综述：利用藻类生物分子进行界面工程以缓解石油污染

《Environmental Microbiology》：Interfacial Engineering Using Algal Biomolecules for Oil Pollution Mitigation

　　

原油（CRO）泄漏对海洋和陆地生态系统构成重大风险，造成广泛长期的环境破坏，并因有毒烃类的持久性而带来健康风险。然而，多种藻类分类群已被证明是高效的藻类修复工具，利用代谢多样性和表面特性，通过生物吸附、生物积累以及脂肪族和芳香族组分（包括多环芳烃）的酶降解来修复石油组分。研究表明，藻类系统可通过多种代谢途径有效降解复杂石油组分，从而为传统修复技术提供可持续替代方案。近期培养系统的进展提高了生物量生产率，进而改善了修复效率。本综述强调表面相互作用、影响性能的因素以及不同藻类物种使用的石油降解复杂机制。凭借高表面体积比、碳封存潜力和生物量增值前景，藻类系统为缓解石油污染和恢复受影响环境提供了一种有前景的、生态友好的方法。

1 引言

原油（CRO）污染是一个持续存在的问题，源于开采、运输、储存和意外泄漏，影响土壤肥力，改变微生物群落，并造成长期生态破坏，对陆地和海洋生物群落构成重要威胁。2022年石油泄漏在短短3周内污染了Ceará 573公里海岸线中的342公里（59.7%），影响了84个海滩、14个市镇和15个海洋保护区（MPA），收集了11.6立方米石油。2023年全球石油泄漏释放超过13.5亿加仑石油，涉及3550起记录在案的事故。2024年12月15日，刻赤海峡附近发生灾难性事故，两艘俄罗斯油轮释放约4900吨重质燃料油（mazut）进入黑海。阿尔及利亚Ouargla的一个油田每天生产20000桶CRO，并产生50000桶产出水。这些石油泄漏将脂肪族和芳香族（PAHs）组分引入水和土壤系统，具有高毒性，导致氧气传输减少、光线穿透受损以及自然生物地球化学循环中断。这些有毒化合物的积累由于其致癌和致突变性质，对长期生态和人类健康构成风险，并严重影响水生生物、植被和微生物群落，导致生物多样性丧失和生态系统失衡。石油污染物在沉积物和土壤中的持久性使修复工作复杂化，需要开发高效可持续的处理策略。

传统物理修复策略作为一线响应被广泛采用，但主要限制石油扩散而不改变其物理化学性质。围油栏、撇油器和吸附剂（机械回收）在受控条件下对表面围控和回收有效，但大规模应用成本高昂，且主要针对厚油层。原位燃烧通过热氧化快速去除大量石油，但效率受水动力条件高度限制，可能导致石油逃逸或不完全燃烧。这些方法对分散或乳化油效果较差，且常涉及高运营成本和后勤限制。原位燃烧还会产生有毒残留物和大气或二次污染物，带来额外环境风险。化学修复方法如分散剂和集油剂可增强油分散，但受限于低生物降解性，导致环境持久性。它们对高粘度石油回收无效，并可能因化学溶解于海水而导致二次污染。

研究表明，藻类（Phycophyta）因其多功能物理化学和生物学特性，已成为石油泄漏和烃类（HC）修复的极有希望的候选者，可降解大部分CRO。藻类修复（Phycoremediation）利用微藻和浮游植物等藻类系统的代谢多样性和适应性反应，从水、土壤和空气中去除污染物。这些叶状体具有吸收、转化或隔离重金属、杀虫剂、过量营养物质和其他有机污染物的内在能力，通过直接和共生途径耐受、积累和分解石油、柴油和其他HC油。在HC降解过程中，这些叶状体经历显著的脂质重塑，作为其应激反应和代谢适应的一部分。

浮游植物是浮游生物群落的支柱，作为初级生产者，在缓解水生污染中发挥重要作用。其去除CRO的显著能力因其适应性代谢和在HC胁迫下的恢复力而受到广泛关注。Chlorella、Nanochloropsis、Scenedesmus和Tetradesmus等属具有令人印象深刻的石油降解能力，在混合营养和异养环境中均能茁壮成长。利用这些生物可能是环境恢复工作的游戏规则改变者。藻类色素参与氧化应激管理，通过猝灭HC代谢过程中产生的活性氧（ROS）来维持光合系统完整性。

本综述的独特性在于全面综合了CRO泄漏藻类修复技术的最新进展，特别强调控制藻类-油相互作用的界面（IF）工程。它强调了藻类生物量的固有表面润湿性和亲油性，由官能团（—OH、—COOH、—NH₂）调节，通过疏水相互作用、氢键和静电作用力调节油水界面张力（IFT），促进选择性HC吸附。

除了IF吸附，综述还关注光合色素（如叶绿素、类胡萝卜素和藻胆蛋白）作为氧化解毒途径中的应激指标和功能因子的作用。综述进一步将酶降解机制与IF过程整合，展示HC如何转化为毒性较低的中间体并随后被同化。重要的是，本工作强调了藻类-光催化剂混合系统（如ZnO纳米颗粒）的潜力，显示了增强修复效率的协同IF和光催化效应。通过严格评估环境参数（pH、温度、光照、盐度和营养物质可及性），为扩大藻类修复提供了实用见解，包括现场规模应用的优化。范围还扩展到物种性状和营养模式（自养、混合营养、异养）与脂质结果的关系。尽管在藻类对CRO污染系统的藻类修复方面取得了显著进展，但表面活性生物分子（膜脂质、蛋白质、色素和多糖）以及胞外聚合物（EPS）或生物表面活性剂的作用仍未充分阐明。这些分子控制油滴粘附、IFT调节、选择性HC摄取和碳通量向脂质生物合成的方向，从IF工程角度对HC同化与脂质积累之间的机制联系尚未全面解决。本综述的新颖性在于将藻类CRO修复重新定义为一个IF工程驱动的生物转化过程，朝向增值脂质生物合成。

2 藻类分类与作用

藻类在分类上分为主要门类：红藻门（Rhodophyta）、绿藻门（Chlorophyta）、蓝藻门（Cyanophyta）、甲藻门（Pyrrophyta）、隐藻门（Cryptophyta）、轮藻门（Charophyta）和褐藻门（Phaeophyta），每个门类具有独特的色素组成，影响其光合作用性能和生态功能。藻类色素如叶绿素b（绿藻门）、c（褐藻门）和d（红藻门），有助于其在不同水生环境中的生理适应性。这些色素与普遍的叶绿素a和动态的β-胡萝卜素一起，在吸收和反射紫外-可见光谱的不同波长方面发挥关键作用，使藻类成为光合代谢和相关氧气产生的重要贡献者。此外，叶黄素色素增加了这些迷人生物的复杂性和美感。这些门类的物种和菌株已被研究用于藻类修复技术。其中一些微藻生长在淡水和咸水环境中，在全球碳循环和矿物循环中起着至关重要的作用，并因其高营养价值而用于人类饮食。

2.1 影响藻类生理和修复潜力的培养策略

藻类培养系统在决定微藻系统的代谢状态、应激反应和整体修复效率方面发挥着关键作用。虽然IF过程如润湿性和吸附控制HC摄取，然后是生物降解，但这些特性受生长条件和营养供应的影响。因此，培养方法应被视为修复性能的过程级调节因子，而非孤立的操作步骤，包括传统和废物整合培养系统。这实现了同时营养回收、80%–95%化学需氧量（COD）下降、有机碳循环和生物量生产，符合循环经济原则。在不同的养殖系统中，自养生长依赖光合作用和阳光，异养培养允许藻类在黑暗中利用葡萄糖、甘油、乙酸盐或废油等有机底物作为能源和碳源。这种方法消除了对光的需求，降低了操作复杂性。混合营养模式通过同时利用光、无机碳（CO₂）和有机HC，提高了修复效率和污染物耐受性。例如，斜生栅藻（S. obliquus）和寻常小球藻（C. vulgaris）在混合营养系统下比纯自养条件表现出更高的生物量产量和HC降解。最古老和最简单的方法是开放系统（圆形池塘）和跑道池，模拟自然水生生态系统。这些系统特别适合培养商业价值物种，如螺旋藻（Spirulina）、雨生红球藻（Haematococcus）和杜氏盐藻（Dunaliella）。跑道池使用桨轮循环营养和CO₂，确保连续藻类生长和高效收获。带有旋转臂的圆形池塘提供温和混合，使两种系统都可扩展且具有成本效益。相比之下，光生物反应器（PBR）是封闭的专门系统，可精确控制环境条件（如pH、温度和营养供应），从而显著提高藻类生产率。这些培养系统在成本、控制和可扩展性方面存在明显权衡。高速藻类池塘（HRAP）和跑道系统以低运营成本和大规模可行性著称，而PBR在更高资本和能源成本下提供更好的环境条件控制。最近的研究强调，基于废水的培养系统可通过整合营养回收与污染物去除进一步提高可持续性，从而改善整体工艺经济性。它们特别适用于藻类修复、生物燃料生产和高价值化合物（如ω-3脂肪酸和色素）生成。平板PBR提供最大光暴露，垂直管式PBR可扩展且抗污染。收获和高效生物量回收对于下游增值（包括生物塑料、生物燃料生产和色素提取）至关重要，但大规模应用存在主要成本瓶颈。

3 原油类型及其有害后果

CRO是未经加工的石油产品，天然存在，包含HC沉积物和其他有机成分。油的组成包括烷烃、饱和HC（存在于石蜡和环烷烃中）、芳香烃（如苯），以及沥青质和树脂（负责油的粘度）。这些化合物代表HC与N、O、S等必需元素以及镍和钒等有机和无机金属的显著融合，形成称为卟啉的复杂结构。CRO根据美国石油学会（API）重力分为轻、中、重质，API重力计算公式为°API = (141.5/60°F下的比重) - 131.5。轻质CRO（API > 31.1°）因其低硫含量（< 0.5 wt%）、易于精炼和减少排放而最受欢迎，是生产汽油和柴油的更清洁选择。中质CRO（API 31.1°–22.3°）提供平衡的产品收率，但硫含量中等，在精炼和燃烧过程中环境足迹适中。重质CRO（API 22.3°–10°）富含硫和金属（> 2 wt%），难以精炼，并在泄漏时对空气、土壤和水造成显著污染。特重原油或沥青（API < 10°）由于极端粘度、高沥青质和环烷酸含量，以及加工过程中的有毒排放，构成最大的环境威胁。基于API重力、HC组成和硫含量的CRO对环境有害。分析技术如衰减全反射-傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）结合偏最小二乘判别分析（PLS-DA）化学计量模型能够根据密度准确分类这些油类型，有助于环境监测和风险评估。CRO来自地下储层并通过油轮和管道运输，是燃料、润滑剂和石化产品的主要来源，也是由于意外泄漏导致水生和陆地生态系统多环芳烃（PAH）污染的主要原因。

3.1 石油泄漏对海岸线/近海的影响

陆地和海岸线附近的石油泄漏严重破坏土壤健康和陆地生态系统。泄漏点附近的土壤样品显示高水平的石油HC（C₁₀–C₄₀），降低微生物多样性，阻碍生物地球化学循环（C和N），并降低肥力。来自管道泄漏、储罐坍塌和非法倾倒的泄漏可渗入地下水并深入土壤，构成长期环境风险。油中的极性官能团（如磺酰基、醚和羰基）增强土壤斥水性，特别是在特重原油中，即使在低浓度下也会产生疏水条件。受污染土壤表现出升高的土壤有机碳和总石油烃（TPH），刺激过度的微生物活动，破坏C—N和C—P平衡。这增加了酸度并导致N和P耗竭。同时，它还降低水力传导性（高达约10%），阻碍空气和水的运动；在热带土壤中，泄漏可使有机碳增加1700%，pH增加7%，N含量增加133%，有效磷减少16%，损害营养平衡，降低土壤有效阳离子交换容量，改变基础化学，提高微量营养素和重金属浓度，尽管所有浓度均低于监管限值。这导致保水性差、植物生长受限、红树林和湿地破坏，造成体温过低、摄入毒性和生殖成功率降低，从而改变阿太堡限度，最终威胁整个陆地生物群落。

3.2 石油泄漏对水生生物群落的影响

石油泄漏严重影响水生生态系统，其毒性主要由脂肪族、芳香族和极性化合物驱动。轻HC（BTEX）具有高挥发性和水溶性，造成立即和急性毒性。持久性化合物如PAHs具有生物累积性，导致长期影响，如鱼类氧化应激、内分泌干扰和肝损伤（肝细胞肿瘤），特别是来自高分子量PAHs如苯并[a]芘。重油组分（沥青质、树脂）由于溶解度低而覆盖海洋生物。油的行为（蒸发、溶解、光氧化、生物降解）随类型而异：轻油导致快速但强烈的毒性，对海洋食物链产生级联效应。发育毒性、捕食者-猎物关系紊乱和生物多样性丧失是石油泄漏通过食物链影响的结果：中质油结合急性和慢性影响，重油在环境中持久存在，构成长期生态威胁。这些效应通过海洋食物网级联，破坏生物多样性和生态系统平衡。

3.3 传统石油泄漏修复技术的局限性

传统石油泄漏修复技术尽管被广泛使用，但存在显著的技术、环境和操作局限性。机械方法（围油栏和撇油器）对水动力高度敏感，在波浪、海流和风干扰下效率大幅降低，导致围控不稳定和部分石油回收。其保留效率固有可变（约10%–95%），受石油性质和水动力条件控制，而夹带、排水和飞溅等故障机制促进石油逃逸和二次污染。化学方法，特别是化学分散剂（CD），因其长期生态毒性和持久性引起进一步关注，因为它们可将表面油转移到水柱中并重新分配HC，而不是消除它们。实验中宇宙研究表明对底栖群落没有保护作用，在暴露20天内底栖动物丰度和多样性显著下降。此外，油-分散剂混合物可诱导毒性协同增加高达约52倍。由于生态风险，化学分散剂被限制在美国近海使用（≥ 3海里）和深度> 10米处。热方法如原位燃烧（ISB）可快速去除石油，效率为80%–91%，但会产生CO₂、CO、NO_x、VOCs和颗粒物等大气污染物排放，导致全球变暖。燃烧产生细烟尘，超过90%的颗粒在< 1 μm燃烧期间产生，以及黑碳（占燃烧油的10%–18%），导致空气污染和辐射强迫。尽管ISB可减少溶解相毒性和PAH负荷（> 90%减少），但它产生富含高分子量化合物的粘性残留物，可能持续存在、经历沉积（如海洋油雪），并构成慢性底栖风险，表明大气排放和地下污染之间的权衡。在操作上，这些传统方法资源密集，需要重型设备、熟练劳动力和复杂后勤，限制了在大型或偏远泄漏场景中的可扩展性和快速部署。此外，分散剂使用可能增强海洋气溶胶化和颗粒暴露，改变海气交换并导致环境杂质。重要的是，大多数方法不能实现真正的HC降解，而是将污染物在水、空气和沉积物相之间转移，导致长期环境持久性。尽管生物方法是一种更可持续的替代方案，但其缓慢的动力学和环境依赖性限制了直接可行性。这些局限性需要先进的、机制驱动的策略，确立藻类修复作为一种有前景的方法，因为它能够耦合IF吸附与代谢HC降解，并支持自身生长而不消除有毒副产物，从而实现高效可持续的石油泄漏处理。

4 参与石油泄漏处理的藻类

藻类物种是有效的石油降解者，能有效分解脂肪族和芳香族HC，特别是一些蓝绿藻（BGA）、红藻、褐藻和硅藻可氧化萘。微藻表现出高抗性和降解效率，通过紫外-可见分光光度计、气相色谱-火焰离子化检测（GC-FID）和气相色谱-质谱（GC–MS）表征。油田采出水的质量通过盐胁迫条件实现高效藻类修复，维持高生物量生产率。藻类-细菌联合体，包括S. obliquus GH2与假单胞菌（Pseudomonas）和伯克霍尔德菌（Burkholderia）等菌株，可实现高达90%的HC去除。Gracilariopsis persica（红藻门）降解污染物的能力因N和P的存在而显著增强，受益于营养补充。此外，Hormophysa triquetra（褐藻门）由于其多孔结构和高表面积，当与纳米技术结合时，作为卓越的天然生物吸附剂脱颖而出，在15天内达到峰值除油率。Ulothrix zonata、Chlorella sorokiniana、Tetradesmus obliquus和Desmodesmus aramatus等物种进一步证明了藻类在清洁受污染水中的广泛潜力。表3强调了它们对海洋、淡水和工业废水的适应性，突出了其作为可持续、生态友好藻类修复剂的价值。该表通过详细说明每种藻类物种的生长条件、最佳油浓度、降解效率和目标HC，补充了图6中的须图。该图突出了不同物种之间的显著性能差异，Chlorella vulgaris、Nannochloropsis oculata和Ulothrix zonata表现出极高且一致的降解效率（接近或高于90%）。相比之下，S. obliquus和S. platensis等物种显示出更大的变异性和较低的中值，表明对浓度和环境条件的敏感性。

4.1 藻类生物分子在油水界面的工程化

研究表明，Phycophyta（如Sargassum sp.、Corallina sp.）能有效生物吸附CRO组分，表面化学基团参与吸附。表4总结了藻类生物分子的IF作用及其物理化学性质。在这种方法中，由多层聚集体和桥接组成的物理屏障防止油滴聚结。一些微藻含有较高比例赖氨酸、缬氨酸和亮氨酸等肽段的蛋白质，导致更大比例的带电和疏水残基，直接影响微藻蛋白在水性和IF环境中的行为。此外，类胡萝卜素等色素具有抗氧化特性，可能有助于保护含有大量油性相（如O/W乳液）的配方中的脂质氧化。多糖通常对油的亲和力较低，但研究表明其亲油性在修饰后增强。海藻酸钙微球通过改变IFT和润湿性改善驱油，而多价离子交联促进更大的絮凝和网络形成，以增强油水分离。螺旋藻基提高石油采收率（EOR）流体表现出粘弹性（G′ > G″，约1–20 Pa）和非牛顿流变学，通过粘度控制、IF吸附、增强迁移率和驱油效率（高达约76%）改善驱油。研究表明，二维纳米材料工程膜通过分级润湿性调节、亲油吸附和防污行为增强了油水IF分离。MXene交联纤维素纳米纤维/纳米晶体冷冻凝胶实现了轻质（约20 mg cm^?3）、超高吸附容量110–320 g^?1，水接触角（WCA）约150°（超疏水）和> 92%孔隙率，而氧化石墨烯-藻酸盐水凝胶膜表现出约95.5%的拒油率，通过O₂功能化纳米通道将WCA从12°降低至1°。这促进了超亲水/水下疏油分离并改善了盐稳定性。

5 藻类驱动的石油降解方法

藻类通过影响环境解毒的相互关联的物理化学和生物过程，在石油修复中做出了有希望的贡献。这些方法可单独或与共存微生物和环境因素协作运行，可大致分为表面控制摄取、代谢转化、光子驱动氧化、细胞适应和综合系统优化策略，如图7所示。为了便于跨研究比较，各小节优先考虑主要功能作用和比较效率，而非孤立的实验描述。

5.1 生物吸附

生物吸附代表CRO去除的初始非代谢阶段，通过细胞壁对HC和相关的金属进行高效被动摄取，使用非活体和非活性微生物。藻类细胞壁富含聚电解质的独特结构促进了显著的静电相互作用、疏水力和氢键，通过FTIR和SEM表征。定量而言，生物吸附可在短接触时间（几分钟到几小时）内实现快速油摄取，但达到饱和而无下游代谢。例如，干燥 Enteromorpha intestinalis（海藻）在10分钟内达到平衡，在淡水中去除71.8% ± 5.8%原油，在海水中去除85.7% ± 1.5%，而废发动机油去除率从淡水中的79.6% ± 3.3%增加到海水中的89.9% ± 2.9%。Langmuir最大吸附容量范围为原油1938至2308 mg g^?1，废油2691至2907 mg g^?1，表明在盐环境和更粘稠的HC中生物吸附效率更高。这些结果证实生物吸附主要作为促进后续生物积累和生物降解的快速浓缩步骤，而非完全矿化。值得注意的是，随着pH升高，官能团去质子化增加负表面电荷，有利于阳离子结合，因为疏水和静电相互作用增强。在pH 1时淡水中原油生物吸附约为35%–40%，在pH 9–11时升至约68%–70%，而废油表现出持续更高的摄取，在同一pH范围内从约75%增加到约82%。Spirulina sp.和Hormophysa triquetra等藻类显示出快速柴油吸附，在确定的接触期（12天）内通过准二级动力学达到平衡，而Parachlorella sp.、Spirulina和Scenedesmus abundans对柴油和润滑油及其金属（Cd^II）组分表现出高吸附容量，高达14 g/g，很好地由Sips模型或Langmuir–Freundlich和Tempkin模型描述。

5.2 生物积累-生物转化

生物积累和降解构成了不可逆HC去除的主要代谢途径。生物吸附后，HC被内化并通过细胞内代谢途径酶促转化，这一过程比生物吸附慢，但占长期去除的大部分。研究表明，通过寻常小球藻（Chlorella vulgaris）降解原油促进其生物量增加，同时类胡萝卜素积累增加2.22倍（142 μg/g，而对照组为64 μg/g）。此外，藻类-藻类协同作用产生32%脂质（乙酰-CoA、丙二酰-CoA）、79.51%十一烷和脂肪酸甲酯，这是煤油降解的结果。在海洋硅藻Thalassiosira sp. OUC2中，对二甲苯浓度在1.25–40 mg L^?1范围内，5天内暴跌，所有测试浓度的去除率超过98%。时间过程数据揭示了浓度依赖性降解动力学，≤ 10 mg L^?1的HC在48–72小时内几乎完全消除，而较大负荷显示出短暂的滞后期，然后快速消耗。同时细胞密度的增加证实了活性细胞同化而非被动损失和HC转化期间的细胞内碳利用，表明在不同污染物负荷下有效的代谢适应。PAHs如苯并(a)芘、菲、荧蒽和芘通过细胞色素P450介导的单加氧作用转化，促进其随后的生物降解和消除。在咸海水中的时间分辨积累研究表明，海洋海藻如Ulva lactuca表现出比Enteromorpha clathrate更高的汽油转移因子，最大积累发生在较低暴露下48小时内和较高浓度下24小时内，随后出现毒性诱导的下降。金属相关的HC主要通过细胞内生物积累去除，如Parachlorella kessleri所示，其中元素（Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、As、Sr、Mo、Ba）的内部封存超过细胞外结合，证实是代谢驱动去除而非单纯表面吸附。EPS分泌和水合生物膜基质进一步通过促进HC水解和细胞摄取来增强有机污染物的降解。