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探究海洋石油污染微生物修复技术的前沿动态

2020-02-23 614 上传者：管理员

摘要：随着海上石油工业和运输业的快速发展，事故频发对海洋水质及生态造成不同程度的损害，迫切需要采取措施经济、高效、安全地修复石油污染海域。文章对于影响海洋石油污染微生物修复的主要因素进行了介绍，结合国内外在海洋石油污染微生物修复的研究进展，探讨修复应用过程中潜在的问题，明确了未来的研究方向。

关键词：
微生物降解
海洋环境
海洋石油污染
生物修复
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海洋生态系统是最具价值的自然资源之一，其生态价值更是举足轻重。在石油的开采、装卸、储存、运输、使用过程中，每个环节都存在溢油事故风险，随着海上石油工业和运输业的快速发展，事故频发对海洋水质及生态造成不同程度的损害，给海洋生态带来的压力也日益增大。高浓度的石油类污染物对动植物会产生直接毒害作用，而低浓度石油类污染物则会通过生物富集作用及食物链传递加剧对生物的危害，甚至威胁人类健康。当溢油扩散至海岸带后，对岸滩、湿地生态系统等也造成影响。如何经济、高效、安全地修复石油污染海域成为海洋生态环境保护急需解决的问题。

一、海洋石油污染修复技术

目前针对海洋溢油事故采用较多的修复方法有物理法、化学法和微生物法。物理法主要是采用围油栏对溢油进行围控，利用撇油器、吸油船、带状油回收器、液压式油抓斗等对海面溢油进行回收，但物理方法多用于突发溢油事件对溢油扩散的控制，不能彻底清除海上溢油。化学法通过投放化学药剂（如消油剂、凝油剂、分散剂等）来清除油污，通过改变溢油的物理性质，使回收装置难以回收的1min以下的薄油膜聚集成较厚的油层或凝结成粘稠的半固体油块，再利用回收装置对溢油进行回收，也可以直接乳化分散于海水中。化学法处理油污速度快，但存在石油处理不彻底、易造成二次污染、成本高等问题。微生物法是通过微生物的代谢活动将石油污染物转化为必需的生命物质，如蛋白质、核酸、氨基酸、多糖等，或分解为小分子有机物，如醇、苯酚、醛、脂肪酸等，甚至直接分矿化为CO2和H2O等无机物，实现对石油的降解，具有治理效果好、费用低、环境友好的特点。

二、影响海洋石油污染微生物修复的主要因素

受污染海域的环境，如温度、pH值、营养盐、盐度、氧含量等对均会对石油污染修复产生影响。温度一方面会影响石油烃的理化性质，另一方面会影响微生物的代谢，只有在适宜的温度范围内微生物的酶活性才能有效发挥。中性或偏碱性的海洋环境更适合大多数降解石油微生物的生存和代谢，过高或过低的pH值都会影响其石油降解性能。微生物的代谢活动还会受到海水高含盐量的影响，如影响微生物对氮的吸收等。微生物的生长代谢需要各种营养元素保持一定的数量和比例，石油泄漏会导致受污染海域的碳源增加，氮、磷等营养盐就成为石油微生物降解的限制因素，在石油污染的生物修复过程中，通过添加一定比例的氮、磷能够提高石油的降解效率。海面浮油的降解一般是通过好氧菌进行的，据计算分解1g石油需要的氧气量大约为3~4g。

石油的降解效率与其理化性质有密切关系，如石油的物理状态、浓度、成分等。由于石油降解菌的种类繁多，石油污染物的化学结构复杂，微生物降解石油的途径十分复杂。烷烃结构相对简单，其微生物降解途径主要有末端氧化、烷基氢过氧化和环己烷降解3种形式。微生物对芳香烃的降解是通过芳香烃被氧化酶氧化导致苯环开环来实现的。微生物对多环芳烃的降解是在单加氧酶或双加氧酶的催化作用下被最终降解为二氧化碳和水而被分解。在饱和烃中，直链烃最容易被降解；在芳香烃中，双环和三环芳香烃较易被降解，五个及以上的多环芳香烃很难被微生物降解。整体而言，石油烃被微生物降解从易到难的排序为：直链烷烃、支链烷烃、环烷烃、单环芳烃、多环芳烃、杂环芳烃、沥青。

不同的石油降解微生物种类对石油污染的修复效果也有所不同。石油降解菌根据其可利用的碳源可分为“专一性烃型”细菌和“非专一性烃型”细菌。“专一性烃型”细菌是指以石油烃为唯一碳源的细菌，如食碱菌属仅能以饱和烷烃及支链烷烃做为碳源；解环菌属仅能利用芳香烃（萘、菲、蒽）作为碳源；而嗜油菌属和油螺旋菌属可利用的碳源仅有链烷酸酯、脂肪族烃和烷醇。“非专一性烃型”细菌可利用的碳源则不仅限于石油烃类，如可降解菲、苯并吖啶的弧菌属、假交替单胞菌属、海洋单胞菌属和盐单胞菌属等，可降解萘的微球菌属和葡萄球菌属，可降解二甲基菲的鞘氨醇单胞菌属以及可降解烷烃的地芽孢杆菌属。

三、海洋石油污染微生物修复的研究进展

微生物法在修复海洋石油污染中优势突出，针对由多种复杂化合物组成的石油类物质，构建高效石油降解混合菌群，研究提高降解效率的途径，成为研究热点。

1. 高效石油降解菌筛选

高效安全的石油降解菌是降解石油的关键，对石油降解菌的筛选一直以来都是研究的热点。李国丽等人从青藏高原石油污染土样筛选出产生物表面活性剂的低温石油降解菌——纺锤形赖氨酸芽孢杆菌，研究表明该菌株可利用石油中的多种烃类，但对不同烃类的降解程度不同，主要降解中长链烷烃和支链烷烃，对短链烷烃、长链烷烃以及芳香烃的降解能力则相对较弱。田燕等人进行了不同培养基富集筛选石油降解菌的研究，研究表明不同培养基富集培养的纤细竿菌的石油降解能力不同[1]。张卉等从长期被石油污染的油泥中筛选生物表面活性剂产生菌，用于降解水体中石油烃污染物，降解率高达99.5%[2]。李乐等人从含油污泥中筛选分离得到5株高效石油降解菌，考察单个菌株的降解效率，结合各菌株的优势构建复合菌群，其降解效率明显高于单个菌群[3]。郭平等从大连港表层海水中分离出一株高效的石油降解菌，探索温度、营养盐、接种量等对石油降解的影响[4]。

2. 固定化微生物技术

固定化微生物技术采用物理或化学方法将游离微生物固定在限定空间来提高微生物密度，并保持其生物活性。具有反应效率高、反应易控制、微生物不易流失等优点，成为海洋修复的主要研究方向之一。卢磊等将石油降解菌包埋在PVA和SA中，通过在降解过程中加入活性炭来优化固定化微球的性能，提高了微球的弹性和渗透率，降低了破碎率，原油的微生物降解效率得到显著提高[5]。Liu等以海藻酸钙为载体包埋降解菌，考察其降解效率，当初始含油量为2342mg/L时最高降解率可达78%，较游离菌降解效率提高约一倍[6]。姜天翔等利用SI-JHS固定化小球降解含油海水，石油降解率高达97.8%，固定化后石油降解菌的降解效率得到显著提高[7]。高祥兴等以PVA和SA为载体采用包埋方式对石油降解菌群DC10进行固定化，提高了石油降解菌群的降解效率，并增强了连续降解石油的能力[8]。王鑫等人为了解决微生物降解在实际应用中面临的微生物易被稀释，微生物与石油烃有效接触较少等问题，选择具有生物亲和性、疏水性的轻质载体，对不同的石油降解菌包埋固定，并取得了良好的降解效果[9]。

3. 营养盐对微生物降解石油的影响

在美国“ExxonValdez”号邮轮漏油事故发生后，为加速石油的彻底清除投加了以氮、磷为主要营养成分的生物营养剂，分别为由异丁醛和尿素合成的IBDU、由尿素和甲醛合成的Customblen和由可溶于水的氮和亲油的磷组成饱和尿素的乳化剂InipolEAPZZ，结果表明营养剂的加入有助于加快石油的彻底清除。Agota等通过加入无机营养盐促进墨西哥湾北部沙滩环境中微生物对石油烃的降解[10]。崔志松等比较了缓释肥和可溶性营养盐对生物降解的促进作用，结果表明由于缓释肥的缓释和附着底质的特点能够减少实际应用中潮汐冲刷造成的流失，使修复区域的营养盐维持较为稳定的水平，对实际应用中生物降解的促进作用更好[11]。

四、展望

目前对于石油降解菌的筛选及固定已经开展了比较广泛而深入的研究，然而在受石油污染的开放海域中环境条件多变且不易控制，潮汐、气温及水温、降雨、光照等都将影响到微生物修复效果。石油降解菌在海洋石油污染修复的应用中仍面临着功能稳定性，遗传稳定性，环境风险等问题。因此，如何提高石油降解菌在自然条件下的稳定性和适应能力，提高其在实际应用中的修复效率还需开展进一步研究。

参考文献:

[1]田燕,万云洋,孙午阳等.高效石油降解菌的筛选及稳定性[J].中国石油大学学报(自然科学版),2018,42(5):126-134.

[2]张卉,张笔威,张妍等.生物表面活性剂产生菌处理水体石油污染物的研究[J].安全与环境学报,2015,15(6):269-273.

[3]李乐,周飞,孙先锋.石油降解菌的筛选及复合菌群的构建[J].当代化工,2018,47(4):672-676.

[4]郭平,曹滨霞,张君等.海洋石油降解菌的筛选与降解性能研究[J].科学技术与工程,2015,15(11):152-154+159.

[5]卢磊,张守娟,高宝玉等.吸附-包埋法制备固定化原油降解菌的研究[J].现代化工,2013,33(11):54-57

张冉,东培华,曲红玲.海洋石油污染微生物修复研究进展[J].中国水运:下半月,2019,19(10):129-130.

基金项目:江苏省交通运输科技项目(2018Y30)