海上溢油污染治理中的生物修复技术应用

刘铭辉,李苏航,刘涛,卢文玉

(1.中海油能源发展股份有限公司 北京安全环保工程技术研究院，天津 300457；2.中海石油环保服务(天津)有限公司，天津 300457；3.天津大学 化工学院 系统生物工程教育部重点实验室，天津 300072；4.中海油节能环保服务有限公司，天津 300457)

由于钻井事故及船舶泄漏导致的突发性石油泄漏事故达到46.7%。中国作为海上石油开采及运输大国，同样面临海上石油泄漏污染的严峻形势，防范石油泄漏已成为海洋环境保护的重大目标。本文阐述了溢油生物修复技术的技术特征和前景应用，分析生物降解菌群和表面活性剂开发方向，为该领域的技术发展提供理论依据和数据支持。

1 国内外海上溢油污染现状

1.1 国外海上溢油污染现状

美国、英国、日本、瑞典等国早在20世纪70年代就逐步完善了统一在有关法规下的溢油处理体系[1]。

溢油事故发生后，为降低海洋中油污浓度，通常先采用物理法预处理，阻碍污染继续扩散，减小污染范围，一般采用吸油材料对溢油进行回收。例如，2007年，“河北精神”号与1.1万t拖船相撞，在油船左侧的3个油舱发生破裂，1.081万t原油流入海中，致使当地海洋生物圈平衡被打破。救险人员采取了机械回收、毛毡吸附、手工清除等多种物理方法清理油渍，并设置了7.7 km左右的围油栅栏[2-3]。BP公司每日加筑围油栏，增加稻草墙或设置隔离带等设施，并投加大量化学分散剂，同时使用吸油棒吸油。为了保证安全，BP公司继续在漏油油井东西2个方向各钻1口减压井，从减压井中向漏油油井注入重泥浆，以实现彻底封堵[4]。

1.2 国内海上溢油污染现状

2004年1月16日，“利达洲18”轮从营口驶向南京途中在复州湾水域因失火而失去动力，1月21日，船尾部“坐底”，致使燃油、轻柴油、滑油及少量货油流出,大连港口码头部分区域铺满了混合污油。针对本次事件发生，大连海事局立即制定了“一清、二起、三驳”的解决方针。在该次应急处置过程中，除了需要救援队伍的技术操作外，围油栏、吸油毡等清油物资也极为重要[5]。分析应急措施，发现所存在的问题：①海域划分区域并不完善，一些海区未被划定，应急演习应需加强;②各项法律法规与赔偿体系尚且不完善，对于大多数船舶在航线航行时并未进行投保，因此，如遇到应急事故，未能及时清缴清油除污等费用，影响清污工作的进行。2010年7月16日，大连大孤山保税1期仓库原油管道发生火灾，发生6次爆炸，造成约50 km2的海域污染。本次溢油虽总量少，却分散成细碎颗粒状进行扩散，且扩散面积大。大连市有关部门立即启动了遥感监测对海上浮油面积进行监测及对海水水质中石油状况实施海域监测。其暴露的相关问题依旧是关于赔偿体系不完善等问题，致使上百户渔民的损失未得到解决。应建立油污损害赔偿基金，为受灾者提供相应的补偿[6]。

无论哪种突发的溢油事件，均会造成海洋生物链的破坏，增加海上溢油实战模拟演习，从中发现问题，制定完善的应急处置方案，加强整体队伍技术的提升，出台相应的法律法规，做到应对从容。

2 海上溢油污染处置技术

近30年，我国海域发生溢油事故近200起，仅2000年就发生了38起,总溢油量超过3万t。有关统计表明，在20世纪90年代以后，我国海上溢油事故发生的频率增加，并且每次溢油数量也呈现不断增加的趋势。然而，我国的溢油应急防治设备相对于欧美发达国家也不完善，有效防治溢油工作成为阻碍我国发展的难题[7]。

目前海上溢油的处理方法可分为物理法、化学法和生物法。常用到的物理法包括围油栏法、机械回收法和吸附法等。近些年来，围油栏法向快速、简洁、便于操作方向发展。利用油回收船和撇油器是机械回收溢油的主要途径，目前已经有几十种撇油器相继研究成功。吸油材料的优点是使用快捷，原料丰富，成本低；缺点是吸油量较小且部分材料不可进行生物降解。化学法即一般采用化学制剂达到消油的目的，按其原理一般分为3类：分散剂、集油剂、凝油剂；将分散的油滴进行汇聚并紧密结合起来，以便于吸油器回收，该试剂称之为集油剂[8]；若使溢油凝固成胶状油团，漂浮于水面，后用拖船回收，这类试剂称为凝油剂。从生物学角度看，化学制剂的毒性不亚于溢油的危害，且具有二次污染。

利用微生物来降解污染水域中的石油烃及浮油比物理法与化学法有着天然的优势，利用微生物本身的特性，转化、降解并去除环境污染物，恢复本来样貌的过程称为生物修复[9]。美国在20世纪70年代就开始了生物修复技术在海上溢油问题的研究，现已进入实际应用阶段，得到了良好的效果，使被破坏的海洋生态环境恢复了本来面貌，为其他国家应用生物修复技术处置海洋溢油问题提供经验[10]。

3 海上溢油污染生物修复技术

溢油修复针对海上泄漏的石油，其本质是利用微生物的代谢活动将污染油污代谢为无害物质进入生态圈循环。海上石油主要由烃类物质组成，而自然界中的烃类降解菌广泛分布在海洋、土壤以及被石油污染地中，有相关研究证实自然环境中存在几十种烃类降解菌属。利用生物技术修复海上溢油问题一般有以下两种方法。

3.1 生物强化法

生物强化法是指利用围油栏将溢油区域围起来，使之聚集，并向其加入降解能力强的菌株制剂，将收集好的污油进行降解吸收。烃类降解菌可以从土壤中进行富集，也可以从油污污染严重区域取样富集，当然，还可以利用改造过的基因工程菌株。构建基因工程菌株的核心技术，通过分析菌种降解烃类有机物的降解途径，对特定的路径进行强化或者对选用的目的基因进行改造，使之降解率提高。文献[11]从不同环境条件下筛选出复合菌群Terra Zyme TM，在实验室和现场分别进行了溢油的生物修复试验，实验表明Terra Zyme TM表现出极高的油脂类生物降解能力。文献[12]通过建模的方法，通过对微生物添加电子供体刺激六氯环己烷的降解。美国一些公司正在研究开发生物修复技术制剂，并将其商品化。

3.1.1 直接投加高效降解微生物或共代谢基质

直接在目标污染物中投加高效降解的微生物是最普遍也是最简洁的技术手段，利用驯化、基因诱变、基因重组技术使微生物可利用污染物为碳源，对污染物高效去除，其主要针对一些难降解的污染物如苯系物、酚类物质等。此法一般应用于废水、废气处理较多。文献[13]利用自行研发高效菌去除焦化废水COD、氨氮，使COD从210 mg/L降至162 mg/L，氨氮从48 mg/L降至15 mg/L。文献[14]以天津港沉积池为菌种采集地，构建高效降解石油混合菌群，对原油降解最高可到66.9%。

3.1.2 固定化生物强化技术

固定化方法主要以吸附法和包埋法为主，吸附法是利用物理材料吸附或离子结合的作用，将微生物菌体固定在有吸附特性载体的内部或表面，伴随吸附量的增加以及微生物自身的生长繁殖，在吸附材料表面形成一层生物膜。包埋法是指通过凝胶作用，将微生物菌体包埋进载体材料内部的一种方法。由于其操作简洁、且对细胞活性几乎无影响、固定化细胞效果好，是目前应用最为广泛的固定化方法。文献[15]人选用海藻酸钠、聚乙烯醇和河沙作为载体包埋固定化复合菌，制备成包埋固定化复合菌微球来处理废水，实验结果表明，经包埋固定化后的高效降解复合菌小球具有菌种活性高、微生物浓度高、对环境条件的适应范围更广等优点，对比直接投加菌体或菌液所造成的微生物流失固定化损失更小。当然，固定化技术对环境变化适应性也减小。目前并未见相关报道将固定化生物强化技术应用于海上溢油的处置问题，后续技术有待进一步研究。

3.2 生物刺激法

筛选石油污染环境中的原始菌株，通过外源添加生物表面活性剂或氮、磷等营养元素，提高生物降解速率，利用表面活性剂两性基团，增加水油的亲密性，促使石油以乳浊液形式分散于水中，进而增加微生物与石油的接触面积，促进污染物的降解[16]。

生物表面活性剂是微生物在特定条件培养下由代谢产生的一种同时拥有疏水基团与亲水基团一体的化合物，具有良好乳化、增容及分散的效果。生物表面活性剂除了具有与化学表面活性剂相同的性质，如降低表面张力、穿透性、分散性等，还具有发泡、润湿、生产工艺简单、生态安全、原料来源范围广等特点。根据化学结构的不同可将生物表面活性剂分为糖脂、脂肽和脂蛋白、脂肪酸和磷酸、多聚生物表面活性剂和特殊生物表面活性剂5大类[17]。目前应用较为广泛的为槐糖脂、鼠李糖脂与海藻糖脂。文献[18]在近海石油污染试验基地投放了表面活性培养液，20 d可降解模拟海水中72%的原油；淡水中原油的降解率高达78%。生物表面活性剂已成功应用于海上溢油的事故处理，但其成本远高于化学表面活性剂。未来的研究方向不仅针对高产菌株的选育、生产优化，对于生物表面活性剂的物理结构与理化性质也要开展更深入的研究。

4 结论

比较多种溢油处置方法，实施生物降解是目前最环保且拥有经济前景的方法，但在我国并未进行大规模实际应用，由于海洋环境的复杂化导致生物修复周期过长，修复效率低。生物降解率也因多因素的变化而变化，影响生物降解率的主要因素有：菌群种类、菌种性能、营养成分浓度等。随着基因修饰、改造等一系列现代分子生物技术的发展与渗透，也推动了生物修复技术的进步，人工构建混菌体系日趋成熟，利用合成生物学的方法，定向改造目标菌株，构建基因工程菌，在强化菌种本身降解性能的同时，还可以提升表面活性剂的产量，目前，生物处理法已逐渐应用于海上石油伴生气的处理中，通过与化学法，物理法结合，降低使用成本，形成高效处理工艺，也是我国海上溢油应急处理所关注的重点目标。