石油的降解

一、前言海洋占地球表面积的71%，而随着人类开发地球资源的加剧，海洋受到了严重的污染，其中最突出的就是石油污染。石油污染大致有两种类型：突发性输入和慢性长期输入。突发性输入包括油轮事故和海上石油开采的泄露、。慢性长期输入就比如港口和船舶含油污水排放，天然的海底渗漏等等，海洋石油污染看似遥远，其实与我们的生活息息相关。千万不能小看它造成的生态危害！首先，石油覆盖在海面上，阻断了氧气和二氧化碳的气体交换，严重导致水体缺氧。第二，石油的不透光性会阻碍阳光射入海洋，加上溶解氧减少，阻碍了海洋下植物的光合作用，间接刺激了赤潮的发生。第三，石油中所含的稠环芳香烃对生物体有剧毒，经过生物富集和食物链传递最终传递到人体内，对人有很强的致癌作用。等等。目前的治理技术主要有物理方法。化学方法。生物方法，其中用生物降解的方法优点是迅速，无残毒，低成本，受到广泛关注。现在就由我们小组为大家大致讲解下微生物降解石油的机理、菌种的筛选和相关的影响因素问题。二、菌的筛选除了人类活动外，自然界本身也存在着各种形式的石油烃类化合物的扩散，因此能降解高分子量烃类化合物的菌有很多种，目前已知200多种，但绝大多数的降解速率都很低，且石油是一种成分十分复杂的混合物，由上千种有机化合物组成，而一种菌往往只能降解一种特定类型的化合物，所以我们除了要对高效降解菌的筛选鉴定外，还要考虑菌种的组合，用菌群去降解石油，这里就有一个麻烦的问题，菌种之间怎样的组合才是最优的组合，要知道菌与菌之间纯在者各种相互作用，这是一个小的生态系统，因此还需要研究菌落种群的动态变化，这是一个比较复杂的问题。到目前这个阶段，尽管未知的降解菌仍然很多，但是对微生物降解石油的具体生化途径都基本清楚，建立了相应的基因库，实际上对于新筛选菌株，可以利用已知的降解基因，在基因库中寻找最接近的基因，从而进一步确认新菌株的功能基因。这里除了我们在课本上学到的，可以用富集培养基的方法筛选想要的菌种之外，还有一种更高效方法：利用PCR技术进行筛选，根据已有的基因库中的功能基因，设计相应的引物，对提取到的如石油样品中的DNA进行扩增，筛选其中是否可能需要的菌株。更重要的是可以用这种方法考察修复环境中菌落多样性，这里只要用PCR扩增，观察基因的多样行即可，这时设计引物要尽可能多地获得不同菌种的有关基因，需要整合许多已知基因设计适用于不同菌种的引物。其实除了用菌群的方法外，还有通过基因工程的方式构造超级细菌。细菌用来分解石油所用的酶主要存在于质粒上，因此只要将相应的质粒导入到一个细菌中，就可以让它分解所有的石油，事实上早在早在20世纪70年代，就有科学家在同一菌株中植入降解乙烷、辛烷和癸烷，降解二甲苯，降解萘和分解樟脑的4种假单胞茵的不同质粒，由此得到的工程菌具有超常规的能力，能够同时降解脂肪烃、芳烃、萜和多环芳烃，且降解石油的速度快、效率高，在几个小时内能降解完海上溢油中2／3的烃类，而自然菌种则需要用一年多的时间，但质粒容易丢失或转移，遗传稳定性差。在菌降解石油的过程中还受到许多其他因素的影响，有下一位同学来讲。三、降解石油机制石油是一种难溶性物质，会在海洋表面漂浮形成油层，这种状态的石油很难被微生物获取利用，这时微生物会分泌表面活性物质来使石油分散。表面活性物质由亲水的头部基团和脂质的尾部组成。当表面活性物质在被污染中与油相互作用时，表面活性物质的亲水成分朝向水相而脂质分子的一端朝向油层，导致被表面活性剂包裹的稳定小油滴的形成，小油滴最后被细胞内吞降解。这样，表面活性剂能够通过减少表面张力的方式使石油乳化，形成稳定的小油滴，增加了石油的可吸收性，另一方面而言，石油的成分非常复杂，其中含有数万种有机物，石油的生物降解性因其所含烃分子的类型和大小而异。烯烃最易分解，烷烃次之，芳香烃难降解，多环芳烃更难，脂环烃类对微生物的作用最不敏感。烷烃中C1～C3化合物如甲烷、乙烷、丙烷只能被少数专一性微生物所降解．直链烃容易降解，支链烃抗性较强。芳香烃常与沉积物结合，降解较为复杂。所以石油含有的烃类物质组成不同，其降解的速度和过程有较大差异。纵观其反应机理，微生物降解石油，主要是在氧化酶和过氧化酶的催化作用下．将分子氧组合入基质中，形成一种含氧的中间产物，然后转化成其他物质而参与代谢过程。例如，微生物降解烷烃类的最初产物为相应的醇类，然后被进一步转化为脂肪酸类；下面以芳香烃为例具体阐释其降解机理，微生物降解芳香烃化合物，一般先分解侧链，然后是对芳香环的氧化(羟化)、开环，余下的过程与降解脂肪族化合物类相同。即先转化成羧酸，再通过β-氧化进行深入降解，形成二碳单位的短链脂肪酸和乙酰辅酶A，放出CO2。影响因素1、石油的理化性质首先，石油的物理存在形式对石油的生物降解有很大影响，液态的芳烃在水-烃界面能被细菌代谢，但固态时很难被利用。当向其中加入表面活性物质的时候，能使石油乳化，形成一个个被活性物质包裹的石油滴，更易进入细胞被降解。其次，其化学组分也有影响，其降解速率从高到低排是：正烷烃＞分支烷烃＞低分子量芳香烃＞多环芳烃，另外，化合物的组成成分也直接影响降解速率，低硫、高饱和烃的粗油最易降解，高硫、高芳香烃类化合物的纯油则很难降解。2、菌种及数量我们前面的同学也说了，不同的菌能分解不同的烃，能够相互搭配好的话，能极大地加快石油的降解速率，另外，菌的数量越多，降解速率越快，这个应该比较容易理解。说到菌的生长繁殖，我们就应该自然地想到菌所处的环境。3、环境因素影响微生物生长的因素有很多，例如，温度，PH值，氧浓度等都会影响微生物的生长繁殖。其中，温度还会影响石油的理化性质，促进有害烃的挥发以及石油的乳化。虽然厌氧条件下，仍然有部分菌能降解石油，弹药比有氧条件下慢得多。在这里，我重点讲一下营养条件。对于微生物来说，碳源，氮源和磷源都是生长必需的，石油内的烃能够给微生物提供足够的碳源，二氮源与磷源则相对匮乏，虽然海洋中各种元素的含量非常多，但经过大量的水稀释以后，N、P的浓度就非常低了，二者两者也正是限制微生物降解速率的主要原因之一。理论上来说，微生物降解1kg的烃类化合物就需要消耗150g的氮元素和30g的磷元素。在实验室条件或者土壤条件下，我们可以通过添加磷酸盐，硝酸盐或者尿素这些肥料来满足其需求。但在海洋这一个有大量水的开放体系中，加入这些东西却起不到作用。第一个解决的办法是用石蜡包裹住尿素或者磷酸辛酯，使其不溶于水，从而被微生物利用，虽然这个办法有用，但是成本和碳氮比太大。另外一个办法是使尿素甲醛粘附在石油分子上形成不溶于水的聚合物。虽然这个办法曾经成功地治理了沙滩的石油污染，但是在海水中，密度比较大的它会沉入水底。第三个选择就是尿酸，它是鸟类，蝙蝠和一些昆虫代谢的主要含氮产物，在水中的溶解度低，且容易吸附烃类化合物。更重要的是，它在市场上有人工肥料卖，而且价格不贵。同时，有很多种微生物可以把尿酸作为氮源。因此，我们可以把它当做一个良好的在这么一个开放体系中未微生物提供氮源的物质。在一篇sciencedirect的文章里，他用了尿酸做了实验，结果表明，细菌浓度达到了108个细胞每毫升，而且烃类化合物被降解了百分之70，而以磷酸铵和硫酸铵作为对照组的结果是106个细胞每毫升，烃类化合物没被降解。所以，尿酸可以算是治理海洋石油污染的一种比较有效地能为微生物提供氮源和磷源的物质。