海洋溢油污染的工程化生物修复论文

海洋溢油污染的工程化生物修复海洋是人类赖以生存的环境中不可或缺的重要组成部分，然而随着海上石油开采业和运输业的发展，海洋石油泄漏事故来势凶猛，危害严重。1978年TorreyCanyon号油轮在英国海岸失事，流出原油10万多吨；1990年7月28日，希腊油船Shinoussa与Apex油船在美国蒂克萨斯Galveston海湾相撞，只是大约3,000m3精炼油泄漏①。石油中的有毒物质可以进入海洋生物食物链，一方面对海洋生物有毒害作用，另一方面可通过食物链最终富集在人体内，从而对人类健康造成严重危害。一、我国的溢油事故的状况及危害　专家指出，我国的进口石油大部分是通过海上运输进行的。从中东进口的原油大是由国际船舶市场租赁的大型油轮承运，而成品油和从亚太地区进口的原油，主要是由亚太地区和我国的小型油轮承运。这些油轮的特点是船龄长、技术标准低，在承运进口石油过程中，随时存在溢油风险。近年来，仅在渤海海域就发生过多起溢油事故。随着世界对石油及其制品日益增长的需求，在海上开采、运输、装卸以及利用石油过程中的溢油事故正日渐增多。溢油不仅造成严重环境污染，而且由于石油烃类污染物的潜在毒性和生物积累效应会导致近岸海域环境质量和生物种类多样性指数严重下降，破坏海洋生物系统的功能，对水产业和旅游业也会造成巨大的经济损失。因此，对于海洋溢油污染的修复迫在眉睫。二、海洋石油污染的主要修复方法人们通常采用物理机械、化学和生物三大类方法来修复海洋石油污染②。物理法包括拦截撇捞法、吸附法。主要是使用消油剂分散溢油；使用凝油剂包裹溢油；会用集油剂聚集溢油等等。化学法包括燃烧法和化学分散法。化学方法见效快，即使在恶劣的天气下也可以短时间内处理溢油。但是，物理和化学方法都容易产生二次污染，尤其是化学方法，成本高，工艺复杂，燃烧产生黑烟，浪费能源。生物修复是国际上最兴起的海洋石油污染治理技术。可用三种方式处理石油污染；第一，投加表面活性剂；第二，投加高效降解石油微生物剂；第三，投加氮、磷等营养盐，促进海洋中土著降解菌的繁衍。与传统的化学、物理方法相比，生物修复经济花费少，仅为传统化学、物理修复的30%~50%；对环境影响小，不产生二次污染，遗留问题少；能彻底消除环境中的污染物；就地处理，操作简便；操作人员直接暴露在污染物下的机会减少等优点。由此可见，生物修复对于攻克海洋溢油污染有着很大的优势，接下来具体讨论一下修复的方法。在这之前，我们要先看看影响生物修复效率的一些因素。 三、影响微生物修复效率的因素（一）营养物质微生物分解有机污染物一般利用有机污染物的碳源，但是微生物将有机污染物转化成为其自身增长的生物质，还需要其他营养元素。典型的细菌细胞组成为50%碳，14%氮，3%磷，2%钾，1%硫，0.2%铁，0.5%钙、镁和氯。土壤和地下水，尤其是地下水，氮、磷往往是限制微生物活动的重要因素。为了达到完全的降解，适当的添加营养物比接种特殊的微生物更加重要。（二）电子受体微生物的活性除了受到营养盐的限制外，土壤中污染物氧化分解的最终电子受体的种类和浓度也极大地影响着污染物降解的速度和程度。微生物氧化还原的最终电子受体分为三大类，包括溶解氧、有机物分家的中间产物和无机酸根（如硝酸根、硫酸根和碳酸根等），第一种为有氧过程，而第二种为无氧过程。（三）污染物的性质对于微生物修复技术，污染物的可降解性是最关键。对于系列污染物，如多环芳香烃，其微生物降解性随着分子的增大而增大。污染物对生物的毒性以及其降解中间产物的毒性，也是决定微生物修复技术是否适用的关键。另外，污染物的其他性质也很重要。如污染物的挥发性，因为在微生物修复工程中，往往对环境介质进行充气，以保证微生物无活动有足够的氧，如果一个化学物质挥发性太高，往往挥发部分就大于降解部分了，造成污染物从土壤迁移到大气中，而并非溶解。（四）环境条件环境因素是指土壤颗粒的性质介质条件。有机质含量及结构决定这污染物的吸附特性，从而决定其微生物降解的生物可利用性，进入到有机质致密的刚性结构中的污染物很难再返回到土壤颗粒表面或土壤溶液中。（五）微生物的协同作用在自然界，多数生物降解过程需要两种或更多种类生物的协同作用才能完成。考虑完了影响微生物修复效率的因素后，我们能够更好的探究海洋溢油污染的工程化生物修复方法。 四、海洋溢油污染的工程化生物修复法人为修复工程一般采用有降解能力的外来源微生物，用工程化手段来加速生物修复的进程，这种在受控条件下进行的生物修复又称工程化生物修复或强化生物修复。 自然生物讲解过程速率较慢，一旦出现大规模的溢油或油层较厚时，营养和氧气供应不足，细菌的生长受到抑制，影响生物法处理溢油的效果。可采取多种措施强化这种生物降解过程，如投加表面活性剂促进微生物对石油烃的利用，提供微生物生长繁殖所需的条件（提供O2或其他电子受体，施加营养），添加能高效降解石油污染物的微生物等。（一）投加表面活性剂微生物一般只能生长在水溶性环境中，但是很多石油烃在水中的溶解度甚微，而且以油珠或油滴分离相的形式存在，限制了微生物对石油烃和样子的摄取和利用。通过添加表面活性剂，使油形成很微小的颗粒，增加与O2和微生物的接触机会，从而促进油的生物降解。魏德洲和秦煜民③采用生物泥浆法，研究了油酸钠和十二胺对石油污染土壤微生物的治理效果的影响，结果表明阳离子型表面活性剂油酸钠能明显促进石油污染物的微生物降解过程，大幅度提高微生物的除油效果。由于化学合成表面活性剂对生物有一定的毒性，取而代之的是安全有效的生物表面活性剂。生物表面活性剂是微生物在一定培养条件下，分泌产生的具有一定表面活性的代谢产物，可以增强非极性底物的乳化作用和溶解作用，促进微生物在非极性第五种的生长；还能形成大小适宜的邮递，有助于底物和养分向微生物细胞的输送，大幅度高石油的分解速率。（二）提供电子体受体好氧微生物一般以氧作为电子受体,除了溶解氧,有机物分解的中间产物和无机酸根也可作最终电子受体。电子受体的种类和浓度也影响着石油烃污染物生物降解的速度和程度。据测算1石油被微生物矿化需3~4g（2.1L以上）氧，在石油严重污染的海域,氧可能成为石油降解的限制因子，尤其是在细砂质海滩上,氧的自然迁移一般不能满足微生物新陈代谢所需氧气量。通过一些物理、化学措施增加溶解氧，可以改善环境中微生物的活性和活动状况。石油烃也可被微生物厌氧降解。1988年EvansandFuchs发表了有关芳香烃化合物厌氧生物降解的文章综述，1991年Aeckersberg等报道了硫酸盐还原菌能够厌氧矿化鲸蜡烷，石油烃厌氧代谢逐渐受到人们的重视，因为这有助于促进缺氧区和海洋沉积物中石油烃的降解。（三）添加石油降解菌油污染海滩的生物修复主要依靠微生物对石油烃的生物降解作用来实现。用于生物修复的微生物有土著微生物、外来微生物和基因工程菌。土著微生物降解污染物的潜力巨大,但生长速度慢,代谢活性低，并且受污染物的影响,土著菌的数量有时会急剧下降。20世纪70年代,人们开始在实验室和海滩进行微生物接种修复实验，实验室研究表明,添加油降解菌确实可以提高油的降解速率,但是在海滩进行的研究却表明添加油降解菌是徒劳的④ 。因为在修复环境中接种的外源微生物可能面临很多问题:一是面临与土著微生物的竞争作用,二是需要适应新的生长环境,三是要经受环境污染物的毒性影响。这些压力使接种的外源微生物的存活率很低或者活性较弱,限制了它的实际应用。现代生物技术的发展,已使将降解多种污染物的基因转到同一种微生物细胞中形成具有广谱降解能力的超级细菌成为可能。但是不同学者对是否应该投入高效微生物以及高效微生物是否在生物修复中起作用意见不一、分歧较大。并且欧美等国家对基因工程菌的利用有严格的立法控制。（四）添加营养盐海洋环境中本身就存在能降解石油的微生物,而且石油一旦泄露进入海洋,还能刺激油降解微生物的生长和繁殖。如在未受烃污染的海洋环境中,烃降解菌只占全部异养菌的1%或更少；但当污染发生后,烃降解的比例可升至10%⑤。因此海洋土著微生物降解污染物的潜力巨大。石油中含有微生物能利用的大量碳源，海水中也存在各种无机盐，但是N、P营养的缺乏往往是影响细菌生长繁殖的主要原因。众多实验室和现场研究表明,添加营养对溢油的生物降解有显著的促进作用。常用的营养盐有水溶性和亲油性两进油的生物降解。在实验室条件下,施加水溶性的N、P营养盐能够有效地促进油的生物降解。在溢油现场,由于受潮汐、波浪的影响,水溶性营养盐极易被冲刷掉。五、小结海洋石油污染生物修复具有高效、经济、安全、无二次污染等优点。通过投加表面活性剂促进微生物对石油烃的利用，提供微生物生长繁殖所需的条件，添加能高效降解石油污染物的微生物等方法可以强化海洋石油污染物的生物降解过程，加速修复过程。在溢油现场使用生物表面活性剂，添加营养缓释剂以及菌种和肥料联合起来使用，来促进生物降解极具发展潜力。但也应注意生物修复往往很难快速发挥作用，而且任何单一技术或设备都难以达到理想的处理效果。综合评判各种影响因素，针对不同气象、海况等实际情况，选择最佳的溢油回收手段是十分有意义的。海洋石油污染的防治应因地制宜将能够调用的多种技术优化组合，达到污染环境的综合治理和修复，保证海洋环境的可持续。注释：①RICHARDP·J·SWANNELL,KENNETHLEE,MADELEINEMCDONAGHFieldEvaluationsofMarineOilSpillBioremediationMICROBIOLOGICALREVIEWS,June.1996.第342–365页.②璞文虹，周李鑫，杨帆，杨昌柱.海上溢油防治技术研究进展.海洋科学.2005年第29卷第6期.第73-76页③魏德洲，秦煜民.表面活性剂对石油污染物生物降解的影响。东北大学学报(自然科学版).1998.19(2).JournalofNortheasternUniversity(NaturalScience)Apr.1998Vol1.19(2).④TAGGERS,BIANCHIA,JUILLARDM,et.al.Effectsofmicrobialseedingofcrudeoilinseawaterinamodelsystem.MarineBiology.1983.78.第13-20页.⑤ATLASRM.Bacteriaandbioremediationofmarineoilspills.Oceanus.1993.36(2).第71页