石油污染水体的生物修复研究进展

邵正宏，冯成江

（1.中国石油 大庆化工研究中心 ，黑龙江 大庆 163714；2.中国石油 大庆石化分公司化工二厂 ，黑龙江 大庆 163714）

石油工业在国民经济中占有十分重要的地位，是国家综合实力的重要组成部分。但是，在石油工业迅速发展的同时，许多环境问题也随之出现，因油轮失事、油井井喷、海上采油或炼油厂漏油事故以及战争所造成的严重溢油事故堪称典型。石油进入水体，短时间内难以降解，石油烃类化合物增大了水体的碳含量，危害水体生态系统。有毒害的芳香烃污染水体，通过鱼类等动植物进入食物链，危害人们的生活与生存。石油污染可以使生态系统的结构和功能遭受破坏，而且污染水体中低沸点的燃料油类能引起人体的麻醉、窒息、化学性肺炎等，其中多环芳烃对人还有致癌、致突变和致畸等作用。石油污染水体给生态环境带来巨大危害的同时也给国家和社会造成巨大的经济损失。所以，水体石油污染修复与人类生活密切相关，具有重要的现实意义。

1 水体石油污染的来源及危害

1.1 水体中石油污染的来源

水体石油污染包括原油污染以及石油产品引起的污染。在海洋石油开采过程中，不合理的作业方式会引起原油散落，突发的油田事故会引起井喷，采油洗井和检修采油设备也会造成原油泄漏。石油海洋运输过程中的偶然事件、港口区不合理的储油罐也是一个重大的石油污染水体问题。用于船舶运行包括润滑油在内的烃类矿物油，在生产中会产生残余物。船舶燃油逸出或排放进入水体中，造成水体污染损害或引起此种损害严重的一系列环境事件。土壤中的石油向下渗漏污染地下水，或者被雨水携带污染地表水体，也是石油污染水体的一种重要途径。

1.2 水体中石油污染的危害

大量石油烃类污染物直接进入水体，超过水体自净容量后，就会危害生态系统。石油能够导致水体生物种群数量、群落结构和组成、群落多样性的变化，破坏水体微生态环境。受石油污染的地下水或者地表水体，可造成水源地长期污染。石油中的难降解化学物质（如苯、甲苯、酚类等）可以通过食物链进入人体，引起急慢性中毒，损伤中枢神经。石油中的多环芳烃类物质会影响皮肤、肝、肾等器官的正常功能，甚至会引发皮肤癌。

2 石油污染水体的生物修复

生物修复是指生物特别是微生物催化降解有机污染物，从而修复被污染环境或消除环境中污染物一个受控或自发进行的过程。在石油污染水体生物修复的过程中通过接种特定的石油降解菌、添加营养物或表面活性剂、提供电子受体和共代谢底物及优化处理条件等，可以强化环境中土著微生物自发降解石油污染物的进程。

生物修复可分为原位修复和异位修复。原位生物修复不需将水或土壤转移处理，其优点是费用低但较难控制。异位生物修复则需将被污染物质通过某种途径从污染现场运走，这种运输可能会增加费用，但便于对修复过程进行控制［1］。原位生物修复又可以分为：土著原位生物修复和工程原位生物修复。控制污染环境通常十分困难而且昂贵，而与此同时已经有缓慢的自然微生物降解发生。在这种情况下，监测整个降解过程很有意义，可以避免污染场地进一步扩大。这种环境中自身存在的由土著微生物进行的自然净化过程就是土著生物修复。如果土著原位生物修复不发生或速度太慢，可以通过一些途径促进生物降解、提高反应速率，这称为工程原位生物修复［2］。在工程原位生物修复中的一个常用方法是为污染场地提供营养，如限制微生物降解烃的氮、磷和电子受体（最常用的是氧气）。

3 石油烃的微生物摄取

3.1 烃的生物利用性

石油烃生物降解的第一步是烃类从油相转移到微生物细胞上，也就是微生物如何真正接触到底物进而摄取烃类。在生物修复过程中，化学物质的生物可利用性一般用与微生物细胞内在活力相关的传质速率表示。而微生物转化化学物质的速率取决于两个因素：摄取和代谢的速率以及转移到细胞的速率（传质）。

微生物细胞与底物的接触对于微生物摄取是很重要的。在石油污染水体生物修复过程中，对于少量可溶性烃而言，微生物细胞可以与其直接接触；但是对于大部分水溶性极差的烃，烃必须在水相中以某种方式运输直到接触到细胞。

3.2 微生物摄取石油烃的模式

烷烃的摄取是石油污染水体生物修复过程的关键，但不同模式中微生物的动力学行为、石油烷烃进入细胞的机制及影响摄取的关键因素的比较研究国内外非常缺乏，因此，对微生物摄取石油烷烃的过程进行全面、深入的研究，确定石油污染生物修复过程中微生物摄取石油烷烃的模式及关键因素，对揭示石油烷烃污染水体和土壤生物修复过程机制，从而提出强化修复过程的技术措施，具有重要学术意义和应用价值。

目前，一般认为微生物细胞摄取石油烃存在三种模式［2］：①微生物细胞摄取溶解在水相中的烃类；②微生物细胞与比其大得多的烃类颗粒直接接触进而进行摄取；③微生物细胞与比其小得多的假溶、拟溶或被包裹的烃类颗粒作用，进而进行摄取。可见，石油烃的摄取是石油污染水体生物修复的关键。

4 影响石油污染水体生物修复的因素

4.1 烷烃状况

石油烃的物理状态对其在水中的生物降解影响很大。液态烃可被摄取并渗入细胞膜，但对固态烃的利用机制尚不清楚。烃类在水中以水包油乳浊液的形式存在时，油的体积小且分散，所以增大了油的表面积，即增加了微生物的接触面积。但是大量块状和片状的油包水，则会使油相对集中，即相同体积下油的表面积降低，抑制生物降解［3］。

石油的不同化学组成影响其降解速率，一般来说，微生物对烷烃的氧化是从低碳到高碳，从正烷烃—支链烷烃—低分子量芳香烃—环烃—高分子量芳香烃逐级进行的［3］。多环芳烃中环的多少与环的排列都影响多环芳烃在环境中的稳定性，其稳定性的排列是环性＞角性＞线性，生物可降解性则与此相反，且多环芳烃的溶解度和挥发性均随环数的增加而减少［4］。

石油烃浓度低时可以溶解在水里，但绝大多数的石油泄漏事件所释放的石油烃远远超出了所能溶解的范围。微生物降解长链烷烃（C≥12）是通过烃表面乳化或细胞直接接触进行的，长链烷烃的溶解度小于0.01mg/L，而微生物对它们的降解程度却可以远远超过这个数值。通过在烃溶解度很高的有机介质中观察发现，许多烃的生物降解速率与其浓度无关。而高浓度的烃通常会导致难分散的厚油层的产生，从而导致营养物和氧的缺乏或受到挥发性烃的毒性影响而抑制烃的生物降解。

4.2 环境因素

温度对水中石油生物降解的影响在于它会影响石油的物理状态、化学组成、微生物代谢烃的速率及微生物菌群的组成。温度低时，石油黏度升高，使石油在水中的扩散减少，但是这时短链烷烃（C≤10）的挥发也减小，在水中溶解度增加，即对微生物的毒性增加，从而延迟生物降解的起动，同时酶活力也降低；而长链烷烃的降解则受其有限的生物可利用性抑制。较高的温度可使烃代谢速率升至最大，一般为30～40℃，高于40℃时烃的毒性增大，抑制烃类的微生物降解。只有极少烃类的生物降解在低温、高温的极端条件下发生。

烃的微生物降解通常在好氧条件下发生，细菌和真菌代谢脂肪族、环状和芳香烃的起始步骤通常是加氧酶氧化底物，这时需要分子氧。而微生物在厌氧条件下降解石油烃的速率很小，通常被认为意义很小。但是芳香烃的微生物降解通常是在厌氧条件下降解效果较好，如苯甲酸和卤化芳香化合物等。

环境中的营养物质有限，尤其是对于微生物降解石油烃很重要的氮和磷。当烃类释放到含有低浓度无机营养物的水溶液中时，通常会产生很高的C/N、C/P比，这对微生物生长是很不利的。因此，在水中加入尿素—磷酸、N－P－K营养物、铵和磷酸盐（包括不溶性氮源）可以加速石油的生物降解，尤其是含N、P的亲油性肥料［5］；但也有研究发现，加入营养物并没有相应地提高生物降解速率或延迟了几个月和一年后才有所提高。

在烃的生物降解中压力的影响主要体现在深海环境中。研究发现，一组烃的混合物，4℃时在1 atm（101kPa）下8个星期降解了94%，而在500 atm（5 050kPa）的高压下需要40个星期才能达到同样的效果［3］。所以，深海中石油的自然降解十分缓慢，通常要存在几个世纪。

不同的菌株对pH值要求不同，大部分异养细菌和真菌适宜的pH值接近中性，真菌能适应一定的酸性环境。过高或过低的pH值对微生物降解石油烃都是不适宜的。

表面活性物质可以促进石油烃的乳化作用，提高石油烃在水中溶解度及生物利用性。Boris、Fu、许华夏、魏德洲等研究了化学表面活性剂对微生物降解石油烃的促进作用［6－8］；而Zhang Y M、李祖义等发现，微生物在降解石油烃的过程中自身能产生生物表面活性剂（如鼠李糖脂），在促进石油烃的降解及微生物生长上有更好的效果［9－12］。与化学表面活性剂相比，生物表面活性剂具有高效、无毒、抗菌、经济及无二次污染等优点［13］。因此，生物表面活性剂对于疏水性烃类的降解是十分重要的，以特定的方式加入或利用微生物自身产生的生物表面活性剂可以增强烃类的降解，从国际石油污染处理的发展趋势看，生物表面活性剂必将受到重视并在实际应用中发挥重要作用。

4.3 生物因素

环境中微生物普遍具有代谢石油烃的能力，单个菌株在纯培养时只能代谢一定范围内不同种类的烃，所以降解烃的复杂混合物（如石油）就需要将具有各种酶活力的菌株进行混合培养。据大量的报道，在海洋中，烃类降解最重要的细菌是无色杆菌（Achromobacter）、不动杆菌（Acinetobacter）、产碱杆菌（Alcaligenes）、节杆菌（Arthtobacter）、芽孢杆菌（Bacillus）、黄杆菌属（Flavobacterium）、诺卡氏菌属（Nocardia）、假单胞菌属（Pseudomonas）及棒杆菌（Corynebacterium）等。

在选择降解烃的微生物菌群之前，很重要的一点是考察烃是否能够较快地被生物降解，即菌群是否能很快地适应有烃存在的环境。这个由菌群对烃的氧化潜力提高造成的现象叫做适应性。与适应性有关的三种机制是：对特异性酶诱导或抑制；基因改变产生新的代谢能力；选择性富集能转化目标化合物。生态系统中利用烃的微生物数量通常反应其污染程度。有研究认为，这个现象与降解烷烃微生物种类之间的竞争有关，但也有研究发现生态系统中菌群种类没有变化，有的甚至还会增加［2］。这些明显矛盾的现象可以用以下事实解释：烃污染对微生物菌群基因组成的影响取决于所处的环境。土著微生物菌群通常高度适应一个特定的环境，不能降解由多种烃组成的复杂混合物如石油。但土著微生物菌群的存在会对接种微生物造成负面影响，而且通常在竞争中处于优势而生存下来。因此，在已经存在土著微生物的环境中接种微生物，不能使烃类的生物降解速率提高很多。在目前的研究中发现，在发酵罐中接种特定的烃降解菌处理烃污染，可以减少或消除与土著微生物的竞争并且将系统参数优化，从而达到最大的生物降解速率［2］。采用微生物接种与传统的大规模处理（包括原地生物修复）组合的方法来提高烃的去除也是可行的，对此需要进一步研究。

目前，此领域的研究热点逐渐转移到应用先进的分子生物学技术来研究微生物菌群对烃的降解，如分离DNA质粒、构建DNA探针及将多种降解基因用遗传工程手段转入同一菌株，培育具有广谱降解能力的基因工程菌应用于石油污染水体的生物修复［14］。

5 展望

国外在石油污染水体的生物修复方面研究较为深入并且已将其运用于现场修复。基于我国石油污染现状和环保要求，低费用、高效率的生物修复技术具有很强的工业可行性，如能成功地用于处理我国的石油污染，必将产生巨大的社会效益和经济效益。但是，生物修复技术对某些污染物的降解性能、在环境中的适应性及成本效益等因素尚需深入研究。当前研究中最可能取得突破的领域是厌氧处理芳香烃和应用DNA探针分析微生物菌群对芳香烃的适应性，同时还将DNA探针技术扩展到检测代谢其它烃的基因编码，这可为微生物降解烃研究开辟一条新途径。

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