桑義敏，艾賢軍，王曙光，朱玲，梁存珍，劉婧，孔欣然

1. 北京石油化工學(xué)院環(huán)境工程系，北京 102617；2. 北京化工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系，北京 100029

石油是世界上最普遍的土壤污染物之一，主要由有機(jī)和無(wú)機(jī)化合物組成，其主成分為碳?xì)浠衔?，約占其總成分的98%，石油成分的變化取決于油源儲(chǔ)層中的硫、氮、氧和金屬化合物等物質(zhì)的不同組合（Gomes et al.，2018）?，F(xiàn)代經(jīng)濟(jì)對(duì)石油的依賴程度較高，在原油開(kāi)采、運(yùn)輸及再加工過(guò)程中存在較大的環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全球每年原油泄漏量在二十萬(wàn)噸至兩百萬(wàn)噸之間（Fatima et al.，2016）。原油通過(guò)氧氣脅迫和直接毒性作用等，對(duì)數(shù)量巨大的動(dòng)、植物和微生物的生存情況構(gòu)成了極大威脅。通常用于石油污染修復(fù)的技術(shù)主要有阻隔填埋、熱脫附、土壤洗脫等技術(shù)，這些傳統(tǒng)的石油烴污染修復(fù)技術(shù)處理效率較低、能耗較大且對(duì)環(huán)境有隱藏的風(fēng)險(xiǎn)性（Mandri，2007）。近年來(lái)生物修復(fù)受到了特別的關(guān)注，其中微生物修復(fù)石油污染土壤是一種環(huán)境安全、成本效益高的技術(shù)（Kumar et al.，2011）。然而，實(shí)際的石油污染土壤場(chǎng)地，往往存在于低溫、鹽堿等極端環(huán)境中，或是重金屬-石油烴復(fù)合污染，或是重質(zhì)石油組分（瀝青質(zhì)和樹(shù)脂）占比過(guò)高，常規(guī)石油烴類降解微生物難以生存，大大增加了微生物修復(fù)的難度和挑戰(zhàn)。耐冷菌、嗜冷菌、嗜鹽菌、耐重金屬菌、耐重質(zhì)原油菌等極端微生物廣泛存在于極地高寒、鹽堿地以及有重金屬、重質(zhì)原油毒性存在的復(fù)合污染土壤環(huán)境中。這些微生物可以在極端條件下生長(zhǎng)繁殖，形成一套與環(huán)境相適應(yīng)的獨(dú)特的分子機(jī)制和石油烴降解特征，對(duì)特殊環(huán)境中的污染物有良好的處理效果。在利用極端微生物修復(fù)極端、脅迫條件下的石油污染土壤方面，菌種性能尚不能滿足需要，有些規(guī)律尚存在爭(zhēng)議，有些機(jī)理機(jī)制還不明晰，推廣應(yīng)用尚存在一些障礙。本文將從低溫、鹽堿、重金屬、重油等脅迫角度，按照“適應(yīng)機(jī)制→降解機(jī)理→降解特性→修復(fù)實(shí)踐”的思路，進(jìn)行文獻(xiàn)綜述和總結(jié)分析，以期為脅迫條件下極端微生物修復(fù)石油烴污染土壤提供一定的借鑒和參考。

1 低溫脅迫條件下石油烴污染土壤的微生物修復(fù)

全球不少于80%的生物圈為常年低于5 ℃的永久低溫地區(qū)。與溫?zé)釒Лh(huán)境相比，原油污染在寒冷氣候條件下（包括極地和亞極地）對(duì)于環(huán)境的影響可能更加嚴(yán)重。寒冷氣候的季節(jié)性、偏遠(yuǎn)性和低修復(fù)效率使寒冷地區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)管理和修復(fù)成本大大增加（Princz et al.，2012）。微生物修復(fù)（利用微生物降解或解毒污染物）被認(rèn)為是一種對(duì)寒冷地區(qū)破壞性較低的修復(fù)技術(shù)，因?yàn)樵谑芴細(xì)浠衔镂廴镜暮錃夂蛲寥乐?，通?？梢园l(fā)現(xiàn)適應(yīng)寒冷環(huán)境的碳?xì)浠衔锝到饧?xì)菌。20世紀(jì)80年代Trevors（1982）從土壤、淡水和海洋系統(tǒng)中分離出的低溫微生物，能廣譜利用自然環(huán)境中存在的各種石油烴，并將其作為唯一的能源和碳源。中國(guó)北方地區(qū)有漫長(zhǎng)的冬季，利用耐冷微生物對(duì)寒冷地區(qū)石油污染土壤進(jìn)行生物修復(fù)、研究其冷適機(jī)制和降解特征，具有切實(shí)可行的實(shí)際意義。目前針對(duì)寒冷地區(qū)的烴類污染生物修復(fù)技術(shù)主要利用夏季非凍結(jié)時(shí)期，但是該時(shí)段往往不能貫穿整個(gè)修復(fù)周期（Chang et al.，2014）。

嗜冷菌必須生活在低溫條件下且其最高生長(zhǎng)溫度不超過(guò)20 ℃，最適生長(zhǎng)溫度為5 ℃，在0 ℃可生長(zhǎng)繁殖；耐冷菌最高生長(zhǎng)溫度高于 20 ℃，最適溫度高于 15 ℃，在 0-5 ℃可生長(zhǎng)繁殖（Margesin et al.，2001）。耐冷菌和嗜冷菌等低溫細(xì)菌廣泛分布于冰、雪、水、巖石及土壤等低溫環(huán)境中，主要包括真細(xì)菌、藍(lán)細(xì)菌、酵母菌、真菌、放線菌及藻類，其中以細(xì)菌居多（Buzzini et al.，2012）。徐成斌等（2014）通過(guò)對(duì)撫順石油二廠曝氣池活性污泥的馴化和分離，得到一株以柴油為碳源的低溫降解菌株 Q21（假單胞菌屬），經(jīng)鑒定為瓊式不動(dòng)桿菌。黃磊等（2007）從渤海油船泄漏區(qū)域的海底泥中篩選到1株能降解柴油的低溫菌T7-2（紅球菌屬），初步鑒定為紅平紅球菌。

1.1 嗜低溫微生物的冷適機(jī)制

低溫微生物長(zhǎng)期生活在低溫環(huán)境中，通過(guò)進(jìn)化形成了一系列的適冷機(jī)制，保證其在低溫條件下的正常生命活動(dòng)（Antony et al.，2012）。為適應(yīng)環(huán)境溫度的變化，微生物必須調(diào)節(jié)細(xì)胞膜脂類組成，以調(diào)節(jié)細(xì)胞膜的流動(dòng)性。生長(zhǎng)溫度的降低有助于短鏈形成、脂肪酸甲基分支增加、支鏈脂肪酸比例增加、環(huán)狀脂肪酸比例減少（Chattopadhyay，2006；D'Amico et al.，2006）以及冷激蛋白、冷適應(yīng)蛋白和DEAD-box RNA解旋酶的合成，以保持低溫下RNA的正確折疊、蛋白質(zhì)翻譯等重要的生命活動(dòng)。防止細(xì)胞溶質(zhì)凍結(jié)的適應(yīng)性也很重要，許多嗜冷菌產(chǎn)生的防凍蛋白抑制冰晶晶格的形成（Modig et al.，2010），而其他嗜冷菌則濃縮糖以降低細(xì)胞溶質(zhì)冰點(diǎn)（Holmstrup et al.，2002）。此外，冷激蛋白似乎是低溫適應(yīng)的重要組成部分（D'Amico et al.，2006）。耐冷菌通過(guò)膜蛋白的磷酸化、去磷酸化等復(fù)雜代謝過(guò)程來(lái)快速感受溫度變化，通過(guò)信號(hào)傳導(dǎo)的方式輔助完成一系列適冷反應(yīng)（Ray et al.，1994）；其細(xì)胞膜中具有流動(dòng)性的β-胡蘿卜素，也能促進(jìn)其對(duì)極端低溫的適應(yīng)性（Wang et al.，2014）。除了這些適應(yīng)性機(jī)制，維持足夠的代謝通量對(duì)于生化過(guò)程也非常重要。

為了解決代謝通量的問(wèn)題，嗜冷酶往往表現(xiàn)出氨基酸特異性的取代，這些微小的取代仍能維持結(jié)構(gòu)完整性，但足以增加靈活性和催化效率（Siddiqui et al.，2006）；因此，嗜冷酶能夠維持代謝功能。嗜冷微生物的嗜冷酶具有較少的脯氨酸和精氨酸，較低的脯氨酸與賴氨酸，比較少的二硫鍵（Georlette et al.，2003），有助于提高能量產(chǎn)生和儲(chǔ)存效率等以適應(yīng)低溫環(huán)境（辛玉華等，2013）。與中溫細(xì)菌相比，嗜冷菌的γ-proteobacteria編碼AMP合成酶的基因拷貝數(shù)增加，而編碼AMP降解酶的基因拷貝數(shù)降低，這是微生物向冷適應(yīng)進(jìn)化的必不可少的一個(gè)步驟（Parry et al.，2011）。為適應(yīng)冷環(huán)境，微生物內(nèi)部的生化變化還包括分子內(nèi)相互作用的減少以及極性/非極性殘基（residue）在體積、位置和大小等方面的改變（Farrell et al.，2004），這些變化通常犧牲了熱穩(wěn)定性而保持細(xì)胞在低溫下的靈活性（Siddiqui et al.，2006）。

嗜冷菌對(duì)低溫的另一種適應(yīng)與能量代謝有關(guān)。隨著溫度降低，嗜冷菌細(xì)胞內(nèi)三磷酸-5′-腺苷（ATP）水平呈升高傾向，即使生長(zhǎng)速率與溫度直接相關(guān)。鑒于熱能降低、吉布斯自由能降低和水的粘度增加，溫度條件一般會(huì)導(dǎo)致擴(kuò)散速率降低。ATP濃度的增加可預(yù)測(cè)地減少到依賴酶的平均擴(kuò)散距離，消除與溫度有關(guān)的吉布斯自由能減少，從而推動(dòng)生化反應(yīng)（Amato et al.，2009）。

Parry et al.（2011）揭示了5′-腺苷一磷酸（AMP）的合成（帶下劃線的；深色箭頭）基因與分解（粗體；虛線箭頭）基因和相關(guān)生化過(guò)程（灰色文本和箭頭），如圖 1所示，箭頭表示穩(wěn)態(tài)條件下的有利反應(yīng)方向?；蛎Q與酶一一對(duì)應(yīng)：ushA，5′-核苷酸酶；gsk，肌苷激酶；ampD，AMP脫氨酶；purA，腺苷酸肉桂酸合成酶；purB，腺苷酸基琥珀酸；adk，腺苷酸激酶；apt，腺嘌呤磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶；amn，AMP核苷酶；pykF，丙酮酸激酶；atp N，ATP合成酶。嗜冷菌的嘌呤代謝途徑與 5′-腺苷-單磷酸（AMP）合成酶有關(guān)，而嗜溫菌的嘌呤代謝途徑與AMP降解酶有關(guān)。

圖1 5′-腺苷一磷酸（AMP）的合成基因與分解基因和相關(guān)生化過(guò)程Fig. 1 Schematic diagram of major AMP synthetic (underlined； dark arrows) and AMP degradative(bold； dashed arrows) genes and relevant biochemical pathways (gray text and arrows).

1.2 嗜低溫微生物的石油烴降解機(jī)理

1.2.1 常溫條件下的石油烴降解機(jī)理

石油烴在好氧條件下降解最快、最徹底。圖2a顯示了烴類好氧降解的主要機(jī)理。烴類污染物的初始胞內(nèi)攻擊是一個(gè)氧化過(guò)程，氧的活化和摻入是氧合酶和過(guò)氧化物酶催化的酶促關(guān)鍵反應(yīng)。外圍降解途徑將烴類污染物逐步轉(zhuǎn)化為中間代謝[如三羧酸(TCA)循環(huán)]的中間產(chǎn)物，如乙酰輔酶A、琥珀酸鹽、丙酮酸鹽。這些代謝產(chǎn)物與無(wú)機(jī)鹽類一起，作為細(xì)胞合成、生物量增長(zhǎng)的前驅(qū)物。石油烴類的降解過(guò)程由特定的酶系統(tǒng)來(lái)調(diào)節(jié)、主導(dǎo)。圖 2b顯示了氧合酶對(duì)烴類等外源性物質(zhì)的初始攻擊過(guò)程。其他相關(guān)機(jī)制還有微生物細(xì)胞與基質(zhì)（油滴）的附著機(jī)理以及生物表面活性劑的產(chǎn)生機(jī)制，前者尚不清楚，后者已經(jīng)得到了很好的研究（Das et al.，2011）。

圖2 微生物好氧降解石油烴的主要原理（a）及酶反應(yīng)（b）Fig. 2 Main principle (a) and enzymatic reactions (b) of petroleum hydrocarbons aerobicly degradated by microorganisms

1.2.2 低溫條件下的石油烴降解機(jī)理

石油烴低溫降解菌的基因和酶對(duì)降解機(jī)理有重要影響。嗜冷酶在低溫下具有高活性的分子機(jī)制，北極嗜冷菌Shewanella sp. AS-11的乙酸激酶（SAK）比中溫菌E. coli K-12的乙酸激酶（EAK）更具柔韌性但更不穩(wěn)定，低溫下催化活力更高（Tang et al.，2012）。王世杰等（2011）認(rèn)為低溫微生物降解石油烴的功能基因主要存在于辛烷質(zhì)粒（OCT質(zhì)粒）、甲苯-二甲苯質(zhì)粒（TOL質(zhì)粒）、萘質(zhì)粒（NAH質(zhì)粒）和控制甲苯、對(duì)位或間位二甲苯的XYL質(zhì)粒等線粒體或質(zhì)粒上。而 Margesin et al.（2003）則認(rèn)為低溫石油烴降解菌的降解性能與其基因類型和生物活性或是其數(shù)量無(wú)相關(guān)性，與污染水平之間也沒(méi)有相關(guān)性。此外，George et al.（2002）研究了 18種不同種油類的降解特性，結(jié)果表明與生物降解有關(guān)的動(dòng)力學(xué)同位素效應(yīng)是特定于某個(gè)位點(diǎn)的，且通常與某一位點(diǎn)的終端碳原子有關(guān)，它對(duì)同位素組成的影響隨著碳原子數(shù)的增加而逐漸降低。

1.3 嗜低溫微生物對(duì)不同組分石油烴的降解特性

低溫環(huán)境中物質(zhì)的粘性升高、溶解性降低，從而影響其生物可降解性（Foght et al.，1996）。石油是多種烴類組成的混合物，包括烷烴、環(huán)烷烴和芳烴等，其中以直鏈的烴類最易被氧化，芳烴和環(huán)烷烴的氧化較難。烴類降解菌分解輕質(zhì)原油的能力高于分解重質(zhì)原油（Atlas，1975），而原油的化學(xué)成分又能影響細(xì)菌的種類組成（Balks et al.，2002）。北極耐冷石油降解菌BJ1、BJ9和BJ19（假交替單胞菌屬）可降解多環(huán)芳烴中萘、芴、二苯并噻吩、菲和屈等多種組分，對(duì)碳源的利用具有廣譜性（那廣水等，2010）；BJ1、BJ9、BJ19和混合菌群對(duì)汽油和海燃油降解效果明顯，而對(duì)原油和燃料油等降解效果較差。徐成斌等（2014）馴化和分離得到的低溫降解菌株 Q21（假單胞菌屬），其降解柴油的最適接種量是 10%，最適溫度是 15 ℃，最佳 pH值為7.0，最適搖床轉(zhuǎn)速為150 r·min-1，最佳鹽度為0.5%-1.0%；能降解柴油中所含的 C9-C24之間大部分烷烴。黃磊等（2007）篩選的低溫石油烴降解菌 T7-2（紅球菌屬），接種人工海水烴降解培養(yǎng)基后，通過(guò)補(bǔ)加氮源(NH4)2SO42.64 g·L-1、磷源Na2HPO42.5 g·L-1和酵母粉 0.015 g·L-1后，15 ℃振蕩培養(yǎng)7 d，對(duì)烷烴的降解范圍很廣泛，C12-C36均有不同程度的降解，總降解率可以達(dá)到73.2%。Wang et al.（2014）篩選的NJ 41菌（動(dòng)性球菌屬）和NJ49菌（希瓦氏菌屬），能在極端低溫的南極環(huán)境下，將石油烴類物質(zhì)由長(zhǎng)鏈直鏈烴分解為短鏈直鏈烴。

1.4 低溫脅迫條件下生物強(qiáng)化/刺激修復(fù)石油烴污染土壤

通過(guò)人為地向土壤中加入優(yōu)勢(shì)低溫降解菌，可以極大地提高石油烴類污染物的降解效率。Mohn et al.（2001）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)土壤修復(fù)試驗(yàn)證實(shí)，添加耐冷混合菌刺激，極地寒冷地區(qū)土壤中超過(guò)80%的石油烴被降解。Ruberto et al.（2005）從南極污染土壤中分離出3株紅球菌菌株并進(jìn)行應(yīng)用試驗(yàn)，其在低溫環(huán)境中對(duì)石油烴類污染物的降解效果顯著。

除了生物強(qiáng)化，向土壤中投加營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、最終電子受體以及表面活性劑等物質(zhì)，以刺激微生物的生長(zhǎng)，增加微生物生物量，從而提高石油烴降解率。（1）投加營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。向低溫石油污染土壤中施入降解菌-堆肥制劑，可提高土壤中的石油烴去除率（吳蔓莉等，2017）；向低溫石油污染土壤中添加水和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，也可刺激微生物、提高石油降解率（Stallwood et al.，2005）。（2）添加最終電子受體。添加 O2、NO3-、SO42-、Fe3+最終電子受體是寒冷地區(qū)微生物降解石油烴的重要操作方式。Jeong et al.（2015）通過(guò)向土壤噴灑含有嗜冷石油烴類降解菌和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的表面活性劑泡沫，達(dá)到保溫、加濕以及供氧作用，促使總石油烴去除率由46.3%提高至73.7%，一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)常數(shù)由0.019 d-1提高至0.044 d-1。（3）添加表面活性劑。向污染土壤添加表面活性劑可以降低油類表面張力，提高水溶性，使微生物可以更充分地接觸石油污染物從而提高了降解效率（Kang et al.，2010）。Pepi et al.（2005）從南極分離出的ANT-3b菌（鹽單胞菌屬），在2%正十六烷培養(yǎng)基中常規(guī)生長(zhǎng)時(shí)，可產(chǎn)生乳化糖脂表面活性劑，改善了石油烴類物質(zhì)的可利用性，從而提高了降解效率。

2 鹽堿脅迫條件下石油烴污染土壤的微生物修復(fù)

中國(guó)北方地區(qū)的油田土壤含鹽量普遍較高，其中，中原油田污染土壤含鹽量為7.07 g·kg-1（劉文霞等，2002）；遼河油田土壤含鹽度可達(dá)9.0 g·kg-1以上（潘文利等，1998）；勝利油田所處的黃河三角洲鹽漬化土壤含鹽度達(dá)15.0 g·kg-1（劉其友等，2011）；大慶油田和吉林油田所在的松嫩平原是中國(guó)典型的內(nèi)陸鹽堿濕地集中分布區(qū)，大慶地區(qū)的土壤基本都呈堿性，很多地區(qū)含鹽量在8 g·kg-1以上（姜明等，2005）。高鹽脅迫條件制約了石油烴降解菌的生長(zhǎng)及其對(duì)石油烴污染土壤的修復(fù)能力，限制了高鹽堿石油污染土壤生物修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用（Liu et al.，2011）。

根據(jù)耐鹽性能的不同，嗜鹽菌分為非嗜鹽菌、輕度嗜鹽菌、中度嗜鹽菌和極端嗜鹽菌共 4類（Chengbin et al.，2012）。中國(guó)西部具有十分豐富的嗜鹽菌資源，主要分布在新疆鹽湖亞區(qū)、青海鹽湖亞區(qū)、西藏鹽湖亞區(qū)和陜、甘、寧、蒙鹽湖亞區(qū)、鹽堿地等（李明慧等，2002）。從各類石油污染鹽堿地中分離、篩選嗜鹽堿微生物，是進(jìn)行機(jī)理分析的重要前提。Wang et al.（2010）從中國(guó)勝利油田受原油污染的鹽漬土壤中分離出兩種可將原油作為唯一碳源的新型放線菌DQS3-9A1T和DQS3-9A2（分支桿菌屬），可在土壤含鹽量為1%-12%（w/v）范圍內(nèi)生長(zhǎng)。Zhao et al.（2012）從原油污染的鹽堿土壤中分離出一株A-1T菌株（鹽單胞菌屬），其屬于中度嗜鹽菌，在含鹽量0.05%-27.5%（w/v）（最佳5%-8%）條件下存活。Wu et al.（2009）發(fā)現(xiàn)一株屬于絲狀菌屬分支的新型耐鹽菌菌株SLG5B-19T，在NaCl濃度在0-7%（w/v）范圍內(nèi)生長(zhǎng)良好。Wu et al.（2012）分離出一株較高表面活性和耐鹽性的鹽堿地高效石油降解菌 BF40（沙雷氏菌屬），其土壤原油去除率為0.22%-1.20%。付瑞敏等（2016）通過(guò)注入低能N+誘變野生株YJ8（沙雷氏菌屬）并獲得突變株YJ8-10（沙雷氏菌屬），在NaCl濃度為80 g·L-1的高鹽濃度中仍生長(zhǎng)良好。Wang et al.（2007）從原油污染的鹽漬土中分離出兩株中度嗜鹽菌株 SL014B-69T和 SL014B-62A2（兩株菌均屬鹽單胞菌屬），可適應(yīng)的 NaCl濃度為1%-20%（w/v），溫度為10-42 ℃，pH為8.0-9.0。Gomes et al.（2018）從含油樣品中分離出141種嗜鹽菌菌株，研究發(fā)現(xiàn)該類菌株具有較高的分類學(xué)和遺傳多樣性，具有進(jìn)一步應(yīng)用于生產(chǎn)生物表面活性劑或生物修復(fù)技術(shù)的突出潛力。

2.1 嗜鹽堿微生物的適鹽堿機(jī)制

嗜鹽菌對(duì)高鹽環(huán)境的適應(yīng)機(jī)制體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）嗜鹽菌調(diào)節(jié)滲透壓平衡方式：一是在細(xì)胞內(nèi)積累高濃度的K+抵抗胞外的高滲環(huán)境；二是在細(xì)胞內(nèi)積累或產(chǎn)生相容性介質(zhì)以適應(yīng)高鹽環(huán)境（曹軍衛(wèi)等，2004）；（2）嗜鹽菌對(duì)高濃度 Na+的依賴性：嗜鹽菌細(xì)胞壁糖蛋白中的酸性氨基酸的羧基需要 Na+來(lái)穩(wěn)定，故高 Na+濃度可以維持細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)完整，同時(shí)保證細(xì)胞功能正常（王偉偉等，2015）；（3）大多數(shù)嗜鹽菌能迅速合成和降解糖、氨基酸等小分子溶質(zhì)，構(gòu)成滲透壓調(diào)節(jié)劑，幫助細(xì)胞從高鹽環(huán)境中獲取水分，并且穩(wěn)定和保護(hù)菌體內(nèi)酶的活性；（4）嗜鹽菌的細(xì)胞蛋白還可特異地結(jié)合許多低分子量的親水性氨基，使細(xì)胞質(zhì)呈現(xiàn)溶液狀態(tài)，以便在高鹽環(huán)境中發(fā)揮其功能（Oren，2002）；（5）嗜鹽菌可通過(guò)細(xì)胞膜上的轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)從周圍環(huán)境中吸收相容性溶質(zhì)以節(jié)省從頭合成所需的能量（Pflüger et al.，2004）。JNPH-3（Halorubrum 屬）菌株專一性依賴高濃度的Na+，對(duì)Cl-依賴性較弱，K+濃度變化對(duì)菌體生長(zhǎng)無(wú)顯著影響，其菌體通過(guò)自身產(chǎn)生四氫嘧啶的機(jī)制來(lái)調(diào)節(jié)滲透壓（張曉梅等，2010）；NY-001（鹽單胞菌屬）中度嗜鹽菌可以從環(huán)境中吸收相容性溶質(zhì)以對(duì)抗高鹽環(huán)境，其潛在的轉(zhuǎn)運(yùn)體系與相容性溶質(zhì)合成體系共同構(gòu)成了以相容性溶質(zhì)為媒介的抗鹽系統(tǒng)（王魁榮等，2010）。

嗜鹽堿微生物中存在著細(xì)胞外被（cell coat）（圖3a）和離子反向運(yùn)輸機(jī)制（圖 3b），其中前者可將細(xì)胞外堿性環(huán)境與細(xì)胞內(nèi)的中性環(huán)境隔離，后者則在生長(zhǎng)和發(fā)育過(guò)程中維持較為穩(wěn)定的胞內(nèi)鈉離子濃度（Mirete et al.，2016）。

圖3 耐鹽堿微生物的細(xì)胞外被（cell coat）及離子正常/反向運(yùn)輸機(jī)制Fig. 3 Sketch of the cell coat (a) and difference between normal transport and antiport (b)

2.2 嗜鹽堿微生物的石油烴降解機(jī)理

土壤鹽分和石油碳?xì)浠衔铮═PH）濃度是影響土壤細(xì)菌多樣性和群落結(jié)構(gòu)的兩個(gè)主要環(huán)境因子。鹽分含量與土壤微生物生物量碳（MBC）及微生物生物量氮（MBN）具有負(fù)相關(guān)關(guān)系，但對(duì)細(xì)菌香農(nóng)均勻度指數(shù)的影響較小。TPH濃度與土壤MBC呈負(fù)相關(guān)，與MBN和香農(nóng)指數(shù)呈正相關(guān)，但對(duì)均勻度指數(shù)無(wú)影響。盡管隨著鹽堿化程度的增加，某些物種的多樣性得到加強(qiáng)，但是土壤鹽分對(duì)大多數(shù)種群具有抑制作用，而土壤TPH對(duì)群落多樣性具有選擇性影響。放線菌、g-變形菌、厚壁菌、熱球菌及其他一些未知菌種是鹽堿化和油污雙重脅迫下的優(yōu)勢(shì)菌（Gao et al.，2014）。

Ebadi et al.（2017）研究表明，含鹽土壤會(huì)降低石油烴微生物降解的速率和程度；但是，在添加氮肥、磷肥以及產(chǎn)生生物表面活性劑/耐鹽菌種的條件下，能明顯增強(qiáng)石油烴微生物降解的速率和程度（見(jiàn)圖4）。

圖4 鹽堿土壤環(huán)境中的烴類微生物降解機(jī)理Fig. 4 Main principle of petroleum hydrocarbons aerobicly degradated by microorganisms in saline contaminated soil

2.3 嗜鹽堿微生物對(duì)不同組分石油烴的降解特性

首先，不同種類嗜鹽堿微生物對(duì)石油烴的總體降解效率有所區(qū)別。謝鯤鵬等（2009）分離到的屬于假單胞菌屬的耐鹽原油降解菌LSD-3，在原油濃度為 0.5 g·L-1、NaCl濃度為 30 g·L-1、pH 值為 8、溫度為30℃、接種量為3%等最適條件下，經(jīng)過(guò)5 d的培養(yǎng)，原油的降解率為68%。

其次，不同種類嗜鹽堿微生物對(duì)不同組分石油烴的降解特征也不同。胡春輝等（2017）在遼河口濕地油田石油污染土壤中分離到一株耐鹽柴油高效降解菌株L7（不動(dòng)桿菌屬），經(jīng)鑒定其為不動(dòng)桿菌，在最適條件下培養(yǎng) 5 d后的柴油降解效率為61.5%，菌株L7具有高效降解中長(zhǎng)鏈烷烴的能力，對(duì)碳鏈長(zhǎng)度在 19-25的飽和烷烴降解效率接近100%。Liu et al.（2019）通過(guò)22周的柱模擬，正構(gòu)烷烴（C8-C40）和 16PAH的降解率分別達(dá)到42.45%和34.61%。短碳鏈烷烴（C8-C12）主要被土壤表層（0-30 cm）微生物降解，只有少數(shù)部分遷移到深層（30-60 cm）土壤中。長(zhǎng)鏈烷烴天生不易降解或遷移到深層土壤中。含有3個(gè)以上芳香環(huán)的多環(huán)芳烴很難被降解。好氧菌、假單胞菌、濱海桿菌是表層土壤中主要的石油降解菌，而類桿菌、乳球菌、嗜堿菌等厭氧菌在深層土壤中起著至關(guān)重要的作用，鐮刀菌和曲霉是0-60 cm深土壤中主要的石油降解菌。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)室柱模擬的研究，環(huán)境變量對(duì)微生物對(duì)石油污染的響應(yīng)有著深刻的影響，特別是鹽度、粘土含量和厭氧條件分別影響0-30、30-60和60-80 cm深土壤微生物群落組成的主要因素。

最后，溫度、鹽度等條件也會(huì)影響嗜鹽堿微生物對(duì)石油烴的降解特性。Anderson（2013）的研究表明沙漠土壤溫度和鹽度的波動(dòng)將直接影響其中微生物的活性和多樣性，從而影響生物修復(fù)的效率。Minaitehrani et al.（2009）研究表明，NaCl含量對(duì)微生物降解重質(zhì)原油污染土壤的效果有較大影響，隨著 NaCl含量增多，微生物對(duì)石油污染土壤的分解作用逐漸降低。

2.4 鹽堿脅迫條件下生物強(qiáng)化/刺激修復(fù)石油烴污染土壤

將篩選培育出的優(yōu)勢(shì)耐鹽石油降解菌，應(yīng)用于生物強(qiáng)化土壤修復(fù)實(shí)踐中，并進(jìn)行降解性能及降解條件優(yōu)化等方面的研究探索，是目前科技工作者的一項(xiàng)重要工作。Dastgheib et al.（2011）分離出一株耐鹽菌株 Qtet3（食烷菌屬），可以在用 2.5%濃度NaCl溶液灌溉的石油污染土壤中生長(zhǎng)和存活，且其石油烴類降解率可達(dá) 26.1%。劉其友等（2011）在石油污染土壤中投加復(fù)合菌株CM-13（復(fù)合菌株，無(wú)屬名），當(dāng)其接種量為土壤質(zhì)量的 10%時(shí)，修復(fù)效果較好，對(duì)石油污染物質(zhì)的加速降解作用顯著。此外，微生物的生長(zhǎng)與營(yíng)養(yǎng)鹽的量存在最佳匹配值，土壤中氮的最佳含量為0.20%，磷的最佳含量為0.05%，石油類的降解率隨著麥糠投加量的增大而逐漸增大，當(dāng)麥糠量為土壤體積分?jǐn)?shù)的25%時(shí)，對(duì)土壤的修復(fù)效果最好。

Ebadi et al.（2017）將數(shù)種產(chǎn)生生物表面活性劑的銅綠假單胞菌菌株組合形成菌群，可以減輕鹽度對(duì)生物降解的不利影響，經(jīng)菌群處理過(guò)的土壤對(duì)植物產(chǎn)生的毒性降低了30%。從含油樣品中分離出的嗜鹽菌菌株具有在生物表面產(chǎn)生活性劑或生物修復(fù)的潛力（Zhao et al.，2009）。利用鹵代菌群落進(jìn)行植物和微生物增強(qiáng)重質(zhì)原油污染鹽漬土的修復(fù)也很有效（Cai et al.，2016）。郭若勤等（2009）在含油量高達(dá)19.51 g·kg-1（干土）、含鹽量高達(dá)8.26 g·kg-1（干土）的土壤中，投加嗜鹽菌和馴化土著菌的修復(fù)效果比不投加嗜鹽菌的高出9.8%，表明嗜鹽菌和馴化土著菌的共同作用提高了土壤的生物修復(fù)效果。不同修復(fù)技術(shù)的耦合對(duì)原油污染鹽漬土的降解效果更佳。

3 重金屬脅迫條件下石油烴污染土壤的微生物修復(fù)

地殼中含量在1000 mg·kg-1以下的金屬被稱為微量元素，根據(jù)其密度可分為微量金屬元素和重金屬元素。重金屬污染主要源于采礦、工農(nóng)業(yè)廢物、礦物燃料、采油等活動(dòng)（Nouri et al.，2008）。石油勘探和開(kāi)采、原油泄漏等會(huì)導(dǎo)致大量重金屬進(jìn)入土壤環(huán)境，石油污染往往伴生重金屬污染（Essiett et al.，2010）。委內(nèi)瑞拉和加拿大的原油中發(fā)現(xiàn)了釩，煉油廠和耗油熱電廠的大氣排放亞微觀顆粒中發(fā)現(xiàn)了廣泛的重金屬（Banat et al.，2006）。臺(tái)灣以石油為燃料的熱電廠的大氣排放物中存在砷、鎘、鉻、鎳和鉛等元素（Wang et al.，2010）。在石油開(kāi)采的地方，土壤中含有鉻、鉛、鎘、鎳、鋅和銅等重金屬元素（Gruji? et al.，2004）。在油田石油泄漏的原生污染區(qū)，重質(zhì)堿土金屬（Sr、Ba）和鑭系元素（Ce、La）的富集是其主要特征。石油中所含重金屬比例不高，但難于被生物降解，一旦進(jìn)入土壤，就會(huì)長(zhǎng)久殘留，不斷積累，對(duì)人類和其他生物造成極大危害（Agbogidi et al.，2013）。重金屬的毒性效應(yīng)，會(huì)對(duì)石油烴的微生物自然降解和修復(fù)產(chǎn)生不利影響（Vodyanitskii et al.，2012）。

3.1 石油烴降解菌的重金屬適應(yīng)機(jī)制

受到石油烴-重金屬污染的土壤，往往富集多種耐重金屬且能降解石油烴的真菌和細(xì)菌，它們可通過(guò)多種作用方式共同對(duì)抗土壤重金屬的毒害作用。這些石油烴降解菌已發(fā)展出多種金屬耐受機(jī)制，包括排除、生物吸附、主動(dòng)去除、沉淀或細(xì)胞內(nèi)外空間的生物累積（Rajkumar et al.，2009）。此外，酶解毒功能是另外一種金屬耐受機(jī)制，如可將二價(jià)汞生物還原成汞（Achakzai et al.，2012）。從細(xì)胞結(jié)構(gòu)的角度，整個(gè)解毒機(jī)制分三類：（1）細(xì)胞外部沉淀機(jī)制，通過(guò)分泌胞外物質(zhì)改變環(huán)境條件等使重金屬發(fā)生沉淀作用；（2）細(xì)胞表面吸附機(jī)制，通過(guò)各種作用將重金屬離子吸附固定在細(xì)胞表面，減少細(xì)胞內(nèi)部的吸收，涉及到絡(luò)合、配位、離子交換、無(wú)機(jī)微沉淀、氧化還原及靜電吸附等多種吸附機(jī)制；（3）細(xì)胞內(nèi)部解毒機(jī)制，涉及到重金屬的運(yùn)輸和解毒機(jī)制等，較為復(fù)雜。在實(shí)際應(yīng)用中，各自獨(dú)立運(yùn)作的幾種機(jī)制通常共同作用，從而起到更強(qiáng)的降解作用（Javanbakht et al.，2014）。

石油烴降解菌對(duì)重金屬的生物吸附作用可概括為3點(diǎn)：細(xì)胞外吸附、細(xì)胞內(nèi)吸附、細(xì)胞表面吸附（Cai et al.，2008）。細(xì)胞外吸附主要利用活細(xì)胞分泌的糖蛋白和多肽或生物多聚體作為生物吸附劑，以實(shí)現(xiàn)對(duì)重金屬離子的去除作用（Volesky，2001）；細(xì)胞內(nèi)吸附主要由細(xì)胞自身代謝途徑，使金屬生物沉淀或通過(guò)生物轉(zhuǎn)化使其低毒或易于回收（Vijver et al.，2004）；細(xì)胞表面吸附主要通過(guò)表面生物大分子吸收轉(zhuǎn)運(yùn)、空泡吞飲等功能，以實(shí)現(xiàn)重金屬離子的去除作用（Kang et al.，2006）。

此外土壤微生物可以保護(hù)聯(lián)合修復(fù)工藝中的植物免受重金屬的有害影響，甚至增加超蓄積植物對(duì)金屬的吸收（Weyens et al.，2009）?？菇饘俑鼍≧hizobacteria）通過(guò)誘導(dǎo)硫醇類化合物（Courbot et al.，2004）、過(guò)氧化物歧化酶（Vallino et al.，2009）或金屬硫蛋白（Ramesh et al.，2009）等來(lái)增強(qiáng)寄主植物的金屬耐受性。

3.2 重金屬脅迫條件下石油烴降解菌的微生物作用機(jī)理

重金屬的不同形態(tài)具有不同的流動(dòng)性、生物可利用性和潛在的環(huán)境污染性，關(guān)系到石油-重金屬?gòu)?fù)合污染土壤修復(fù)過(guò)程中微生物的降解效率以及是否需要增加輔助工程解決重金屬污染等問(wèn)題，因此必須考慮重金屬有效態(tài)及形態(tài)的變化（Vodyanitskii et al.，2012）。石油污染土壤中的金屬形態(tài)、含量和分布受有機(jī)質(zhì)、水分、大團(tuán)聚體以及電導(dǎo)率等因素影響較大（Yao et al.，2016），也受季節(jié)變化的影響（Ideriah et al.，2013）。有機(jī)物對(duì)重金屬環(huán)境行為的影響十分復(fù)雜，高分子有機(jī)物通過(guò)絡(luò)合或螯合、吸附、截留等作用，鈍化土壤中重金屬；低分子有機(jī)物通過(guò)螯合、絡(luò)合作用活化土壤中重金屬。原油污染土壤中的金屬離子與土壤顆粒的結(jié)合比較松散，流動(dòng)性因子較高，金屬的流動(dòng)因子順序?yàn)镃d＞Zn＞Pb＞Ni＞Mn＞Cu＞Cr（Iwegbue，2011）。

石油烴-重金屬?gòu)?fù)合污染鹽堿土的微生物修復(fù)過(guò)程中，土壤中有效態(tài)Cd2+、Ni隨培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)，有效態(tài)含量呈起伏變化，且土壤中有效態(tài) Cd2+與Ni的變化規(guī)律存在明顯差異（陳雪蘭等，2013）。培養(yǎng)60 d后，土壤Cd2+的可氧化態(tài)含量均下降，可還原態(tài)含量均略有增加，低濃度時(shí)弱酸提取態(tài)Cd2+含量降低，殘?jiān)鼞B(tài)Cd2+含量增加，高濃度時(shí)變化趨勢(shì)相反。培養(yǎng)60 d后，Ni的弱酸提取態(tài)、可還原態(tài)、可氧化態(tài) 3種形態(tài)總量呈下降趨勢(shì)，殘?jiān)鼞B(tài)Ni含量則增加，Ni的形態(tài)分布由不穩(wěn)定向穩(wěn)定方向遷移，活性降低。

石油烴-重金屬?gòu)?fù)合污染鹽堿土壤的生物修復(fù)過(guò)程中，微生物對(duì)石油烴的降解機(jī)理同于非極端條件的降解機(jī)理。微生物對(duì)重金屬的修復(fù)機(jī)制包括生物吸附、細(xì)胞內(nèi)積累、酶催化轉(zhuǎn)化、生物浸出和生物礦化、氧化還原反應(yīng)（Lloyd，2002）。利用微生物/植物對(duì)土壤進(jìn)行解毒或去除重金屬，可改善土壤質(zhì)量并恢復(fù)土壤功能（Ye et al.，2017），雖然修復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)但成本效益高，可用于強(qiáng)化自然衰減過(guò)程。（1）細(xì)菌等微生物有能力影響重金屬的遷移率和對(duì)植物的可用性，可以通過(guò)鐵載體、有機(jī)酸、生物表面活性劑、生物甲基化和氧化還原等途徑將重金屬轉(zhuǎn)化為生物可利用的或可溶的形態(tài)，促進(jìn)植物對(duì)土壤結(jié)合金屬的吸收（Gong et al.，2018）。（2）細(xì)菌等微生物具有多種促生長(zhǎng)能力，包括磷增溶、固氮、固鐵、植物激素和ACC（L-氨基環(huán)丙烷-L-羧酸）脫氨酶合成（Li et al.，2011），可改善植物生長(zhǎng)，增加植物生物量，進(jìn)而促進(jìn)植物修復(fù)。例如，抗金屬根瘤菌能夠通過(guò)產(chǎn)生各種物質(zhì)刺激植物生長(zhǎng)和金屬積累，即單環(huán)丙烷-1-羧酸（ACC）脫氨基酶和鐵磷酸鹽、吲哚乙酸（IAA）（Rajkumar et al.，2012）。

3.3 重金屬脅迫條件下石油烴降解菌的微生物作用特性

土壤中金屬的濃度不會(huì)顯著地影響植物在污染土壤中對(duì)原油的去除能力（Atagana，2011）。Jiang et al.（2008）從一種重金屬污染土壤中分離出一種耐重金屬細(xì)菌株Burkholderia sp.J62（伯克氏菌屬），并將其應(yīng)用于一種受鉛和鎘污染的土壤修復(fù)中。該菌株增加了兩種金屬在溶液培養(yǎng)和土壤中的細(xì)菌增溶作用，產(chǎn)生吲哚乙酸、鐵載體和1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸脫氨酶，并溶解無(wú)機(jī)磷酸鹽。此外，該菌株顯著提高了玉米（Zea mays）和番茄（Lycopersicon esculentum）植株的生物量，提高了植物組織中鉛和銅的積累。Babu et al.（2013）用從樟子松（Pinussylvestris var. mongholica）根部分離出的細(xì)菌菌株接種于土壤中，顯著增加了赤楊木（Alnus japonica）幼苗的生物量和重金屬（砷、銅、鉛、鎳和鋅）的積累作用。伯克氏菌（Burkholderia）強(qiáng)化了土壤中重金屬的去除效率：鉛31%，砷32%，鋅44%，鎘37%，錳52%，銅24%（Yang et al.，2016）。Ma et al.（2015）研究發(fā)現(xiàn)伴礦景天（Sedum plumbizincicola）顯著增強(qiáng)了鎘的攝取（43%），而芽孢桿菌（Bacillus）則增強(qiáng)了伴礦景天對(duì)鋅的積累（18%）。

叢枝菌根（AM）真菌能促進(jìn)作物產(chǎn)量增加，有助于抵抗土壤中傳播的病原體，并在某些情況下促進(jìn)作物對(duì)包括重金屬和碳?xì)浠衔镌趦?nèi)的土壤污染物的耐受力。盆栽玉米植株接種叢枝菌根真菌可以促進(jìn)原油污染和未污染土壤中植株的生長(zhǎng)。種植密度對(duì)于AM接種植物后的原油污染土壤中的重金屬降解具有促進(jìn)作用（Abdul et al.，2016）。但是，關(guān)于AM真菌對(duì)植物吸收金屬（包括從受污染土壤中提取重金屬）的影響特性，目前沒(méi)有形成一致的結(jié)論（Liu et al.，2007）。

3.4 重金屬脅迫條件下生物強(qiáng)化/刺激修復(fù)石油烴污染土壤

石油、重金屬類物質(zhì)對(duì)于多數(shù)生物有較大毒害作用，僅有少數(shù)特殊物種能夠有效修復(fù)石油烴-重金屬污染土壤，而污染土壤中的生物降解速率又與土壤中微生物種類和數(shù)量有很大關(guān)系，所以篩選耐重金屬毒性的優(yōu)質(zhì)石油烴類降解生物具有重要的實(shí)際意義（郭曉燕等，2010）。張勤等（2007）從中國(guó)東北石油污染重金屬土壤中分離出3個(gè)具有營(yíng)養(yǎng)多樣化、不需要有機(jī)生長(zhǎng)因素的假單胞菌菌種P.mendocina（D84016）、P. stutzeri（AB126690）、P.aeruginosaSA-1（DQ854840），該菌種與有機(jī)污染物的降解以及重金屬抗性有關(guān)。Raju et al.（2015）從亞馬遜雨林中的石油污染地篩選出兩株高效銅去除微生物UEAB3和UEAB6（Geomyces屬），經(jīng)鑒定這兩種絲狀真菌為液體培養(yǎng)基中銅金屬的最佳生物吸附劑，其適用于受原油污染的土壤的生物修復(fù)以及針對(duì)金屬銅的額外去除作用。高憲雯等（2013）研究表明微生物能有效促進(jìn)石油-重金屬?gòu)?fù)合污染鹽堿土壤中石油烴的降解效率。Ekperusi et al.（2016）研究結(jié)果表明，蚯蚓可以有效降解原油污染土壤中的重金屬。

向污染土壤添加營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、覆蓋堆肥、調(diào)節(jié)土壤pH以及改善土壤含水率等，均能增強(qiáng)生物降解效率。Udosen et al.（2001）研究表明，對(duì)于石油烴-重金屬污染土壤的生物強(qiáng)化修復(fù)，微生物在降解過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生有機(jī)酸以降低土壤的pH值，而受污染土壤的pH值變化，可能會(huì)促進(jìn)重金屬在土壤中的去除效果；用堆肥處理過(guò)的土壤修復(fù)效果遠(yuǎn)強(qiáng)于用鋸屑和灰分處理后的修復(fù)效果。單一的植物修復(fù)技術(shù)或是微生物修復(fù)技術(shù)，對(duì)于石油烴-重金屬?gòu)?fù)合污染土壤的修復(fù)作用很難達(dá)到較高的水平，因此在不斷的嘗試中植物-微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。Achakzai et al.（2012）將叢枝菌根（arbuscular mycorrhizas，AM）真菌Glomus mosseae接種到原油-重金屬污染土壤中，并協(xié)同種植高密度的玉米植株，極大地提高了石油烴、重金屬污染物的去除效率。

4 重質(zhì)原油脅迫條件下石油污染土壤的微生物修復(fù)

石油是世界上的主要能源，環(huán)境中的主要污染物（Rahman et al.，2002）。原油通過(guò)氧氣脅迫和直接毒性作用等，對(duì)數(shù)量巨大的動(dòng)、植物和微生物的生存構(gòu)成極大威脅（Rozas et al.，2000）。API（American Petroleum Institute，用以表示石油及石油產(chǎn)品密度的一種量度，簡(jiǎn)稱API度）度小于20°且硫含量通常超過(guò) 2%（按重量計(jì)）的原油被視為重油。API度小于 10°的原油，密度大于水，被認(rèn)為是超重油，它們以固體或半固體狀態(tài)存在。常規(guī)原油包含 67%-97%飽和烴和芳香族化合物，2%-33%樹(shù)脂和 0.1%-12%瀝青類物質(zhì)；而重油含有24%-64%的飽和烴和芳香烴，14%-39%的樹(shù)脂和11%-45%的瀝青類物質(zhì)（Santos et al.，2014）。樹(shù)脂和瀝青質(zhì)主要由環(huán)烷芳烴和脂環(huán)鏈組成，最難降解。相較于普通原油，重質(zhì)原油中的有毒有害成分更高（Minaitehrani，2008），針對(duì)重質(zhì)原油污染土壤的微生物修復(fù)方面的相關(guān)研究極為必要。重油生物降解研究的主要障礙是尋找能夠在較短的培養(yǎng)時(shí)間內(nèi)降解重油組分（瀝青質(zhì)和樹(shù)脂）并能經(jīng)受惡劣條件的高效微生物。

4.1 重質(zhì)原油脅迫條件下的微生物適應(yīng)機(jī)制

重油中含有大量的非烴組分，其組分類別和占比的任何變化都可能顯著改變重油的特性。微生物降解重質(zhì)原油的途徑應(yīng)該是先改變其性質(zhì)。Al-Sayegh et al.（2016）利用一種專性降解菌或者多種組合降解菌，以重油作為碳源和底物，通過(guò)氧化芳香環(huán)、螯合金屬和切斷分子間的內(nèi)部鍵/鏈改變重質(zhì)原油的物理性質(zhì)，從而將重質(zhì)原油轉(zhuǎn)化為較輕組分，降低原油的粘度，從而達(dá)到降解重質(zhì)原油的目的。

微生物接觸、利用石油疏水底物的一般機(jī)制是細(xì)胞與烴類直接接觸的界面結(jié)合，或者是生物表面活性劑主導(dǎo)條件下的細(xì)胞與乳化烴類的界面結(jié)合（Wentzel et al.，2007）。生物表面活性劑是微生物為吸附、乳化、濕潤(rùn)、分散或溶解水不溶物（作為食料）而產(chǎn)生的表面活性化學(xué)物質(zhì)，其主要通過(guò)增加油的表面積提高非水相液體（NAPL）、多環(huán)芳烴和其他降解產(chǎn)物的生物利用率（Joshi et al.，2010）。與合成表面活性劑不同，生物表面活性劑是安全、可生物降解的。許多生物表面活性劑不含有膠團(tuán)（micelles），可直接將表面活化的多環(huán)芳烴傳遞到微生物表面，而不像人工合成表面活性劑膠團(tuán)內(nèi)的多環(huán)芳烴一樣難以被生物利用（Makkar et al.，2003）。

4.2 重質(zhì)原油脅迫條件下的微生物降解機(jī)理

微生物降解過(guò)程中需以原油作為碳源。高效石油烴類降解菌往往優(yōu)先降解易于降解的烴類物質(zhì)，而非重質(zhì)原油（Ali et al.，2013）。重油微生物降解機(jī)理是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，涉及使用一種或多種生物制品（如氣體、酸、溶劑、生物表面活性劑和生物類群等）進(jìn)行的多種生化反應(yīng)。微生物技術(shù)在石油工業(yè)中的應(yīng)用包括生物脫硫、生物硝化、生物金屬化和生物降解方面（Singh et al.，2012），這些代表了重油的生物升級(jí)過(guò)程。關(guān)鍵的微生物吸收機(jī)制是界面張力（IFT）降低、選擇性堵塞、粘度降低、生物降解和潤(rùn)濕性改變，影響的因素有孔隙、滲透性、壓力、溫度、溶解氣體、pH、鹽度和API重力（Gao et al.，2011）。

微生物降解過(guò)程可以產(chǎn)生多種產(chǎn)物，促進(jìn)重油進(jìn)一步降解。例如，鏈球菌BT-003（鏈球菌屬）產(chǎn)生的有機(jī)酸、生物氣和多糖（生物聚合物）等產(chǎn)物有助于重油的生物降解。該類產(chǎn)物可使重油乳化，重油粘度從 8000-15000 mPa·s降至 50-250 mPa·s（Xu et al.，2009）。甲基營(yíng)養(yǎng)芽孢桿菌 USTB菌株產(chǎn)生的糖脂類生物表面活性劑，在約為 38 mg·L-1的臨界濃度條件下，將水的表面張力降低到28 mN·m-1，展現(xiàn)了其乳化活性，提高了重油的生物降解能力（Chandankere et al.，2014）。

4.3 重質(zhì)原油脅迫條件下的微生物降解特性與修復(fù)效果

油組分的生物降解效率一般按以下順序降低：正構(gòu)烷烴、支鏈烷烴（branched-chain alkanes）、支狀烷烴（branched alkanes）、低分子量正構(gòu)烷烴、單芳烴、環(huán)烷烴、多環(huán)芳烴和瀝青質(zhì)。Rahman et al.（2002）研究表明C8-C11完全降解，其次是C12-C21、C22-C31和C32-C40，其降解率分別為100%、83%-98%、80%-85%和57%-73%。Parviz et al.（2011）從重質(zhì)原油中分離出一種新型耐油菌株ERCPPI-1（腸桿菌屬），它在濃度為0.25%-10%重油、溫度高達(dá)70 ℃、壓力高達(dá)6000 Pa、pH值為4-10、鹽度高達(dá)15%的環(huán)境中具有良好的生物降解能力。細(xì)菌菌株garciaella petrolearia TERIG02比大多數(shù)微生物更傾向于有毒的瀝青和芳香化合物，當(dāng)瀝青是唯一的碳源時(shí)，可以將重油粘度（50 ℃時(shí)為2637 cp）降低37%，當(dāng)添加糖蜜時(shí)降低42%。生物氣體和生物溶劑是降低表面和界面張力和乳化過(guò)程的主要原因。陰溝腸桿菌 ERCPPI-1菌株以重質(zhì)原油為唯一碳源，經(jīng)21 d培養(yǎng)，在重質(zhì)原油0.25%（w/v）濃度下，降解率最高可達(dá)76.3%，產(chǎn)生生物表面活性劑，具有較高的油擴(kuò)散和乳化性能。然而，在10%的重質(zhì)原油濃度下，菌株的降解率僅為 19.1%（Abdullah et al.，2016）。

采用一種以上的細(xì)菌菌株來(lái)提高生物降解能力是一種有吸引力的選擇。Rahman et al.（2002）研究表明，混合細(xì)菌菌團(tuán)（在原油濃度為 1%時(shí)，BH原油降解率為78%）比單獨(dú)菌株（在同一濃度下，假單胞菌 DS10-129降解率為 66%和黃桿菌DS5-73降解率為 41%之間）具有更高的細(xì)菌生長(zhǎng)速率和原油降解率。Cameotra et al.（2008）研究表明，在微生物、營(yíng)養(yǎng)液以及生物表面活性劑的共同作用下，原油的總體降解率超過(guò)98%。Tavassoli et al.（2012）研究表明，在5種菌株的混合培養(yǎng)體系中，瀝青質(zhì)的生物降解率為48%，超過(guò)了有史以來(lái)最高的瀝青質(zhì)生物降解結(jié)果（35%）。一般而言，與好氧條件下的微生物生長(zhǎng)相比，厭氧條件下的烴類降解微生物生長(zhǎng)緩慢。然而鏈球菌 BT-003菌株的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，厭氧條件下的重油降解效果具有與好氧降解相媲美的可能性（Xu et al.，2009）。

5 結(jié)論及展望

利用極端微生物修復(fù)各類極端環(huán)境下的石油污染土壤，目前主要停留在分離培養(yǎng)和降解特性研究階段，對(duì)于降解機(jī)制和生存機(jī)制等的機(jī)理理解不充分，菌種特性待提升，工藝參數(shù)待優(yōu)化，理論研究與實(shí)際應(yīng)用存在較大脫節(jié)。日后的創(chuàng)新研究可聚焦于以下幾個(gè)方面：（1）加強(qiáng)高效降解菌的篩選、育種以及極端酶基因工程等工作，探索極端條件下微生物的降解機(jī)制和生存機(jī)制；（2）培育能夠降解重質(zhì)石油組分（瀝青質(zhì)和樹(shù)脂）并能在較短的培養(yǎng)時(shí)間內(nèi)承受惡劣環(huán)境的高效微生物；（3）石油降解是由多種微生物共同代謝完成，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)菌群構(gòu)建的研究，尋找不同種降解菌合適的混合比例，以達(dá)到較好的石油去除效果；（4）極端條件及其工藝參數(shù)的選擇，應(yīng)來(lái)源于生產(chǎn)實(shí)踐，并為生產(chǎn)實(shí)踐服務(wù)；（5）加大面向?qū)嶋H修復(fù)工程的應(yīng)用基礎(chǔ)研究和技術(shù)研發(fā)，促進(jìn)石油污染土壤的生物修復(fù)技術(shù)工程化應(yīng)用；（6）注重相關(guān)學(xué)科的交叉與滲透，注重新技術(shù)、新方法、聯(lián)合修復(fù)技術(shù)的使用；（7）加強(qiáng)生物修復(fù)石油烴污染土壤的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作。