海洋石油降解微生物及其降解機(jī)理

劉 秋， 張耀尹， 曹雪潔， 郭 浩， 于基成

(大連民族大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，遼寧 大連 116600)

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海洋石油降解微生物及其降解機(jī)理

劉 秋， 張耀尹， 曹雪潔， 郭 浩， 于基成

(大連民族大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，遼寧 大連 116600)

微生物修復(fù)作為一種新型環(huán)保的生物修復(fù)技術(shù)，已成為海洋石油污染生物修復(fù)的核心技術(shù)。對海洋石油降解微生物的種類即細(xì)菌、藍(lán)藻、真菌以及藻類進(jìn)行了總結(jié)，對微生物對石油烴的降解途徑與降解機(jī)理進(jìn)行了綜述。微生物降解烷烴的過程包括末端氧化、烷基氫過氧化物以及環(huán)己烷降解3種形式。微生物對芳香烴的降解是通過芳香烴被氧化酶氧化導(dǎo)致苯環(huán)開環(huán)來實現(xiàn)的。微生物對多環(huán)芳烴的降解是在單加氧酶或雙加氧酶的催化作用下被最終降解為二氧化碳和水而被分解。并對影響石油烴降解微生物的因素包括溫度、營養(yǎng)物質(zhì)等因素進(jìn)行了分析。

石油降解；海洋微生物；機(jī)理

隨著我國城市工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的腳步越來越快，能源的需求量與日俱增。海上原油運(yùn)輸、近海采油平臺及油港數(shù)量急劇上升。隨之而來的海上原油開采、運(yùn)輸和裝卸過程中突發(fā)的漏油、溢油事故日益增多，導(dǎo)致海洋環(huán)境中的石油污染狀況日趨嚴(yán)重，使海洋環(huán)境和海洋生態(tài)遭受到前所未有的破壞。如2010年7月，大連新港發(fā)生輸油管道爆炸事故，導(dǎo)致約1 500 t的原油流入海洋，造成430余平方公里海面污染的重大損失，引起了社會的廣泛關(guān)注。時隔一年的2011年6月，山東蓬萊19-3油田發(fā)生的溢油事故導(dǎo)致大量原油和油基泥漿泄漏入海，嚴(yán)重破壞了環(huán)渤海的生態(tài)環(huán)境。此次事故造成油田周邊及其西北部海域約870余平方公里海面受到嚴(yán)重污染，海水中石油含量嚴(yán)重超標(biāo)。這些日益嚴(yán)重的海洋溢油污染已經(jīng)成為我國近海海域的主要污染物。國家海洋局2015年發(fā)布的中國海洋環(huán)境狀況公報中指出石油類已經(jīng)成為我國近海海域主要三大污染要素之一，污染海域主要分布在遼東灣、渤海灣、萊州灣、江蘇沿岸、長江口、杭州灣、浙江沿岸、珠江口等近岸海域，我國近海海域的石油污染形勢已經(jīng)非常嚴(yán)峻[1]。 日益嚴(yán)重的海洋石油污染事件引起了世界各國相關(guān)管理部門及生態(tài)學(xué)家的密切關(guān)注。如何科學(xué)、高效地去除石油污染已經(jīng)成為亟待解決的科學(xué)和社會問題[2]。目前，常用于治理石油污染的方法包括物理法、化學(xué)法和生物修復(fù)。其中生物修復(fù)技術(shù)以其價格低廉、處理效果好、無二次污染、可對石油污染區(qū)域進(jìn)行原位修復(fù)等優(yōu)勢被視為最經(jīng)濟(jì)有效和最具使用前景的環(huán)境治理措施[3]。目前，生物修復(fù)作為一種新型環(huán)保的修復(fù)技術(shù)，已得到世界環(huán)保部門的認(rèn)可。而海洋環(huán)境的特殊性則使其中的微生物修復(fù)技術(shù)成為了海洋石油污染的核心生物技術(shù)。1989年美國在Exxon Vadez 油輪石油泄漏事故中應(yīng)用生物修復(fù)技術(shù)，在短時間內(nèi)通過富集石油降解微生物清除了石油污染，治理了環(huán)境，是微生物修復(fù)成功應(yīng)用的開端[4]。

1 海洋環(huán)境中石油降解微生物的種類與分布

自20世紀(jì)40年代以來，世界有關(guān)國家就陸續(xù)開始石油烴的生物降解及環(huán)境的生物修復(fù)技術(shù)研究[5-6]。這些研究表明，不同種類的石油降解微生物在海洋環(huán)境中分布廣泛。一旦海洋中其他的優(yōu)勢類微生物種群受到石油污染的抑制，那么與此同時那些具有石油降解功能的微生物則會迅速繁殖并成為海洋中的優(yōu)勢種群。目前在海洋環(huán)境中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)超過100多個屬的200多種微生物能夠降解石油，其中包括細(xì)菌(79個屬)、藍(lán)藻(9個屬)、真菌(103個屬)以及藻類(19個屬)[7-10]。

在海洋環(huán)境中，細(xì)菌在石油降解微生物中扮演著非常重要的角色。例如，無色桿菌屬(Achromobacter)、不動桿菌屬(Acinetobacter)、產(chǎn)堿菌屬(Alcaligenes)、節(jié)桿菌屬(Archrobacter)、芽胞桿菌屬(Bacillus)、黃桿菌屬(Flavobacterium)、棒狀桿菌屬(Coryneforms)、微桿菌屬(Microbacterium)、微球菌屬(Micrococcus)、假單胞菌屬(Pseudomonas)、放線菌綱(Actinomycetes)和諾卡氏菌屬(Nocardia)等。除了細(xì)菌之外，一些真菌在內(nèi)的包括曲霉屬、毛霉菌屬、鐮刀菌屬和青霉屬也是可用的石油降解微生物。不同類型的石油降解微生物如表1所示。

2 石油烴的降解途徑與降解機(jī)理

一般來說，石油化合物的生物降解過程包含三個過程。首先，石油化合物被吸附到微生物表面；其次，這些石油化合物被轉(zhuǎn)移到微生物細(xì)胞膜上；然后這些化合物在微生物的細(xì)胞中被降解，最終被降解成各種小分子物質(zhì)。表2列出了幾種典型的石油降解微生物及其相應(yīng)的被降解物質(zhì)。

目前，許多研究認(rèn)為各種石油成分的降解途徑其實是一種氧化過程(如烷烴、多環(huán)芳烴等)[35]。然而由于不同的石油化合物，例如飽和烴、芳香族、樹脂以及瀝青質(zhì)餾分等具有不同的結(jié)構(gòu)，所以它們的降解途徑是不相同的。

表1 典型的石油降解微生物Table 1 The typical oil-degrading microorganisms

表2 石油降解微生物及其降解物質(zhì)Table 2 Oil-degrading microorganisms and its degrading substances

2.1 烷烴和環(huán)烷烴的降解過程

烷烴(通式為CnH2n+2)是一種典型的飽和烴，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是碳原子之間通過單鍵連接呈鏈狀。環(huán)烷烴(通式為CnH2n)，是另一種具有幾個碳環(huán)的飽和烴。如圖1所示，微生物降解烷烴的過程可分為3種形式：末端氧化、烷基氫過氧化物以及環(huán)己烷的降解?；旧?，烷烴是通過微生物的某些酶(如氧化酶、脫氫酶等)催化轉(zhuǎn)化為脂肪酸，然后逐步代謝為CoA并進(jìn)入三羧酸循環(huán)代謝，最終轉(zhuǎn)化為CO2和H2O[36]。在這個過程中，酶(如烷烴單加氧酶、脂肪醇脫氫酶、脂肪醛脫氫酶等)在有效降解的催化過程中發(fā)揮著非常重要的作用。就像烷烴一樣，環(huán)烷烴的生物降解原理也是末端氧化。首先，環(huán)烷烴被各種氧化酶氧化為醇，然后通過脫氫酶轉(zhuǎn)化為酮，最后再被氧化為酯酶或脂肪酸。如圖1所示，環(huán)己烷依次轉(zhuǎn)化為環(huán)己醇、環(huán)己酮、脫氫酶和脂肪酸，最終被降解為CO2和 H2O。

2.2 芳香烴的降解途徑

芳香烴的降解過程如圖2所示：首先，芳香烴被氧化酶氧化成二氫二醇；然后，二氫二醇被降解為鄰苯二酚，在鄰苯二酚的降解過程中分別進(jìn)行鄰位和間位的開環(huán)反應(yīng)。最后，這些化合物被氧化為長鏈化合物并逐漸被代謝為CoA[37]。

一些真菌和細(xì)菌可以降解芳香烴，但是它們的降解途徑是不盡相同的。以細(xì)菌為例，芳香烴是被2個氧原子氧化并轉(zhuǎn)化為多環(huán)芳烴。而真菌則是將芳香烴氧化轉(zhuǎn)化為反式二氫二醇[38]。

圖1 烷烴和環(huán)烷烴的降解途徑Fig.1 Degradation pathway of alkanes and cycloalkanes

圖2 芳香烴的降解途徑Fig.2 Degradation pathway of Aromatic Hydrocarbon

2.3 多環(huán)芳烴(PAHs)的降解途徑

多環(huán)芳烴(PAHs)通常是高致癌、致突變和致畸的物質(zhì)，所以它的降解機(jī)制備受關(guān)注。它可以在酶的催化作用下被降解為乙二醇和鄰苯二酚基團(tuán)，然后進(jìn)一步分解為CoA或琥珀酸[39]。如圖3所示，多環(huán)芳烴(PAHs)分別被酵母和細(xì)菌降解時，它們的降解途徑是不盡相同的。

多環(huán)芳烴很難被降解，其降解程度根據(jù)其溶解性、苯環(huán)的數(shù)量、取代基種類和數(shù)量以及雜環(huán)原子的性質(zhì)所決定。

圖3 多環(huán)芳烴(PAHs)的降解途徑Fig.3 Degradation pathways of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs)

3 影響石油烴微生物降解的因素

3.1 溫度的影響

影響石油烴微生物降解的因素有很多。石油烴的組成和固有的微生物降解特性是第一個也是最重要的考慮因素。在物理因素中，溫度對碳?xì)浠衔锏纳锝到馄鹬种匾淖饔?，會直接影響污染物的化學(xué)成分，同時還會影響生物種群的生理性和多樣性。Atlas[4]發(fā)現(xiàn)在低溫環(huán)境中，石油的黏度會增加，而有毒的低分子化合物波動性會減小，從而延緩了微生物降解作用。溫度也會影響石油烴的溶解性。雖然石油烴的微生物降解可發(fā)生的溫度范圍很大，但微生物的降解效率一般隨溫度的降低而減小[40]。

3.2 營養(yǎng)物質(zhì)的影響

營養(yǎng)物質(zhì)對石油烴的生物降解作用十分重要，尤其是氮、磷和某些鐵類元素。但某些營養(yǎng)物質(zhì)可能成為限制因素，從而影響生物降解過程。當(dāng)在海洋和淡水環(huán)境中發(fā)生重大溢油事故時，碳源含量會明顯增加，而此時氮、磷的有效性則成為了石油降解的限制因素[41]。由于海洋環(huán)境中的氮磷濃度低，這種現(xiàn)象在海洋環(huán)境中尤為明顯[42]。

3.3 其他因素

石油烴的降解需要大量的氧氣，而由于石油阻隔海氣交換會直接導(dǎo)致污染海域缺氧，因此在石油污染嚴(yán)重的海域，氧可能會成為石油降解的限制因素。另外，Maki等[43]報道，通過光氧化作用也可提高微生物的活性，從未提高石油烴的生物降解性。

4 展 望

經(jīng)過多年的研究，微生物修復(fù)技術(shù)在海洋石油烴污染修復(fù)中已越來越引起人們的關(guān)注，也取得了很多令人矚目的成果，但仍然存在著一些不足，如修復(fù)效率慢、海洋面積龐大并且容易受周圍環(huán)境因素影響等。石油烴的微生物降解是一個十分復(fù)雜的過程，降解效率主要受其理化性質(zhì)及碳?xì)浠衔锏暮?、微生物的種類和周圍環(huán)境參數(shù)的影響[3]，因此在微生物修復(fù)過程中，采用各種生物強(qiáng)化技術(shù)來提高微生物降解的效率是十分必要的。微生物修復(fù)的許多機(jī)理和過程尚未完全明確,該領(lǐng)域的研究還需進(jìn)一步拓寬和深入。由于石油組分的復(fù)雜性，發(fā)揮微生物的協(xié)同作用，開展其共代謝機(jī)制研究等，也已逐漸成為海洋石油污染生物修復(fù)技術(shù)的主要研究方向。

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Marine Oil degradation Microorganism and Its degradation Mechanism

LIU Qiu, ZHANG Yao-yin, CAO Xue-jie, GUO Hao, YU Ji-cheng

(DalianNationalitiesUniversity，CollegeofLifeScience，Dalian116600)

As a new kind of environmental protection technology, microbial remediation has become the core technology of bioremediation of marine oil pollution. In this paper, the types of marine oil degrading microorganisms, namely bacteria, cyanobacteria, fungi and algae, are summarized. Mechanism of microbial degradation of petroleum hydrocarbons is reviewed. Degradation process of microbiolorganisms for alkanes includesterminal oxidation, alkyl hydrogen peroxide and cyclohexane degradation. Microbial degradation of aromatic hydrocarbons are be achieved by aromatic ring opening due to oxidase catalytic action. Microbial degradation of polycyclic aromatic hydrocarbons is achieved by the catalytic action of a single-or double-aerobic enzyme, polycyclic aromatic hydrocarbons are ultimately degraded to carbon dioxide and water at last. The factors that affect the biodegradation of petroleum hydrocarbons, including temperature, nutrients and other factors, are also analyzed.

Oil degradation; Marine microorganism; Mechanism

國家自然科學(xué)基金項目( 21276047,31270057,2014003017)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項資金(DC201501020201,DC201502020403)

劉秋 女, 教授，碩士生導(dǎo)師。主要從事海洋微生物及其應(yīng)用研究。 E-mail:liuqiu@dlnu.edu.cn

2016-05-03

劉秋，教授，大連民族大學(xué)碩士生導(dǎo)師，大連理工大學(xué)博士生導(dǎo)師，大連民族大學(xué)優(yōu)秀學(xué)術(shù)帶頭人。兼任中國植物病理學(xué)會生物防治委員會委員，遼寧省微生物學(xué)會常務(wù)理事，遼寧省植物保護(hù)學(xué)會常務(wù)理事，泛環(huán)渤海生物化學(xué)與分子生物學(xué)會理事，遼寧省生物工程專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會委員。先后主持4項國家自然科學(xué)基金，教育部中央高?？蒲袑ｍ?項，多項遼寧省自然科學(xué)基金、遼寧省教育廳項目、國家民委科技項目、大連市科學(xué)技術(shù)基金等科研課題。獲得遼寧省教學(xué)成果二等獎1項，三等獎1項，農(nóng)業(yè)部科技進(jìn)步三等獎、遼寧省科技進(jìn)步三等獎等省部級科研獎勵7項。發(fā)表論文60余篇，其中被SCI收錄10余篇，著作教材4部，獲批授權(quán)專利3項，申報專利7項，聯(lián)合培養(yǎng)博士生4名，碩士生15名。主要從事微生物多樣性及功能微生物篩選及應(yīng)用研究，尤其是在海洋石油污染的生物修復(fù)領(lǐng)域成效顯著，利用海洋功能微生物開展石油污染的生態(tài)修復(fù)、植物病害生物防治、免疫性魚用飼料及海水凈化劑方面進(jìn)行了深入研究。在教學(xué)中，多次獲得教學(xué)質(zhì)量獎和教育教學(xué)成果獎，并被評為大連民族大學(xué)和大連市優(yōu)秀教師。

Q939.9

A

1005-7021(2016)03-0001-06

10.3969/j.issn.1005-7021.2016.03.001