海上溢油污染治理中的生物修復技術應用

劉銘輝,李蘇航,劉濤,盧文玉

(1.中海油能源發展股份有限公司 北京安全環保工程技術研究院，天津 300457；2.中海石油環保服務(天津)有限公司，天津 300457；3.天津大學 化工學院 系統生物工程教育部重點實驗室，天津 300072；4.中海油節能環保服務有限公司，天津 300457)

由于鉆井事故及船舶泄漏導致的突發性石油泄漏事故達到46.7%。中國作為海上石油開采及運輸大國，同樣面臨海上石油泄漏污染的嚴峻形勢，防范石油泄漏已成為海洋環境保護的重大目標。本文闡述了溢油生物修復技術的技術特征和前景應用，分析生物降解菌群和表面活性劑開發方向，為該領域的技術發展提供理論依據和數據支持。

1 國內外海上溢油污染現狀

1.1 國外海上溢油污染現狀

美國、英國、日本、瑞典等國早在20世紀70年代就逐步完善了統一在有關法規下的溢油處理體系[1]。

溢油事故發生后，為降低海洋中油污濃度，通常先采用物理法預處理，阻礙污染繼續擴散，減小污染范圍，一般采用吸油材料對溢油進行回收。例如，2007年，“河北精神”號與1.1萬t拖船相撞，在油船左側的3個油艙發生破裂，1.081萬t原油流入海中，致使當地海洋生物圈平衡被打破。救險人員采取了機械回收、毛氈吸附、手工清除等多種物理方法清理油漬，并設置了7.7 km左右的圍油柵欄[2-3]。BP公司每日加筑圍油欄，增加稻草墻或設置隔離帶等設施，并投加大量化學分散劑，同時使用吸油棒吸油。為了保證安全，BP公司繼續在漏油油井東西2個方向各鉆1口減壓井，從減壓井中向漏油油井注入重泥漿，以實現徹底封堵[4]。

1.2 國內海上溢油污染現狀

2004年1月16日，“利達洲18”輪從營口駛向南京途中在復州灣水域因失火而失去動力，1月21日，船尾部“坐底”，致使燃油、輕柴油、滑油及少量貨油流出,大連港口碼頭部分區域鋪滿了混合污油。針對本次事件發生，大連海事局立即制定了“一清、二起、三駁”的解決方針。在該次應急處置過程中，除了需要救援隊伍的技術操作外，圍油欄、吸油氈等清油物資也極為重要[5]。分析應急措施，發現所存在的問題：①海域劃分區域并不完善，一些海區未被劃定，應急演習應需加強;②各項法律法規與賠償體系尚且不完善，對于大多數船舶在航線航行時并未進行投保，因此，如遇到應急事故，未能及時清繳清油除污等費用，影響清污工作的進行。2010年7月16日，大連大孤山保稅1期倉庫原油管道發生火災，發生6次爆炸，造成約50 km2的海域污染。本次溢油雖總量少，卻分散成細碎顆粒狀進行擴散，且擴散面積大。大連市有關部門立即啟動了遙感監測對海上浮油面積進行監測及對海水水質中石油狀況實施海域監測。其暴露的相關問題依舊是關于賠償體系不完善等問題，致使上百戶漁民的損失未得到解決。應建立油污損害賠償基金，為受災者提供相應的補償[6]。

無論哪種突發的溢油事件，均會造成海洋生物鏈的破壞，增加海上溢油實戰模擬演習，從中發現問題，制定完善的應急處置方案，加強整體隊伍技術的提升，出臺相應的法律法規，做到應對從容。

2 海上溢油污染處置技術

近30年，我國海域發生溢油事故近200起，僅2000年就發生了38起,總溢油量超過3萬t。有關統計表明，在20世紀90年代以后，我國海上溢油事故發生的頻率增加，并且每次溢油數量也呈現不斷增加的趨勢。然而，我國的溢油應急防治設備相對于歐美發達國家也不完善，有效防治溢油工作成為阻礙我國發展的難題[7]。

目前海上溢油的處理方法可分為物理法、化學法和生物法。常用到的物理法包括圍油欄法、機械回收法和吸附法等。近些年來，圍油欄法向快速、簡潔、便于操作方向發展。利用油回收船和撇油器是機械回收溢油的主要途徑，目前已經有幾十種撇油器相繼研究成功。吸油材料的優點是使用快捷，原料豐富，成本低；缺點是吸油量較小且部分材料不可進行生物降解。化學法即一般采用化學制劑達到消油的目的，按其原理一般分為3類：分散劑、集油劑、凝油劑；將分散的油滴進行匯聚并緊密結合起來，以便于吸油器回收，該試劑稱之為集油劑[8]；若使溢油凝固成膠狀油團，漂浮于水面，后用拖船回收，這類試劑稱為凝油劑。從生物學角度看，化學制劑的毒性不亞于溢油的危害，且具有二次污染。

利用微生物來降解污染水域中的石油烴及浮油比物理法與化學法有著天然的優勢，利用微生物本身的特性，轉化、降解并去除環境污染物，恢復本來樣貌的過程稱為生物修復[9]。美國在20世紀70年代就開始了生物修復技術在海上溢油問題的研究，現已進入實際應用階段，得到了良好的效果，使被破壞的海洋生態環境恢復了本來面貌，為其他國家應用生物修復技術處置海洋溢油問題提供經驗[10]。

3 海上溢油污染生物修復技術

溢油修復針對海上泄漏的石油，其本質是利用微生物的代謝活動將污染油污代謝為無害物質進入生態圈循環。海上石油主要由烴類物質組成，而自然界中的烴類降解菌廣泛分布在海洋、土壤以及被石油污染地中，有相關研究證實自然環境中存在幾十種烴類降解菌屬。利用生物技術修復海上溢油問題一般有以下兩種方法。

3.1 生物強化法

生物強化法是指利用圍油欄將溢油區域圍起來，使之聚集，并向其加入降解能力強的菌株制劑，將收集好的污油進行降解吸收。烴類降解菌可以從土壤中進行富集，也可以從油污污染嚴重區域取樣富集，當然，還可以利用改造過的基因工程菌株。構建基因工程菌株的核心技術，通過分析菌種降解烴類有機物的降解途徑，對特定的路徑進行強化或者對選用的目的基因進行改造，使之降解率提高。文獻[11]從不同環境條件下篩選出復合菌群Terra Zyme TM，在實驗室和現場分別進行了溢油的生物修復試驗，實驗表明Terra Zyme TM表現出極高的油脂類生物降解能力。文獻[12]通過建模的方法，通過對微生物添加電子供體刺激六氯環己烷的降解。美國一些公司正在研究開發生物修復技術制劑，并將其商品化。

3.1.1 直接投加高效降解微生物或共代謝基質

直接在目標污染物中投加高效降解的微生物是最普遍也是最簡潔的技術手段，利用馴化、基因誘變、基因重組技術使微生物可利用污染物為碳源，對污染物高效去除，其主要針對一些難降解的污染物如苯系物、酚類物質等。此法一般應用于廢水、廢氣處理較多。文獻[13]利用自行研發高效菌去除焦化廢水COD、氨氮，使COD從210 mg/L降至162 mg/L，氨氮從48 mg/L降至15 mg/L。文獻[14]以天津港沉積池為菌種采集地，構建高效降解石油混合菌群，對原油降解最高可到66.9%。

3.1.2 固定化生物強化技術

固定化方法主要以吸附法和包埋法為主，吸附法是利用物理材料吸附或離子結合的作用，將微生物菌體固定在有吸附特性載體的內部或表面，伴隨吸附量的增加以及微生物自身的生長繁殖，在吸附材料表面形成一層生物膜。包埋法是指通過凝膠作用，將微生物菌體包埋進載體材料內部的一種方法。由于其操作簡潔、且對細胞活性幾乎無影響、固定化細胞效果好，是目前應用最為廣泛的固定化方法。文獻[15]人選用海藻酸鈉、聚乙烯醇和河沙作為載體包埋固定化復合菌，制備成包埋固定化復合菌微球來處理廢水，實驗結果表明，經包埋固定化后的高效降解復合菌小球具有菌種活性高、微生物濃度高、對環境條件的適應范圍更廣等優點，對比直接投加菌體或菌液所造成的微生物流失固定化損失更小。當然，固定化技術對環境變化適應性也減小。目前并未見相關報道將固定化生物強化技術應用于海上溢油的處置問題，后續技術有待進一步研究。

3.2 生物刺激法

篩選石油污染環境中的原始菌株，通過外源添加生物表面活性劑或氮、磷等營養元素，提高生物降解速率，利用表面活性劑兩性基團，增加水油的親密性，促使石油以乳濁液形式分散于水中，進而增加微生物與石油的接觸面積，促進污染物的降解[16]。

生物表面活性劑是微生物在特定條件培養下由代謝產生的一種同時擁有疏水基團與親水基團一體的化合物，具有良好乳化、增容及分散的效果。生物表面活性劑除了具有與化學表面活性劑相同的性質，如降低表面張力、穿透性、分散性等，還具有發泡、潤濕、生產工藝簡單、生態安全、原料來源范圍廣等特點。根據化學結構的不同可將生物表面活性劑分為糖脂、脂肽和脂蛋白、脂肪酸和磷酸、多聚生物表面活性劑和特殊生物表面活性劑5大類[17]。目前應用較為廣泛的為槐糖脂、鼠李糖脂與海藻糖脂。文獻[18]在近海石油污染試驗基地投放了表面活性培養液，20 d可降解模擬海水中72%的原油；淡水中原油的降解率高達78%。生物表面活性劑已成功應用于海上溢油的事故處理，但其成本遠高于化學表面活性劑。未來的研究方向不僅針對高產菌株的選育、生產優化，對于生物表面活性劑的物理結構與理化性質也要開展更深入的研究。

4 結論

比較多種溢油處置方法，實施生物降解是目前最環保且擁有經濟前景的方法，但在我國并未進行大規模實際應用，由于海洋環境的復雜化導致生物修復周期過長，修復效率低。生物降解率也因多因素的變化而變化，影響生物降解率的主要因素有：菌群種類、菌種性能、營養成分濃度等。隨著基因修飾、改造等一系列現代分子生物技術的發展與滲透，也推動了生物修復技術的進步，人工構建混菌體系日趨成熟，利用合成生物學的方法，定向改造目標菌株，構建基因工程菌，在強化菌種本身降解性能的同時，還可以提升表面活性劑的產量，目前，生物處理法已逐漸應用于海上石油伴生氣的處理中，通過與化學法，物理法結合，降低使用成本，形成高效處理工藝，也是我國海上溢油應急處理所關注的重點目標。