海洋石油污染的降解

1、海洋石油污染降解問題2011年12月化學(xué)海洋學(xué)論文（讀書報(bào)告）海洋石油污染的生物修復(fù)海洋石油污染的降解生物修復(fù)摘要:本文概述了影響石油污染物生物降解修復(fù)處理的多種因素，對(duì)石油污染生物 處理技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了展望。其中主要影響因素包括:菌種的影響，菌種在不同的 環(huán)境中和對(duì)不同碳鏈長(zhǎng)度的碳?xì)浠衔锉憩F(xiàn)出不同的降解效率；石油物質(zhì)本身物 理化學(xué)特性的影響，如石油物質(zhì)在水體或土壤中的濃度以及石油的粘度、沸點(diǎn)、 折射率等特性;生存環(huán)境條件的影響，在接種入高效率的降解菌或利用土著微生物 進(jìn)行降解時(shí),降解率受到生存環(huán)境中各種條件的影響,如表面活性劑、光照條件、 吸附劑的利用、營(yíng)養(yǎng)鹽、共代謝底物、氧氣、溫度、鹽度

2、等。關(guān) 鍵 詞:石油污染;生物修復(fù);影響因素;降解率；表面活性劑油類是人類重要的生活必需品，也是最重要的能源和工業(yè)原料，特別是石油 有工業(yè)血液之稱。隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的迅速發(fā)展，油類及其制品廣泛地應(yīng)用于國(guó)民 經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域和人類的日常生活中，而且使用量與日俱增。在石油產(chǎn)量激增的 同時(shí)，油類在開采、儲(chǔ)存、運(yùn)輸、加工和應(yīng)用過程中的泄漏和排放對(duì)環(huán)境的污染 也日趨嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界上每年至少有500-1000萬(wàn)t油類物質(zhì)通過各種途徑進(jìn) 入水體，流入海洋。油類污染物質(zhì)已經(jīng)成為水體的主要污染物之一。石油進(jìn)入水 體后，造成水體污染，改變局部水生態(tài)環(huán)境，使水生生物死亡，給水資源、生物 資源和養(yǎng)殖、旅游業(yè)帶來巨大損

3、失，油類污染物對(duì)環(huán)境生態(tài)和人體健康的危害己 逐漸引起人們的關(guān)注。海洋溢油污染治理己被列入“21世紀(jì)重大議程”，含油污 水治理方法和技術(shù)也成為當(dāng)今環(huán)境工作者研究的熱點(diǎn)問題，近10年來我國(guó)將油 污染治理列入重點(diǎn)資助研究項(xiàng)目，對(duì)石油污染治理的研究，對(duì)環(huán)境科學(xué)、海洋化 學(xué)、海洋生物及海洋科學(xué)技術(shù)的發(fā)展有極大的促進(jìn)作用。自1989年Alaska發(fā)生原油泄漏事故后，人們對(duì)石油污染的生物修復(fù)進(jìn)行了大 量的研究。生物修復(fù)即利用微生物能降解石油的特性達(dá)到修復(fù)石油污染的目的。 相對(duì)于物理化學(xué)處理，微生物修復(fù)有很多優(yōu)點(diǎn):經(jīng)濟(jì)花費(fèi)少,僅為傳統(tǒng)化學(xué)、物理修 復(fù)的30%-50%;對(duì)環(huán)境影響很小,不產(chǎn)生二次污染;污染物可在

4、原地被降解清除;修 復(fù)時(shí)間較短;處理操作簡(jiǎn)便。在實(shí)際的土壤石油污染和水體石油污染生物修復(fù)應(yīng) 用中,已有大量研究肯定了其可行性。一在這里我們介紹了近年國(guó)內(nèi)外對(duì)影響石油生物修復(fù)的重要因素的研究概況， 從石油生物修復(fù)過程理論上，探討了有待進(jìn)一步深入研究的加速石油生物修復(fù)的 因素。1生物因素微生物的選種自然界存在大量能降解石油的微生物,至少有8屬細(xì)菌、6屬放線菌、6屬酵 母和6屬霉菌。一種微生物往往對(duì)特定的石油成分有強(qiáng)的降解能力,因此,接種混 合的微生物群落，通過微生物間的協(xié)同作用，能更完全地降解石油，菌群的石油降解率比單菌有大的提高。為得到高效的石油降解微生物,研究者做了大量的篩選 工作，獲得了很多

5、有效菌種（如下表）。表1-1石油降解蕾屬Tabk 1-1 The oil degrading microorgAnisms .鰻_._.霉幽. .鰻_._.霉幽.無色桿菌屬Achromobacter sp.)曲客屬(Aspeigillus sp) 不動(dòng)桿菌屬 Acinctobacter sp.)醉母曲產(chǎn)堿軒函屬(Alcaligenes sp ) 肖桿菌屬(Archrobaaer sp ) 放線菌屬(.Actinomyceies sp )Brevibacillus sp.棒桿曲屬Coryneforms sp.) 場(chǎng)布桿曲屬 Crobacterium sp.) 黃樸菌屬Flavobacteri u

6、m sp.) 微球菌屬 r Micrococcus sp.) 微桿前屬(Kficrobacterium s/?.) 諾，E 氏菌屬(Nocardia sp.)鐮刀霉屬(Fusarium sp.) 毛薛屈 C Mucor sp.) Morcixella.W被泡霉(.Aonitrella xp.) 有霉屬(Penicilium $p_) 木焉(Trichoderma sp.)金色 1旦孑嗇雇（A ureobasidium sp.） 假絲酵母屬（Candida sp.）網(wǎng)紅酵母屬（Rho如or心$p.） 擲施子酵母屬 CSparobolomyces sp.）Protoiheca zopfii (禳類

7、)Ochrobacrruin sp.假單胞函 t Pseudomos sp.)Serratla sp.2石油性質(zhì)對(duì)生物修復(fù)的影響2.1石油濃度的影響石油濃度對(duì)降解有很大影響，在石油物質(zhì)濃度過高時(shí)，對(duì)微生物利用氧和其他 的營(yíng)養(yǎng)鹽產(chǎn)生一定的阻礙,Arco等人發(fā)現(xiàn)隨石油濃度的升高，最終的降解率逐漸降 低,降解率與石油濃度成負(fù)相關(guān)關(guān)系?？梢姡瑢⒈惶幚淼氖臀镔|(zhì)濃度控制在一定 范圍更有利于石油的生物處理。2.2石油的物理化學(xué)性質(zhì)不同地區(qū)所產(chǎn)石油的組分和物理化學(xué)性質(zhì)有一定差異,這對(duì)微生物的降解也 存在影響。3生存環(huán)境條件的影響3.1表面活性劑加入表面活性劑可以減小石油物質(zhì)與水溶液間的界面張力，增加石油的溶

8、解 性,使微生物和石油更有效的接觸,加速石油的生物降解。許多研究表明，生物表面 活性劑在石油降解中也有很好的促進(jìn)作用。3.2光照條件的影響在有光照條件下，加速了石油物質(zhì)的氧化，這有利于微生物對(duì)石油物質(zhì)的降 解。Santas發(fā)現(xiàn)紫外線增強(qiáng)時(shí)石油的降解率增加。3.3吸附劑的利用有研究者利用吸附載體來吸附微生物和石油,達(dá)到“雙重固定”以加速微生 物降解石油。吸附劑材料的選擇和粒徑的大小也是影響吸附作用的因素。3.4氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽石油物質(zhì)為微生物的生長(zhǎng)提供了充足碳源，但氮磷鹽的供應(yīng)成了微生物生長(zhǎng) 的抑制因素。在實(shí)際應(yīng)用中是將營(yíng)養(yǎng)物制成含有氮、磷的親油肥料，使它能與油 類保持結(jié)合，達(dá)到微生物的生長(zhǎng)需要，從而

9、加速石油的降解，其中氮源是含有尿素 的，磷源是三（4 -月桂烷基）磷酸酯。3.5氧氣由于石油在水表面形成油膜，氧的傳遞非常緩慢，在許多石油污染區(qū)，供氧 不足成為石油降解的制約因素,盡管在缺氧條件下,厭氧微生物能夠利用 Mn5+,Fe3+,SO42-和CO2作為電子受體，但石油降解速率往往較低。如地下水的 溶解氧少，在受石油污染時(shí)，生物降解修復(fù)很慢，有人將地下水抽出，采用充氧回灌 的方法加強(qiáng)生物降解，取得很好的效果。3.6補(bǔ)充碳源的共代謝Mudge發(fā)現(xiàn)將植物油（大豆油、菜子油）加入石油中，會(huì)加速石油的生物降解, 這一結(jié)果被認(rèn)為是植物油中容易降解的脂肪酸為細(xì)菌提供了碳源，和石油物質(zhì)產(chǎn) 生共代謝，加

10、速了石油的降解。Hadhrami等人發(fā)現(xiàn)加入蜜糖后的降解率升高為加 礦質(zhì)肥料的2倍，投加葡萄糖也可以大大的提高石油的降解率。3.7溫度、鹽度的影響。溫度直接影響微生物的生長(zhǎng)和降解活性,這與石油的降解密切相關(guān)。不同的 微生物有不同的最佳適應(yīng)溫度。在石油的生物降解中，讓菌充分與石油接觸是石油降解的最大限制因素，生 物表面活性劑在石油的乳化和降解中起到重要的作用。現(xiàn)在我們來具體介紹表面 活性劑與石油降解的關(guān)系。降解過程中，烴類化合物的憎水性是微生物進(jìn)行代謝、降解的主要障礙，因 為烴基質(zhì)必須通過外層親水細(xì)胞壁（膜）才能進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)而被位于細(xì)胞質(zhì)膜中的 烴降解酶所代謝。細(xì)菌可以通過產(chǎn)生生物表面活性劑而促使

11、烴類乳化并被動(dòng)擴(kuò)散 進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，從而被降解。因此微生物產(chǎn)生物表面活性劑對(duì)于石油烴類污染的降 解具有十分重要的意義。在烷烴生物降解中，對(duì)烷烴的攝取過程，有人提出了三種不同模型的假設(shè)， 其中兩種模型認(rèn)為微生物釋放生物表面活性劑與促進(jìn)其烷烴攝取能力之間有著 密切的關(guān)系，微生物合成該類生物表面活性劑的能力可以認(rèn)為是烷烴被降解的一 個(gè)先決條件。微生物細(xì)胞與溶解烷烴之間的相互作用模型-“單一擴(kuò)散-溶解烷烴的攝 取”模型微生物細(xì)胞與烷烴大顆粒之間的直接接觸模型-“與大油滴的直接接 觸”模型。在該模型中，生物表面活性劑促進(jìn)的乳化作用使得烷烴液滴在水相中 分散并且增加兩相之間的界面面積。有很多報(bào)道表明利用烷烴生

12、長(zhǎng)的細(xì)胞對(duì)烷烴 有吸著傾向。此外，也有報(bào)道表明在烷烴基質(zhì)中添加生物表面活性劑可以刺激微 生物的生長(zhǎng)。c.細(xì)胞與烷烴微滴之間的相互作用模型-“與細(xì)微油滴接觸”由上述幾種假設(shè)模型可見，在利用微生物降解修復(fù)石油污染時(shí)，生物表面活性劑的存在可以降低油水的界面張力，有利于油在水體中的分散，在水體中形成 微小油滴，這樣微生物能更好的與石油物質(zhì)接觸，達(dá)到好的降解效果。同時(shí)生物 表面活性劑具有對(duì)微生物無毒性的優(yōu)點(diǎn)，生物表面活性劑對(duì)提高石油生物降解有 非常重要的作用。現(xiàn)在我們來詳細(xì)介紹一種生物表面活化劑一一由假單胞菌XD-1所產(chǎn)生的假單胞菌XD-1不僅可以降解原油，而且在降解原油的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生物表面活 性劑，表面

13、活性劑能有效的分散原油，對(duì)原油的生物降解起到促進(jìn)作用。假單胞 菌XD-1產(chǎn)表面活性劑的方式為生長(zhǎng)相關(guān)型。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，充足的碳源和高的生物 量是獲得表面活性劑高產(chǎn)的關(guān)鍵控制因素，在碳氮(葡萄糖/氨氮)質(zhì)量比為 1:0.03時(shí)有最大的表面活性劑產(chǎn)率。假單胞菌XD-1以難溶性的烴類物質(zhì)為碳源 生長(zhǎng)時(shí)能大量的產(chǎn)表面活性劑。在實(shí)驗(yàn)的碳源和氮源中，原油和尿素為產(chǎn)表面活 性劑的最佳碳源和氮源。在進(jìn)行假單胞菌XD-1的降解性能研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)菌XD-1可以將培養(yǎng)基表面的 油膜分散，形成微小的油滴，微生物吸附在油滴周圍降解原油，并發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)液的 表面張力大大降低，因此對(duì)菌xD-1的產(chǎn)表面活性劑進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)菌XD-1能

14、產(chǎn) 表面活性劑?？梢娋鶻D-1可以產(chǎn)表面活性劑促進(jìn)原油的分散，有利于原油的生 物降解。因此，本章重點(diǎn)對(duì)菌XD-1的產(chǎn)表面活性劑條件進(jìn)行研究，確定菌XD-1 的最佳產(chǎn)表面活性劑培養(yǎng)條件，以提高菌XD-1的原油降解效果。表面活性劑的測(cè)定:將培養(yǎng)液用紗布脫脂棉過濾，5OOOr/min離心20min去 菌體，將上清液加入等體積的氯仿/甲醇(V:V=2:1 )提取兩次，在68。蒸十，十 燥后的品體再用氯仿洗滌，68。蒸十，為表面活性劑粗品，稱重。假單胞菌XD-1所產(chǎn)表面活性劑在原油的生物降解中起到重要作用，生物表 面活性劑是一類由微生物產(chǎn)生、分子結(jié)構(gòu)其有親水性和疏水性基團(tuán)的高分子物 質(zhì)，包括糖脂、脂肚、

15、多糖一蛋白絡(luò)合物、磷脂、脂肪酸和中性脂等30與其它 表面活性劑相比，它不僅具有能降低界面張力和乳化難溶性有機(jī)物的作用，同時(shí) 還有易于生物降解和無毒害的優(yōu)點(diǎn)。四為更好的利用生物表面活性劑來提高原油的生物處理效果，研究者對(duì)假單胞 菌XD-1所產(chǎn)生物表面活性劑進(jìn)行成份鑒定和性能的測(cè)定。1實(shí)驗(yàn)方法1.1表面活性劑的分析薄層層析(TLC)分析：取表面活性劑粗品，以氯仿/甲醇/水 V:V:V=65:15:2)為展開劑展開，用不同的顯色劑顯色:(1)苯酚一硫酸試劑;糖脂顯棕色斑點(diǎn)。(2)荀三酮顯色劑:脂膚顯紅色。(3)蔥酮硫酸顯色劑:糖脂顯黃色。1.2表面活性劑的精提83將培養(yǎng)液5 OOOr/min離心lO

16、min去菌體，取上清液，用0.45pm的微孔 濾膜抽濾，取濾液加入等體積的甲醇，5 OOOr/min離心1 Omin，將沉淀真空十 燥，為糖脂類物質(zhì);取上清液加入等體積的氯仿，提取兩次，取下層液，真空干 燥，為脂肽類物質(zhì)。1.3表面活性劑的相關(guān)結(jié)構(gòu)特征:用紅外掃描儀和紫外掃描儀測(cè)定，1.4表面活性劑的臨界膠束濃度測(cè)定將提取的表面活性劑溶于雙蒸水，配置成。-200mg/L系列濃度的表面 活性劑溶液，用表面張力測(cè)定儀測(cè)定表面張力。1.5 pH值對(duì)表面活性劑的影響將表面活性劑溶液用NaOH和HC1調(diào)節(jié)成不同的pH，用表面張力測(cè)定儀測(cè)定 表面張力。2結(jié)果與討論2.1表面活性劑的成份鑒定取原油培養(yǎng)基的培

17、養(yǎng)液提取表面活性物質(zhì)，得到淡黃色的結(jié)品體顆粒。經(jīng)薄層層析實(shí)驗(yàn)苛三酮顯粉紅色，紫外掃描實(shí)驗(yàn)表明，甲醇/氯仿提取液在220nm 處有強(qiáng)的吸收峰，說明提取物中有蛋白存在.初步判定表面活性劑粗品有脂肽 類物質(zhì)存在。用優(yōu)化培養(yǎng)基發(fā)酵培養(yǎng)精提表面活性劑，進(jìn)行鑒定.實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)菌XD-1 的發(fā)酵培養(yǎng)產(chǎn)物進(jìn)行提取，兩種提取方法都得到產(chǎn)物，分別為白色絮狀體和淺褐 色晶體，結(jié)合紅外光譜掃描確定兩種產(chǎn)物分別為糖脂類和脂肽類物質(zhì)會(huì)(1)脂肽類物質(zhì)鑒定 由圖8-1可見：圖譜中在3445、3345cm-1處的兩 個(gè)吸收帶為N-H鍵伸縮振動(dòng)吸收*說明有NH基#2924、2857 cm為脂肪族 碳鏈上的C-H鍵伸縮振動(dòng)的吸收

18、帶，1464 cm1和1379 cm4為碳鏈上C-H的彎曲 振動(dòng)吸收帶,說明存在碳鏈結(jié)構(gòu),1677、1599cm分別為酰胺吸收帶I和II, 說明存在肽搪。1156、1108 cm1兩個(gè)吸收帶和1736 cm1吸收帶是酯基的C-O 和C=O鍵的伸縮振動(dòng)吸收結(jié)果，說明物質(zhì)中有酯基結(jié)構(gòu)。綜上所述，表面活性 劑為脂肽類物質(zhì)，其中肽鏈為親水基端，形成酯基的脂肪酸半分子為疏水基端。(2)糖脂類物質(zhì)鑒定 由圖8-2可見：3364 cm*1處有強(qiáng)的吸收帶，表明 分子中有大量羥基存在.2 8003 000 cm之間和1460 cm1的吸收帶為碳槌 上C-H鍵的伸縮振動(dòng)吸收。1750 cm1為C=O吸收帶,107

19、9 cm*1為C-O-C鍵 伸縮振動(dòng)吸收帶，說明分子中有一個(gè)五元環(huán)狀內(nèi)能結(jié)構(gòu)和糖苜鍵存在。1663 cm1為C=C鍵的伸縮振動(dòng)吸收帶，表明分子中還有不飽和雙鍵。綜上所述，被 測(cè)物質(zhì)為糖與環(huán)脂結(jié)合形成的不飽和糖脂類物質(zhì)，其中糖基端為親水基端，環(huán)脂圖8-1脂肽類物質(zhì)的紅外掃描圖譜圖8-2糖脂類物質(zhì)紅外掃描圖譜Fig, 8-1 Infrared specuum of Lipo-peptideFig. 8-2 Infrared spectruin of gly-peptide3實(shí)驗(yàn)小結(jié)菌XD-1所產(chǎn)表面活性劑為脂膚類物質(zhì)和糖脂類物質(zhì)的混合物，表面活性劑 的臨界膠束濃度為50mg/L，表面活性劑在pH=

20、6.0的條件下有最佳表面活性，在 pH 5.0-8.0都有較好的作用，能將表面張力降低到55mN/m以下。五通過上述實(shí)驗(yàn)和參考其他研究資料，我們得出了一下幾點(diǎn)結(jié)論1pH、接種量、菌齡、培養(yǎng)時(shí)間、原油濃度對(duì)菌降解原油有大的影響，氮磷 營(yíng)養(yǎng)鹽的影響最明顯。假單胞菌XD-1在pH=7.0時(shí)，接種1%菌齡為12h的菌培 養(yǎng)72h，有最好的降解效果，降解率達(dá)81.71%。在營(yíng)養(yǎng)鹽充足的條件下菌能更好 的降解原油。2不同的菌降解不同的原油成分，利用混合菌群能夠更全面的降解原油。將 降解率不高的黃單胞菌XD-2、動(dòng)膠菌XD-3、芽孢桿菌XD-4和鄰單胞菌XD-5組 成混合菌群，比單菌株的降解率有明顯的提高。

21、各單菌的投加量對(duì)菌群的降解效 果有大的影響，當(dāng)黃單胞菌、動(dòng)膠菌、芽孢桿菌和鄰單胞菌的投加量分別為 0.1%,0.1%,0.5%,XS2.0%時(shí)有最佳降解效果。3在原油降解過程中，假單胞菌XD-1先產(chǎn)表面活性劑乳化、分散原油，再 吸附在油滴表面降解利用原油。假單胞菌XD-1的產(chǎn)表面活性劑方式為生長(zhǎng)相關(guān) 型，培養(yǎng)基碳氮(葡萄糖/氨氮)質(zhì)量比為1： 0.03時(shí)表面活性劑產(chǎn)率最大，以難 溶性的烴類物質(zhì)為碳源生長(zhǎng)時(shí)能大量的產(chǎn)表面活性劑，發(fā)酵培養(yǎng)產(chǎn)表面活性劑的 最佳培養(yǎng)基條件為:葡萄糖lOg，尿素4g,磷酸二氫鉀1g，無機(jī)鹽溶液4mL, pH 8, 水1L。4利用假單胞菌XD-1制備生物表面活性劑，與菌體

22、混合投加(投加 0.1-SOmg/L表面活性劑)可使原油降解的誘導(dǎo)期縮短一半，從不加表面活性劑時(shí) 的32h減短為16h。預(yù)先投加表面活性劑再投加菌，不僅能夠縮短原油降解的誘 導(dǎo)期，而且能達(dá)到更高的降解率。預(yù)先16h投加表面活性劑(濃度1 Omg/L)時(shí)， 降解28h就可以達(dá)到不投加時(shí)降解56h的降解率。5假單胞菌XD-1所產(chǎn)生物表面活性劑為脂膚類和糖脂類物質(zhì)混合物，臨界 膠束濃度為5Omg/L，在pH 6.0左右有最佳活性，脂肽類物質(zhì)對(duì)降低表面張力起 主要作用。菌所產(chǎn)表面活性劑主要積累在特定的細(xì)胞器中和細(xì)胞壁上，在細(xì)胞壁 以一層140nm厚的表面活性劑膜形式存在，在生長(zhǎng)過程中積累的表面活性劑部分 被釋放到胞外。將菌體置于雙蒸水中，可將積累在胞內(nèi)和胞壁上的表面活性劑釋 放出來，6h達(dá)到最大釋放量。六影響石油污染生物修復(fù)的因素多且復(fù)雜，對(duì)這些影響因素進(jìn)行研究都是為了 提高石油的生物降解率。石油的生物降解要經(jīng)過一個(gè)循環(huán)過程：菌利用少量溶解 的石油物質(zhì)生長(zhǎng)，在生長(zhǎng)時(shí)產(chǎn)生生物表面活性劑，生物表面活性劑乳化石油，使菌 能更有效的降解、利用乳化的石油大量生長(zhǎng)，同時(shí)達(dá)到降解石油的作用。這個(gè)循 環(huán)過程非常緩慢，但