梁嘉玲　陳敏　唐藍　高國賦　魏寶陽　歐小明

摘要? ? 微生物降解石油污染作為一種新型環(huán)保的生物修復技術，已受到越來越多的人重視。本文對微生物治理海洋石油污染的機理以及工藝技術進行了綜述，對微生物降解機制及有關直鏈烷烴的降解、支鏈烷烴的降解、芳香烴的降解、多環(huán)芳烴的降解、環(huán)化烴的降解等進行了詳細闡述，并對影響微生物降解石油的影響因素如溫度、營養(yǎng)鹽等進行了探討，以期為利用微生物治理海洋石油污染提供參考。

關鍵詞? ? 海洋石油污染;治理;微生物降解

中圖分類號? ? X55? ? ? ? 文獻標識碼? ? A

文章編號? ?1007-5739（2020）03-0175-03? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

Research? Progress? on? Microbial? Treatment? of? Marine? Oil? Pollution

LIANG Jia-ling 1? ? CHEN Min 1? ? TANG Lan 1? ? GAO Guo-fu 2 *? ? WEI Bao-yang 1，3? ? OU Xiao-ming 3

（1 College of Biological Science and Technology，Hunan Agricultural University，Changsha Hunan 410128; 2 Hunan Institute of Agricultural Information and Engineering; 3 Hunan Ouhe Environmental Protection Technology Co.，Ltd.）

Abstract? ? As a new kind of environmental protection bioremediation technology，microbial degradation of oil pollution has been paid more and more attention to.In this paper，the mechanism and process technology of microbial treatment of marine oil pollution were reviewed.The mechanism of microbial degradation was elaborated in detail，including branched alkanes degradation，linear alkanes degradation，aromatic hydrocarbons degradation，polycyclic aromatic hydrocarbons degradation and cyclic hydrocarbons degradation，etc.The influencing factors such as temperature and nutrient salt were analyzed，so as to provide references for treatment of marine oil pollution by microbial degradation.

Key words? ? marine oil pollution;treatment;microbial degradation

海洋石油污染是指石油在開采、運輸、精煉和使用過程中泄漏至海洋環(huán)境造成的污染，給海洋生物與環(huán)境帶來了不可忽視的巨大災害。據(jù)估計，全世界每年由徑流攜帶入海洋的石油污染物約為500萬t。石油進入到海洋之后，一部分分散于海水中被降解，一部分溶于海水形成石油薄膜，剩余部分在海浪的作用下擴散形成焦油團塊[1]。殘余的石油污染物長期存在于海洋的各個部分，對海洋生態(tài)系統(tǒng)有著災難性的影響。海洋石油污染不但影響海洋藻類的生命活動能力及生長發(fā)育，嚴重制約海洋動物的生長與繁殖，甚至直接致其死亡[2]，對海洋乃至整個生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生巨大影響;而且由于油膜覆蓋在海水表面，阻礙海水與大氣之間氧氣和二氧化碳氣體的交換和吸收，破壞海洋水體中溶解氣體的循環(huán)平衡[2];此外，海洋石油污染會間接加劇“溫室效應”，提高厄爾尼諾現(xiàn)象發(fā)生頻率，加重“全球問題”[3]。有研究表明，赤潮在石油污染較為嚴重區(qū)域的發(fā)生概率與其他區(qū)域相比也較高，極端氣候現(xiàn)象逐漸增多，為各地區(qū)的環(huán)境和經(jīng)濟等各方面都帶來了負面影響。海洋石油十分容易聚集于海岸，對海灘等自然景區(qū)造成污染，在一定程度上影響了濱海城市形象，限制了城市旅游業(yè)的發(fā)展。本文對微生物處理海洋石油污染研究進行了綜述，旨在探明微生物對油類污染的修復因素和影響，為改善海洋水體水質提供參考。

1? ? 治理海洋石油污染的主要方法

1.1? ? 吸附法

吸附法指使用高性能的吸油劑吸附海面的石油，從而達到清除海面油污的目的。其具體過程：先將吸油劑投至受到石油污染的區(qū)域，吸油劑成功吸附海面石油后，再將吸油劑收集并進行集中清理。目前，已有科學家用稻殼制成一種活性炭吸油劑，將其命名為ASSW。該吸油劑無需添加任何中和油制的化學制品，且其制作成本僅為其他普通吸油劑的1/10;試驗研究證明，1 kg ASSW能吸附6.8 kg油和水，吸附力極強且不會對海洋造成二次污染[4]。

1.2? ? 燃燒法

燃燒法簡便易行，只需要對海面石油進行焚燒即可。但是，該方法只能清除石油中的可燃部分，燃燒的同時將會造成二次污染，即在海水中留下更加難以處理的石油殘留黏稠物質;燃燒過程中會產(chǎn)生大量煙霧，對大氣層造成破壞，同時也會對空氣造成一定程度的污染[5]。

1.3? ? 化學分散法

化學分散法指采用由溶劑、助溶劑、滲透劑和表面活性劑等共同組成的分散劑清除石油，該分散劑為均勻分布的透明液體。溶劑是表面活性劑的載體，可以擴散海水中的石油;表面活性劑則可以將石油分解成易被海洋微生物吞食的小液滴，這些小液滴被潮水沖散后，分散在海洋表面以及近表面的水域，被海洋微生物吞食，最終被分解成CO2和其他水溶性物質[6]。但此方法的不足之處是其在清除海面油污的同時會對魚類等海洋生物的生長發(fā)育及繁殖造成影響，并且其降解速度較慢。

1.4? ? 微生物降解法

微生物降解法是指存在于自然界中以石油為主要碳源的微生物對石油污水中有機物進行降解，達到降解石油的目的[7]。海洋的元素循環(huán)和物質轉化離不開海洋中各種微生物的共同作用，海洋中存在的石油降解細菌通過降解海洋石油來完成碳素循環(huán)，從而減少石油污染。在自然環(huán)境中，細菌、真菌、酵母菌、霉菌都能參與石油中烴類物質的降解，在海洋中細菌和酵母菌為參與反應的主要降解菌。微生物的降解速度與油的運動、分布、形態(tài)和體系中的溶解氧含量、溫度、營養(yǎng)物質等因素有關。微生物吞噬法降解迅速、無殘毒、低成本;但當微生物在配合使用化學藥品除油時，其生長、繁殖會受化學藥品的抑制。為了減小微生物對當?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)的影響，應當按需求選擇適當?shù)木N[8]。在長期受石油污染的地區(qū)或海域，富有以石油為營養(yǎng)物質的微生物菌群，通過馴化或誘導等手段得到目的菌株，可以將這些微生物用于海洋石油污染的治理。海洋污染的生物修復技術就是由此發(fā)展而來。

2? ? 微生物治理石油污染

2.1? ? 微生物治理石油污染的研究

20世紀70年代中期，有學者培育出了一種“超級石油菌”，該細菌能夠降解石油原油中的大部分烴類，為海洋石油污染的治理帶來了新希望，但這種細菌的性質不穩(wěn)定，引入實際應用還需繼續(xù)研究[9]。1989年，美國首次將生物修復技術大規(guī)模投入使用，開創(chuàng)了微生物修復技術治理石油污染的前例，獲得了成功[10]。20世紀90年代，英國采用加入細菌和營養(yǎng)鹽混合培養(yǎng)物進行了海上消除油膜的試驗，這是首次在不使用攔油柵及化學藥劑的情況下處理石油污染。結果顯示，該混合物在短時間內將石油分子轉化成脂酸乳狀液，且降解生成物不會對水體產(chǎn)生不良影響，即不產(chǎn)生二次污染[9]。1991年，美國運用菌劑Alpha BioSeaTM成功修復了德克薩斯州溢油污染海岸線，日本運用菌劑Tera-ZymaTM修復重質原油污染場地等均取得了成功[11]。1992年以色列開發(fā)了一種只被石油降解菌利用的肥料，在微生物修復石油污染方面發(fā)揮了有效作用[11]。2011年，周? 瑜等[12]研究發(fā)現(xiàn)，分離出的石油降解菌與從污水入海口分離到的微藻共同培養(yǎng)時的降解率比單獨培養(yǎng)時高，表明利用微藻-細菌共生法促進細菌降解石油在生物修復方面具有很好的應用潛力。2012年，鄭? 立等[13]研制了基于石油降解菌群DC10的降解菌劑，用于大連溢油岸灘生物修復試驗，通過分析C17/藿烷、C18/藿烷、總烷烴和總芳烴的降解率來評價其降解效果。在為期12 d的潮間帶油污生物修復試驗中，噴灑菌劑處理的C17/藿烷、C18/藿烷、總烷烴和總芳烴的降解率相對自然風化處理有顯著的提高。2016年，吳秉奇等[14]構建出了石油降解復合菌系SQ1，該復合菌系在海洋石油污染修復中具有較強的應用潛能。2019年，張? 美等[15]首次發(fā)現(xiàn)并報道了能夠降解石油的Vagococcus屬菌株，為開展海底石油污染物的厭氧修復奠定了研究基礎。

2.2? ? 可用于治理石油污染的微生物種類

目前，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)100多屬200多種石油降解菌，其中細菌79種、藍細菌9種、真菌103種和海藻19種[16]。在長期的石油污染馴化過程中，海洋中出現(xiàn)了一類以石油為主要碳源生長繁殖的“噬石油烴”細菌[17]，有以多環(huán)芳香烴為碳源的解環(huán)菌屬（Cycloclasticus）、假單胞菌屬（Pseudomonas）、鹽單胞菌屬（Halomonas）、海桿菌屬（Marinobacter）、海旋菌（Thalassospira）、海莖狀菌（Maricaulis）、假交替單胞菌屬（Pseudoalteromonas），還有以飽和烷烴、支鏈烷烴為碳源的食烷菌屬（Alcanivorax）;以脂肪族烴、烷醇和鏈烷酸酯的油螺旋菌屬（Oleispira）、嗜油菌屬（Oleiphilus）;還有降解熒蒽的速生桿菌屬（Celeribacter）。

能夠降解石油烴的真菌主要是霉菌和酵母菌。其中，真菌包括真菌類的金色擔子菌屬（Aureobasidium）、假絲酵母屬（Candida）等;霉菌類的青霉素（Penicillium）、曲霉屬（Aper-gillus）等以及酵母菌類的紅酵母菌屬（Rhodotorula）、畢赤氏酵母菌屬（Pichia）等[16]。酵母菌在自然界中分布十分廣泛，在油井、油田附近尤為突出，可找到許多利用烴類物質為碳源生長的酵母菌，經(jīng)過富集、篩選、培養(yǎng)后可用于處理受到石油污染的廢水[18]。

2.3? ? 微生物降解海洋石油的機理

2.3.1? ? 直鏈烷烴的降解過程。多數(shù)學者研究認為，直鏈烷烴通過氧化酶系統(tǒng)的酶促反應進行生物降解。直鏈烷烴先被氧化酶氧化成相應的伯醇，醇在脫氫酶的催化下被氧化成相應的醛，醛再轉化為脂肪酸。主要有3條氧化途徑，即單末端氧化、雙末端氧化和次末端氧化。醛轉化為相應的脂肪酸后，其中一種轉化形式為直接進行β-氧化，而另一種轉化形式即脂肪酸進行ω-羥基化轉化為ω-羥基脂肪酸，而后在非專一羥基酶的參與下將ω-羥基脂肪酸被氧化為二羧基酸，最后再進行β-氧化序列。脂肪酸通過氧化作用生成乙酰輔酶A，繼續(xù)進入三羧酸循環(huán)，經(jīng)過一系列酶的催化后最終生成二氧化碳和水，釋放出能量或進入其他生化過程[19]。

2.3.2? ? 支鏈烷烴的降解過程。相比于直鏈烷烴，降解支鏈烷烴的過程要更為復雜，且支鏈的存在會增加微生物降解石油的阻力。因為烷烴的主要氧化分解部位在直鏈上，所以靠近支鏈的一端較難發(fā)生氧化反應。帶支鏈烷烴的降解過程主要是通過α-氧化、ω-氧化或 β-堿基去除途徑完成[20]。因此，烷烴的支鏈降低了微生物的降解速率，即含有支鏈結構的烷烴的分解速率比相同碳數(shù)的直鏈烷烴低[21]。

2.3.3? ? 環(huán)烷烴的降解過程。環(huán)烷烴的生物降解原理與烷烴物質類似，也是末端氧化[22]。環(huán)烷烴被各種氧化酶氧化為與之相應的醇后，通過脫氫酶轉化為相應的酮，然后再被氧化為酯酶或脂肪酸。環(huán)己烷的轉化過程為先被氧化成環(huán)己醇，繼而被氧化為環(huán)己酮，最后轉化為脫氫酶和脂肪酸，再形成乙酰輔酶A，進入三羧酸循環(huán)，最終生成水和二氧化碳，同時放出部分能量。

2.3.4? ? 芳香烴的降解途徑。苯環(huán)首先被苯雙加氧酶氧化成順式苯二氫二醇，再在順苯二醇雙加氧酶的作用下轉化為中間體鄰苯二酚，鄰苯二酚可以進行鄰位切割與間位切割等2種過程，繼而進入三羧酸循環(huán)[23];芳香烴的降解途徑與苯環(huán)類似：先形成鄰苯二酚或其衍生物的共同代謝中間體，再經(jīng)開環(huán)反應形成對應的直鏈分子，最后進入TCA循環(huán)[24]。真菌和細菌中的部分種類可以降解芳香烴，但是它們的降解途徑和內部的反應機制機理不盡相同。以細菌為例，芳香烴是被2個氧原子氧化并轉化為多環(huán)芳烴;真菌則是將芳香烴氧化為反式二氫二醇[25]。

2.3.5? ? 多環(huán)芳烴的降解途徑。多環(huán)芳烴可以在相應酶的催化下被降解為2種中間產(chǎn)物，即乙二醇和鄰苯二酚基團，然后進一步被分解為乙酰CoA或琥珀酸[26]。酵母菌和細菌降解多環(huán)芳烴的過程也存在著明顯差異。在酵母菌的作用下，多環(huán)芳烴通過單加氧酶氧化成環(huán)氧化物，繼而進一步生成反式二醇，在環(huán)化水解酶的催化下生成反式二氫2-苯酚;在細菌的作用下則是通過雙加氧酶氧化形成環(huán)氧化物，繼而進一步生成順式二醇，在環(huán)化水解酶的催化下形成順式二氫2-苯酚。2條途徑最終都生成二氧化碳和水。在反應過程中，多環(huán)及雜環(huán)破裂是雜環(huán)化合物和多環(huán)芳烴降解的主要限速步驟。多環(huán)芳烴難以被降解，限制因素主要為物質本身的溶解性、取代基種類和數(shù)量、苯環(huán)數(shù)目及烴內所含雜環(huán)原子的性質[22]。

3? ? 微生物降解石油的影響因素

3.1? ? 溫度

溫度影響烴類的降解速率主要體現(xiàn)在2個方面：一是溫度直接影響微生物自身的生長、發(fā)育、繁殖和生理代謝等生命活動過程，如體內反應酶的活性、細胞的增長和分裂生殖速度等;二是溫度影響石油在海洋中的理化性質，間接影響海洋微生物對石油的降解和利用。溫度增高，加強了石油中部分有害物質的揮發(fā)，促進了石油乳化成易被微生物所吞食的小顆粒，從而加速油類物質的利用和降解。

3.2? ? 營養(yǎng)鹽

在石油降解過程中，由于石油提供微生物生長生活所需要利用的大量碳源，而周圍的海洋環(huán)境中含有足夠的無機物質和有機物質可供微生物生長和繁殖利用，氮和磷成為微生物降解的主要限速因子[27]。

3.3? ? 氧含量

雖然有部分試驗證明，在厭氧條件下，微生物也仍然能降解石油原油中的烴類，但在好氧條件下生物降解烴類的反應仍比在厭氧條件下活躍得多。據(jù)測量計算，微生物降解10 g石油所需要的氧氣為30～40 g。而在石油污染嚴重的海域，因石油薄膜阻隔了氧氣與海洋的接觸，影響了海洋與大氣之間的氣體交換，導致水體的含氧量降低，從而影響了微生物的生長和代謝過程[22]。

3.4? ? 陸源污染物

對美國Brittany海岸石油泄漏的研究發(fā)現(xiàn)，大量氮、磷肥進入海域后，為微生物生長繁殖提供了豐富的營養(yǎng)物質，因而該地區(qū)石油烴的生物降解速度比其他地區(qū)快;相反，農藥則對微生物石油降解有限制作用[28]。

4? ? 微生物治理海洋石油污染的方式

4.1? ? 接種基因工程菌

土著微生物、外源微生物和基因工程菌等都可用于修復海洋石油污染。其中，土著微生物生長比較緩慢、代謝活性不高，故效果不明顯。利用外源微生物修復環(huán)境時，可能會面臨以下幾種壓力：需要修復的環(huán)境中，污染物可能存在一定的毒性;外源微生物與土著微生物之間存在種間競爭;外源微生物被引入到新環(huán)境，還需要時間適應新的生長環(huán)境。這幾方面的壓力會影響外源微生物的存活力或自身活性，限制外源微生物的高效應用。生物修復的發(fā)展，讓一種特殊菌可實現(xiàn)同時降解多種類型石油烴，Chakrabaty及其同事在1976年首次將3個烴類降解質粒轉移到一個銅綠假單胞菌中，培育出“超級細菌”，雖然該細菌的質粒存在一些不足，在實際應用中難以充分發(fā)揮其預期作用，但其已經(jīng)成為利用細菌消除油污染技術方向的一個里程碑。在以后的研究中，有人采用生物技術將惡臭假單胞菌等菌類攜帶的各種質粒轉入到一個銅綠色假單胞菌中，構成的“超級嗜油工程菌”清除油污的能力比天然微生物高10 000倍[29]。

4.2? ? 使用表面活性劑

大部分表面活性劑是合成表面活性劑，它能夠促進石油乳化，增加石油降解微生物和油珠的接觸面積，加快石油烴類物質的降解。但其大部分來自不可再生資源的狀況，可能會造成嚴重的生態(tài)污染，因而人們將視野轉向了天然綠色的生物表面活性劑[30]。

4.3? ? 使用氮、磷營養(yǎng)鹽

在海洋出現(xiàn)溢油事故后，海水中有充足的碳源、微量元素及無機鹽，因而限制石油降解的因素主要為氮、磷營養(yǎng)鹽的供應。通常使用的營養(yǎng)鹽有3種：緩釋肥料、親油肥料和水溶性肥料。緩釋肥料具有適合的釋放速度，在海潮的作用下可以將營養(yǎng)物質緩慢地釋放出來[31]。親油肥料可以使營養(yǎng)鹽利用其脂溶性溶解于油而非水中，這樣的營養(yǎng)鹽可以促進細菌充分利用營養(yǎng)物質在油相表面生長[32]。水溶性肥料在開放的海水中容易快速溶于水而流失，因而可能產(chǎn)生富營養(yǎng)現(xiàn)象[33]。

4.4? ? 提供電子受體

石油烴污染物降解的速度和程度受最終電子受體的種類和濃度影響[34]。海洋環(huán)境中具有分解石油烴污染物能力的微生物大多數(shù)為好氧微生物，因而氧氣是限制微生物降解石油烴污染物的一個重要因素。投入使用時，可以通過一些物理、化學措施增加海水溶氧量，從而提高降解速率。有學者在澳大利亞對油污紅樹林進行生物修復試驗時采用空壓機供氧（流量為100 L/min），同時添加TM肥料，最終結果顯示，供氧期間烷烴降解菌和芳香烴降解菌在數(shù)量上有大幅度增長[31]。

4.5? ? 微生物固定化技術

固定化技術是指利用物理或化學手段將游離的微生物細胞、動植物細胞、細胞器或酶固定在一個特定的空間范圍內，使其高度聚集并且保留其固有的活性可以在環(huán)境中連續(xù)和重復使用的技術。這種技術有很多優(yōu)勢，如微生物密度高、流失少、作用時間長、抗不良環(huán)境能力強等。另外，載體的某些因素會影響微生物的吸附固定，如碳質材料載體的比表面積、孔容積、孔徑分布、表面官能團以及表面金屬氧化物等[35]。張秀霞等[36]采用生物大分子仿生合成出的納米SiO2為載體，制備出固定化微生物，將其應用于石油污染生物修復模擬試驗中，結果顯示，固定化微生物提高了石油污染物的降解率，并且通過多次重復降解試驗結果證明，用固定化微生物技術構建的固定化微生物對石油污染物有著高效穩(wěn)定的降解率。近年來，利用固定化微生物技術制成固定化微生物菌劑已成為修復治理海洋石油污染的一種有效的方法。

5? ? 展望

目前，治理海洋石油污染已迫在眉睫，而利用微生物修復海洋污染已經(jīng)引起越來越多學者的注意，也取得了許多令人矚目的成果，但其中仍存在著許多不足，如修復效率低、微生物之間存在競爭等。研究過程中也面臨著許多難題，如海洋面積龐大等。石油烴的微生物降解是一個較為復雜的過程，降解效率受各種因素的影響，如溫度、營養(yǎng)鹽、微生物種類、固定材料和周圍環(huán)境參數(shù)等。由于降解過程的機制機理尚未研究透徹，該領域的研究仍需進一步拓展深入。再者，石油烴的組分復雜，需要多種微生物協(xié)同作用才可發(fā)揮更好的效果、提高降解效率。同時，對于“超級石油菌”的研究也應該繼續(xù)深入，爭取早日將其應用在石油污染的治理中，以造福自然和社會。

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