低温地区陆地泄漏原油的生物降解研究进展

李 政， 顾贵洲

(辽宁石油化工大学 化学化工与环境学部, 辽宁 抚顺 113001)

在石油勘探、开采、储运、炼制、加工及其使用的过程中，石油及石油制品的泄漏或溢出事故频发，造成了严重的生态灾害[1-2]。全世界每年有超过4.5×105m3的原油和成品油泄漏到环境中[3]。全球石油总产量中，陆地油田生产量占80%以上[4]，大约有8×106t石油类污染物直接进入陆地环境。2001年，美国存有的300万个贮油罐中发生泄漏的约为50万个[5]。2010年英国BP公司“Deepwater Horizon”钻井平台在墨西哥湾爆炸，钻井平台底部油井漏油不止，平均每天漏油量约5 000桶[6]。仅2014年，全球大约有8次重大石油泄漏发生，导致数百万加仑的原油泄漏[3]。中国石油企业每年产生约7×106t陆地原油，有近6×105t无法回收，造成约500万hm2土地受到石油污染[4]。除了经济损失，此类原油泄漏事件正对地球生态系统造成巨大的持续性破坏[7-9]。当前大多数研究均集中于海上泄漏原油的处理，关注陆地原油泄漏的研究相对较少，且这类研究也仅局限于道路交通事故引发的原油泄漏问题[10]。本文针对低温区域陆地泄漏原油的原位处理，提出将物理化学吸附与微生物降解相结合，充分发挥无机矿物吸附剂吸附效率高、低温高效石油烃降解菌降解彻底的优势，为低温地区陆地泄漏原油处理提供参考。

1 陆地泄漏原油的危害

石油污染物主要包括烷烃、环烷烃、芳香烃、苯系物等有机化合物，其中环境优先控制污染物可达30 种，且具有致癌、致畸和致基因突变的“三致”作用，严重破坏土壤生态系统功能并威胁人类健康[11]。

陆地泄漏原油大部分直接进入土壤环境，由此引起土壤理化性质的变化，破坏土壤结构、影响土壤的通透性、降低土壤质量；并且油污黏着在植物根系上，形成一层黏膜，阻碍植物根系对养分和水分的吸收，引起根系腐烂，影响农作物生长[11]；同时，石油富含的反应基能与无机氮、磷结合并限制土壤生态系统中的硝化作用和脱磷酸作用，从而使土壤有效氮、磷的含量减少，影响作物的营养吸收。另外，随着水流的自由流动，乳化态和溶解态的石油类物质会向土壤深处迁移扩散，进而污染地下水。与此同时，石油中的多环芳烃(PAHs)对于人和动物的毒害最大，尤其是双环和三环为代表的多环芳烃毒性更大，它们可通过呼吸、皮肤接触、饮食摄入等方式进入人和动物的体内，影响其肝、肾等器官的正常功能，甚至导致癌变。这种人为造成的石油污染，如不采用人工干预的办法来治理，而仅靠自然界的力量来清除，其周期太长，效率太低。

石油污染会对土壤环境造成严重危害，因此对石油污染的治理工作已成为当前亟待解决的重要任务。自20世纪80年代，美国、德国、荷兰、日本等发达国家就相继制定土壤污染综合治理方面的法律法规，开展土壤污染调查、风险评估与修复，建立土壤可持续环境管理框架体系，完善土壤环境管理的法律及相关标准，严格明确土壤污染治理责任。为了切实加强土壤污染防治，逐步改善土壤环境质量，2016年国务院发布《土壤污染防治行动计划》，主要目标是到2020年，受污染耕地安全利用率达到90%左右，污染地块安全利用率达到90%以上；到2030年，受污染耕地安全利用率达到95%以上，污染地块安全利用率达到95%以上。

2 陆地泄漏原油的物理化学吸附法

2.1 无机矿物吸附剂

原油泄漏事件总是意外发生，泄漏油品在短时间内迅速蔓延[12]。目前，用于处理原油泄漏的方法有物理化学法和生物法[13-15]。其中，涉及固体吸附剂的物理化学吸附法被认为是最快速有效的方法[16]。 M. O. Adebajo等[17]将吸附剂分为三类：无机合成材料、有机合成材料和天然材料。主要包括活性炭[18]、硅胶[19]、粉煤灰[20]、珍珠岩[21]、铬鞣革屑[22]、黏土矿物[23]、膨胀石墨[24]、石墨烯[25]、聚氨酯[26]、聚苯乙烯[27]、稻壳[28]、木棉纤维[29]等。

近年来，随着海上溢油事故的频发，有关吸附剂材料的相关研究得到广泛关注。例如，疏水性三聚氰胺海绵[30]、类棉花糖凝胶[31]、碳纳米纤维气凝胶[32]。以上材料具有高疏水性和压缩性，但是由于制备方法繁杂、原材料昂贵限制了其应用[12]。因此，利用低成本原材料生产高效石油吸附剂是亟需解决的关键问题。

2.2 粉煤灰沸石

无机矿物吸附剂不易燃、价格低、方便使用、可重复利用，能够快速将吸附的液体保存在稳定的多孔结构中，并且在较高的压力下也不释放。其中，沸石由于其独特的性质得到广泛的应用。沸石是一种规则晶体，其基本结构为硅氧四面体[SiO4]4-和铝氧四面体[AlO4]5-以共角顶的方式相连，形成含有很多孔穴和孔道的硅铝氧骨架，这种内部结构和晶体性质决定了沸石具有强大的吸附能力、阳离子交换选择性、催化性能、耐高温、耐腐蚀等良好性质[33]。此外，沸石的多孔结构可为微生物的生存提供附着点位和适宜的栖息场所，微生物亲和性好。天然沸石是100多种矿物质的总称，含有较多杂质。而人工合成沸石纯度高、吸附性能好。目前，合成沸石被广泛应用于环保领域，例如去除污水或污泥中的重金属离子[34]和放射性物质[35]，分离燃烧气体中的SOx、COx和挥发性Hg[36-37]，捕集大气中的CO2[38]。

粉煤灰是煤炭燃烧的副产物[39]，是火力发电厂的主要固体废弃物[40]。一般每燃烧4 t煤，就能够产生1 t粉煤灰[41]。据统计，我国于2015年的粉煤灰产量大约为5.4亿t，而利用率却不足40%[42]。东北地区冬季供暖时间长，热电厂产生的粉煤灰数量大，而此时北方几乎所有基建工程都处在停工状态，大量粉煤灰被随意堆积填埋，如果不加利用处理，就会产生扬尘，而排入水体会造成河流淤塞及污染环境[43]。由于粉煤灰和沸石主要成分相似，H. Holler等[44]首次利用水热活化法将粉煤灰合成沸石分子筛，随后人们利用不同技术和方法合成了各种类型的粉煤灰沸石。E.Otala等[45]发现粉煤灰沸石的离子吸附能力较天然沸石更优。在石油污染治理方面，粉煤灰沸石也显示出较大的优势。L. Bandura等[46]发现利用粉煤灰合成的Na-P1型沸石和天然斜发沸石分别能吸附0.91 g/g和0.36 g/g机油，前者的吸附能力明显优于后者。2013年，R.R.Saikia等[47]研究认为，X型粉煤灰基沸石表面经过酯化疏水处理后，能够吸附1.15 g/g水相中的原油，为水体泄漏原油的去除和粉煤灰的资源化利用提供了新的方法和思路。

3 低温地区陆地泄漏原油的生物降解技术

3.1 生物修复技术

生物修复主要是指利用微生物的代谢活动来减少污染物的浓度或使其无害化的过程[48]，是一种高效、经济、环境友好的处理技术。石油污染的生物修复法因具有高效经济和环境友好的优点，受到国内外研究者的广泛关注，成为污染修复的主要研究方向[49-51]。根据处理污染土壤的位置是否改变，生物修复技术分为原位生物修复和异位生物修复两种。所谓原位生物修复(in situ bioremediation)是指对受污染的土壤不作搬运或输送而在原地点利用生物通风(bioventing)、生物冲淋(bioflooding)、生物注气(biosparging)、投加外源微生物菌种、植物修复等方法进行处理。异位生物修复(ex situ bioremediation)是指通过挖掘土壤，将污染物移动到邻近地点或反应器内进行处理，主要有异位土地耕作、堆肥(composting)处理、泥浆相处理等一些方法，此技术难度低，但投资较大。根据修复使用对象不同，石油烃污染土壤生物修复分为微生物、植物、植物-微生物联合修复等方法[52]。

目前，有关石油污染生物修复法的报道明显增加，涉及微生物学的基础研究和分子生物学，为石油污染物的生物降解提供了很好的理论基础[49, 53]。另外，有关石油污染土壤生物修复研究主要集中于石油污染物的生物降解途径、影响因素、工程强化技术等方面[49, 54-56]。20世纪70年代以后，国内外环境微生物学者就石油对土壤环境的生物多样性影响，石油污染物降解微生物菌群、代谢途径等进行了大量的研究。1981年，M.Alexander[54]在《Science》上发表论文，高度的概括和归纳了有机污染物的生物降解，主要包括脱卤、脱氨基、脱羧基、甲基氧化、羟基化、β氧化、环氧化、氮氧化、硫氧化、硫酸盐还原、三键还原、双键还原、双键水合、氮代谢、肟代谢、腈氨代谢等生物降解类型，揭示了微生物的厌氧代谢和好氧代谢等不同环境下的降解过程。

利用微生物对有机污染物的降解作用和增强酶活性等生物转化作用去除土壤中石油烃类污染物[56-57]。微生物修复方法的关键在于高效降解菌的筛选及在应用过程中提高微生物活性和增加生物量，同时应结合污染区环境及气候条件的特殊性对修复方法、材料及条件进行优化[58-59]。

3.2 低温石油烃降解微生物

自然生态环境中的微生物种类非常丰富，在未遭受石油污染的环境中，石油降解菌占总体微生物的比例小于0.1%，而在石油污染的环境中，这一比例接近100%。据报道，能降解石油烃类的微生物共约100多个属、200多个种[48]。在土壤环境中最常见的能够降解石油烃类的细菌有：假单胞菌属(Pseudomonas)、节杆菌属 (Arthrobacter)、不动杆菌属(Acinetobacter)、产碱杆菌属(Alcaligenes)、微球菌属(Micrococcus)、棒状杆菌属(Corynebacterium)、黄杆菌属(Flavobacterium)、红球菌属(Rhodococcus)、无色杆菌属(Achromobacter)、诺卡氏菌属(Nocardia)、芽孢杆菌属(Bacillus)、分支杆菌属(Mycobacterium)；最常见的具有降解石油烃类能力的真菌有：木霉属(Trichoderma)、青霉属(Penicillium)、曲霉属(Aspergillus)、毛霉属(Mucor)、镰刀菌属(Fusarium)、红酵母 (Rhodotorula)、假丝酵母(Candida)、掷孢酵母(Sporobolomyces)、被孢酶属(Mortierella)[60-61]。由于细菌具有容易培养,易于分子生物学改造,能够代谢氯代有机物和能够以烃类物质为碳源能源而将其矿化等优点，目前在石油污染土壤生物修复技术上得到广泛应用。

在微生物降解石油烃类污染物的诸多影响因素中，温度是重要因素之一。低温环境在自然界中分布广泛，80%以上生物圈为常年低于5 ℃的低温地区[62]。我国大部分油田开采区在10月至次年2、3月期间，平均气温低于15 ℃。温度降低会引起微生物细胞膜流动性和酶催化活性减弱，污染物转运和代谢速率的降低。另外，石油烃成分复杂，其中PAHs难以直接生物降解，加之原位修复污染环境的差异，以及微生物自身的生长周期、代谢活性和竞争力等问题，在实际过程中存在微生物活性低,降解效果差等问题。因此，对低温地区石油烃污染原位微生物修复，筛选低温高效石油烃降解菌，且在实际修复过程中提供适宜的生长环境以提高其活性,增加其生物量至关重要。

低温微生物是指在低温环境下能够正常生长繁殖的微生物，包括嗜冷菌和耐冷菌[62]。低温微生物在低温环境中形成了一系列适应机制，保证在低温条件下完成新陈代谢活动。目前，利用低温微生物治理寒冷地区石油污染已引起广泛关注。J. M. Aislabie等[63]认为，对超低温地区南极洲石油燃料泄漏引起的土壤污染问题，采用微生物修复法是可行的。我国东北地区大庆油田、辽河油田，冬季冰期较长，冻土深度较大，从石油污染土壤中筛选低温高效降解菌种，开展低温条件下微生物修复污染土壤的研究具有重要的理论和现实意义。在低温区域污染场地的原位微生物修复方法中，低温高效降解菌的筛选及在实际修复过程中提高其活性和增加生物量是关键，同时在考虑污染场地环境及气候条件的特殊性的基础上，优化修复方法、材料及条件[58, 63]。

3.3 固定化微生物技术

固定化微生物技术主要是指通过物理或化学的方法将分散、 游离的微生物固定在某一限定空间区域内，以提高微生物细胞的浓度，使其保持较高的生物活性并反复利用的方法[64]。该技术是20世纪60年代以研究固定化酶为起点发展而来[64]，具有微生物密度高、反应速度快、耐毒害能力强、微生物流失少等优点[65-66]。目前，固定化微生物技术广泛应用于环境污染治理方面的研究，主要的治理对象为难处理的有机废水及重金属污染的废水[67]，同时研究还涉及到大气和土壤的污染治理[68]。J. E. Lin等[69]将包埋法制得的微生物固定化材料用于降解五氯酚，该材料具有生物催化剂、污染物吸附富集剂、微生物固态代谢底物等作用。元妙新[70]利用可生物降解的生物碳固定化细菌修复多环芳烃污染土壤。张秀霞等[68]利用秸秆DG作为载体固定化微生物修复石油污染土壤35 d，土壤中细菌数量大幅增加，石油烃降解率达到40.8%，比游离菌高约20%。

在石油污染的生物修复法中，固定化微生物能否有效利用载体材料吸附态石油烃是修复成功的关键因素。微生物在载体表面附着生长可增加微生物与吸附态污染物的接触机会，从而促进微生物对污染物的降解作用[71]。应用于原位土壤修复的微生物固定化载体使用时直接进入土壤环境，成为其中的一部分，因此要求固定化载体应具有环境友好的特性。土壤修复中的固定化载体材料可以为微生物提供附着体系和具有缓冲作用的微环境，可以保护微生物避免土壤不利条件的伤害。另外，为了提高土壤微生物的密度和活性，固定化载体材料需要为其提供丰富的C、N营养。因此要求固定化载体应具有环境友好、性能稳定、成本低廉、微生物亲和性好、污染物吸附能力强、营养充分的特点[66]。

固定化微生物技术在土壤修复中的研究还处于起步阶段，需要解决以下问题来加快其规模化应用：① 选择适用于土壤的固定化载体材料；② 筛选高效的降解菌；③ 选择合适的固定化方法；④ 进一步研究固定化微生物的性能，同时探索如何激活和调控进入土壤环境之后固定化微生物；⑤ 联合其他修复技术同时应用[65]。

固定化微生物技术在一定程度上提高了微生物降解石油烃污染物的能力，然而，微生物自身的生长周期较长，高浓度石油烃污染物对其有较强毒害作用。因此，微生物修复法在原油泄漏量大、泄漏速度快、污染面积广的陆地原油泄漏事故中难以快速启动。

4 结论与展望

陆地原油泄漏事故一般难以预测，且具有泄漏量大、泄漏速度快、污染面积广的特点，微生物修复法在此条件下难以快速启动。因此，在生物法处理陆地泄漏原油之前，如何快速有效地处理泄漏现场，使污染场地面积降至最小，将污染程度降低到微生物能够承受的范围，是真正提高低温地区陆地泄漏原油处理效率的关键问题之一。

在原油泄漏事故发生时，粉煤灰基沸石能够快速高效地将泄漏油品保存在稳定的多孔结构中，为后续微生物修复创造有利的环境条件。泄漏原油常会发生乳化现象，吸附法难以彻底清除，残余原油只能通过生物降解法去除。因此，针对低温地区陆地泄漏原油的原位处理，将物理化学吸附与微生物降解相结合，通过对热电厂固体废弃物粉煤灰制备沸石资源化利用后，发挥无机矿物吸附剂对石油烃的吸附与低温高效石油降解菌对石油烃的生物降解优势，为低温地区陆地泄漏原油处理提供参考。

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