作者：夏文香 郑西来 李金成 上海环境科学

摘要 石油污染已经对海洋及近岸环境造成了严重的危害,在油污染海滩的各种清污技术中，生物修复以其高效、安全而广受推崇。通过添加营养来增大油的生物降解速率，是生物修复油污染海滩的主要策略之一，该文选取营养物的几种可变因素，综合考察了它们对生物降解效果的影响。

关键词：生物修复 油污染 海滩生物 营养效应

1 引言

随着石油开采、运输和海上各类船舶活动的日益发展，每年都有大量的石油进入海洋。据统计，单单在墨西哥湾，每年泄漏的石油就已达12万桶[1]。可以说，石油污染已经对海洋及近岸环境造成了严重的危害。在各种油污染海滩的清污技术中，生物修复以其高效、安全而广受推崇，并且已经在Exxon Valdez 号油轮的泄漏清理过程中得以证实[2～4]。

生物修复指的是利用生物尤其是微生物，将土壤、地下水或海洋中的危险性污染物现场降解为CO2和H2O，或转化为无害物质的工程技术系统[5]。石油中含有微生物能利用的大量碳源，海滩中有足够多的微量元素，所以在油污染海滩生物修复的过程中，N、P往往成为限制微生物活性的重要因素[6，7]。

通过添加N、P营养盐，以刺激石油组分的生物降解作用，已成为油污染海滩生物修复的主要策略。然而，由于营养物的可变因素很多，对生物修复产生的效果也不尽一致。

2 不同营养物的作用

2.1无机营养和有机营养

Croft等 [8] 在实验室中对风化的原油进行了生物修复的试验，采用2种肥料处理海滩溢油：亲油性的有机肥料Inipol EAP 22（主要含油酸、三磷酸酯，N含量为7.4%）和缓释型的无机肥料Max Bac（含27%的N，不含可利用的C源）。结果发现，Inipol EAP 22刺激了CO2的释放，并显著增加了化能异养微生物及烃降解微生物的数量。实验后，用Phytane（植烷）和17α，21β-hopane （植烷）作为生物标记物，测定从砂中提取出残油的生物降解性。发现用Inipol EAP 22处理过的比用Max Bac处理过的更易被生物降解。也就是说，他们的实验似乎表明有机营养更有效，Ramstad [9] 和Sveum [10]也得出了类似的结论。

然而，在Croft 等人的实验装置中，只模拟了海水的纵向流动，没有体现水平冲刷作用。因此Inipol EAP 22 在砂中存留的时间很久，所以在41d的实验期间，观察到油的生物降解得到显著增强。相反地，由于缺乏横向波，无机肥料Max Bac的营养释放受到了影响，可能是导致其处理效果较差的原因。

Oh等[11]建立了2个包含水区和砂区的微宇宙模型，砂区上部被阿拉伯轻质原油（30%）污染，分别加入2种无机缓释肥料，模型1的C:N:P是100:10:3，模型2的C:N:P为100:1:0.3。通过微生物分析，发现模型1中的异养微生物及石油降解菌的数量以及微生物活性远远高于模型2。化学分析后发现，模型1中的烃组分比模型2中的能更快地得到降解。这说明，加入无机营养物尤其是高浓度营养物，能加快石油的生物降解速率。数据还显示，对生物降解的促进作用在早期尤其明显，因而能有效缩短处理周期。Bragg等[4]在实验中也证实，无机营养是有一定效力的。

Venosa等 [12]在Delaware 海湾，对沙滩溢油进行了生物修复的现场测试。此地的营养物背景值非常高（60 mmol/L的N），即使不用添加营养，生物降解也非常快。施加无机营养后，总烃和总芳香烃的去除速率显著提高，烷烃生物降解的半衰期可由4周减至2周。

2.2营养的添加方式

1996年，英国科学家Swannell等 [13] 在Sea Empress 号油轮搁浅后，采用随机化的区段设计（Randomised Block Design ），添加液态和缓释型无机肥料，在现场附近进行了生物修复的实验研究。结果发现，经过这2种肥料处理的地点,比未作处理的对照地点得到了显著的生物降解。研究中无机液体肥料每周施加1次，施用后引起了N、P浓度的暂时升高；缓释肥料每4个月施加1次，但不影响施加地点的营养水平。从花费、便利程度及效果几方面综合考虑，他们认为缓释肥料是一种较好的选择。

Lee等[14]在现场对泄漏的冷凝油进行了生物修复实验。他们将修复策略重点放在肥料使用上，比较了有机的鱼骨粉同无机营养物的区别。结果表明，尽管前者能极大地刺激细菌的生长，但简单的无机营养在刺激油降解方面却是最有效的。研究中还发现，重复施用无机肥料比一次施用能更好地刺激降解作用，这与他们早期采用Inipol EAP 22的发现是一致的[15]。对有机肥料来说，却是一次施用比重复施用好。原因可能是土著菌更倾向于利用有机营养物中的C，而不是石油中的C[16]。因而，在封闭的海滩上先期加入油，使得土著微生物能够有时间适应溢油，然后再添加诸如Inipol或鱼骨粉之类的有机肥料，就能使足够多的烃降解细菌同其它异养生物竞争营养。

2.3不同形式N源的效力

Ramstad等 [17]使用海水连续流系统，在柱中模拟潮汐能的变化，以原油作为C源，考察了NH4-N、NO3-N和有机N对生物修复效果的影响。微生物活性计量是把Schnürer [18] 的方法加以改进，用酯酶活性来表示；异养细菌及油降解细菌的计数采用MPN法。研究发现，施加不同形式的N素营养，降解油的微生物及异养微生物的数量，在不同实验中得到的结果是类似的。并且，与不加营养的对照组相比，经过处理的沉积物中微生物活性均有所提高。其中，在添加NO3-N的柱中微生物活性是最高的。以n C17/Pristane（姥鲛烷）之值作为油生物降解的指标，与只加天然海水的对照组相比，添加营养的柱中的 n C17/pristane 值大幅度下降，最明显的变化发生在添加NO3-N的海水柱中。这表明，NO3-N比起NH4-N和有机N，能更加显著地刺激油降解微生物的活性，从而使油的化学组成发生明显变化，使之更易被生物降解。

2.4营养物的浓度

研究表明，生物修复中理想的C:N、C:P应为10:1和10:0.3[19～21]。如果石油烃都可以生物降解，则计算降解所需要的总的N、P量是非常方便的。但实际情况并非如此。况且，由于海岸环境的动态特性，加入的N、P营养在不断地被冲刷掉。

Bragg等[4]证实，不同的生物降解速率源于沉积物空隙水中溶解性N的含量不同。Ch等[11]模拟潮间带环境，考察了施加无机缓释肥料对生物修复效果的影响。结果表明，微生物的活性、降解油细菌的增殖以及油降解速率都与间隙水中的营养物浓度非常相关。所以他们认为，与其控制初始的C、N、P比例，不如想办法控制营养物的释放速度，使之保持在一个需要的水平上。

Sveum等[10]在连续流海水交换池中模拟潮汐运动，考察了2种有机肥料和1种无机肥料的作用。他们测定了间隙水中总溶解性N的含量，用n C17/Pristane作为衡量生物降解的指标，并比较了这2个参数之间的关系。研究发现，用有机肥料和无机肥料处理时，两者的关系在很大程度上有所不同。因此他们认为，在施用有机肥料时，不能用间隙水中溶解性N作为油降解速率的唯一参照。

3 不同气候条件下营养物的作用

已经证实在温带气候条件下，添加肥料的生物修复能够刺激生物降解过程，成本低、效率高，且能把污染物浓度降至环境可接受的水平[12]。同样有证据表明，北极地区也能产生类似的情况[22]。

Prince等[23]在多国合作项目“油污染海岸线沉积物的原位处理”中证实，在北极气候下，可以通过添加营养物来刺激海岸线上油的降解，并完成生物修复。1997年夏季，他们在Spitsbergen (78ºN,17ˊE) 附近被IF-30油污染的海岸线上，添加溶解型无机肥料和缓释型有机肥料Inipol SP 1，进行了生物修复的现场测试。结果表明，施加肥料成功地将营养物分配至油污的沉积物上，使得微生物活性增强（O2的消耗量和CO2的释放量都显著增大），加速了微生物生长，并促进了油的生物降解。

Garrett等[22] 在同一个合作项目中，从处理过的海滩上接种微生物，在实验室中用烧瓶进行了生物降解研究，并通过色质联用技术在不同时间间隔内分析了残油的浓度。由于北极微生物中大多数是嗜温的，该实验在室温下进行。结果表明，在北极地区海岸线上，土著菌降解石油的方式同温带气候下大西洋和太平洋海洋环境下的降解方式是类似的。另外在6℃时进行的实验表明，低温降低了生物降解的速率，但生物降解过程并没有因此停止。所以，在寒冷气候条件下，通过添加营养刺激生物降解的生物修复策略是可行的。

4 添加营养对环境及生态的影响

生物修复技术的安全性一直广受公众关注。为此，评价施加营养盐前后对人类和生态系统的毒性效应是非常必要的。Lee等[14]在海洋环境实验条件下，采用测试微生物毒性最敏感的方法[24]，测试了溢油的微生物毒性。结果表明，添加无机肥料时，溢油毒性随时间延长自然降低。这一点非常重要，一些批评家担心采用促进油生物降解的措施后，可能会产生不完全氧化的、且有潜在毒性的代谢物。不过，他们发现，当重复添加有机肥料时，油毒性降低的速率有所下降，这可能是因为有NH3产生的缘故。与此类似，Shen 等[25]在20年前曾在被燃料油污染的土壤上进行了生物修复实验。他们发现，在添加肥料启动生物修复后，微生物毒性会有一个暂时的增高,但到下一季节毒性即降至本底水平；而没有采取生物修复的地方，此时的毒性还非常高。

在Swannell [13]的研究中，施用液态无机肥料引起的N、P浓度升高持续的时间非常短，对周围环境的影响极小，这和Exxon Valdaz 事故后观察到的一样[4，26]。有数据表明，该海湾的生物修复几乎没有影响营养物水平，也没有改变被油污染的沉积物的毒性。

5 结语

总之，在实验室进行模拟，或在现场进行小型试验，或是实际溢油事故后进行的清污行动,基本上都表明，通过添加营养来增大石油生物降解速率的生物修复策略是有效的。然而，由于影响海滩溢油生物修复的因素众多，这些研究结果不尽一致。有鉴于此，有必要加大这方面的研究力度，从根本上搞清其内在机理，为该技术的普遍推广创造条件。

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