石油降解菌處理污染土壤的研究進展

高曉攀，杜顯元李興春張洪志，聶世軍，楊斌

（1. 中國石油安全環保技術研究院，北京 102249； 2. 中國石油大學（北京），北京 102249； 3. 中國石油大港油田， 天津 300280）

石油降解菌處理污染土壤的研究進展

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. 中國石油安全環保技術研究院，北京 102249； 2. 中國石油大學（北京），北京 102249； 3. 中國石油大港油田， 天津 300280）

利用生物修復技術對被石油所污染過的土壤進行處理更加簡便高效、投資少且屬于環境友好型技術，逐漸吸引越來越多國內外學者的研究興趣。介紹了被原油污染的土壤對農業生產的影響，以及傳統處理技術和新興的生物處理技術，重點綜述了利用微生物處理被石油污染土壤這一方法中，關于單一石油烴降解菌及石油烴降解菌菌群的研究進展，并指出今后在修復被石油污染的土壤方面一個研究重點在于合理構建降解石油烴的菌群。

污染土壤；農業損失；微生物修復技術；石油烴降解菌；菌群構建

石油是現代工業上最主要能源以及化工原料，但在對石油進行勘探開發、進一步加工利用過程中，常有排放甚至泄露，原油殘留破壞土壤結構及功能，其中石油對農業土壤帶來的損害及其嚴重，影響農作物的正常生產，從而間接危及人類的身體健康。目前，我國有機土壤中有近0.2億hm2被污染［1］，而這里面絕大多數為石油做造成的污染。土壤中進入了石油類污染物，污染物的含量超過土壤自身自凈容量后，就會對土壤生態系統造成嚴重的危害［2］。石油組成成分對土壤功能和人類生存造成極大威脅［3］，以芳香烴類物質對生物毒性最大，其中多環芳烴（PAHs）在極易導致畸形、基因突變和癌癥，而且難以在環境中降解。石油類污染物對植物造成的危害，低分子烴最強，主要是它能穿透到植物內部，破壞正常的生理機能。高分子烴可能因分子較大而不易穿透到植物內部，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］。在國內，如華北油田附近的很多農業土壤由于石油污染的進入而無法耕種，造成農民和國家的巨大經濟損失。

生物修復法作為一種高效且環境友好的修復技術逐漸成為石油污染土壤治理的熱點領［5，6］域，本文根據近幾年國內外的研究成果，重點綜述了利用微生物修復原油污染土壤中關于單一烴類降解菌和烴類降解菌群的構建問題，而且對其未來發展趨勢進行展望。

1 石油污染土壤修復法

在世界范圍內，很多種技術被用于人為修復被原油污染的土壤，總體分為物理、化學及生物三種方法。其中傳統的物理化學修復方法的發展已相當成熟，兩者對比如表1所示。

表1 土壤修復傳統方法的具體比較Table 1 Specific comparison of traditional methods to repair soil

生物修復法作為一種新興的石油污染土壤處理技術而備受關注，指用有生命的有機體（如小型動物、植物和微生物等），主要是微生物的代謝活動來催化被處理系統里有毒有害成分進行分解，使其對環境沒有危害的技術。

根據生物修復中所使用有機體的差異，普遍認為可將修復石油污染土壤的技術分為三大類：微生物修復、植物修復及植物-微生物聯合修復［8］。

相比之下，用生物法更有優勢和前景，如：便于應用，效率高，對自然及人體危害小且無二次污染，其投資成本低等，成為國內外學者最感興趣、實際應用最為廣泛的生物修復方法［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分為如下兩大類：原位生物修復技術（In-situ bioremediation）和異位生物修復技術（Ex-situ bioremediation）［9］。原位生物修復技術指將氧化性物質、營養物質加進被石油污染的土壤中，甚至將外源降解菌進行接種，使相關的微生物進行繁殖并且通過生物化學作用降解有機污染物，起到修復作用［10］。Sanjeet Misshra等［11］運用該技術修復了約4 000 m2被原油污染的土壤，證實了投菌法的可行性。陳立等［12］也采取此方法對西北部地區被石油污染土壤進行了處理，進一步證實了該方法的可實際應用性。異位生物修復技術指把被污染的土壤、沉積物等轉移到其他地點，然后再將接種降解菌的物質、營養成分和支撐材料等集中起來處理［7］。一家美國工廠曾采用異位生物修復法，將雜酚油降解菌接種從而修復被污染的土壤，結果顯示這種方法可以在1周之內修復被污染的土壤約100 t［13］。

2 單一菌株降解石油的研究進展

2.1 石油降解菌

原油污染地區大量的微生物可在自然馴化下產生大量的石油烴降解菌［14］。研究證實，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］，但是在石油污染過的環境下，這一比例可達10%。

研究表明，細菌、真菌、藻類及放線菌都能將石油中的烴類物質作為其生長的唯一碳源，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菌及真菌，經實驗證實它們能將烴類物質降解［16］。據統計，目前用于修復石油污染土壤最多的是細菌，因為相比之下細菌更易培養、改造，同時較易對石油烴類物質進行礦化等。

據統計，目前有一百多個屬、兩百多個種的微生物能夠分解原油里的烴類物質，而最為常見的石油降解菌菌屬有：節桿菌屬（Arthrobacter）、黃桿菌屬（Flavobacterium）、無色桿菌屬（Achromobacter）、假單胞菌屬（Pseudomonas）、不動桿菌屬（Acinetobacter）、產堿桿菌屬（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理

正通常情況下降解細菌分解原油中烴類物質如式（1）所示方式進行：

石油烴在降解菌作用下氧化脫氫產生 CO2和H2O，營養物質可為微生物提供營養。普遍認為，以下三個步驟為降解菌分解原油的主要過程：（1）原油中烴吸附于降解菌上；（2）降解菌通過細胞膜將原油中物質進行傳遞；（3）降解菌于細胞內分解原油中的烴類物質。降解菌把原油中的烴類物質轉化成不飽和脂肪酸，然后進一步轉化為脂肪酸，最后完成分解。石油類成分降解菌分解的難易順序為：多環烷烴＞ 低分子量芳香烴＞異構烷烴（isoparaffin）＞正構烷烴（n-alkanes）。

2.3 存在的問題及研究進展

2.3.1 存在的問題

單一菌株分解原油中烴類物質的效率一般不高，而且可分解組分單一；單一降解菌的降解能力對外界條件要求苛刻，包括培養條件及營養物質等；單一菌種對石油內輕重組分的分解效率存在不均一性，表現為根據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70%，然而對于石油中的重質組分則分解效果明顯降低。

2.3.2 研究進展

目前，關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，并經實驗證實以上兩種菌可以降解碳原子數在12到22的直鏈烷烴；驗證黃單胞菌屬可以降解碳原子數在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 內可降解47%～78%的阿拉伯混合原油。對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40%，如勝利油田篩選出3株降解效率達到40%的降解菌。

3 石油降解菌菌群的研究進展

3.1 菌群構建

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。通過組合菌群，優勢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共同降解石油烴時，一部分混合菌的分解效率大大高過某一種菌，而還有一部分效果反倒比單一菌株差很多，這是因為微生物之間具有相互作用［22］，微生物之間的這種關系對于培養混合菌株進行石油烴降解極為重要。

在培養混合菌株時應注意的因素有：（1）不同菌株生長所需的外部條件、培養空間以及營養物質等應盡可能接近；（2）不同菌株之間不能存在對培養條件或營養物質的競爭；（3）一些菌株分泌的物質不能對其他降解菌造成威脅。

3.2 表面活性劑

飽和烴（Saturated hydrocarbons， SAT）和多環芳烴（Polycyclic aromatic hydrocarbons， PAH）是原油中的兩種主要組分，其疏水性相當高而溶解性極低［23，24］。這些疏水性物質進入土壤后，由于土壤有機質（Soil Organic Matter， SOM）的吸附作用牢牢吸附于固相顆粒中，從而導致其生物可降解性降低。而降解菌大多通過吸收溶解態有機物達到降解有機物的目的。此時應用表面活性劑可解決此問題，因此表面活性劑增效修復被稱為一項很有潛力的處理方法［25］。

研究表明，表面活性劑的作用機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，增強其從被污染土壤上解吸的作用，同時可以將不易溶解的有機物溶解并轉移到土壤的液相中［26］。添加的表面活性劑不能對菌株造成威脅，在比較和選取促進降解的表面活性劑的研究方面，國內外學者取得了相當大的進展。Pekdemir等［27］學者在研究各類表面活性劑促進石油降解過程中，表明由微生物假單胞菌屬產生的鼠李糖脂生物表面活性劑效果最好。

3.3 研究進展

LU等曾篩選出三株可以降解輕油的優勢菌種，這三種菌的生長條件幾乎相同，而且經實驗證實了三者混合之后的降解效果遠遠好過每種菌株單獨使用的效果。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，篩選出了優勢菌種；對殘油進行氣質聯用儀測試，用化學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，進行了復配實驗；通過正交實驗確定了這四種菌株達到最佳石油降解效率時投加各種菌株的量。

4 結論與展望

（1）微生物土壤修復的應用過程中，國內外的學者已經取得了一定的進展。比如篩選出了多種對單一石油烴具有高效降解作用的菌類，特別是針對石油中輕組分的降解菌，近年來國外在生物法修復土壤的工程應用上也取得了一定成效。但是目前仍然許多難點。高分子的芳香烴和膠質瀝青質難以降解，對微生物降解機理研究還有待提高，菌群構建的理論還未成熟，在實際現場應用方面進展緩慢等。

（2）故此在菌群構建的方面的研究具有廣闊的前景。針對菌群構建提出一個構想。從多地區篩選出高效的單一石油降解菌，并充分利用各種化學分析和生物鑒定的手段，測定其菌屬和降解的具體組分。再將功能不同的降解菌進行組合，挑選在特定原油環境中共生效果最好的幾種組合，再進行正交組合實驗，選出最佳合適比例。利用多個地區篩選出來的降解石油烴的菌類進行復配，達到更加高效全面地對石油污染土壤進行修復的目的，對日后大規模解決農業土壤污染的工程提供一定理論和技術支持。

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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。E-mail：158444817@qq.com。