石油污染浅层含水层的微生物修复研究进展

陈辉伦

(北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083)



石油污染浅层含水层的微生物修复研究进展

陈辉伦

(北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083)

微生物修复是治理浅层地下水有机物污染的重要途径。从石油开采等过程对浅层含水层带来的污染现状、微生物修复的技术进展、降解菌的筛选与分离和微生物修复的影响因素等方面综述了石油污染浅层含水层的微生物修复主要研究进展，分析了原位微生物修复技术在石油污染浅层含水层修复领域的广阔应用前景;鉴于浅层地下水系统具有低温、贫氧等特点，指出目前研究存在的不足，并强调指出地下水中石油类污染物的时空分布和迁移转化规律、优良“土著”菌株的筛选和菌群的构建、低温缺氧环境下的降解研究、同位素技术、原位修复的现场研究以及微生物-植物的联合修复将是今后石油污染浅层含水层的原位微生物修复技术的研究重点。

石油污染；浅层地下水；微生物修复；原位修复技术

世界范围内，至少有15亿人将浅层含水层中的地下水作为饮用水的主要来源，而我国有2/3的人口以地下水为饮用水源，近30年来我国地下水开采量以25亿m3/a的速度递增[1]。随着石油工业的发展，地下水环境系统中的石油污染问题已经越来越严重。由于地下水系统的隐蔽性和复杂性，其污染问题往往不如地表水污染表现得直观与突出，而长期未受到应有的重视，这使得地下水污染日趋加剧。石油对生物的危害分为大量石油造成的急性中毒和长期低浓度石油的毒性效应。毒理学实验表明，多种石油类污染物通过生物富集和生物放大效应对人类等生物具有致癌、致畸和致突变的危害[2]，其污染与防治问题也由此引起世界各国政府及公众的关注和研究。

石油类污染物的生物降解是指利用生物的代谢活动催化降解石油类污染物，从而减轻或消除环境石油污染的一个受控或自发进行的过程[3]。微生物降解因其具有对人和环境造成的影响最小、能够使污染物最终分解为二氧化碳和水、不存在二次污染、费用低等优势而得到广泛认可和普遍重视，因此微生物修复相关研究在石油污染领域也十分活跃[4-5]，在浅层含水层环境下的研究也逐见报道[5-6]。本文结合近年国内外最新研究成果，对石油污染浅层含水层的微生物修复技术的研究进展进行了综述。

1 浅层含水层中石油类污染物的来源及普遍性

石油类污染物产生于石油开采、冶炼、运输、使用与处置等过程，其进入浅层地下水的途径主要为地表入渗至浅层含水层和地下污染上返至浅层含水层。地表入渗主要是油藏本身的底水、边水、原油掺水等含油污水，以钻井废弃泥浆、落地油、联合站原油沉降分离出来的油砂、污水处理站污泥和油罐底泥等含油固体废物的形式跑、冒、滴、漏而进入地表水、土壤等环境介质中，再经过复杂的物理、化学和生物过程透过包气带迁移至浅层地下水甚至更深处[7]。研究发现，造成浅层地下水污染的最主要的来源为干化池中含油废水的渗漏[8]，其次是地表径流携带污染物的入渗。近年来随着“3次采油”技术的实施，注水量大大增加，某些排出的含油废水直接污染地表，这对当地地下水危害极大。而地下污染上返至浅层含水层主要来自油井套外返水。苏小四等[9]利用同位素示踪技术研究发现，油井套外返水使得场地地下水会受到石油类污染物不同程度的污染，且污染晕长轴方向与地下水水流方向近于一致。为使油田增产、增注而采用的油田压裂过程、油田进行正式大规模生产前的试采过程，以及压裂废液、试采废液均可能含有石油类污染物，井壁坍塌、井管破裂等也会对浅层地下水带来污染。此外，石油地下储油罐、管道和其他设施的泄漏事故也已成为国内外城市地下水污染的最大污染源之一[10]。据报道，2001年美国300万个地下储油罐中发生泄漏的约为50万个[11]。根据美国联邦水利局资料，美国现已有1%～3%的地下水受到石油烃污染，50个州中有几千口水井被迫停用[12]；美国宾夕法尼亚州使用10 a以上的地下储油罐渗漏率达到46%，使用15 a以上的地下储油罐渗漏率则高达71%[13]。法国南特市使用10 a以上的储油罐渗漏率在20%以上[14]。英国30%以上的加油站及几乎所有的化工厂、炼油厂等均存在严重的油类污染。在我国，周迅[15]通过对苏南地区加油站渗漏污染状况和趋势的调查发现，在29个被调查对象中72.4%的加油站存在不同程度的渗漏，其中渗漏特征较为典型的占62.1%，15 a以上的老旧加油站发生渗漏的概率约为60%。天津部分加油站地下水样品中石油烃检出率为85%，超标样品占地下水样品总数的40%。此外，钻井平台的爆炸事故发生概率一般较低，但是事故一旦发生将对事发区域的浅层地下水发生持久、长远的污染。如2010年4月，位于美国南部墨西哥湾的“深水地平线”钻井平台发生爆炸，事故造成的原油泄漏形成了一条超过100 km长的污染带，污染甚是严重[16]。

经调查发现，我国紧邻油田、石化厂的一些城市赖以生存的地下水已经受到了石油污染,如东北地区重工业和油田开发区地下水污染严重，松嫩平原和辽河平原地下水石油类污染普遍。Teng等[17]通过对松原油田地下水样品中总石油烃的分布进行调查发现，在26个浅层地下水样品中有23个被检出含有石油烃，其浓度范围为0.01～1.74 mg/L。付新建等[18]对中原油田土壤和地下水的石油污染研究表明:石油污染主要残留于表层土壤中(最高达23 325.4 mg/kg)，尚未对地下水造成大范围的污染，但是石油类污染物已运移到了地下水水位以下，对地下水安全构成了潜在的威胁；原油田采油区的浅层地下水样品中，石油类污染物的浓度范围为0.05～0.15 mg/L。在我国大部分石油化工地区，石油污染甚至已经波及到饮用水安全。如我国河南双河水源地，浅层地下水石油烃检出率达44%，中深层地下水(深度为200 m左右)石油烃的检出率达78%，56%的水井石油烃含量超标，其浓度达0.4～2.7 mg/L[19]。河南油田的魏岗水源地污染也较为严重，该地区水井中石油烃检出率为64.3%，超标率达28%，局部水井中石油烃浓度高达4.6～5.0 mg/L[19]，远超过我国地表水质量标准所规定的0.05 mg/L的浓度限值，严重威胁水源地的使用。

2 微生物修复技术及研究进展

自20世纪80年代开展地下水污染治理至今，地下水污染修复技术已经在不断发展和创新，目前地下水污染治理工程技术主要分为污染地下水抽出处理技术、包气带土层有机物的生物通风技术以及原位修复工程技术三大类。近几十年来，地下水抽出处理技术除了应用于环境中易挥发且易溶污染物(VOCs、SVOCs、Fuels)、重污染的恢复和治理等特定情况下外[20]，原位修复工程技术占据主导地位。Mohammed等[21]对原位修复工程技术中的生物修复、土壤洗涤、土壤冲洗、土地耕作、真空抽吸、自然通风、热分解和稳定8项技术从可行性、处理水平、不良影响、费用、处理时间五个方面进行了比较，结果显示生物修复因其产物的无毒无害性、技术可行性和经济合理性而位居第一，不过其花费的时间也最长。而对地下污染而言原位生物修复是以原位微生物修复为主，同时相比地下水抽出处理技术，原位微生物修复工程技术因费用节省、污染物暴露时间短和对土地环境的扰动小等优势在地下水石油污染区域得到了一定程度的发展，已被美国环保署、国防部、能源部等科研机构积极推广。据美国环保署《2004年关于水土污染修复治理技术的年度报告》显示，在所开展的原位微生物修复中，60%的工程都是针对石油烃类污染。

同时，原位微生物修复又可以分为自然微生物修复、强化自然微生物修复和人工强化微生物修复。自然微生物修复主要是指在无人为干扰条件下自发降解污染物的过程。由于石油烃的疏水性和环境的复杂性等原因，自然条件下微生物降解速度较慢，可采取多种措施强化微生物修复这一过程。强化自然微生物修复是指通过人工干预的形式，提高污染物的降解效率，主要措施是定期向受污染含水层中注入无机营养物质以及适当电子受体，来刺激土著微生物的生长，提高其生物代谢活性，将污染物彻底转化为CO2、CH4、H2O或者无机盐，这可以通过生物漱洗技术和生物曝气技术来实现。如鉴于厌氧条件下微生物代谢缓慢，可以通过生物曝气技术使得含水层中以厌氧降解为主导地位的修复过程变为好氧降解，不仅可提高污染物降解率，同时还可以减轻污染含水层修复末期的“拖尾”效应[26]。生物曝气技术主要利用垂直或者水平井，用气泵将空气压入水位以下，用一系列传质过程使污染物从土壤空隙和地下水中挥发进入空气中，含有污染物的空气在浮力作用下不断上升，达到地下水位水以上的非饱和区域，再通过土壤气相抽提系统处理，从而达到去除污染物的目的。该方法由于成本低、效率高及原位操作等优势，而一度被应用于地下水石油类污染物的去除。但该方法对于石油烃中非挥发的高分子有机物并不适用，在低渗透率或者高黏土含量和深层地段也具有局限性[27]。人工强化微生物修复是指通过向石油污染的含水层中投放降解菌浓缩液或者基因工程菌的形式来降解代谢污染物，同时还包括添加常量营养元素和微量营养物质来强化微生物的降解效果。国内外近几年应用较多的是原位微生物反应墙技术，它是一种微生物修复与固化技术的结合，类似于可渗透反应墙，可以使得菌体不易流失，并提高温度、pH值、氧、营养等抗冲击力，有利于降解反应的稳定进行。

3 降解菌的筛选与分离

郝春博等[28]通过对某废弃炼油厂石油污染地下水样品中微生物多样性及群落结构进行研究，结果表明石油污染地下水中存在大量降解菌群；Yeung等[24]利用稳定同位素技术研究了寒冷地区(年均气温为-5℃)石油污染地下水中的微生物群落的降解机理，也证明了低温、缺氧条件下石油降解菌群的存在，这为石油污染浅层含水层的修复以及优势菌群的分离提供了可能。而诸多研究也表明许多石油烃类有机污染物都可以在地下水环境中被微生物好氧或厌氧降解。国内外已经报道的可降解石油烃的微生物，共超过70个属200余种，其中细菌28个属，霉菌30个属酵母12个属[29]。大多数微生物降解菌是在常温条件下筛选出来的[30]，而在极端低温和低温条件下的降解菌则较少，因地下水一般温度较低，微生物少，贫氧，分离出具有高效降解石油烃的“土著”微生物菌株或者菌群就尤为必要。Rike等[31]、Shi等[32]研究表明在北极、冻土地区存在嗜冷性石油烃降解菌；Namio等[33]筛选出一株在10～20℃下降解姥鲛烷的微生物降解菌；黄磊等[34]在15℃下筛选出一株具有产生乳化能力的柴油降解菌。相比单一菌株，土著混合菌群具有更加稳定持久的降解效果，马会强等[35]用人工强化的方式从污染场地土壤中富集出一组能在10℃低温、贫营养条件下快速、完全降解多种石油烃污染物的土著混合菌群。因在筛选过程中需尽可能保留“土著”的优势功能菌菌群、保持群落功能完整性、避免后续应用时易出现受土著菌群竞争抑制问题，所以目前关于此方面的研究和应用也比较欠缺。

Yamaguchi等[36]发现一些藻类也能降解石油物质，原生动物也被报道可以摄食石油，以油包碎屑或以油包菌微滴为食。除细菌、真菌、霉菌、藻类和原生动物外，植物根菌也已经被大量应用于生物修复技术[37-39]。如Nicolotti等[38]通过研究菌根对挪威云杉修复石油污染地的效果及潜在效应，发现菌根加速了挪威云杉对石油污染土壤的生物修复;Carman等[39]通过研究柳树根部的根际微生物对石油烃的生物降解，发现柳树根菌易降解低分子量的石油烃和可溶于水的污染物，而大分子量的烃类难被降解，这将依赖于其他微生物的参与。在未来，鉴于生态修复已成为污染修复的主流，微生物-植物联合修复将会得到大范围的研究和应用。

4 微生物修复的影响因素

4.1 石油性质对微生物修复的影响

石油类污染物通常以比水轻的非水相液体(Light Nonaqueous Phase Liquids，LNAPLs)形式形成持久性污染源，在地下水中具有易挥发、黏度小且扩散迁移速度快的特点。Yadav 等[40]研究表明地下水中 LNAPLs 的存在会增加其污染修复的难度；Beckles等[41]发现LNAPLs在修复工程中存在污染物的“拖尾”或“反弹”现象;Haus等[42]、Delille等[43]的研究表明，不同地区所产石油的物理及化学性质存在一定差异，因此同一种微生物降解不同产区的石油有不同的降解效果，其降解速率与其黏度、沸点、折射率都存在一定的关系；石油烃种类不同被微生物降解能力不同，表现为饱和烃>芳香烃>胶质和沥青。郭书海等[44]的研究表明，含有5个或更多环的芳香烃难于被微生物所降解，胶质和沥青则极难被微生物降解。此外，石油浓度也会影响微生物的活性，郭书海等[44]、陈立等[45]的研究表明，随着石油浓度的升高，最终的降解率逐渐降低，降解率与石油浓度成负相关关系，主要是因为高浓度的石油类污染物对微生物有毒害作用，而少量的石油类污染物会刺激嗜油微生物的生长。

4.2 生物体对微生物修复的影响

影响石油降解的生物体因素主要包括微生物的数量和种类。自然环境中存在大量可降解石油类污染物的微生物[43]，这为自然修复提供了可能。这类微生物的比例一般都比较低，只占总微生物数量的1%左右，而在石油污染的环境中通过驯化作用，降解石油类污染物的微生物比例可上升至10%。在一定浓度的石油底物情况下，微生物的数量越多，石油降解速率越快。自然条件下，可用于修复作用的真菌数量较少但种类丰富;相反，细菌数量多但种类较少[46]。而微生物种类的丰富则有利于菌群的稳定和共代谢作用，对石油类污染物中的多种物质均具有降解作用，且抗冲击能力较强。Xu等[16]通过对从胜利油田污染底泥中分离出的生物菌群的研究发现，该菌群对萘、菲、芘等多种原油底物都具有降解能力，且能耐受一定浓度的重金属离子如Cu2+、Zn2+、Pb2+；同时，微生物的活动可能会对有机物产生吸附作用，或者促进锁定相中有机物的解吸，加快降解速率等。

据不完全统计，新中国成立以来全省发生山洪、地质灾害2 400多次（处），平均每年达40次（处）。其中溪河洪水灾害1 534次，泥石流灾害352次，滑坡灾害514处。进入21世纪以来 ， 2000年、2002年、2003年、2005年、2007年、2010年都发生了严重的山洪灾害，造成了惨重的人员和经济损失。山洪灾害在季节上存在极端不均匀性的分布，每年主汛期是山洪灾害多发期，受灾损失占全年总损失的95%以上，且在同一流域、同一年份可能发生多次山洪灾害。

4.3 温度对微生物修复的影响

温度与浅层含水层中石油类污染物的降解密切相关，因为它通过影响微生物酶的活性而可直接影响微生物的生长代谢活性。在一定的范围内，温度越高，微生物酶的活性越强，降解速率就越快。如在温暖的气候条件下，石油烃的自然降解过程能明显地削弱其他环境因素带来的影响[24]。而在较低的温度下，石油烃的流动性降低，在地下水中的溶解度降低，这也阻碍了浅层含水层中微生物对其的降解过程[47]。

国内关于石油污染地下水微生物降解与温度的关系的研究主要集中在设置温度梯度探索最佳降解温度上，如陈立等[45]利用优化土著微生物菌群的微生物技术修复华北地区石油污染地下水，通过设置不同温度，得出30℃是该菌群的最佳生长和降解温度，这可为抽出处理含石油类污染物的地下水的修复提供理论基础。但是在浅层含水层原位微生物修复工程技术中，其地下水温一般8℃左右[48]，且工程中最不易改变的是环境温度，低温条件下的降解研究就明显缺乏。目前国内关于低温条件下的石油类污染物降解研究较少，国外相对较多，涉及包气带[23,49]、含水层[24,50]等。如Whyte等[47]研究了菌株Q15在5℃下的对链烷烃和柴油的降解情况；Yeung等[24]报道了在寒冷地区(年均气温-5℃)破碎岩石下石油污染的地下水中关于微生物群落结构的具体信息；Su等[50]采用稳定同位素技术探究了浅层地下水石油烃微生物的厌氧降解机理。这些研究为浅层含水层的石油污染修复提供了理论基础，但因受低温影响其降解速率均不高。

4.4 生物表面活性剂对微生物修复的影响

Ron等[51]研究表明，生物表面活性剂在石油降解中也有很好的促进作用，它一方面可以增加非水溶性物质的表面积，提高碳氢化合物的溶解度,从而利于微生物利用，另一方面可以产生大量的生物乳化剂，从而有助于微生物降解过程，且可以有效提高可降解石油细菌的生长能力，并提高这些细菌对石油烃的利用。目前关于生物表面活性剂在微生物修复中的应用主要集中在好氧降解上，厌氧降解较少。

4.5 氮磷营养盐对微生物修复的影响

在地下水贫营养环境中，石油类污染物为微生物生长提供了充足碳源，氮、磷元素的缺乏往往成了微生物生长的抑制因素，微生物修复中投加氮源和磷源可明显提高碳氢化合物的降解速率。诸多研究表明，最佳碳氮比和碳磷比分别为10∶1和10∶0.3[51]。由于具有亲油性质的氮源和磷源因与石油类污染物的“相似相容”，将有利于微生物对石油类污染物的降解，所以实际应用中，有添加具有亲油性质的油酸和三磷酸酯[52]，也有添加动物饲料以及牛粪、鸡粪和猪粪等动物粪便[52]作为氮磷营养盐的小试和中试工程。此外，鉴于浅层含水层的环境局限性，在考虑降解效果的同时还应考虑含水层介质对外投亲油类氮磷营养盐的吸附作用；同时，外投盐的安全性和数量也应加以严格控制，以避免对含水层造成二次污染。

4.6 氧含量对微生物修复的影响

诸多研究表明，氧气(O2)的存在有利于石油烃的生物降解，且在好氧降解条件下，降解速率随着O2含量的增高而加快[23]。石油类污染物的好氧降解过程是在O2的参与下基质被氧化酶氧化，每完全降解1 g的碳氢化合物的最佳需氧量为3.4 g[53]。Zhou等[54]研究表明，8%的O2含量是土壤中汽油降解的最佳氧气含量；Wurdemann等[55]研究显示当O2含量低于5%时，煤气厂土壤样品中的碳氢化合物的微生物降解都将受到限制；吴浩汀等[56]从污泥样品中筛选出菌株并进行石油类污染物好氧降解试验，结果表明在除油混合菌群条件下，富氧与贫氧条件相比，其除油效果明显提高。

由于石油的疏水性而在水表面形成油膜，从而降低了氧的传输速率，进而制约了石油类污染物的好氧降解。浅层含水层因充满水而空气较少，因此O2的缺乏就限制了石油烃的好氧微生物降解而使得厌氧降解占主导地位[23]，同时含水层中的O2含量还依赖于土壤的种类以及渍水与否。

鉴于地下水系统的贫氧环境，提高微生物法除油效果的主要途径是筛选高效除油菌和对地下水充氧。对于充氧不易实现的地区，在借鉴国外研究成果的基础上，还应重视微生物厌氧降解机理的基础研究以及工程应用。

4.7 其他因素

考究已报道文献发现，微生物降解石油烃的适宜pH值为中性偏碱性环境，这与常规浅层含水层环境类似。此外，石油污染区常因底油本身或者钻井泥浆含有重金属而伴有重金属污染问题[16,57]，关于其对微生物的降解影响研究较少[16,23,58]。浅层含水层具有无光的特点,虽然对于光照是如何影响微生物降解石油类污染物的具体机理目前尚无透彻研究，但事实表明光照条件可加速石油物质的氧化，有利于微生物对石油物质的降解。Maki等[59]研究表明，在光照强度为560～2 800 mol/(m2·s)、波长大于300 nm的光照条件下培养，微生物对芳香烃的降解速率比无光照组增大，这也反映出在部分已报道的文献中其降解速率因没有考虑到遮光因素可能会比实际偏高。另外，浅层含水层包括沉积物和地下水两部分，降解研究一般采用地下水作反映介质，往往忽略了沉积物的吸附效果，或者将降解与吸附分开研究[16]。对于浅层含水层，地下水虽然处于流动状态，但是速度缓慢，诸多试验都是摇瓶/振荡试验，Wu等[60]在模拟浅层含水层有机污染物的微生物修复时认为，摇动使得微生物与基质的接触面积和机会大大增加，会增加有机物的降解速率，因此诸多试验的模拟条件具有局限性。此外，鉴于原位修复的场地的不同，实际降解效果还将依赖于现场试验，而含水层介质的粒径与微观结构也会产生不同的影响[49]。

5 结论与展望

石油污染地下水的普遍性、危害性在我国已经逐渐引起社会的广泛关注，关于其污染修复的研究尚处于起步阶段。随着我国对石油依赖度的提高，石油工业必将进一步发展，地表水、包气带、地下水等都将面临着更大的污染风险，因此除了加强从源头治理、切断污染源外，对已经污染含水层的修复也刻不容缓。本文通过总结已有的报道文献，认为未来石油污染浅层含水层的微生物修复技术研究应该着重考虑以下几方面：

(1) 鉴于地下水中石油类污染物的时空分布和迁移转化规律研究尚十分薄弱，所以弄清石油类污染物的赋存状况以及在各种环境介质(大气、水体、生物、土壤)中的存在种类和水平，是研究石油类污染物与环境介质间联系的基础，也是采取各种区域性或全球性控制策略的前提条件，而稳定同位素示踪技术的渗入将会加速这一研究过程，以更清楚地反映“源”、“汇”、降解途径及产物等。

(2) 高效、稳定、适应性强、广谱性的“土著”菌株的筛选与分离以及混合菌群的构建仍是研究的重点。

(3) 在浅层含水层原位微生物修复工程技术中，最不易改变的是环境温度，所以低温条件下的降解研究将会成为热点和难点；同时，鉴于地下水还具有贫氧、无光等特点，还应加强低温条件下厌氧降解菌及兼性厌氧降解菌的降解机理等基础研究。

(4) 分子生物学已经成为生命科学的前沿领域，应加强对微生物降解烃类过程的研究，将基因工程应用于石油烃污染地下水的治理，培育出更多、更好的菌株以达到高效除油的目的，也为开发治理与消除石油类污染物的微生物修复技术提供理论支撑。

(5) 原位微生物修复仍将以其独特的优势而被推广和应用，原位强化自然修复和人工强化生物修复中的原位生物反应墙技术因抗冲击能力较强，在我国具有极广阔的应用前景，但由于地下水环境的复杂性，通过优化试验条件得到的高降解率并不能保证现场试验的可靠性，因此还应当加强此技术的现场应用研究，而数值模拟技术的应用将有助于提高工艺的可行性，同时随着生态修复已成为污染修复的主流，微生物-植物联合修复也将会得到更大范围的应用。

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Research Progress in Microbial Remediation of Petroleum-contaminated Shallow Aquifer

CHEN Huilun

(SchoolofCivil&EnvironmentalEngineering,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China)

Microbial remediation is an important way to remove organic pollution in shallow groundwater.This paper reviews the major research progress in shallow aquifer pollution caused by oil production and other processes,technical progress of microbial remediation,screening and separation of degradation bacteria,as well as influence factors of microbial remediation.In situ microbial remediation shows broad prospects for use in petroleum-contaminated shallow aquifer restoration.Given the shallow groundwater system with low-temperature,oxygen-poor characteristics,the paper points out the existing shortcomings of current research.The spatial and temporal distribution along with migration and transformation of petroleum contamination in groundwater,stable isotope techniques,the screening of excellent native strains and the construction of mixed strains,biodegradation in low-temperature and oxygen-poor environment,in situ remediation of field studies and microbial-plants combined remediation and so on will be the focus of in situ microbial remediation technology research of petroleum-contaminated shallow aquifer in future.

petroleum contamination;shallow groundwater;microbial remediation;in situ remediation technology

1671-1556(2015)01-0066-07

2014-03-19

2014-12-03

国家自然科学基金项目(41103058)

陈辉伦(1984—)，男，博士，讲师，主要从事环境生物地球化学等方面的研究。E-mail:chenhuilun@gmail.com

X523；X172

A

10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2015.01.012