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來源:《現(xiàn)代化工》2021年第12期

摘要：通過研究不同類型生物修復技術的修復原理和應用特點，對比在土壤石油污染和海洋石油污染環(huán)境中的修復效果，旨在更好地了解生物修復技術，并對今后的研究重點進行展望。

1 石油污染

石油工業(yè)的快速發(fā)展，一方面大力推動了世界經(jīng)濟的進步，而另一方面，石油污染也成為世界關注的環(huán)境問題。全球每年約有800萬t的石油污染物通過不同形式進入生態(tài)環(huán)境，我國每年有約60萬t石油污染物，這些污染物給海洋、土壤、河流和地下水等生態(tài)環(huán)境造成巨大污染?，F(xiàn)今石油污染主要體現(xiàn)在2方面：一是土壤的石油污染，二是海洋的石油污染。

1.1 土壤石油污染

土壤石油污染多出現(xiàn)在油田附近土壤中，油田各處產(chǎn)生的落地原油、油砂、巖屑、泥漿等固體廢棄物等會危害土壤安全。石油進入土壤后會改變土壤的理化特性，如堵塞土壤的孔隙結(jié)構(gòu)，使土壤的透水性降低。石油中大量的反應基與土壤中的無機氮、無機磷結(jié)合，限制硝化作用和脫磷酸作用，從而減少土壤中有效氮、磷含量，導致土壤有機質(zhì)的碳氮比(C/N)和碳磷比(C/P)的變化，導致土壤微生物的生存環(huán)境的惡化，降低土壤活性；另外，石油中鹵代烴、苯系物和多環(huán)芳烴等致畸、致癌、致突變的物質(zhì)進入土壤后，能夠富集在植物和動物體內(nèi)，在食用了這些受石油污染的生物后，人類和動物的健康會受到威脅。根據(jù)《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》統(tǒng)計，我國土壤中多環(huán)芳烴點位超標率超過1.4%。在勝利、大慶油田百米范圍內(nèi)的土壤石油烴總量大多超過臨界值（500 mg/kg），而在遼河油田重度污染區(qū)內(nèi)，這一數(shù)值更是達到10000 mg/kg，石油污染已經(jīng)成為我國最嚴重的土壤問題之一。

1.2 海洋石油污染

海洋石油污染的主要來源為海底溢油、海上井噴事故和運輸事故造成的溢油，后者屬于人類活動引起的突發(fā)性溢油，對環(huán)境影響最為嚴重。據(jù)統(tǒng)計，每年海上油井井噴事故和運輸事故造成的溢油高達2.2×107t。溢油污染的危害主要體現(xiàn)在2方面，首先是溢油會迅速擴散形成油膜，影響海氣交換和植物的光合作用，導致水體嚴重缺氧，威脅海洋生物生存，同時，油污附著在海洋生物上，對生物呼吸、捕食、繁殖等行為產(chǎn)生影響；二是石油中多環(huán)芳烴等有毒物質(zhì)會導致海洋生物中毒和死亡，研究顯示，當海水中石油濃度在0.1-1.0 mg/m3時，魚類早期發(fā)育和魚卵生長均會受到影響，而人類在食用了富集有毒物質(zhì)的海洋生物后，健康也會受到威脅。我國海上溢油事故頻發(fā)，1973—2006年間，我國共發(fā)生海上船舶溢油事故2635起，其中50t以上的重大船舶溢油事故69起，總溢油量超過3.7萬t。全國海洋環(huán)境監(jiān)測顯示，我國近海有5.6萬km2海域的含油量超過Ⅰ、Ⅱ類海水水質(zhì)標準，污染形勢日益嚴重。隨著社會的發(fā)展，人類對石油及其制品需求不斷增長，在石油的開采、運輸、裝卸以及利用過程中溢油事故頻繁發(fā)生，為降低石油污染對生態(tài)環(huán)境的破壞，除了加強對石油開采和運輸?shù)墓芾硗?，對石油污染的治理以及污染受損地區(qū)和海域生態(tài)功能修復的研究越發(fā)受到關注。根據(jù)處理方法的不同，石油污染治理分為物理修復、化學修復和生物修復，其中，生物修復是通過生物代謝降低石油污染，代謝產(chǎn)物為水、二氧化碳等穩(wěn)定、無害的物質(zhì)，因此，相比于其他2種方法，雖然生物修復研究歷史較短，但是卻擁有廣闊的應用前景。

2 生物修復技術

生物修復是指利用生物，特別是微生物催化降解環(huán)境污染物，減小或最終消除環(huán)境污染的受控或自發(fā)過程，是在微生物降解基礎上發(fā)展起來的新興的環(huán)保技術。相比于傳統(tǒng)的化學修復和物理修復，生物修復具有投資小、操作簡單、不易產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點。20世紀80年代末，生物修復技術首次成功應用于Exxon Vadez油輪石油泄露事故中，短期內(nèi)清除了溢油污染，取得了明顯成效。生物修復技術按照修復主體的不同可分為微生物修復、植物修復和動物修復。微生物修復在海洋石油污染和土壤石油污染中均有廣泛應用，是研究最多的生物修復技術，目前已發(fā)現(xiàn)共200多種，歸屬100余屬的微生物能夠有效降解石油，包含了細菌、真菌、霉菌和藻類等微生物類群。植物修復和動物修復主要應用于土壤石油污染中，利用植物和動物對石油的吸收、分解、吸附或其他作用來去除石油。盡管生物修復技術主體不同，實施場地也有所差異，但是微生物在石油生物修復過程中不可或缺。此外，生物修復必須遵循3個原則：

①使用適合的修復生物，即指具有生理和代謝能力并能降解石油污染物的生物。許多情況下，生物地點就有降解生物，特別是微生物存在，若不足，則可選擇加入外源生物；

②在適合的地點，是指要有污染物和適合的生物相接觸的地點；

③有適合的環(huán)境條件，相比于化學修復和物理修復，生物修復更易受外界環(huán)境影響，如石油污染濃度，當石油濃度過高時生物無法存活，需要經(jīng)過預處理后方可進行生物修復；外界理化因子，如溫度、鹽度和pH等也會影響生物生長、繁殖，因此需要通過控制或改變環(huán)境條件，使生物的代謝和生長活動處于最佳狀態(tài)

2.1 微生物修復

在長期受石油污染的環(huán)境中，如海底溢油區(qū)域和油田附近土壤中，會形成一些專以石油為碳源的微生物群，這些微生物能夠分解代謝石油，且數(shù)量是未受污染地區(qū)的若干倍，通過馴化或誘導后，這些自然的微生物群可以用來治理石油污染，微生物修復技術由此發(fā)展而來。研究證明，微生物通過生物氧化過程分解石油，但是由于微生物種類的多樣性以及石油化合物化學結(jié)構(gòu)的復雜性，生化降解的途徑非常復雜，不同的微生物對各石油組分的利用方式和降解產(chǎn)物也不相同，主要包括3種途徑：

①將石油烴分解為CO2和H2O

②將石油烴轉(zhuǎn)化為微生物的蛋白質(zhì)、核酸氨基酸和多糖等生命物質(zhì)；

③將石油烴轉(zhuǎn)化為醇、苯酚、醛、脂肪酸等物質(zhì)。一般來說，微生物對飽和烴，特別是飽和烴中的直鏈烷烴的降解能力最強；其次為二環(huán)和三環(huán)的芳香烴，而環(huán)數(shù)為5個及以上的芳香烴難以被微生物降解；膠質(zhì)和瀝青最難被微生物降解。石油污染區(qū)域中，降油微生物的種類和數(shù)量會有明顯的上升，跟石油污染的程度呈正相關，表明石油污染能夠促進降油微生物的增殖。但是，在自然條件下，石油的微生物降解速度較慢，因此需要用一些強化措施來加速這一進程。常用的強化措施包括生物強化和生物刺激。

2.1.1 生物強化

生物強化指在石油污染區(qū)域投加外來的降油微生物，此類微生物通常是經(jīng)過篩選而來，具有高效的石油去除能力。大量研究表明，添加外源降油微生物能夠提高石油的降解速率，如Li等從渤海灣中分離出5株高效石油降解菌TCOB1~TCOB5，并將TCOB4和TCOB5聯(lián)合應用于石油污染濃度為2%(w/v)的鹽水修復中去，1周后水體的石油降解率達到51.87%，比空白組土著微生物高出數(shù)倍。Hassanshahian等從波斯灣受石油污染的水體和底質(zhì)中分離出18種降油細菌，15 d試驗結(jié)果顯示，其中3株對于萘的降解率超過80%，遠高于空白組的6.72%。慕慶峰等從大慶油田油污地中篩選獲得了16株石油烴降解優(yōu)勢菌，并用其中2株DPF2和DPF4進行聯(lián)合試驗，結(jié)果顯示，60d對石油污染強度為10和20土壤的降解率分別達到94.12%和90.17%。但是，也有研究結(jié)果表明，添加外源細菌對石油降解效率并沒有明顯提升，甚至比原先效果更差，如何云馨的研究結(jié)果顯示，添加外源降油細菌后，受污土壤中飽和烴和芳香烴的去除效果分別比空白組降低了4.60%和26.19%；造成這一現(xiàn)象的原因可能有2個，一是外源細菌與土著微生物存在競爭關系，相互抑制生長，降低了微生物活性；二是相比于實驗室條件，現(xiàn)場修復受外界環(huán)境，如溫度、鹽度、風、浪、捕食等影響較大，這些可能對外源細菌生長、繁殖產(chǎn)生影響。因此，在現(xiàn)實微生物修復處理中，要因地制宜，選擇合適的外源細菌進行修復。

2.1.2 生物刺激

生物刺激是指向石油污染區(qū)域添加營養(yǎng)鹽或表面活性劑等來促進微生物降解石油。在石油污染區(qū)域中，石油烴往往是微生物唯一的碳源，易導致微生物生長緩慢，通過外加碳源能夠促進微生物生長，提高石油降解效率。如蘭貴紅等以玉米淀粉作為微生物外來碳源，修復質(zhì)量比為2.3%的土壤石油污染，40d的石油降解率達到67.25%，效果顯著。另外，石油污染會造成區(qū)域碳含量急劇增加，從而使氮、磷等營養(yǎng)元素成為微生物生長的限制因子，特別是在海洋環(huán)境中，氮、磷濃度原本就較低，添加限制級營養(yǎng)元素能明顯提高微生物數(shù)量，促進石油降解。楊茜等研究證明，添加氮磷營養(yǎng)鹽的處理組8周的石油烴降解率能到達59.7%，遠高于其他組；Zhao等的研究也表明，在3%的石油污染底質(zhì)修復過程中，添加氮磷營養(yǎng)鹽后，微生物活性和石油去除效率均有明顯提升；雖然添加營養(yǎng)元素能夠有效提升微生物的石油降解效率，但是還需要評估對生態(tài)環(huán)境的影響，如在土壤中加入過多肥料會影響植物和農(nóng)作物生長，還會污染地下水；而在海洋等水域環(huán)境中，添加過量的氮、磷營養(yǎng)元素，會導致水體富營養(yǎng)化，誘發(fā)赤潮，形成二次污染。表面活性劑能夠分散石油烴組分，使得微生物和石油充分接觸，從而提高石油降解效率，常見的表面活性劑有非離子表面活性劑、生物表面活性劑和化學表面活性劑等。越來越多的研究發(fā)現(xiàn)，添加表面活性劑能夠促進微生物生長、繁殖，提高石油降解效率。Moldes等從戊糖乳桿菌（Lactobacillus pentosus）中提取生物表面活性劑，并應用于辛烷值濃度為700、7000 mg/kg的污染土壤中，30 d的去除效率均達到76%，分別是空白組的63.3、3.2倍。生物表面活性劑來源于生物，因此應用過程中不會產(chǎn)生二次污染，是一種既高效又安全的生物刺激方法，應用前景廣闊，缺點是價格相對較高。值得注意的是，在使用表面活性劑時，需要測試對微生物的影響，有研究證實表面活性劑對微生物有一定的毒性，會抑制細菌的生長。生物強化和生物刺激對石油降解效率的提高，不同研究的結(jié)論不盡相同，張秀霞等研究證明，生物強化，即外接微生物的接種量是影響土壤石油降解的最重要因素，氮、磷營養(yǎng)元素影響較大，表面活性劑次之；也有研究顯示，加入表明活性劑和氮、磷營養(yǎng)物質(zhì)的處理效果要比投加外源細菌好。這可能是因為，由于環(huán)境修復的不同，各處理的效果受影響的程度存在差異。而在現(xiàn)實微生物修復過程中，生物強化和生物刺激往往是同時進行的，二者結(jié)合石油去除效果更好。

2.2 植物修復

植物修復技術興起于20世紀50年代，主要應用于土壤污染的修復中，具有成本低、環(huán)境影響小、能使地表長期穩(wěn)定等特點，同時能改善土壤理化性質(zhì)，消除污染土壤周圍的大氣和水體中的污染物，有利于改善生態(tài)環(huán)境。植物的修復能力取決于所選擇植物的生物量、遺傳特性、根系發(fā)育狀況和年齡等因素，根系發(fā)達的植物能更有效地吸附和降解有機物質(zhì)。理想的修復植物應當具有污染耐受性強、生長快、生物量大等特點。植物對石油的去除可分為3種途徑：①植物直接吸收、分解和利用石油化合物，通過木質(zhì)化、礦化等作用將其轉(zhuǎn)化為自身組分或是CO2、H2O。②根際修復機制，一方面植物釋放有機酸、乙醇和蛋白質(zhì)等根系分泌物，促進根區(qū)微生物生長、繁殖；另一方面微生物也有助于植物生長，從而提高石油去除效率，該途徑是植物修復中石油降解的主要方式。③植物的礦化作用，即通過改變土壤的物理、化學性質(zhì)，促進石油降解。因此，植物修復本質(zhì)上是一種土壤-植物-微生物共同作用的復合修復系統(tǒng)。大量的植物能夠參與到石油污染的修復中去，如黑麥草、紫花苜蓿、牽?；?、高羊茅、翅堿蓬、鳳仙花、蘆葦和大豆等均能有效提高石油去除率。Cai等發(fā)現(xiàn)鳳仙花對10000mg/kg以下石油烴濃度土壤有很好的耐受性，種植后根際細菌和真菌迅速增殖，對5000、10000mg/kg石油烴污染土壤的平均去除率分別達到65.03%、55.50%，是自然條件下的2倍。Zhang等利用牽?；ㄐ迯唾|(zhì)量分數(shù)0.5%污染的石油土壤，127 d的石油去除率為67.42%，比空白組高31.81%，且飽和烴去除率達到了82.52%，修復效果明顯。相比于單獨的植物修復，建立植物-微生物的聯(lián)合修復體系能夠更加有效去除石油污染，植物的代謝分泌物質(zhì)能夠促進根際微生物的生長，而微生物的存在可以提高植物對外界污染的抵抗力。劉永軍等建立黑麥草-不動桿菌聯(lián)合體系修復土壤石油污染，效果顯著，體系中60 d的微生物脫氫酶活性達到637.73μg/(g·d)，是單獨加黑麥草處理組的3.52倍，150 d的石油去除率達到53.08%，是單獨加黑麥草處理組的1.23倍；張麗等通過中試研究，發(fā)現(xiàn)堿蓬-降解菌的聯(lián)合修復體系能夠更加有效促進石油烴降解菌的繁殖和生長，修復期間細菌平均值達到7.2×105個/g，2個月的石油烴降解率達到47.3%，高于單獨加堿蓬處理組的36.1%。不同的植物對石油污染的去除效果存在差異，這與植物的總生物量、生長速率和根系發(fā)育情況有關。研究發(fā)現(xiàn)，相同環(huán)境條件下，牽?；ǖ氖蜔N降解效率要高于紫茉莉，這一方面是因為牽?；ǖ纳锪枯^大，另一方面是牽?；ǜ置谖锔艽碳の⑸锷L。丁正等比較了狗牙根、黑麥草、高羊茅的石油修復效果，發(fā)現(xiàn)石油去除效率與植物的莖鮮重和總鮮重呈正相關關系，生物量較大的高羊茅和黑麥草的石油降解率明顯高于生物量較小的狗牙根；董亞明等研究也證實了蘆葦、沙棗和檉柳的石油去除效率高低依次為蘆葦>沙棗>檉柳。另外，在植物修復的不同階段，石油的降解速率也有所不同，一般認為修復前期降解速率較快，越到后期降解速率越慢，這可能是因為后期殘留的都是難以降解的成分，導致微生物數(shù)量和活性降低。

2.3 動物修復

研究發(fā)現(xiàn)，某些動物可提高土壤通氣效果，促進需氧微生物的繁殖，也可促進石油烴與微生物的充分接觸，同時自身還能夠富集和代謝石油類污染物，從而可以應用于石油污染修復之中。相比于微生物和植物修復方法，能夠應用于石油污染修復的動物種類相對較少，現(xiàn)在研究較多的是利用蚯蚓、沙蠶和線蟲等修復土壤石油類污染。Ramadass等將體重為0.31~0.39 g，生長狀況良好的蚯蚓應用于南澳大利亞受機油污染土壤中，發(fā)現(xiàn)一定濃度的石油烴組分能夠在蚯蚓體內(nèi)富集，并刺激蚯蚓的生長，同時對10 g/kg的機油污染土壤石油烴去除效果最好，28d降解率超過60%，比空白組高3倍。Tian等發(fā)現(xiàn)，雙齒圍沙蠶可以通過生物擾動作用，增強沉積物再懸浮過程，將沉積物中石油烴組分帶到水體中降解，從而降低石油烴含量。蔡富才等研究也表明，雙齒圍沙蠶在短期內(nèi)能夠?qū)庞忻黠@的富集作用。

2.4 微生物-植物-動物聯(lián)合修復

越來越多的研究表明，相比于單一的修復生物，建立微生物-植物-動物的聯(lián)合生物修復體系能夠更加有效地降解石油，動物的生物擾動可以增加土壤中的氧氣和孔隙率，為植物和微生物提供更加適合的生長條件，同時植物的根際作用也能刺激微生物生長，提高石油降解效率。He等建立了惡臭假單胞菌+翅堿蓬+沙蠶的聯(lián)合生物修復體系降解土壤石油，結(jié)果表明，相比于翅堿蓬、翅堿蓬+微生物等處理方法，翅堿蓬+微生物+沙蠶處理組對石油烴和多環(huán)芳烴的去除率有顯著提高。此外，沙蠶還能夠改善土壤的pH，增強土壤酶活性。

2.5 生物電化學修復

生物電化學修復是一種新型的生態(tài)修復技術，融合了生物學、電化學和化學等多門學科，原理是利用微生物催化氧化有機污染物。相比于傳統(tǒng)的生物修復技術，生物電化學修復將生物修復和能源再生結(jié)合，不但能夠有效去除石油污染，而且在修復污染的同時可以產(chǎn)生可觀的生物能。研究表明，利用微生物燃料電池（MFCs）等技術能夠有效去除環(huán)境石油污染：郭璇等利用MFCs處理油田含油廢水，結(jié)果表明，水體石油含量去除率達到(81.8±3.0)%，同時能夠有效利用石油廢水中的碳源產(chǎn)電。Adelaja等研究發(fā)現(xiàn)MFCs的石油污染去除效果受鹽度和溫度的影響，60 d的試驗結(jié)果顯示，當鹽度為1%，石油烴降解率達到91.6%，溫度為40℃時，石油烴降解率達到97.1%。Li等利用生物電化學技術修復土壤石油污染，發(fā)現(xiàn)加入沙子能夠增加土壤空隙率，從而有效提高土壤中氧氣和質(zhì)子轉(zhuǎn)移，135d的試驗表明，相比于對照組，添加沙子后石油烴降解率提高了268%。

3 問題與展望

生物修復技術以成本低、見效快和不易二次污染等優(yōu)勢被越來越多地應用于石油污染的修復中。目前，國內(nèi)外的研究主要集中于微生物修復技術，對植物修復、動物修復特別是聯(lián)合修復體系還需要進一步進行研究。另外，微生物修復雖然優(yōu)勢明顯，但是也有一定的局限性，一般來說，生物修復技術在低濃度石油污染環(huán)境中修復效果較好，高濃度石油則不利于修復生物的生長、繁殖，此時就需要先用物理修復或化學修復進行預處理，降低石油濃度后進行生物修復，一方面可以提高生物修復效率，另一方面也可以回收石油，適當挽回經(jīng)濟損失。此外，不同的修復生物對諸如溫度、鹽度和pH等環(huán)境因素的要求也不盡相同，在進行生物修復時，需要因地制宜，選擇合適的生物進行修復，這樣才能取得更好的修復效果。

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