微生物降解石油污染物机制研究进展

微生物降解石油污染物机制研究进展
华涛;李胜男;邸志珲;周博;曾文炉;周启星;李凤祥
【摘要】石油污染是当前紧迫的水环境问题,研究石油污染物降解机制有助于探索石油污染修复技术路径.重点介绍了微生物降解石油污染物过程中的微生物种类、
降解机制和反应机理,即具有代表性的细菌、真菌和藻类,石油烃的有氧降解(链烷烃、环烷烃和芳香烃)和厌氧降解(脱氢羟基化、延胡索酸盐加成).并对微生物降解石油
组分的影响因素进行了讨论,具体包括:烃类结构(支链多结构越复杂,越难降解)、微
生物种类(混合菌的生化降解能力更强)、环境因子(pH、温度、盐度、含氧量和营
养物质),进一步指出了生物修复技术应用于石油污染修复治理研究中的优缺点.此外,还对现有微生物降解技术的应用做了简要概述,归纳总结现有研究中存在的问题,尝
试性的提出了今后生物降解石油污染物的研究重点,即生物降解石油的机制还需进
一步明确,并重点分析了生物电化学方法在降解去除石油污染物方面可行性.综述石
油烃生物降解机制和反应机理,以期为生物修复水体石油污染提供参考和借鉴作用.【期刊名称】《生物技术通报》
【年(卷),期】2018(034)010
【总页数】9页(P26-34)
【关键词】石油烃;水体污染;生物修复;降解机制
【作者】华涛;李胜男;邸志珲;周博;曾文炉;周启星;李凤祥
【作者单位】南开大学环境科学与工程学院环境污染过程与基准教育部重点实验
室天津市城市生态环境修复与污染防治重点实验室,天津 300350;南开大学环境科学与工程学院环境污染过程与基准教育部重点实验室天津市城市生态环境修复与
污染防治重点实验室,天津 300350;南开大学环境科学与工程学院环境污染过程与基准教育部重点实验室天津市城市生态环境修复与污染防治重点实验室,天津300350;南开大学环境科学与工程学院环境污染过程与基准教育部重点实验室天津市城市生态环境修复与污染防治重点实验室,天津 300350;南开大学环境科学与工程学院环境污染过程与基准教育部重点实验室天津市城市生态环境修复与污染防治重点实验室,天津 300350;南开大学环境科学与工程学院环境污染过程与基准教育部重点实验室天津市城市生态环境修复与污染防治重点实验室,天津 300350;南开大学环境科学与工程学院环境污染过程与基准教育部重点实验室天津市城市生态环境修复与污染防治重点实验室,天津 300350
【正文语种】中文
随着工业社会的快速发展，人类对石油能源的需求量在不断增加。

目前，陆地石油开采日渐衰竭，海底油田受到越来越多的关注。

受工艺水平的限制，石油在开采、炼制、储存、运输及加工应用过程中的泄漏难以避免（表1），导致每年会有大量的石油污染物进入水体环境［1］，主要体现在以海洋为代表的咸水体系及以地下水为代表的湖泊淡水体系。

石油污染事故频频发生，使得海洋尤其是沿海地区的水体环境恶化得十分严重，石油类污染物已经成为主要污染物之一［2］。

表1 石油污染来源及污染事故分布国家时间发生事故情况及地点全球其他国家1967年3月利比里亚油轮“托雷峡谷”号在英国锡利群岛附近海域沉没，12万t原油倾入大海，浮游漂至法国海岸1976年6月墨西哥湾可斯托克1号探测油井发生井喷，100万t石油流入墨西哥湾1978年3月利比里亚油轮“阿莫科加迪斯”号在法国西部布列塔尼附近海域沉没，23万t原油泄露1989年3月美国埃克森公司“阿尔迪兹”号在阿拉斯加威廉王子湾海岸触礁搁浅；1991年1月
伊拉克军队撤出科威特前点燃境内油井，多大100万t石油泄漏1999年12月马耳他籍油轮“埃里卡”号发生断裂事故，泄露1万多吨重油2002年11月装载7.7万t燃油的哈马籍油轮“威望”号在西班牙海域沉没2007年11月俄罗斯油轮“伏尔加石油139”号在刻赤海峡遭遇狂风，解体沉没，3 000多吨重油泄露2010年4月美国路易斯安那州一处海上转井平台爆炸，泄露大量原油中国1990年6月两艘外轮在中国渤海海面相撞，致130平方公里海域受到污染，2011年6月，蓬莱19-3油田溢油事故1995年5月油轮违规造成漏油，致南海大片海域遭受石油污染1999年3月珠江口水域两游轮相撞2002年11月天津大沽口海域，马耳他籍油轮与我国轮船相撞2010年7月大连市新港港区一条输油管道爆炸，致上万吨原油入海
石油成分复杂，主要由链烷烃、环烷烃和芳香烃这些烃类化合物组成［3］。

研究表明，石油污染区的毒性主要来自于苯、甲苯、二甲苯等芳烃类和酚类化合物，这些物质对人和动物的毒性较大，其中，长链烷烃由于不易挥发、难以降解等特点对环境的危害也更持久［4］。

水体石油污染将影响水域生物群落的正常生长繁殖、破坏种群间的信息传递，污染严重的区域会造成物种窒息死亡、水产品质量下降，对人体及生态系统造成严重的影响［5］。

基于水体石油污染的严重性，研究人员开发了一系列处理技术，具体包括物理处理法、化学处理法及生物处理法［4，6-7］。

其中生物法与其他方法相比，具有投资少、能耗低、运行费用小、无二次污染、操作简单及除油率较高的优点。

处理原理主要是利用微生物的代谢能力，将环境中的石油烃类污染物分解成对环境无害的H2O、CO2及其他无毒物质。

除此之外，自然界是一个巨大的微生物资源库，降解石油的微生物菌群广泛存在于其中，易于获得。

为了研发和扩展微生物修复水体石油污染的实际应用，达到修复效果好价格低廉的目的，本文综述了石油烃生物降解机制和反应机理，以期为水体石油污染修复提供
借鉴作用。

1 降解石油烃的微生物
微生物广泛存在于水体、土壤及大气等环境中。

石油污染区域的微生物可在自然条件下驯化产生大量的石油烃降解菌。

研究表明，一般情况下，只有1%的微生物可以降解石油烃，但是在石油污染的区域中，可降解石油烃的微生物比例可提高到10%［1］。

许多微生物是以石油烃为碳源和能源进行生长繁殖［8］，因此科研人员定向筛选可降解石油烃微生物，并在实验室和受污水域对石油烃进行降解。

Poulomi等［9］研究证实，有效降解石油烃的细菌天然存在于炼油厂复杂的废物中，并从中筛选出Burkholderia、Kocuria、Enterobacter 和 Pandoraea四种菌用于石油烃的降解。

目前，已发现能降解石油烃的微生物有200多种［10］。

微生物主要种类如表2-4。

2 微生物对石油的降解机制
石油主要是由链烷烃、环烷烃和芳香烃这些烃类化合物组成。

在适宜条件下，微生物以石油烃作为碳源为其生长繁殖提供所需的能量，经过一系列自身代谢反应如氧化还原、分解合成等生化作用，将石油降解成无害的CO2与H2O等［13］。

其代谢机理主要是微生物利用体内各种酶与石油烃及其中间产物发生脱氢作用、羟化作用和过氧化作用，这其中既包括有氧降解也包括厌氧降解。

有氧降解占主体，厌氧降解由于环境条件限制只能降解较少的一类固定烃类。

对微生物降解机制的研究有助于提高石油烃降解能力及降解速率。

表2 降解石油烃的细菌序号菌属序号菌属1无色杆菌属（Achromobacter）［11］ 16 诺卡氏菌属（Nocardia）［16］2不动杆菌属（Acinetobacter）［12-13］ 17 假单胞菌属（Pseudomonas）［4，11］3气单胞菌属（Aeromonas）［2］18 假杆菌属（Pseudobacterium）［2］4产碱杆菌属（Alcaligenes）［13］ 19 假交替单胞菌属（Pseudoalteromon）［6］5节核
菌属（Arthrobacter）［13］ 20 八叠球菌属（Sarcina）［12］6芽孢杆菌属（Bacillus）［14］21 沙雷氏菌属（Serratia）［12］7短杆菌属（Brevibacterium）［2］ 22 螺菌属（Spirillum）［2］8色杆菌属（Chromobacterium）［12］ 23 鞘脂单胞菌属（Sphingomonas）［17］9棒杆菌属（Corynebacterium）［15］ 24 解环菌属（Cycloclasticus）［18］10
脱硫弧菌属（Desulfovibrio）［2］ 25 弧菌属（Vibrio）［2］11 黄杆菌属（Flavobacterium）［13］ 26 海杆菌属（Marinobacter）［11］12 戈登氏菌
属（Gordonia）［8］ 27 食烷菌属（Alcanivorax）［11］13 小单胞菌属（Micromonospora）［2］ 28 迪茨菌属（Dietzia）［11］14 微球菌属（Mirococcus）［13］ 29 葡萄球菌属（Staphyococcu）［19］15 分支杆菌属（Mycobacterium）［13］ 30 红球菌属（Rhodococcus）［13］
表3 降解石油烃的真菌序号菌属序号菌属1枝顶孢属（Acremonium）［12］
13 从梗孢属（Monilia）［12］2曲霉菌属（Aspergillus）［15］14 被孢霉属（Mortierella）［12］3金色担子菌属（Aureobasidium）［14］ 15 青霉属（Penicillium）［15］4假丝酵母属（Candida）［14］16 毕赤酵母属（Pichia）［20］5芽枝霉属（Cladosporium）［12］ 17 红酵母菌属（Rhodotorrula）［12］6隐球酵母属（Cryptococcus）［20］ 18 酵母属（Saccharomyces）［5］7德巴利酵母属（Debaryomyces）［12］ 19 新月酵母属（Selenotila）［12］8内孢霉属（Endomyces）［12］20 掷孢酵母属（Sporobolomyces）［14］9 21 丝孢酵母属（Trichosporon）［20］10 地霉属（Geotrichum）［12］ 22 球拟酵母属（Torulopsis）［14］11 胶霉属（Gliocladium）［12］23 解脂假丝酵母属（Candidalipolytica）［21］12 汉逊酵母属（Hansenula）［12］ 24 热带假丝酵母属（Ctropicalis）［21］镰刀霉（Fusarium）［14］
表4 降解石油烃的藻类序号藻类序号藻类1 Agmenellum［12］8细柱藻
（Cylindrotheea）［12］2双眉藻（Amphora）［12］9杜氏藻（Dunaliella）［14］10 鞘藻属（Microcoleus）［14］4隐球藻（Aphanocapsa）［14］11 念珠藻（Nostoc）［14］3鱼腥藻（Analaena）［14］12 颤藻属（Oscillatoria）［14］6衣藻（Chlamyclomonas）［14］13 翅线藻（Petalonema）［12］5
小球藻（Chlorella）［14］7 Coccochloris［12］14 坑形席藻（Phormidium）［22］
2.1 石油的有氧降解
石油的有氧降解是好氧微生物和兼性微生物以分子氧作为最终电子受体，以石油烃作为底物进行的代谢，通过呼吸链将氧化过程产生的电子交给氧的过程，最终将石油烃有机物转化为CO2、H2O和NH3。

有氧降解速率快，因此要求氧气要充分，如果分子氧不足就会导致降解过程缺少受氢体，从而影响微生物的正常生长［23］。

有氧降解对环境要求不高，pH值在6.5-8.5范围内即可。

2.1.1 链烷烃的降解链烷烃根据其结构可分为直链烷烃和支链烷烃。

支链烷烃的结构稳定，很难被微生物利用，它的存在增加了微生物降解石油烃的难度，且支链越多，微生物降解的难度越大。

链烷烃的降解主要有末端氧化、次末端氧化、β-氧
化和ω-氧化［24-25］。

其中末端氧化在直链烷烃代谢过程中最为常见，即通过
氧化直链烷烃末端的甲基，转化为醇后再依次转化为相应的醛和脂肪酸，脂肪酸通过β-氧化降解形成乙酰辅酶A，乙酰辅酶A进入三羧酸循环进一步分解生成CO2和H2O，并产生能量。

有些有机物在链烷烃的次末端插入氧，生成仲醇后进一步
氧化再生成酮，酮代谢为酯，酯裂解生成伯醇和脂肪酸后继续氧化成醛和羧酸，羧酸经过β-氧化等一系列反应最后生成CO2和H2O。

直链烷烃的生物降解过程与
降解产物如下：
正烷烃→ 羧酸→ 二碳单位的短链脂肪酸 + 乙酰辅酶A → CO2 + H2O
链烷烃末端甲基遭受微生物的氧化作用时，由不同功能氧化酶催化氧化生成伯醇，
再进一步氧化成醛和脂肪酸，脂肪酸按照β-氧化进一步氧化分解，最终生成 CO2 和 H2O ［26］。

反应式如图 1。

直链烷烃的次末端受到微生物作用时，会在链内插入氧生成仲醇，再进一步氧化生成酮，接着酮代谢为酯，酯键裂解生成脂肪酸与伯醇，脂肪酸再经过ω-羟基化反应使双末端甲基被氧化生成二羧酸，伯醇继续氧化生成醛与羧酸，羧酸按照β-氧化进一步氧化分解，最终生成CO2与H2O［25，27］。

反应式如图2。

图1 直链烷烃末端氧化降解途径
图2 直链烷烃次末端氧化降解途径
直链烷烃也可以直接脱氢生成烯烃，再通过酶的催化氧化作用，而后进一步生成醇与醛，最后生成脂肪酸，脂肪酸按照β-氧化进一步分解，最终生成 CO2 与 H2O ［28］。

其中，酶是以辅酶Ⅱ（NADP）为主，起到传递质子及能量的作用。

反应式如图3。

图3 直链烷烃β-氧化降解途径
在直链烷烃发生ω-氧化时，首先会将烃氧化生成烷基过氧化氢，而后进一步转化成脂肪酸。

脂肪酸再按照β-氧化进一步氧化分解，最终生成CO2 与H2O。

反应式如图4。

此过程通常也需要酶的加入，如醇脱氢酶和醛脱氢酶。

2.1.2 环烷烃的降解脂环化合物通常很难降解，不能作为微生物生长的唯一碳源。

烷基取代的脂环化合物可能被氧化的两个位置是侧链和酯环。

环烷烃的降解主要由两种不同氧化酶协同作用完成，一种氧化酶将其氧化为环醇脱氢形成环酮，另一种氧化酶主要氧化环酮，使环断开后继续深入降解为CO2与H2O［29］。

降解过程与降解产物如下。

图4 直链烷烃ω-氧化降解途径
反应式如图5。

图5 环己烷降解途径
2.1.3 芳香烃的降解芳香烃相比于烷烃较难降解，其机理在过去的几十年里人们做了大量的研究工作，尤其是常见的菲和芘及其同系物。

一般降解芳香烃的微生物能产生氧化酶将苯环羟基化，并进一步深入降解化合物［30］。

虽然微生物降解的
途径不一样，但是关键性的中间产物是一致的。

在有氧条件下，微生物利用加氧酶转化芳香烃，通过烃基化形成二醇，而后形成邻苯二酚，邻位或间位开环［31］。

邻位开环生成己二烯二酸，再氧化为β-酮己二酸，继而降解为三羧环的中间产物。

间位开环生成2-羟己二烯半醛酸，进一步分解成丙酮酸、乙醛和甲酸。

降解过程
与降解产物如下：
含有烷基的芳香烃，烷基取代基氧化为羧酸；生物降解多环芳烃一般先将一个环二羟基化，再进一步降解为丙酮酸和CO2，以同样方式进行其他环分解，从而降解
多环芳烃。

芳香烃类代谢的可能途径如图6。

图6 芳香烃降解途径
2.2 石油烃的厌氧降解
厌氧降解是指在无分子氧的情况下，厌氧微生物及兼性厌氧微生物以非氧物质（如硝酸盐、二氧化碳）作为最终电子受体，以有机物作为电子供体降解有机物生成化学能。

厌氧降解被认为是降解石油烃的方法中一个比较有前途的技术［32］。

石油烃的厌氧降解一般由厌氧菌和兼性厌氧菌共同作用。

降解过程中有机物被转化为CH4、NH3等，且转化速率慢，需要时间长。

厌氧降解对环境要求严格，pH
在6.7-7.4之间。

一般厌氧环境大致分为：发酵、严格的产甲烷环境、硫酸盐为最终电子受体、硝酸盐为最终电子受体以及Fe3+为最终电子受体［21］。

厌氧降解比有氧降解种类更多，主要可分为5类，即将在末端的第二位或第三位碳原子上
进行羟基化、将延胡索酸加成到烃的甲基或亚甲基上、苯环上未被取代碳原子的羧基化、烯烃双键和炔烃三键的水合作用以及反甲烷生成［33］。

以下简述前两种
最为常见的降解方式。

2.2.1 脱氢羟基化厌氧降解带有较低C-H键能的烃类（如乙苯），可通过与水发
生脱氢羟基化反应来进行厌氧降解。

在厌氧降解的研究中，来自于硝酸盐还原菌的乙苯脱氢酶是最早被研究的生物酶之一［34］，在其催化作用下乙苯的乙基链发
生脱氢过程，并与水结合形成1-苯基乙醇，脱氢产生苯乙酮，再经过羧化、活化
和硫解进而产生苯甲酰辅酶A［35］。

如图7所示。

图7 硝酸盐还原菌厌氧降解乙苯
2.2.2 延胡索酸盐加成研究表明，厌氧降解过程中许多烃类化合物会以一种新反应进行初始活化，即烃的烷基链与延胡索酸盐结合，生成苄基琥珀酸酯类的中间产物，继而被琥珀酰辅酶A取代进一步β-氧化，产生苄基辅酶A并释放琥珀酰辅酶，然后在反应过程中释放出延胡索酸盐继续循环［36］。

Kniemeyer等［37］分离到一株硫酸盐还原菌，它在降解乙苯的过程中采用延胡索酸盐加成的方式，如图8
所示。

图8 硫酸盐还原菌厌氧降解乙苯
3 微生物降解石油的影响因素
3.1 烃类的结构
石油烃的理化性质及生物可利用性对微生物的降解起到关键性作用，石油烃结构不同，降解的难易程度也不同［38］。

对于饱和脂肪烃，支链烷烃较难降解，支链
的存在增强了烷烃的抗降解能力，支链越多，被生物降解的难度越大。

芳香烃类化合物由于具有稳定的苯环结构，更难被降解。

不同烃类化合物微生物可降解性次序为：杂环芳烃＜多环芳烃＜单环芳烃＜C10-C24或更长的支链烷烃＜小于C10的支链烷烃＜C10-C24或更长的直链烷烃＜小于C10的直链烷烃［39］。

3.2 微生物种类
微生物降解石油大部分是通过酶促反应实现的，微生物种类不同其代谢途径及物质传递方式也不相同。

自然环境中的微生物多种多样，石油的降解是一个极为复杂的过程，需要多种微生物的共同参与协同完成。

研究比较了混合菌群与5种单一纯菌株对液相石化油性污泥中的脂肪烃和芳香烃的降解能力，结果证明混合菌的生化降解能力更强，脂肪烃和芳香烃的去除率分别达到90.7%和51.8%［40］。

3.3 环境因子
环境因子对石油的降解影响显著，如pH［41］、温度［42］、盐度［43］、含氧量［44］和营养物质［45］。

pH和含氧量能够直接影响到微生物的生长，从而间接的影响到石油烃的降解；温度的改变可以使石油污染物的黏度和溶解性发生变化，也能影响到微生物的生长状况和其体内的酶活性，从而影响石油的整个降解过程。

Thamer等［43］报道称高的盐度和温度会阻碍微生物及其代谢产物的生长产生。

自然条件下微生物的生长繁殖离不开氮磷钾等营养物，降解过程中石油烃虽然能为微生物提供碳源，但并不能为微生物充分地提供其他必需的营养元素，可以在降解过程中适当地加入尿素、磷酸盐和钾肥等来促进微生物的生长［45］。

4 微生物降解石油的应用
由于微生物广泛存在于石油污染的环境中，经过一定时间的人工驯化，可以有效提炼出高效定向的降解菌。

近年来已有科研工作者对微生物降解石油污染组分应用做了深入研究。

BTEX（苯、甲苯、乙苯和二甲苯）是重要的石油芳烃化合物，广泛用于工业生产，是环保部门评定的优先污染物。

基于此，Bei等［46］通过实验证实用r-Fe2O3磁性固定微生物细胞，可以有效的降低传统固定化过程中的传质阻力，提高生物降解含BTEX等芳烃类化合物石油废水的能力。

生物治理是利用天然微生物解决原油泄露事件的有效技术，但是在海洋沉积物中氧气的含量较少，微生物降解石油类物质困难，最终导致烃类污染加剧。

Bellagamba等［47］利用生物电化学技术有效解决了这一难题，在被污染的沉积物中放入一定尺寸的阳极，再利用2 V的低压电解海水驱动氧气的产生，实验结果与对照组相比显示，烃类的生物降解大大加快。

这项技术表明，电解驱动的生物修复可以作为管理沉积污染物的有效方法。

此外，表面活性剂起到分散作用，在各种石油污染治理中受到高度关注。

Yongrui 等［48］对模拟近海水域石油泄漏进行生物修复，并比较化学分散剂和生物表面活性剂的效果差异，实验表明，鼠李糖脂对石油烃的生物修复效果远高于商品化生产的化学分散剂，且对降解石油烃的微生物没有毒害作用。

在寒冷地区，石油的降解较为缓慢。

针对这种现象，Karppinen等［49］研究在生物炭加入的情况下，寒冷地区污染土壤中的石油碳氢化合物降解情况，实验结果显示，与肥料（尿素和磷酸一铵）组对照相比，生物炭的加入提高了冷冻土壤中降解污染物的速率。

另一方面，微生物也可以用于石油的开采过程中。

主要是采用向油层中注入微生物的方式，通过微生物降解原油产生的酸溶解灰质胶结物、产生的气体增加油田压力并降低油的黏稠度、产生的表面活性剂乳化原油，这种方法缓解了传统的用水加压开采油田的方式，也避免了二次污染的发生［50］。

现有研究表明，微生物降解技术应用十分广泛，依然有待开发。

5 生物修复的前景
石油污染生物修复技术现已取得显著的进步。

新的生物电化学技术方法已经开始用于降解石油类污染物，有效强化了石油烃的厌氧生物降解［51］。

芬顿氧化与微生物联合法经过实验研究证明，土著菌去除石油烃效率可以显著提高［52］。

生物修复相对于物理、化学修复已经取得明显的工程技术优势，但其自身依然存在着诸多的问题。

如（1）降解机理和影响因素有待进一步深入分析；（2）需要筛选更多的高效降解菌和更好地理解微生物菌群之间的代谢合作关系；（3）在修复过程中存在的问题比如修复周期长、易受环境影响、难以实现废物资源化亟待解决。

基于此，石油烃污染生物修复今后可以在3个方面开展深入研究。

应该加强新技术及其应用研究。

生物电化学技术可以在一定程度上帮助解决环境污染问题，并能将石油烃污染物转化为氢能、电能，实现废物资源化利用，但该技术依然有提高的地方，具体涉及到电极材料优化、电解液pH衡定、阳极微生物种类和群落及电子传递介质的进一步研究。

提高微生物对石油的降解效率。

可以利用分子生物学技术来构造具有高效降解性能的基因工程菌，如利用整合分子杂交技术、DNA改组技术、基因组学技术将生物表面活性剂产生基因和各种烃类的降解基因整合到一种微生物体内，来构造出一种万能的超级石油烃降解菌。

但受限于基因工程微生物禁止商业用途，因此研究各种石油烃降解微生物对不同种类烃的降解能力及其筛选纯化依然是今后的重点。

生物降解石油的机制还需进一步明确。

石油降解酶催化过程、降解历程、降解过程中生物协同效应等仍需要通过研究以确定所有机理，找到关键控制因子，进而提高降解效率。

具体涉及到的研究工作包括微生物体内降解酶的种类和降解效率，石油生物降解前通过处理改变其结构，以及提高脱氢、羟化和过氧化反应过程的速率条件等。

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