石油降解

石油是人類非常寶貴的自然能源。然而在石油帶給人類巨大利益的同時，其開採、運輸中頻發的事故也給人類賴以生存的自然環境帶來了嚴重的污染。石油污染的治理中，生物降解技術具有經濟、高效、無二次污染的優點，目前已成為石油污染特別是海洋石油污染治理研究的熱點。 ^[2] 

石油污染大致有兩種類型：突發性輸入和慢性長期輸入。突發性輸入包括油輪事故和海上石油開採的泄漏。慢性長期輸入就比如港口和船舶含油污水排放，天然的海底滲漏等等，海洋石油污染看似遙遠，其實與我們的生活息息相關。

石油污染會造成的生態危害：（1）石油覆蓋在海面上，阻斷了氧氣和二氧化碳的氣體交換，嚴重導致水體缺氧。（2）石油的不透光性會阻礙陽光射入海洋，加上溶解氧減少，阻礙了海洋下植物的光合作用，間接刺激了赤潮的發生。（3）石油中所含的稠環芳香烴對生物體有劇毒，經過生物富集和食物鏈傳遞最終傳遞到人體內，對人有很強的致癌作用，等等。

降解石油機制

石油是一種難溶性物質，會在海洋表面漂浮形成油層，這種狀態的石油很難被微生物獲取利用，這時微生物會分泌表面活性物質來使石油分散。表面活性物質由親水的頭部基團和脂質的尾部組成。當表面活性物質在被污染中與油相互作用時，表面活性物質的親水成分朝向水相而脂質分子的一端朝向油層，導致被表面活性劑包裹的穩定小油滴的形成，小油滴最後被細胞內吞降解。這樣，表面活性劑能夠通過減少表面張力的方式使石油乳化，形成穩定的小油滴，增加了石油的可吸收性。

另一方面而言，石油的成分非常複雜，其中含有數萬種有機物，石油的生物降解性因其所含烴分子的類型和大小而異。烯烴最易分解，烷烴次之，芳香烴難降解，多環芳烴更難，脂環烴類對微生物的作用最不敏感。烷烴中C₁～C₃化合物如甲烷、乙烷、丙烷只能被少數專一性微生物所降解．直鏈烴容易降解，支鏈烴抗性較強。芳香烴常與沉積物結合，降解較為複雜。所以石油含有的烴類物質組成不同，其降解的速度和過程有較大差異。縱觀其反應機理，微生物降解石油，主要是在氧化酶和過氧化酶的催化作用下．將分子氧組合入基質中，形成一種含氧的中間產物，然後轉化成其他物質而參與代謝過程。例如，微生物降解烷烴類的最初產物為相應的醇類，然後被進一步轉化為脂肪酸類；下面以芳香烴為例具體闡釋其降解機理，微生物降解芳香烴化合物，一般先分解側鏈，然後是對芳香環的氧化(羥化)、開環，餘下的過程與降解脂肪族化合物類相同。即先轉化成羧酸，再通過β-氧化進行深入降解，形成二碳單位的短鏈脂肪酸和乙酰輔酶A，放出CO₂。

隨着石油產品需求量的不斷增加，石油及其製品通過多種途徑進入環境，對土壤和水體造成了嚴重污染，並且威脅着人類的健康，石油污染土壤技術的研究及應用正日益受到廣泛重視與關注。目前的治理技術主要有物理方法、化學方法、生物方法，由於物理修復(如熱處理)在破壞土壤中污染物的同時也破壞了土壤的組分和結構，而且價格昂貴；化學修復效果較好，但所使用的化學試劑會產生二次污染，限制了其應用範圍；其中用生物降解的方法優點是迅速，無殘毒，低成本，受到廣泛關注。 ^[1] 

生物修復技術被認為是一種綠色環保、無二次污染、高效、可徹底降解污染物的具有發展前景的石油污染修復方法。研究表明，石油降解菌酶的活性、環境、無機營養、肥料、微生物的類型等對油污染場地的修復起到重要作用。利用石油地質中石油族全組分進行微生物降解分析是一種獨特的角度，需要對全族物質做全面解析，前面所述研究中對有對正構烷烴和姥鮫烷，植烷的降解研究，但藿烷，甾烷族成分的圖譜解析不易識別，且含量低，研究很少。 ^[3] 

生物降解是指由生物催化的複雜化合物的分解過程。而在石油降解中微生物首先通過自身的代謝產生分解酶，裂解重質的烴類和原油，降低石油的粘度，另外在其生長繁殖過程中,能產生諸如溶劑、酸類、氣體、表面活性劑和生物聚合物等有效化合物利於驅油，然後由其他的微生物進一步的氧化分解成為小分子而達到降解的目的。

除了人類活動外，自然界本身也存在着各種形式的石油烴類化合物的擴散，因此能降解高分子量烴類化合物的菌有很多種，目前已知200多種，但絕大多數的降解速率都很低，且石油是一種成分十分複雜的混合物，由上千種有機化合物組成，而一種菌往往只能降解一種特定類型的化合物，所以我們除了要對高效降解菌的篩選鑑定外，還要考慮菌種的組合，用菌羣去降解石油，這裏就有一個麻煩的問題，菌種之間怎樣的組合才是最優的組合，要知道菌與菌之間存在着各種相互作用，這是一個小的生態系統，因此還需要研究菌落種羣的動態變化，這是一個比較複雜的問題。

海洋中最主要的降解細菌屬於:無色桿菌屬、不動桿菌屬、產鹼桿菌屬、節桿菌屬、芽孢桿菌屬、黃桿菌屬、棒桿菌屬、微桿菌屬、微球菌屬、假單胞菌屬以及放線菌屬、諾卡氏菌屬。在大多海洋環境中,上述這些細菌是主要降解菌,在真菌中,金色擔子菌屬、假絲酵母屬、紅酵母屬和擲孢酵母屬是最普遍的海洋石油烴降解菌。一些絲狀真菌如麴黴屬、毛黴屬、鐮刀黴屬和青黴屬也應被歸入海洋降解菌中。土壤中主要的降解菌除了上面提到的細菌種類外,還包括分枝桿菌屬以及大量絲狀真菌。麴黴屬和青黴屬某些種在海洋和土壤兩種環境中都有分佈。木黴屬和被孢黴屬某些種是土壤降解菌。 ^[4] 

到目前這個階段，儘管未知的降解菌仍然很多，但是對微生物降解石油的具體生化途徑都基本清楚，建立了相應的基因庫，實際上對於新篩選菌株，可以利用已知的降解基因，在基因庫中尋找最接近的基因，從而進一步確認新菌株的功能基因。這裏除了我們在課本上學到的，可以用富集培養基的方法篩選想要的菌種之外，還有一種更高效方法：利用PCR技術進行篩選，根據已有的基因庫中的功能基因，設計相應的引物，對提取到的如石油樣品中的DNA進行擴增，篩選其中是否可能需要的菌株。更重要的是可以用這種方法考察修復環境中菌落多樣性，這裏只要用PCR擴增，觀察基因的多樣行即可，這時設計引物要儘可能多地獲得不同菌種的有關基因，需要整合許多已知基因設計適用於不同菌種的引物。 其實除了用菌羣的方法外，還有通過基因工程的方式構造超級細菌。細菌用來分解石油所用的酶主要存在於質粒上，因此只要將相應的質粒導入到一個細菌中，就可以讓它分解所有的石油，事實上早在早在20世紀70年代，就有科學家在同一菌株中植入降解乙烷、辛烷和癸烷，降解二甲苯，降解萘和分解樟腦的4種假單胞茵的不同質粒，由此得到的工程菌具有超常規的能力，能夠同時降解脂肪烴、芳烴、萜和多環芳烴，且降解石油的速度快、效率高，在幾個小時內能降解完海上溢油中2/3的烴類，而自然菌種則需要用一年多的時間，但質粒容易丟失或轉移，遺傳穩定性差。

1、石油的理化性質

首先，石油的物理存在形式對石油的生物降解有很大影響，液態的芳烴在水-烴界面能被細菌代謝，但固態時很難被利用。當向其中加入表面活性物質的時候，能使石油乳化，形成一個個被活性物質包裹的石油滴，更易進入細胞被降解。 其次，其化學組分也有影響，其降解速率從高到低排是：正烷烴>分支烷烴>低分子量芳香烴>多環芳烴，另外，化合物的組成成分也直接影響降解速率，低硫、高飽和烴的粗油最易降解，高硫、高芳香烴類化合物的純油則很難降解。

2、菌種及數量

不同的菌能分解不同的烴，能夠相互搭配好的話，能極大地加快石油的降解速率，另外，菌的數量越多，降解速率越快。

3、環境因素

影響微生物生長的因素有很多，例如，温度，PH值，氧濃度等都會影響微生物的生長繁殖。其中，温度還會影響石油的理化性質，促進有害烴的揮發以及石油的乳化。雖然厭氧條件下，仍然有部分菌能降解石油，彈藥比有氧條件下慢得多。對於微生物來説，碳源，氮源和磷源都是生長必需的，石油內的烴能夠給微生物提供足夠的碳源，二氮源與磷源則相對匱乏，雖然海洋中各種元素的含量非常多，但經過大量的水稀釋以後，N、P的濃度就非常低了，二者兩者也正是限制微生物降解速率的主要原因之一。理論上來説，微生物降解1kg的烴類化合物就需要消耗150g的氮元素和30g 的磷元素。在實驗室條件或者土壤條件下，我們可以通過添加磷酸鹽，硝酸鹽或者尿素這些肥料來滿足其需求。但在海洋這一個有大量水的開放體系中，加入這些東西卻起不到作用。第一個解決的辦法是用石蠟包裹住尿素或者磷酸辛酯，使其不溶於水，從而被微生物利用，雖然這個辦法有用，但是成本和碳氮比太大。另外一個辦法是使尿素甲醛粘附在石油分子上形成不溶於水的聚合物。雖然這個辦法曾經成功地治理了沙灘的石油污染，但是在海水中，密度比較大的它會沉入水底。第三個選擇就是尿酸，它是鳥類，蝙蝠和一些昆蟲代謝的主要含氮產物，在水中的溶解度低，且容易吸附烴類化合物。更重要的是，它在市場上有人工肥料賣，而且價格不貴。同時，有很多種微生物可以把尿酸作為氮源。因此，我們可以把它當做一個良好的在這麼一個開放體系中未微生物提供氮源的物質。 ^[5]