肖梓軍，張新惠，郝日詩，亓瑞倩，呂建仁

(1.中國石油大學(華東)生物工程與技術中心，青島 266555；2.中國石油大港石化公司，天津 300280；3.英國曼徹斯特大學 物理與天文學院生物物理系，英國曼徹斯特 M13 9PL)

環(huán)烷酸是一類一元飽和羧酸，一般分子中含有一個或多個飽和環(huán)，可以用通式 CnH2n+zO2表示，n代表碳原子數，z= 2、 4、…、 12分別代表含有一個、二個、…、六個飽和環(huán)的環(huán)烷酸(圖1)。當z=0時，環(huán)烷酸中不含有環(huán)狀結構，但這種環(huán)烷酸并不像脂肪酸那樣是直鏈狀的，而是有很多烷基鏈分枝。環(huán)烷酸自然存在于原油和油砂中，前者中環(huán)烷酸的含量一般為10000～20000mg/kg，后者中的平均含量大約為200 mg/kg。環(huán)烷酸被認為是煉油廠污水和油砂尾礦污水中最有毒性的成分之一[1]。而且環(huán)烷酸在工業(yè)中有多種用途，這也增加了環(huán)烷酸釋放到環(huán)境中的途徑。釋放到環(huán)境中的環(huán)烷酸是非常有害的，特別是對于水生環(huán)境中的生物。已有研究證實環(huán)烷酸對很多種動物、植物和微生物有抑制或毒害作用。研究環(huán)烷酸降解、消除其環(huán)境危害刻不容緩。近幾年隨著我國環(huán)保要求的提高，國內石油煉制業(yè)和剛要出現的油砂開采業(yè)普遍面臨著環(huán)烷酸污水處理難的問題。因此，本文就國內外最新環(huán)烷酸降解研究的進展進行了綜述，并展望了今后幾個值得關注的研究方向。

為了解決環(huán)烷酸類污水的治理問題，有一些學者嘗試了除降解之外的其他一些辦法，如國內于永輝等[2]對環(huán)烷酸污水進行了絮凝氣浮法處理小試和中試實驗研究，以聚合硫酸鐵和陰離子聚丙烯酰胺為絮凝劑，在優(yōu)化的實驗條件下，CODCr去除率達到83.1%。但要想從根本上徹底解決環(huán)烷酸的環(huán)境危害問題，需要將含環(huán)烷酸污水完全或部分降解到無毒無害的水平才能排放到環(huán)境中。國內外學者在這方面做了大量的工作，特別是近些年隨著油砂資源的大量開發(fā)、油砂處理污水的大量積聚，使得這一問題尤為突出并成為一個新的研究熱點。其中生物降解法報道最多、研究也最為深入，而且被認為是經濟上最可行的。環(huán)烷酸可以在一定程度上被微生物降解，不但一方面濃度降低，而且另一方面毒性也降低[3]。這方面的研究已經在國外成為一個新的研究熱點。

圖1 一些環(huán)烷酸的分子結構，其中R表示烷基，z表示缺氫率，m表示CH2基團的數目Fig.1 Sample naphthenic acid structures where R is an alkyl chain，z describes the hydrogen deficiency，and m is the number of CH2units.

1生物法

至今人們對環(huán)烷酸在自然界中的產生和變化研究仍較少[4]。在自然界水環(huán)境中，環(huán)烷酸的降解途徑少為人知。根據過去的研究結果可知，水體中的環(huán)烷酸能抵抗微生物的降解。經過很長一段時間后，環(huán)烷酸會在水環(huán)境的沉積物中聚集。由于環(huán)烷酸組成的復雜性，至今人們沒有找到某一特定高效能降解所有環(huán)烷酸分子的微生物物種，而是試圖從不同的小環(huán)境中富集篩選一些微生物群落。對于代謝機理的研究，通常是利用色譜與質譜聯用分析技術、同位素示蹤等手段。

1.1 不同微生物群落對環(huán)烷酸的降解

Herman等[5]從油砂尾礦池中富集得到微生物群落，能以商品化的環(huán)烷酸或從油砂尾礦池中提取到的環(huán)烷酸作為唯一碳源生長。商品化的環(huán)烷酸經微生物作用后，大約48%的有機碳轉化為CO2，用Microtox檢測時發(fā)現毒性完全消失。而源自尾礦池的環(huán)烷酸經微生物作用后，大約有20%的有機碳被礦化，同時毒性大約降低了一半。Clemente等[6]詳細地研究了來源于油砂礦尾池中的微生物在有氧狀態(tài)下對兩種商品化環(huán)烷酸的降解情況。10d以后，環(huán)烷酸的濃度由約100mg/L降到小于10mg/L；20d以后，大約60%的環(huán)烷酸轉化為CO2。培養(yǎng)物上清液的毒性也有所降低，經過43～45d以后毒性不再檢出。Scott等[7]也研究了有氧狀態(tài)下油砂尾礦池微生物對四種商品化環(huán)烷酸和兩種尾礦池環(huán)烷酸的降解情況，發(fā)現商品化環(huán)烷酸較尾礦池環(huán)烷酸具有較小的分子量。經過14d，商品化環(huán)烷酸降解完全；但是即便經過40～49d，只有大約25%的尾礦池環(huán)烷酸降解。

Del Rio等[8]研究了沉積物微生物群落對油砂處理水中環(huán)烷酸的降解。在加拿大阿爾伯塔省選取了11處濕地，其中包括自然狀態(tài)的濕地、受油砂采礦影響的濕地和一處尾礦池。前兩種濕地由于水質的差別可以明顯地分成兩組。從一處正在使用的尾礦池中，以商品化的環(huán)烷酸為唯一碳源富集并篩選得到兩株細菌，經鑒定為惡臭假單胞菌(Pseudomonas putida)和熒光假單胞菌(Psudomonas fluorescens)。氣相色譜與質譜聯機定量分析顯示，當這兩株細菌共同培養(yǎng)時，可以降解超過95%的商品化的環(huán)烷酸，并能部分降解油砂處理水中的環(huán)烷酸，而殘余的未降解的環(huán)烷酸的成分與年久的濕地中的環(huán)烷酸成分相類似。

Biryukova等[9]從阿爾伯塔省當地的五種植物的根部土壤中經過4個月的富集得到一個微生物群落，它能以添加到培養(yǎng)基中的瀝青(0.5%)為唯一碳源生長。在有氧條件下，這個群落對商品化的環(huán)烷酸具有很高的降解潛力。經過10d的微生物作用后，環(huán)烷酸的濃度降低了90%，而滅菌后作為對照實驗中的環(huán)烷酸濃度卻未發(fā)生顯著變化。在第17d，由于環(huán)烷酸的分解代謝，伴隨著微生物菌體數量的上升，培養(yǎng)物中源自細胞膜的離子變得非常豐富。

從上述一些研究結果來看，微生物群落對有毒環(huán)烷酸的降解還是很有成效的，有的環(huán)烷酸組分被徹底降解異化為CO2，有的組分被菌體同化吸收或轉化為其它無毒的分子，使得水中環(huán)烷酸的濃度和毒性都得到有效降低。

1.2 環(huán)烷酸代謝規(guī)律之一：低分子量組分優(yōu)先降解

Clemente等[6]用氣相色譜與質譜聯機分析礦尾池微生物對環(huán)烷酸降解前后的樣品，結果表明微生物改變了環(huán)烷酸的組成，具有更小分子量的環(huán)烷酸組分更有利于生物降解。Scott等[7]的研究結果也顯示，低分子量的環(huán)烷酸(碳原子數少于等于17)較高分子量的環(huán)烷酸(碳原子數多于等于18)更易生物降解。Biryukova等[9]在根際微生物群落培養(yǎng)過程中，也發(fā)現環(huán)烷酸中低分子量的組分優(yōu)先降解，而高分子量組分的相對含量有所上升。

1.3 環(huán)烷酸代謝規(guī)律之二：環(huán)數少的組分優(yōu)先降解

Lai等[10]用14C標記的環(huán)烷酸替代物十氫萘甲酸實驗研究發(fā)現，尾礦池微生物群落可以礦化飽和環(huán)連在一起的環(huán)烷酸。經過8星期后，此化合物中14C標記的碳原子有 2%～ 4%轉化為 CO2。Holowenko等[11]觀察到在一些油砂尾礦池中能產生甲烷，并在實驗室中，向一些環(huán)烷酸替代物溶液中加入一些污水處理廠的污泥或者油砂尾礦渣，檢測這些化合物是否可以產生甲烷。利用污泥作為接種源時，環(huán)己烷戊酸的側鏈、環(huán)己烷丙酸的側鏈和飽和環(huán)都可以代謝為甲烷，然而產甲烷微生物不能夠利用14C標記的十氫萘甲酸。Clemente等[6]在用氣相色譜與質譜聯機分析礦尾池微生物對環(huán)烷酸降解前后的樣品時同時發(fā)現，具有更少環(huán)數的環(huán)烷酸更有利于生物降解。DelRio等[8]發(fā)現用14C標記的環(huán)己烷甲酸在所有的沉積物微生物群落中14d時的降解的程度基本一致，大約都在30%左右。然而，用14C標記的十氫萘甲酸在自然狀態(tài)的濕地和尾礦池沉積物微生物群落中的降解率都明顯偏低。

Han等[12]定量研究了環(huán)烷酸分子結構與微生物降解難易之間的關系和有氧條件下微生物對商品化環(huán)烷酸和尾礦池中環(huán)烷酸的降解動力學過程，發(fā)現商品化環(huán)烷酸中含有一部分易變的、非常容易生物降解的成分和一部分高度分枝化的、非常難降解的成分，然而尾礦池中的環(huán)烷酸主要都是難降解的，降解緩慢并遵循一級反應動力學過程，并且飽和環(huán)數目的增加會降低降解速率。

1.4 環(huán)烷酸代謝規(guī)律之三：烷基鏈分枝化程度低的組分優(yōu)先降解

Herman等[5]認為，在有氧條件下含有烷基取代基的環(huán)烷酸要比不含烷基取代基的環(huán)烷酸更難降解。例如，經過24d的培養(yǎng)，大約有50%的環(huán)己烷甲酸被尾礦池微生物群落礦化為CO2；然而對比明顯的是，只有7%的甲基-環(huán)己烷甲酸和6%的戊基-環(huán)己烷甲酸礦化為CO2。Han等[12]在實驗室中，發(fā)現所有商品化環(huán)烷酸的半衰期為1～8d；而從尾礦池中得到的環(huán)烷酸的半衰期為44～240d，推測其原因可能是來自尾礦池的環(huán)烷酸具有更高的烷基鏈分枝程度。Smith等[13]合成了多種具有分枝烷基鏈的環(huán)烷酸替代物，并用沉積物微生物群落對其降解研究。結果發(fā)現，烷基鏈分枝化程度越高，環(huán)烷酸替代物越難降解，而且降解的程度越低，代謝產物為降解不完全的環(huán)烷酸分子，推測是由 氧化過程產生的。

2 光解法

除了上述生物法外，光解法也是比較經濟的一種方法。McMartin等[14]用紫外光和可見光分別照射處理含有環(huán)烷酸和環(huán)烷酸替代物的水體，研究光照對污染物濃度和毒性降低的作用。結果顯示，所試驗的河流表層水經光照處理后，環(huán)烷酸和環(huán)烷酸替代物的濃度都沒有顯著的降低，光照只是在一定程度上改變了污染物的結構組成和毒性，并證實了用波長為254 nm的紫外線照射對這些結構組成和毒性的改變是最有效的。

Headley等[15]研究了藍綠藻、綠藻和硅藻對環(huán)烷酸光降解的影響，可以認為這是一種生物法與光降解相結合的一種方法。經過14d，約5.5 mg/L的環(huán)烷酸替代物4-甲基環(huán)己烷乙酸完全消失，推測是在硅藻 Naviculla sp.催化作用下光降解的。然而，除了綠藻 Selenastrum sp.外，其它的藻類對油砂處理水中的環(huán)烷酸沒有降解的跡象。硅藻對環(huán)烷酸光降解的差異性可能是源于對不同環(huán)烷酸組分的轉運機制、濃度及化學結構的差異性。

Headley等[16]最近還研究了在二氧化鈦催化作用下太陽光對環(huán)烷酸及環(huán)烷酸替代物(4-甲基環(huán)己烷乙酸)的降解作用。經8h照射，約有75%的環(huán)烷酸降解，而4-甲基環(huán)己烷乙酸卻100%降解。在黑暗的環(huán)境中，兩者都未觀察到降解。環(huán)烷酸中各種組分降解的程度是不一樣的，分子中少于或等于三個環(huán)的環(huán)烷酸具有更高的降解效率。這種降解效率的差異可能源于不同環(huán)烷酸組分的化學結構和分子大小的差異。當環(huán)烷酸的環(huán)數多于三個時，空間位阻作用可能是影響光解效率的一個關鍵因素。

3 臭氧法

一般認為，自然的生物降解是消除油砂處理水毒性的最經濟的方法。然而，在油砂尾礦池中，即使經過很長的一段時間，環(huán)烷酸經自然生物降解的程度仍非常低。有一些尾礦池已經存在10多年了，其中殘余的高分子量的環(huán)烷酸似乎是很難會被自然生物降解的[17]。有間接的現象表明，正在使用中的尾礦池中含有少數飽和環(huán)的環(huán)烷酸能夠很快被生物降解，其余的環(huán)烷酸非常難降解，自然狀態(tài)下通常半衰期為12.8～13.6年[18]。因此嘗試一些高效的化學方法也是有益的。

臭氧氧化是一種高級化學氧化方法。Scott等[19]研究發(fā)現，含環(huán)烷酸初始濃度為59mg/L的油砂處理水，經50min臭氧處理后，用Microtox檢測時發(fā)現毒性完全消除，環(huán)烷酸的濃度也降低了大約70%。經130min后，殘余的環(huán)烷酸降至2mg/L。在這一過程中，總有機碳含量沒有發(fā)生變化，然而化學需氧量(COD)大約降低了50%，5d生化需氧量(BOD5)從最初的2mg/L上升到15mg/L。經氣相色譜與質譜聯機分析發(fā)現，經臭氧處理后，高分子量的環(huán)烷酸組分比例總體下降。

4 氣相氧化法

孔繁玲等[20]較早時就嘗試了采用氣相催化氧化法處理環(huán)烷酸污水。其過程是，空氣經轉子流速計后與經流速計后的廢水進入130～170℃的氣化管，氣化后的廢水與空氣混合后進入裝有催化劑的反應管，在300～400℃內選擇控制反應溫度，然后冷凝收集處理后的廢水。處理后的污水的 COD值低于國家允許的排放標準。其優(yōu)點是處理效果好，工藝流程簡單，投資少，不使用其他化學藥品因而不會形成新的污染。此法的缺點是耗能大，也是催化氧化法處理環(huán)烷酸污水的致命弱點，因此此法的關鍵是采取措施降低能耗。

5 結論及展望

環(huán)烷酸污染問題是伴隨著石油工業(yè)產生的、人們不可回避的一個比較重要的環(huán)境問題，它雖然已經引起了社會和科學界廣泛的關注和研究，但總體而言，至今還沒有找到一種經濟、高效的解決辦法。然而從最近幾年開始，環(huán)烷酸相關研究出現了面越來越廣、內容越來越深的趨勢。其中微生物降解法尤其值得關注，根據上述總結的現有環(huán)烷酸代謝規(guī)律，將來需要有針對性地篩選能降解高分子量的、含多飽和環(huán)的、烷基鏈分枝化程度高的菌株或構建具有相應功能的工程菌株。利用通過各種途徑得到的具有較高環(huán)烷酸降解效率的微生物群落，然后通過向煉油廠污水生化處理池添加相應菌種，或通過對現有環(huán)境條件的控制設計和建立環(huán)烷酸污水處理的人工濕地等方式，完全有可能最終合理妥善地解決環(huán)烷酸污染問題。

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