4
、不汙染環境
微生物采油技術不汙染環境，不損害油地層，可在同壹油藏區或同壹油井中反復使用。
（三）采油微生物的生物學特性
用於油田開采的微生物壹般具有以下鮮明的生物學特征：
1
、厭氧或兼性厭氧。在地層無氧條件下能生長繁殖並進行厭氧發酵，在地上有氧條件下也
能生長繁殖。
2
、在油層高溫、高壓、高鹽等極端環境下能生長繁殖並代謝。
3
、多數采油微生物能以烴類作碳源，能以貯油層
內的無機鹽作氮源或作營養元素。
4
、采油微生物必須與其註入油層的環境條件相配伍相適應，要在油層內能運移，能生長繁
殖，能產生有機酸、氣體、表面活性物質、生物聚合物、有機溶劑等多種代謝產物。能在
50°
以上的溫度及缺氧條件下生長的中度嗜鹽細菌，是微生物采油中最常用的菌種。
（四）微生物采油技術
微生物采油技術是指將篩選的微生物或微生物代謝產物註入油藏，
經微生物的代謝活動
和產生的代謝產物，
作用於原油，
改變原油的某些物理化學特性，
從而提高原油采收率的技
術。
根據實施過程與方法的不同，
微生物采油技術可分為地上微生物采油技術和地下微生物
采油技術。
1
、地上微生物采油技術
地上微生物采油技術是指在地上通過微生物發酵、生產微生物的某種代謝產物，如生物
多糖聚合物或生物表面活性劑，
然後將發酵產品註入油藏而提高原油采收率。
該技術的實質
是利用選育的優
良菌種在地上發酵生產采油制劑的技術。
目前，地上微生物采油技術主要是在地上發酵生產采油中廣泛應用微生物多糖和微生物
表面活性劑。
（
1
）微生物多糖
據研究，
有百種以上的微生物能產生結構、
性能各異的胞外多糖。
能產胞外多糖的主要
微生物類群是：明串珠菌屬、黃單胞菌屬、固氮菌屬和小核菌屬等。
采油工業中應用最廣泛的微生物多糖是：
腸膜明串珠菌或葡聚糖明串珠菌產生的右旋糖
酐葡聚糖、
普魯蘭出芽短梗黴產生的普魯蘭糖、
齊整小核菌或葡聚糖小核菌產生的小核菌葡
聚糖。采油中最具開發應用潛力的是野油菜黃單胞菌產生的胞外多糖黃原膠。
（
2
）微生物表面活性劑與乳化劑
以烴為碳源的微生物是生物表面活性劑的重要來源。
因為石油微生物必須分泌表面活性
劑，才能促使烴與水乳化。烴只有均勻地分散在水中，才能被石油微生物吸收利用。所以石
油微生物是表面活性劑最豐富的基因庫。
假單胞菌屬、節桿菌屬、不動桿菌屬和棒桿菌屬等是產生生物表面活性劑
的主要微生
物類群。微生物產生的生物表面活性劑就其化學組成來分，主要可分為糖脂類和脂肽類
分子的極性端或是多羥基的糖類或是氨基酸類，
非極性端是長鏈脂肪酸的長鏈烴部分。
微生
物表面活性劑的粗制品或純品註入貯油巖層，
作用於油壹巖石壹水三相體系，
降低油水界面
張力，增強油水乳化，提高原油采收率。
2
、地下微生物采油技術
地下微生物采油（
MEOR
）技術是指將在地上模擬油藏條件篩選的微生物菌種與營養物
註入油藏，
微生物在油藏中運移，生長繁殖，
產生多種代謝產物，
作用於原油而提高原油采
收率；
或用生長繁殖的菌體細胞及代謝產物封堵貯油巖層大的孔道，
調整水驅油剖面；
或只
將營養物註入油藏，激活油藏內的原生微生物，靠其生命活動提高原油采收率。
根據單井增產措施的處理方法和提高原油采油率的要求，地下微生物采油可分為
6
類：
（
1
）單井周期註人微生物采油
為提高低產油井的原油日產量，
在油井高壓註入采油微生物，
關井，
使微生物運移到油
井周圍直徑
10m
左右的貯油巖層，經微生物的生命活動，疏通被堵塞的油層空隙通道，增
加原油的流動性，提高原油采收率。
為了保持高產，需要不間斷地、周期性地註入采油微生
物。
（
2
）微生物驅油
采油微生物從註水井註入油層，
微生物隨註水向油井貯油層深部移動，
同時進行生長繁
殖，並產生多種代謝產物。細胞和代謝產物綜合作用於原油，降低黏度，增加原油流動性，
提高原油采收率。
（
3
）激活油藏微生物群落驅油
油藏中存在著天然的微生物群落，
但由於營養物質貧乏，
數量很少。
從註水井將營養物
註入油層，激活天然微生物群落，讓其生長繁殖，產生多種代謝產物驅油。
（
4
）微生物選擇性封堵
將體形較大且產生表面黏稠物質的微生物菌種從註水井註入，
運移到大孔道或有溶洞的
貯油巖層部位，用生長繁殖的大菌體細胞和表面黏稠物質形成的生物膜封堵大孔道或溶洞，
防止註入水
“
指狀
”
流動，提高原油采收率。
（
5
）微生物壓裂液壓裂
將厭氧條件下大量產生有機酸的微生物及營養物註入空隙度甚小、滲透率很低的貯油
層，在高壓下用有機酸溶解巖層使之形成縫隙，有利於原油流動，提高原油采收率。
（
6
）微生物油井清蠟
原油中含蠟量較高，
會析出蠟晶固著在井壁，
堵塞貯油層通往井壁的空隙通道，
降低原
油流動性，
減少單井原油日產量。
註入產生表面活性劑或溶劑的采油微生物，
用其代謝產物
表面活性劑、乳化劑清洗井壁，溶解固形石蠟，提高原油采收率。
（五）微生物在石油汙染中的生物修復作用
1
降解石油的微生物種類及分布
據目前的研究
,
能降解石油的微生物有
70
個屬
,
其中
28
個屬細菌
, 30
個屬絲狀真菌
, 12
個屬酵母
,
***
200
多種微生物。海洋中最主要的降解細菌有：無色桿菌屬
(Achromobacter)
、
不
動
桿
菌
屬
(Acinetobacter)
、
產
堿
桿
菌
屬
(Alcaligenes)
等
;
真
菌
中
有
金
色
擔
子
菌
屬
(Aureobasidium)
、假絲酵母屬
(Candida)
等。石油降解菌通常生長在油水界面上
,
而不是油液
中。據丁美麗等
[5]
在膠州灣的實驗證明
,
膠州灣的石油降解菌在表層水體中的最高值可達
4.6×
102
個
/mL
石油降解菌數量僅與海水的石油汙染情況有關。
石油降解微生物的種類和
數量對海洋中石油的降解有明顯的影響。
壹般情況下
,
混合培養的微生物對石油的降解比純
培養的微生物快
,
但是崔俊華等在實驗中篩選出了
7
株高效原油降解菌。
2
石油降解菌的作用
（
1
）作為油汙染的生物指示
以往大多數調查結果表明
,
在海洋中石油烴降解細菌的數量或種群與水域受到油類物
質汙染的程度有密切關系
,
通常在被油汙染的水域中
,
石油烴降解細菌的數量明顯地高於非
油汙染的水域。
烴類降解菌數和異養細菌數的比值能在壹定程度上反映水域受油汙染的狀
況。
丁美麗等在膠州灣的工作以及史君賢等在浙江省海島海域的工作都證明了這壹點。石
油汙染可以誘導石油降解菌的增殖及生長
,
Atlas
報道在正常環境下降解菌壹般只占微生物
群落的
1%,
而當環境受到石油汙染時
,
降解菌比例可提高到
10%
。說明石油汙染可以使降
解菌發生富集
,
降解菌可以作為石油汙染的生物指示。
（
2
）通過自身代謝作用降解石油
向水體中投加菌種凈化水體的技術是從清除海洋石油汙染開始的。
實驗室研究表明
,
單
壹菌劑除油率為
20%
～
50%,
而混合菌劑除油率可達
71.4%
丁明宇等
[8]
從青島近海海水中
分離、
篩選到
73
株細菌和
10
株真菌
,
並對其降解石油的能力進行了研究
,
結果表明
,
多
數菌具有明顯的降解石油的能力
,
其中
,
有
3
個菌株對石油的生物降解率分別高達
58.35%
、
62.75%
、
71.06%
。史君賢等
[9]
在浙江沿海海水中分離石油烴降解細菌
,
並實驗
證明降解菌對正烷烴有明顯的降解作用
,
混合菌株的降解率明顯高於單菌株的降解率。在
20
℃的條件下
,
經過
21d
後
,
絕大部分的正烷烴被降解
,
總的降解率為
94.93%,
其中細菌
的降解率為
75.67%,
理化降解率為
19.26%
。在實施接種的現場生物修復處理中
, 1990
年在
墨西哥灣和
1991
年在得克薩斯海岸都獲得了成功
,
現場觀察表明
,
在開放水體中添加降解
菌是有效的。
（
3
）合成生物表面活性劑
,
加速石油的降解
生物表面活性劑
(Biosurfactants,
簡稱
BS)
是細菌、
真菌和酵母在某壹特定條件下
(
如合
適的碳源、
氮源、
有機營養物、
pH
值以及溫度
) ,
在其生長過程中分泌出的具有表面活
性的代謝產物。
生物表面活性劑可以強化生物修復
,
它能將烴類物質乳化
,
進而促進其降解
,
尤其適合處理海上溢油。
Chabrabarty
曾報道
,
由
Pscndomona
acruginosa
(
銅綠假單胞菌
)
生成的壹種生物表面活性劑
(
海藻糖酯
)
由於能有效地將石油分散成水液滴
,
因而可促進石油
汙染海岸的生物修復
,
大大提高了
Exxon
Valdez
原油泄漏造成的阿拉斯加汙染區域石油烴
的降解速度。
（
4
）基因工程菌
基因工程菌是將不同細菌的降解基因進行重組
,
將分屬於不同細菌個體中的汙染物代
謝途徑組合起來以構建具有特殊降解功能的超級降解菌
,
可以有效地提高微生物的降解能
力
,
從而提高生物修復效果。
通常石油降解菌只能降解某壹種石油成分
,
並且由於石油的種類不同
,
所需降解菌也不
相同
,
天然環境中存在的石油降解菌不能高效地降解多種石油成分
,
使基因工程菌的出現成
為必然。同時
,
復雜的烴類化合物混合物的降解需要有混合菌株的參與
,
但不同菌株之間可
能會產生競爭或拮抗作用
,
從而對降解產生負面影響。使用基因工程菌可以避免此類問題。
目前
,
已有人在實驗室條件下獲得基因工程菌並在實驗室取得滿意的降解效果。
例如美
國的
Chakrabaty
等使用具有
CAM
、
OCT
、
XAL
和
NAH4
種降解質粒的
“
多質粒超級
菌
”
,
可以使海上浮油在幾個小時內降解
,
而在自然條件下這些浮油需要
1a
時間才能被降
解。這項技術取得了美國的專利權。但是考慮到在開放環境中使用基因工程菌的安全問題
,
目前基因工程菌的使用僅限於實驗室
,
尚不能大規模使用。
另外
,
目前在研制基因工程菌時
,
都采用給細胞增加某些遺傳缺陷的方法或是使用攜帶壹段
“
自殺基因
”
,
使該工程菌。在非
指定底物或非指定環境中不易生存或發生降解作用。
3
微生物降解石油的方式
石油烴化合物可分為
4
類
:
飽和烴、
芳香族烴類化合物、樹脂及瀝青質。其中
,
短鏈
的飽和烴在溢油發生初期通過揮發等作用進入大氣
,
其他的石油烴中
,
飽和正烷烴最易降解
,
其次是分支烷烴
,
再次是低分子量芳香烴
,
多環芳烴很難降解
,
樹脂和瀝青質極難被降解。
直鏈烷烴的降解方式主要有
3
種
:
末端氧化、
亞末端氧化和氧化。
芳香烴在好氧條件
下先被轉化為兒茶酚或其衍生物
,
然後再進壹步被降解。
高分子量多環芳烴降解菌報道很少
,
許多四環或多環高分子量多環芳烴的降解是以***代謝
(Cometabolism)
的方式進行的。但是***
代謝完全是間接或偶然的事件
,
並且風險較大
,
可能會產生比母體毒性更大的化學物質。
樹
脂和瀝青質極難被降解
,
但是有報道稱
,
有著復雜構造的樹脂和瀝青質也能受到某種程度的
分解
[14]
冷凱良等的實驗表明
,
微生物降解原油代謝產物主要是乙酸和棕櫚酸為主的脂肪酸與
鼠李糖形成的糖脂類表面活性劑。
4
石油降解菌的獲得
由於天然海洋環境中石油降解菌數量較少
,
壹旦發生溢油
,
不能及時對石油進行降解
,
所以
在溢油發生後壹般要向環境中添加石油降解菌以保證石油的高效降解
,
但是考慮到安全等
方面的問題
,
菌種不能盲目投加。
壹般來說
,
可以把取自自然界的微生物
,
經人工培養後再
投入到汙染環境中去治理汙染。
具體到海洋石油降解菌的獲得
,
壹般為
:
首先選擇油汙染環
境
,
從中分離出適應性菌株
,
並將其中的石油降解菌富集培養
,
通過反復適應和馴化或遺傳
修飾進行進壹步篩選
,
從而培養出高效降解的菌株
,
將其進壹步繁殖後投加至受汙染環境中
或分類保存。
根據微生物與石油的作用機制
,
選擇高效降解微生物的標準包括：
( 1)
對石油有較高的耐性。
( 2)
對海洋環境的適應性較強。
( 3)
對石油的降解效率高
,
專壹性強。
( 4)
不影響海洋環境中原有的生物多樣性。
雖然微生物修復主要是依靠微生物的降解能力降解汙染物
,
但是微生物對汙染物的分
解、轉化也是需要條件的
,
所以除了投加高效降解菌之外
,
還要為這些降解菌創造必要的生
存、
降解條件。這樣才能有效地進行石油汙染修復。
5
影響微生物降解石油汙染物的因素
微生物在降解石油汙染物的過程會受到營養元素、表面活性劑、
O
2
通量、溫度、
pH
值
等外界因素的影響。其中
,
營養元素對降解率的影響較大，尤其是
N
、
P
元素。
何良菊等專門
對石油烴微生物降解的營養平衡進行了研究，
表明氮、
磷營養物質的缺乏直接限制了石油烴
的微生物降解
,
但添加過量反而有抑制作用
,
因而存在壹個經濟合理的添加量及添加比例，實
驗表明氮磷比在
5
∶
1~6
∶
1
比較適宜，
,
無機氮源比有機氮源好，硝酸鹽形式的氮比銨態的
氮更合適。而國內有其他研究卻更傾向於氮磷比為
1
1
，且最佳氮源為氯化銨，最佳磷源
為磷酸氫二鉀和磷酸二氫鉀。兩種研究得出的結果不壹致。
表面活性劑是影響降解效率的又壹重要因素。表面活性劑對石油烴具有壹定的增溶和
分散作用，
從而對石油降解菌的降解效率有重要作用，
而有研究則指出表面活性劑對微生物
存在壹定毒害作用。
劉慶新等通過研究，
表明表面活性劑的加量多少對石油烴降解菌的影響
比較復雜：
加少量的表面活性劑會促進石油烴降解菌的生長，
但隨著表面活性劑加量的增加
,
菌量反而減少，證實了上述論斷。
在自然環境中，大多數的石油烴類是在好氧條件下被降解的，但是微生物對石油烴的
降解在有氧及缺氧兩種情況下都會進行，
最近有研究表明厭氧降解對飽和烴及芳香烴有著極
為重要的作用。
能降解石油的微生物有嗜冷菌、嗜熱菌和嗜中溫菌，因此在溫度低於
0
℃和在
70
℃左
右的環境中均有能降解石油的微生物，大多數石油降解菌屬嗜中溫菌，最適溫度在
30
℃上
下，溫度過高過低都會對降解效率產生抑制。
普遍認為石油降解菌是產酸菌，且適宜生長於中堿性環境中。劉慶新等研究得最佳
pH
值為
8.0
，而其文章中也指出與壹般認為的
7.0
不符。而
Stapleton
[20]
等發現在
pH 2.0
的壹處
土樣中，萘和甲苯仍然被降解為
CO
2
和
H
2
O
6
生物降解石油烴汙染物的應用
利用生物降解石油烴類汙染物最早見於
20
世紀
80
年代末美國在
Exxon
Vadez
油輪
石油泄露的生物修復項目中，
該項目在短時間內清除了汙染，
治理了環境，
是生物修復成功
應用的開端，同時也開創了生物修復在治理海洋汙染中的應用。
20
世紀
90
年代以來，生物
修復技術在石油汙染治理方面逐漸成為核心，
取得了理論突破和重要成果。
國內學者也做了
大量工作，但主要為石油汙染土壤和地下水的生物修復研究
[38]
，對海洋石油汙染的生物修
復研究相對較少，
而且研究工作也大多停留在實驗室模擬實驗的水平上。
閆毓霞利用土著微
生物對勝利油田含油汙泥進行修復實驗；黃廷林等
[40]
對黃土地區石油汙染土壤進行了室內
模擬生物修復研究。
石油降解菌在實際應用中存在著很多問題，集中表現在投加高效石油降解菌來處理汙
染時：投加菌面臨與土著微生物的競爭作用；投加菌需要適應新的生長環境；
投加菌要經
受環境汙染物的毒性影響。這些壓力使接種的外源微生物的存活率很低或者活性較弱
,
限制
了它的實際應用。
7
展望
石油降解菌降解石油烴類汙染物具有物理、化學方法所不具備的優點，它高效、經濟、
安全、
無二次汙染，
在機械裝置無法清除的薄油層而且化學藥劑被限制使用時，
生物法處理
溢油的優越性便更加顯著，
具有廣闊的研究及應用前景。
目前國內外對石油降解菌的研究呈
現出壹定特點：
(1)
對壹般性降解菌研究多，對極端環境下的石油降解微生物研究少，尤其是對低溫、
耐鹽的石油降解菌。中國北方的大部分濕地，鹽堿程度比較高，常年氣溫（尤其冬季）氣溫
較低，
而無論是來源海上還是來源於石油化工的汙染都比較嚴重。
在這種條件下的石油降解
菌研究具有很廣闊的前景。
(2)
對石油降解菌的研究多而應用少。
對石油降解菌的所有研究到最終肯定要歸結到實
際應用中去，
目前國內很多學者都對石油降解菌的單純研究感興趣，
同時出現了大量的重復
研究。國外已有成功應用先例，證明石油降解菌可以用來修復實際汙染，國內仍止步不前，
難於踏出實際應用的第壹步。
隨著大量學者的不斷研究，對石油降解菌的認識肯定會不斷深化，其應用也會逐漸成熟