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海洋石油污染的微生物降解过程及生态修复技术展望

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海洋 石油 污染 微生物 降解 过程 生态 修复 技术 展望
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第 37 卷第 5 期2012 年 5 月环境科学与管理ENVIRONMENTAL SCIENCE AND MANAGEMENTVol. 37 No. 5May 2012收稿日期 : 2011 -09 -07作者简介 : 张信芳 ( 1970 - ) , 男 , 工学博士 , 高级工程师 。文章编号 : 1674 -6139( 2012) 05 -0097 -03海洋石油污染的微生物降解过程及生态修复技术展望张信芳( 海南省国土环境资源厅 , 海南 海口 570100)摘 要 : 海洋石油污染物的微生物降解是一个复杂的过程 。受石油组分与物理化学性质 、环境条件以及微生物群落组成等多方面因素的影响 , 氮和磷营养的缺乏是海洋石油污染物生物降解的主要限制因子 。文章阐述了石油烃类的微生物代谢途径 、影响因素 、常规的生物修复技术以及两种海洋专性解烃菌降解石油的协同效应和极地海洋石油污染的生物降解过程和方式 , 对未来海洋石油污染控制进行了展望 。关键词 : 海洋 ; 石油污染 ; 石油烃 ; 生物修复 ; 微生物降解中图分类号 : X55 文献标识码 : AMarine Oil Pollution Biodegradation Process and Bioremediation Technology ProspectsZhang Xinfang( Department of Land Environment & Resources of Hainan Province, Haikou 570100, China)Abstract: Microbial degradation of marine oil pollution is a complex process, which is affected by oil component, physicaland chemical properties, environmental conditions, microbial community composition and many other factors. The lack of nitrogenand phosphorus nutrition in marine oil pollution is a major limit for biodegradation. This essay describes the microbial metabolicpathway of petroleum hydrocarbons, influencing factors, conventional bioremediation techniques and two marine bacteria specific-ally degradation of petroleum hydrocarbon solution of the synergy and polar marine biodegradation of oil pollution.Key words: marine; oil pollution; petroleum hydrocarbons; bioremediation; microbial degradation前言目前 , 世界所需石油的 2/3 经海路运输 , 常年运行在航道上的油轮有 7 000多艘 。由于大型油轮的营运成本低 , 在现代技术所能达到的范围内 , 建造的油轮吨位越来越大 。一旦失事 , 原油部分或全部流入海洋将造成严重的海洋石油污染 。此外 , 近海采油平台及原油集输管线 、沿海布局的石油储运和炼化设施一旦发生泄漏事故 , 也将对海洋造成严重的石油污染问题 , 如今年发生的康菲石油公司渤海漏油事件 、去年发生的中石油大连原油储罐爆炸事件 ,都对海洋生态造成了严重影响 。同时 , 随着经济的发展和人民生活水平的提高 , 生产与生活含油污水排放量也在增加 。根据全国海岸带与滩涂资源综合调查 , 上世纪 70 年代末 - 80 年代初进入中国近海海域石油烃类为 1. 15 ×105t/a, 到 80 年代末增长到1. 8 ×105t/a, 现在数量还在逐年上升[ 1 -4]。海洋石油污染的最大危害是对海洋生物的影响 。油膜和油块能粘住大量鱼卵和幼鱼 , 使鱼卵死亡 、幼鱼畸形 , 还会使鱼虾类产生石油臭味 , 而成年鱼类 、贝类长期生活在被污染的海水中其体内蓄积了某些有害物质 , 当进入市场被人食用后危害人类健康[ 5]。在天然环境中存在一些具有降解石油烃类的噬油微生物 , 它们也是石油烃类的自然归宿之一 。在海洋中细菌和酵母菌为主要降解者 。目前发现超过 700 种菌类能够参与降解石油烃类 。微生物的降解速度与油的运动 、分布 、形态和体系中的溶解氧含量有关 。使用生物降解法的优点在于迅速 、无残毒 、低成本 。·79·第 37 卷第 5 期2012 年 5 月张信芳 ·海洋石油污染的微生物降解过程及生态修复技术展望Vol. 37 No. 5May 20121 石油烃类的微生物代谢途径1.1 直链烷烃通常认为饱和烃在微生物作用下 , 直链烷烃首先被氧化成醇 , 醇在脱氢酶的作用下被氧化为相应的醛 , 然后通过醛脱氢酶的作用氧化成脂肪酸 ; 氧化途径有单末端氧化 、双末端氧化和次末端氧化[ 6]。转化为相应的脂肪酸后 , 一种转化形式为直接经历随后的 β 一氧化序列 , 即形成羧基并脱落 2 个碳原子 ; 另一种转化形式为脂肪酸先经历 w—羟基化形成 w 一羟基脂肪酸 , 然后在非专一羟基酶的参与下被氧化为二羧基酸 , 最后再经历 β 一氧化序列[ 7]。脂肪酸通过 β 一氧化降解成乙酰辅酶 A, 后者进入三羧酸循环 , 分解成 CO2和 H2O 并释放出能量 , 或进入其他生化过程[ 8]。1.2 支链烷烃相对于正构烷烃 , 支链的存在会增加微生物氧化降解的阻力 , 主要氧化分解的部位是在直链上发生的 , 而且靠近侧链的一端较难发生氧化反应 。带支链烷烃的降解可以通过 a 一氧化 、w 一氧化或 β一碱基去除途径进行[ 9]。总的说来 , 含有支链结构的烃类降解速度慢于相同碳数的直链烃类 , 这是因为烷烃的支链降低了分解速率[ 10]。1.3 环烷烃环烷烃在石油馏份中占有较大比例 , 它的生物降解原理和链烷烃的亚末端氧化相似 。首先经混合功能的氧化酶 ( 羟化酶 ) 氧化产生环烷醇 , 然后脱氢得酮 , 进一步氧化得到酯 , 或直接开环生成脂肪酸 。真菌和细菌降解石油烃类化合物可形成具有不同的立体化学构型的中间产物 。真菌将石油烃类化合物降解成反式二醇 , 而细菌几乎总是将之降解成顺式二醇 ( 许多反式二醇是潜在的致癌物 ) , 顺式二醇则无毒性[ 11]。1.4 芳香烃苯首先经苯双加氧酶的作用 , 形成顺苯二氢二醇 , 再经顺苯二醇双加氧酶的作用 , 形成代谢中间体邻苯二酚 。邻苯二酚的代谢可分为邻位切割与间位切割两种途径 , 进而分解进入三羧酸循环[ 12]。好氧菌代谢苯环化合物的途径的共同点是苯环化合物首先在氧分子及酶的作用下形成邻苯二酚或其衍生物的共同代谢中间体 , 然后再进一步经过氧分子及开环酶的作用 , 使其形成直链的分子 , 最后再分解进入 TCA 循环 。2 海洋石油污染的生物修复技术生物修复是指生物催化降解环境污染物 , 减少或最终消除环境污染的受控或自发过程 。在生物降解基础上研究发展起来的生物修复在于提高石油降解速率 , 最终将石油污染物转化为无毒性的终产物 。微生物修复石油污染主要有两种形式 , 一是加入具有高效降解能力的菌株 ; 二是改变环境 , 促进微生物代谢能力 。目前主要有三种方法 :( 1) 接种石油降解菌通过生物改良的超级细菌能够高效的去除石油污染物 , 被认为是一种很有发展前途的海洋修复技术 。但实践表明 , 接种石油降解菌效果并不明显 , 这是因为海洋中存在的土著微生物常常会影响接种微生物的活动 。( 2) 使用分散剂分散剂即表面活性剂 , 可以增加海水中微生物的接触面积 , 增加细菌对石油的利用性 。但并不是所有的表面活性剂均有促进作用 , 许多表面活性剂由于其毒性和持久性会造成环境污染 , 特别是沿岸地区的环境污染 。因此 , 在实际应用中经常利用微生物产生的表面活性剂来加速石油的降解 。( 3) 使用氮 、磷营养盐投入氮 、磷营养盐是最简单有效的方法 。在海洋出现溢油后 , 石油降解菌会大量繁殖 , 碳源充足 ,限制降解的是氧和营养盐的供应 。在实际中通常使用的营养盐有三种 : 缓释肥料 , 亲油肥料 , 水溶性肥料 。①缓释肥料 。要求有适合的释放速度 , 通过海潮可以将营养物质缓慢的释放出来 , 为石油降解菌的生长繁殖持续补充营养盐 , 提高石油降解速率 。②亲油肥料 。亲油肥料可使营养盐 “溶解 ”到油中 。在油相中螯合的营养盐可以促进细菌在表面的生长 。1989 年 , 美国环保局在阿拉斯加 ExxonValdez 石油泄漏事故中 , 利用生物修复技术成功治理环境污染 。从污染海滩分离的细菌菌株与不受污染的分离菌株相比 , 前者具有特殊的降解能力 ; 同时 , 对现场的环境因子进行分析 , 发现由于营养盐缺乏 , 微生物降解能力受到限制 , 外加如亲油肥料 , 一段时间后 , 与没有加入营养盐的对照相比 , 前者污染物的降解速率加快了 。毒性试验也表明 , 修复后的·89·第 37 卷第 5 期2012 年 5 月张信芳 ·海洋石油污染的微生物降解过程及生态修复技术展望Vol. 37 No. 5May 2012环境并没有发生负效应 , 沿岸海域也没有出现富营养化现象 。③水溶性肥料 。一些含氮 、磷的水溶性盐 , 如硝酸铵 , 三聚磷酸盐等和海水混合溶解 , 可解决下层水体污染物的降解[ 13]。3 生态修复技术展望石油烃类化合物的微生物降解是一个复杂的过程 , 它的效率和质量取决于石油烃类化合物存在的数量及状态 , 周围的环境条件以及微生物群落的组成 。微生物对石油的降解主要受营养成分 ( 如 N 和P) 、盐度和氧含量的限制 。3.1 在缺氧条件下对石油污染的厌氧代谢当前 , 生物修复法治理地表石油被认为是最经济 、最彻底 、最有效的恢复手段[ 14]。虽然石油烃的厌氧降解速率比好氧降解速率要慢 , 但是在厌氧状态下 , 烷烃和多环芳烃均发生了降解 , 此外在好氧条件下通常较难降解的姥鲛烷和植烷也发生了降解 。另外 , 还有人分离出了在缺氧条件下能降解简单芳香烃和脂肪烃的反硝化菌及硫 、铁 、锰的还原菌 。较复杂的芳香烃 ( 如多环芳烃 ) 的降解也已得到证实 。因此烃的厌氧代谢将是以后研究的一个突破点 。3.2 基因工程菌在修复环境中接种的外源微生物可能面临多重压力 : 一是土著微生物的竞争作用 ; 二是环境中生态因子的适宜性 ; 三是被修复环境中污染物的环境毒性 ·由于这几方面的压力 , 使接种的外源微生物的存活率很低或者活性较弱 , 限制了它的实际应用 。有人采用生物技术以铜绿假单胞菌 ( Pseudomonas.aeruginosa) 作为受体 , 将恶臭假单胞菌 ( P. putida) 等携带的各种质粒转入其中 , 构成了带有多种质粒的“超级嗜油工程菌 ”, 用于海上溢油处理 , 其清除油污的能力比天然微生物高上万倍 。研究人员发现海洋中的假单胞菌有 8 种降解石油的质粒 : 美国通用电气公司通过重组 DNA 技术构建同时含有 4 种质粒的 “超级菌 ”, 降解石油烃类的能力比野生菌高几十倍到几百倍 , 降解同样面积海上石油 , 野生菌需要1 年以上 , 而 “超级菌 ”只需几小时[ 15]。但由于欧美等国家对基因工程菌利用有严格的立法控制 , 迄今还未见到在油污染海洋生物修复中实际应用的报道 。3.3 丝状真菌丝状真菌是海洋中常见的微生物 , 许多丝状真菌在净化海洋石油污染物的过程中起重要作用[ 16]。丝状真菌的菌丝体在污染海域能提供较大的接触石油烃的面积 , 其孢子比革兰氏阴性细菌更能适应不良环境 , 如紫外线辐射 、低营养 、低 pH 等 , 且易于保存及易于制成微生物制剂在污染现场使用等 。陈碧娥等从湄洲湾海域分离的 4 株丝状真菌的生长特性及去除油污的过程与一般生物降解作用显然不同 ,是生物吸咐与生物降解相结合的生物转化过程 。4 小结与传统的或现代的物理 、化学修复方法相比 , 石油污染的生物修复具有很大的发展潜力 。微生物的种属 、石油本身的物理状态和性质以及环境的因素都可以影响微生物对石油污染物的降解 。海洋环境中石油烃的微生物降解过程是海洋石油烃主要归宿 。在轻微石油烃污染条件下 , 海洋动物 、植物对石油烃化合物的代谢 、降解和释放可以平衡或消除其对石油烃化合物的吸收效应 , 使某些石油烃化合物在生物组织中没有明显的积累 。由于调查技术 、研究方法和经费的限制 , 目前对生物种群和生态环境受石油污染情况的了解有限 ,渔业资源的天然波动和变化性很可能会掩盖和混淆石油烃污染的影响 , 阻碍了人们对其相应生态危害防治措施的研究 。因此 , 加强研究和了解生物种群和生态系短期 ( 数年 ) 波动和长期 ( 数十年 ) 的规律及其与石油污染的关系 , 是一个有待解决的重要课题[ 3]。参考文献 :[ 1] 环境质量调查报告编写组 . 全国海岸带办公室 . 环境质量调查报告 [ Z] . 北京 : 海洋出版社 , 1989: 22 -176.[ 2] 陈尧 . 中国近海石油污染现状及防治 [ J] . 工业安全与环保 , 2003( 11) : 20 -24.[ 3] 中国近海石油污染现状 ———影响和防治 [ J] . 节能与环保 , 2002( 3) : 15 -17.[ 4] 郭志平 . 中国近海面临的石油污染及其防治 [ J] . 浙江海洋学院学报 ( 自然科学版 ) , 2004( 3) : 269 -272.[ 5] 海洋污染何日休 [ J] . 生态经济 , 2010( 10) : 14 -17.[ 6] S F J M F. 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( 下转第 104 页 )·99·第 37 卷第 5 期2012 年 5 月张有仓等 ·镇江市新区第二污水处理厂入网企业废水毒性试验Vol. 37 No. 5May 2012落结构 , 使其彻底丧失分解有机物 、净化污水的功能 。通过对电子废水中常见的 Cu2 +、Cd2 +、Mn2 +和 Hg2 +进行试验可知 , 电子行业的重金属对硝化作用影响较大 。重金属离子可以在细胞内酶的合成阶段 、反应阶段或其它相关部分对酶的活性产生抑制作用 , 较高浓度会导致细胞死亡从而破坏了活性污泥生物群落的功能和结构 , 降低了微生物群落硝化的功能[ 4]。2.3.3 燃料废水对硝化作用的影响染料废水中的特征污染物硝基苯是具有生物毒性的物质 , 为验证它们对硝化作用的影响 , 对含有硝基苯的燃料废水分别进行了间歇硝化试验 , 结果如图 5 所示 。图 5 染料废水对硝化作用的影响情况从图 5 试验结果可知 , 硝基苯的质量浓度超过5 mg/l 时 , 硝化速率下降约 50%。这说明硝基苯对硝化作用有很明显的抑制作用 。特征污染物硝基苯对硝化存在抑制作用 , 说明了染料污水是含有生物毒性物质的抑制硝化作用的化工污水之一 。3 结论采用 OUR 及 COD 去除率和硝化速率对镇江市新区第二污水厂入网的六类有代表性的废水进行了毒性试验 , 研究结果表明 , 各种化工企业废水对生化系统毒性影响大小顺序依次为农药﹥电子﹥燃料﹥造纸﹥橡胶﹥酒精 。农药 、电子和染料废水或类似此种水质的废水中含有难于被微生物降解的有毒物质 ,且这些有毒物质会富集于活性污泥中 , 此类进厂废水宜采用混凝沉淀等预处理削减或去除水中有毒物质 。参考文献 :[ 1] 唐伟 , 隋文义 , 于波 , 等 . 抚顺市不同行业废水生物毒性监测研究 [ J] . 环境科学与管理 , 2006, 31( 6) : 168 -170.[ 2] 王俊杰 , 宁艳春 , 侯德刚 . 含生物毒性物质的化工污水对硝化作用的影响 [ J] . 工业用水与废水 , 2004, 35( 4) : 31-34.[ 3] 杜龙弟 , 赵长海 , 王春娥 , 等 . 可生物降解性测定技术在工业污水处理中的应用 [ J] . 工业水处理 , 2004, 24( 7) :17 -21.[ 4] 黄满红 , 李咏梅 , 顾国维 , 等 . 活性污泥工艺中污水毒性研究的现状 [ J] . 四川环境 , 2004, 23( 2) :檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵11 -13.( 上接第 99 页 )[ 7] 李习武 , 刘志培 , 刘双江 . 新型复合生物乳化剂的性质及其在多环芳烃降解中的作用 [ J] . 微生物学报 , 2004( 3) : 373 -377.[ 8] SC L. 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