微生物降解石油烃研究进展

对于底物之间的相互作用 ,研究较多的是共代 谢作用和备用物现象 。自然界中存在的大量有机污 染物很难生物降解 ,其在环境中的生物降解速度又 特别缓慢 。进一步研究发现 ,这类物质在环境中的 降解与转化作用主要是通过共代谢机制来完成的 。 共代谢又称协同作用 ,是指利用一种容易降解的物 质作为支持微生物生长繁殖的营养物质 ,微生物同 时降解另一种物质 ,而被降解转化的物质并不能使 共代谢的微生物获得能量 、碳源或其他任何营养 。 Foster[ 30 ]认为 ,微生物不能在某种基质上生长的原 因并不是由于微生物无法分解 、代谢这种物质 ,而是 由于微生物本身缺乏吸收 、同化其氧化产物的能 力 [ 31 ] 。共降解是微生物为了适应复杂的生存环境 而长期进化形成的一种特性 。在共降解过程中 ,微 生物利用一种基质的同时还能够分解另外一种基 质 。图 1为在丙烷存在下 2种菌对环己烷的共代谢 作用 。
石油成分复杂 ,降解速度慢 [ 6 ] ,随产地的不同 , 其处理方法不尽相同 。生物修复是治理石油烃污染 的最为有效的途径之一 。该技术具有高效 、经济 、无 二次污染以及应用范围广等优点 。本文对石油污染 土壤微生物降解性能 、影响石油污染土壤生物修复 的因素进行了探讨 ,并展望了该领域的研究进展 。
由于石油烃在水中的溶解度非常小 ,难以提供 足够的碳源和能量来维持微生物的生长繁殖 ,因此 微生物会进化出 2 种机制以强化与烃类的接触 ,即 特异性的附着机制和烃类的乳化 。前一种机制中 , 微生物通过菌毛或细胞膜表面的脂类或蛋白使细胞 形成疏水表面而附着于水中的油滴上 ;后一种机制 中 ,微生物可释放出乳化剂使油滴乳化 ,以利于微生 物的直接接触和利用 。由于乳化剂或表面活性剂对 微生物降解的广泛影响 ,近年来的相关研究较多 。 很多石油烃类污染物可强烈地吸附于土壤上 ,不易 降解 ,而表面活性剂能促进解吸和溶解 ,提高生物的 可利用性 ,并大幅度提高微生物的除油效果 [ 28 ] 。微 生物降解石油的活动主要在油 2水界面进行 ,石油的 疏水性阻碍了油的分散程度 ,直接降低了微生物与
第 29卷第 4期 2009年 8月
综述与论坛
山 西 化 工 SHANX I CHEM ICAL INDUSTRY
Vol. 29 No. 4 Aug. 2009
微生物降解石油烃研究进展
惠 艳
(西安建筑科技大学环境与市政工程学院 ,陕西 西安 710055)
摘要 :石油烃对环境产生的污染是目前全球普遍关注的焦点问题 ,生物修复是治理石油烃污染的 最为有效的途径之一 。探讨了石油烃降解菌的分类 、细菌对烃的黏附性以及基因工程菌的开发 , 讨论了微生物降解石油烃的影响因素和新的技术方法 ,并进行了展望 。 关键词 :石油烃 ;生物降解 ;菌剂 ;菌体表面特性
2009年 8月 惠 艳 ,微生物降解石油烃研究进展
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油珠接触的表面积 ,从而大大降低了微生物降解石 油的效率 。表面活性物质能使液相中烃乳化分散 , 增大水相和油相界面的面积 ,从而使微生物细胞更 容易摄取烃 。虽然使用共溶剂或表面活性剂可促使 油乳化 ,但会产生新的污染 。生物表面活性剂比化 学表面活性剂更有优势 。曹娟 [ 29 ]从石油污染物中 筛选出了既能产生表面活性又能降解石油的降解菌 BHSN ,从而避免了外加生物表面活性剂与降解菌可 能产生的抑制作用 。 2. 4 底物之间的相互作用
在烃类化合物的微生物降解过程中 ,烃基质必 须通过外层细胞壁才能进入细胞内被烃降解酶降 解 ,因此烃基质的疏水性是微生物代谢 、降解烃类的 主要障碍 。一般来说 ,如果细菌的 ρ( CSH ) > 70% , 说明细菌细胞表面呈高疏水性 ; 如果 ρ( CSH ) < 30% ,则显示细菌细胞表面高度亲水 。细菌对烃的 黏附性越强 ,表明其细胞表面疏水性越强 。细菌的 细胞表面疏水性是影响细菌吸收和降解疏水性有机 物质的主要因素之一 。在利用微生物降解石油等烃 类污染物的过程中 ,细胞表面疏水性影响细菌等对 污染物的黏附 ,促进细菌对石油的吸附 [ 20, 21 ] 。张明 露等研究一株芽孢杆菌的细胞表面具有很强的疏水 性 。结果 表 明 , 这 有 助 于 菌 体 细 胞 对 烃 类 的 摄 取 [ 22 ] 。另外 ,疏水性变异性很强 ,不同物种乃至同 一物种不同品系的表面疏水性差异都非常明显 ,且 易受环境条件的影响 。 1. 3 基因工程菌的开发
除了对天然菌进行有效组合外 ,基因工程的发 展也应用于对降解菌的研究中 。复杂的烃类混合物 的降解需要有混合菌株的参与 ,但不同的菌株之间 可能会产生竞争或抵抗作用 ,而使用可高效降解多 种石油烃化合物的降解基因工程菌能避免此类问题 的产生 。
人们发现 ,降解菌的种属相同或相近时 ,得到 的能够利用相同底物的降解基因具有比较高的同 源性 [ 23 ] 。同一种属的菌株在利用不同的底物时 , 它的降解基因也可能出现很高的同源性 。利用降 解菌的种属同源性 ,将不同降解菌的降解基因通 过各种杂交技术获得新的基因片段 。尹红梅等 [ 9 ] 将蒽降解菌 A n815和绿色荧光蛋白标记铜绿假单 胞菌原生质体融合 ,得到了既能高效降解蒽又能 产生生物表面活性剂的融合子 F,且融合子对蒽的 降解速率比 A n815提高了 27. 3% 。但对这种方法 (基因工程菌 GEM s)应用的有效性及安全性常引 起争议 [ 24 ] 。
2ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 石油烃微生物降解的影响因素
2. 1 石油烃类物质的复杂性和异质性 石油烃是由上千种化学性质不同的化合物组成
的复杂混合物 。相同条件下 ,微生物对不同类型石 油烃的降解能力是不同的 。不同产地的石油中 ,各 种烃类的结构和所占比例相差很大 ,按其结构可分 为烷烃 (包括直链烷烃和支链烷烃 ) 、环烷烃 (多数 是烷基环戊烷 、烷基环己烷 )和芳香烃 (多数是烷基 苯 ) 。一般石油中不含有烯烃 [ 25 ] 。通过对各成分的 微生物降解率进行比较 ,认为饱和烃的降解率最高 , 其次是低相对分子质量的芳香族烃类化合物 ,高相 对分子质量的芳香族烃类化合物 、胶质和沥青质则 极难降解 [ 26 ] 。不同烃类化合物的降解率模式为直 链烷烃 >支链烷烃 >低相对分子质量芳香烃 >多环 烷烃 。 2. 2 营养元素
收稿日期 : 2009204207 作者简介 :惠 艳 ,女 , 1984 年出生 , 2009 年毕业于西安建筑科技大 学 ,硕士研究生 。研究方向 :多环芳烃生物降解 。
1 石油烃降解菌的研究
1. 1 石油烃降解菌种类 各种研究都将石油污染土壤中的土著菌作为菌
源 ,然后经过反复驯化 ,分离出不同种类的高效降解 菌 。据有关文献介绍 [ 7213 ] ,对石油烃类降解最重要 的细菌是无色杆菌属 ( achromobacter) 、不动杆菌属 ( acinetobacter) 、产碱杆菌属 ( alcaligenes) 、芽孢杆菌 属 ( bacillus) 、黄杆菌属 ( flavobacterium ) 、诺卡氏菌 属 ( nocardia) 、假单胞菌属 ( p seudomonas)及微球菌 属 (m irococcus)等 。高效菌对石油烃的降解性能因 菌种不同而各有差异 。此外 ,石油烃的降解特性还 与其反应条件和石油烃的组分有关 。
石油烃类物质的生物降解是极其复杂的 ,其过 程是多种微生物共同作用的结果 。单一菌很难将烃 类物质彻底降解 ,而只是一种截止式转化 ,转化产物 会聚集起来 ,不能彻底矿化 [ 14 ] 。对于单一菌株的研 究多数是为了确定其降解特性 ,期待从其个性中找 到共性 ,以便应用于生物修复中 。混合菌降解效果 要好于单一菌 ,这是因为混合菌株能使基质完全矿 化 ,实际上是互补分解代谢 ,使得基质完全降 解 [ 15218 ] 。对于混合菌降解的研究也只是将单一优 良菌株进行简单组合 ,如双株菌 、多株菌或全混合 菌 ,没有有效地研究为什么是最佳组合 。
氮源和磷源是微生物降解烃类物质的限制因 子 。氮元素和磷元素影响细菌生长繁殖 ,又因微生 物对溶解态的物质容易吸收 ,而石油污染物水溶性 很小 ,故近年来生物整治研究致力于开发亲油性的 新型氮源和磷源 ,使其在水体中附着于石油烃类物 质而维持菌体的持续生长 。何良菊 [ 27 ] 等的研究结 果表明 ,只有 5. 67 ∶1 的氮 、磷元素添加比例与细胞 中氮 、磷元素比例接近 。只有调整好微生物的各种 必需营养元素的数量 、形式和比例 ,才能使降解过程 得以顺利进行 。这些元素包括 N、P、K、Na、S、Ca、 M g、Fe、M n、Zn和 Cu。厌氧菌必需的微量元素包括 N i和 Co。 2. 3 表面活性剂
多数石油降解菌只能用于一种或几种烃类 [ 19 ]
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的降解 。谢丹平等通过对残油的 GC2M S测定分析 , 确定了 4株高效降解菌在降解石油时所起的作用 。 结果表明 ,各菌对石油中不同组分起降解作用 。另 外 ,最先与烃类接触的微生物菌群对于决定烃类降 解的速率非常重要 。关于微生物间的相互作用 ,目 前的研究工作主要集中于多种微生物对底物的协同 代谢上 。 1. 2 细菌对烃的黏附性
1) 针对石油烃 3 种主要组分直链烃 、环烃 、芳
香烃 ,分别分离驯化得到不同高效降解菌 。 2) 对各种降解菌菌体表面性质进行研究 ,如接
触角的测量 、表面疏水性的测量 、表面电荷及乳化性 质等 。根据菌体本身性质进行分类 ,建立数据库 ,为 下一步组成优良菌剂奠定基础 。
3) 可用 GC2M S测定降解前 、后石油烃组分的 变化情况 ,结合降解过程中微生物生长曲线 ,确定各 菌种在降解过程中所起的作用主要在哪个阶段 。
[ 3 ] 张学佳 ,纪 巍 ,康志军 ,等. 土壤中石油类污染物的 自然降解 [ J ]. 石化技术与应用 , 2008, 26 (3) : 2732278.
[ 4 ] Luiza Jecu. Solid state fermentation of agricultural wastes