王紹良, 鄭 立, 崔志松, 高 偉, 李 倩
(1. 青島科技大學(xué) 化工學(xué)院, 山東青島 266042; 2. 國家海洋局第一海洋研究所 海洋生態(tài)研究中心, 山東青島 266061)
固定化微生物技術(shù)在海洋溢油生物修復(fù)中的應(yīng)用
Microorganism immobilized technique and its application in the bioremediation of marine oil spill
王紹良1, 鄭 立2, 崔志松2, 高 偉2, 李 倩2
(1. 青島科技大學(xué) 化工學(xué)院, 山東青島 266042; 2. 國家海洋局第一海洋研究所 海洋生態(tài)研究中心, 山東青島 266061)
海洋石油的勘探開發(fā), 石油加工產(chǎn)品的生產(chǎn)、使用及排放, 海上溢油事故等, 使石油成為海洋環(huán)境的主要污染物之一。據(jù)估計(jì), 全世界每年約有 1.0×1010kg的石油進(jìn)入海洋環(huán)境中, 中國每年排入海洋的石油達(dá)1.15×108kg, 并且呈逐年增長的趨勢[1-2]。2010年4月和7月先后發(fā)生的墨西哥灣鉆井平臺(tái)漏油事故和大連新港儲(chǔ)油碼頭輸油管道爆炸事故給當(dāng)?shù)芈糜螛I(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)及海洋生態(tài)環(huán)境造成了災(zāi)難性的損害。這兩次事故將會(huì)像歷次溢油事故一樣, 對(duì)環(huán)境和人類健康產(chǎn)生長期負(fù)面影響, 其危害可長達(dá)十幾年甚至幾十年[3]。
目前, 消除海洋石油污染的方法主要包括物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)和生物修復(fù)。其中, 生物修復(fù)(bioremediation)是指通過生物催化降解環(huán)境污染物,減少或最終消除環(huán)境污染的受控或自發(fā)過程[4]。該領(lǐng)域的研究目前多集中在石油污染土壤和城市污水的生物修復(fù)方面, 針對(duì)海洋石油污染的生物修復(fù)研究相對(duì)較少[5-6]。
海洋不同于相對(duì)靜止的土壤環(huán)境和相對(duì)封閉的廢水體系, 它是一個(gè)運(yùn)動(dòng)、開放的系統(tǒng)。海水的流動(dòng)性、海洋環(huán)境的多變性給受污染水體和岸灘的生物修復(fù)造成了很大的困難。例如, 海水的流動(dòng)很容易造成投加的生物修復(fù)劑流失, 使區(qū)域內(nèi)降解菌的濃度降低; 外源微生物往往由于對(duì)環(huán)境變化適應(yīng)能力弱而在與土著微生物的競爭中處于劣勢。這迫使我們尋求使外源微生物在受污染區(qū)域長期穩(wěn)定存在的有效方法。
微生物固定化技術(shù)是采用化學(xué)或物理方法, 將游離細(xì)胞定位于限定的區(qū)域內(nèi), 使其保持活性并可反復(fù)利用的技術(shù)[7]。這種技術(shù)具有微生物密度高、作用時(shí)間長、抗不良環(huán)境能力強(qiáng)、微生物流失少等優(yōu)點(diǎn)。將石油降解微生物利用固定化技術(shù)進(jìn)行處理制備成固定化石油污染修復(fù)菌劑, 可以在一定程度上克服海洋石油污染生物修復(fù)方面遇到的困難, 已成為海洋石油污染應(yīng)急處置中很有前景的研究方向。
目前, 固定化微生物技術(shù)已廣泛應(yīng)用于有機(jī)廢水及重金屬廢水污染的治理, 同時(shí)研究還涉及大氣和土壤的污染治理[8]。近幾年, 微生物固定化技術(shù)也逐漸應(yīng)用到石油污染的生物修復(fù)中, 并展示出良好的治理效果。作者針對(duì)該技術(shù)及其應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行了介紹, 并提出今后的研究重點(diǎn), 以期為研究改進(jìn)海洋溢油生物修復(fù)技術(shù)提供新的啟示。
固定化細(xì)胞制備方法按照固定化載體與作用方式的不同, 主要可分為吸附法、包埋法、交聯(lián)法和共價(jià)結(jié)合法等。
吸附法是依靠帶電的微生物細(xì)胞和載體之間的靜電、表面張力和黏附力的作用, 使微生物細(xì)胞固定在載體表面和內(nèi)部形成生物膜的方法, 可分為物理吸附法和離子吸附法。此法較為簡便, 活力損失小,但細(xì)胞與載體作用力小, 易脫落[9]。
包埋法是將微生物細(xì)胞包埋在凝膠的微小空格內(nèi)或埋于半透膜聚合物的超濾膜內(nèi)??煞譃槟z包埋法和半透膜包埋法兩種。凝膠包埋法是將細(xì)胞包埋在各種凝膠內(nèi)部的微孔中而使細(xì)胞固定的方法;而半透膜包埋法是將細(xì)胞包埋在由各種高分子聚合物制成的小球內(nèi)而使細(xì)胞固定的方法。此法簡單, 條件溫和, 穩(wěn)定性好, 包埋細(xì)胞容量高[10]。
交聯(lián)法是利用雙功能或多功能試劑, 直接與細(xì)胞表面的反應(yīng)基團(tuán)(如氨基、羥基、巰基、咪唑基)發(fā)生反應(yīng), 使其彼此交聯(lián)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的固定化細(xì)胞, 其結(jié)合力是共價(jià)鍵。此法制備麻煩, 活力損失較大, 但細(xì)胞與載體結(jié)合較緊[11]。
共價(jià)結(jié)合法是使細(xì)胞表面上功能團(tuán)和固相支持物表面的反應(yīng)基團(tuán)之間以化學(xué)共價(jià)鍵的形式連接,從而制成固定化細(xì)胞的方法。此法的優(yōu)點(diǎn)是細(xì)胞與載體結(jié)合緊密, 不易脫落, 但制備較難, 且活力損失較大[11]。
對(duì)用于海洋石油污染生物修復(fù)的微生物固定化方法的選擇, 需要考慮的主要因素是:
(1) 固定化方法要對(duì)微生物細(xì)胞破壞程度小,盡可能保留微生物的活性, 最好能對(duì)微生物適應(yīng)不利環(huán)境的能力有所提高;
(2) 固定化方法要有良好的穩(wěn)定性, 微生物細(xì)胞不易脫落;
(3) 固定化方法要有較小的空間位阻, 有利于微生物與石油中各種組分的結(jié)合;
(4) 固定化方法要盡量降低成本, 簡化流程, 以利于大范圍應(yīng)用。
以上4種方法各有優(yōu)缺點(diǎn):其中, 共價(jià)結(jié)合法和交聯(lián)法由于制備較難, 活性保留低, 成本高, 細(xì)胞無存活力, 空間位阻較大等缺點(diǎn), 不太適合用于海洋石油降解菌的固定化。而吸附法和包埋法由于具有制備較易, 成本低, 活性保留高, 細(xì)胞有存活力等特點(diǎn), 其應(yīng)用潛力較大。然而, 吸附法需克服與微生物結(jié)合力低, 細(xì)胞易脫落的缺點(diǎn); 而包埋法則需要解決空間位阻較大的問題。
表1 4種固定化方法的比較[12]
固定化細(xì)胞常用載體主要包括有機(jī)高分子載體、無機(jī)載體和復(fù)合載體, 其中有機(jī)高分子載體又分為天然有機(jī)高分子載體和合成高分子載體。
天然高分子載體包括海藻酸鹽、明膠、卡拉膠、海綿、瓊脂等, 一般對(duì)生物無毒性, 傳質(zhì)性能好,但強(qiáng)度較低[13]。
其中海藻酸鹽具有化學(xué)穩(wěn)定性好、無毒、包埋效率高且價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn), 是一種廣泛應(yīng)用的固定化介質(zhì)[11]。但是海藻酸鈣包埋細(xì)胞時(shí), 凝膠顆粒的穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度較差, 需要對(duì)其固定化工藝進(jìn)行改進(jìn)(如組合固定化技術(shù))后才能最終應(yīng)用于海洋溢油環(huán)境修復(fù)。
合成有機(jī)高分子載體材料一般強(qiáng)度較大, 但傳質(zhì)性能差, 在進(jìn)行固定化時(shí), 由于聚合物網(wǎng)絡(luò)的形成條件比較劇烈, 對(duì)微生物細(xì)胞的損害較大[14]。常見的載體有聚乙烯醇、聚丙烯酰胺等。聚丙烯酰胺凝膠在包埋細(xì)胞時(shí), 由于交聯(lián)過程中的放熱以及交聯(lián)試劑本身的毒性, 細(xì)胞在固定化過程中往往失活[15]。聚乙烯醇凝膠具有機(jī)械強(qiáng)度高、化學(xué)穩(wěn)定性好、抗微生物分解、對(duì)細(xì)胞毒性小、廉價(jià)易得等一系列優(yōu)點(diǎn), 因而具有較大的利用價(jià)值[11]。
無機(jī)載體如硅藻土、高嶺土、多孔陶珠、多孔玻璃、氧化鋁、活性炭等, 具有機(jī)械強(qiáng)度大、對(duì)微生物無毒性、不易被微生物分解、耐酸堿、成本低、壽命長等特性, 因而也是一類重要的載體材料[15]。
由有機(jī)載體和無機(jī)載體相結(jié)合, 以實(shí)現(xiàn)性能互補(bǔ)[16]。
對(duì)用于海洋石油污染修復(fù)的微生物固定化載體的選擇, 主要應(yīng)該考慮的是:
(1)固定化載體機(jī)械強(qiáng)度好, 能在一定時(shí)間內(nèi)抵御波浪的沖刷, 沙石的碰撞摩擦等破壞作用;
(2)固定化載體要無毒無害, 本身對(duì)環(huán)境不造成污染, 最好是經(jīng)過較長時(shí)期之后能夠自然分解;
(3)固定化載體還要廉價(jià)易得, 以利于降低成本。
以上幾種固定化載體中, 比較有應(yīng)用潛力的是用作包埋法載體的海藻酸鹽、卡拉膠、聚乙烯醇等和用作吸附法載體的硅藻土等。
另外, 隨著研究的深入, 國內(nèi)外的學(xué)者還開發(fā)出了一些新型固定化方法用于生物催化劑(包括酶和微生物)的固定化, 如溶膠-凝膠固定化法、膜固定化法、超微載體固定化法、無載體固定化法、親和配基固定化法、絮凝吸附固定化法、組合固定化技術(shù)等。其中, 組合固定化技術(shù)可以克服單一固定化技術(shù)本身所固有的缺點(diǎn), 揚(yáng)長避短, 代表了固定化技術(shù)的最新方向[17]。但同時(shí)也要看到, 組合固定化技術(shù)工藝流程較長, 技術(shù)要求較高, 又對(duì)其廣泛應(yīng)用會(huì)造成一定影響。在實(shí)際應(yīng)用中, 需要根據(jù)不同應(yīng)用環(huán)境要求, 綜合考慮所用微生物的特點(diǎn)設(shè)計(jì)方案。
在石油污染微生物修復(fù)方面, 國內(nèi)外專家已經(jīng)取得了很多成果, 在實(shí)際應(yīng)用中也取得了一定的功效。但將微生物與固定化技術(shù)相結(jié)合, 制備固定化微生物修復(fù)劑并用于海洋溢油污染修復(fù)的研究并不多見。在土壤、廢水等的石油烴(包括多環(huán)芳烴)污染生物修復(fù)方面, 已經(jīng)有一些專家開展了將降解菌制備成固定化制劑的研究, 取得的成果和經(jīng)驗(yàn)值得借鑒。鑒于微生物環(huán)境修復(fù)科學(xué)內(nèi)涵的一致性, 其中對(duì)土壤石油污染的修復(fù)技術(shù)可以研究應(yīng)用于岸灘石油污染的生物修復(fù), 而對(duì)廢水石油污染的修復(fù)技術(shù)可以研究應(yīng)用于海洋水體石油污染的修復(fù)。
張秀霞等[18]采用 PVA—H3BO3法固定化芽孢桿菌屬石油降解菌 Y-13, 并制備成微球制劑。產(chǎn)品具有良好的機(jī)械強(qiáng)度、彈性和滲透性、較高的比表面積和孔容, 致密的孔隙結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)證明球形固定化細(xì)菌制劑的降解率比游離細(xì)菌、片狀的固定化細(xì)菌制劑都要高; 固定化細(xì)菌對(duì)pH值的適應(yīng)性也比游離菌更強(qiáng)[18]。該方法選擇包埋法, 使用對(duì)環(huán)境無毒的聚乙烯醇為載體材料, 采用改良的工藝對(duì)石油降解菌進(jìn)行固定化, 并綜合考慮了固定化制劑的機(jī)械強(qiáng)度和制備成本。通過加入活性炭來增加載體孔徑, 提高通透性, 減小了傳質(zhì)阻力, 利用了活性炭本身的吸附作用, 提高了降解效率。
張秀霞等[19]將高效石油降解菌株通過表面吸附固定化方法固定在生物大分子仿生合成得到的納米多孔氧化硅載體上, 構(gòu)建出固定化微生物制劑, 并進(jìn)行了土壤污染的模擬實(shí)驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)固定化微生物對(duì)石油污染物的降解率明顯提高。重復(fù)降解實(shí)驗(yàn)證明,該方法構(gòu)建的固定化微生物對(duì)石油污染物的降解率保持穩(wěn)定[19]。該實(shí)驗(yàn)采用的是吸附法固定化技術(shù), 載體與微生物的結(jié)合并不牢固, 容易脫落, 但其載體材料無毒無害, 微生物活力損失小, 有應(yīng)用于海洋環(huán)境的潛力。
邵娟等[20]用秸稈做載體固定嗜堿芽孢桿菌降解原油, 其原油去除率高于單純投加菌液或者菌液與秸稈混合物的原油去除率。實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)加入無機(jī)鹽離子能夠促進(jìn)嗜堿芽孢桿菌更好地固定于秸稈而生長, 從而提高了其原油去除率。該方法采用了廉價(jià)易得的農(nóng)作物秸稈作為載體, 成本低廉, 無毒無污染, 微生物活力損失小, 而且秸稈具有密度小, 可以漂浮的特點(diǎn), 用于海面浮油的微生物降解將具有十分明顯的優(yōu)勢; 同時(shí)秸稈可以有效吸附油污, 對(duì)微生物與石油污染物的有效接觸有很大幫助。
王坤等[21]利用海藻酸鈉包埋法固定化酚類有機(jī)物降解優(yōu)勢菌, 并用于處理焦化廢水, 得到了很好的有機(jī)物降解效果, 在特定實(shí)驗(yàn)條件下, 原水樣中的COD降解率達(dá)到62%。該方法制得的固定化顆粒機(jī)械強(qiáng)度完全能夠滿足污水處理工藝長時(shí)間運(yùn)行的需要[21], 并且采用了多菌株共固定化的方法, 制得了復(fù)合微生物固定化菌劑, 可以有效利用不同優(yōu)勢菌之間的協(xié)同降解效應(yīng)[22], 提高降解有機(jī)污染物的范圍和效率。
朱文芳等[23]將高效除油工程菌固定于顆?;钚蕴可? 組裝成固定化微生物反應(yīng)柱, 研究發(fā)現(xiàn)該反應(yīng)柱對(duì)含油廢水的降解效果比游離細(xì)胞有明顯提高,并發(fā)現(xiàn)微生物經(jīng)過固定化后, 對(duì)pH變化的耐受力顯著增強(qiáng)。該方法在處理含油廢水時(shí)同時(shí)利用了活性炭的吸附作用和微生物的降解作用, 提高了整體的降解效率, 但因需要特殊的廢水處理設(shè)備, 在應(yīng)用于海水石油污染的修復(fù)時(shí)會(huì)有一定的局限性。
許振文等[24]利用海藻酸鈉包埋法固定化銅綠假單胞菌ZW8制成固定化微生物菌劑, 在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行多環(huán)芳烴蒽的降解實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 與未固定化的菌株相比, 固定化菌株對(duì)蒽有更好的降解效果。同時(shí)實(shí)驗(yàn)還采用在制備固定化菌劑過程中加入硅藻土作為吸附劑的方法, 提高了固定化細(xì)胞降解性能。許振文等[24]認(rèn)為加入硅藻土細(xì)粉, 可以降低固定化細(xì)胞的疏漏, 增加細(xì)胞在載體中的分散性,還可使固定化顆粒表面吸附更多的底物, 利于菌種分解底物, 從而提高蒽降解率。這一現(xiàn)象也有可能是因?yàn)楣柙逋恋拇嬖谠龃罅溯d體的孔徑, 提高了通透性, 減小了傳質(zhì)阻力。
王新[25]等采用聚乙烯醇、海藻酸鈉和活性炭分別對(duì) 3種降解菌進(jìn)行單獨(dú)固定和混合固定, 并用于降解有機(jī)污染土壤中的多環(huán)芳烴芘及苯并[α]芘, 結(jié)果顯示, 固定化微生物對(duì)污染物的降解效果明顯好于游離菌, 同時(shí)混合固定菌的降解效率普遍高于單菌固定的降解效率。該方法采用了混合菌群進(jìn)行固定化, 利用了微生物之間的協(xié)同效應(yīng)[22], 得到了很好的效果。
王新[26]等同樣采用聚乙烯醇、海藻酸鈉和活性炭對(duì)真菌進(jìn)行了固定化, 并采用蓮藕型載體成功解決了真菌菌絲體較大, 需要一定的生存空間和相對(duì)大的好氧空間, 而球形和片形的載體無法滿足的問題。
Quek等[27]利用聚氨酯泡沫塑料(PUF)吸附法固定化Rhodococcussp. F92制成微生物固定化菌劑,并進(jìn)行了原油和成品油的降解實(shí)驗(yàn), 結(jié)果表明固定化微生物和游離微生物對(duì)烷烴的降解效果都能接近90%, 表明該固定化方法對(duì)降解菌的降解能力并未造成影響, 同時(shí)作者認(rèn)為聚氨酯泡沫對(duì)溢油具有吸附作用, 可以阻止浮油向海灘和海岸線的遷移。
Oh等[28]利用能吸附石油的聚氨酯塑料作為載體固定化石油降解酵母細(xì)胞, 并制成可漂浮的泡沫材料, 用來清除溢油污染后的海面油膜。該方法同時(shí)利用了聚氨酯的吸附作用和微生物的降解作用。Oh等測定了不同固定化技術(shù)條件下微生物降解石油的能力, 包括聚氨酯直接固定化、幾丁質(zhì)包埋-聚氨酯固定化、緩釋肥包埋-聚氨酯固定化技術(shù)。結(jié)果表明,各種技術(shù)條件下固定化微生物都有著與游離細(xì)胞一樣好的石油降解能力, 并發(fā)現(xiàn)幾丁質(zhì)-聚氨酯固定化方法的降解能力可以在較長時(shí)間內(nèi)保持較高水平。該技術(shù)結(jié)合了幾丁質(zhì)、緩釋肥、聚氨酯等多種材料,在延長微生物作用時(shí)間、提高效率和穩(wěn)定性等方面取得了較好的效果, 在海面溢油生物修復(fù)方面有較大的應(yīng)用潛力。
Gentili等[29]利用蝦的廢料中的幾丁質(zhì)和脫乙酰殼多糖薄片分別作為烴類降解菌的固定化載體, 制備固定化制劑。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 幾丁質(zhì)和脫乙酰殼多糖可以提高固定化細(xì)菌的存活力和降解活性, 用幾丁質(zhì)構(gòu)建的菌劑在儲(chǔ)存和生物降解方面都有著很好的表現(xiàn)。該方法所用材料廉價(jià)易得, 無污染, 但吸附法結(jié)合力較弱, 其應(yīng)用效果可能會(huì)受影響。
Rahman等[30]利用海藻酸鈣包埋法固定化石油烴降解菌群, 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 固定化過程并未顯著影響微生物的生物降解能力, 并且在 150天的重復(fù)使用實(shí)驗(yàn)中固定化生物降解菌群的降解能力也未顯著衰退。該實(shí)驗(yàn)采用多種石油降解菌, 并對(duì)固定化菌劑進(jìn)行了重復(fù)使用實(shí)驗(yàn), 證明了該方法的有效性和穩(wěn)定性。
Díaz等[31]利用聚丙烯纖維作為載體吸附固定化石油降解微生物菌群MPD-M。結(jié)果表明, 固定化顯著提高了微生物菌群對(duì)石油的降解率, 并且與游離微生物菌群相比, 固定化微生物菌群在不同鹽度環(huán)境中表現(xiàn)得更加穩(wěn)定。在180 g/L的高鹽環(huán)境下, 固定化微生物菌群的降解效果比游離微生物菌群高4~7倍。親油性載體的使用也提高了微生物對(duì)石油的利用效率。該技術(shù)使石油降解菌群可以在極寬的鹽度范圍內(nèi)使用, 大大擴(kuò)展了石油降解菌群的使用范圍和環(huán)境適應(yīng)能力。
固定化微生物技術(shù)將高效石油降解微生物定位于限定的區(qū)域內(nèi), 有效克服游離的微生物在海洋溢油污染生物修復(fù)過程中容易流失等問題, 提高微生物適應(yīng)海洋復(fù)雜環(huán)境的能力, 進(jìn)而提高溢油修復(fù)效果, 其應(yīng)用前景廣闊。
今后的研究方向主要集中在3個(gè)方面:
(1) 尋找合適的固定化載體
應(yīng)用于海洋溢油污染的固定化載體首先應(yīng)是環(huán)境友好型載體, 其本身對(duì)環(huán)境無污染; 同時(shí)還要具有一定的機(jī)械強(qiáng)度; 與微生物結(jié)合緊密; 傳質(zhì)阻力小并且廉價(jià)易得。
(2) 開發(fā)新的固定化技術(shù)
微生物固定化技術(shù)要盡可能保持微生物的活性,對(duì)微生物細(xì)胞破壞程度較小; 還要降低成本, 簡化工藝流程, 以利于大范圍應(yīng)用; 另外要向復(fù)合菌群和組合載體固定化方面開展研究, 充分利用多種微生物之間的協(xié)同降解效應(yīng)和多種載體的優(yōu)點(diǎn)。
(3) 海洋溢油微生物固定化的應(yīng)用技術(shù)研究
積極開展中試實(shí)驗(yàn)和污染現(xiàn)場實(shí)驗(yàn), 根據(jù)不同海洋環(huán)境開發(fā)具有針對(duì)性的固定化微生物菌劑。例如針對(duì)海面溢油的修復(fù)開發(fā)可以漂浮的固定化菌劑技術(shù), 針對(duì)海洋環(huán)境中營養(yǎng)鹽缺乏的情況開發(fā)固定化菌體-緩釋營養(yǎng)鹽復(fù)合制劑等, 最終開發(fā)出一整套系統(tǒng)化針對(duì)溢油污染的高效生物修復(fù)工藝體系, 為溢油污染的治理修復(fù)提供有效的技術(shù)保障。
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X55 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1000-3096(2011)12-0127-05
2011-02-17;
2011-07-12
國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41076108; 40906062); 公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(200705011); 國家海洋局近岸海域生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目(201008); 國家海洋局第一海洋研究所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(2010G23)
王紹良(1983-), 男, 山東萊西人, 碩士研究生, 主要從事海洋溢油污染的生物修復(fù)技術(shù)研究, E-mail:wshlyx@sina.com;鄭立, 通信作者, E-mail:zhengli@fio.org.cn
張培新)