石油污染土壤微生物修复技术

在已被石油类污染物污染的自然区域内，由于微生物的广泛存在性，自然界中会通过自然驯化作用而产生一定数量的嗜油微生物，能氧化石油烃及其化合物的微生物物种在自然界分布广泛。土著微生物相对于外源混合菌在石油污染土壤的生物修复中可以发挥更重要的作用［293］。研究表明，在正常环境下，能利用烃类化合物的降解菌只占微生物群落的1%，而当环境受到石油污染时，降解菌比例可提高到10%［294］。Rooney等利用16SrDNA的变性梯度凝胶电泳（DGGE）考察了石油污染的含水土层中的微生物区系组成，发现污染土层和相邻地点未污染土层的微生物区系组成存在显著差异［295］。多种细菌和真菌都表现出利用石油烃的特性，被实践用来处理海洋溢油事件，废弃物处理，油的生物乳化等［296］。200余种细菌、真菌和藻类已显示出能代谢一种或多种烃类化合物的能力，嗜油微生物的数量和活性会随着污染程度而加强，生物种群对石油烃的降解是消除石油烃和其他烃类污染物的基本途径之一［297］。

目前的一些研究是从石油污染土壤中筛选出各种嗜油微生物，然后将其投加到油污土壤中，并进行单因素实验来研究优化环境条件，来改善微生物作用环境，如温度、营养元素、pH值、盐度等［298］。李宝明从胜利油田分离筛选石油降解菌株，构建了石油降解微生物菌群C9，通过单因素试验不同pH值，摇床转数，培养时间，N源，P源对石油降解效果的影响，进行最佳石油降解条件正交试验，得到菌群C9的最适N源为KNO3，最适P源为K2HPO4，最适pH范围为7～10，最适摇床转数为150～200r/min；正交试验结果表明4种分离出来的菌种的最适接种比例为1∶1∶20∶1，优化后的最佳石油降解条件为：KNO33g/L，K2HPO41g/L，pH 8，总接种量为6.9%，石油浓度为0.25%；气相色谱分析证明，菌群C9在优化后能更有效地降解原油中各种饱和烃和芳烃［299，300］。张胜等对西北黄土石油开采区石油污染土壤的原位微生物生态修复进行研究，辅以物理和化学方法强化原位微生物菌群修复作用，通过进行试验区土壤温度、水、氧气、营养元素等土壤环境因子的调控，采用与土壤环境相结合的微生物生态技术，取得了良好的降解效果［301］。

石油烃在环境中的状态主要受温度的影响，水溶态的石油烃更容易被微生物细胞接触降解，同时温度还影响微生物的种群和酶活性，对于控制石油烃的生物代谢有重要作用［302］。30～40℃的时候微生物活性达到最大值，降解石油的能力最强［303］。生化反应遵循的一个总的原则就是反应速度随温度升高而升高，但是随着温度的继续升高微生物的活性开始下降，微生物降解石油的能力降低，在60℃时降解效率达到最小值。而且，许多（但不是所有）微生物含有必需的酶，而这种酶在高于50℃时会变性。因此，这个温度代表了一个保持微生物活性的温度上限。对于好氧菌来说，最佳的降解温度一般在15～30℃之间［304，305］。尽管低温下微生物的活性减弱，但一些嗜冷菌仍会降解石油烃。Marion Borresen等对永久冻结地带土壤对柴油和十六烷污染物进行降解研究，指出在5℃时微生物仍有降解烃的能力［306］。Bossert等研究显示：在低温时，油黏度增加，有毒的短链烷烃挥发性下降，生物降解起动滞后；随着温度的升高，烃代谢增加，一般在30～40℃时达到最大；温度继续升高，烃的膜毒性增大而使代谢减少［307］。

研究表明，氮、磷营养物质的缺乏或过量均可限制石油烃的降解，氮、磷的最佳比例与细胞成分中的比例（N∶P＝5.67∶1）越接近越有利于提高降解能力［308］。Prince等［309］证实，北极地区可以通过添加营养物来刺激海岸线上油的降解，并完成生物修复。营养物添加在微生物降解初期效果较好，利于微生物生长，但一段时间后，降解能力明显下降，可见营养物对生物降解石油烃既可以是正向的也可以是负向的。

Arco等人发现随石油浓度的升高，最终的降解率逐渐降低，降解率与石油浓度成负相关关系。有研究报道，当向土壤中添加油污使土壤中烃浓度达到1.25%～5%时，土壤的呼吸强度增大，当烃浓度达到10%时，土壤的呼吸强度不再增大，当烃浓度达到15%时，土壤的呼吸强度下降，表明油浓度太高会抑制微生物的活性。含油废弃物与土壤的重量百分比在0～30%范围内时，研究油的浓度对生物降解的影响，发现浓度为5%时，O2的吸收率最高［310］。

石油烃的水溶性差，黏附在土壤颗粒上，使得微生物不能很好地与石油相接触，少量的表面活性剂能够使石油脱离土壤颗粒，增加微生物对石油的利用效率［311］。有研究表明，多环芳烃之所以难降解是因为被吸附在土壤中，一旦用特定的溶剂洗脱下来，多环芳烃在14天内的降解率从10%上升至90%［312］。而大量的表面活性剂却对微生物有杀灭作用，所以在加入表面活性剂的时候一定要选择一个合适的浓度。十二烷基苯磺酸钠对不同菌株的除油率在低浓度时无明显抑制作用，在高浓度时均有抑制作用。戴树桂［313］认为，聚氧乙烯型非离子表面活性剂用得最为广泛，这类表面活性剂无毒、可以生物降解，临界胶团浓度较低，不带电荷，受环境pH和离子强度等因素影响较小。因此在目前的土壤生物修复中使用的表面活性剂大多为非离子表面活性剂，如吐温－80（Tween－80），聚乙二醇辛基苯基醚Triton X－100等［314］。

每分解1g石油需氧气3～4g。因此，土壤中氧含量是否充足对降解效率有重要影响［315］。且据报道，好氧微生物能够将土壤有机碳的20%～40%转化为细胞物质，而厌氧微生物只能转化2%～5%［316］。无氧条件下，降解也发生，但速率很低，有试验表明，有氧时烃类经14天可降解20%以上，而厌氧条件下经223天降解不到5%［317］。(www.xing528.com)

根据微生物活性所需要的条件，在土壤水分为其最大持水量的25%～85%范围内，石油烃的降解较为有利，在水分低于25%或高于90%时，对石油烃降解菌的活动不利。有人提出，当土壤含水量为其饱和含水量的30%～50%时，石油类的生物降解速率较大［318］。这是由于土壤含水量过低，微生物得不到充足的水分供应，细胞活性受抑制；土壤含水量过高，有效毛细空隙空间将被水充满，则妨碍氧气的供应。

pH值与盐度也是影响石油烃生物降解的重要因素，pH值太高或太低都会影响微生物的降解能力。大部分异养细菌和真菌适宜中性的pH值条件，真菌更耐受酸性的条件。当土壤中氯化钠浓度超过1%时，会极大地减小石油烃和芳香烃类的降解率，当氯化钠浓度为1%时其降解率没有改变，少于1%时，对石油烃和芳香烃类的降解率是没有影响的［319］。

基于对油污土壤的微生态环境非生物因子与微生物活性的研究，在实验中结合各油田及石油化工区的气候及地理条件，对油污土微生态环境的生物与非生物因子进行合理的调控与优化，可取得较优的石油烃生物降解效果［320］。总结得出，最佳温度为30～40℃，土壤中营养元素C∶N∶P＝100∶5∶1.7时，土壤中烃浓度约为1.25%～5%时，加入适量表面活性剂，适宜通氧与适当含水率条件下，对微生物降解能力有极大的帮助。

在利用碳源过程中微生物总是优先选择易被降解的低链正构烷烃，后选择长链的异构烷烃。一般各类石油烃可被微生物降解的次序如下：饱和烃＞芳香烃＞胶质和沥青质［321］。不同烃类的微生物可降解性的次序为：正烷烃＞支链烷烃＞芳香烃＞环烷烃＞支链芳香烃，同种类型烃类中分子量越大降解越慢。碳数多少是影响石油烃组分降解的重要因素，碳数越大，降解越难进行；当碳数相同时，不同类型石油烃组分的降解速度由其官能团决定。总之，结构越简单，分子量越小的组分越容易被降解，小于C10的直链烷烃＞C10～C24或更长的直链烷烃＞小于C10的支链烷烃＞C10～C24或更长的支链烷烃＞单环芳烃＞多环芳烃＞杂环芳烃［322］。

Zachary A［323］利用蚯蚓来协助有机物污染土壤的生物降解。蚯蚓能够疏松土壤，增加土壤通气性，改进土壤的营养状态与肥力等生物修复的环境因素；蚯蚓能够阻滞有机污染物黏于土壤颗粒，释放之前黏附于土壤的污染物以便于降解，促进生物修复的微生物的分散，能够有助于农业化肥，石油，原油烷烃，PAHs和PCBs等的降解。研究不同农业化肥的营养比例，还有温度，湿度等因素条件下，蚯蚓与堆肥微生物种群的协同作用下对碳氢化合物的降解情况，结果表明适宜营养有助于提供有氧条件，蚯蚓的新陈代谢消化活动有益于微生物的活性，可以大大提高碳氢化合物的降解，极大地降低生物降解的结束点［305］。