利用微生物修復(fù)受石油污染的土壤*

徐佳 王明召 高金龍

北京師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院 北京 100875

利用微生物修復(fù)受石油污染的土壤*

徐佳 王明召 高金龍

北京師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院 北京 100875

介紹微生物修復(fù)受石油污染土壤的基本原理，以及人類促進(jìn)這種修復(fù)作用的思路，供一線教師用作高中化學(xué)閱讀材料。

高中化學(xué)；閱讀材料；土壤；石油污染；修復(fù)；生物表面活性劑

AbstractBasic knowledge of microbial remediation of oil contaminated soil and human’s role in promoting this remediation were presented for senior school students.

Key wordssenior school; reading material; soil; oil contamination; remediation；biosurfactant

隨著人類對石油的需求增大，石油泄漏的途徑與機(jī)會也增多。石油中含有飽和烴、芳香烴等有機(jī)物，這些物質(zhì)進(jìn)入土壤后，先吸附在土壤大孔隙以及各種有機(jī)顆粒和無機(jī)顆粒的表面，然后逐漸擴(kuò)散進(jìn)入土壤微孔（甚至微生物都無法進(jìn)入的極小孔隙）中，或者分配進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)內(nèi)，也有少部分以純固體或非水相物質(zhì)存在[1]。當(dāng)石油滲入量超過土壤的自凈容量后，積累的油類物質(zhì)將長期殘留，破壞土壤結(jié)構(gòu)，對土壤植物和土壤微生物生態(tài)系統(tǒng)甚至地下水都產(chǎn)生嚴(yán)重影響，對人類造成危害。

1 土壤是怎么自凈的

土壤可以通過微生物降解石油烴來自凈。自然界中廣泛存在能降解石油烴的微生物，它們能夠把石油烴降解為無毒的二氧化碳、水和其他無機(jī)物，這種代謝主要是通過所謂“有氧呼吸”進(jìn)行的。以正己烷的氧化過程[2]為例（圖1），它進(jìn)入微生物細(xì)胞體后首先轉(zhuǎn)化成正己醇，然后在脫氫酶的作用下脫氫形成正己醛，再被氧化成正己酸。正己酸最終被徹底氧化成二氧化碳、水及其他產(chǎn)物，并且釋放能量。

圖1 正己烷在微生物體內(nèi)的代謝反應(yīng)示意圖

微生物可經(jīng)3種途徑攝取石油烴[3]，以后2種為主。一是微生物細(xì)胞直接攝取溶解在水中的石油烴，這種途徑僅適于在水相有一定溶解度的石油烴，由石油烴在水中的溶解速率決定攝取速率。二是微生物細(xì)胞吸附在難溶于水的石油烴表面，直接攝取比細(xì)胞體積大得多的石油烴液滴（或顆粒）。假設(shè)這種攝取是在二者的接觸點通過擴(kuò)散進(jìn)行的，主要由細(xì)胞可接觸的油滴表面積以及細(xì)胞表面的疏水性控制攝取速率。由于實際能接觸到石油烴表面的微生物數(shù)量很小，所以這種途徑的降解速率很慢。三是微生物攝取膠束態(tài)的石油烴。

2 生物表面活性劑怎樣促進(jìn)微生物降解石油烴

在石油烴的誘導(dǎo)下，微生物能分泌出具有表面活性的物質(zhì)，這些生物表面活性劑分子含有親水性基團(tuán)和長鏈?zhǔn)杷曰鶊F(tuán)，其中親水部分為單糖、聚糖、氨基酸、肽和磷酸等基團(tuán)[4]。當(dāng)它吸附在兩相界面上時，親水基朝向水相，疏水基朝向油相，從而降低油水界面張力。隨著生物表面活性劑在水中濃度增大，水相表面張力降低得很快，當(dāng)它的量達(dá)到某個值（臨界膠束濃度cmc）時，就形成膠束。膠束外部由親水基組成，內(nèi)部是由疏水基形成的疏水性內(nèi)核（如圖2所示），其可將疏水性石油烴包裹起來，形成膠束態(tài)石油烴，進(jìn)而為微生物所攝取。這就是前面提到的第三種攝取途徑。

圖2 生物表面活性劑膠束形態(tài)示意圖

圖3 一種鼠李糖脂的結(jié)構(gòu)式

以研究較多的生物表面活性劑鼠李糖脂（其中一種的結(jié)構(gòu)式如圖3所示）為例，它由銅綠假單胞桿菌利用不同碳源產(chǎn)生。當(dāng)鼠李糖脂的濃度低于cmc時，它可從3個方面增強(qiáng)微生物攝取石油烴的第二種途徑，進(jìn)而提高微生物的降解速率[5]。一是通過乳化作用將大油滴分散成小油滴，增加微生物細(xì)胞表面與石油烴的接觸面積。二是吸附在石油烴-水界面，通過降低界面張力，使石油烴克服土壤孔隙的毛細(xì)管阻力，以液態(tài)形式隨水流遷移，促進(jìn)石油烴液滴在水中分散。三是將親水基結(jié)合在微生物細(xì)胞的外表面，疏水基指向環(huán)境，封閉微生物細(xì)胞表面的親水部位，使細(xì)胞表面的疏水性大大提高，因而增大細(xì)胞與石油烴液滴間的親和力。

當(dāng)鼠李糖脂的濃度高于cmc時，除了能發(fā)生上述3種作用外，還可發(fā)生圖4所示過程[6]。鼠李糖脂膠束可將土壤微孔中的石油烴包進(jìn)疏水內(nèi)核，形成直徑小于1 μm的膠束微粒，進(jìn)入細(xì)胞壁中的兩親分子通道。然后內(nèi)核中的疏水性污染物分子通過磷脂雙分子層的高疏水性通道進(jìn)入細(xì)胞，并在細(xì)胞內(nèi)凝聚形成石油烴液滴。鼠李糖脂分子由于體積等因素被阻止在高疏水性通道外，它們離開兩親分子通道回到水中，再重新形成膠束。這個過程增強(qiáng)微生物攝取石油烴的第三種途徑。通常，鼠李糖脂濃度越高，形成的膠束越多，增強(qiáng)作用就越明顯。

3 人類有什么辦法促進(jìn)微生物降解石油烴

盡管微生物在環(huán)境的刺激下能分泌生物表面活性劑來加快對石油烴的降解，但是降解速率可以受到多種因素的影響，自凈往往十分緩慢。因此，僅靠自凈不能有效解決土壤的石油污染問題。

圖4 鼠李糖脂增溶下微生物攝取石油烴的過程示意圖

人們采用一些辦法來促進(jìn)微生物修復(fù)受石油烴污染的土壤。一種方法是通過改變微生物所處的環(huán)境來促進(jìn)土著微生物生長[5]，即改善土壤的理化條件（如土壤的有機(jī)質(zhì)含量、氧含量、pH值以及N、P等元素），提供電子受體（如添加過氧化氫，以使有機(jī)物的氧化降解過程通暢）以及使用表面活性劑（包括生物表面活性劑和化學(xué)表面活性劑）。例如，人工向修復(fù)場地添加稻草（可以補(bǔ)充N、P等元素），360天后，土壤中石油烴降解菌和多環(huán)芳烴 降解菌的數(shù)量分別達(dá)到71.3 g?Kg-1和757.7 g?Kg-1，而未加營養(yǎng)物的土壤的這兩個值只有9.3 g?Kg-1和67.0 g?Kg-1。結(jié)果，添加營養(yǎng)物的土壤中，污染物芳香烴和烷烴的含量分別降至36.5 g?Kg-1和30.3 g?Kg-1，而對照土壤中這兩種物質(zhì)含量分別高達(dá)64.5 g?Kg-1和102.4 g?Kg-1[7]。

在污染的土壤中接種一些高效外來微生物也可加快對石油烴的降解。科學(xué)家還利用基因工程把不同的降解基因移植到同一菌株中，創(chuàng)造出具有多種降解功能的基因工程菌。

總體上看，盡管利用微生物修復(fù)受石油烴污染土壤的技術(shù)目前還處于實驗室階段，但是它具有操作簡單、修復(fù)時間短、對周圍環(huán)境干擾少、不會形成二次污染、可在原地清除污染物等優(yōu)勢，因而具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1]羅啟仕,等．生物修復(fù)中有機(jī)污染物的生物可利用性[J].生態(tài)環(huán)境,2004,13(1):85-87

[2]Jonathan D, et al．Recent Advances in Petroleum Microbiology[J].Microbiol Mol Biol R,2003,67(4):503-549

[3]賈凌云,等.表面活性劑在污染土壤生物修復(fù)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代化工,2003,23(9):58-61

[4]馬滿英,等.生物表面活性劑修復(fù)HOCs污染土壤的研究進(jìn)展[J].生態(tài)學(xué)雜志,2008,27(5):835-840

[5]喬德波,等.生物表面活性劑在石油污染土壤生物修復(fù)中的應(yīng)用[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2007,35(28):8965-8967

[6]Sekelsky A M, et al．Kinetic Model of Biosurfactant-Enhanced Hexadecane Biodegradation by Pseudomonas aeruginosa[J].Biotechnol Bioeng,1999,63(4):401-409

[7]Liu W, et al．Bioremediation of oily sludge-contaminated soil by stimulating indigenous microbes[J].Environ Geochem Health,2010(32):23-29

Microbial Remediation of Oil Contaminated Soil//

X u Jia, Wang Mingzhao, Gao Jinlong

G633.8

B

1671-489X(2011)06-0036-02

10.3969 /j.issn.1671-489X.2011.06.036

Author’s address Institute of Chemistry, Beijing Normal University, Beijing, China 100875

*資助項目：教育部實驗室共建項目，北京市教育委員會共建項目（102-105834），北京師范大學(xué)教學(xué)建設(shè)與改革項目。