天然海水中石油生物降解的实验室与野外研究

《Marine Environmental Research》：Laboratory and field studies of oil biodegradation in natural seawater

　　摘要本研究比较了21项关于天然海水中石油生物降解的实验室和现场研究数据。这些研究在近30年间在温带和北极地区的海水中进行。研究涉及六种原油和一种超低硫燃料油，并使用本地（挪威特隆赫姆峡湾）和非本地（挪威北部、斯瓦尔巴群岛和西格陵兰）海水作为微生物接种物。研究采用了不同的实验系统，通过对饱和烃（C10-C36）和芳香烃（单环芳烃和2至5环多环芳烃碳）石油化合物组及目标分析物进行气相色谱分析定量。通过一级速率计算确定了生物降解速率和降解半衰期。比较了包括海水温度、石油种类、实验室实验系统以及实验室与现场数据差异在内的多个变量对生物降解速率的影响。在比较分散油与水容纳部分、分散油与固定油时，目标分析物的降解速率存在显著差异，但石油化合物组之间无显著差异。尽管石油性质存在差异，各石油的生物降解速率仍可比较。海水温度的影响在实验室实验中比在现场实验中更为明显。所有这些研究汇总的数据强调了在海水环境温度下进行生物降解研究的必要性。引言海洋环境中石油的意外排放主要以表面溢油或海底井喷的形式发生，例如埃克森·瓦尔迪兹号、进步号、IXTOC I号和深水地平线号溢油事件。海洋环境中溢油的归趋取决于多种物理化学风化过程，包括蒸发、溶解、乳化、分散和光氧化（Brandvik, 1997; Tarr等人, 2016）。生物降解也被认为是重要的风化过程之一，可能导致石油化合物的完全矿化。石油的生物降解主要与分散油和溶解化合物相关。在自然温带和冷水海水中（0-13°C），小油滴分散体中石油化合物的生物降解已被证明是快速的，正构烷烃和2至4环多环芳烃的降解半衰期分别为10-10天和2-37天（Brakstad等人, 2015; B?lum等人, 2012; Hazen等人, 2011; Lee等人, 2011; McFarlin等人, 2014; Prince等人, 2013; Ribicic等人, 2018a; Siron等人, 1995; Venosa和Holder, 2007; Wang等人, 2016）。油滴和溶解的石油化合物在海水中迅速稀释（Lee等人, 2013），预期可遵循一级速率动力学（Alexander, 1985）。油滴大小和溶解速率也会影响生物降解（Brakstad等人, 2015; Lee等人, 2013; Prince等人, 2013）。由于分散油和溶解的石油化合物在海洋环境中迅速溶解，建议采用在未经修饰的海水中低油浓度条件进行最具"现实性"的生物降解实验（Lee等人, 2013）。此外，海洋油雪/油相关海洋雪的形成以及石油矿物聚集等过程可能增强生物降解，且已检测到这些聚集物中存在大量降解石油的细菌（Gregson等人, 2021; Henry等人, 2020; Lee, 2002; Passow等人, 2012; Stofflyn-Egli和Lee, 2002）。目前的生物降解数据主要通过一维气相色谱方法对目标化合物进行生物转化研究来确定，尽管采用高分辨率二维方法的研究可分析更广泛的目标和非目标石油化合物，例如未分辨复杂混合物中的化合物（Booth等人, 2023; Gouch等人, 1992）。天然海水中的石油生物降解研究以实验室研究的形式进行，使用低能量水容纳部分（LE-WAF）（例如Brakstad和Faksness, 2000; Tonteri等人, 2023; Kleindienst等人, 2015）或化学或物理分散油（例如Prince等人, 2013; Venosa和Holder, 2007; Brakstad等人, 2015）。油分散液通过振荡瓶（Venosa等人, 1992; Venosa和Holder, 2007）、磁力搅拌器（McFarlin等人, 2014; Prince等人, 2013）、油滴发生器（Brakstad等人, 2015; Nordtug等人, 2011; Wang等人, 2016）或大型中型生态系统制备（Brakstad等人, 2014; Morales-McDevitt等人, 2020; King等人, 2014; Siron等人, 1995）。油消耗研究也已发展到将油固定在固体基质上，如疏水性Fluortex吸附剂和粘土珠（Brakstad和L?deng, 2005; Schreiber等人, 2021; Vergeynst等人, 2019a; Vergeynst等人, 2019b; Langeloh等人, 2024a）。在经济合作与发展组织（OECD）描述的分层测试系统中（OECD, 2006），大多数这些测试方法可被视为模拟测试，主要使用低底物浓度、天然海水作为微生物接种物、延长培养期和多组分分析。海水来源可能对石油化合物的生物降解具有重要影响。例如，实验表明，即使在接近冰点的北极海水中（约1至2°C），正构烷烃和芳香化合物的降解半衰期也可能不到14天，这与北极海水中嗜冷烃氧化菌的高丰度相一致（Bagi等人, 2014; McFarlin等人, 2017; Ribicic等人, 2018a）。由于微生物群落可能随深度和季节显著不同，时间和空间差异也可能影响石油生物降解（Brakstad等人, 2018a; Langeloh等人, 2024b; Langeloh等人, 2025; McFarlin等人, 2017; Redmond和Valentine, 2012）。生物降解数据是溢油归趋预测的一部分，这些数据可纳入用于环境风险评估的溢油模型中。一个这样的溢油模型是三维OSCAR模型，可预测泄漏油的行为和归趋（Reed等人, 1995; Reed和Rye, 1995）。在该模型中，生物降解数据作为石油化合物组（OSCAR组）归趋预测的一部分纳入，其代表从约160°C到>400°C的沸点范围（Reed等人, 2000）。为补偿温度差异，提出了基于阿伦尼乌斯图的Q??方法（Atlas, 1981; Bagi等人, 2013）。在以天然水为接种物的实验室研究中，生物降解仅能反映采样地点和时间水中微生物降解底物的能力。因此，现场研究数据对于验证或修正实验室数据非常重要。数十年来，海洋海岸线和海滩沉积物的现场研究已广泛开展，主要用于生物修复研究（Bragg等人, 1994; Swannell等人, 1996）。相比之下，在海水中进行的现场石油生物降解研究相对较少（例如Langeloh等人, 2024a; Langeloh等人, 2024b; Langeloh等人, 2025; Schreiber等人, 2021; Vergeynst等人, 2019a, Vergeynst等人, 2019b）。为避免在石油生物降解现场研究中丢失石油，实验系统基于将石油固定在固体表面上。本研究的目的是比较本实验室在近30年间在天然海水中进行的实验室和现场实验数据。这些研究使用了不同的实验系统、石油和环境条件，通过比较探讨不同的测试系统、石油种类、海水来源和海水温度如何影响目标石油化合物和石油化合物组（OSCAR组）的生物降解速率。在此过程中，我们使用了统一的一级速率计算。本研究的结论可为归趋和暴露模型中的生物降解速率提供依据，并为控制这些数据的重要参数提供指导。章节摘要实验室研究用海水实验中使用了来自不同地点的天然海水作为微生物接种物。本地海水于1998年至2018年期间从挪威特隆赫姆峡湾（63°26' 20"N, 10°23'58"E）水深80-90米处（温跃层以下）或接近水面处（约0.5米深）采集。其他地点包括2016年在斯瓦尔巴群岛范米恩峡湾（77°56′N, 16°43′ E）冰下采集的海水（Ribicic等人, 2018a），以及从80米深度和接近水面处（约0.5米深）采集的海水。汇总数据图1展示了所有21项研究（SM2，表S2）中OSCAR组、正构烷烃（nC10-nC36）和芳香化合物的降解半衰期（DegT50）散点图，共包含49至57个实验（57个含OSCAR组，49个含正构烷烃，51个含PAC），其中OSCAR组见图1A，nC10至nC36烷烃和异戊二烯类化合物见图1B，目标PAC见图1C。图1仅纳入了有限的现场实验数据集（SM3，表S4A和S4C），以避免纳入。结论本研究比较了21项在将近30年期间进行的实验室和现场研究的生物降解数据。所有实验均使用相同的分析方法，在将半挥发性OSCAR组和目标分析物数据归一化至抗性生物标志物C30 17α(H), 21β(H)-霍烷后重新计算了速率系数。计算并使用了修正后的一级速率系数（k?rev）进行比较。为减少其他消耗过程的影响。CRediT作者贡献声明Hendrik Langeloh：撰写——审阅与编辑、软件、方法论、调查研究、形式化分析、数据整理、概念构思。Sigrid Hakv?g：撰写——审阅与编辑、验证、资源、数据整理。Ida B. ?verjordet：监督、资源、方法论。Odd G. Brakstad：撰写——初稿、监督、项目管理、方法论、经费获取、数据整理、概念构思。Synn?ve Lofthus：撰写——审阅与编辑、资源、方法论。未被引用参考文献Hammer and Harper, 2001; Hazen et al., 2010; Nordam et al., 2020; Ribicic et al., 2018c; Sj?holm et al., 2021; Stoffyn-Egli and Lee, 2002。利益冲突声明? 作者声明，他们没有已知的可能影响本论文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。致谢本研究中使用的数据通过若干项由挪威研究理事会资助的研究提供（项目合同编号# 200491/E30、#228271/E30、#267767/E30、#255385/E30和#294755/E30），以及石油公司资助的研究提供（Equinor ASA、BP勘探与生产公司、BP墨西哥湾海岸修复组织、TotalEnergies EP Norge AS、Aker BP ASA、ConocoPhillips Norge AS、ENI S.p.A/V?r Energi ASA、Exxon Mobil Exploration and Production Norway AS、Lundin Energy、OMV Norge AS）。我们进一步感谢……作者：Odd G. Brakstad、Ida B. ?verjordet、Sigrid Hakv?g、Hendrik Langeloh、Synn?ve Lofthus