微生物法处理石油污染土壤的研究进展

丁 强，刘海华

(1.陕西省环境监测中心站，陕西 西安 710054； 2.西安航空学院能源与建筑学院，陕西 西安 710077)

石油是现代社会最重要的能源和化工原料。然而，石油的溢出和泄漏通常导致土壤和地下水污染，特别是大规模的意外泄漏。石油污染的主要来源是石化工业、油田设施、石油厂、液体燃料分配和储存装置、石油产品运输设备、机场和非法钻探。在过去的几十年里，石油污染一直是对海洋、土壤及水体环境的严重威胁。这些污染具有重大的环境影响，当石油泄漏时，石油填充土壤孔隙，迅速被土壤颗粒吸收，在重力作用下，改变土壤化学成分、物理和生物特性[1]。对人类健康构成重大危害，破坏生态平衡，需要数年甚至数十年才能恢复[2]。

根据2014年公布的《全国土壤污染调查公报》，我国石油产区土壤中主要污染物为石油烃和多环芳烃，化工园区及周边土壤中主要污染物为多环芳烃[3]。目前我国农用地土壤环境质量标准征求意见稿里，对土壤中石油烃总量限定值暂定为500 mg·kg-1。多环芳烃(PAHs)具有亲油性和疏水性，具有致癌性、致突变性和环境持久性，近年来受到人们的广泛关注[4-5]。农作物作为主要食物源，从受污染土壤中吸收多环芳烃，随后食用受污染作物，导致多环芳烃通过食物链转移[6]。此外，土壤中的多环芳烃可以通过地表土壤的排放和粉尘的产生来分散，这是多环芳烃暴露的另一个重要途径[7]。

生物修复具有成本低、无二次污染、对土壤环境无破坏和处理效果好等特点。生物修复以其优良的特性逐渐成为研究热点。烷烃和多环芳烃可以作为原油的典型和优势组分进行生物降解研究。本文介绍微生物法处理土壤石油烃类和多环芳烃污染研究进展。

1 去除土壤中石油烃和多环芳烃的原理

进入土壤中的石油烃类和多环芳烃类污染物，可通过挥发、自氧化和降解等自然方式进行转化和降解，降解主要包括生物降解、光解降解和机械降解，在没有外来微生物参与的情况下，是一个非常缓慢的过程[8]。被微生物降解是烃类污染物最终归宿。

当石油污染物进入环境时，各种微生物会参与生物降解过程。作为营养物，污染物被微生物吸收并转化为有机成分或新的微生物得以再生。其余的被微生物氧化并分解成简单的有机或无机物质，如甲烷、二氧化碳和水。微生物对石油污染物中不同碳氢化合物的代谢途径和机理不同。

上述3个过程涉及的氧化途径包括单端氧化、双端氧化和次末端氧化。

(2) 支链烷烃降解机理：与非支链烷烃相比，支链的存在阻碍了微生物氧化降解的进程[9]。多环芳烃很难降解，溶解度、环数、取代基类型、取代基位置、取代基数目及有关杂环原子的性质决定了降解程度。第一环羟基化为丙酮酸和二氧化碳是多环芳烃生物降解的开始，然后第二环以同样方式降解。

2 降解土壤中石油的影响因素

2.1 石油的化学组分

石油产品的可降解性因其成分而异。石油烃是一种极其复杂的混合物，可将其分为四个部分：饱和烃、芳烃、树脂(N、S、O)和沥青质[10]。饱和烃部分包括直链烷烃(正构烷烃)、支链烷烃(异烷烃)和环烷烃(环烷烃)。芳烃馏分中含挥发性单芳香烃，如苯、甲苯、二甲苯、多环芳烃和环烷芳烃。芳香硫化合物，如噻吩和二苯并噻吩。树脂(N、S、O)和沥青质组分由含氮、硫和氧的极性分子组成。树脂是真正溶解在油中的无定形固体，而沥青质是大分子胶体分散在油中。

各种烃类的降解程度不同，降解速率主要取决于碳及其官能团的数量[11]。这些组分中，饱和烃最易降解，其次是低分子量的芳香族化合物，而分子量较大的芳香族化合物、树脂和沥青质极难降解。

2.2 降解菌种数量及种类

作为分解者，石油降解菌种数量和种类是影响石油生物降解率的重要因素。有机污染物的生物降解受微生物活性影响。不同微生物对石油烃的降解能力不同，同一菌株对不同烃类的利用能力也不同。石油污染土壤中，石油降解速率与石油降解菌的数量和种类有关，数量种类多，降解速率快。石油类中的有机质能显著提高土壤有机碳含量。有机石油很容易与无机氮磷结合，限制土壤的硝化和脱磷，减缓养分的循环。土壤物化性质的变化将改变细菌群落。石油污染可以诱导降解石油微生物种群的增长。非石油污染区石油降解微生物数量不到微生物总量的0.1%，但污染区石油降解菌的比例和数量都有明显增加。Feng X等[13]通过研究大港油田石油污染土壤细菌群落分布，得出石油污染土壤比正常土壤有更多的甲烷和多环芳烃降解途径，表明石油污染土壤内菌群更为丰富。Wu Manli等[14]研究被石油污染土壤中菌群的变化，采用保持土壤含水量和添加混合菌种等手段处理石油污染土壤，结果表明，实验前3周内被石油污染土壤菌群的种类和数量急剧增加，之后维持不变或略降。

2.3 土壤中的氧气及营养物质

对于好氧微生物，土壤中的氧含量对降解率有重要影响。微生物降解石油过程中，主要的电子受体是O2。石油污染土壤修复过程中，土壤中含氧量(20～200) mg·L-1时，微生物可完全降解石油污染物[15]。Thomé A等[16]采用微生物-通风技术修复土壤中石油烃类污染物，结果表明，生物通气降解率最高为85%，而自然衰减降解率为64%，气流强度和气流间隔对降解结果无显著性差异。刘沙沙等[17]利用生物通风法修复柴油污染土壤，向土壤中通入空气时微生物的数量和活性比自然修复状态高。氧作为电子受体，可提高微生物体内的加氧酶对分子氧和能量的利用，加快细胞中营养物质的分解代谢。

微生物生长最根本的限制因素是土壤中的营养元素。土壤中的微生物至少有11种微量营养元素(N、P、K、Na、S、Ca、Mg、Fe、Mn、Zn、Cu)。这些元素须保持一定数量、形态和比例，才能维持好氧菌的生长。石油污染土壤中C、N、P质量比为100∶0.12∶0.02。对于生物修复工程来说，美国环保署建议土壤中质量比为100∶10∶1，以获得适当的养分，刺激微生物生长。Wu Manli等[14]研究表明，生物刺激在陕北石油污染土壤的生物修复中，增加氮、磷养分是可行的。李政等[18]利用微生物修复克拉玛依石油污染土壤，m(N)∶m(P)=10的实验组土壤含油率减少最明显，含油率由初始的4.03%降至2.12%，石油烃降解率47.39%。m(N)∶m(P)过低或者过高均不利于土壤中石油烃的降解。

2.4 土壤含水率

土壤的含水率对土壤中微生物影响显著，是影响石油降解菌生长繁殖的限制因素[19]。李政等[18]研究表明，当土壤含水率较低时(低于20%)，石油降解在生物修复的第30天才表现显著，而当土壤含水率较高(高于20%)时，油降解在生物修复的第20天就表现显著，可见含水率影响降解菌对石油烃的利用速率。但随着含水率提高，含油率的降低不明显，实验得出结论，土壤中水含量为25%时，为最佳降解条件。

2.5 pH和温度

土壤pH值是影响微生物生长、活性、生物量、膜完整性和污染物生物有效性的关键参数。当pH为微碱性时，有利于硝化作用及氮的进一步转化；当pH=6～8时，磷的可利用性较高[20]。之前的研究表明，可降解石油的菌种大多适应微碱性环境。

环境温度影响溢油的性质和微生物活性或数量。在低温下，原油黏度增大，有毒低分子量烃类的挥发性降低，延缓了生物降解的发生。一些碳氢化合物在较低温度下溶解度增大(如短链烷烃)，而一些低分子量芳烃在较高温度下溶解度更大。碳氢化合物的生物降解可以在较宽温度范围内发生，但生物降解速率通常随着温度的降低而降低。土壤环境中最高降解率温度(30～40) ℃，淡水环境中(20～30) ℃，海洋环境中(15～20) ℃[21]。

3 去除土壤中石油所用菌种的特性和驯化

石油污染土壤微生物修复的主要方法有：(1)生物强化，即添加降解石油的微生物来补充石油泄漏的生物修复现有微生物种群。(2)生物刺激，通过添加营养物质或其他限制生长的共基质改变刺激了土壤中石油降解的生长。2种方法已在实验室规模和石油污染海岸线的生物修复中得到广泛研究。李晓娜等[22]以胜利油田附近被石油污染的土壤作为分离样品，以原油为唯一碳源和能源进行菌种驯化，富集筛选得到高效降解菌2株，分属为芽孢杆菌属和假单胞菌属。室内培养箱实验测定，2株菌经45天对土壤中石油的降解率分别为72.3%和61.2%。程进[23]以大庆湿地油井附近石油污染土壤为研究对象，以原油为唯一碳源，进行菌种驯化，模拟油污土壤实验表明，单独加菌液对油污土壤修复具有可行性。菌株对2 g·kg-1油污土壤具有修复能力，经过7天对土壤中石油的去除率最高可达63.07%。夏铭谦[24]以美国加州北部一石油污染场地为研究对象，通过对土著微生物的富集培养、分离纯化，筛选得到石油烃降解细菌30株，并模拟石油污染土壤进行实验，15天内对土壤中石油的降解率最高菌种为变形斑沙雷氏菌，达67.99%。马晓焉等[25]以柴油为唯一碳源，从被原油污染土壤中筛选和分离降解柴油的4株菌种，分析pH和温度对菌种的影响，得出适宜这4株菌种的温度为(25～35) ℃，pH=8～9。

4 结 语

石油勘探正被推进到更深的水域和更偏远的地方，如北极地区，那么未来发生事故的风险会更高，在可用于海洋和陆地溢油的清理技术中，生物修复方法更具可持续性和成本效益。基于微生物降解的石油污染土壤生态修复可以从本质上彻底解决污染。目前，将微生物燃料电池与微生物联合用于石油污染土壤，不仅可以加速石油污染物生物降解的启动速度，还可以加大微生物对石油污染物的降解作用范围。生物修复投资成本低，简单有效，修复效果好，无二次污染，适应当今工业的大规模发展。