海上溢油污染治理中的生物修復(fù)技術(shù)應(yīng)用

劉銘輝,李蘇航,劉濤,盧文玉

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司 北京安全環(huán)保工程技術(shù)研究院，天津 300457；2.中海石油環(huán)保服務(wù)(天津)有限公司，天津 300457；3.天津大學(xué) 化工學(xué)院 系統(tǒng)生物工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；4.中海油節(jié)能環(huán)保服務(wù)有限公司，天津 300457)

由于鉆井事故及船舶泄漏導(dǎo)致的突發(fā)性石油泄漏事故達(dá)到46.7%。中國(guó)作為海上石油開采及運(yùn)輸大國(guó)，同樣面臨海上石油泄漏污染的嚴(yán)峻形勢(shì)，防范石油泄漏已成為海洋環(huán)境保護(hù)的重大目標(biāo)。本文闡述了溢油生物修復(fù)技術(shù)的技術(shù)特征和前景應(yīng)用，分析生物降解菌群和表面活性劑開發(fā)方向，為該領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

1 國(guó)內(nèi)外海上溢油污染現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外海上溢油污染現(xiàn)狀

美國(guó)、英國(guó)、日本、瑞典等國(guó)早在20世紀(jì)70年代就逐步完善了統(tǒng)一在有關(guān)法規(guī)下的溢油處理體系[1]。

溢油事故發(fā)生后，為降低海洋中油污濃度，通常先采用物理法預(yù)處理，阻礙污染繼續(xù)擴(kuò)散，減小污染范圍，一般采用吸油材料對(duì)溢油進(jìn)行回收。例如，2007年，“河北精神”號(hào)與1.1萬t拖船相撞，在油船左側(cè)的3個(gè)油艙發(fā)生破裂，1.081萬t原油流入海中，致使當(dāng)?shù)睾Ｑ笊锶ζ胶獗淮蚱?。救險(xiǎn)人員采取了機(jī)械回收、毛氈吸附、手工清除等多種物理方法清理油漬，并設(shè)置了7.7 km左右的圍油柵欄[2-3]。BP公司每日加筑圍油欄，增加稻草墻或設(shè)置隔離帶等設(shè)施，并投加大量化學(xué)分散劑，同時(shí)使用吸油棒吸油。為了保證安全，BP公司繼續(xù)在漏油油井東西2個(gè)方向各鉆1口減壓井，從減壓井中向漏油油井注入重泥漿，以實(shí)現(xiàn)徹底封堵[4]。

1.2 國(guó)內(nèi)海上溢油污染現(xiàn)狀

2004年1月16日，“利達(dá)洲18”輪從營(yíng)口駛向南京途中在復(fù)州灣水域因失火而失去動(dòng)力，1月21日，船尾部“坐底”，致使燃油、輕柴油、滑油及少量貨油流出,大連港口碼頭部分區(qū)域鋪滿了混合污油。針對(duì)本次事件發(fā)生，大連海事局立即制定了“一清、二起、三駁”的解決方針。在該次應(yīng)急處置過程中，除了需要救援隊(duì)伍的技術(shù)操作外，圍油欄、吸油氈等清油物資也極為重要[5]。分析應(yīng)急措施，發(fā)現(xiàn)所存在的問題：①海域劃分區(qū)域并不完善，一些海區(qū)未被劃定，應(yīng)急演習(xí)應(yīng)需加強(qiáng);②各項(xiàng)法律法規(guī)與賠償體系尚且不完善，對(duì)于大多數(shù)船舶在航線航行時(shí)并未進(jìn)行投保，因此，如遇到應(yīng)急事故，未能及時(shí)清繳清油除污等費(fèi)用，影響清污工作的進(jìn)行。2010年7月16日，大連大孤山保稅1期倉庫原油管道發(fā)生火災(zāi)，發(fā)生6次爆炸，造成約50 km2的海域污染。本次溢油雖總量少，卻分散成細(xì)碎顆粒狀進(jìn)行擴(kuò)散，且擴(kuò)散面積大。大連市有關(guān)部門立即啟動(dòng)了遙感監(jiān)測(cè)對(duì)海上浮油面積進(jìn)行監(jiān)測(cè)及對(duì)海水水質(zhì)中石油狀況實(shí)施海域監(jiān)測(cè)。其暴露的相關(guān)問題依舊是關(guān)于賠償體系不完善等問題，致使上百戶漁民的損失未得到解決。應(yīng)建立油污損害賠償基金，為受災(zāi)者提供相應(yīng)的補(bǔ)償[6]。

無論哪種突發(fā)的溢油事件，均會(huì)造成海洋生物鏈的破壞，增加海上溢油實(shí)戰(zhàn)模擬演習(xí)，從中發(fā)現(xiàn)問題，制定完善的應(yīng)急處置方案，加強(qiáng)整體隊(duì)伍技術(shù)的提升，出臺(tái)相應(yīng)的法律法規(guī)，做到應(yīng)對(duì)從容。

2 海上溢油污染處置技術(shù)

近30年，我國(guó)海域發(fā)生溢油事故近200起，僅2000年就發(fā)生了38起,總溢油量超過3萬t。有關(guān)統(tǒng)計(jì)表明，在20世紀(jì)90年代以后，我國(guó)海上溢油事故發(fā)生的頻率增加，并且每次溢油數(shù)量也呈現(xiàn)不斷增加的趨勢(shì)。然而，我國(guó)的溢油應(yīng)急防治設(shè)備相對(duì)于歐美發(fā)達(dá)國(guó)家也不完善，有效防治溢油工作成為阻礙我國(guó)發(fā)展的難題[7]。

目前海上溢油的處理方法可分為物理法、化學(xué)法和生物法。常用到的物理法包括圍油欄法、機(jī)械回收法和吸附法等。近些年來，圍油欄法向快速、簡(jiǎn)潔、便于操作方向發(fā)展。利用油回收船和撇油器是機(jī)械回收溢油的主要途徑，目前已經(jīng)有幾十種撇油器相繼研究成功。吸油材料的優(yōu)點(diǎn)是使用快捷，原料豐富，成本低；缺點(diǎn)是吸油量較小且部分材料不可進(jìn)行生物降解?；瘜W(xué)法即一般采用化學(xué)制劑達(dá)到消油的目的，按其原理一般分為3類：分散劑、集油劑、凝油劑；將分散的油滴進(jìn)行匯聚并緊密結(jié)合起來，以便于吸油器回收，該試劑稱之為集油劑[8]；若使溢油凝固成膠狀油團(tuán)，漂浮于水面，后用拖船回收，這類試劑稱為凝油劑。從生物學(xué)角度看，化學(xué)制劑的毒性不亞于溢油的危害，且具有二次污染。

利用微生物來降解污染水域中的石油烴及浮油比物理法與化學(xué)法有著天然的優(yōu)勢(shì)，利用微生物本身的特性，轉(zhuǎn)化、降解并去除環(huán)境污染物，恢復(fù)本來樣貌的過程稱為生物修復(fù)[9]。美國(guó)在20世紀(jì)70年代就開始了生物修復(fù)技術(shù)在海上溢油問題的研究，現(xiàn)已進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段，得到了良好的效果，使被破壞的海洋生態(tài)環(huán)境恢復(fù)了本來面貌，為其他國(guó)家應(yīng)用生物修復(fù)技術(shù)處置海洋溢油問題提供經(jīng)驗(yàn)[10]。

3 海上溢油污染生物修復(fù)技術(shù)

溢油修復(fù)針對(duì)海上泄漏的石油，其本質(zhì)是利用微生物的代謝活動(dòng)將污染油污代謝為無害物質(zhì)進(jìn)入生態(tài)圈循環(huán)。海上石油主要由烴類物質(zhì)組成，而自然界中的烴類降解菌廣泛分布在海洋、土壤以及被石油污染地中，有相關(guān)研究證實(shí)自然環(huán)境中存在幾十種烴類降解菌屬。利用生物技術(shù)修復(fù)海上溢油問題一般有以下兩種方法。

3.1 生物強(qiáng)化法

生物強(qiáng)化法是指利用圍油欄將溢油區(qū)域圍起來，使之聚集，并向其加入降解能力強(qiáng)的菌株制劑，將收集好的污油進(jìn)行降解吸收。烴類降解菌可以從土壤中進(jìn)行富集，也可以從油污污染嚴(yán)重區(qū)域取樣富集，當(dāng)然，還可以利用改造過的基因工程菌株。構(gòu)建基因工程菌株的核心技術(shù)，通過分析菌種降解烴類有機(jī)物的降解途徑，對(duì)特定的路徑進(jìn)行強(qiáng)化或者對(duì)選用的目的基因進(jìn)行改造，使之降解率提高。文獻(xiàn)[11]從不同環(huán)境條件下篩選出復(fù)合菌群Terra Zyme TM，在實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)分別進(jìn)行了溢油的生物修復(fù)試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明Terra Zyme TM表現(xiàn)出極高的油脂類生物降解能力。文獻(xiàn)[12]通過建模的方法，通過對(duì)微生物添加電子供體刺激六氯環(huán)己烷的降解。美國(guó)一些公司正在研究開發(fā)生物修復(fù)技術(shù)制劑，并將其商品化。

3.1.1 直接投加高效降解微生物或共代謝基質(zhì)

直接在目標(biāo)污染物中投加高效降解的微生物是最普遍也是最簡(jiǎn)潔的技術(shù)手段，利用馴化、基因誘變、基因重組技術(shù)使微生物可利用污染物為碳源，對(duì)污染物高效去除，其主要針對(duì)一些難降解的污染物如苯系物、酚類物質(zhì)等。此法一般應(yīng)用于廢水、廢氣處理較多。文獻(xiàn)[13]利用自行研發(fā)高效菌去除焦化廢水COD、氨氮，使COD從210 mg/L降至162 mg/L，氨氮從48 mg/L降至15 mg/L。文獻(xiàn)[14]以天津港沉積池為菌種采集地，構(gòu)建高效降解石油混合菌群，對(duì)原油降解最高可到66.9%。

3.1.2 固定化生物強(qiáng)化技術(shù)

固定化方法主要以吸附法和包埋法為主，吸附法是利用物理材料吸附或離子結(jié)合的作用，將微生物菌體固定在有吸附特性載體的內(nèi)部或表面，伴隨吸附量的增加以及微生物自身的生長(zhǎng)繁殖，在吸附材料表面形成一層生物膜。包埋法是指通過凝膠作用，將微生物菌體包埋進(jìn)載體材料內(nèi)部的一種方法。由于其操作簡(jiǎn)潔、且對(duì)細(xì)胞活性幾乎無影響、固定化細(xì)胞效果好，是目前應(yīng)用最為廣泛的固定化方法。文獻(xiàn)[15]人選用海藻酸鈉、聚乙烯醇和河沙作為載體包埋固定化復(fù)合菌，制備成包埋固定化復(fù)合菌微球來處理廢水，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)包埋固定化后的高效降解復(fù)合菌小球具有菌種活性高、微生物濃度高、對(duì)環(huán)境條件的適應(yīng)范圍更廣等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)比直接投加菌體或菌液所造成的微生物流失固定化損失更小。當(dāng)然，固定化技術(shù)對(duì)環(huán)境變化適應(yīng)性也減小。目前并未見相關(guān)報(bào)道將固定化生物強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)用于海上溢油的處置問題，后續(xù)技術(shù)有待進(jìn)一步研究。

3.2 生物刺激法

篩選石油污染環(huán)境中的原始菌株，通過外源添加生物表面活性劑或氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素，提高生物降解速率，利用表面活性劑兩性基團(tuán)，增加水油的親密性，促使石油以乳濁液形式分散于水中，進(jìn)而增加微生物與石油的接觸面積，促進(jìn)污染物的降解[16]。

生物表面活性劑是微生物在特定條件培養(yǎng)下由代謝產(chǎn)生的一種同時(shí)擁有疏水基團(tuán)與親水基團(tuán)一體的化合物，具有良好乳化、增容及分散的效果。生物表面活性劑除了具有與化學(xué)表面活性劑相同的性質(zhì)，如降低表面張力、穿透性、分散性等，還具有發(fā)泡、潤(rùn)濕、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、生態(tài)安全、原料來源范圍廣等特點(diǎn)。根據(jù)化學(xué)結(jié)構(gòu)的不同可將生物表面活性劑分為糖脂、脂肽和脂蛋白、脂肪酸和磷酸、多聚生物表面活性劑和特殊生物表面活性劑5大類[17]。目前應(yīng)用較為廣泛的為槐糖脂、鼠李糖脂與海藻糖脂。文獻(xiàn)[18]在近海石油污染試驗(yàn)基地投放了表面活性培養(yǎng)液，20 d可降解模擬海水中72%的原油；淡水中原油的降解率高達(dá)78%。生物表面活性劑已成功應(yīng)用于海上溢油的事故處理，但其成本遠(yuǎn)高于化學(xué)表面活性劑。未來的研究方向不僅針對(duì)高產(chǎn)菌株的選育、生產(chǎn)優(yōu)化，對(duì)于生物表面活性劑的物理結(jié)構(gòu)與理化性質(zhì)也要開展更深入的研究。

4 結(jié)論

比較多種溢油處置方法，實(shí)施生物降解是目前最環(huán)保且擁有經(jīng)濟(jì)前景的方法，但在我國(guó)并未進(jìn)行大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用，由于海洋環(huán)境的復(fù)雜化導(dǎo)致生物修復(fù)周期過長(zhǎng)，修復(fù)效率低。生物降解率也因多因素的變化而變化，影響生物降解率的主要因素有：菌群種類、菌種性能、營(yíng)養(yǎng)成分濃度等。隨著基因修飾、改造等一系列現(xiàn)代分子生物技術(shù)的發(fā)展與滲透，也推動(dòng)了生物修復(fù)技術(shù)的進(jìn)步，人工構(gòu)建混菌體系日趨成熟，利用合成生物學(xué)的方法，定向改造目標(biāo)菌株，構(gòu)建基因工程菌，在強(qiáng)化菌種本身降解性能的同時(shí)，還可以提升表面活性劑的產(chǎn)量，目前，生物處理法已逐漸應(yīng)用于海上石油伴生氣的處理中，通過與化學(xué)法，物理法結(jié)合，降低使用成本，形成高效處理工藝，也是我國(guó)海上溢油應(yīng)急處理所關(guān)注的重點(diǎn)目標(biāo)。