生物法治理润滑油环境污染研究进展

伍涛，姜岩，王春，张晓华

(重庆工商大学废油资源化技术与装备教育部工程研究中心，重庆 400067)

润滑油是当前应用最为广泛的润滑剂之一，其中以矿物油作为基础油的润滑油占95%以上［1］。矿物基润滑油是一种复杂的混合物，主要包括烃类化合物(烷烃、环烷烃、芳香烃)和少量非烃类化合物，其可生物降解性差，一旦进入到环境中会长期滞留，严重污染土壤和水资源，破坏生态环境和生态平衡［2-3］。当前，矿物基润滑油的关注焦点集中在两方面:一是，以提高其资源综合利用率为目标的废润滑油再生处理［4］;二是，发展生物降解性好的绿色润滑油取代矿物基润滑油［5］。因此，专门针对矿物基润滑油环境污染的治理研究较少，而矿物基润滑油具有石油烃的三大典型组分(烷烃、环烷烃、芳香烃)，有关生物法有效修复石油烃污染的研究报道较多［6-8］，其已有的一些研究成果可借鉴用来治理矿物基润滑油污染。

生物修复法基于微生物种类和功能的多样性，利用微生物能够以润滑油为唯一碳源和能源实现生物降解的本质属性，可将存在于环境中的润滑油分解成CO2、H2O 等其它无害物质，其关键在于微生物的功能特性和活力［9-10］。相比传统的理化方法治理润滑油污染，生物修复法具有处理费用低、高效、操作简单、无二次污染等优点，已成为当前治理润滑油污染的有效手段［11］。通常情况下，利用生物法修复环境污染可分为生物刺激修复和生物强化修复两类方法［12］。据此，本文主要从这两方面进行论述。

1 生物刺激修复法

环境因素对微生物降解石油烃具有重要的影响，通过改变环境状态，可使本来难降解的烃类物质变得易于降解［13］。生物刺激修复法，即通过人为构建微生物适宜的生长降解环境(温度、营养、pH、溶解氧、水分等环境因素)，加快土著微生物繁殖，增强其代谢活性，促进润滑油的生物降解。

1.1 营养物质

添加营养物质是生物刺激修复的一种常用手段［14-15］。营养物质是维持微生物活性的基础，而环境中的营养物质却是有限的。润滑油进入环境后，显著增加了环境中碳的含量，氮、磷就成了制约微生物活性的主要因素。Lee 等［16］将土壤原碳氮磷比例1 160∶4∶1 调节为适宜的500∶10∶1，105 d 后分别测定调节后的土壤和未调节的土壤中润滑油降解率，结果显示前者降解率42% ～51%，后者降解率仅为18%。表明营养物质的添加，增强了微生物的活性，提高了润滑油的生物去除率。因此在修复过程中，应按一定的比例适时适量的添加营养物质。

1.2 温度和pH

温度能影响蛋白质和核酸等微生物细胞组成物质的性质，以及通过影响酶活性进而影响细胞内生物化学反应速率。过高或过低的温度，都不利于微生物的生长繁殖及对底物的降解速率。通常情况下，30 ～40 ℃时微生物对石油烃的降解速率最高［17］。pH 可通过影响微生物中酶的活性，细胞膜的渗透性，代谢过程等影响微生物的生命活动。润滑油中不同微生物适宜生长的pH 值范围不同，其大多数微生物适宜在中性或偏碱性的环境中繁殖［18］。

张楠［19］研究了假单胞菌属(Pseudomonas)、苍白杆菌属(Ochrobactrum)、博德特氏菌属(Bordetella)各自降解润滑油适宜的pH 和温度，结果显示，pH 值分别为7.8，7.0，6.0;温度分别为32 ～35 ℃、30 ～35 ℃、30 ～34 ℃。可见环境中存在着不同的可降解润滑油的微生物，且pH 值和温度的变化对不同微生物的降解效率会产生影响。郭晓燕等［20］做了进一步研究，利用正交实验分析了一株黄杆菌属在降解润滑油中，温度、碳源、氮源、pH 值4 种因素对润滑油降解率的影响大小，结果依次为，温度＞葡萄糖浓度＞硫酸铵浓度＞pH 值，表明了温度在微生物降解润滑油过程中的重要性。为了提高润滑油生物去除率，需要营造适宜的温度和pH 环境，而最适温度、pH 与选择的降解菌种类以及具体的降解条件密切相关。

1.3 溶解氧和水分

大多数能降解润滑油的微生物是好氧的，对氧的利用是制约微生物降解润滑油的影响因素之一。水分则是微生物细胞的主要组分，微生物的生长代谢离不开水分的参与;但过高或过低的水分含量都不利于生物反应的顺利进行，环境中应保持适宜的水分含量［18］。如润滑油进入土壤后会严重影响其通透性，需改善土壤环境，以增加土壤中溶氧量及水分含量，从而促进润滑油的生物降解［21］。

1.4 表面活性剂

表面活性剂能通过降低油水界面张力，改善油/水与微生物细胞界面的接触行为，以及增加石油烃在水中的溶解度，加快微生物细胞对油类底物的利用速度［22］。王九［23］研究了阴离子型(十六烷基三甲基溴化铵)、非离子型(Tween-80)和阳离子型(十二烷基苯磺酸钠)3 类表面活性剂对润滑油生物降解的影响。结果发现，阴离子和非离子型能促进液压油的生物降解，其生物降解度分别达72% 和77%;阳离子型可能由于本身具有的杀(抑)菌功能，反而抑制了液压油的生物降解，其生物降解度仅为3%。他还指出，阴离子和非离子型在水中的含量处于临界胶束浓度状态以下时，随着其含量增加，液压油的生物降解度也不断增大，但其含量超过临界胶束浓度后对促进润滑油生物降解的能力降低。这说明表面活性剂的加入量不是越多越好，需根据实际情况适量添加。

已有文献报道证实生物表面活性剂能促进润滑油生物降解［24-25］。Lai 等［26］则对比了生物表面活性剂(鼠李糖脂、枯草菌脂肽)和化学表面活性剂(Tween-80、TritonX-100)对促进土壤中石油烃降解的效果，结果发现生物类表面活性剂对石油烃的去除效果明显好于化学类表面活性剂。生物表面活性剂具有化学合成表面活性剂的某些功能，且自身可被生物降解、环境毒性小、无二次污染，使其在今后的润滑油污染生物修复中具有极大的应用潜力。

生物刺激修复具有操作简单、费用低、环境影响小等特点，但在实际应用中还应综合考虑多种环境因素的协同效应，以期达到更好的修复效果。Ayotamun 等［27］在对石油烃污染土壤进行生物刺激修复时，综合考虑了几种环境因素的作用，在每公顷施肥4.7 ～12.5 t，维持pH 在5.0 ～6.0、含水率4%～19%，每周耕作2 ～5 次的条件下，修复36 d 使土壤中石油烃去除率达到了50% ～95%。润滑油大多组分生物降解能力差，单纯依靠改善外界环境，增强土著微生物活力，难以将其完全降解。因此，还需要采用更为有效的生物强化修复法。

2 生物强化修复法

生物强化修复是利用生物技术、工程学、环境学、生态学等手段来获得高效降解菌种(群)，提高底物和微生物接触机会以促进污染物高效降解［28］，其关键在于获得能高效降解润滑油的菌种(群)。

2.1 润滑油高效降解菌种的分离

当前通常采用增加环境选择压力的方法，从土著微生物中筛选润滑油降解菌并研究其降解特性，再驯化成适应性强、降解效能高的菌种，或者组建高效降解菌群重新投入环境中［29-30］。近年来，已发现能降解矿物油中某些烃类的微生物共约100 余属200 多种，分属于细菌、放线菌、酵母菌等，其中研究较多的是细菌，约占40 个属［3］。污染的土壤和水体环境中通常存在大量可以降解润滑油的微生物，可作为菌种分离来源，见表1。

表1 润滑油降解菌的降解条件研究Table 1 Degradation conditions of bacterial strains for biodegradation of lubricating oil

2.2 高效降解菌种(群)强化修复的应用

Chanthamalee 等［34］将筛选出的戈登氏菌用于修复船用润滑油造成的海水污染，经过5 d 的修复，测得含润滑油量为100 ～1000 mg/L 的海水生物降解率达到42% ～56%，而仅含有土著细菌的润滑油降解率仅为10%。但单一菌株能降解润滑油中的组分有限，而构建高效降解菌群利用其协同效应，可以降解润滑油中多种组分，是提高矿物润滑油生物降解性的重要手段［35］。张楠等［36］从石油污染土壤中分离出4 株降解菌，探讨了4 株菌的相互抑制作用和协同效应;结果表明，4 株菌无抑制作用且有显著的协同效应，组成的同生菌群比单一菌株降解HVI500 矿物基础油的能力更强。Lee 等［37］也曾向润滑油污染土壤中投加马红球菌(Rhodcoccus)、假单胞菌(Pseudomonas)和鞘氨醇单胞菌(Sphingomonas)的混合菌群，180 d 后，测得土壤中石油烃去除率达到54%。但高效菌群组合的机制还需进一步探索研究，以便在不同的污染环境下，快速的组建高效降解菌群，及时有效的提高润滑油生物去除率。

由于环境因素对微生物代谢繁殖影响较大且难以控制，可能导致投加的高效降解菌种(群)数量和活性迅速降低，无法达到预期修复效果。因此生物强化修复还可与生物刺激修复结合使用，尽力构建微生物适宜的生长降解环境，保证微生物旺盛的新陈代谢，提高生物强化修复效果。当前，向润滑油污染区域投加高效降解菌种(群)后，对菌株(群)进行强化修复的中间过程还尚不清楚;但在石油烃污染土壤生物修复中，已有研究报道利用T-RFLP、PCRDGGE 等［38-39］微生物分子生态学技术，分析研究降解菌株(群)发挥作用的过程、土壤微生物群落的结构以及降解菌株(群)与土著微生物的相互作用，为生物强化修复中高效降解菌的筛选、修复过程的优化以及修复效果的评估提供了重要依据［12］。今后，在润滑油污染生物修复中也可引入微生物分子生态学技术，以便深入了解整个修复过程。

3 结束语

生物修复法因费用低、效果好、无二次污染等优点，已成为一种治理润滑油环境污染的有效手段。今后，还有以下工作值得进一步深入研究:①生物强化修复将是治理润滑油污染的发展方向，而获得高效降解菌种仍是研究的重点;除环境选择压力筛选外，通过基因工程、诱变育种等生物技术也是获得润滑油高效降解菌种的另一途径;②应加强利用微分子生态学技术深入了解润滑油污染生物强化修复的过程，以便优化生物强化修复体系和开发出更高效的生物强化修复技术;③通过向矿物基润滑油中加入特定功能的添加剂，诱导其中微生物的生长繁殖，以及促进烃类组分在水相中的溶解度来增大其被微生物利用的机会，从而提高矿物基润滑油自身的可生物降解性，可作为减少润滑油环境污染的一个探索方向。

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