海洋石油污染物的微生物降解与生物修复
生态学杂志ChineseJournalofEcology 2004,23(3):99~102
海洋石油污染物的微生物降解与生物修复
宋志文
1**
*
夏文香 曹 军
12
(1青岛建筑工程学院,青岛266033;2中国科学院沈阳应用生态研究所,沈阳110016)
摘 要 石油是海洋环境的主要污染物,已经对海洋及近岸环境造成了严重的危害。微生物降解是海洋石油污染去除的主要途径。海洋石油污染物的微生物降解受石油组分与理化性质、环境条件以及微生物群落组成等多方面因素的制约,N和P营养的缺乏是海洋石油污染物生物降解的主要限制因子。在生物降解研究基础上发展起来的生物修复技术在海洋石油污染治理中发展潜力巨大,并且取得了一系列成果。介绍了海洋中石油污染物的来源、转化过程、降解机理、影响生物降解因素及生物修复技术等方面内容,强调了生物修复技术在治理海洋石油污染环境中的优势和重要性,指出目前生物修复技术存在的问题。关键词 海洋,石油污染,生物修复,海洋微生物
中图分类号 X172 文献标识码 A 文章编号 1000-4890(2004)03-0099-04Biodegradationandbioremediationofpetroleumcontaminantsinseawater.SONGZhiwen1,XIAWenxiang1,CAOJun2(1QingdaoInstituteofArchitectureandEngineering,Qingdao266033,China;2InstituteofAppliedEcology,ChineseAcademyofSciences,Shenyang110016,China).ChineseJournalofEcology,2004,23(3):99~102.
Petroleumisthemaincontaminantinseawater,whichhasseverelydamagedseaandbeachenviron-ments.Microbialdegradationofpetroleumcontaminantsisconsideredastobethemajordecompos-itionprocessfordecomposingpetroleumcontaminantsinseawaterandofgreatpracticalinterestforimplementationofbioremediation.Thedegradationprocessisrestrictedbypetroleumcompositionandcharacteristics,environmentconditionandmicrobiologicalcommunitycomposition.ElementNandPwerethemajorrestrictionfactors.Thereviewsonthefoundationofbioremediation,microbialcommu-nity,degradationmechanismandmethodswerepresentedandtheshortagesandprospectsofbioreme-diationinseawaterwerediscussed.
Keywords ocean,petroleumpollution,bioremediation,marinemicroorganisms.
1 引 言
海洋石油的开发,石油加工产品的生产、使用及排放,海上溢油事故等,使石油成为海洋环境的主要
污染物。据估计,全世界每年约有110@1010kg的石油进入海洋环境中,我国每年排入海洋的石油达1115@10kg,并且呈增长的趋势,某些海湾由于石油污染导致环境恶化、生物绝迹[11,13]。为了消除海洋石油污染,国内外学者作了大量工作,寻求安全、可靠、经济有效的治理方法[10,15,29]。生物修复(bioremediation)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[25]。生物修复的基础是自然界中微生物对污染物的生物代谢作用,由于自然界的生物修复过程一般较慢,难以实际推广应用,因此一般指人为促进条件下的生物修复。自20世纪90年代,生物修复技8
一些理论突破和重要成果。国内一些学者在该领域也作了大量的工作,但主要为石油污染土壤和地下水的生物修复研究,对海洋石油污染的生物修复研究相对较少。
本文将从海洋中石油污染物的来源、转化过程、降解机理、影响生物降解因素及生物修复技术等方面进行综述。2 海洋石油来源
¹海上油运。石油和炼制油在海上油运过程中主要通过压舱水、洗舱水、油轮事故、油码头的跑、冒、滴、漏以及油船和其它船舶正常操作的油漏等途径排入海中。
º海上油田。海底石油勘探和生产过程中油井
*山东省教育厅资助项目(J02L05)和青岛建筑工程学院科研基金资助项目(2001-131)。**通讯作者
:2002-20 改回日期:01-10
[1,18]
[14,28]
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井喷、油管破裂和钻井过程中所产生的含油泥浆等可以造成的海洋石油污染。
»海岸排油。陆岸的贮油库、炼油厂将未经处理的含油污水排入海中,从而造成海洋的污染。
¼大气石油烃的沉降。工厂、船坞、车辆排出的石油烃进入大气,一部分被光氧化,一部分又沉降到地球表面,其中有些落入海洋中。3 海洋环境中石油的归宿和转化过程
石油烃在海洋环境中的转化过程和归宿极其复杂,受到物理、化学和生物的作用。低分子量的烃类(C15以下)受蒸发过程影响进入大气,这些组分的烃在大气中受光化学氧化、降解之后,能以原来的形式回到海洋中的数量是极少的。进入海洋环境的石油烃经过海空输移可减少一半以上。海面油膜能进行光氧化作用,而表面海水中油组分也可能进行光氧化降解,这种转化对于芳烃和杂环芳烃有较大的作用。生物转化可分为两个方面,一是海洋中微生物对石油的降解作用;二是海洋生物对石油烃的摄取作用。微生物降解石油烃的速率主要与微生物的种类和数量及其介质的温度有关,还与石油组分的性质和分散的程度有关,分散程度大,降解的速率也大。另外,海洋中的植物也能富集和降解海水中的部分石油烃。
吸附和沉淀作用可使海洋中的石油进入沉积物中,该途径通常有3种类型:¹由于轻组分的挥发和溶解使残留物的密度增加,从而生成固态的小球下沉。º油膜或分散的油滴附着悬浮颗粒沉降海底。»溶解的石油烃吸附在固体颗粒物上沉积。这种向海底迁移的速度主要与海域的沉积速度有关。进入沉积物的石油烃又会受到底泥中微生物的降解。然而,由于沉积物中缺氧,又不易受到阳光的照射,降解的速率要比海水中的降解缓慢。
4 海洋中降解石油烃的微生物种类与分布特点411 海洋中降解石油烃的微生物种类
国外在20世纪40年代就开展了细菌降解油污的研究[8,21,22],我国这方面的研究始于20世纪70年代末期。研究表明,在海洋中存在着大量能够降解石油的微生物,它们的种类组成和土壤、淡水中降解石油微生物有很大不同。
据报道能够降解海洋石油污染物的微生物有[12]
[2~7,17,20]
[16]
能够降解石油烃的细菌有假单胞菌属(Pseu-domonas)、弧菌属(Vibrio)、不动杆菌属(Acineto-bacter)、黄杆菌属(Flavobacterium)、气单胞菌属(Aeromonas)、无色杆菌属(Achromobacter)、产碱杆菌属(Alcaligenes)、肠杆菌科(Enterobacteriaceae)、棒杆菌属(Coryhebacterium)、节杆菌属(Arthrobac-ter)、芽孢杆菌属(Bacillus)、葡萄球菌属(Staphylo-coccus)、微球菌属(Micrococcus)、乳杆菌属(Lacto-bacillus)、诺卡氏菌属(Nocardia)等。能够降解石油烃的酵母菌有假丝酵母属(Candida)、红酵母菌属(Rhodotorula)、毕赤氏酵母菌属(Pichia)等。海洋中能够降解石油烃的霉菌的数量要少于细菌和酵母菌,主要有青霉属(Penicillium)、曲霉属(Apergillus)、镰孢霉属(Fusarium)等。412 海洋中降解石油烃微生物的分布特点
海洋中石油降解微生物的分布特点为近海、海湾等石油污染严重的地区,石油降解微生物的数量亦多。在远洋,石油降解微生物的数量和石油的多少无关,而与细菌数量多少有关,即海水中养分多,则细菌数量多,相应地石油降解微生物也多。因此,在外洋由于营养贫乏,石油降解微生物很少,一旦受到污染,不容易很快消除,后果较为严重。降解石油烃微生物通常生长在油水界面上,而不是油液中。5 石油烃微生物降解机理
石油是链烷烃、环烷烃、芳香烃以及少量非烃化合物的复杂混合物。
烷烃的代谢机理是脱氢作用、羟化作用和氢过氧化作用。通常正烷烃的生物降解是由氧化酶系统酶促进行的,首先烷烃氧化成相应的伯醇,然后经由醛转化成脂肪酸,脂肪酸通过B-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,或进入其它生化过程。链烷烃也可以直接脱氢形成烯,烯再进一步氧化成醇、醛,最后形成脂肪酸;或链烷烃氧化成为一种烷基过氧化氢,然后直接转化成脂肪酸。有的微生物还可以通过亚末端氧化,形成仲醇,再依次氧化成酮、酯,酯水解形成伯醇和脂肪酸,再进一步氧化分解。一些微生物能将烯烃代谢为不饱和脂肪酸并产生某些双键的位移或产生甲基化,形成带支链的脂肪酸,再进行降解[9]。
环烷烃在石油馏分中占有较大比例,是石油烃
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基,它的生物降解原理和链烷烃的亚末端氧化相似,混合功能氧化酶氧化产生环烷醇,然后脱氢形成酮,进一步氧化得内酯,或直接开环,生成脂肪酸。苯与短链烷基苯在脱氢酶及氧化还原酶的作用下,经二醇的中间过程代谢成邻苯二酚和取代基邻苯二酚,后者可在邻位或间位处断裂,形成羧酸。多环芳烃在原油中的含量虽然只占011%左右,但由于其潜在毒性、致癌性及致畸诱变作用,因此它们在环境中的行为和归宿不容忽视。多环芳烃的降解首先通过微生物产生的加氧酶,进行定位氧化反应。真菌产生单加氧酶,加氧原子到苯环上,形成环氧化物,然后,加入H2O产生反式二醇和酚。细菌产生双加氧酶,加双氧原子到苯环上,形成过氧化物,然后氧化成顺式二醇,脱氢产生酚。环的氧化是微生物降解多环芳烃的限速步骤。不同的代谢途径有不同的中间产物,但普遍的中间代谢产物是邻苯二酚、2,5-二羟基苯甲酸、3,4-二羟基苯甲酸。这些代谢物通过相似的途径降解:环碳键断裂,丁二酸,反丁烯二酸,丙酮酸,乙酸或乙醛。代谢产生的物质一方面可以被微生物利用合成细胞成分,一方面也可以氧化成CO2和H2O
[19]
也有较大的差别,一般情况下,混合培养的微生物对石油烃的降解比纯培养快。石油污染能够诱导降解石油的微生物种群的生长,未受到石油污染地区的石油降解菌不到011%,但在受污染地区的石油降解菌的比例和数量明显上升,污染程度越重细菌数量越多,说明石油污染能够使石油降解菌发生富集。
613 环境参数
¹温度。温度能明显影响烃类的降解速率。温度对烃类氧化菌降解石油的影响包括两个方面:一方面是温度直接影响细菌的生长、繁殖和代谢;另一方面温度能影响石油在海洋中的理化性质。提高温度,促进了石油中一些对细菌有害烃类的挥发,同时也增加了石油的乳化程度,因而有利于细菌对油类的降解。
º营养盐。在海洋石油的生物降解过程中,由于石油中含有微生物能利用的大量碳源,海水和海滩中有足够的微量元素,所以N和P成为主要的限制因子[21]。
»氧。尽管一些学者实验证明在厌氧条件下微生物也能降解烃类,但在大多数情况下,厌氧时烃类的生物降解作用要比好氧条件下慢得多。石油中各组分完全生物氧化,需消耗大量的氧。据测算1g石油被微生物矿化需3~4g氧,即需消耗211L以上的氧。所以,在石油严重污染的海域,氧可能成为石油降解的限制因子。
¼陆源污染物。陆源污染物对海洋石油烃的降解也有影响。在美国Brittany海岸石油泄露研究中发现,该地区石油烃的生物降解速度比其它地区要快,其原因是大量农村用氮肥和磷肥进入Brittany海域,为降解微生物提供了丰富的营养物质。农药则对河口环境中微生物降解石油有抑制作用。7 海洋石油污染的生物修复技术
20世纪80年代末美国在ExxonVadez油轮石油泄露的生物修复项目中,短时间内清除了污染,治理了环境,是生物修复成功应用的开端,同时也开创了生物修复在治理海洋污染中的应用[24,26,27]。石油污染的海面和海滩通常可采用以下3种方式进行生物修复:¹投加表面活性剂,增加石油与海水中微生物的接触面积;º投加高效降解石油的微生物,增加微生物的种群数量;»投加N、P等营养[14]
。
6 影响海洋石油烃微生物降解因素611 石油的理化性质
石油烃生物降解的程度取决于油的化学组成、
微生物的种类和数量以及环境参数,如温度、营养盐、陆源污染物、盐度、海流、氧含量等[8,9,23]。
石油在海水中存在的物理形式对石油的生物降解有很大影响。液态芳烃在水-烃界面能被细菌代谢,但在固态时却很难被利用。
石油化学组分不同也明显地影响它们被降解的速率。在各组分中,饱和烃最容易降解,其次是低分子量的芳香族烃类化合物,高分子量的芳香族烃类化合物、树脂和沥青质则极难降解。不同烃类化合物的降解率模式是:正烷烃>分枝烷烃>低分子量芳香烃>多环芳烃。石油烃类化合物组成成分的差异直接影响其生物降解速率,低硫、高饱和烃的粗油最易降解,高硫、高芳香烃类化合物的纯油则很难降解。
612 微生物种类
石油降解微生物的种类和数量对海洋中石油烃的降解有明显影响。不同微生物种类对石油烃的降
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剂可能具有毒性并在环境中积累;引入高效降解菌不能对土著微生物保持长久的竞争优势,同时也会引起相应的生态和社会问题,不同学者对是否应该投入高效微生物以及高效微生物是否在生物修复中起作用意见不一、分歧较大,因此对投加营养盐进行石油污染海洋环境生物修复研究相对较多[10,26,30]。目前,国外开发的营养盐主要有3种形式:¹缓释型。该类型营养盐具有合适的释放速率,通过海潮可以将营养物质缓慢地释放出来。美国Vigoro公司生产的块状物肥料,NBP为14B3;美国加州Sierra化学公司生产的颗粒状肥料Cus-tomblem,NBP为14B4。研究表明,该两种产品最初可缓慢释放营养物质,剩余的营养物质在3~4周内缓慢释放。º亲油型。亲油肥料可使营养盐/溶解0到油中,在油相中螯合的营养盐可以促进细菌在表面生长。如法国ElfAquitaine公司生产的InipolEAP-22,在ExxonValdez溢油的现场生物修中,施加该肥料生物后生物降解速率至少提高2倍,有的区域甚至提高10倍。»水溶型。该类产品会被海水溶解,可以解决下层水体及沉积物的污染问题。在ExxonValdez溢油的生物修复中使用的是硝酸铵和三磷酸盐。8 结 语
海洋石油污染物的微生物降解是一个复杂的过程,受石油组分与理化性质、环境条件以及微生物群落组成等多方面因素的制约,N和P营养的缺乏是海洋石油污染物生物降解的主要限制因子。在海洋石油污染物生物降解基础上发展起来的生物修复技术在海洋石油污染治理中发展潜力巨大,并且已经取得了一系列成果,引起了众多学者的关注,但目前仍然存在一些问题,如见效慢,受理化及环境因子影响较大,前期研究困难且费用昂贵,毒性和安全性问题等,这些都应是今后需要深入研究和改进的地方,随着研究的深入这些问题也终将得到彻底解决。
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作者简介 宋志文,男,1966年生,博士,副教授。现从事环境生物技术方面研究,发表论文20余篇。责任编辑 李凤芹