海洋石油污染的降解

治理石油污染关键是降解烃类化合物，根据烃类的化学结构特点，烃类的降解途径主要可分两部分：链烃的降解途径和芳香烃的降解途径。直链烷烃的降解方式主要有三种：末端氧化、亚末端氧化和ω氧化。此外，烷烃有时还可在脱氢酶作用下形成烯烃，再在双键处形成醇后进一步代谢。关于芳香烃的降解途径，在好氧条件下先被转化为儿茶酚或其衍生物，然后再进一步被降解。因此，细菌和真菌降解石油烃的关键步骤是底物被氧化酶氧化的过程，此过程需要分子氧的参与。

具体机制如下：

（1）正烷烃在正烷烃氧化酶作用下，先转化成羧酸而后靠β-氧化进行深入降解，形成二碳单位的短链脂肪酸和乙酰辅酶A，释放出CO2。该正烷烃氧化酶是双加氧酶，能催化正烷烃为正烷烃的氢过氧化物，该反应需O2，但不需NAD（P）H。烷烃也可先转化为酮，但不是其主要代谢方式。多分枝的烯烃主要转化成二羧酸再进行降解石油烃，甲基会影响降解的进行。

（2）环烷烃的降解需要两种氧化酶的协同氧化，一种氧化酶先将其氧化为环醇，接着脱氢形成环酮；另一种氧化酶再氧化环酮，环断开，之后深入降解。

（3）芳香烃一般通过烃基化形成二醇，环断开，邻苯二酚继而降解为三羧环的中间产物。

各类烃的具体降解过程和产物简单总结成表8-4：

表8-4　各类烃的具体降解过程和产物

据报道能够降解海洋石油污染物的微生物有200多种，分属于70个属，其中细菌40个属：

能够降解石油烃的细菌有假单胞菌属（Pseudomonas）、弧菌属（Vibrio）、不动杆菌属（Acinetobacter）、黄杆菌属（Flavobacterium）、气单胞菌属（Aeromonas）、无色杆菌属（Achromobacter）、产碱杆菌属（Alcaligenes）、棒杆菌属（Coryhebacterium）、节杆菌属（Arthrobacter）、芽孢杆菌属（Bacillus）、葡萄球菌属（Staphylococcus）、微球菌属（Micrococcus）、乳杆菌属（Lactobacillus）、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数量要少于细菌和酵母菌，主要有青霉属（Penicillium）、曲霉属（Aspergillus）、镰孢霉属（Fusarium）等。

海洋中石油降解微生物的分布特点：

（1）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。

（2）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，所以氮和磷成为主要的限制因子。

（3）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，则石油降解微生物也多。因此，远洋石油降解微生物很少，一旦受到污染，后果更为严重。

石油烃生物降解的程度取决于石油的化学组成、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、含氧量等。影响因素具体包括：

1.石油的化学组成

不同烃类化合物的降解率模式是：正烷烃＞分支烷烃＞低相对分子质量芳香烃＞ 环芳烃。

2.微生物种类

不同微生物种类对石油烃的降解能力差别较大，同一菌株对不同石油烃类的利用能力也有较大的差别，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。

3.环境参数

（1）温度。

温度能明显影响石油烃类的降解速率。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，增加了石油的乳化程度，因而有利于细菌对石油的降解。

（2）营养盐。

氮和磷是主要的限制因子。

（3）氧。

石油中各组分完全生物氧化，需消耗大量的氧。厌氧时石油烃类的生物降解作用要比好氧条件下慢得多。据测算1g石油被微生物矿化需3～4g氧，即需消耗2.1L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。

（4）陆源污染物。

陆源污染物对海洋石油烃的降解也有影响。在法国Brittany 海岸石油泄漏的研究中发现，该地区石油烃的生物降解速度比其他地区要快，其原因是大量农用氮肥和磷肥进入Brittany海域，为降解微生物提供了丰富的营养物质。

在石油污染治理所经历的几十年里，物理和化学处理曾是最重要的技术，当海上溢油事件发生以后，一是建立油障（围油栏），将溢油海面封闭起来，使用撇油机、吸油带、拖油网等将油膜清除；二是投入吸附材料，将漂浮在海面上的大量油污吸附，吸附材料可以是海绵状聚合物或天然材料（如椰子壳、稻草等）；三是使用化学分散剂；四是在海上条件允许的情况下采用燃烧法处理海上油污，效率较高，但容易造成二次污染；五是海岸带的污染可用高压水枪清洗。

自20世纪90年代以来，生物修复技术的发展和研究成果所展示的生物技术的生命力，使生物修复技术在石油污染治理方面逐渐成为核心技术，是当今石油污染去除的主要途径。在生物降解基础上研究发展起来的生物修复可以有效提高石油降解速率，最终将石油污染物转化为无毒性的终产物。

目前主要有三种方法：

1.接种石油降解菌

通过生物改良的超级细菌能够高效地去除石油污染物，被认为是一种很有发展前途的海洋修复技术。在天然受污染的环境中，当合适的土著微生物生长过慢，代谢活性不高，或者由于污染物毒性过高造成微生物数量反而下降时，我们可人为投加一些适宜该污染物降解的与土著微生物有很好相容性的高效菌。特别是采用基因工程技术，将降解性质粒转移到一些能在污水和受污染土壤中生存的菌体内，定向地构建高效降解难降解污染物的工程菌的研究具有重要的实际意义。国外在石油降解菌应用方面有几项成功案例，如美国通用电气公司通过重组DNA 技术构建同时含有4种质粒的“超级菌”，降解石油烃类的能力比野生菌高几十倍到几百倍，降解同样面积的海上石油，野生菌需要1年以上，而“超级菌”只需几小时。Swannell等使用Alpa Biosea TM菌剂，Tsutsumi等使用Terra Zyme TM制剂达到了较好的修复效果。郑立等在用海洋石油降解菌群DC10进行大连实际溢油岸滩生物修复实验，考察了降解菌剂对潮间带和潮上带油污的降解作用，在为期12d的潮间带油污生物修复试验中，喷洒菌剂处理的总烷烃和总芳烃降解率分别提高了80%和72%。

但很多情况下，接种石油降解菌效果并不明显，这是因为海洋中存在的土著微生物常常会影响接种微生物的活动，接种的外源微生物的存活率很低或者活性较弱，限制了它的实际应用。尽管在实验中的基因工程菌可以迅速发挥作用，但在实际应用中基因工程菌的效果却仍是一个引起争论的问题。

2.使用分散剂

自然界中的土著菌，通过以污染物作为其唯一碳源和能源或以共代谢等方式，对环境中的石油烃等污染物具有一定的净化功能。分散剂即表面活性剂，可以增大油/水界面面积使石油烃得以有效扩散，从而便于细胞与较大油滴之间的直接接触；或者形成胶团，将有机物分子加溶在胶团中，增加烃类物质的水溶性，从而利于细胞吸收并降解。

但并不是所有的表面活性剂均有促进作用，许多表面活性剂由于其毒性和持久性会造成环境污染，特别是沿岸地区的环境污染。因此，在实际应用中经常利用微生物产生的生物表面活性剂来加速石油的降解。

3.使用氮、磷营养盐

投入氮、磷营养盐是石油污染修复最简单有效的方法。在海洋出现溢油后，石油降解菌会大量繁殖，碳源充足，限制降解的是氧和营养盐的供应。

在实际中通常使用的营养盐有三种：缓释肥料、亲油肥料、水溶性肥料。

（1）缓释肥料。

要求有适合的释放速度，通过海潮可以将营养物质缓慢地释放出来，为石油降解菌的生长繁殖持续补充营养盐，提高石油降解速率。

（2）亲油肥料。

亲油肥料可使营养盐“溶解”到油中。在油相中螯合的营养盐可以促进细菌在表面的生长。1989年，美国环保局在阿拉斯加Exxon Valdez石油泄漏事故中，利用生物修复技术成功治理环境污染。从污染海滩分离的细菌菌株与不受污染的分离菌株相比，前者具有特殊的降解能力；同时，对现场的环境因子进行分析，发现由于营养盐缺乏，微生物降解能力受到限制，加入亲油肥料一段时间后，与没有加入营养盐的对照相比，前者污染物的降解速率加快了。毒性试验也表明，修复后的环境并没有发生负效应，沿岸海域也没有出现富营养化现象。

（3）水溶性肥料。

一些含氮、磷的水溶性盐，如硝酸铵、三聚磷酸盐等和海水混合溶解，可解决下层水体污染物的降解。在治理海洋污染的实践中，尽管人们已经开发出多种技术进行污染海洋的修复，但寻求更为经济、有效、快捷的生物修复技术的研究一直未曾停止过，更多的海洋生物修复技术不断问世。

此外，调查结果表明，在海洋中石油烃降解细菌的数量或种群与水域受到油类物质污染的程度有密切关系，通常在被油污染的水域中，石油烃降解细菌的数量明显地高于非油污染的水域。烃类降解菌数和异养细菌数的比值能在一定程度上反映水域受油污染的状况。石油污染可以诱导石油降解菌的增殖，正常环境下降解菌一般只占微生物群落的 1%，而当环境受到石油污染时，降解菌比例可提高到 10%。这说明石油污染可以使降解菌发生富集。