石油降解微生物的研究现状

石油降解微生物的研究现状陈宇翔生物工程学号：11208523802538摘要：本文简单介绍了石油降解微生物的概念，并叙述了石油降解微生物的降解机理和影响微生物降解的条件。举例说明了生物降解石油烃的研究现状和对未来研究方向的展望。Abstract:thispaperbrieflyintroducestheconceptofmicroorganismoil,anddescribesthedegradationofmicroorganismoilmechanismandinfluencingmicrobialdegradationofconditions.Forexamplethebiodegradationpetroleumhydrocarbons,theresearchpresentsituationandprospectofthefuturestudytrends.关键词：石油烃降解微生物石油污染高效性研究现状展望Keywords:petroleumhydrocarbonmicroorganismoilpollutionefficiencyresearch-statusprospect引言：石油作为重要能源之一已被世界各国广泛使用，随之而来的石油烃污染已经对人类生存的土壤及水体环境造成了严重的危害，微生物降解是一种处理石油烃污染的理想方法。在石油及石油产品的开发利用中，不可避免的会对人类生存环境造成污染，防范、治理石油污染成为环境保护的重要任务之一。目前用于石油污染治理的方法主要有：物理修复法，化学修复法和生物修复法。与传统的物理化学方法比较，生物修复法具有经济花费少、对环境影响小、遗留问题少、最大限度地降低污染物的浓度、修复时间较短、就地修复、操作方便等特点[1]，是国内外科研工作者关注的热点领域，在石油污染的治理中具有广阔的应用前景。本文从介绍石油降解微生物开始人手，认真分析了石油降解微生物的种类、菌种特征、降解机理，分析了目前用于处理石油污染的微生物的技术特点，现阶段研究现在和具体应用，并对未来的研究方向做出了大胆的设想和展望。正文：1.石油降解微生物以及其种类1.1石油降解微生物石油降解微生物是指能将石油烃作为唯一碳源进行生物降解，并产生气体、脂肪酸以及生物表面活性剂等代谢产物的一类微生物的总称[2]，石油降解菌对石油污染环境的生物修复有重要作用[3]，在微生物采油研究领域的应用也日趋广泛[4]。石油烃降解菌能清除石油中的部分石蜡组分，代谢产物主要是乙酸和棕榈酸为主的脂肪酸和鼠李糖形成的糖脂类表面活性剂[5]，可以进一步改善原油的流动性，降低油与水的界面张力，有利于提高石油采收率。因此，研究微生物降解石油的作用机理，对新型微生物菌种的筛选及性能评价有重要的实用价值，开发具有多功能的石油烃降解菌不仅在处理石油污染，也在微生物采油方面有重要作用。1.2石油烃降解微生物的种类国外在20世纪40年代就开展了细菌降解石油烃的研究[6]，我国这方面的研究始于20世纪70年代末期。研究表明，在土壤和水体环境中存在着大量能够降解石油烃的微生物，主要是细菌和真菌；细菌在海洋生态系统的石油烃类降解中占主导地位，而真菌则是淡水和陆地生态系统中更为重要的修复因子。降解石油的微生物很多，据报道有2O0多种，细菌假单胞菌属(Pseudomonas)、棒杆菌属(Corynebacterium)、微球菌属(Micrococcus)、产碱杆菌属(Alcaligenes)等，放线菌主要是诺卡氏菌属(Nocardia)，酵母菌主要是解脂假丝酵母(Candidalipolytica)和热带假丝酵母(C．tropicalis)，霉菌有青霉属(Penicillium)和曲霉属(Aspergillus)等。此外，蓝细菌和绿藻也都能降解多种芳烃。石油烃降解菌和藻类的主要种类见表1。大量研究表明，当菌群处于石油污染环境中时，利用烃类化合物的微生物数量急剧增长，尤其是含降解质粒的微生物。Atlas报道在正常环境下降解菌一般只占微生物群落的1％，而当环境受到石油污染时，降解菌比例可提高到10％[7]。含质粒细菌在石油烃污染环境中出现的频率和数量比非污染环境高，说明质粒在石油烃的降解中可能起着重要作用。降解质粒的存在为降解工程菌的构建提供了可能。2.石油降解微生物的降解机理主要分为两大类及石油烃的有氧降解和无氧降解2.1石油烃类的有氧降解2.1.1有氧降解机理好氧微生物在降解有机物的代谢过程中以分子氧作为受氢体，如果分子氧不足，降解过程就会因为没有受氢体而不能进行，微生物的正常生长规律就会受到影响，甚至被破坏。有氧降解是由好氧微生物和兼性微生物起作用；降解结果使得有机物被转化为CO2、H2O、NH4等。有氧降解有机物转化速率快，要求充分供氧。对环境要求较为宽松，pH值在6．5～8．5即可。2.1.2有氧降解方式[8]链烷烃的有氧降解C原子数大于1的正烷烃，其降解途径以烷烃末端氧化最为常见。微生物攻击链烷烃的末端甲基，由加氧酶、脱氢酶、水化酶等混合功能氧化酶催化，生成伯醇，再进一步氧化为醛和脂肪酸，脂肪酸接着通过氧化进一步代谢，被彻底氧化成二氧化碳和水。有些微生物攻击链烷烃的次末端，在链内的碳原子上插入氧。这样，首先生成仲醇，再进一步氧化，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G氧化进一步代谢。支链烷烃的降解途径和直链烷烃相似。相对直链烷烃而言，支链烷烃较难为微生物所降解，支链的存在增强了烷烃的抗蚀能力，并且支链越多越大，被微生物降解的难度越大。支链烷烃的氧化还会受到正构烷烃氧化作用的抑制。环烷烃的有氧降解脂环化合物通常不能用作微生物生长的唯一碳源，除非有足够长的脂族侧链。因此，烷基取代的脂环化合物可能被氧化的两个位置是侧链和脂环上。环烷烃的降解需要两种氧化酶的协同氧化，一种氧化酶先将其氧化为环醇，接着脱氢形成环酮，另一种氧化酶再氧化环酮，环断开，之后深入降解。虽然已发现能够在环已烷上生长的微生物，但更常见的是能转化环已烷为环已酮的微生物不能内酯化和开环，而能将环已酮内酯化和开环的微生物却不能转化环已烷为环已酮。可见微生物之间的互生关系和共代谢在环烷烃的生物降解中起着重要作用。如环已烷，由混合功能氧化酶的羟化作用生成环已醇，后者脱氢生成酮，再进一步氧化，一个氧插入环而生成内酯，内酯开环，一端的羟基被氧化成醛基，再氧化成羧基，生成的二羧酸通过β一氧化进一步代谢。芳香烃的有氧降解常规的好氧微生物能产生混合功能的氧化酶或双氧化酶，这些酶在分子氧的参与下，使苯环羟基化，并进一步引发芳环裂解，所以能有效地降解芳香烃化合物。微生物对芳香烃降解的起始途径是多样的，但关键性的中问产物具有一致性。芳香烃由加氧酶氧化为儿茶酚，二羟基化的芳香环再氧化，邻位或问位开环。邻位开环生成已二烯二酸，再氧化为j3一酮已二酸，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。问位开环生成2一羟已二烯半醛酸，进一步代谢生成甲酸、乙醛和丙酮酸。对于烷基芳香烃的降解来说，不管烷基取代基有多长，则一律氧化成羧酸。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。各类烃的降解过程和降解产物见表22.2石油烃类的厌氧降解2.2.1厌氧降解机理厌氧降解是指在无氧情况下，一些兼性厌氧微生物利用除氧以外的物质(如硝酸盐、硫酸盐、二氧化碳或铁(Ⅲ)等)作为最终电子受体，以有机物为电子供体，进行降解获得化学能，同时将有机物微生物降解[9]。厌氧降解是厌氧菌和兼性菌起作用。厌氧降解中有机物被转化为CH4、NH3等。厌氧降解有机物转化速率慢，需要时间长；厌氧生物降解对环境要求较严格，pH值在6．7～7．4之间。厌氧降解环境大致分为4种：发酵／严格的产甲烷环境、以硝酸盐为最终电子受体、以硫酸盐为最终电子受体以及以Fe(Ⅲ)为最终电子受体。2.2.2某些无机含氧化合物的递氢过程“产甲烷条件”是指能够产生甲烷的发酵条件，在产甲烷条件下，二氧化碳作为最终电子受体被还原成甲烷。硫酸盐还原菌需硫酸盐作为其厌氧代谢的外来电子受体。这种代谢通常是在硝酸盐耗尽，氧化还原电位降至200mV(pH=7)时发生。不同pH时，硫酸盐被细菌还原的氧化还原电位范围会有所不同，降解中硫酸盐被还原成硫化物。大多数硝酸盐呼吸菌是兼性厌氧菌，在氧被耗尽之后转而利用硝酸盐，硝酸盐可被还原成氨或分子氮。以芳香烃为例，由于在有氧降解过程中，产生大量的中问产物，如有机酸等。因此当游离氧被耗尽时，厌氧降解经常以有氧降解的中间产物为对象[10,11]。3.影响微生物降解的因素3.1微生物的种类不同菌属的微生物对石油的降解能力也不同。如细菌Acinetobactercalcoaeticus和Serratiamarcescens可分别降解C22～C30和C20～C28的石油物质，而霉菌Candidatropicalis可以降解C12～C32的石油物质[12]。一种微生物通常只对特定的石油成分具有较强降解能力。因此，往往需通过接种混合的微生物群落，以提高微生物的降解效果。3.2石油烃的性质石油烃本身性质也会对降解产生影响。由于饱和烃、芳香烃、胶质和沥青质等的含量不同以及饱和烃中正构的烃的含量不同可导致它们具有不同的抗降解性[13]。一般认为，不同烃类化合物的降解率如下[13]：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。低硫、高饱和烃的粗油最易降解，而高硫、高芳香族烃类化合物的纯油则最难降解。3.3环境因素[14]自然环境中石油烃类降解除与自身性质有关外，还受环境、生物等因素的影响。如温度、营养物、含氧量、pH值等。4.微生物降解石油烃技术的研究现状近几年国内外在研究石油烃类污染物生物治理方面取得了显著的成效。但还有很多问题需要解决，如各种高效降解菌的筛选和纯化研究比较散乱，微生物降解机理研究相对不足，只有更深入的研究才能使微生物降解技术得到更广泛的运用。中国科学院成都生物研究所在国家高技术研究发展计划(“863”计划)“水污染控制技术与治理工程”重大专项中的两个课题——“高效优良菌种选育及处理系统中微生物种群的优化调控”和“高效厌氧和好氧生物反应器研制与应用”的研究过程中，筛选出多株高效功能菌，并对主要菌株进行了降解机制与应用方法的研究[15,16,17]。以下是最近研究的几方面应用。4.1海洋石油污染海洋石油污染的溢油污染物主要以烷烃类为主，自然发生的生物降解对溢油清除起着重要的作用。但是，海洋沉积物中石油的自然去除是很缓慢的，生物修复技术为处理石油泄漏提供了一个可能的选择。海洋石油污染通常可采用以下3种方式进行生物修复：投加表面活性剂，增加石油与海水中微生物的接触面积；投加高效降解石油的微生物，增加微生物的种群数量；投加N、P等营养源，促进土著微生物对石油的降解。由于表面活性剂可能具有毒性并在环境中积累，引入高效降解菌不能对土著微生物保持长久的竞争优势，同时也会引起应的生态和社会问题，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，因此对投加营养盐进行海洋石油污染的生物修复的研究相对较多[18,19]。4.2石油污染土壤石油污染土壤的生物修复[20]，是指利用微生物及其他生物，将存在于土壤中的石油污染物降解成CO2和H20或转化成无害物质的工程技术系统。受污染土壤的生物修复技术可分为原位生物修复技术和非原位生物修复技术。其中原位处理方法是将受污染土壤在原地降解处理，即在污染区钻一组注水井，用泵注入微生物、水和营养物并通入空气，在系统中设地下水积水管，收集可能受到污染的下渗水，经过处理后加入适量的N、P等营养物质再注入土壤，以再循环的方式处理石油污染土层。5展望虽然多种降解石油烃的细菌已经被分离，但因寄居在海洋环境中的大部分细菌不可人工培养，所以仍然有很多的烃降解细菌包括厌氧菌还没能被发现。目前利用不依靠培养的rRNA检测的方法，已经可以