我国热带海域石油降解菌的筛选及其在生物修复中的应用

论文摘要

海洋石油污染事件呈现逐年增多的趋势,目前的海上溢油处理措施包括了物理法、化学法和生物方法,物理方法主要用于前期溢油的大规模回收,化学法因二次污染的隐患而被逐渐淘汰,因此后期残留的石油烃污染物的清理主要靠物理吸附或生物降解完成。石油烃污染的生物修复是当前主要研究方向,其中石油烃降解菌的应用更是其中重要一环。但生物修复研究中存在一些问题,诸如:投菌法去除海水表面残留油膜效率不高,人为添加表面活性剂辅助石油降解菌的方式存在环保问题,而且成本高,另外关于生物法去除沉底石油烃污染物的研究较少,等等。我国热带海域是世界上最繁忙的海上石油运输航线之一,也是我国开发油气资源的主要海域,港口等区域的日常石油烃污染或是海上油轮突发性溢油事故都会对所在海域的生态环境造成严重影响,而目前在这一区域开展生物修复海水中石油烃污染的研究尚不多见。针对这一现状,本文结合热带海域特点,以石油烃污染物的生物降解为研究重点,尝试对当前生物修复研究领域存在的不足之处进行改进,为形成适合我国热带海域石油烃污染生物修复技术奠定研究基础。论文首先对热带海域近海石油烃污染区的水样及底泥进行高通量测序分析,研究石油烃污染物对海水环境中微生物多样性的影响,油污环境中优势菌群的种属特征;然后在热带海域海水环境中筛选得到土著石油烃降解菌和表面活性剂生产菌,并通过优化组合,筛选出较佳的石油烃降解菌株组合,作为后期研究的主要菌株材料;其次是利用海藻酸盐微球固菌措施,模拟清除沉入海底泥沙中的石油烃污染物,在证实了有效性后,利用热带特有生物质对微球进行改良,强化了固菌微球的环境适应性;最后利用热带特有植物纤维作为吸油材料进行改性,增强其疏水性、亲油性和漂浮性能,以期作为清理海面薄层油膜的生物吸油材料,并尝试发挥改性纤维的固菌、吸油双重功效。主要获得以下结果:1)微生物种群分析。对2个油污海域和1个无污染海域（对照）的海水和沉积物进行细菌高通量测序分析,首先,通过Alpha多样性指数分析,发现石油烃污染海域A区、B区,沉积物环境中生物多样性普遍高于海水环境,对照海域C区的海水环境多样性也明显高于A、B海域海水环境;其次,油污区域A、B微生物群落多样性相似度最高,主要差异存在于A区特有的优势菌门Bacteroidetes和B区特有的优势菌门Acidobacteria、Actinobacteria,而与对照C区差异较大,仅有Proteobacteria菌门是三个区域的共有优势菌门;最后,油污区A、B海水环境和沉积物环境各具有明显的优势菌属,其中A1、B1大致相同,主要优势菌属为Woeseia、Sulfurovum,A2、B2亦然,共同的优势菌属主要是Marinobacterium、Arcobacter,但B2比A2多了优势菌属Glaciecola;另外2个对照区域C1、C2海水环境中优势菌属相同,主要是Woeseia、Candidatus-Actinomarina,与油污区差异性较大。这些都表明了石油烃污染物对海洋环境中微生物多样性有显著影响,而且对海水环境的影响尤为显著,另外不同环境要素的微生物多样性在受到石油烃污染影响时呈现出各自特有的微生物群落特征。2)菌株筛选鉴定及降解特性研究。在热带海域筛选出3株石油烃降解菌和1株表面活性剂生产菌,经鉴定石油烃降解菌SJDQ-112、SJDQ-13及SJDQ-14分别属于弧菌属（Vibrioproteolyticus strain）、弧菌属（Vibrio tritonius strain）和芽孢杆菌属（Bacillus idriensis strain）,在海水环境中7d石油烃降解率分别为37.9%、32.7%和36.7%,最优降解菌株组合SJDQ-112:SJDQ-13:SJDQ-14=1:1:2,该组合在pH 7、盐度3.5%、温度35℃时7d石油烃降解率为53.44%,优于各单菌降解率,而且条件参数与热带海域的海水环境条件相一致;表面活性剂生产菌BSM-301经鉴定为藤黄微球菌（Micrococcusluteus strain）,其产物成份主要为脂肽类生物表面活性剂,以石油烃类作为碳源,在pH7-7.5,温度30℃左右,该菌株发酵液表面张力降幅可达到53.95%,与降解菌SJDQ-112按照1:1复合添加时,7d石油烃降解率达到了59.88%,比SJDQ-112单菌降解时提升了22%左右,证实了该菌株在石油烃降解过程中发挥了较好的辅助作用。3)菌株固定化技术研究。利用海藻酸盐微球固菌后修复海水环境中的石油烃污染物,结果表明:固菌微球在海水环境中7 d石油烃降解率达到56.6%,泥沙环境为61.19%,说明固菌微球可以用于清除近海海底泥沙中的石油烃污染物;利用热带地区特有生物材料木薯炭、椰壳炭和椰壳纤维对微球进行改良后,微球的机械性能和传质性都得到了较好的改善,甲基蓝吸收比率最高的4组改良方案分别是e（椰壳纤维5g/L）91.2%、f（椰壳纤维 10g/L）91.2%、g（木薯炭 10g/L）86.9%和g（椰壳炭10g/L）86.1%,各组改良微球的抗磨损系数都达到了 1,并且利用改良微球固定菌株BSM-301,在普通培养基中培养24h后,表面张力下降幅度在24.3%-29.3%,证实了微球内的菌株产物可顺利扩散至外部环境。4)改性纤维吸油特性研究。采用热带地区特有农业固废蕉叶纤维和椰壳纤维作为吸油材料,通过改性后,其耐盐性、耐酸碱性、疏水性、亲油性、漂浮性都得到了较大的提升,其中改性蕉叶纤维的吸油倍率由原来的10.16倍提高到了 24.64倍,椰壳纤维则由原来的11.68倍提高至22.74倍,海水环境中对石油烃的一次吸附率分别为86.75%和79.95%,并证实了改性纤维吸油后可脱油重复使用,另外,改性蕉叶纤维和椰壳纤维固菌后的石油烃去除率虽未达到预期的吸油、降解双重效应,但与未固菌的纤维相比较,也分别比提升了 19.2%和13.4%,这可为投放后不管的修复措施提供技术支持。本文以我国热带海洋环境中的土著石油烃降解菌和生物表面活性剂生产菌作为菌株资源,利用改良海藻酸盐微球固定降解菌后,为清理近海海底泥沙中石油烃污染物提供技术基础,研究改性纤维用于清理海上溢油清理工程的末端环节,去除海面薄层不可回收油膜,用热带地区特有的生物资源清除回收油膜,为我国热带海域石油烃污染物的清除提供了生物修复技术基础。

论文目录

摘要

Abstract

1 引言

1.1 海洋石油污染现状

1.2 海洋石油烃污染的主要处理措施

1.2.1 物理法

1.2.2 化学方法

1.2.3 生物法

1.2.4 修复技术存在的问题与讨论

1.3 降解菌固定化研究进展

1.3.1 方法分类

1.3.2 固定化方法发展方向

1.3.3 菌株固定化在海洋烃类污染生物修复中的应用

1.3.4 小结与展望

1.4 问题与解决方案

1.5 研究思路及技术路线

1.5.1 研究思路

1.5.2 研究的目标

1.5.3 技术路线

2 石油烃污染物对海水环境中微生物多样性的影响

2.1 材料与方法

2.1.1 样品采集

2.1.2 总DNA提取

2.1.3 数据分析

2.2 结果与分析

2.2.1 不同受石油烃污染海洋环境细菌的多样性和丰富性

2.2.2 微生物群落结构多样性

2.2.3 不同地区间微生物群落变化

2.2.4 不同样品间微生物群落变化

2.2.5 讨论

2.3 本章小结

3 石油烃降解菌株筛选及特性研究

3.1 实验材料

3.1.1 实验样品

3.1.2 实验试剂

3.1.3 实验仪器

3.2 实验方法

3.2.1 石油降解菌的分离筛选

3.2.2 石油降解率的测定

3.2.3 菌株的鉴定

3.2.4 石油降解复合菌群的降解实验

3.3 结果与分析

3.3.1 石油烃降解菌筛选

3.3.2 石油烃降解菌联合降解实验

3.3.3 问题与讨论

3.4 本章小结

4 生物表面活性剂生产菌的筛选及特性研究

4.1 实验材料

4.1.1 水样

4.1.2 石油降解菌菌种

4.1.3 仪器和试剂

4.1.4 培养基

4.2 实验方法

4.2.1 培养基的配制

4.2.2 菌株富集与分离

4.2.3 生物表面活性剂产生菌的初筛方法

4.2.4 生物表面活性剂产生菌的复筛方法

4.2.5 菌株鉴定

4.2.6 菌株生活条件优化

4.2.7 最佳碳源的确定

4.2.8 最适初始pH值的确定

4.2.9 最适培养温度的确定

4.2.10 乳化性能测定方法

4.2.11 生物表面活性剂的提纯方法

4.2.12 化学成分分析方法

4.2.13 石油降解菌的降解率测定

4.3 结果与分析

4.3.1 生物表面活性剂生产菌的分离与筛选

4.3.2 菌株鉴定结果

4.3.3 菌株生活条件优化

4.3.4 乳化性能测定结果

4.3.5 生物表面活性剂化学成分分析

4.3.6 生物表面活性剂生产菌对石油烃降解辅助效应

4.3.7 问题与讨论

4.4 本章小结

5 石油烃降解菌固定化技术研究

5.1 菌株固定化技术

5.1.1 固定化载体材料与方式的选择

5.1.2 海藻酸钠微球固定菌技术

5.2 研究目的及内容

5.2.1 研究目的

5.2.2 研究内容

5.3 实验材料及方法

5.3.1 实验材料

5.3.2 实验方法

5.4 试验结果与分析

2反应成球单因素试验结果'> 5.4.1 海藻酸钠-CaCl₂反应成球单因素试验结果

2微球改良'> 5.4.2 海藻酸钠-CaCl₂微球改良

5.4.3 讨论

5.5 本章小结

6 热带固废纤维的改性及其吸油特性研究

6.1 吸油材料

6.2 研究目的和内容

6.2.1 研究目的

6.2.2 研究内容

6.3 纤维改性原理与试验方法

6.3.1 纤维改性原理

6.3.2 试验材料及方法

6.4 结果与分析

6.4.1 改性纤维的漂浮性

6.4.2 改性纤维吸油倍率

6.4.3 改性纤维润湿性能

6.4.4 纤维电镜分析

6.4.5 改性纤维耐酸碱性

6.4.6 改性纤维耐盐性

6.4.7 改性纤维石油烃去除率

6.4.8 改性纤维循环利用

6.4.9 讨论

6.5 本章小结

7 结论与展望

7.1 结论

7.2 创新点

7.3 展望

参考文献

附录

致谢

作者简介

文章来源

类型: 博士论文

作者: 苏增建

导师: 张玉秀

关键词: 热带海域,石油烃污染,生物修复,固定化,改性纤维

来源: 中国矿业大学(北京)

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 生物学,海洋学,环境科学与资源利用,环境科学与资源利用

单位: 中国矿业大学(北京)

分类号: X172;X55

DOI: 10.27624/d.cnki.gzkbu.2019.000077

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