微生物对油污地石油的降解作用及影响因素

于洋 邹莉 孙婷婷 郭静 张国权 任清政 唐庆明

摘要 生物降解有机物可能成为净化土壤和水资源的一种有效方式。生物降解手段的成本与焚化、贮存或土壤清洗相比要低。重点探讨了微生物对油污地石油降解的机理，分析了影响微生物降解的相关因素，包括营养物质和化合物、氧气 、水、温度、核酸等，还探讨了油污地降解过程中植物的作用及生物降解微生物的作用，以期为油污地的治理提供基础理论依据。

关键词 油污地；土壤微生物；石油降解；非生物因子

中图分类号 S181.3 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2014）16-05198-03

生物修复（Bioremediation）又称为生物恢复，是指利用生物特别是微生物的代谢潜能消除或减少污染地区有害物质浓度的技术。石油是一种含有多种烃类（正烷烃、支链烷烃、芳烃、脂环烃）及少量其他有机物（硫化物、氮化物、烷烃酸类等）的复杂混合物，石油类物质主要污染土壤及其土壤环境，并且随着人们对石油及其产品需求的增加，石油对土壤污染的情况逐年严重。同其他环境介质与污染物类型相比，土壤同石油污染物之间具有更强的亲和能力，增加了降解的难度和费用。所以，要通过生物因素降解石油、改善石油这种顽固性必须考虑诸多因素，如表面活性剂、营养物质和化合物、氧气 、水、温度、核酸、 植物的作用、生物降解微生物等。近些年，有关生物降解石油的研究资料越来越多，如在低温的南北极和高山地区石油烃的多种成分的生物降解已被报道，且被认为是当地适寒微生物降解的结果。由于研究涉及到植物、土壤微生物的各种生理生化功能，因此受到人们的关注，已成为研究的热点。该研究就此领域内的研究进展加以归纳，以期在未來的研究中提供借鉴。

1 土壤微生物对油污地的降解作用

土壤微生物在土壤生态系统中扮演着重要的角色。主要表现为，土壤微生物分别特征及群落结构影响着土壤肥力及健康状况，在土壤的物质循环、能量循环、生物转化等方面有着不可替代的作用。它们参与的主要的生态化学过程包括：土壤中动植物残体的分解、污染物及大分子化合物的降解、化学元素的转化及土壤养分的循环等。在油污地土壤中土壤微生物作为分解者在油污地土壤的修复中已经得到广泛的应用。

2 影响土壤微生物降解的非生物因子的作用

2.1 营养物质和化合物 氮磷等营养元素是微生物生长不可缺少的，尤其是海水中氮和磷是限制微生物降解烃类的最重要因素[1]。Atlas[2]、Leahy等[3]认为微生物降解多环芳香烃主要受限于两种因素，这两种因素常常导致生物降解效率低于期望值。一个因素在于化合物生物可利用率低，另一个是生物降解污染土壤的因素是氮和磷的利用，这是增加微生物菌落的大小所必需的。他们还认为细胞菌落结构的变化既取决于生物的降解过程同时又取决于营养成分的添加。氮磷溶液作为营养元素能够被植物的根表面所吸收，在根部深层区域能够有效地提高养分的运输、激活降解石油的微生物，并且提供微生物到土壤微孔的通道[4]。基于这些机理，在还原性营养物质条件及7 ℃下，受燃料污染的极地土壤中最广泛的多环芳香烃的降解可达到39%[5]。由于营养物质是十分容易溶于水的，又可作为电子受体，因此，找到这样一个降解石油烃的微生物群落就成为可能，只要它在接连涨落潮之间的沼泽处，能接触到石油且检测其周围有相当浓度的硫酸盐[6]。如果减少营养物质的使用，那么会使植物降解烃所获益的效果失效[7]。但是，营养物质的添加必须做到适时，否则，营养物质的添加在有机物（多环芳香烃和石油烃）降解的晚期反而起到了副作用[8]。

2.2 氧气及水 富集群落的成分组成可能受氧气的影响且比温度、接种生物降解微生物的影响要大。研究发现在干燥的土壤中，石油烃的浓度并没有减少；因此研究者们认为含水量和有氧呼吸是土壤生物降解的主要原因，同时坚持含水量和通风的良好程度是多环芳香烃降解的关键因素[9]。总的来说，在短期内，合理地保持湿度被认为比增加植物扎根深度效果好；在长期降解石油污染土壤的这方面，不同的灌溉方式起到了不同的灌溉效果，不同的灌溉深度有助于衡量用水和营养物的灌溉深度。对于灌溉深度，频繁地、少量地灌溉水和融入其中的养分除可灌溉土壤次表面外，在促进石油烃污染的降解过程中也起着十分重要的作用[10]。在植物根系的生长过程中，石油烃的降解和灌溉的水平要保持一致，合理的地下灌溉比地表灌溉更为有效[11]。

不同的电子受体在无氧降解有机物的过程中可与氧气发生交换作用。在含硫酸盐污染地区，硫酸盐可作为最终的电子受体，在生物降解中起到积极的作用。硫酸盐的还原导致培养基上硫酸根的富集，这种现象致使芳香烃的降解受阻。其他向微生物提供电子的有机化合物（如丙酮、脂肪酸、葡萄糖等）的存在也抑制甲苯和氧化二甲苯的生物降解且这些化合物在一定浓度下可造成对微生物的毒害。

使用表面活性剂有助于对亲水性差的污染物质的降解。烷烃、芳香烃、多环芳烃是石油的重要组分，这类物质的水溶性较低且难被微生物降解。一些降解石油的微生物能产生表面活性物质，使这些烃类乳化从而促进细胞吸收[12]。使用生物表面活性剂可增加多环芳烃的溶解度但这对微生物是有害的。

2.3 温度（低温） 低温主要影响不易溶的大分子多环芳烃的降解。在有氧条件下，低温严格地限制多环芳烃的生物降解。多环芳烃的降解和脱氮作用在低温条件中联系紧密，但这种降解仅限于萘、2.甲基萘。Risgaard等在试验中发现生物降解90 d后，20 ℃有氧培养基从20%到52%至88%的多环芳烃被降解；在7 ℃、有氧条件下，石油污染土壤中最广泛的多环芳烃的降解达到53%；各种土质的培养基降解萘和2-甲基萘的温度条件都在7 ℃[13]。事实说明，低温制约多环芳烃的生物降解，主要是通过影响多环芳烃生物利用率的作用效果。从微生物角度来讲，石油烃在低温环境中（包括高山环境）的生物降解是本地适寒微生物能够降解污染物的结果[14]。

2.4 核酸 最近的研究表明，有7种基因型的表达参与n.链烷或其他碳氢化合物的降解（alkB， alkB1， alkB2，xylE，ndoB，nidA， alkM），许多这样的基因在质粒上携带，它们在污染物中被检测为一个相当高的比例，远远高于普通的土壤，说明这些生物机体富集在土壤中来寻找污染物[15]。研究者们还发现污染的程度与基因型的数量呈相当显著的正相关；有机质含量与石油烃的含量部分相关，与土壤干燥质量水平呈相当程度的负相关；石油烃的含量和从革兰氏阳性菌提取的基因类型（ alkB1，alkB2，nidA）没有太多的相关性[16]。另外，异化基因编码的烷烃单氧酶（alkB）、萘的双加氧酶和苯磷二酚.2，3.双加氧酶，它们被用来估计细胞中参加石油烃降解的表达数[17]。因此，降解系统降解长期存在的石油烃的本质，就是通过增加细胞内烷基异化基因的数量来实现的。

不同的土壤中处于优势地位的群落几乎都包含16S rRNA的部分片段，但从未出现包含相同核酸基因间隔的情况。此外，尚未探明在一般土壤加工细胞群落中16S核酸DNA成分的变化，但存在针对特定植物带有选择性的效果，这种效果是作用在特异性异化基因的表达[18]。

3 植物的作用

植物在水体和土壤生物修复中也可起到重要的作用。植物可直接吸收污染物质，通过转化和输送，以非植物性毒素的形式进行积累。另一方面，植物通过向土壤中分泌营养物质（单糖、氨基酸、脂肪族化合物、芳香烃等）和酶以及传递氧气到根部来刺激根系周围微生物生长，并改变土壤的生化活性，从而加速土壤的生物修复作用。植物对石油高污染淤泥所发挥的修补作用可作为植物灌溉、施肥深度的依据，并且植物影响下的加工细胞对十六烷和菲的矿化比无植物状态下处理的效果好。然而，不是所有的植物都能参与降解污染土壤中的石油烃。例如，酥油草（Festuca arundinacea）能有效地加强基因（ndoB， alkB， xylE）的表达；对比之下，苜蓿（Trifolium hirtum）在根际土壤中就减少了分解基因的表达和萘的矿化的程度。但对苜蓿的研究又同时发现，植物特殊性相互作用在植物降解过程中是重要的[19]。

植物对微生物多样性的影响基于土壤的营养状态和土生微生物群落。进一步说明，植物的存在能够有效改善土壤的物理结构并增加微生物群落数量。通过改变功能微生物群落的成分，植物降解系统有效地增强了根际土壤的异化潜力。这种改变并未证实与16S DNA有关，而是与降解石油烃的特殊功能基因类型有关。高等植物降解石油污染地主要受两个因素的制约：植物扎根的程度以及在发生生物修补过程中微生物寄宿点营养的分布。在植物根的作用下，石油等有机物的降解得到进一步的增强，这是因为微生物的新陈代谢和根际联合代谢污染物的水平都得到了提高的结果。

4 生物降解微生物的作用

生物降解微生物的作用是处理因芳香烃污染的水体在地上和地下都可进行的无氧和有氧作用。由于这类微生物长期适应污染的环境并做出了相应的反应，致使它防御外界环境的机制得到了进化，从而使其能够在这种不良的条件下生存。在寒冷地带只要周围的温度符合它生长的温度域，适寒微生物就能发挥其降解烃的作用；在路栖和水生生态环境中，微生物在多环芳烃的降解中充当着极其重要的角色[20]。

早期降解过程中，从土壤中接种的生物群落结构与用营养素激活的土壤中的结构十分相近，这期间同时出现了最大降解率。因此，土生土长的菌落改变了接种菌落的独立性。晚期降解过程中，大部分降解多环芳烃微生物和石油烃的降解率有着联系，尤其是存在更多不易降解多环芳烃这样的条件下。有科学家认为在根际或一般性土壤中，有两种机制可提升异化作用的效果：一种是通过增强诸多微生物的活力来提高异化作用的活力；第二種就是因根际效应增加微生物数量的同时迅速扩增特定微生物的群落。如果这种说法成立，那么污染降解的细胞群落和土壤降解污染物的潜力在植物降解的过程中明显增加。对长时间的适应能力，最重要的因素可能在于存在少量活跃的微生物，它们最初是生活在沉积层中，在这种活跃的微生物群体中，因其分布的不同存在着异质性。通过对核酸的基因间隔分析，发现富集导致一部分细胞群落占据支配地位，如Acidovorax、Bordetella、Pseudomonas、Sphingomonas、Variovorax 5个属。嗜温的多环芳烃降解者在土壤中相当广泛地存在。相反地，耐寒的多环芳烃降解者的分布并不广泛，它们需要长时间去富集。木馏油污染的土壤中革兰氏阴性菌在生物降解过程中占据主导地位。而且，众多类型的细胞之间产生相互作用，这种作用的机制是复杂的。并且存在一种媒介环境，它存在于生物修复的过程中，能够影响微生物菌落的降解能力。说明在对微生物菌落的改变方面，生物降解的过程充当极其重要的选择因素。

5 结论

实践表明，生物降解技术是可行、有效的，且发展潜力是巨大的，该技术已应用于多种类型环境污染的治理。德国、丹麦、荷兰等欧洲国家对生物修复技术非常重视，全欧洲从事该项技术的研究机构和商业公司有近百个。我国生物修复的研究与应用也已受到越来越多的关注。但是目前生物修复技术还并不成熟，未能大面积推广，原因可能在于实际因素要远比考虑到的因素更复杂、更难以规律化，需要更多的人力、财力投入。因此，全方面多角度地审视生物修复的改良问题成为一种必然。还要看到，当今类似的世界先进的尖端技术掌握在发达国家中，有必要为发展中国家量身定做一套更为实用、更为经济合理的生物修复方法。

生物修复今后的研究重点一是扩展对在降解毒害化合物中具有普遍意义的微生物互惠共生群体结构的了解；二是确定好氧、厌氧微生物降解毒害化合物的生物化学机制，加强对其代谢途径及遗传学的研究；三是开展生物修复新技术的小试/中试研究，并建立专用基地供实地试验；四是开发有关生物传感器及生物过程模型，以评估实地试验效果。

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