水體中石油污染的生物修復(fù)

1、環(huán)境保護水體中石油污染的生物修復(fù)孫向榮 1, 楊學(xué)福 2, 王蕾1(1陜西省環(huán)境監(jiān)測中心站 , 陜西西安 710054; 2西安工業(yè)大學(xué)建筑工程系 , 陜西西安 710032摘要 :生物修復(fù)是處理水體中石油污染較好的一種方法 , 本文簡述了水體中石油污染的來源 、 危害 , 石油污染生物修復(fù)技術(shù)的概念 , 對水體中石油的可生物降解性 , 微生物種類 、 降解機制和降解過程的影響因素以及目前 的研究方向進行了較全面的綜述 , 并對石油污染的研究現(xiàn)狀和存在問題進行了討論 。關(guān)鍵詞 :水體 ; 石油污染 ; 生物修復(fù)Bioremediation of Petroleum Pollution in W

2、ater EnvironmentSUN Xiang rong 1, YANG Xue fu 2, WANG Lei 1(1Environmental Monitoring Central Station of Shaanxi Province , Shaanxi Xi an 710054; 2College of Civil Architecture Engineering , Xi an Technological University , Shaanxi Xi an 710032, China Abstract :Bioremediation was the best method to

3、treat the water polluted by petroleumThe information about petro-leum pollution in water such as the origin , the danger , the definition of microbial degradation , the microbial degradation mechanism , the bacterial types , the impacting factors during the degradation process and the present study

4、fields were in-troducedAlso , the present situation and existing problems in the study were discussedKey words :water ; petroleum pollution ; bioremediation 作者簡介 :孫向榮 (1980 , 助理工程師 , 主要從事環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用 。石油作為重要能源之一 , 已被世界各國廣泛利用 。 近年來 , 水體石油污染日益嚴重 , 已成為一個全球普遍 關(guān)注的焦點問題 。 生物降解法因具有處理成本低 、 不需 大型設(shè)備 、 操作簡便 、 石

5、油類污染物降解效果好 、 不易引 起二次污染等特點而得到廣泛研究和應(yīng)用 。1水體中石油污染的現(xiàn)狀11水體中的石油污染來源水體中石油烴的污染主要來自工業(yè) 、 農(nóng)業(yè) 、 運輸業(yè)及生活污水排放和油泄露 , 逸入大氣中的石油烴的沉降 及海底自然溢油等 。 工業(yè)含油污水和廢水種類很多 , 主 要包括煉油廠污水 、 石油勘探開發(fā)采油廢水 、 油港原油 壓艙水等 。 盡管各國都規(guī)定了含油廢水的排放標準 (一般為 5 10mg /L , 但因工業(yè)含油廢水量大 , 故流入各類水體的油量仍相當可觀1。 全球最大的水體是海洋 。 而在 各 類 水 體 中 海 洋 受 油 污 染 是 最 為 嚴 重 的 。 1972

6、年日本海域所發(fā)生的污染事件有 2283起 , 其中石 油污染為 1983起 ,占污染總數(shù)的 869%。 美國沿岸海 域發(fā)生的污染事件中也有近 3/4是油污染 。 我國海岸 線長達 18000km , 沿海海域面積遼闊 , 近年來許多海域 也受到不同程度的石油污染1。 海洋水體油污染已成為目前一種世界性的嚴重的海洋污染 。 因此 , 防范 、 治 理石油污染成為環(huán)境保護的重要任務(wù)之一2。12石油污染物的危害石油污染的危害主要表現(xiàn)在在水體表面形成油膜 ,致使水中溶解氧急劇下降 , 造成水生生物的大量死亡 , 破壞水生生態(tài)環(huán)境和漁業(yè)資源 ; 還可進入地下水系 , 直 接污染地下水源 , 影響居民用水

7、和農(nóng)業(yè)灌溉 ; 石油中的 一些致畸致癌物質(zhì)還可通過食物鏈的生物富集作用直接危害人類健康 3。2石油烴污染的生物修復(fù)21石油烴類的化學(xué)組成及其生物可降解性 生物修復(fù)是指生物特別是微生物催化降解有機污 染物 , 從而修復(fù)被污染環(huán)境或消除環(huán)境中污染物一個受 控或自發(fā)進行的過程 。 在石油污染水體生物修復(fù)過程 中通過接種特定的石油降解菌 、 添加營養(yǎng)物質(zhì)或表面活 性劑 、 提供電子受體和共代謝底物及優(yōu)化處理條件等 , 可以強化環(huán)境中土著微生物自發(fā)降解石油污染物的進 程 4。石油是 (又稱原油 是一種天然生成的由上千種性 質(zhì)不同的化合物組成的復(fù)雜混合物 。 烴類是其主要組 分 , 簡稱石油烴 。 其余為

8、非烴類含氮 、 含硫及氧等元素 的有機物 。 石油烴主要有烷烴 、 芳香烴 、 環(huán)烷烴 、 稠環(huán)和 雜環(huán)化合物 , 還有少量瀝青質(zhì)和其他化合物 。 由于石油 烴是天然的有機物 , 因此 , 微生物可以利用石油烴作為 碳源 。 石油中所含的各種烴類 , 只要條件合適 , 均可被 微生物代謝降解 。 芳香類化合物由于其水難溶性 , 某些 多環(huán)芳烴還有毒性 , 更難被微生物降解 , 近年在這方面 的研究最多 , 對于雜環(huán)化合物 , 則對噻吩作了一些研究 工作 , 對于氧雜環(huán)或氮雜環(huán)化合物的降解幾乎沒有報 道 。22石油烴類化合物的微生物代謝途徑根據(jù)烴類的化學(xué)結(jié)構(gòu)特點 , 石油烴的降解途徑主要 可分兩

9、部分 :鏈烴的降解途徑和芳香烴的降解途徑 。 直 鏈烷烴的降解方式有三種 :末段氧化 、 亞末段氧化和 w 氧化 。 此外 , 烷烴有時還可在脫氫酶作用下形成烯烴 , 再在雙鍵處形成醇進一步代謝 。 關(guān)于芳香烴的降解途 徑 , 在好氧條件下先被轉(zhuǎn)化為兒茶酚或其衍生物 , 然后 再進一步被降解 。 近十年來未見新的降解途徑的報道 , 倒是對芳香烴的厭氧降解有諸多研究 , 目前的研究主要 是調(diào)查和確認芳香烴在厭氧條件下的可降解性 。 研究 表明 , 微生物在厭氧條件下也可降解石油烴類 。 Sey-fried 14等研究發(fā)現(xiàn) , 在反硝化條件下 , 甲苯的降解是有 甲基的直接氧化起始的 , 可檢測到

10、苯甲醛和苯甲酸的積 累 。23降解石油烴類化合物的微生物種類自然界中能夠降解石油烴類化合物的微生物種類 有數(shù)百種 , 70多個屬 , 主要是細菌 、 真菌和藻類等三大 類型的生物 , 多存在于土壤環(huán)境中和水體環(huán)境中 。 細菌 在海洋生態(tài)系統(tǒng)中占主導(dǎo)地位 , 而真菌則是淡水和陸地 生態(tài)系統(tǒng)中更重要的因子 5, 能降解石油烴的微生物多 數(shù)屬于假單胞菌屬 6。水環(huán)境中能較好地降解石油烴的細菌有假單孢菌 屬 、 無色桿菌屬 、 節(jié)桿菌屬 、 微球菌屬 、 諾卡氏菌屬 、 不動 桿菌屬 、 短桿菌屬 、 棒桿菌屬 、 黃桿菌屬 。 真菌有假絲酵 母菌屬 、 紅酵母菌屬 、 擲孢酵母菌屬等 。 在受污染的

11、水 體中除細菌和酵母菌外 , 還有許多絲狀菌 。24影響石油烴類化合物的微生物降解的因素 241石油烴類化合物在環(huán)境中的狀態(tài)和石油濃度的 影響在環(huán)境中呈水溶狀態(tài)的石油烴類化合物更容易被 降解 , 如果不是呈水溶液狀態(tài) , 微生物則很難直接與石 油烴類化合物的分子接觸 , 如固體的芳香烴化合物 。 沒 有溶入水中的石油烴類化合物 , 只有在油與水的界面處 的化合物分子才能與微生物細胞接觸 , 再加上不同表面 的表面張力的影響等 , 可被降解的幾率就小了很多 7。 Arco 等 8發(fā)現(xiàn)隨石油濃度的升高 , 微生物對石油的最 終降解率逐漸降低 , 降解率和石油濃度呈負相關(guān)關(guān)系 。 242溫度和光照條

12、件的影響溫度可以通過影響石油烴類化合物的狀態(tài) , 間接地 影響烴類物質(zhì)的生物降解 。 此外 , 溫度對石油烴類化合 物的降解還有更直接的作用 , 如對微生物活性的影響 , 對微生物種類的影響 。 有研究表明 7, 在環(huán)境溫度為 25 時 , 石油烴類化合物的降解速率是 5 時的降解 速率的 10倍左右 , 溫度變化顯著地影響微生物對烴類 化合物的降解速率 。 Santas 發(fā)現(xiàn)紫外線增強時石油的 降解率增加 9, 但對于光照如何影響石油生物降解的具 體機理商務(wù)透徹研究 。243氧氣的影響許多烴類物質(zhì)的降解過程實質(zhì)上是烴類物質(zhì)的氧 化過程 , 需要有加氧酶和分子氧的參加 , 因此環(huán)境中的 氧氣對

13、微生物而言是一個極其重要的限制因子 。 氧氣 的含量決定微生物群落的結(jié)構(gòu) , 在缺氧或無氧的條件 下 , 是以厭氧微生物為主的群落結(jié)構(gòu) , 而在好氧條件下 , 則是好氧微生物為主的群落結(jié)構(gòu) 。 厭氧微生物和好氧 微生物都能降解石油烴類化合物 , 但降解途徑不同 、 厭 氧降解的速率比好氧降解的速率慢 。244微生物氮源和磷源的影響微生物的氮源和磷源經(jīng)常成為微生物降解烴類物 質(zhì)的限制的因子 。 因為在石油烴類物質(zhì)中含有大量的 碳和氫 , 則氮和磷元素是影響細菌生長繁殖的主要因 素 , 研究表明 C N P =100 10 1時最適烴類的生 物降解 10。 在天然水體中 , 為了促進石油烴類物質(zhì)的

14、降解而添加水溶性的氮源和磷源 , 但有限的添加氮源和 磷源在水體中被高倍稀釋而難以支持微生物的生長 , 所 以近年來生物整治研究致力于開發(fā)親油性的氮源和磷 源 3, 使其在水體中附著于石油烴類物質(zhì)而維持菌體 的持續(xù)生長 。 在土壤環(huán)境中 , 也在研究添加適當?shù)牡?磷物質(zhì)以達到更好的降解效果 。245pH 值和其他條件的影響石油烴類物質(zhì)的微生物降解一般處于中性的 pH 值 , 極端的 pH 值環(huán)境不利于微生物的生長 。 不過也有 微生物能在極端的 pH 值條件下降解石油烴類物質(zhì) 。 其它環(huán)境條件下 , 如 Fe 2+濃度 、 鹽度和壓力也會影響微 生物對石油烴類物質(zhì)的降解 。 例如 , 將湖泊

15、中的石油烴 類降解微生物轉(zhuǎn)入到海洋海岸的石油烴降解 , 由于細胞 對環(huán)境中的鹽的濃度不能立即適應(yīng) , 可能引起細胞的膨 脹 , 甚至破裂 。 一般而言 , 隨著環(huán)境中鹽濃度的增加 , 石 油烴類化合物的降解速率會下降 , 也就是說 , 淡水中石油 污染物的降解要比海洋中的石油污染物降解得更快 7。3石油污染物生物降解的研究現(xiàn)狀對于微生物對石油烴污染物的生物降解的研究 , 國 外的研究比較成熟 , 美國在這方面研究較深入 , 并將生 物技術(shù)運用于石油污染的現(xiàn)場修復(fù) , 例如 :清除 Alaska Exwxon Valdez 的海岸石油污染 11。 我國從 20世紀 70年代開始有學(xué)者關(guān)注這一方面

16、的研究 , 但成熟的研究并 不多 , 且多限于綜述 , 實踐研究及現(xiàn)場修復(fù)的報道很少 , 尚處于起步階段 。31石油降解菌的篩選 、 分離及其降解特性 在被石油污染的現(xiàn)場 , 如被石油污染的排水中及排 水溝泥中和活性污泥中 , 油田渣油及煉油 、 采油的廢址 及正在使用的廠區(qū)中 , 污水處理廠的排水中 , 海洋中 , 由 于長期被石油污染 , 存在于其中的微生物能逐漸改變自 身的條件 , 通過形成誘導(dǎo)酶以適應(yīng)新的環(huán)境條件 。 因 此 , 在這些長期含有高濃度的石油烴的現(xiàn)場中 , 一定有 降解石油烴的菌 , 在這些菌中可能會有高效菌的存在 。 采取含高效菌的水樣 、 固體土樣或半固半液的稀泥樣

17、后 , 即可直接進行高效菌的分離 , 也可經(jīng)一段時間的馴 化后再進行分離 。用篩選分離出的高效菌對石油烴類物質(zhì)降解的特 性進行研究 , 其主要的研究方法有 : 利用 14C 標記法計 算石油烴降解菌對石油烴的礦化程度 。 即將高效菌接 種于含未標記的石油烴及一部分有 14C 標記的石油烴的 反應(yīng)體系中 , 從該體系好氧反應(yīng)過程中放出的 14CO 2的 總量計算高效菌對石油烴的礦化率 。 測量反應(yīng)體系 的耗氧量 。 即 , 測反應(yīng)體系的 CO 2的產(chǎn)生量來間接體 現(xiàn)反應(yīng)體系的耗氧量 , 從而判斷高效菌對石油烴的降解 效果 。 用不同的分析方法測定反應(yīng)體系中石油烴濃 度隨時間的變化趨勢 , 據(jù)此判

18、斷高效菌對石油烴的降解 效率 。 利用高效菌在石油烴中的繁殖生長情況說明高 效菌對石油烴的降解代謝能力 , 一般采用重量法 、 平板計 數(shù)法和光密度法來測定高效菌的生長情況 。32石油烴的乳化及生物乳化劑石油烴在水中的溶解度非常小 , 難以提供足夠的碳 源和能量來維持微生物的生長繁殖 , 為此微生物進化出 了兩種對策以提高與烴類的接觸 :特異性的附著機制和 烴類的乳化 。 前一種機制中 , 微生物通過菌毛或細胞膜 表面的脂類或蛋白使細胞形成疏水表面而附著于水中 的油滴上 。 后一種機制中 , 微生物可釋放出乳化劑使油 滴乳化成許多細小顆粒 , 以增大油滴可利用的表面積 , 有利于微生物的直接接

19、觸和利用 。 由于乳化劑或表面 活性劑對微生物降解的廣泛影響 , 近年來相關(guān)研究較 多 1213。33新型氮源和磷源的研究氮源和磷源是微生物降解烴類物質(zhì)的限制的因子 , 氮和磷元素影響細菌生長繁殖 , 又因微生物對溶解態(tài)的 物質(zhì)容易吸收 , 而石油污染物在水中的溶解度很小 , 故 近年來生物整治研究致力于開發(fā)親油性的新型氮源和 磷源 , 使其在水體中附著于石油烴類物質(zhì)而維持菌體的 持續(xù)生長 。 在土壤環(huán)境中 , 也在研究添加適當?shù)牡土?物質(zhì)以達到更好的降解效果 。34微生物 、 烴類以及它們之間的相互作用的 研究對于微生物間的相互作用 , 目前的研究工作主要集 中于多種微生物對底物的協(xié)同代謝

20、上 。 對于底物之間 的相互作用 , 研究較多的是共代謝作用 15和備用物現(xiàn) 象 。 備用物現(xiàn)象是指當多種可降解的底物同時存在時 , 微生物優(yōu)先利用其中一種底物 , 而其它種底物的降解受 到抑制 , 只有當優(yōu)先利用的底物用完后才能降解利用其 它備用底物的現(xiàn)象 。 這兩種現(xiàn)象在石油烴的降解中比 較普遍 。35基因工程菌的開發(fā)許多文獻報道當環(huán)境受到石油污染時 , 降解性微生 物數(shù)量上升 , 尤其是含降解質(zhì)粒的微生物 。 水體污染 后 , 含質(zhì)粒細菌的比例可提高數(shù)倍到數(shù)十倍 。 含質(zhì)粒細 菌在石油污染環(huán)境中出現(xiàn)的頻率和數(shù)量比非污染環(huán)境 高 , 說明質(zhì)粒在石油降解中起著重要的作用 。 AChar-Kr

21、abarty 經(jīng)過研究降解芳香烴 、 萜烴 、 多環(huán)芳烴的細菌 的降解基因位于質(zhì)粒上 , 基于這一發(fā)現(xiàn) , 他根據(jù)質(zhì)粒容 易傳遞的特性 , 利用基因工程的手段將多種質(zhì)粒嫁接到 一種菌體內(nèi) , 構(gòu)成一菌多基因 。 這一新型菌能同時降解 四種石油組分 , 能把原油中約 2/3的烴類消耗 , 它突出 的優(yōu)點是比自然菌降解速度快 。 因此 , 構(gòu)建含有目的的 基因 , 具有較強競爭力的基因工程菌 (GEM 是現(xiàn)代研 究的主要目標之一 。4結(jié) 語近年來 , 石油污染日益嚴重 , 已成為一個全球普遍 關(guān)注的焦點問題 。 科學(xué)工作者對此進行了廣泛的研究 。 根據(jù)目前已有的研究結(jié)果和應(yīng)用實踐表明 , 生物降解

22、法 因具有處理成本低 、 不需大型設(shè)備 、 操作簡便 、 石油類污 染物降解效果好 、 不易引起二次污染等特點而得到廣泛 研究和應(yīng)用 。從文獻研究結(jié)果看 , 水體中石油生物降解研究存在 的主要問題是 :(1 石油成分復(fù)雜 , 其中所含多環(huán)芳烴種類繁多 , 分子結(jié)構(gòu)及構(gòu)象復(fù)雜 , 生物效應(yīng)緩慢 , 在環(huán)境中遷移轉(zhuǎn) 化方式多樣 , 因而 , 直接影響人們對其生物降解過程的 基礎(chǔ)性研究 。 迄今對這類污染物的生物降解特性仍然 沒有完全認識和深化 。(2 現(xiàn)有的研究對象多 , 獲得的資料分散 , 研究結(jié) 果說法不一 , 無法進行比較 , 所以難以得出明確結(jié)論 , 理 論上進一步深化比較困難 。(3 石

23、油烴類的微生物降解是一個復(fù)雜的過程 , 它 的降解效率受多方面因素影響 , 應(yīng)全面考慮微生物修復(fù) 從實驗研究到現(xiàn)場的條件控制 , 使研究結(jié)果和應(yīng)用實踐 相結(jié)合 。參考文獻121世紀議程環(huán)境保護與綜合治理 M 北京 :科學(xué)技術(shù)文 獻出版社 , 2000:356 2沈德中 污染環(huán)境的生物修復(fù) M 北京 :化學(xué)工業(yè)出版 社 , 2003:1753李習(xí)武 , 劉志培 石油烴類的微生物降解 J 微生物學(xué)報 , 2008, 29(6 :7647674陳堅 環(huán)境生物技術(shù) M 北京 :中國輕工業(yè)出版社 , 1999: 2255李麗 , 張利平 , 張元亮 石油烴類化合物降解菌的研究概況 J 微生物學(xué)通報 ,

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