1、09053209海洋技術(shù)李銀龍海洋石油污染的生物修復(fù) 全世界每年約有全世界每年約有1.0 1.0 10101010 kg kg 的石油進(jìn)入海的石油進(jìn)入海洋環(huán)境中。洋環(huán)境中。我國(guó)每年排入海洋的石我國(guó)每年排入海洋的石油達(dá)油達(dá)1.8 1.8 10 108 8kgkg。 海洋石油運(yùn)輸海洋石油運(yùn)輸 海洋石油開發(fā)海洋石油開發(fā) 海岸排油海岸排油海洋石油污染來(lái)源 大氣石油烴沉降大氣石油烴沉降污染現(xiàn)狀總的來(lái)說(shuō)，海洋石油污染呈總的來(lái)說(shuō)，海洋石油污染呈增長(zhǎng)的趨勢(shì)增長(zhǎng)的趨勢(shì), , 某些海灣由于某些海灣由于石油污染而導(dǎo)致的環(huán)境惡化、石油污染而導(dǎo)致的環(huán)境惡化、生物絕跡現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重生物絕跡現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重。 1 1 196

2、7年 3月“托利卡尼翁”號(hào)油輪在英吉利海峽觸礁失事。該輪觸礁后，10天內(nèi)所載的11.8萬(wàn)噸原油除一小部分在轟炸沉船時(shí)燃燒掉外，其余全部流入海中,近140 公里的海岸受到嚴(yán)重污染。受污海域有 25000多只海鳥死亡，5090的鯡魚卵不能孵化，幼魚也瀕于絕跡。為處理這起事故，英、法兩國(guó)出動(dòng)了42艘船，1400多人使用10萬(wàn)噸消油劑，兩國(guó)為此損失 800多萬(wàn)美元。海洋石油污染事件2 2 史上最嚴(yán)重的海上油田井噴事故是墨西哥灣“Ixtoc-I”油井井噴，該井1979年6月發(fā)生井噴，一直到1980年 3月24日才封住，共漏出原油47.6萬(wàn)噸，使墨西哥灣部分水域受到嚴(yán)重污染。4 4 1991年1月17日開

3、始的海灣戰(zhàn)爭(zhēng)破壞了大批油井，使大量的原油流入海中，形成的原油帶長(zhǎng)96千米，寬16千米，漂流的原油估計(jì)多達(dá)1100萬(wàn)桶，這是海上石油污染事件中最嚴(yán)重的一起。海灣地區(qū)有700多口油井在燃燒每小時(shí)噴出1900噸SO2等污染物質(zhì)，其煙霧擴(kuò)散到印度，俄羅斯和非洲部分地區(qū)，并造成地中海整、個(gè)海灣地區(qū)以及伊朗部分地區(qū)降黑雨。3 3 1978年3月下旬，美國(guó)巨型油輪“阿莫柯卡迪茲”號(hào)在法國(guó)布勒塔尼海岸線外觸礁斷裂為二。兩個(gè)星期之內(nèi)，它往海中漏出的原油達(dá)22萬(wàn)噸，造成歷史上最大的漏油事件，浸污海灘達(dá)160千米長(zhǎng)，不計(jì)其數(shù)的魚類死亡。5 5 2010年4月20日，美國(guó)一座海上鉆井平臺(tái)發(fā)生爆炸，引發(fā)墨西哥灣原油泄漏

4、事件，給經(jīng)濟(jì)和環(huán)境帶來(lái)空前的災(zāi)難。 6 6 20102010年年7 7月月1616日晚日晚1818時(shí)，大連新港附時(shí)，大連新港附近中國(guó)石油的一條輸油管道發(fā)生爆炸起火，近中國(guó)石油的一條輸油管道發(fā)生爆炸起火，導(dǎo)致了部分原油泄漏入海，至少造成附近導(dǎo)致了部分原油泄漏入海，至少造成附近海域海域 50 50 平方公里的海面污染。平方公里的海面污染。u 對(duì)環(huán)境的污染 海面的油膜阻礙大氣與海水的物質(zhì)交換； 極地海域冰面上的油膜，能增加對(duì)太陽(yáng)能的吸收而加速冰層的融化，使海平面上升，并影響全球氣候； 海面及海水中的石油烴能溶解部分鹵化烴等污染物，降低界面間的物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化率； 破壞海濱風(fēng)景區(qū)和海濱浴場(chǎng)。u 對(duì)海洋生物

5、的危害 限制海洋植物的光合作用； 污染海獸的皮毛和海鳥的羽毛，使它們喪失保溫、游泳或飛行的能力； 干擾海洋生物的攝食、繁殖、生長(zhǎng)、行為和生物的趨化性等能力； 改變海洋生物群落的種類組成； 毒害海洋生物。u 對(duì)人類的影響 石油污染對(duì)人類的危害主要通過(guò)食物鏈作用。海洋石油污染的危害二、海洋環(huán)境中石油的歸宿和轉(zhuǎn)化過(guò)程 生物修復(fù)是指生物催化降解環(huán)境污染物，減少或最終消除環(huán)境污染的受控或自發(fā)過(guò)程。在生物降解基礎(chǔ)上研究發(fā)展起來(lái)的生物修復(fù)在于提高石油降解速率，最終將石油污染物轉(zhuǎn)化為無(wú)毒性的終產(chǎn)物。三、 海洋石油污染的生物修復(fù)技術(shù) 石油是一種復(fù)雜混合物, 包括烴類和非烴類物質(zhì)兩部分,其中烴類占95. 0%99

6、. 5%, 其余為含氧、硫、氮、金屬等雜質(zhì)的化合物。通常所指的石油污染物多指烴類物質(zhì),包括鏈烷烴、環(huán)烷烴、芳香烴。 在海洋微生物中，細(xì)菌和真菌是石油的主要降解者，目前發(fā)現(xiàn)超過(guò)700 種菌類能夠參與降解石油烴類。u 細(xì)菌：假單胞菌屬、弧菌屬、不動(dòng)桿菌屬、黃桿菌屬、氣單胞菌屬、無(wú)色 桿菌屬、產(chǎn)堿桿菌屬、腸桿菌科、棒桿菌屬、節(jié)桿菌屬、芽孢桿菌屬、葡萄 球菌屬、微球菌屬、乳桿菌屬、諾卡氏菌屬等。u 酵母菌：假絲酵母屬、紅酵母菌屬、畢赤氏酵母菌屬等。u 霉菌：青霉屬、曲霉屬、鐮孢霉屬等。3.1海洋石油降解微生物海洋中石油降解微生物的分布特點(diǎn)： 近海、海灣等石油污染嚴(yán)重的地區(qū), 石油降解微生物的數(shù)量亦多。

7、 在遠(yuǎn)洋, 石油降解微生物的數(shù)量與細(xì)菌數(shù)量多少有關(guān), 即海水中養(yǎng)分多, 相應(yīng)地石油降解微生物也多。烷烴 直鏈烷烴首先被氧化成醇醇，醇在脫氫酶的作用下被氧化為相應(yīng)的醛醛，通過(guò)醛脫氫酶的作用氧化成脂肪酸脂肪酸。轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的脂肪酸后，一種轉(zhuǎn)化形式為直接經(jīng)歷隨后的一氧化序列，即形成羧基并脫落2個(gè)碳原子;另一種轉(zhuǎn)化形式為脂肪酸先經(jīng)歷w羥基化形成w 一羥基脂肪酸，然后在非專一羥基酶的參與下被氧化為二羧基酸，最后再經(jīng)歷一氧化序列。脂肪酸通過(guò)一氧化降解成乙酰輔酶乙酰輔酶A A，后者進(jìn)入三羧酸循環(huán)，分解成COCO2 2和H H2 2O O 并釋放出能量，或進(jìn)入其他生化過(guò)程。 支鏈烷烴的降解可以通過(guò)a一氧化、w一

8、氧化或一堿基去除途徑，也可以直接脫氫形成烯,烯再進(jìn)一步氧化成醇、醛,最后形成脂肪酸;或鏈烷烴氧化成為一種烷基過(guò)氧化氫,然后直接轉(zhuǎn)化成脂肪酸。3.2 石油烴微生物降解機(jī)理環(huán)烷烴 環(huán)烷烴在石油餾份中占有較大比例，它的生物降解原理和鏈烷烴的亞末端氧化相似。首先經(jīng)混合功能的氧化酶( 羥化酶) 氧化產(chǎn)生環(huán)烷醇環(huán)烷醇，然后脫氫得酮酮，進(jìn)一步氧化得到酯酯，或直接開環(huán)生成脂肪酸脂肪酸。真菌和細(xì)菌降解石油烴類化合物可形成具有不同的立體化學(xué)構(gòu)型的中間產(chǎn)物。真菌將石油烴類化合物降解成反式二醇，而細(xì)菌幾乎總是將之降解成順式二醇。芳香烴苯苯：苯的降解首先經(jīng)苯雙加氧酶的作用，形成順苯二氫二醇順苯二氫二醇，再經(jīng)順苯二醇雙加

9、氧酶的作用，形成代謝中間體鄰苯二酚鄰苯二酚。鄰苯二酚的代謝可分為鄰位切割與間位切割兩種途徑，進(jìn)而分解進(jìn)入三羧酸循環(huán)。多環(huán)芳烴多環(huán)芳烴：多環(huán)芳烴的降解首先通過(guò)微生物產(chǎn)生的加氧酶, 進(jìn)行定位氧化反應(yīng)。真菌產(chǎn)生單加氧酶, 加氧原子到苯環(huán)上, 形成環(huán)氧化物環(huán)氧化物, 然后, 加入H2O 產(chǎn)生反式二醇反式二醇和酚酚。細(xì)菌產(chǎn)生雙加氧酶, 加雙氧原子到苯環(huán)上, 形成過(guò)氧化物過(guò)氧化物, 然后氧化成順式二醇順式二醇, 脫氫產(chǎn)生酚酚。環(huán)的氧化是微生物降解多環(huán)芳烴的限速步驟。不同的代謝途徑有不同的中間產(chǎn)物, 但普遍的中間代謝產(chǎn)物是鄰苯二酚、2, 5-二羥基苯甲酸、3, 4-二羥基苯甲酸。這些代謝物通過(guò)相似的途徑降解

10、: 環(huán)碳鍵斷裂, 丁二酸, 反丁烯二酸, 丙酮酸, 乙酸或乙醛。代謝產(chǎn)生的物質(zhì)一方面可以被微生物利用合成細(xì)胞成分, 一方面也可以氧化成CO2 和H2O。微生物修微生物修復(fù)技術(shù)復(fù)技術(shù)改變環(huán)境加入高效降解菌株接種石油降解菌生物表面活性劑氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽添加(1)接種石油降解菌 通過(guò)生物改良的石油降解菌能夠高效的去除石油污染物，被認(rèn)為是一種很有發(fā)展前途的海洋修復(fù)技術(shù)。但實(shí)踐表明，接種石油降解菌效果并不明顯，這是因?yàn)楹Ｑ笾写嬖诘耐林⑸?、環(huán)境因素等常常會(huì)影響接種微生物的活動(dòng)。當(dāng)然，國(guó)外也有幾項(xiàng)成功案例如Swannell等使用Alpa Biosea TM菌劑，Tsutsumi 等使用Terra Zyme

11、TM制劑達(dá)到了較好的修復(fù)效果。 鄭立等在用海洋石油降解菌群DC10進(jìn)行大連實(shí)際溢油岸灘生物修復(fù)實(shí)驗(yàn)，考察了降解菌劑對(duì)潮間帶和潮上帶油污的降解作用。 在為期12的潮間帶油污生物修復(fù)試驗(yàn)中，噴灑菌劑處理的C17藿烷和C18藿烷降解率相對(duì)于自然風(fēng)化處理分別提高了40和30，而總烷烴和總芳烴降解率分別提高了80和72。 在為期85的潮上帶油污生物修復(fù)試驗(yàn)中，從C17藿烷和C18藿烷的降解率來(lái)看，噴灑菌劑處理對(duì)油污的降解程度僅略高于自然風(fēng)化，但總烷烴和總芳烴的降解率分別提高了近30和20。生物表面活性劑是由微生物、植物或動(dòng)物在一定的培養(yǎng)條件下產(chǎn)生的具有表面活性的天然產(chǎn)物及衍生物的通稱。對(duì)于其在石油降解中

12、的作用有如下推論：( 2) 生物表面活性劑 生物表面活性劑可以增大油/水界面面積使烷烴得以有效擴(kuò)散，從而便于細(xì)胞與較大油滴之間的直接接觸；或者形成膠團(tuán)，將有機(jī)物分子加溶在膠團(tuán)中，增加了烴類物質(zhì)的水溶性，從而利于細(xì)胞吸收并降解。 生物表面活性劑分子可以利用它們的親水基或疏水基鎖定于微生物細(xì)胞的表面部分，將另一端暴露在外面，形成控制細(xì)胞表面疏水性或親水性的調(diào)節(jié)膜，并直接影響生物降解速率。 很多研究者報(bào)道生物表面活性劑的產(chǎn)生是在細(xì)菌培養(yǎng)的生長(zhǎng)后期或穩(wěn)定期，其在油污降解初期的角色并不是主要的，甚至可能是負(fù)面的，生物表面活性劑更有可能在后期幫助細(xì)胞脫離烴類化合物從而利于烴類化合物表面細(xì)菌的新舊交替，從而

13、發(fā)揮了促進(jìn)降解的積極作用。緩釋肥料要求有適合的釋放速度，通過(guò)海潮可以將營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)緩慢的釋放出來(lái)，為石油降解菌的生長(zhǎng)繁殖持續(xù)補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)鹽，提高石油降解速率。親油肥料水溶性肥料親油肥料可使?fàn)I養(yǎng)鹽“溶解”到油中。在油相中螯合的營(yíng)養(yǎng)鹽可以促進(jìn)細(xì)菌在表面的生長(zhǎng)。一些含氮、磷的水溶性鹽，如硝酸銨，三聚磷酸鹽等和海水混合溶解，可解決下層水體污染物的降解。(3) 使用氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽投入氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽是最簡(jiǎn)單有效的方法。在海洋出現(xiàn)溢油后，石油降解菌會(huì)大量繁殖，碳源充足，限制降解的是氧和營(yíng)養(yǎng)鹽的供應(yīng)。1989年，美國(guó)環(huán)保局在阿拉斯加Exxon Valdez 石油泄漏事故中，利用生物修復(fù)技術(shù)成功治理環(huán)境污染。從污染海灘分離

14、的細(xì)菌菌株與不受污染的分離菌株相比，前者具有特殊的降解能力；同時(shí)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境因子進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)由于營(yíng)養(yǎng)鹽缺乏，微生物降解能力受到限制，外加如親油肥料，一段時(shí)間后，與沒(méi)有加入營(yíng)養(yǎng)鹽的對(duì)照相比，前者污染物的降解速率加快了。毒性試驗(yàn)也表明，修復(fù)后的環(huán)境并沒(méi)有發(fā)生負(fù)效應(yīng)，沿岸海域也沒(méi)有出現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象。 石油的理化石油的理化性質(zhì)性質(zhì)環(huán)境參數(shù)環(huán)境參數(shù) 石油的理化石油的理化性質(zhì)性質(zhì) 微生物種類微生物種類四、影響海洋石油烴微生物降解因素 液態(tài)芳烴在水- 烴界面能被細(xì)菌代謝, 但在固態(tài)時(shí)卻很難被利用。 不同烴類化合物的降解率模式是: 正烷烴 分枝烷烴 低分子量芳香烴 多環(huán)芳烴。不同微生物種類對(duì)石油烴的降解能

15、力差別較大, 同一菌株對(duì)不同烴類的利用能力也有較大的差別, 一般情況下, 混合培養(yǎng)的微生物對(duì)石油烴的降解比純培養(yǎng)快。石油污染能夠誘導(dǎo)降解石油的微生物種群的生長(zhǎng)。 溫度：影響細(xì)菌的生長(zhǎng)和代謝；影響石油理化性質(zhì)。 營(yíng)養(yǎng)鹽： N 和P 是主要的限制因子。 氧：石油中各組分完全生物氧化, 需消耗大量的氧。 陸源污染物 當(dāng)前，生物修復(fù)法治理地表石油被認(rèn)為是最經(jīng)濟(jì)、最徹底、最有效的恢復(fù)手段。雖然石油烴的厭氧降解速率比好氧降解速率要慢，但是在厭氧狀態(tài)下，烷烴和多環(huán)芳烴均發(fā)生了降解，此外在好氧條件下通常較難降解的姥鮫烷和植烷也發(fā)生了降解。另外，還有人分離出了在缺氧條件下能降解簡(jiǎn)單芳香烴和脂肪烴的反硝化菌及硫、鐵