制作用和協(xié)同效應(yīng);結(jié)果表明，4 株菌無抑制作用且有顯著的協(xié)同效應(yīng)，組成的同生菌群比單一菌株降解HVI500 礦物基礎(chǔ)油的能力更強(qiáng)。Lee 等［37］也曾向潤滑油污染土壤中投加馬紅球菌(Rhodcoccus)、假單胞菌(Pseudomonas)和鞘氨醇單胞菌(Sphingomonas)的混合菌群，180 d 后，測得土壤中石油烴去除率達(dá)到54%。但高效菌群組合的機(jī)制還需進(jìn)一步探索研究，以便在不同的污染環(huán)境下，快速的組建高效降解菌群，及時有效的提高潤滑油生物去除率。

由于環(huán)境因素對微生物代謝繁殖影響較大且難以控制，可能導(dǎo)致投加的高效降解菌種(群)數(shù)量和活性迅速降低，無法達(dá)到預(yù)期修復(fù)效果。因此生物強(qiáng)化修復(fù)還可與生物刺激修復(fù)結(jié)合使用，盡力構(gòu)建微生物適宜的生長降解環(huán)境，保證微生物旺盛的新陳代謝，提高生物強(qiáng)化修復(fù)效果。當(dāng)前，向潤滑油污染區(qū)域投加高效降解菌種(群)后，對菌株(群)進(jìn)行強(qiáng)化修復(fù)的中間過程還尚不清楚;但在石油烴污染土壤生物修復(fù)中，已有研究報(bào)道利用T-RFLP、PCRDGGE 等［38-39］微生物分子生態(tài)學(xué)技術(shù)，分析研究降解菌株(群)發(fā)揮作用的過程、土壤微生物群落的結(jié)構(gòu)以及降解菌株(群)與土著微生物的相互作用，為生物強(qiáng)化修復(fù)中高效降解菌的篩選、修復(fù)過程的優(yōu)化以及修復(fù)效果的評估提供了重要依據(jù)［12］。今后，在潤滑油污染生物修復(fù)中也可引入微生物分子生態(tài)學(xué)技術(shù)，以便深入了解整個修復(fù)過程。

3 結(jié)束語

生物修復(fù)法因費(fèi)用低、效果好、無二次污染等優(yōu)點(diǎn)，已成為一種治理潤滑油環(huán)境污染的有效手段。今后，還有以下工作值得進(jìn)一步深入研究:①生物強(qiáng)化修復(fù)將是治理潤滑油污染的發(fā)展方向，而獲得高效降解菌種仍是研究的重點(diǎn);除環(huán)境選擇壓力篩選外，通過基因工程、誘變育種等生物技術(shù)也是獲得潤滑油高效降解菌種的另一途徑;②應(yīng)加強(qiáng)利用微分子生態(tài)學(xué)技術(shù)深入了解潤滑油污染生物強(qiáng)化修復(fù)的過程，以便優(yōu)化生物強(qiáng)化修復(fù)體系和開發(fā)出更高效的生物強(qiáng)化修復(fù)技術(shù);③通過向礦物基潤滑油中加入特定功能的添加劑，誘導(dǎo)其中微生物的生長繁殖，以及促進(jìn)烴類組分在水相中的溶解度來增大其被微生物利用的機(jī)會，從而提高礦物基潤滑油自身的可生物降解性，可作為減少潤滑油環(huán)境污染的一個探索方向。

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