石油污染土壤生物修复室内模拟试验

白 云,李 川,焦昭杰

(重庆工商大学废油资源化技术与装备教育部工程研究中心,重庆400067)

石油污染泛指石油原油和初加工产品(包括汽油、煤油、柴油、重油、润滑油等)及各类油的分解产物所引起的污染[1],石油对土壤的污染主要是在勘探、开采、运输、储存及使用过程中引起的。石油污染物可引起土壤理化性质的变化,影响植物生长发育,导致粮食减产,而且食用生长于农业土地上的植物及其产品将会影响人类的健康[2]。此外,土壤吸附的石油会随着雨水、灌溉用水慢慢下渗到地下含水层中,从而污染地下水,进而构成对人类生存环境多个层面上的不良胁迫[3]。因此,治理石油烃的土壤污染势在必行。

石油污染土壤的处理方法主要有物理处理、化学处理和生物处理3种,其中生物修复技术被认为是最有生命力的[4]。由于微生物修复较前两种修复方式更加高效,所以这里主要采用的实验方法是微生物修复。

张建等对胜利油田含油污泥的研究发现[5],提高温度可以增加微生物数量,石油烃降解率可达到52.75%;添加菌剂可提高石油降解率。Vasudevan等的实验结果表明[6],添加外源微生物可以提高修复效率。黄廷林等研究表明[7],土壤中石油烃的降解效果与生物菌剂的投加量呈正相关;温度高有利于土壤中石油烃的降解,加快修复速率。

通过投加外源菌种,改变影响石油降解的环境因素(土壤湿度和营养比例)和自身因素(菌种数量),研究最佳降解生态条件,为石油降解中试调控提供数据支持。

1 实验内容

1.1 实验材料

土壤采用沙壤土,其理化性质:p H值为7.85,全磷0.017%,全氮0.171%,全钾2.06%。实验前经过粉碎、除杂、过筛及混匀处理[8]。

外源微生物采用黄孢原毛平革菌(Phanerochaete chrysosporium),由重庆工商大学药物化学与化学生物学研究中心提供。实验前,将菌种接在PDA培养基中,放入恒温摇床,在30℃,中速条件下振荡3 d,备用。

用来模拟油田污染的油液来自某工厂废弃的46#机械油。

N、P营养物质分别选用尿素和磷酸二氢钾。

1.2 实验方法

1.2.1 石油烃含量的测定

(1)石油烃的萃取

石油烃萃取液种类繁多,其中萃取率最高的是三氯甲烷(96%～99%),但成本较高;石油醚成本低,但萃取率只有60%左右。综合考虑,本实验萃取液采用四氯化碳,其萃取率为86%～90%。

称取10 g污染土壤,移到已经在四氯化碳溶液中浸过的慢性定性滤纸上,将土壤包好后,放入索式提取器中,加入60 mL四氯化碳,然后将萃取装置放入90±5℃的水浴锅中,加热萃取4～6 h。

(2)含量的测定

测定方法采用重量法[9],平行测定3次,取平均值。

1.2.2 含水率的测定

(1)精确称取一定重量的土样 m0,放置于己知重量的烧杯中m1;

(2)将烧杯放置在105℃烘箱中干燥2 h;

(3)取出容器冷却后称重m2;

(4)根据干燥前后土样与容器总重量的减少量即可计算出样品的含水率y(%)。

1.3 实验设计

用中等浓度的油液来污染土壤,混合均匀,模拟油田土壤;将制备好的菌液按实验设计投加到模拟油污土壤中,混合均匀。试验在塑料花盆(直径为15 cm,高15 cm)中进行,每天对土壤进行翻耕,为微生物提供充足的氧气,采样时间随着土壤中石油去除率的降低而逐渐增大,降解时间为60 d。从众多影响微生物降解石油烃的因素中选出湿度、营养比例和投菌量等3组单因素实验,其中湿度以5%为间隔,营养盐设计为4种不同的比例,投菌量设计空白对照试验,分别研究其对降解率的影响,具体的影响因素实验设计如表1。

表1 影响因素实验设计表

2 结果与分析

2.1 湿度对石油降解率的影响

水分作为微生物代谢过程中必不可少的溶剂,有助于营养物质的溶解和吸收,保证细胞内、外各种生物化学反应在溶液中正常进行。但土壤中的水分不宜过高,否则有效毛细空隙将被水充满,妨碍土壤中氧的传输[10]。而降解石油的微生物属于好氧菌,氧气的堵塞会导致石油降解率的降低。用修复前后土壤中的石油烃之比来定量表征降解率(下同),图1分别给出了不同含水量条件下降解24 d和60 d后石油降解率变化的规律。

图1 不同湿度条件下石油的降解规律

从图1中可以看出,石油烃的降解率随土壤含水量的的提高而增加,大致成阶梯状变化。当含水量为5%,土壤中石油降解率最终只有12%;含水量为10%、15%,石油降解率稍有提高,分别达到30%和48%;当含水量为20%,25%,降解率明显提高,分别为66%和64%。同时,从降解24 d和60 d后的图中分析,在降解前期,油量丰富,促使大量微生物增长,加速了油的降解;随着时间的推移,石油残留量减少,成为了限制微生物增长的主要因素,导致石油烃降解速率降低。这与Murygina等[11]的试验结果基本一致,在进行一段时间的降解后,系统中的微生物数量开始减少。所以,此图也可间接地反映出微生物的数量变化情况。

2.2 投菌量对石油降解率的影响

石油污染物的降解与土壤中可降解石油的微生物数量有密切关系。图2给出了不同接种量的土壤石油烃降解率变化。

图2 不同投菌量条件下石油的降解规律

从图2中可以看出,不同接种量的土壤中石油烃的变化规律基本一致;随着降解时间的延长,土壤中的石油烃浓度逐渐降低,这与黄廷林等[6]关于投菌量研究的结论基本一致。降解60 d后,接种量为0,5,10,15,20,25,30 mL石油烃降解率分别为22%,46%,54%,60%,64%,74%,70%。通过以上数据可以看出,并非投加量越大,对去除促进就越大,即高效菌的投加量与降解率之间存在一个适宜的投加值。而在本实验条件下,最适宜的接种量为25 mL。

2.3 营养盐比例对石油降解率的影响

微生物生长代谢需要一定数量和比例的营养元素,这些元素必须保持一定的数量、形式和比例以维持好氧菌生长。在石油污染土壤中,通常有机碳含量较高,而N,P相对缺乏,因此,氮源和磷源是常见的烃类生物降解限制因素。同时,如果C:N:P达不到细菌代谢所需的比例,就会限制细菌的代谢速度,从而制约有机污染物的降解。Dibble等的研究表明[12],C:N为60:1时微生物的降解率最高,Graham等的研究表明[13],降解石油细菌细胞的化学组成可以用C106H180O45N16P1表示,微生物降解过程的最佳可生物利用的C:N:P=100:15:1。

根据本实验设计,4组营养盐配比条件下的石油烃降解变化见图3。

图3 不同营养盐配比条件下石油的降解规律

从图3可以看出,C:N:P为100:10:1和100: 15:1时,石油降解率较高,通过60 d降解,降解率分别是64%,60%,而剩下的2种配比就低的多,证明配比的不同导致降解率的差异。这种差异是不同微生物对营养需求量的不同引起的,所以,不能绝对的定义哪一配比条件下降解率的高低,而只能针对某种微生物进行讨论。而从C/N比例这个角度研究,在这4组配比中,C:N≤10的2组降解率比C:N> 10的2组降解率高,说明外源菌种黄孢原毛平革菌的营养需求属于低碳氮比。本实验的菌种营养配比C:N:P为100:10:1是最合适的。

3 结论

(1)投加外源微生物土壤的降解率明显高于未投加的土壤,这说明黄孢原毛平革菌对于石油污染有很好的降解效果。

(2)湿度、投菌量和营养配比对于降解率都有明显的影响。通过60 d降解,本实验设计的含水率20%的土壤石油降解率达到66%;投加25 mL菌量的石油降解率达到74%;设计营养比例C:N:P为100:10:1的土壤石油降解率64%。

(3)菌种对于营养需求的不同导致了营养配比的多样性,所以前期研究关于最佳营养配比的提法欠妥,应改为在特定的环境下,特定实验菌种的最佳营养配比。本实验黄孢原毛平革菌在中度污染条件下,最佳营养配比是C:N:P为100:10:1。

[1] 刘国良,苏幼明,顾书敏,等.石油污染土壤生物修复研究新进展[J].化学与生物工程,2008,25(8):1-4.

[2] 张子间,刘勇弟,孟庆梅,等.微生物降解石油烃污染物的研究进展[J].化工环保,2009,29(3):193-198.

[3] 卢秀君,郭书海,孙 清,等.石油污染土壤的修复技术研究现状及展望[J].沈阳农业大学学报,2003,34(1):63-67.

[4] 张海荣,李培军,孙铁珩,等.四种石油污染土壤生物修复技术研究[J].农业环境保护,2001,20(2):78-80.

[5] 张 建,史德清,桂召龙,等.预制床法生物修复胜利油田含油污泥的研究[J].环境污染与防治,2007,29(12):912-915.

[6] Vasudevan N,Rajaram P.Bioremediation of oil sludge-contaminated soil[J].Environmental international,2001,26:409-411.

[7] 黄廷林,徐金兰,唐智新,等.生物菌剂对石油污染土壤生物修复作用的研究[J].环境科学,2009,30(6):1838-1842.

[8] 李 晔,陈新才,王焰新.石油污染土壤修复的最佳生态条件研究[J].环境科学与技术,2004,27(4):17-19.

[9] 谢重阁.环境中石油污染物的分析技术[M].北京:中国环境科学出版社,1987.

[10] 沈铁孟,黄国强,李 凌,等.石油污染土壤的原位修复技术[J].环境科学动态,2002,3:13-15.

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[12] Bouchez T,Patureau D,Dabert P,et al.Ecological study of a bioaugmentation failure[J].Environmental Microbiology, 2000,2:179-190.

[13] Graham D W,Smith V H,Law K P.Effects of nitrogen and phosphorous supply on hexadecane biodegradation in soil system [J].Water,Air,and Soil Pollution,1999,111(14):1-18.