背景介绍

石油是人类非常宝贵的自然能源。然而在石油带给人类巨大利益的同时，其开采、运输中频发的事故也给人类赖以生存的自然环境带来了严重的污染。石油污染的治理中，生物降解技术具有经济、高效、无二次污染的优点，目前已成为石油污染特别是海洋石油污染治理研究的热点。2

必要性

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漏。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。

石油污染会造成的生态危害：（1）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。（2）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。（3）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。

降解机制

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。

降解技术

随着石油产品需求量的不断增加，石油及其制品通过多种途径进入环境，对土壤和水体造成了严重污染，并且威胁着人类的健康，石油污染土壤技术的研究及应用正日益受到广泛重视与关注。目前的治理技术主要有物理方法、化学方法、生物方法，由于物理修复(如热处理)在破坏土壤中污染物的同时也破坏了土壤的组分和结构，而且价格昂贵；化学修复效果较好，但所使用的化学试剂会产生二次污染，限制了其应用范围；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。1

生物修复技术被认为是一种绿色环保、无二次污染、高效、可彻底降解污染物的具有发展前景的石油污染修复方法。研究表明，石油降解菌酶的活性、环境、无机营养、肥料、微生物的类型等对油污染场地的修复起到重要作用。利用石油地质中石油族全组分进行微生物降解分析是一种独特的角度，需要对全族物质做全面解析，前面所述研究中对有对正构烷烃和姥鲛烷，植烷的降解研究，但藿烷，甾烷族成分的图谱解析不易识别，且含量低，研究很少。

生物降解是指由生物催化的复杂化合物的分解过程。而在石油降解中微生物首先通过自身的代谢产生分解酶，裂解重质的烃类和原油，降低石油的粘度，另外在其生长繁殖过程中,能产生诸如溶剂、酸类、气体、表面活性剂和生物聚合物等有效化合物利于驱油，然后由其他的微生物进一步的氧化分解成为小分子而达到降解的目的。

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，要知道菌与菌之间存在着各种相互作用，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。

海洋中最主要的降解细菌属于:无色杆菌属、不动杆菌属、产碱杆菌属、节杆菌属、芽孢杆菌属、黄杆菌属、棒杆菌属、微杆菌属、微球菌属、假单胞菌属以及放线菌属、诺卡氏菌属。在大多海洋环境中,上述这些细菌是主要降解菌,在真菌中,金色担子菌属、假丝酵母属、红酵母属和掷孢酵母属是最普遍的海洋石油烃降解菌。一些丝状真菌如曲霉属、毛霉属、镰刀霉属和青霉属也应被归入海洋降解菌中。土壤中主要的降解菌除了上面提到的细菌种类外,还包括分枝杆菌属以及大量丝状真菌。曲霉属和青霉属某些种在海洋和土壤两种环境中都有分布。木霉属和被孢霉属某些种是土壤降解菌。3

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。

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。