高曉攀，杜顯元李興春張洪志，聶世軍，楊斌

（1. 中國(guó)石油安全環(huán)保技術(shù)研究院，北京 102249； 2. 中國(guó)石油大學(xué)（北京），北京 102249； 3. 中國(guó)石油大港油田， 天津 300280）

石油降解菌處理污染土壤的研究進(jìn)展

高曉攀1，2，杜顯元1，李興春1，張洪志3，聶世軍3，楊斌3

（1. 中國(guó)石油安全環(huán)保技術(shù)研究院，北京 102249； 2. 中國(guó)石油大學(xué)（北京），北京 102249； 3. 中國(guó)石油大港油田， 天津 300280）

利用生物修復(fù)技術(shù)對(duì)被石油所污染過(guò)的土壤進(jìn)行處理更加簡(jiǎn)便高效、投資少且屬于環(huán)境友好型技術(shù)，逐漸吸引越來(lái)越多國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究興趣。介紹了被原油污染的土壤對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響，以及傳統(tǒng)處理技術(shù)和新興的生物處理技術(shù)，重點(diǎn)綜述了利用微生物處理被石油污染土壤這一方法中，關(guān)于單一石油烴降解菌及石油烴降解菌菌群的研究進(jìn)展，并指出今后在修復(fù)被石油污染的土壤方面一個(gè)研究重點(diǎn)在于合理構(gòu)建降解石油烴的菌群。

污染土壤；農(nóng)業(yè)損失；微生物修復(fù)技術(shù)；石油烴降解菌；菌群構(gòu)建

石油是現(xiàn)代工業(yè)上最主要能源以及化工原料，但在對(duì)石油進(jìn)行勘探開(kāi)發(fā)、進(jìn)一步加工利用過(guò)程中，常有排放甚至泄露，原油殘留破壞土壤結(jié)構(gòu)及功能，其中石油對(duì)農(nóng)業(yè)土壤帶來(lái)的損害及其嚴(yán)重，影響農(nóng)作物的正常生產(chǎn)，從而間接危及人類的身體健康。目前，我國(guó)有機(jī)土壤中有近0.2億hm2被污染［1］，而這里面絕大多數(shù)為石油做造成的污染。土壤中進(jìn)入了石油類污染物，污染物的含量超過(guò)土壤自身自凈容量后，就會(huì)對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)造成嚴(yán)重的危害［2］。石油組成成分對(duì)土壤功能和人類生存造成極大威脅［3］，以芳香烴類物質(zhì)對(duì)生物毒性最大，其中多環(huán)芳烴（PAHs）在極易導(dǎo)致畸形、基因突變和癌癥，而且難以在環(huán)境中降解。石油類污染物對(duì)植物造成的危害，低分子烴最強(qiáng)，主要是它能穿透到植物內(nèi)部，破壞正常的生理機(jī)能。高分子烴可能因分子較大而不易穿透到植物內(nèi)部，但是高分子烴可以在植物表面形成一層薄膜，影響植物的呼吸和蒸騰作用［4］。在國(guó)內(nèi)，如華北油田附近的很多農(nóng)業(yè)土壤由于石油污染的進(jìn)入而無(wú)法耕種，造成農(nóng)民和國(guó)家的巨大經(jīng)濟(jì)損失。

生物修復(fù)法作為一種高效且環(huán)境友好的修復(fù)技術(shù)逐漸成為石油污染土壤治理的熱點(diǎn)領(lǐng)［5，6］域，本文根據(jù)近幾年國(guó)內(nèi)外的研究成果，重點(diǎn)綜述了利用微生物修復(fù)原油污染土壤中關(guān)于單一烴類降解菌和烴類降解菌群的構(gòu)建問(wèn)題，而且對(duì)其未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。

1 石油污染土壤修復(fù)法

在世界范圍內(nèi)，很多種技術(shù)被用于人為修復(fù)被原油污染的土壤，總體分為物理、化學(xué)及生物三種方法。其中傳統(tǒng)的物理化學(xué)修復(fù)方法的發(fā)展已相當(dāng)成熟，兩者對(duì)比如表1所示。

表1 土壤修復(fù)傳統(tǒng)方法的具體比較Table 1 Specific comparison of traditional methods to repair soil

生物修復(fù)法作為一種新興的石油污染土壤處理技術(shù)而備受關(guān)注，指用有生命的有機(jī)體（如小型動(dòng)物、植物和微生物等），主要是微生物的代謝活動(dòng)來(lái)催化被處理系統(tǒng)里有毒有害成分進(jìn)行分解，使其對(duì)環(huán)境沒(méi)有危害的技術(shù)。

根據(jù)生物修復(fù)中所使用有機(jī)體的差異，普遍認(rèn)為可將修復(fù)石油污染土壤的技術(shù)分為三大類：微生物修復(fù)、植物修復(fù)及植物-微生物聯(lián)合修復(fù)［8］。

相比之下，用生物法更有優(yōu)勢(shì)和前景，如：便于應(yīng)用，效率高，對(duì)自然及人體危害小且無(wú)二次污染，其投資成本低等，成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者最感興趣、實(shí)際應(yīng)用最為廣泛的生物修復(fù)方法［7，8］。

由于作用位置存在差異，所以將微生物處理石油污染土壤技術(shù)分為如下兩大類：原位生物修復(fù)技術(shù)（In-situ bioremediation）和異位生物修復(fù)技術(shù)（Ex-situ bioremediation）［9］。原位生物修復(fù)技術(shù)指將氧化性物質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)加進(jìn)被石油污染的土壤中，甚至將外源降解菌進(jìn)行接種，使相關(guān)的微生物進(jìn)行繁殖并且通過(guò)生物化學(xué)作用降解有機(jī)污染物，起到修復(fù)作用［10］。Sanjeet Misshra等［11］運(yùn)用該技術(shù)修復(fù)了約4 000 m2被原油污染的土壤，證實(shí)了投菌法的可行性。陳立等［12］也采取此方法對(duì)西北部地區(qū)被石油污染土壤進(jìn)行了處理，進(jìn)一步證實(shí)了該方法的可實(shí)際應(yīng)用性。異位生物修復(fù)技術(shù)指把被污染的土壤、沉積物等轉(zhuǎn)移到其他地點(diǎn)，然后再將接種降解菌的物質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)成分和支撐材料等集中起來(lái)處理［7］。一家美國(guó)工廠曾采用異位生物修復(fù)法，將雜酚油降解菌接種從而修復(fù)被污染的土壤，結(jié)果顯示這種方法可以在1周之內(nèi)修復(fù)被污染的土壤約100 t［13］。

2 單一菌株降解石油的研究進(jìn)展

2.1 石油降解菌

原油污染地區(qū)大量的微生物可在自然馴化下產(chǎn)生大量的石油烴降解菌［14］。研究證實(shí)，一般情況下，微生物群落里只有 1%的菌可以降解石油中的烴類化合物［15］，但是在石油污染過(guò)的環(huán)境下，這一比例可達(dá)10%。

研究表明，細(xì)菌、真菌、藻類及放線菌都能將石油中的烴類物質(zhì)作為其生長(zhǎng)的唯一碳源，從而起到降解石油烴的作用。1980年前后，就有人篩選出了多種細(xì)菌及真菌，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)它們能將烴類物質(zhì)降解［16］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前用于修復(fù)石油污染土壤最多的是細(xì)菌，因?yàn)橄啾戎录?xì)菌更易培養(yǎng)、改造，同時(shí)較易對(duì)石油烴類物質(zhì)進(jìn)行礦化等。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前有一百多個(gè)屬、兩百多個(gè)種的微生物能夠分解原油里的烴類物質(zhì)，而最為常見(jiàn)的石油降解菌菌屬有：節(jié)桿菌屬（Arthrobacter）、黃桿菌屬（Flavobacterium）、無(wú)色桿菌屬（Achromobacter）、假單胞菌屬（Pseudomonas）、不動(dòng)桿菌屬（Acinetobacter）、產(chǎn)堿桿菌屬（lcaligenes）、芽孢桿菌屬（Bacillus）、微球菌屬（Micrococcus）、分支桿菌屬（Mycobacterium）棒狀桿菌屬（Colynebacterium）、紅球菌屬（Rhodococcus）、諾卡氏菌屬（Nocardia）［17］。

2.2 石油降解菌的降解機(jī)理

正通常情況下降解細(xì)菌分解原油中烴類物質(zhì)如式（1）所示方式進(jìn)行：

石油烴在降解菌作用下氧化脫氫產(chǎn)生 CO2和H2O，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)可為微生物提供營(yíng)養(yǎng)。普遍認(rèn)為，以下三個(gè)步驟為降解菌分解原油的主要過(guò)程：（1）原油中烴吸附于降解菌上；（2）降解菌通過(guò)細(xì)胞膜將原油中物質(zhì)進(jìn)行傳遞；（3）降解菌于細(xì)胞內(nèi)分解原油中的烴類物質(zhì)。降解菌把原油中的烴類物質(zhì)轉(zhuǎn)化成不飽和脂肪酸，然后進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為脂肪酸，最后完成分解。石油類成分降解菌分解的難易順序?yàn)椋憾喹h(huán)烷烴＞ 低分子量芳香烴＞異構(gòu)烷烴（isoparaffin）＞正構(gòu)烷烴（n-alkanes）。

2.3 存在的問(wèn)題及研究進(jìn)展

2.3.1 存在的問(wèn)題

單一菌株分解原油中烴類物質(zhì)的效率一般不高，而且可分解組分單一；單一降解菌的降解能力對(duì)外界條件要求苛刻，包括培養(yǎng)條件及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)等；單一菌種對(duì)石油內(nèi)輕重組分的分解效率存在不均一性，表現(xiàn)為根據(jù)石油組成的差異而效率不同，由于原油組分中輕組分較之重組分易降解，因此對(duì)于輕組分含量高的原油，所篩選出的單一降解菌的降解效率可高達(dá)70%，然而對(duì)于石油中的重質(zhì)組分則分解效果明顯降低。

2.3.2 研究進(jìn)展

目前，關(guān)于單一降解菌特異性降解石油組分的研究較多，謝丹平等［19］分離得到的芽孢桿菌屬和鄰單胞菌屬，并經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)以上兩種菌可以降解碳原子數(shù)在12到22的直鏈烷烴；驗(yàn)證黃單胞菌屬可以降解碳原子數(shù)在12到16之間的直鏈烷烴。李寶明等［20］篩選出了一種可以降解芳香烴的蒼白桿菌屬和兩種可以降解原油直鏈烴的紅球菌屬。Roy［21］等分離的5株石油降解菌在20 d 內(nèi)可降解47%～78%的阿拉伯混合原油。對(duì)于重組分含量比較高的原油組成，單一降解菌的降解效率可達(dá)40%，如勝利油田篩選出3株降解效率達(dá)到40%的降解菌。

3 石油降解菌菌群的研究進(jìn)展

3.1 菌群構(gòu)建

單一降解菌的降解組分單一，且效果一般，往往采用混合菌群的方法提高降解效率。通過(guò)組合菌群，優(yōu)勢(shì)菌群的降解效率可比單一降解菌的效率提高10%～20%左右，并且可以降解污染原油中的多種組分。

將多種菌株集中起來(lái)共同降解石油烴時(shí)，一部分混合菌的分解效率大大高過(guò)某一種菌，而還有一部分效果反倒比單一菌株差很多，這是因?yàn)槲⑸镏g具有相互作用［22］，微生物之間的這種關(guān)系對(duì)于培養(yǎng)混合菌株進(jìn)行石油烴降解極為重要。

在培養(yǎng)混合菌株時(shí)應(yīng)注意的因素有：（1）不同菌株生長(zhǎng)所需的外部條件、培養(yǎng)空間以及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)等應(yīng)盡可能接近；（2）不同菌株之間不能存在對(duì)培養(yǎng)條件或營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的競(jìng)爭(zhēng)；（3）一些菌株分泌的物質(zhì)不能對(duì)其他降解菌造成威脅。

3.2 表面活性劑

飽和烴（Saturated hydrocarbons， SAT）和多環(huán)芳烴（Polycyclic aromatic hydrocarbons， PAH）是原油中的兩種主要組分，其疏水性相當(dāng)高而溶解性極低［23，24］。這些疏水性物質(zhì)進(jìn)入土壤后，由于土壤有機(jī)質(zhì)（Soil Organic Matter， SOM）的吸附作用牢牢吸附于固相顆粒中，從而導(dǎo)致其生物可降解性降低。而降解菌大多通過(guò)吸收溶解態(tài)有機(jī)物達(dá)到降解有機(jī)物的目的。此時(shí)應(yīng)用表面活性劑可解決此問(wèn)題，因此表面活性劑增效修復(fù)被稱為一項(xiàng)很有潛力的處理方法［25］。

研究表明，表面活性劑的作用機(jī)理為可顯著減弱原油中SAT、PAH等組分在被污染土壤上的吸附作用，增強(qiáng)其從被污染土壤上解吸的作用，同時(shí)可以將不易溶解的有機(jī)物溶解并轉(zhuǎn)移到土壤的液相中［26］。添加的表面活性劑不能對(duì)菌株造成威脅，在比較和選取促進(jìn)降解的表面活性劑的研究方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者取得了相當(dāng)大的進(jìn)展。Pekdemir等［27］學(xué)者在研究各類表面活性劑促進(jìn)石油降解過(guò)程中，表明由微生物假單胞菌屬產(chǎn)生的鼠李糖脂生物表面活性劑效果最好。

3.3 研究進(jìn)展

LU等曾篩選出三株可以降解輕油的優(yōu)勢(shì)菌種，這三種菌的生長(zhǎng)條件幾乎相同，而且經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了三者混合之后的降解效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)好過(guò)每種菌株單獨(dú)使用的效果。謝丹平等［28］曾分離出四種不同菌屬但都可以降解石油烴的高效菌株，篩選出了優(yōu)勢(shì)菌種；對(duì)殘油進(jìn)行氣質(zhì)聯(lián)用儀測(cè)試，用化學(xué)分析的手段確定了四種降解菌分別起到什么作用；為了研究這四種菌混合后的降解效果，進(jìn)行了復(fù)配實(shí)驗(yàn)；通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)確定了這四種菌株達(dá)到最佳石油降解效率時(shí)投加各種菌株的量。

4 結(jié)論與展望

（1）微生物土壤修復(fù)的應(yīng)用過(guò)程中，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展。比如篩選出了多種對(duì)單一石油烴具有高效降解作用的菌類，特別是針對(duì)石油中輕組分的降解菌，近年來(lái)國(guó)外在生物法修復(fù)土壤的工程應(yīng)用上也取得了一定成效。但是目前仍然許多難點(diǎn)。高分子的芳香烴和膠質(zhì)瀝青質(zhì)難以降解，對(duì)微生物降解機(jī)理研究還有待提高，菌群構(gòu)建的理論還未成熟，在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用方面進(jìn)展緩慢等。

（2）故此在菌群構(gòu)建的方面的研究具有廣闊的前景。針對(duì)菌群構(gòu)建提出一個(gè)構(gòu)想。從多地區(qū)篩選出高效的單一石油降解菌，并充分利用各種化學(xué)分析和生物鑒定的手段，測(cè)定其菌屬和降解的具體組分。再將功能不同的降解菌進(jìn)行組合，挑選在特定原油環(huán)境中共生效果最好的幾種組合，再進(jìn)行正交組合實(shí)驗(yàn)，選出最佳合適比例。利用多個(gè)地區(qū)篩選出來(lái)的降解石油烴的菌類進(jìn)行復(fù)配，達(dá)到更加高效全面地對(duì)石油污染土壤進(jìn)行修復(fù)的目的，對(duì)日后大規(guī)模解決農(nóng)業(yè)土壤污染的工程提供一定理論和技術(shù)支持。

［1］陸秀君， 郭書海， 孫清， 等. 石油污染土壤的修復(fù)技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望［J］. 沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2003， 34（1）: 63-67.

［2］ 張珍明，林呂虎，何騰兵，等.淺析石油污染士壤的微生物修復(fù)研究現(xiàn)狀［J］.貴州科學(xué)，2010，28（3）：76-81.

［3］ 祝威.石油污染土壤和油泥生物處理技術(shù)［M］.北京：中國(guó)石化出版社，2010-05：16.

［4］ 馬彥超，張發(fā)旺，張勝，等.石油污染土壤的生物技術(shù)淺析［J］.科技資訊，2009（10）：6-7.

［5］ 尚龍生， 孫茜， 徐恒振， 等. 海洋石油污染與測(cè)定［J］. 海洋環(huán)境科學(xué)， l997， 16（1）: 16-21.

［6］ 賈彩云， 劉紅玉. 石油降解菌的分離鑒定和降解條件研究［D］. 長(zhǎng)沙: 湖南大學(xué)，2008.

［7］ 烏錫康， 金青萍. 有機(jī)水污染治理技術(shù)［M］. 上海: 華東化工學(xué)院出版社， 1989: 89-97.

［8］ 程國(guó)玲， 李培軍. 石油污染土壤的植物與微生物修復(fù)技術(shù)［J］. 環(huán)境工程學(xué)報(bào)， 2007， 6（1）: 91- 94.

［9］ 劉五星，駱永明，藤應(yīng).石油污染土壤的生物修復(fù)研究進(jìn)展［J］.土壤，2006，38（5）：634-639.

［10］陳曉東，常文越，邵春巖.土壤污染生物修復(fù)研究進(jìn)展［J］.環(huán)境保護(hù)科學(xué)，2001，27（107）：23-25.

［11］Sanjeet M，Priyangshu MS，BanwariL.Crude oil degradation efficiency of a reeombinant Aeinetobacter baumannii strain and its survival in crude oil-contaminated soil microcosm［J］.FEMS Microbiology Letters，2004，235：323-331.

［12］陳立，張發(fā)旺，張勝，等.陜北石油污染土壤原位生物修復(fù)技術(shù)試驗(yàn)研究［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2009，23（2）：162-192.

［13］Rike AG. In situ biodegradation of petroleum hydrocarbons in frozen arctic soil ［J］. Cold Regions Sci Tech， 2003， 37（2）: 97-101.

［14］安淼，周琪，李暉.土壤污染生物修復(fù)的影響因素［J］.土壤與環(huán)境，2002， 11（4）: 397-400.

［15］劉國(guó)良，蘇幼明，顧書敏.石油污染土壤生物修復(fù)研究新進(jìn)展［J］.化學(xué)與生物工程，2008，25（8）：14.

［16］Aatry AR，Euis GM.Bioremediation：An effective remedied alternative for petroleum hydrocarbon contaminated soil［J］.Environ.Prog.， 1992：312-318.

［17］岑旭峰， 唐標(biāo). 生物修復(fù)菌劑的分類應(yīng)用及研究進(jìn)展［J］. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)， 2008， 36（30）: 13352-13354+13380.

［18］De Bont JAM.Solvent-tolerant bacteria in biocatalysis［J］.Trends Biotechnol，1998，16（1 2）：493-499.

［19］謝丹平， 伊華， 彭輝， 等. 混合菌原油的降解［J］. 應(yīng)用于環(huán)境生物學(xué)報(bào)， 2004， 10（2）: 210-214.

［20］李寶明，阮志勇，姜瑞波.石油降解菌的篩選！鑒定及菌群構(gòu)建［J］.中國(guó)土壤與肥料， 2007（3）:68-73.

［21］Roy S，Hens D，Biswas D， et al.Survey of petroleum-degrading bacteria in coastal waters of sunderban biosphere reserve［J］. World Journal of Microbiology and Biotechnology，2002， 18: 575-581.

［22］ McKew，B.A.，F(xiàn).Coulon，M.M.Yakimov，et a1.Efficacy of intervention strategies for bioremediation of crude oil in marine systems and effects on indigenous hydrocarbonoclastic bacteria［J］.Environ Microbiol，2007，9：1562-1571.

［23］Kuyukina M.S.，Ivshina I.B.，Makarov S.O.，et a1.Effect of biosurfactants on crude oil desorption and mobilization in a soil system［J］.Environment international，2005，3l（2）：155-161.

［24］李玉瑛.水系統(tǒng)石油污染物揮發(fā)和生物降解過(guò)程研究［D］.青島：中國(guó)海洋大學(xué)， 2005.

［25］Aronstein B.N.，Calvillo Y.M.，Alexander M.Effect of surfactants at low concentrations on the desorption and biodegradation of sorbed arom atic compounds in soil［J］.Environmental science&technology，1991，25（10）：1728-173l.

［26］楊坤.表面活性劑對(duì)有機(jī)污染物在土壤/沉積物上吸附行為的調(diào)控機(jī)制［D］.杭州：浙江大學(xué)， 2004.

［27］Pekdemir T.，Copur M.，Urum K.Emulsification of crude oil～water systems using biosurfactants ［J］.Process Salty and Environmental Protection，2005，83（1）：38-46.

［28］謝丹平. 石油污染生物修復(fù)的研究［D］. 廣州: 暨南大學(xué)， 2004.

Research Progress of Treating Contaminated Soil With Oil-degrading Bacteria

GAO Xiao-pan1，2，DU Xian-yuan1，LI Xing-chun1，ZHANG Hong-zhi3，NIE Shi-jun3，YANG Bin3
（1. China Petroleum Safety and Environmental Protection Technology Research Institute， Beijing 102249，China；2. China University of Petroleum， Beijing 102249，China；3. PetroChina Dagang Oilfield Company，Tianjin 300280，China）

Treating contaminated soil by using bioremediation is simpler and highly effective， and belongs to the environmentally friendly technology， which gradually attracts more and more research interest of scholars both at home and abroad. In this paper， negative effect of petroleum contaminated soil on agricultural production was introduced as well as some processing technologies， including traditional technologies and the new biological treatment technology， and the research progress of the single oil hydrocarbon degrading bacteria and petroleum hydrocarbon degradation bacteria flora used in bioremediation technology to treat petroleum contaminated soil was summarized. Finally， it's pointed out that the focus of this research in the future will be the reasonable construction of petroleum hydrocarbon degradation bacteria flora.

Contaminated soil；Agricultural loss；Bioremediation technology；Oil hydrocarbon degrading bacteria；The construction of bacteria flora

S 157.9

A

1671-0460（2015）12-2814-04

2015-05-23

高曉攀（1988-），男，河北滄州人，碩士，研究方向：油田化學(xué)。E-mail：158444817@qq.com。