沿海滩涂石油污染生物修复技术

李时琛,周航海,姜丽佳,林晓云,章春芳,李艳红

(1.桂林理工大学环境科学与工程学院，广西 桂林 541006；2.浙江大学海洋学院，浙江 舟山 316021)

海洋强国战略的实施离不开海洋生态环境的持续健康发展。随着我国世界一流港口的建设和海上运输业的发展，在一定程度上增加了海洋溢油事故的发生概率，加大了沿海滩涂石油污染的风险。海洋溢油事故会对沿海滩涂造成严重的生态环境污染问题，受石油污染的沿海滩涂急需应用高效环保的技术进行修复。传统的物理化学修复技术在修复过程中会造成额外的空气和水污染，在修复结束后需要进行昂贵的后续治理[1]。而生物修复技术则被认为是一种更为经济实用的技术[2]，该技术是指微生物利用石油烃作为碳源进行生长代谢[3]，同时将其转化为较简单的有机化合物，或完全矿化为二氧化碳和水的环境治理技术[4]。生物修复技术可有效降低环境污染物的生态毒性[5]，其修复效果主要取决于生物去除转化污染物的能力、生物的活性以及污染物的可利用性[6]。生物修复技术具有成本低、环境友好的特征，适用于大面积环境污染的修复，是解决海洋石油污染最有前景和最经济的方法之一[7]。

生物修复技术发展于20世纪中期，并在1989年埃克森·瓦尔迪兹(Exxon Valdez)漏油事件中取得了很好的修复效果，从而揭开了生物修复技术应用于海洋石油污染治理的序幕[8]。在常规生物修复中，生物刺激和生物强化是最常见的修复策略[9]。其中，生物刺激修复策略是通过改善环境来间接刺激微生物降解污染物；而生物强化修复策略则通过添加菌剂直接调节微生物群落，以提高生物修复效率。此外，生物堆和生物反应器通过优化环境条件，用来提升生物修复过程的可控性，也是高效、普适的生物修复策略[10]。

沿海滩涂石油污染是目前我国海洋生态环境中迫切需要解决的环境污染问题。尽管已有一些文献总结报道了生物修复技术能够有效修复生态环境中的石油烃污染，但这些文章主要集中在内陆土壤或水环境的石油烃污染的修复方面。迄今为止，针对沿海滩涂石油污染生物修复技术的全面综述仍很少见。针对不同的污染环境，生物修复策略存在较大差异，且不同的生物修复策略，在沿海滩涂石油污染环境中的适用性也各不相同。为此，本文综述了近年来国内外生物修复技术在沿海滩涂石油污染处理中的综合应用，以期为我国沿海滩涂石油污染控制提供技术参考。

1 沿海滩涂石油污染的生物修复策略

1.1 生物刺激修复策略

目前，生物刺激修复策略已成为广泛应用于陆地和海洋环境污染的生物修复技术。传统的生物刺激修复策略包括生物通风和提供营养盐，主要用于刺激微生物新陈代谢和增强微生物的活性，从而加速污染物的自然生物降解[11]。近年来，在不断优化传统生物刺激修复策略的同时也发展了一些新兴生物刺激修复策略，包括添加营养缓释剂、增溶乳化剂、酶制剂和环保调节剂等策略，各种生物刺激修复策略的具体手段和适用范围,见表1。

表1 不同生物刺激修复策略的具体手段和适用范围Table 1 Specific remediation methods and application scope of different biostimulation strategies

1.1.1 生物通风

生物通风是指通过增强空气的流通和提高氧气利用效率来促进生物降解的一种生物刺激修复策略。该技术通过向污染环境注入对流的空气，在去除挥发性较高的气相污染物的同时提供氧气，促进了原位生物降解[12]。通常，较低的空气速率可以延长气体在污染环境中的停留时间，从而增强微生物的好氧代谢活性。Thomé等[13]使用较低的气流强度(2 L/min)对含油量为4%的土壤进行生物通风处理，60 d后生物通风处理的石油烃降解率高达85%，是自然降解效率的1.3倍，表明低气流的通风处理可以促进微生物的新陈代谢，从而提高微生物对石油烃的降解效率。

1.1.2 添加营养缓释剂

许多研究表明，适合生物修复的碳氮磷比为100∶10∶1[37]，该碳氮磷比例有利于微生物高效降解石油烃。由于石油污染环境中碳氮磷比失衡，微生物降解石油烃受到氮、磷等营养盐含量的限制[38]。因此，添加营养盐以维持微生物代谢所需的碳氮磷比是最普遍的生物刺激方法之一。

由于沿海滩涂地理位置特殊，在潮汐作用下直接施加营养盐的利用率极低，因此添加营养缓释剂更适用于沿海滩涂石油污染的修复。Becker等[14]通过加入水溶性营养缓释剂奥绿肥(Osmocote)，刺激土著微生物修复受溢油污染的海滩沉积物，经过92 d的试验，结果发现添加营养缓释剂Osmocote能够完全去除海滩沉积物中的姥鲛烷和植烷，表明该营养缓释剂是一种有效的土著微生物刺激剂，适用于修复敏感的浅滩生态系统。由于水溶性营养缓释剂释放养分的周期短且在海水冲刷下容易流失，而亲油性营养缓释剂释放养分的周期是水溶性营养缓释剂的4～5倍，因此微生物利用度更高[15]。Zinjarde等[16]研究发现，添加以尿素为核心的亲油性缓释肥料(Inipol EAP 22)可以提高耶鲁维亚解脂酵母菌(Yarrowialipolytica)对原油的生物降解效率。还有研究表明，添加无机营养物更适用于微生物修复砂质细腻的石油污染海岸，而添加亲脂性营养物对微生物修复砂质粗糙的石油污染海岸更有效[17]。

1.1.3 添加增溶乳化剂

由于石油烃疏水性强、黏度高，因而易被截留吸附在固体基质上而难以被微生物降解[10]。增溶乳化剂通过分散油来提高油的流动性，从而提高石油烃在固液相之间的传质效率。表面活性剂是一种有效的增溶乳化剂，其结构包含亲水和疏水基团，可增加石油烃在固体基质上的解吸速率，常被用于促进石油烃的生物降解[18]。Rahal等[19]研究发现，阴离子表面活性剂可以提高原油的增溶效率，典型的阴离子表面活性剂包括线型烷基-聚环氧丙烷-聚氧乙烯硫酸钠(X-AES)、十二烷基硫酸钠(SDS)和十二烷基苯磺酸钠(SDBS)，其对原油的增溶效率顺序表现为SDS

生物表面活性剂是由微生物发酵产生的天然物质，与化学表面活性剂相比具有更高的起泡活性、良好的稳定性、无毒、可生物降解、环境友好等特征[24]。Nikolopoulou等[17]在希腊干尼亚(Chania)的一片受风化原油污染的海滩沙土中添加有机营养物和生物表面活性剂(鼠李糖脂)来联合刺激生物降解石油烃，研究结果表明添加鼠李糖脂可加速正构烷烃的生物降解，并提高TPH的去除率；Tahseen等[25]在原油污染土壤中添加鼠李糖脂和营养物质90 d后，原油最大降解率达到77.6%。

虽然大多数研究发现，添加生物表面活性剂可以提高石油污染的生物降解效率，但一些研究也出现了添加生物表面活性剂后降解效果未得到明显改善或降解率下降的情况。这是因为尽管生物表面活性剂可以介导碳氢化合物转移到水相，但一般只有溶解在表面活性剂胶束水溶液水相中的有机化合物才能被微生物细胞直接利用，而被困在胶束内部或者与胶束相互作用的疏水化合物，其生物可利用度会受到限制[26]。此外，高浓度表面活性剂会对微生物产生毒性。为了保持生物表面活性剂介导作用的有效性，添加较小的剂量(如临界胶束浓度或者亚临界胶束浓度)更为合适[27]。未来以生物表面活性剂介导的海滩沉积物石油污染生物修复应更加侧重于剂量效应的研究。

1.1.4 添加酶制剂

酶作为强大的催化剂能够改变污染物的结构和毒性，在石油烃污染环境中微生物的低活性极大地影响了生物降解效率，添加有效的酶制剂可以加速生物降解过程。Hozumi等[28]将植物发酵而成的泰然生物酶制剂(TerraZymeTM)用于清理俄罗斯纳霍德卡海滩溢油，经过21 d的生物降解后，约35%的重油被去除，其中包括最难降解的沥青质。酶制剂也可以作为增强微生物降解石油烃的活性剂。Marchut-mikolajczyk等[29]使用卷枝毛霉(Mucorcircinelloides)干菌丝制成的酶制剂来增强柴油的生物降解，试验结果发现，添加卷枝毛霉酶制剂后显著增强了菌株的乳化活性，使微生物对柴油的降解效率提高了20%～30%。与其他微生物刺激剂相比，酶制剂具有对难降解污染物反应活性高、对高浓度污染物敏感度低、在环境基质中覆盖范围广等优点[30]。

1.1.5 添加环保调节剂

生物质废物可作为环保调节剂用于石油烃污染的生物降解，同时可实现污染物共同降解与废物资源化利用。近年的研究发现动物粪肥、厨余垃圾、食品加工废弃物等生物质废物成本低廉且富含有机养分，是潜在的生物修复刺激剂[31-32]。有研究发现，添加活性污泥和腐熟堆肥可增加石油污染环境中石油烃降解菌的数量，提高石油烃的降解效率[33]；Liu等[34]研究发现，厨余垃圾适用于促进砂质土中石油烃的生物降解，修复140 d后TPH的去除率高达80%以上；Chen等[35]的研究表明，与仅添加营养盐相比，同时添加老化垃圾石油烃的降解率可提高9.9%；Horel等[36]比较了不同来源的有机物促进潮间带沉积物中石油烃的生物降解效果，结果发现添加海鱼绿鲭鲹制备的有机物可在原基础上提高104%的石油烃降解率，而添加植物互花米草衍生的有机物，石油烃的降解率仅提高7%，表明海鱼来源的有机物更有利于潮间带沉积物中石油烃的生物降解且对环境的干扰较小。

1.2 生物强化修复策略

生物强化修复策略是指通过筛选石油烃降解菌或构建复合菌群，并将其添加到石油污染环境中，从而提高微生物的降解性能来加快修复速率的一种生物修复技术[39]。特别是当污染环境中因缺乏能够降解石油烃的微生物而无法通过生物刺激达到生物修复目标时，生物强化修复策略就变得至关重要。根据微生物修复机理的不同，用于生物强化修复策略的微生物可分为石油烃降解功能菌和石油烃降解辅助菌两类。

1.2.1 石油烃降解功能菌

生物强化修复策略的研究重点之一在于筛选出合适、高效的石油烃降解菌用作降解剂。尤其是当污染环境中缺乏石油烃降解菌种群时，引入外源高效石油烃降解菌的生物强化修复策略可以增加微生物群落的多样性，达到降解石油烃的目的[7]。高鹏飞等[40]将微嗜酸寡养单胞菌(Stenotrophomonasacidaminiphila)、类产碱假单胞菌(Pseudomonaspseudoalcaligenes)和红球菌(Rhodococcussp.)以1∶0.5∶1.5的比例进行复配，用于降解石油烃，结果发现复配菌群振荡培养6 d后对石油烃的降解率达到94.3%；刘虹等[41]研究发现，假单胞菌属(Pseudomonassp.)能很好地降解直链烷烃，在5 d内对正十四烷、正十五烷和正十六烷的降解率均达到80%以上。但在某些案例中，从其他石油污染环境中分离出来的外源微生物由于在新环境中适应性差而无法生存，致使生物强化达不到预期的修复效果[42]。而土著石油烃降解菌可以更好地适应石油污染环境，并且避免与外源微生物竞争，生物强化修复效果更显著[43]。此外，Tahhan等[44]的研究结果表明，在石油烃降解过程中分阶段地持续接种微生物比仅在初始阶段施用全部接种微生物的生物强化更有效。虽然在有氧条件下细菌已被证明是降解石油烃的主要微生物，但在降解石油烃过程中还应考虑真菌的作用[45]，比如盾壳霉属(Coniothyriumsp.)、镰孢菌属(Fusariumsp.)和根霉属(Rhizopussp.)等都在生物修复石油污染沉积物方面显示出很大的潜力[46]。Gu等[47]利用黄孢原毛平革菌(Phanerochaetechrysosporium)的菌丝体作为媒介，吸附疏水性污染物，同时介导降解菌的迁移，增强微生物与污染物之间的接触，提高土壤中多环芳烃的生物可利用度，28 d后土壤中菲的降解率达到90%；Yuan等[48]通过试验研究了土著细菌菌群和外源真菌共培养在原油生物降解方面的潜力，结果发现与仅添加土著菌群相比，与真菌共培养后菌群对原油的降解率由61.06%提高到81.45%，表明外源真菌能增强土著细菌菌群的活性，改善土著细菌菌群的结构。不同微生物对石油烃的降解效果，见表2。

表2 不同微生物对石油烃的降解效果Table 2 Degradation of petroleum hydrocarbons by different microorganisms

1.2.2 石油烃降解辅助菌

对于长期受石油污染的环境来说，石油烃降解辅助菌可以大大提高生物强化修复的效果。表面活性剂产生菌作为有效的石油烃降解辅助菌，在生长代谢过程中可以产生生物表面活性剂来增加石油烃的溶解度，从而辅助微生物降解石油烃[54]。Huang等[55]研究发现，黏质沙雷氏菌ZCF25作为一种表面活性剂产生菌在降解压裂返排液中的石油烃方面表现出良好的性能，与石油烃降解功能菌共培养时有更好的降解效率；Huang等[56]和Zhou等[57]分别从含油污泥和油田压裂返排液中分离出可产糖脂类和脂肽类生物表面活性剂的菌株，能够有效地促进正构烷烃和多环芳烃的生物降解，在7 d内对正构烷烃的降解率分别达到80.21%和93.9%；Lee等[58]从Taean海滩沉积物中分离出的土著微生物会产生多种鼠李糖脂，可以大量解吸海洋沉积物中的石油烃；Antoniou等[59]从Elefsina海湾分离出石油烃降解菌马氏副球菌(Paracoccusmarcusii)，其在产生表面活性剂槐糖脂的同时，能将生物质截留在油相中，使其不会因海流而产生稀释效应，具有很好的修复潜力。此外，微生物降解石油烃是个多重互营代谢反应，通过添加能够降解中间代谢产物的菌种，可以促进石油污染环境中物质和能量的循环流动，比如硝酸盐还原菌、硫酸盐还原菌能够降解中间代谢产物长链脂肪酸，从而辅助石油烃的生物降解[60]。

1.3 生物堆和生物反应器修复策略

生物修复易受环境因素的影响，其修复效果难以预测。由于海滩特殊的大气环境以及部分区域海水冲刷严重，直接在海滩投加的菌剂或营养物质可能得不到理想的修复效果，可考虑采用生物堆和生物反应器对受污染的滩涂土壤进行异位修复。生物堆是指将受污染的土壤堆成堆，通常采用生物刺激与生物强化相结合的修复策略对沿海滩涂石油污染进行生物修复，生物堆的高度可达2～4 m[7]。在生物堆堆体中添加膨胀剂可以明显地改善堆肥物料的孔隙结构，使空气和水分布均匀，获得最佳的堆肥性能[61]。通常膨胀剂包括稻草、锯末、树皮或其他农业废弃物，且添加量不超过受污染基质的10%[62]。在堆肥过程的第一阶段石油烃被快速分解，微生物代谢产生的热量保存在堆肥基质中进一步刺激微生物活性，由于生物堆大堆体有更好的持热能力，故通常可以得到更好的修复效果。堆肥产生的腐殖质在解吸固体基质的石油烃中起着促进作用，可以提高土壤酶活性和持水力[63]，将有助于石油污染滩涂土壤的无害化。

从本质上讲，生物反应器中石油烃的降解过程与生物堆相似，唯一的区别是生物反应器可以在高度受控的环境内优化温度、含水量和氧气浓度等反应条件，因此与生物堆处理相比表现出更少的变化性和更快的石油烃生物降解速率[64]。生物泥浆反应器是指在反应器中将污染物加水混合成泥浆，使微生物与石油烃的接触更充分，从而加速石油烃的生物降解。Smith等[11]的研究表明，在同一时间范围内生物泥浆反应器处理后的TPH降解率可达生物堆处理的2倍。目前生物泥浆反应器已有多种设计可供选择，例如装有升降器以提供内部混合的转鼓，或装有叶轮和空气喷雾器用于搅拌的立式储罐[17]。

2 环境影响因素

除了不同生物修复策略，石油烃污染的生物修复效果还受到多种环境因素的影响，特别是酸碱度(pH值)、盐度和温度。自然环境条件会影响微生物群落的变化，进而影响石油烃污染的生物修复效果[65]。

pH值是指示微生物降解活性的重要参数，也是石油烃生物降解过程中非常重要的环境影响因素。大多数异养细菌更喜欢pH值接近中性的生存环境，而真菌则更耐受酸性环境。总体而言，极端的pH值会对微生物降解石油烃的能力产生负面影响[57]。由于沿海滩涂的pH值呈弱碱性，因而其石油烃污染的生物修复也更加困难。

沿海滩涂环境中较高的含盐量会抑制微生物的生长和活性，并影响微生物群落的组成。特别是当所施加的外源降解菌不适应沿海滩涂环境，盐分的渗透作用会使微生物细胞脱水死亡，从而抑制石油烃污染的生物强化修复效果。Qin等[66]研究发现，通过将土壤盐分从2.86%降低到0.1%后，土壤中石油烃降解率可以提高约30%。

温度可以直接地影响污染物的理化性质以及微生物菌群的活性和多样性，在石油烃的生物降解过程中起重要作用[67]。已有研究发现，在低温环境下石油烃的挥发性会降低，而其黏度增加，因此适当地升温可以降低石油烃的黏度，有利于增强微生物细胞与污染物之间的接触，提高污染物的生物可利用度[68]；也有文献报道生物修复石油烃污染的最适温度范围通常为15～40℃[69]；Zeman等[70]也证明了在30℃时石油烃的微生物降解效率显著高于4℃和40℃。

水分含量也是石油烃生物降解的重要参数，缺水会导致微生物的丰度和多样性减少，从而对生物修复的效果产生负面影响[71]。但是，水分过多又会造成环境缺氧，从而抑制微生物降解石油烃的能力。通常，石油污染生物修复的最佳水分含量在40%(w/w)～60%(w/w)之间[72]。

3 结论与展望

石油烃对生态系统和人类健康具有危害性，因此无论是出于海洋环境保护还是城市发展的目的，对沿海滩涂石油烃污染进行修复都是必要的。在实际的沿海滩涂石油污染生物修复过程中，主要存在以下问题：①沿海滩涂昼夜温差大，环境因素复杂，微生物活性易受影响；②沿海滩涂占地范围广，生物修复过程难以调控；③渗透在厌氧海滩底层中的石油污染物难以降解。

由于生物修复过程的复杂性，在进行修复之前必须充分了解受污染场地的环境和生物地球化学特征，从而选择有针对性的生物修复策略。不同污染场地之间环境因素多变，没有一个通用的修复方案。针对沿海滩涂来说，未来石油污染生物修复技术需要侧重于研究受pH值和盐度影响较小的生物修复策略，而根据污染环境的特性选择合适的修复剂至关重要。与其他环境相比，细菌在高盐度滩涂中的生物降解速度较慢，采用细菌-真菌联合修复可能是一种有效的方法。

在实际应用中可将微生物生态学、污染毒性和遗传毒性评估相结合，同时利用宏基因组技术筛选出高效降解基因，用于评估土著微生物群落，进而筛选出高效生物强化菌剂。此外，还可以通过遥感技术设置污染监测预警，发展生物修复监测技术，通过物联网的智能海滩监测技术远程调整修复策略。未来沿海滩涂石油污染的修复研究应综合运用生物、化学、地质、海洋学、工程学等学科交叉的方法，为实际修复提供理论依据和技术手段。