海洋溢油的生物修復及其影響因素

程千卉，賈新苗，田勝艷

(天津科技大學海洋與環(huán)境學院 天津市 300457)

海洋溢油的生物修復及其影響因素

程千卉，賈新苗，田勝艷

(天津科技大學海洋與環(huán)境學院 天津市 300457)

伴隨海上石油開采和海洋石油運輸?shù)陌l(fā)展，海上溢油事故頻發(fā)，嚴重危害生態(tài)環(huán)境并威脅人類健康。利用微生物的代謝活動去除污染物，降低事故現(xiàn)場污染物濃度或使其無害化的技術，稱為生物修復(Bioremediation)。因其經(jīng)濟和環(huán)保兩大優(yōu)勢受到越來越多的關注。本文綜述溢油在海洋環(huán)境中可能發(fā)生的轉(zhuǎn)化與歸趨基礎上，分析了生物修復技術的特點及其影響因素。

溢油；海洋；生物降解；風化；沉積物

伴隨海洋石油開采與運輸?shù)陌l(fā)展，海洋石油泄漏事故時有發(fā)生[1]。海洋溢油事故不僅造成巨大的經(jīng)濟損失，同時污染了海洋動植物的生存環(huán)境，危及了它們的生命，對海洋生態(tài)環(huán)境造成了極大的危害。例如，1989年阿拉斯加威廉王子灣?？松就郀柕掀澯洼喰孤┦录l(fā)生幾個月內(nèi)，溢油海域發(fā)現(xiàn)約3萬只鳥類 (＞90種)死亡。此外，原油中含有的劇毒、有潛在致癌風險的物質(zhì)，會長期存留在環(huán)境之中，從而增加了海洋生物和當?shù)鼐用竦谋┞讹L險。鑒于溢油對海洋生物和生態(tài)環(huán)境有如此嚴重的危害，溢油事故的處理與修復工作就變得尤為重要。目前海上溢油的處理方法可分為:物理法、化學法和生物法[2]。物理處理技術主要是通過對石油進行聚集、移除等方式降低石油濃度，這種方法不能徹底清除環(huán)境中的溢油，尤其是溶解態(tài)油；化學處理法則是通過使用分散劑和固化劑等使油在海水中乳化、分散、溶解或沉降到海底，其最大的弊端就是容易造成二次污染；生物法則是將石油烴進行生物降解轉(zhuǎn)化為水和二氧化碳以及生物自身的生物量，可對石油進行徹底的清除[3]。而且生物處理方法相比另外兩種方法的費用較低，是一種經(jīng)濟效益和環(huán)境效益俱佳的、解決復雜環(huán)境污染問題的有效方法。特別是生態(tài)敏感區(qū) (如養(yǎng)殖區(qū)、旅游區(qū)等)以及潮灘和海灣區(qū)域，生物修復技術是應用前景非常廣闊的溢油處理技術。生物修復的基礎是自然界的生物降解過程，然而環(huán)境中微生物的自然降解過程受到諸多條件限制，通常降解速率較慢，不能快速去除污染物，難以實際推廣和應用，人為控制條件促進生物降解過程的修復才算是生物修復技術。本文對海洋溢油生物修復方面的研究進行了總結，在闡述溢油在海洋環(huán)境中的歸趨行為基礎上陳述溢油生物修復技術的特點，并分析了影響海洋溢油生物降解的主要因素。

1 溢油在海洋中的 “命運”

溢油事故發(fā)生后，為了快速降低海洋中的油濃度，并阻止其擴散，減小其污染范圍，通常先采用物理處理法，即用油回收船、吸油材料等物理方式對溢油進行回收。例如發(fā)生在韓國境內(nèi)的“河北精神”號溢油事故發(fā)生后相關部門就立即對油船的破裂口進行了緊急封堵，并根據(jù)受污染海岸、沙灘和海面的具體情況，組織人員采取了機械回收、毛氈吸附、手工清除等多種方法清理油污，并在環(huán)境敏感區(qū)域布設了7.7 km的圍油欄[4]；美國墨西哥灣原油泄漏事故發(fā)生后馬上在海底漏油口安裝吸油管并對油井進行封堵，通過鋪設圍油欄、稻草墻和防護堤壩等措施設置隔離帶，并每天投放大量的分散劑 (Corexit 9500 和Corexit EC9527A)，同時使用吸油棒吸油[5]。在這些處理過程中，油組分中分子量在150左右或更小的輕組分會蒸發(fā)進入大氣，并發(fā)生光氧化和光降解。有研究發(fā)現(xiàn)，添加TiO2光催化劑可以加速油的降解；低分子量的芳香烴和脂肪烴等組分則溶解進入海水。海洋中天然存在著的大量微生物可對石油烴進行生物降解。溢油降解過程是多種烴類降解菌協(xié)同作用的結果，其菌群組成隨烴類組成而變化。例如，溢油事故發(fā)生早期，正烷烴和環(huán)烷烴是主要成分，主要被海洋螺旋藻 (Oceanospirillales，后來被稱為Oceaniserpentilla)降解；而在事故晚期，簡單的芳香族化合物是主要組分，主要由Colwellia降解[6]。自然條件下，溢油還會隨波浪、海流等漂移到海灘或海灣內(nèi)，也會進入到孔隙水或吸附于沉積物中。與海水環(huán)境相比，孔隙水和潮間帶地區(qū)底層沉積物中的殘油相對難以清除，而孔隙水和沉積物中的殘油又會緩慢地釋放進入海水中，繼續(xù)影響海洋環(huán)境[7]。幾起溢油事故中，最終大量溢油存在于潮間帶沉積物中，盡管發(fā)生了風化作用 (所有能改變石油組成和環(huán)境行為的物理、化學、生物過程，包括擴散、蒸發(fā)、溶解、光氧化，分散和乳化[8])，但是依然存在高濃度的潛在有毒物和致突變污染物 (多環(huán)芳烴)。這可能是因為沉積層中物質(zhì)交換緩慢和部分地區(qū)潮汐能能量相對較弱。由此可見，溢油在海洋環(huán)境中的命運因其所處的地理位置而異，因而了解石油在環(huán)境中的轉(zhuǎn)化，才能實施合適的清除措施，準確評估溢油對環(huán)境的影響。

2 海洋溢油生物修復技術

2.1 生物修復

生物修復(Bioremediation)是指利用生物的代謝活動降解有機污染物，從而去除環(huán)境污染的受控或自發(fā)進行的過程[9]，主要是利用微生物的代謝活動來減少污染現(xiàn)場污染物的濃度或使其無害化，其本質(zhì)是開發(fā)利用微生物的新陳代謝活動及基因的多樣性，把污染物轉(zhuǎn)化為無污染的終產(chǎn)物，重新進入生物地球化學循環(huán)。自然環(huán)境中烴類物質(zhì)的降解主要是細菌起作用，烴類降解菌無處不在，研究發(fā)現(xiàn)天然環(huán)境中存在超過20個海洋烴降解菌屬，這些菌屬可以降解石油使其無害化。受此啟發(fā)，對這些降解菌進行人工篩選、培育、改良，然后將其投放到受污海域，對石油烴類進行生物降解。應用生物修復技術處理溢油事故的首次記錄是清除1972年美國賓夕法尼亞州Ambler管線泄漏的汽油。而1989年處理美國阿拉斯加石油污染是首次大規(guī)模成功應用生物修復技術，被認為是生物修復史上的里程碑[10]。

目前主要有兩種生物修復技術:生物刺激和生物強化。生物刺激是指利用石油污染環(huán)境中的土著菌，通過投加表面活性劑或N、P營養(yǎng)鹽的方法促進微生物降解速率。投加表面活性劑，主要是利用表面活性劑中的兩親基團增加油-水界面，促進石油乳化，從而增加石油與海水中微生物的接觸面積。如陰離子表面活性劑改進了憎水性有機物的親水性，增加了其生物可利用性，進而促進了有機物的降解[11]。投加N、P等營養(yǎng)元素則是為微生物降解石油過程提供能量以促進微生物對石油的降解作用[10]。這兩種方法均存在一定的局限性，盡管表面活性劑可以增加細菌對原油的可利用性，但也可能造成環(huán)境的二次污染；雖然投加N、P等營養(yǎng)素的方法對石油污染的海洋環(huán)境進行生物修復的研究相對較多[12，13]，但其效果并不理想，這是由于土著微生物雖然具有巨大的降解潛力，但其降解能力受到其生長速度和代謝活性的制約，而且有時容易受到污染物的影響使土著菌的數(shù)量急劇下降[14]。

生物強化技術則是通過向油污染的海水中引入高效降解菌株來實現(xiàn)生物修復的方法。1990年墨西哥灣和1991年德克薩斯海岸實施接種的現(xiàn)場，生物修復處理取得成功，證明了生物強化方法的可行性[15]。Tsutsumi.H.等人采用從不同環(huán)境條件下篩選出的復合菌群TerraZymeTM，在實驗室和現(xiàn)場分別進行了溢油的生物修復試驗[16，9]，結果表明復合菌群對生物降解起到了顯著的強化作用[16]。近期國內(nèi)應用組合菌群降解海洋溢油的實際修復研究方面也有新的進展，針對2012年渤海灣發(fā)生的嚴重海溢油事故，鄭立等人[17]應用降解菌群在大連溢油海灘進行的實地修復實驗取得了顯著的降解效果。

2.2 生物修復的影響因素

要實現(xiàn)油的生物降解，必須滿足以下條件:(1)油水界面有足夠數(shù)量的石油降解菌以及電子受體； (2)滿足石油降解菌生長所需要的營養(yǎng)物質(zhì)。 (3)此外，石油的風化程度、環(huán)境溫度等因素的影響也不容忽視。

石油降解菌的數(shù)量以及氧氣等會影響降解效果。有研究表明當細菌數(shù)超過104-105個/cm3時可加速烴的降解速率[18]。石油烴的降解需要大量的氧氣，因為石油烴自然降解過程中氧是作為電子受體。而由于石油阻隔海氣交換會直接導致污染海域缺氧，因此在石油污染嚴重的海域，氧可能會成為石油降解的限制因素[19]。另外，Maki 等[20]報道，通過光氧化作用可提高微生物的活性，增強生物利用度從而增加了原油中易感生物降解的組分的量[21]，提高石油烴的生物降解性。降解速率則取決于油的類型、光強度和主要的環(huán)境參數(shù)[22]。

至于營養(yǎng)鹽的影響，有諸多研究表明營養(yǎng)鹽濃度是影響石油烴降解菌降解能力的限制因素，尤其是氮、磷和鐵類元素。當海洋和淡水環(huán)境中發(fā)生重大溢油事故時，碳源含量迅速增加，因而氮、磷濃度就成為了石油降解的限制因素[23]。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[24]。有研究表明，氮濃度在2-10 mgN/L之間可支持最大限度生物降解的需要。1994年在特拉華灣的調(diào)查表明，氮濃度在3-6 mgN/L之間的生物降解率比平均氮濃度0.8 mgN/L的自然降解組的生物降解速率高2-3倍，生物降解1 g原油需要約0.04 gN[25]、3 g氧氣[26]。

風化程度也是一個影響因素。曾今有研究人員提出一個風化指數(shù)MWI(t時刻生物標記歸一化的總多環(huán)芳烴 (TPAH)濃度除以0時刻生物標記歸一化的總多環(huán)芳烴濃度)來估計油的風化程度以確定是否對溢油進行進一步的處理[27]，并認為如果風化指數(shù)為70 %或者更大，那么進一步嘗試生物降解是徒勞的。為了驗證石油的風化程度對生物降解的影響，Albert.D.Venosa[8]等人進行了實驗。他們在威廉王子灣 (1989年?？松ね郀柕掀澮缬偷攸c)選擇3個風化指數(shù)分別為76 %(KN114A)、60 %(SM006B)和30 %(EL107)的位點取了沉積物。每份沉積物中加入石油降解菌，每個位點都設有自然組、營養(yǎng)物添加組和添加營養(yǎng)的陽性對照組。然后每個組都模擬潮間帶油層被水浸沒的過程。陽性對照組中加入的是干凈的未受污染的沉積物和已風化可生物降解的原油，其目的是弄清楚海水、油或者沉積物的一些其他特性是否會抑制細菌的生長。結果顯示3個位點之中風化指數(shù)最高的KN114A的生物降解速率是最大的。這表明殘油的可降解性與風化程度無關，之前提出的MWI是過度單純化的，它不能預測能否成功進行生物降解[8]。同時結果也顯示不論哪個位點，營養(yǎng)物添加組的生物降解速率要明顯高于自然組。由此可見，營養(yǎng)物質(zhì)能顯著地刺激生物降解。而陽性對照組對TPAHs的降解率是比較低的，這暗示了陽性對照組中的微生物組成不同于那3個位點，而且石油降解菌的數(shù)量可能比較小。

溫度對生物修復技術的影響體現(xiàn)在影響污染物的化學成分和生物種群的生理性和多樣性兩個方面。Atlas[28]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，從而延緩了微生物的降解作用。溫度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[29]。

4 結 語

對海洋溢油實施生物降解是目前最具生態(tài)效益和經(jīng)濟效益的的方法，但其實際應用中尚存在著一些困難和限制因素，如修復效率慢、海洋面積龐大等很多不可控的環(huán)境因素。影響生物降解的主要因素有石油降解菌群種類、營養(yǎng)物濃度、溢油的風化程度等。根據(jù)這些因素我們可以研究如何篩選高效的石油降解菌，提高降解菌的抗逆性以及開展共代謝機制的研究，發(fā)揮微生物協(xié)同作用；可以認為投加適量的營養(yǎng)鹽改善微生物生長環(huán)境促進降解速率等。雖然實際的溢油海洋環(huán)境具有很多不可控制的因素，包括物理、化學及生物因素，但是這些不可控因素并非主要因素，針對本文列出的影響生物修復的主要因素，開發(fā)新的技術及方法使生物修復發(fā)揮更好的效果，在不久的將來一定能大規(guī)模的應用到實際中。

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2017-06-28