微生物對油污地石油的降解作用及影響因素

于洋 鄒莉 孫婷婷 郭靜 張國權 任清政 唐慶明

摘要 生物降解有機物可能成為凈化土壤和水資源的一種有效方式。生物降解手段的成本與焚化、貯存或土壤清洗相比要低。重點探討了微生物對油污地石油降解的機理，分析了影響微生物降解的相關因素，包括營養物質和化合物、氧氣 、水、溫度、核酸等，還探討了油污地降解過程中植物的作用及生物降解微生物的作用，以期為油污地的治理提供基礎理論依據。

關鍵詞 油污地；土壤微生物；石油降解；非生物因子

中圖分類號 S181.3 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）16-05198-03

生物修復（Bioremediation）又稱為生物恢復，是指利用生物特別是微生物的代謝潛能消除或減少污染地區有害物質濃度的技術。石油是一種含有多種烴類（正烷烴、支鏈烷烴、芳烴、脂環烴）及少量其他有機物（硫化物、氮化物、烷烴酸類等）的復雜混合物，石油類物質主要污染土壤及其土壤環境，并且隨著人們對石油及其產品需求的增加，石油對土壤污染的情況逐年嚴重。同其他環境介質與污染物類型相比，土壤同石油污染物之間具有更強的親和能力，增加了降解的難度和費用。所以，要通過生物因素降解石油、改善石油這種頑固性必須考慮諸多因素，如表面活性劑、營養物質和化合物、氧氣 、水、溫度、核酸、 植物的作用、生物降解微生物等。近些年，有關生物降解石油的研究資料越來越多，如在低溫的南北極和高山地區石油烴的多種成分的生物降解已被報道，且被認為是當地適寒微生物降解的結果。由于研究涉及到植物、土壤微生物的各種生理生化功能，因此受到人們的關注，已成為研究的熱點。該研究就此領域內的研究進展加以歸納，以期在未來的研究中提供借鑒。

1 土壤微生物對油污地的降解作用

土壤微生物在土壤生態系統中扮演著重要的角色。主要表現為，土壤微生物分別特征及群落結構影響著土壤肥力及健康狀況，在土壤的物質循環、能量循環、生物轉化等方面有著不可替代的作用。它們參與的主要的生態化學過程包括：土壤中動植物殘體的分解、污染物及大分子化合物的降解、化學元素的轉化及土壤養分的循環等。在油污地土壤中土壤微生物作為分解者在油污地土壤的修復中已經得到廣泛的應用。

2 影響土壤微生物降解的非生物因子的作用

2.1 營養物質和化合物 氮磷等營養元素是微生物生長不可缺少的，尤其是海水中氮和磷是限制微生物降解烴類的最重要因素[1]。Atlas[2]、Leahy等[3]認為微生物降解多環芳香烴主要受限于兩種因素，這兩種因素常常導致生物降解效率低于期望值。一個因素在于化合物生物可利用率低，另一個是生物降解污染土壤的因素是氮和磷的利用，這是增加微生物菌落的大小所必需的。他們還認為細胞菌落結構的變化既取決于生物的降解過程同時又取決于營養成分的添加。氮磷溶液作為營養元素能夠被植物的根表面所吸收，在根部深層區域能夠有效地提高養分的運輸、激活降解石油的微生物，并且提供微生物到土壤微孔的通道[4]?；谶@些機理，在還原性營養物質條件及7 ℃下，受燃料污染的極地土壤中最廣泛的多環芳香烴的降解可達到39%[5]。由于營養物質是十分容易溶于水的，又可作為電子受體，因此，找到這樣一個降解石油烴的微生物群落就成為可能，只要它在接連漲落潮之間的沼澤處，能接觸到石油且檢測其周圍有相當濃度的硫酸鹽[6]。如果減少營養物質的使用，那么會使植物降解烴所獲益的效果失效[7]。但是，營養物質的添加必須做到適時，否則，營養物質的添加在有機物（多環芳香烴和石油烴）降解的晚期反而起到了副作用[8]。

2.2 氧氣及水 富集群落的成分組成可能受氧氣的影響且比溫度、接種生物降解微生物的影響要大。研究發現在干燥的土壤中，石油烴的濃度并沒有減少；因此研究者們認為含水量和有氧呼吸是土壤生物降解的主要原因，同時堅持含水量和通風的良好程度是多環芳香烴降解的關鍵因素[9]。總的來說，在短期內，合理地保持濕度被認為比增加植物扎根深度效果好；在長期降解石油污染土壤的這方面，不同的灌溉方式起到了不同的灌溉效果，不同的灌溉深度有助于衡量用水和營養物的灌溉深度。對于灌溉深度，頻繁地、少量地灌溉水和融入其中的養分除可灌溉土壤次表面外，在促進石油烴污染的降解過程中也起著十分重要的作用[10]。在植物根系的生長過程中，石油烴的降解和灌溉的水平要保持一致，合理的地下灌溉比地表灌溉更為有效[11]。

不同的電子受體在無氧降解有機物的過程中可與氧氣發生交換作用。在含硫酸鹽污染地區，硫酸鹽可作為最終的電子受體，在生物降解中起到積極的作用。硫酸鹽的還原導致培養基上硫酸根的富集，這種現象致使芳香烴的降解受阻。其他向微生物提供電子的有機化合物（如丙酮、脂肪酸、葡萄糖等）的存在也抑制甲苯和氧化二甲苯的生物降解且這些化合物在一定濃度下可造成對微生物的毒害。

使用表面活性劑有助于對親水性差的污染物質的降解。烷烴、芳香烴、多環芳烴是石油的重要組分，這類物質的水溶性較低且難被微生物降解。一些降解石油的微生物能產生表面活性物質，使這些烴類乳化從而促進細胞吸收[12]。使用生物表面活性劑可增加多環芳烴的溶解度但這對微生物是有害的。

2.3 溫度（低溫） 低溫主要影響不易溶的大分子多環芳烴的降解。在有氧條件下，低溫嚴格地限制多環芳烴的生物降解。多環芳烴的降解和脫氮作用在低溫條件中聯系緊密，但這種降解僅限于萘、2.甲基萘。Risgaard等在試驗中發現生物降解90 d后，20 ℃有氧培養基從20%到52%至88%的多環芳烴被降解；在7 ℃、有氧條件下，石油污染土壤中最廣泛的多環芳烴的降解達到53%；各種土質的培養基降解萘和2-甲基萘的溫度條件都在7 ℃[13]。事實說明，低溫制約多環芳烴的生物降解，主要是通過影響多環芳烴生物利用率的作用效果。從微生物角度來講，石油烴在低溫環境中（包括高山環境）的生物降解是本地適寒微生物能夠降解污染物的結果[14]。

2.4 核酸 最近的研究表明，有7種基因型的表達參與n.鏈烷或其他碳氫化合物的降解（alkB， alkB1， alkB2，xylE，ndoB，nidA， alkM），許多這樣的基因在質粒上攜帶，它們在污染物中被檢測為一個相當高的比例，遠遠高于普通的土壤，說明這些生物機體富集在土壤中來尋找污染物[15]。研究者們還發現污染的程度與基因型的數量呈相當顯著的正相關；有機質含量與石油烴的含量部分相關，與土壤干燥質量水平呈相當程度的負相關；石油烴的含量和從革蘭氏陽性菌提取的基因類型（ alkB1，alkB2，nidA）沒有太多的相關性[16]。另外，異化基因編碼的烷烴單氧酶（alkB）、萘的雙加氧酶和苯磷二酚.2，3.雙加氧酶，它們被用來估計細胞中參加石油烴降解的表達數[17]。因此，降解系統降解長期存在的石油烴的本質，就是通過增加細胞內烷基異化基因的數量來實現的。

不同的土壤中處于優勢地位的群落幾乎都包含16S rRNA的部分片段，但從未出現包含相同核酸基因間隔的情況。此外，尚未探明在一般土壤加工細胞群落中16S核酸DNA成分的變化，但存在針對特定植物帶有選擇性的效果，這種效果是作用在特異性異化基因的表達[18]。

3 植物的作用

植物在水體和土壤生物修復中也可起到重要的作用。植物可直接吸收污染物質，通過轉化和輸送，以非植物性毒素的形式進行積累。另一方面，植物通過向土壤中分泌營養物質（單糖、氨基酸、脂肪族化合物、芳香烴等）和酶以及傳遞氧氣到根部來刺激根系周圍微生物生長，并改變土壤的生化活性，從而加速土壤的生物修復作用。植物對石油高污染淤泥所發揮的修補作用可作為植物灌溉、施肥深度的依據，并且植物影響下的加工細胞對十六烷和菲的礦化比無植物狀態下處理的效果好。然而，不是所有的植物都能參與降解污染土壤中的石油烴。例如，酥油草（Festuca arundinacea）能有效地加強基因（ndoB， alkB， xylE）的表達；對比之下，苜蓿（Trifolium hirtum）在根際土壤中就減少了分解基因的表達和萘的礦化的程度。但對苜蓿的研究又同時發現，植物特殊性相互作用在植物降解過程中是重要的[19]。

植物對微生物多樣性的影響基于土壤的營養狀態和土生微生物群落。進一步說明，植物的存在能夠有效改善土壤的物理結構并增加微生物群落數量。通過改變功能微生物群落的成分，植物降解系統有效地增強了根際土壤的異化潛力。這種改變并未證實與16S DNA有關，而是與降解石油烴的特殊功能基因類型有關。高等植物降解石油污染地主要受兩個因素的制約：植物扎根的程度以及在發生生物修補過程中微生物寄宿點營養的分布。在植物根的作用下，石油等有機物的降解得到進一步的增強，這是因為微生物的新陳代謝和根際聯合代謝污染物的水平都得到了提高的結果。

4 生物降解微生物的作用

生物降解微生物的作用是處理因芳香烴污染的水體在地上和地下都可進行的無氧和有氧作用。由于這類微生物長期適應污染的環境并做出了相應的反應，致使它防御外界環境的機制得到了進化，從而使其能夠在這種不良的條件下生存。在寒冷地帶只要周圍的溫度符合它生長的溫度域，適寒微生物就能發揮其降解烴的作用；在路棲和水生生態環境中，微生物在多環芳烴的降解中充當著極其重要的角色[20]。

早期降解過程中，從土壤中接種的生物群落結構與用營養素激活的土壤中的結構十分相近，這期間同時出現了最大降解率。因此，土生土長的菌落改變了接種菌落的獨立性。晚期降解過程中，大部分降解多環芳烴微生物和石油烴的降解率有著聯系，尤其是存在更多不易降解多環芳烴這樣的條件下。有科學家認為在根際或一般性土壤中，有兩種機制可提升異化作用的效果：一種是通過增強諸多微生物的活力來提高異化作用的活力；第二種就是因根際效應增加微生物數量的同時迅速擴增特定微生物的群落。如果這種說法成立，那么污染降解的細胞群落和土壤降解污染物的潛力在植物降解的過程中明顯增加。對長時間的適應能力，最重要的因素可能在于存在少量活躍的微生物，它們最初是生活在沉積層中，在這種活躍的微生物群體中，因其分布的不同存在著異質性。通過對核酸的基因間隔分析，發現富集導致一部分細胞群落占據支配地位，如Acidovorax、Bordetella、Pseudomonas、Sphingomonas、Variovorax 5個屬。嗜溫的多環芳烴降解者在土壤中相當廣泛地存在。相反地，耐寒的多環芳烴降解者的分布并不廣泛，它們需要長時間去富集。木餾油污染的土壤中革蘭氏陰性菌在生物降解過程中占據主導地位。而且，眾多類型的細胞之間產生相互作用，這種作用的機制是復雜的。并且存在一種媒介環境，它存在于生物修復的過程中，能夠影響微生物菌落的降解能力。說明在對微生物菌落的改變方面，生物降解的過程充當極其重要的選擇因素。

5 結論

實踐表明，生物降解技術是可行、有效的，且發展潛力是巨大的，該技術已應用于多種類型環境污染的治理。德國、丹麥、荷蘭等歐洲國家對生物修復技術非常重視，全歐洲從事該項技術的研究機構和商業公司有近百個。我國生物修復的研究與應用也已受到越來越多的關注。但是目前生物修復技術還并不成熟，未能大面積推廣，原因可能在于實際因素要遠比考慮到的因素更復雜、更難以規律化，需要更多的人力、財力投入。因此，全方面多角度地審視生物修復的改良問題成為一種必然。還要看到，當今類似的世界先進的尖端技術掌握在發達國家中，有必要為發展中國家量身定做一套更為實用、更為經濟合理的生物修復方法。

生物修復今后的研究重點一是擴展對在降解毒害化合物中具有普遍意義的微生物互惠共生群體結構的了解；二是確定好氧、厭氧微生物降解毒害化合物的生物化學機制，加強對其代謝途徑及遺傳學的研究；三是開展生物修復新技術的小試/中試研究，并建立專用基地供實地試驗；四是開發有關生物傳感器及生物過程模型，以評估實地試驗效果。

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