（环境工程专业论文）辽河口湿地石油降解菌作用能力与条件优化研究.pdf

辽河口湿地石油降解菌作用能力与条件优化研究 摘要 辽河三角洲具有巨大的环境调节功能 经济价值及生态效益 是亚洲最大的 暖温带滨海湿地 人类陆源污染物的排放和对湿地资源过度的开发利用使湿地面 积不断缩小 湿地生态系统遭到破坏 滨海湿地的生态修复成为一个引人注目的 问题 石油是辽河湿地主要的污染物之一 油田开发等生产活动严重污染了辽河 油田区域内及周围上千亩土地 石油工业的飞速发展使得湿地生态破坏日益严 重 辽河口湿地的石油污染治理问题迫切需要解决 国内外已经有很多关于石油降解菌的研究 但大多针对油井溢油污染及海洋 石油污染 对高盐碱 低温的滨海湿地的石油污染研究较少 辽河口湿地常年平 均气温较低 土壤盐碱化严重 常见的石油降解菌很难发挥理想的作用效果 因 此 筛选出能耐盐耐低温的高效石油降解菌株对辽河口石油污染进行生物修复有 着十分重要的实际意义 本研究从辽河口湿地石油污染土壤中筛选出耐盐耐低温的石油降解菌株 并 探索了细菌最佳的生长温度为3 0 在高盐的条件下 分别在1 0 和3 0 对 优化条件进行探索 投加了过氧化氢 吐温 8 0 和活性炭纤维 结果表明 过氧 化氢的最佳投加量为1 5 0 m l 吐温 8 0 的最佳投加量为1 6 0 m l 活性炭纤维 的最佳投加量为6 l 三种优化条件下石油降解率均有增加 培养一周后 耐 盐菌株在1 0 下的石油降解率在4 0 以上 而在最适温度3 0 下的石油降解率 达到8 0 以上 此外 通过利用芦苇须根复合载体对菌株l h 1 2 进行固定化 菌 株l h 一1 2 在1 0 和3 0 下的石油降解率分别达到了5 8 6 3 和9 5 1 2 比游离菌 l h 1 2 在各温度下分别提高了2 7 7 5 和1 8 9 4 关键词 石油降解菌 过氧化氢 吐温 8 0 活性炭纤维 固定化 a s t u d yo n t h e 向n c t i o na b i l 时a n do p t i m a lc o n d i t i o n so f p e t r 0 1 e u m d e g r a d i n gb a c t e r i a 矗o ml i a o h ee s t u a i yw e t l a n d s a b s t r a c t l i a o h ed e l t ai st h el a 昭e s tw 锄t e m p e r a t ec o a s t a lw e t l a n d so fa s i a w i t hg r e a t e n v i r o n m e mr e g u l a t i o nf u n c t i o n e c o n o m i cv a l u ea n de c o l o g i c a lb e n e f i t b e c a u s eo f h 啪a np u u u t a n te m i s s i o n so fl a n d b a s e ds o u r c e sa n do v e r e x p l o i t a t i o no fw e t l a n d r e s o u r c e s w e t l a j l da r e ai ss 1 1 r i i l l i n g w e t l a n de c o s y s t e m sa r eb e i n gd e s t r o y e d a 1 1 d e c o l o g i c a l r e s t o r a t i o no fw e t l a n d sh a sb e c o m eac o m m o nc o n c e m p e t r o l e u mi so n eo f t h em a i np o l l u t a i n so ft 1 1 el i a o h er i v e rw 色t l a n d t h eo i lf i e l dd e v e l o p m e n ta n do t h e r p r o d u c t i o na c t i v i t i e sr e s u l ti nh e a v i l yp o l l u t i o no fa c r e so fl a n do fl i a o h eo i lf i e l da i l d a r o u n dm er e g i o n t h e v e t l a n di sd e s t r u c t e db yt h er a p i d d e v e l o p m e n to ft h eo i l i n d u s t q a n dc o n t r o lo fo i lp o l l u t i o ni nl i a o c h er i v e rw e t l a n dn e e d st ob er e s o l v e d w g e n t l y t h e r ea r em u c hr e s e a r c ha b o u tt h eo i ld e g r a d i n gb a c t e r i aa th o m ea 1 1 da b r o a d b u t m o s to ft h e ma r ea b o m s p i l l o i l p o l l u t i o n 丹o mo i l w e l la n d m a r i n eo i l p o l l u t i o n w h a t sm o r e l e s sr e s e a r c ha r et od e a lw i t ht h eo i lp o l l u t i o ni nc o a s t a l w e t l a n d h i c hh a v e1 1 i 曲s a l ta n dl o wt e m p e r a t u r e l i a o h em o u t hw e t l a j l d s a v e r a g e t e 1 p e r a t u r ei sl o wa n dh a ss e r i o u ss o i ls a l i n i t y s oc o m m o no i ld e g r a d i n gb a c t e r i a c a n tw o r ke 圩e c t i v e l y i th a sav e r y i m p o n 锄ts i g n i f i c a n c et os c r e e no u th i 吐 e m c i e n c ys a l ta n dl o wt e m p e r a t u r et o l e r a l l tp e t r o l e u m d e g r a d a t i o ns t r a i n st od e a lw i t h t h el i a o h em o u t 1p e t r o l e u mc o n t 锄i n a t e ds o i l s t h i ss t u d ys c r e e no u th i g h e 街c i e n c y s a l ta n dl o wt e m p e r a t u r et o l e r a n t p e t r o l e u m d e g r a d a t i o ns t r a i n sf r o mt h ep o l l u t e ds o i l o f a o h em o u t hw e t l a j l d t h es u e yf o u n do u tt h eb e s tg r o ht e m p e r a t l l r e o f b a c t e r i ai s30 u n d e rm ec o n d i t i o no fh i 曲s a l t t h es u e ys e a r c h e dt h eo p t i m i z e d c o n d i t i o nb ya d d i n gh y d r o g e np e r o x i d e t w a i n 8 0a n da c t i v a t e dc a r b o n f i b e r t h e s u e ys h o w sm a ti no r d e rt og e tt h eb e s te f e l e c t t h ea d d i t i v ec a p a c i t yo ft h et h r e e m e d i am e m i o n e da b o v ei s r e s p e c t i v e l y 15 0 m l 1 6 0 m g la n d6 9 l u n d e rt 1 1 r e e o p t i m a lc o n d i t i o n s t h eo i ld e g r a d a t i o nr a t e a l li n c r s a s e d a r e rb e i n gc u l t u r e do n e w e e k o i ld e g r a d a t i o nr a t eo fs a l tt o l e r a n ts t r a i n b e l o w1o i so v e r4 0 t h i sr a t e c a nr e a c h8 0 a tt h eo p t i m a lt e m p e r a t u r e 3 0 f u r t h e m l o r e t h eo i ld e g r a d a t i o n r a t eo fr e e df l b r o u sr o o tc o m p o s i t ec a r r i e ri m m o b i l i z e dl h 一12u n d e r10 a n d3o r e a c h e d5 8 6 3 a j l d9 5 1 2 r e s p e c t i v e l y m o r em a nt h ef r e eb a c t e r i al h 1 22 7 7 5 a n d18 9 4 r e s p e c t i v e l y k e yw o r d s p e t r o l e u m d e g r a d i n gb a c t e r i a h y d r o g e np e r o x i d e t w e e n 8 0 a c t i v a t e dc a r b o nf i b e r i m m o b i l i z a t i o n 辽河口湿地石油降解菌作用能力与条件优化研究 0 前言 石油是目前最为重要的能源物质 但在其勘探 开采 运输 储存及使用过 程中会对土壤造成污染 影响土壤正常的生态功能 我国是一个石油生产和消费 大国 石油污染问题相当严重 自1 9 7 8 年原油产量突破1 亿吨之后 每年会有 1 0 万吨的土壤受到污染 我国有很多重要的石油基地 辽河三角洲作为其中一 个最重要的石油基地 其油气的综合开发极大地刺激了湿地内经济的发展口j 石 油工业中废水 废气和固体废弃物的排放给湿地环境带造成了严重影响 j 辽河 口湿地石油污染十分严重 石油污染后的土壤不适宜作物生长 会对农业造成极 大的威胁 辽河口石油污染土壤中的油含量已经远远超出国家农业标准的临界 值 面对如此严峻的石油污染问题 必须立即采取有效的手段着手处理辽河口石 油污染问题 4 l 目前主要的处理石油污染的方法有生物修复法 物理法和化学法垆j 比起传 统的物理化学方法 生物修复具有成本低 不产生二次污染等优点 6 j 微生物修 复在生物修复中起到主导作用 具有投资费用低 环境影响小 且最大限度降低 污染物的浓度等优点 7 j 国内外针对微生物修复石油污染的方法目前已经得到了较为广泛的应用 但 是大多忽略了油田土壤盐碱化的问题 10 1 传统的非嗜盐微生物并不适合在高 盐环境下进行生物修复队1 2 此外 国内对于利用能耐冷的石油降解菌在低温下 处理石油污染做得比较少 张月梅等人从北极沉淀物样品中筛选能低温降解石油 烃的耐冷菌 从而克服了中温微生物在该温度下代谢活动缓慢的问题 l3 辽河 口湿地春秋两季的湿度均在1 0 左右 低温状态在辽河口湿地内持续的时间很 长 故筛选一些耐低温的菌株着手石油降解工作 有利于避免因为气候因素而对 石油污染的治理工作造成不便 1 4 因此 筛选能在低温下生长的耐盐石油降解 菌株用于辽河口湿地石油污染土壤的生物修复具有十分重要的实际意义 石油污染后的土壤中存在一些能适应外界不利因素的菌株 通过逐步对这些 菌株进行驯化 筛选 得到耐盐耐低温的石油降解菌株 通过研究温度 盐度对 其解效果的影响并通过各种优化条件对其作用效果进行优化 以期为北方河口湿 辽河口湿地石油降解菌作用能力与条件优化研究 地石油污染的生物修复提供技术支撑 2 辽河口湿地石油降解菌作用能力与条件优化研究 1 文献综述 1 1 辽河口湿地及污染现状 1 1 1 河口湿地概况 辽河三角洲地处温带 拥有亚洲最大的滨海湿地 其在很多方面均作出了突 出贡献 如对气候的调节 净化水体及保持物种多样性等 l5 1 6 辽河三角洲湿地 作为我国重要的河口湿地之一是粮食和石油的重要生产基地 l7 辽河三角洲为 鸟类提供了良好的生存环境 据统计 该地区分布鸟类2 5 3 种 其中有3 4 种鸟 类列入国家一级 二级保护对象 拥有夏候鸟的繁殖地 是候鸟迁徙的重要停歇 地 野生丹顶鹤繁殖分布的最南限和黑嘴鸥种群最大面积的繁殖地 l8 i 此外 据辽宁有关部门统计 该区分布维管束植物3 8 科8 7 属2 6 0 种 有着亚洲最大的 芦苇湿地和在生长季节一片赤红的翅碱蓬群落 i 9 1 1 1 2 辽河口湿地价值 湿地被誉为 地球之肾 生命的摇篮 其服务价值高于其它各类生态系 统口们 辽河口湿地内资源丰富 可为人类提供各类生活所需的物质和能量 此 外 它创造了巨大的生态效益并且对环境能进行有效地调节 特别是对水体中污 染物的净化和过滤 保护物种多样性 防洪促淤和水盐动态平衡 流域水量调蓄 等方面有着不可替代的作用 2 1 1 辽河口湿地可为人类带来巨大的经济效益 突出表现为 辽河口流域内的鱼 类和湿地内一些动物可以加工为肉类食品供人类食用 大面积的大米种植可以解 决部分人口的粮食问题 输出原材料和用作生产的能源材料 现代社会对金属物 质和化工原料的需求日益加大 而辽河口湿地的开发可以满足相关产业的需求 此外 一些动植物产品可作为原料被工农业生产加工所用 2 2 辽河口湿地境内 拥有苇田8 0 万亩 年产苇草3 0 万吨 是世界最大的芦草产地 也是重要的造纸 原料供给基地1 2 引 辽河口湿地生态系统有得天独厚的气候 土壤 水文等条件 辽河口湿地内 辽河口湿地石油降解菌作用能力与条件优化研究 植物群落的丰度很高 有各类珍稀的植物 辽河口湿地作为一个适宜野生动物生 存 栖息的生境 保护了大量的野生动物使其免受灭绝的危险 辽河口蕴藏着丰 富的油气 渔业 盐业和交通旅游等丰富的资源 2 4 1 1 3 辽河口湿地石油污染现状 辽河口湿地具有自动调节机制 但是大量的人类活动已经使辽河口湿地的正 常运行受到严重干扰 辽河口湿地作为一个生态敏感地带 当外界压力超过维持 自身稳定的范围时 就会出现不可估量的后果 25 1 在对辽河油田的开发过程中 由于操作不当 会出现油井溢油事故 会对周 边的辽河口湿地造成污染 辽河口湿地内建设了众多的港口码头 其中一些已经 形成很大的规模 20 陆源污废水的排放大大超出了其本身的自净能力 会出现 严重的水环境污染问题 威胁人类生活其中的水环境 并对水生动植物造成极大 的伤害 一旦发生海上事故 就极可能出现漏油等情况 大面积的石油污染不仅 难以治理 还会导致海鸟等生物的死亡 26 辽河口湿地地区现阶段存在着多种 污染物质 石油是其中一种重要的污染物 辽河口湿地生态功能的维持需要给予 一个良好的外部环境 需要对辽河口湿地内的石油进行合理的开发 27 1 1 1 4 石油污染的危害 石油的污染会造成湿地内大米作物和芦苇的减产 使得湿地生态系统迅速 退化 2 8 1 辽河口湿地内盘锦市的油田开发和相关的工业活动已经对湿地的生态 安全构成严重威胁 2 9 1 石油的发开过程会造成土壤的污染 其作为一种难降解的物质会在土壤中累 积 进而改变土壤的理化性质 3 1 1 石油污染土壤后 一些土著细菌变得不适应 现有的环境 不适应现有环境的细菌逐渐被淘汰 而一些能适应现有环境的细菌 逐渐被保留下来 就这样导致了微生物群落结构的巨大变动 3 2 1 一些致癌物质 会在动植物体内通过食物链累积阮3 4 1 残留在土壤中的石油还会对根系的呼吸作 用造成影响 3 川 原油一旦进入植物体内 就会对植物的组织 光合作用及蒸腾 作用造成影响恻 辽河口湿地石油降解菌作用能力与条件优化研究 1 2 石油烃的微生物降解及影响生物修复效果的主要因素 1 2 1 石油烃的微生物降解 世界各国鉴于石油污染的严重危害 采用了生物 化学 物理等各种方法对 石油污染进行治理 37 1 目前已经筛选得到了不同菌属的石油烃类降解菌 深入 研究了菌株对石油烃的降解步骤及如何提高菌株降解石油的作用效果 石油降解 菌株能把石油降解成最终产物二氧化碳和水 这两种产物对环境没有威胁 故被 视为一种绿色的处理方法 而且利用菌株能降解一些用物理 化学方法不易降解 的物质 1 2 1 1 降解石油烃的微生物 自然界本身就广泛存在着能降解石油烃的微生物 受到石油烃类物质的危害 后会刺激石油降解菌类的大量繁殖 石油会威胁细菌的生长但是也可作为碳源和 能源供微生物使用 学者已经发现自然界中有多种微生物能对石油进行降解 3 8 细菌类的有 诺卡氏菌属 d c 口砌口 分枝杆菌属 a 匆c 0 6 口c 把r 玩m 脱硫弧菌 属 d e s 甜蜘v f 6 f d 假单胞菌属 p s p 甜如 2 d 门口s 微球菌属 a 办c 加c d c c 甜s 色杆菌 属口c 办加聊d 施c 纪 棒杆菌属 c d 咖p 6 口c f p 厂砌聊 假杆菌属 n 8 甜如6 以c r p f 聊 芽孢杆菌属 b 口c f 7 7 扰j 节细菌属似 砌加6 口c 纪r 产碱杆菌属似 c 口 辔p 2 p j 黄杆 菌属 砌v d 6 口c 纪r 协聊 弧菌属 所6 f o 不动细菌属口c 砌p 幻6 以c g 短杆菌属 b 陀v 汤a c 纪 f 扰聊 气单胞菌属以p 加聊d 伽 螺菌属 印f r f 聊 等 一些真菌也能 对石油进行降解 主要包括 红酵母属 尺办d 如幻r 肠 掷孢酵母属 勋d 加6 0 d 一 缈c p s 内孢霉属 勘咖 砂c p s 毕赤酵母属 尸i 幽砌 汉逊酵母属 胁船j p 2 肠 笙 3 9 弋丁 在早期的环境里 一般情况下 石油降解菌只占到总菌数小于1 的比例 降解菌的数量会因为环境被石油污染而大大增加 在海洋环境中 石油降解菌数 量的比例能达到1 0 成金字塔形状增加 4 0 过高浓度的石油烃类物质会导致 石油降解微生物的死亡 但若石油污染情况没有超出细菌所能承受的范围 就会 诱发石油降解微生物的生长和繁殖 4 混合菌共同对环境中的石油烃进行降解 通常不同类型的烃分子由不同的降 解菌降解 4 2 直链的烷烃物质比较容易被石油降解微生物所利用并将其转化为 辽河口湿地石油降解菌作用能力与条件优化研究 无害化物质 但是复杂的烃类物质往往不能由单一的石油降解微生物完成 有时 候可能需要两株或多株菌的联合作用 4 3 被石油污染过的水和土壤中检测到的 微生物群落中有不同属的细菌组成 4 4 1 说明混合菌株比起单一菌株在降解石油 方面更具优势 能避免单一菌株往往只能降解污染物质的某一成分的弊端 通过 对不同功能菌株的混合 能达到对不同碳数石油烃类污染物的降解 4 5 1 为了弥补单一菌株在降解石油过程中的劣势 许多学者纷纷将分离筛选出的 单一菌株通过实验找寻最佳的混合比例 4 6 4 9 1 但现实环境相当复杂 不是简单地 混合几株菌就能达到理想的效果 一些菌株自身可能不会有太好的降解石油的效 果 但是其对混合菌株会有其他方面的作用 5 在一个特定的降解石油的混合 菌株体系中 虽然有些菌株不能对污染之物直接进行降解 但可以利用其它菌株 对污染物的分解物进行生长 从而加速了污染物质的降解 体系中的一株菌可能 会抑制另一株菌的降解作用 但这种负作用又因另一种菌株的存在而被抵消 47 j 相对而言 混合菌株比起单菌株更有市场前景 因为混合菌株不必去考虑单菌株 的纯化问题 而且不少菌株在降解石油的过程中能产生表面活性剂 使得污染物 在体系内的溶解性大大提高 加速了整个体系对污染物质的降解 5 1 1 国内外对利用混合菌株降解石油烃的研究还不是很多 r i c h a r d 等 5 2 j 用柴油 浓度为1 的培养基培养富集得到的混合菌株经过5 0 天的柴油降解 出现了9 0 的柴油降解率 0 b u e k w e 等 5 3 用富集自原油污染石头表层的混合菌系在有泡沫 聚苯乙烯存在的情况下培养 原油的降解率达4 4 4 n a d a r 旬a h 等 5 4 通过从被 石油污染的土壤中分离得到的混合菌系进行研究后发现其乳化煤油的能力达到 了每小时4 4 张杰 5 0 等从辽河口石油污染土壤中筛选出能耐受高浓度菲的单 菌株和混合菌株 培养1 2 0 h 后 单菌株与混合菌系的降解率分别达6 9 2 4 和 9 5 2 8 m u l h e r i i 5 5 1 等从海油田底泥中分离得到混合菌株 在没有供氧的情况下 其5 0 天后的柴油降解率达1 8 而在供氧的条件下培养8 天后的去除率达到了 3 9 1 2 1 2 微生物对石油烃的吸收途径 微生物降解的主要限制性因素是石油烃的憎水性 细菌的细胞内存在着能分 解石油烃的酶 但是由于石油烃的憎水性会导致细菌不能与石油烃类接触 从而 影响微生物对石油烃的降解 56 i 石油烃类可以通过不同的途径进入细胞与细胞 辽河口湿地石油降解菌作用能力与条件优化研究 内的酶发生作用 微生物对石油烃的摄取通常采用以下几种方式 1 石油烃中的大部分组分不能溶解于水中 但是某些特定的组分 如水 溶性的芳香烃类物质可以溶解于水体中 从而能在水体中被细菌细胞所直接利 用 但是这种模式下细菌能利用的能源物质过少 很难维持细菌正常的生命活动 2 微生物细胞有机会接触一些相对自身大得多的油滴 在接触点通过扩 散或是主动运输等方式对石油烃类进行摄取 在这种模式下 细菌一旦与油滴分 离就不能再继续摄取石油烃类物质 细胞与油滴接触面积的大小决定了微生物对 石油烃类的利用效率 进而影响其生长繁殖 热带假丝酵母菌细胞表面有一种与 烷烃结合的组分相关的由4 的脂肪酸和甘露聚糖组成的物质 使得其对烷烃也 具有很高的亲和力刚 s i n g e r 5 8 1 等研究表明存在附着于油滴表面的不动杆菌 其 直接与油滴接触 利用从油滴摄取物质来维持自身生命所需 有学者利用烷烃培 养微生物形让微生物与烷烃紧密接触形成一个特殊的复聚体 在这个空间内 细 菌可以有效地利用石油烃类 3 一些微生物细胞可以分泌生物表面活性剂 这些由细菌分泌的生物表 面活性剂可以对不溶于水的石油烃类物质进行乳化 乳化后的石油烃类可以变成 比细菌细胞小得多的颗粒 这样 细胞就可以通过摄取比自身大小小得多的烃类 物质进行生命活动 从而对石油进行降解 s e k e l s k y 例等人的研究表明 微生物 分泌的生物表面活性剂将石油烃类物质乳化得越彻底 微生物与烷烃的接触面积 也会随之变大 这样细菌能有效利用的石油烃类物质也会随之变多 细菌的生长 速率随之变大 1 2 1 3 微生物降解石油烃的机理 1 石油烃类吸附在细胞膜上被细胞利用 石油烃类物质在水中的溶解度极小 在石油污染严重的地区石油烃类物质极 易吸附在土壤里 加大了细菌降解石油烃类物质的难度 表面活性剂能对石油烃 起到分散和增溶作用 促进微生物对石油烃的吸附 6 0 微生物能通过改变自身 的状态或是改变石油烃类的状态来有效地对石油烃类物质进行降解 可以通过以 下两种方式 一种是通过改变细胞膜或菌毛的状态让自身形成疏水表面 从而从 水中分离 达到油水界面 另一种方式是利用细菌分泌的生物表面活性物质将石 油烃类乳化成颗粒状 油滴的表面积就会成倍的增大 与细胞接触的几率也大大 辽河口湿地石油降解菌作用能力与条件优化研究 增加 微生物就更有机会直接与石油烃类物质接触 进行石油烃的降解工作 m i l l e r 和z h a n g 6 1 j 研究发现假单胞菌属能分泌出疏水性的表面活性物质 表面活 性物质的疏水性越大 就越有利于其与污染物接触并将污染物乳化 随之污染物 的降解速率也会加快 石油烃类物质必须通过与微生物的细胞膜接触才能实现其在细胞膜上的运 输 石油烃类物质是如何通过细胞膜还有待进一步的深入研究 6 2 1 对于石油烃 怎样通过细胞膜现有两种不同的运输方式 主动运输和被动运输 6 0 b a t e m a j l 和 s p e e r 6 3 j 指出萘的运输不存在转运蛋白的参与 而是通过被动运输的方式进入生 物体内的 但w h i t e m a n 和l u e k o n g 6 4 发现p s e u d o m o n a sn u o r e s c e n s 和 p s e u d o m o n a sa e m g i n o s a 不仅仅只是以被动运输的方式吸收萘 还存在着主动吸 收的过程 其它研究表明 微生物产生的生物表面活性剂对污染物质进行乳化的 同时还会改变其自身的细胞膜结构 使得石油烃类物质变得更易通过细胞膜 6 5 1 c a r l a 等 6 6 j 研究发现表面活性剂能存留在细胞膜中 有些还能在细胞膜外面累积 形成一条更容易让细胞膜外的石油烃类物质进入细胞膜内的通道 2 微生物对石油的降解过程 微生物会根据自身的喜好有选择性地对石油烃类物质进行降解 规律如下 多环芳烃的降解 环烷烃的降解 单环芳烃的降解 c l o c 2 4 或更长的直链烷烃的 降解 小于c 1 0 的直链烷烃的降解 相对同种类型的烃类而言 降解速度随分子 是的增加而变慢 6 7 j 微生物氧化饱和烃类物质的方式有单末端 次末端和双末端三种类型 6 8 一般情况下 微生物对饱和烃的作用方式为 饱和烃中的直链烷烃会先被氧化成 醇 其在脱氢酶的作用下进一步被氧化成醛 最终通过醛脱氢酶的作用将醛氧化 为脂肪酸 石油烃在转化为脂肪酸后 可以先转化为二羟基酸 最后经历其它的 进一步氧化过程 另一种形式是直接通过随后的b 一氧化序列 即形成羟基并且 脱掉2 个碳原子 6 9 1 经过一系列的氧化和循环后最终进入其他生化过程或分解 成c 0 2 和h 2 0 7 0 j 支链烷烃因为其支链的存在 会增加微生物对其氧化降解的能力 但微生物 对其和直链烷烃的降解机制是类似的 q 一氧化 b 一碱基去除或 一氧化都是微生 物文化支链烷烃的基本途径 总之 含有相同碳数的直链烃类的降解速度要 辽河口湿地石油降解菌作用能力与条件优化研究 快于含有支链结构的烃类 原因就是支链的存在阻碍了微生物对其利用 分解速 度大大降低r 7 2 j 石油中的组分相当复杂 环烷烃占到其中较大的比例 微生物采用次末端氧 化的方法对其进行降解 类似于同链烷烃 环烷烃经历过环烷醇再进一步氧化为 酯或进一步开环形成脂肪酸 真菌能将石油烃类物质降解成有潜在致癌性的反式 二醇 而细菌则是几乎都把石油烃类化合物降解成没有毒性的顺式二醇 73 可 以看出细菌和真菌在降解石油烃类物质的过程中是不一样 会形成化学性质差异 很大的中间代谢产物 多环芳烃作为 种具有致癌性的持久性有机污染物 会对环境造成极大的影 响 生物方法降解多环芳烃有着巨大的优势 现已可以利用藻类 细菌 真菌对 多环芳烃进行降解 7 4 真菌可以用自身产生的过氧化氢酶将多环芳烃进行降解 7 5 1 细菌可以通过多种菌株的共同作用对多环芳烃进行降解 将其转化为没有 二次污染的水和二氧化碳 7 6 陈春云吲不断分离筛选得到能降解多环芳烃的2 4 株菌 效率最高的一株菌在1 6 天的降油后效率达到了9 1 5 1 2 2 生物修复效果的主要影响因素 微生物在对石油污染进行修复的过程中的主要影响因素有 p h 值 水温 n a c l 浓度 水体溶解氧和营养物质浓度等 1 p h 值 微生物对p h 有其特定的耐受范围 p h 的剧烈变动会对微生物的生命活动 造成影响 首先会改变环境中有害物质的毒性和营养物质的供给 其次是细胞膜 上的电荷情况会因为p h 的变化而发生变化 而细菌对营养物质的吸收又跟细胞 膜上的带电量相关 因此会影响微生物吸收营养物质的能力 最后 p h 的变动 也会影响核酸 蛋白质等大分子所带电荷发生变化 核酸 蛋白质等大分子作为 微生物重要的生物物质 其变化必然会影响微生物活性 4 9 为微生物的最佳p h 范围 微生物不同也会对p h 值有各自的要求 虽然可能对超出其p h 范围时也 会表现出一定的耐受性 但是最适宜生长的p h 值通常在一个较小的范围 酸性 至中性的范围比较适合细菌和放线菌生长 而酸性条件则有利于酵母菌的生长 2 水温 辽河口湿地石油降解菌作用能力与条件优化研究 微生物都有各自最适宜的温度范围 当处于这个温度范围时 随着温度的升 高 会加速微生物体内的生化反应 石油烃类物质的化学组成和物理状态还会受 到温度的直接影响 7 8 1 研究表明 好氧菌降解石油烃的最佳温度一般在3 0 左 右 微生物降解石油烃类物质需要酶的参与 而酶的活性受限制于外界的温度 当外界温度处于酶保持活性的范围时 酶才能正常发挥 当温度较低时 油的粘 稠度会增加 还会影响一些有毒性烷烃的挥发 不利于微生物对污染物进行降解 3 盐度 研究发现 当出现海上溢油时 海洋中的石油污染的恢复速度往往要比淡水 中来得慢得多 盐度是一个比较复杂的影响因素 当水中温度和营养盐对于微生 物而言均处于合适的范围时 盐度的大小就会影响微生物对石油烃类的降解 随 着盐度的不断增大 微生物降解石油烃类的速率会变小 4 水体溶解氧 氧的量在微生物降解石油的过程中至关重要 烃类不同会要求微生物对其采 取不同的降解方法 但是对污染物的最初降解反应却是类似的 供氧充足的情况 下 可以满足微生物利用氧的量 使氧不足以构成影响微生物对石油烃类的降解 虽然在无氧的条件下 石油烃类物质也可以发生缓慢的降解 但是这个速率是很 慢的 分解石油烃类物质需要大量的氧 故氧在微生物处理石油烃类物质的过程 中尤为重要 j o h n s t o n 研究了无氧和有氧条件下的石油降解情况 研究表明无氧 条件下的二氧化碳产生速率比有氧条件下低几个数量级 说明氧气的加入大大增 加了体系的反应速度 7 9 1 5 营养物质浓度 微生物的生长繁殖离不开营养元素的补给 营养元素中各元素的比例会影响 微生物对石油烃类的降解 好氧菌和厌氧菌所需要的微量元素差别很大 学者们 一直在积极寻找最适应的营养元素比例 让微生物发挥最好的石油降解效果 在 对海上溢油的生物降解过程中 由于海滩和海水中有足够的微量元素 而石油中 的微生物能利用大量的碳源 所以p 和n 成为主要的限制因子 8 0 p 和n 是两 种微牛物所必需的微量元素 当它们供应的比较适合时 就会促进微生物对石油 烃类的降解 国内外通过研究发现当w p w n w c l 1 0 1 0 0 时为最 洼的比例 在此比例下微生物能利用这些微量元素合成自身的所需物质 良好的 辽河口湿地石油降解菌作用能力与条件优化研究 条件会加速微生物对石油烃类的需求 进而加大石油烃的降解速率 而当w p w n w c 的比例达不到微生物所需的比例时 某种元素的过低会阻碍微 生物的正常生命活动 进而会出现对污染物降解速率的制约 8 1 制 s s z 两a r d e 8 5 等人的研究显示 虽然氮是细菌合成自己物质所必须的重要微量元素 但是一旦 其量大大超出时 就会对细菌降解石油烃造成抑制 从而对石油的降解效果造成 影响 触礁发生的石油污染会对海洋生物造成严重威胁 虽然沙滩里存在着一些 能对石油烃类进行降解的土著细菌 但是这个过程非常缓慢 而通过加入氮和磷 等营养物质 就能刺激细菌的快速生长 而石油烃类物质正好可以被作为碳源所 利用 这样石油烃类的分解速度就会大大增加 8 6 1 但也有研究表吲8 7 8 9 1 w p w n w c 为0 3 1 1 0 时微生物的降解污染物的效果才会达到最佳 1 3 生物强化修复措施治理石油污染 当单位空间的生物量过低时 污染物的量就会相对过剩 微生物无法利用大 量的污染物的结果会导致污染物的难以去除 而且过量的污染物还会对微生物的 生存造成严重威胁 为了解决这个问题 采用生物强化技术 让微生物在单位体 积内的生物量大大增加 从而微生物降解石油烃类物质的效果也会大大提升 这 些强化措施包括提供微生物生长繁殖所需的条件 施加营养 提供0 2 或其他电 子受体 投加能促进微生物对石油烃进行利用的表面活性剂 添加固定化后的 高效降解石油污染物的微生物等 特别是当环境中出现大面积的石油污染时 微 生物需要的氧和营养物质的量就会大大增加 但环境不足以提供足量的物质供微 生物的生活代谢时 其对石油的降解会遭到严重抑制 1 3 1 提供电子受体 一些物质可以作为电子受体 微生物对污染物氧化分解后需要这些电子受体 来实现最终对污染物的降解 9 通过各种方法实现对体系中溶解氧的增加 而 氧气可作为好氧微生物的电子受体 供氧充足的情况下微生物的活性会大大增 加 微生物运动量加大 与污染物接触的几率增加 投加h 2 0 2 也是一种刺激微 生物加大对污染物降解的有效手段 由于h 2 0 2 本身具有氧化性 投加到体系之 后 可以直接氧化部分烃类污染物 由于h 2 0 2 的不稳定性 在投加后会慢慢释 辽河口湿地石油降解菌作用能力与条件优化研究 放出氧 从而增加体系内的溶解氧含量 达到与供氧类似的效果 此外 h 2 0 2 还能具有调节体系p h 值的作用 稳定体系的p h 让微生物更好地降解石油 但是 h 2 0 2 浓度过高时由于自身具有毒性 一旦超过了微生物对其的耐受范围 就会出现微生物的大量死亡 故要合理控制h 2 0 2 的使用量 生物通风是利用物 理的方法增加体系中氧气的量 使得好氧微生物大量繁殖 从而强化对石油的降 解刚 魏德洲等 9 2 1 发现 当控制h 2 0 2 的浓度在合理的范围时 会刺激微生物对 石油进行降解 当浓度达到6 0 0 m g l 时 效果达到最佳 相对对照组 投加h 2 0 2 后去除率提高了将近3 倍 海洋沉积物和缺氧海区中 氧的供应受到限制 好氧细菌不能在这类环境下 生存 虽然缺氧条件下降解污染物的速度比起氧气充足的情况下的石油降解速率 要慢得多 但是可以为厌氧细菌提供一些特殊的电子受体 从而加速对烃类的降 解一引 人们开始关注厌氧条件下的石油降解情况 1 3 2 投加表面活性剂 石油烃类物质是非极性的 而水溶液是极性的 这就导致石油烃类物质一 般以油滴的方式与水相分离 而细菌一般都在溶液中生活 故细菌与油滴接触的 概率不大 限制了细菌对烃类物质的利用 此外 油膜还会阻碍外界氧的进入 不利于好氧细菌的代谢活动 通过投加表面活性剂 能把石油烃类乳化成极小的 颗粒 微生物与石油烃类物质接触的概率大大增加 此外 还能使外界的氧更容 易进入体系 微生物对石油烃类物质的降解效率就会大大增加 魏德洲 9 4 j 投加 油酸钠到石油污染区土壤后发现 阴离子型的表面活性剂能加速微生物对石油污 染的治理 c h u r c h i l l 9 5 等研究发现通过投加一些亲油性肥料 可以提高菲在水溶 液中的溶解度 从而提高菲的生物降解速度 生物表面活性剂是一种自身的代谢产物 一些微生物在培养过程中会分泌出 一些表面活性物质 非极性的石油烃类物质在其作用下会不断乳化 逐步形成相 对于微生物而言小得多的油滴 通过与油滴直接接触 养分和底物就很容易由细 胞膜外进入细胞膜内 通过与细胞膜内的酶反应 达到降解石油的效果一6 i 化 学t 面活性剂也同样有促进微生物降解石油烃类的效果 但是一些化学表面活性 剂的浓度过高时就会对微生物造成毒害作用 因此更倾向于使用安全有效的生物 辽河口湿地石油降解菌作用能力与条件优化研究 表面活性剂 9 7 9 8 1 h a e y 9 9 1 等在3 0 下 通过投加生物表面活性剂糖脂类 使 石油降解效果提高了2 3 倍 随着石油污染越来越严重化 人们开始寻找安全高效的方法来对石油污染进 行处理 一些微生物能自身分泌表面活性剂或是通过产表面活性剂菌株与高效石 油降解菌株的混合 可以大大强化石油降解 此外 还可以投加表面活性剂到不 产表面活性剂的菌株体系 帮助菌株对石油烃类物质快速降解 我们要需要对生 物表面活性剂深入研究 加大对生物表面活性剂的利用 生物表面活性剂能促进 石油烃类疏水性烃类的降解 生物表面活性剂具有不会对环境产生毒害作用 降 解石油效率高 经济费用低等特点 因此具有很大的发展空间 1 3 3 投加高效石油降解菌株 土著菌能适应石油污染处理现场的环境 因此有很大的应用前景 已经有 许多成功的事例直接利用土著微生物处理石油污染 此外 还可以投加外来的微 生物来治理当地的石油污染问题 基因工程菌的应用比较受人争议 一旦使用不 慎会对环境造成不可预计的后果 但在实验室条件下 基因工程菌表现出了强大 的石油降解能力 g r o s s e r 1 0 0 等投加从被石油污染的土壤中筛选出来的能降解芘 的土著微生物到原石油污染土壤中 发现效果十分显著 芘的降解速率提高了 5 5 为了刺激土著微生物中降解菌的生长 在实际应用中往往应注意要在污染 环境中接种各类微生物 s i d o r o v 1 0 1 利用土著细菌对石油污染地区的石油烃类进 行处理 石油去除率达到了7 8 在进行生物修复工作过程中 可以定向筛选出一些效率较高的石油降解菌 株 因为在天然受到污染的环境中 土著微生物菌群中并不是每一个菌株都会对 污染物有很强的石油降解效果 而且污染物的浓度浓度可能大大超出了其所能承 受的范围 导致微生物对污染物的降解受到抑制 生物量被遏制在一个较低的水 平 目前高效降解菌大多是由多个单菌株混合而成的复合菌株 复合菌群之间的 协同作用是普遍存在的 通过菌群之间的协同作用 对污染物的降解转化能力增 强 1 0 2 1 0 3 1 石油烃类物质是一种成分相当复杂的物质 通过g c m s 可以看出单 个菌株往往只能降解特定碳数的烃类 不同菌株的酶活性不同 可以降解石油烃 类中不同的成分 因此可以利用混合菌株强化对石油烃类物质的处理效果 一个 辽河口湿地石油降解菌作用能力与条件优化研究 菌株自身所携带的酶还可作为另一种微生物的底物 通过一个相互协作的过程 可以对石油烃类物质的微生物降解起到促进作用 l a lb 1 0 4 1 等研究发现将 a o d o r 觚sp 2 0 和a c i n e t o b a c t e rc a l c o a c e t i c u ss 3 0 混合培养后 相对单独培养的模 式石油降解率大大提高 r a h m a n 1 0 5 1 等研究发现经过2 0 天的培养 混合菌株的 处理污染物的效果比单菌株高出了6 6 赵荫薇 1 0 6 1 等从石油污染地区得到1 0 株石油降解菌后组合成混合菌群m z 9 4 0 2 比起单菌株的石油降解率只有 2 0 5 0 混合菌株达到了7 1 4 管亚军 1 0 7 1 等利用气象色谱分析了各个菌株在 降解污染物中起到的作用 表明一些菌株能帮助另外的一些菌株加速对污染物的 降解 混合菌株降解石油产生负面影响的原因可能是不同菌株之间发生竞争或拮 抗作用 一些研究中把筛选得到的单菌株按照不同的比例混合 还可能会出现石油降 解效果减弱的现象 难以达到原先预计的提高石油降解效果的设想 因此 如何 处理好各菌株之间的关系 优化组合出一个合理的比例 让各个菌株发挥各自的 优势是我们需要考虑的 石油污染严重的区域的环境条件会抑制细菌的生长 当一种外在的细菌被投 加到石油污染区之后 其不仅要适应当地特殊的环境 还要适应复杂的污染物质 对其造成的伤害 各种不利因素就抑制了高效石油降解菌株投加后对石油污染的 处理效果 无法让生物量达到所需水平 限制了实际应用的推广 随着科技的进 步 有学者开始考虑利用基因工程的技术 将多种细菌所能降解的石油烃类物质 的基因转移到一株菌上 该菌株就能降解不同烃类 c h a r 心a b 眦y 研究发现在细 菌质粒上存在着降解一些难降解烃类的基因 采用基因工程的手段在一种菌体内 植入多种质粒 得到能降解四种石油组分的超级细菌 其能快速降解掉原油中超 过2 3 的烃类物质 4 1 基因工程的方法广受争议 因为其具有不可预见性 故是 甭该利用通过基因工程得到的高效石油降解菌株投入实际应用备受人们关注 国 外虽然已经通过基因工程得到了高效石油降解菌株 但从未投入现场治理过石油 污染 其应用受到严格的法律约束 学术界对于是否应该投入高效微生物以及高效微生物是否在生物修复中起 到作用的争议和分歧较大 欧美等国家对基因工程菌的利用有严格的立法 故至 今尚未有其在石油污染生物修复中实际应用的报道 辽河口湿地石油降解菌作用能力与条件优化研究 1 4 固定化技术在石油污染生物修复中的应用 实地修复石油污染存在着很大的技术难度 存在着如何增加单位体积内的生 物量 防止菌体大量流失 提高细菌的耐受性及怎样与土著细菌竞争等问题 1 0 8 1 10 1 生物固定化技术能克服这方面的不足 因此人们开始着眼对生物固定化 技术进行研究 以期待石油降解效果的大幅度提高 通过生物固定化后 菌体能 降低外界不利因素对自身所造成的干扰 实现在短时间内生物量的增殖 而且固 定化后的细菌不易受水流等的影响 操作简便易行 成本很低 因此具有很好的 应用前景 1 1 1 生物修复技术是一项新兴的技术 细菌可以通过各种方式固着于 载体上生长 有效地避免了一些有毒害作用的污染物对其造成的损害 使得生物 量在限定的空间内大大增加 对一些难降解的有毒烃类也会表现出很好的降解效 果 1 12 1 邵娟 1 1 3 1 用秸秆作为载体固定化之后降解原油的效果高出未固定化的游离 菌 原油去除率达7 3