生物技术在海上溢油处理中的应用

生物技术 原油泄漏

海 洋 信 息 2005

生物技术在海上溢油处理中的应用

张青田

（天津科技大学 天津市300457）

摘 要 本 文介绍了生物处理海洋溢油方面的一些研究状况，包括生物降解石油烃的主要机理、生物方法比物理法、化学法先进的方面；筛选合适微生物以及添加营养盐促进微生物增殖的具体事例。论述了基因工程给生物降解带来的巨大促进作用。关键词 生物技术 溢油 细菌 降解

前 言

人工治理石油污染有物理、化学和生物的方法。物理方法如围油栏、吸油船和吸着材料等；化学方法如消油剂等。用物理方法消油，很难去除海表面油膜和水中溶解油；而用消油剂实际上是向海洋中加入人工合成化学污染物。用细菌可以清除海表面油膜和分解海水中溶解的石油烃，同时具有化学方法所不可比拟的优点。微生物的石油降解能力是对石油污染进行生物修复的生物学基础，直接决定生物修复的效率，被认为是解决石油污染的根本方法。

多，微生物愈难降解，链末端有季碳原子时特别顽固；多环芳烃很难降解或不降解。其降解机理主要有以下几个方面：

(1) 微生物攻击链烷烃的末端甲基，氧化酶催化生成伯醇，再进一步氧化为醛和脂肪酸，脂肪酸接着通过β-氧化进一步代谢。

(2) 有些微生物攻击链烷的次末端，在链内的碳原子上插入氧。生成仲醇后进一步氧化，生成酮，酮再代谢为酯，酯键裂解生成伯醇和脂肪酸。醇接着继续氧化成醛、羧酸，羧酸则通过β-氧化进一步代谢。

(3) 不具备末端甲基的环烷烃由类似于上述次末端氧化的机制进行生物降解。

(4) 芳香烃由加氧酶氧化而邻位或间位开环。邻位开环生成已二烯二酸，再氧化为β-酮已二酸，后者再氧化为三羧酸循环的中间产物琥珀酸和乙酰辅酶A。间位开环生成2-羟已二烯半醛酸，进一步代谢生成甲酸、乙醛和丙酮酸。

(5) 多环芳烃的生物降解，先是一个环二羟基化、开环，进一步降解为丙酮酸和CO2，然后第二个环以同样方式分解。

1 生物降解机理

美国亚持兰大大学发现某些酵母菌株天然存在于被石油污染的水中，其数量随油污染范围的扩大而增多，这表明它们是靠“吃”石油而繁殖的。海洋微生物在完成海洋物质转化和元素循环中起着重大的作用。海洋石油降解细菌就是通过氧化环境中的油污来完成碳素循环，消除石油污染。石油是链烷烃、环烷烃、芳香烃以及少量非烃化合物的复杂混合物。石油的生物降解因其所含烃分子的类型和大小而异。链长度中等（C10～C24）的链烷最易降解，短链烷对许多微生物都有毒，不过它们通常很快从油中蒸发。很长的链烷对生物的抗性增强。从烃分子类型看，链烃比环烃易降解；不饱和烃比饱和烃易降解；直链烃比支链烃易降解，支链烷基愈

2 生物降解溢油的优点

目前，应用微生物治理石油烃类物质的污染，较物理或化学方法成本低、投资少、效率高，正受到世界各国的普遍重视。目前常用的“油船吸油法”中普遍存在着速度慢、效率低的

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第 2 期 张青田：生物技术在海上溢油处理中的应用

问题，吸油率一般不到40％，且分层速度慢，若溢油出现乳化现象则分层时间更长或很难分层。投放分散剂来处理没有回收的石油会造成二次污染，用沉降法处理溢油同样会污染海底生物。而用细菌或酵母菌却可清除海表面油膜和分解海水中溶解的石油烃，费用低、效率高、安全性好，而且所能处理的污染物阈值低、残留少，被认为是最可行、最有效的方法。特别是基因工程技术的飞跃发展，促进超级细菌的产生，降解能力大增。

行培养开始的，投放到污染环境中降解油污；有时候在污染环境中添加营养盐促进降解微生物大量增殖来降解溢油。目前已形成生物添加剂的商品有：Hydrobac；No-scam；Petrobac；Phenobac Petrodeg100；Petrode—200；Typel，DBC plus； Typcl，R-5,DBC plus；Rolfzyme。4.1.1 微生物筛选

石油降解微生物的筛选工作较多，如丁明宇等研究发现了具有较强降解石油能力的微生物。部分菌能很好地利用所测试的短链烷烃(正己烷)或芳香烃(荼，二甲荼)；多数测试菌在2天后即开始表现出一定的降解能力。有的真菌在生长过

据测定，能够降解烃类的微生物有70多个属、200余种，其中细菌约有40个属。能够降解石油烃的细菌被称为烃类氧化菌、烃类降解菌或石油降解菌。烃类氧化菌分布广泛，在油污海域，表层油膜细菌量可达105～108个/m1。一般来说，一种细菌仅能降解一种或少数几种石油烃，或石油烃降解的几个步骤。酵母菌对阳光的杀菌效应和海水的渗透压都具有较强的抵抗力，而很多种酵母菌能很快“吃掉”石油或钻进油滴中并在其中繁殖，这样的酵母菌已发现700多种。

程中，其菌丝有时会与石油聚集成致密的菌丝油团，使其在利用生物法清除海上石油中具有独特的优越性。并且在没有添加营养盐的新鲜海水中，部分测试菌仍表现出较好的降解能力。

张景来等报道了2个适应力很强的菌株（SYl和SY2）在贫营养条件下对原油的生物降解率分别达到41.3％和42.6％；能够降解正十四烷、环己烷、苯和二甲苯，具有较宽的底物利用范围，在海洋石油污染生物治理中具有良好应用前景。4.1.2 微生物增殖

据报道，英国已于20世纪90年代首次在不用拦油栅和化学药剂的情况下，用添加细菌混合培养物和N．P．营养盐的方法，成功地进行了海上

近20多年以来，国外不少学者在不同环境中对石油降解细菌生态学进行了大量的调查研究，在此基础上以实验室内模拟现场条件，建立了降解过程中水动力学模型，探讨其氧化条件、氧化能力、氧化速度、氧化机理和氧化产物及其相互间关系。我国自20世纪70年代末以来也有不少这方面的工作报道。

按照研究的阶段和水平不同，本文从以下两方面进行论述：(1)筛选能够氧化石油烃的细菌菌株，加速其消除油污的生态环境条件，通过添加营养盐，加速细菌繁殖以提高清油速率；(2)对细菌石油烃降解质粒的深入研究，从细胞质粒的数量、分子量、降解特性、降解途径的基础研究入手，运用遗传工程的原理进行质粒转换或质粒分子育种，培育具有降解原油中多种石油烃能力的超级石油降解菌。

4.1 自然微生物的筛选和增殖

最初的研究是从污染环境筛选合适微生物进

消除油膜的试验，这种细菌能在2小时内将石油分子变成脂酸乳状液，且不影响水的有机体。美国已利用此技术成功地消除了得克萨斯州海岸的一次油污染。

为了有效地清除海上溢油，用于海上细菌除油的“肥料”应具备的特性：(1)必须浮于水面，在水中不易溶解；(2)要有大的比表面积，以便“肥料”能均匀地释放；(3)不造成二次污染，其外包装也能被细菌降解；(4)要有足够的营养盐，减少投入量等。4.1.3 混合微生物的使用

一般来说，一种细菌仅能降解一种或少数几种石油烃，或石油烃降解的几个步骤。而原油和其炼制袖所含的石油烃种类甚为复杂，不同来源的原油其石油烃的组成也有较大的差异。所以混合使用细菌等微生物会提高降解效率。日本海洋生物技术研究所用4种细菌的混合培养物处理海上溢油取得良好效果。

3 可降解溢油的微生物

4 研究应用

生物技术 原油泄漏

海 洋 信 息 20054.2 构建超级嗜油工程菌

采用细菌混合培养物来处理海上油污染，因油的种类不同、来源不同，其石油烃的组分有较大的差异。因此关于细菌的种类合理搭配等问题，在实际应用上有不少困难。为此，不少学者设想培养—种能降解各种类型石油烃的特殊细菌。这个设想，经美籍印度科学家Chakrabaty等人的努力，已使设想逐渐变成现实。1976年，Chakrabaty和其同事首次将三个烃类降解质粒转移到一个铜绿假单胞菌(P. areuginosa)中，培育出含有多降解质粒的“超级细菌”，虽然该细茵遗传稳定性较差，在细菌繁殖过程中质粒容易丢失，尚难以在实际应用中发挥其作用，但已是利用细菌消除油污染技术的一个里程碑。

目前，生物技术在环境修复领域的应用正朝着构建能够快速降解某些特定污染物的工程菌的方向发展。总的来看，研究工作进展较快，已由基础研究进入实用研究阶段。人工构建的工程菌不仅适应力增强，而且降解油污的种类和能力大幅度提高。

海洋生物技术工作者将TOL质粒导入TOD降解途径中的某些关键酶的基因缺陷型菌株，使TOD途径的一些中间产物进入TOL途径，从而把假单胞菌不能完全降解的萘、甲苯和二甲苯混合物的TOD与TOL操纵子途径联系起来，最终达到了完全降解这类芳香化合物的目的。有人采用生物技术以铜绿色假单胞菌（Pseudomonas.aeruginosa）作为受体，将恶臭假单胞菌（P. putida）等携带的各种质粒转入其中，构成了带有多种质粒的“超级嗜油工程菌”，用于海上溢油处理，其清除油污的能力比天然微生物高上万倍。原位生物修复的成功例子还有美国环保局在阿拉斯加石油泄露而被污染的环境在短时间内得到恢复。

研究人员发现海洋中的假单胞菌有8种降解石油的质粒；美国通用电气公司通过重组DNA技术构建同时含有4种质粒的“超级菌”，降解石油烃类的能力比野生菌高几十倍到几百倍，降解同样面积海上石油，野生菌需要1年以上，而“超级菌”则只需几小时。

[1] 曾德芳，罗亚田，张科. 高效快速溢油回收处理技术探讨

[J]. 武汉理工大学学报.2003. 25（7）：48-50

[2] 林建，朱跃姿. 废塑料吸油材料的初步研究[J]. 塑料.

2002. 31（4）：33-35

[3] 韩如旸，闵航，程志强，等. 石油降解细菌的表型特性和系

统发育分析[J]. 生物多样性. 2002. 10(2)：202-207[4] Folsom B R, Chapman P J. Phenol and trichloroethylen

e degradation by Pseudomonas cepacia G4: Kinetics and interactions between substrates [J]. Appl Environ Microbiol.1990.56：1279－1285

[5] 潘学芳，梁泉峰，王浩. 细菌8-A-2对石油烃类运输及正十

六烷代谢产物的初步分析[J]. 农业生物技术学报. 2002. 10{4}：413-414

[6] 牛炳旭. 细菌与石油污染的治理[J]. 生物学通报. 2004.39

（4）：13-14

[7] 李永祺，黄健. 用细菌清除近岸海域油污染的研究[J].生物

工程进展. 1995. 15（2）：14-18

[8] 吴雯. 海上溢油的处置[J]. 黄渤海海洋. 1997. 15（3）：

57-62

[9] 陈忠元，史君贤，胡锡钢，等.秦山核电站邻近水域石油降

解细菌的生态学研究[J]. 东海海洋. 1991. 9（2）：48-53[10] 丁明宇，黄健，李永祺. 海洋微生物降解石油的研究[J].

环境科学学报. 2001. 21（1）：84-88

[11] 张景来 李正要，汪莉，等. 海水中原油生物的降解[J].

北京科技大学学报.2003. 25（5）：410-413

[12] 张世璀，范晓，马军英. 海洋生物技术原理和应用[M]. 北

京：海洋出版社.1997.1-5[13] Prichard

P

H.

Oil

spill

bioremediation:

experience, lessons and results form the Exxon Valdex oil spill in Alaska [J]. Biodegradation.1992. 3(2-3):315-335

[14] 许肖梅. 海洋技术概论[M].北京：科学出版社. 2000.254

好等特点，而且所能处理的污染物阈值低、残留少，基本无污染，是进行处理海上溢油、进行生态修复的最佳方式。基因工程的飞速发展更使生物降解技术如虎添翼，应用前景十分美好。如果和目前常用的化学、物理方法综合使用的话，效果必定会更好。

同时，也应该看到，海洋石油降解细菌对油污的净化能力，不仅取决于细菌的数量和菌属特性，而且也受到油污程度(海水中合油量)和原油成分以及环境条件如温度、营养盐、溶解氧和水文特征等因素的影响，应用中需要克服的困难也不少。超级工程菌的使用尚处于 由基础研究进入实用研究阶段的过渡期，实际应用中还有许多问题要解决。

参考文献

5 小 结

生物降解方法具有费用低、效率高、安全性