植物-微生物联合修复石油-重金属复合污染土壤的研究

陈雪兰，成杰民

（山东师范大学 人口资源与环境学院，山东 济南 250014）

植物-微生物联合修复石油-重金属复合污染土壤的研究

陈雪兰，成杰民

（山东师范大学 人口资源与环境学院，山东 济南 250014）

植物及微生物联合修复石油-重金属复合污染土壤具有很大的潜力。但重金属以不同形态存在关系到石油-重金属复合污染土壤生物修复过程中，植物、微生物的修复效率以及是否需要增加辅助工程解决重金属污染等问题，因此石油-重金属复合污染土壤修复过程中就必须考虑重金属有效态及形态的变化特征。

重金属形态变化；复合污染；联合修复；土壤

1 土壤石油-重金属复合污染现状

随着世界经济的持续发展，人口的快速增长和人类生活水平的不断提高，环境污染物的排放量与日俱增，环境污染和生态破坏给土壤带来了严重的污染，进入土壤环境中的有毒有害物质日益增多，土壤作为人类赖以生存的自然环境，已显露出不堪重负的迹象。随着石油生产量和消费量的不断提高，石油类物质进入土壤造成的污染问题日益严重，特别在油田区更为突出。全球石油总产量每年达22亿t，其中80%产自陆地油田。辽宁省环境监测站的监测数据表明，在辽河油田重度污染区内，土壤中的含油量已达到10 000mg/kg；大庆油田石油开发区污染土壤面积超过75%，油井周围100 m范围内土壤中平均含油量达1 037mg/kg；我国最大的石油污灌区沈抚灌区，土壤中矿物油浓度高达6 861.1mg/kg，均远远高于临界500mg/kg[1]。而且目前土壤重金属污染也日益严重。全世界平均每年排放约1.5万tHg、340万tCu、500万tPb、1 500万tMn、100万t Ni[2，3]。重金属污染的加剧，不可避免地造成了土壤肥力退化、农作物产量降低和品质下降，严重影响环境质量和经济的可持续发展[4]。

工业的快速发展和科学技术的不断创新，让人们逐渐认识到环境污染物多具有伴生性和综合性[5，6]，即不同污染物之间会产生联合作用，形成复合污染。国外研究结果表明，石油中可检测出Ni、V、Fe等56种微量金属元素，石油勘探和开采、原油泄漏等原因会导致大量重金属进入土壤环境，土壤石油污染可能会伴生土壤重金属污染[7～9]。Chukwujindu等[10]研究发现，在尼日利亚的尼日尔河三角洲石油污染土壤上可检测到大量重金属Zn、Cu、Pb、Cd、Ni、Cr、Mn。邵涛等[11]对江苏某油区已开采多年的未耕土壤研究表明，油污染土壤中总As、Pb、Cr等都有不同程度的存在。由此可知，土壤石油污染可能会伴生土壤重金属污染。因此，油田区石油-重金属复合污染土壤的研究及修复，已成为亟待解决的问题。

2 国内外研究现状

2.1 石油-重金属复合污染土壤修复综述

目前，土壤污染的研究与大气、水体污染的研究相比，无论是规模上，还是其研究的深度上，乃至经济效益上，都还存在着一定的差距。近年来国内外已在物理、化学、生物治理方面取得了一定进展[12]。主要处理方式包括热处理法[13]（焚烧法）、隔离法[14]和换土法[15]等物理、化学方法以及生物修复技术。其中，新近发展起来的生物修复方法由于具有处理效果好、费用低、对环境影响小、无二次污染及应用范围广等优点，在治理污染方面具有明显的优越性[16～18]，物理和化学方法存在治理不彻底，费用高以及二次污染严重等缺陷，因此目前只是作为生物处理方法的辅助手段。

据报道，受有机污染物污染的土壤，主要以微生物的修复研究为主，植物修复技术则主要应用于受重金属等无机污染物污染的土壤修复[19]。对植物根际微域的研究表明，植物与微生物共同配合能明显提高修复的效果[20]。而且，植物与特殊的细菌真菌或根际菌群等微生物协同作用，能增加对污染物的吸收和降解，通过选择适当的植物与微生物协同作用，可实现污染土壤的快速修复。因此，利用植物及微生物联合修复石油-重金属复合污染土壤具有很大的潜力。

2.2 石油-重金属复合污染土壤生物修复的研究

迄今为止，国内外对于土壤有机-无机复合污染及其修复的研究较多，石油作为有机物中的代表性污染物，其与重金属的复合污染机理及修复可参考有机物与重金属复合污染及修复的报道。

马溪平、付宝荣等[21]通过对植物-微生物联合修复污染沈抚灌区土壤的研究表明，采用植物-微生物联合修复，不仅能修复土壤中重金属污染物，还能对其复合存在的有机污染起到一定的降解和修复，这使得生物修复的效果和适用范围有进一步的提高。杨强[22]研究了有机污染物-重金属复合污染土壤植物修复技术，结果表明，有机污染物的消减受到共存重金属活性的影响，共存有机污染物也将影响植物对铜的吸收。丁克强、骆永明等[23]对苜蓿修复重金属Cu和有机物苯并 [a]芘复合污染土壤的研究得出，由于土壤自身具有修复多环芳烃苯并 [a]芘污染的自然本能，在Cu污染下种植苜蓿具有强化苯并 [a]芘污染土壤的修复作用，可促进苜蓿生长，增强土壤微生物的活性，从而提高苜蓿修复Cu和苯并 [a]芘混合污染土壤的能力。赵晓秀[24]对重金属铜复合污染土壤中石油的微生物降解研究得出，在不同浓度Cu2+污染的土壤中，正十六烷均能够被微生物降解，且微生物对正十六烷的降解符合准一级动力学方程。土壤中没有Cu2+存在时，110 d后，正十六烷的降解率为59%，当土壤中Cu2+浓度为23.7mg/kg时，正十六烷的降解率提高到66%，而当Cu2+浓度进一步升高至47.4mg/kg和237mg/kg时，正十六烷的降解率则下降为49%和39%。

因此，通过研究充分理解植物根系-微生物-污染物（石油和重金属） 之间相互作用的机理，筛选出1～2种适于石油-重金属复合污染土壤生长的具有微生物-植物协同作用，且耐受重金属污染的植物品种。把植物和微生物修复方法相结合，将是很有价值的发展方向。

2.3 石油-重金属复合污染土壤修复过程中重金属形态变化的研究

随着研究的深入，人们逐渐认识到，土壤中重金属对环境危害的大小，更大程度上取决于其形态分布。重金属的不同形态表现出不同的生物有效性和环境行为。重金属在土壤中各种形态存在的数量比例，直接影响重金属在土壤中的迁移、转化以及对植物的毒性[25，26]。重金属的形态和分配比例不同，其活化迁移能力和生物有效性不同，对环境的效应也不同[27～29]。交换态和碳酸盐结合态重金属与土壤结合较弱，最易被释放，有较大的可移动性[30]。Fe/Mn氧化物结合态在还原条件下易溶解释放[31]。有机物及硫化物结合态在氧化环境下易溶解释放，残渣态属于不溶态重金属，它只有通过化学反应转化成可溶态物质才对生物产生影响[30]。

众所周知，石油烃在土壤中的代谢中间产物是很复杂的，而现有的文献报道，有机物对重金属环境行为的影响十分复杂，高分子有机物通过络合或螯合、吸附、截留等作用，钝化土壤中重金属；低分子有机物通过螯合、络合作用活化土壤中重金属，而且在石油-重金属复合污染土壤修复过程中，由于植物吸收、根系活动和微生物降解等作用，根-土界面的物理、化学和生物学性质与一般土体有明显差别。加之石油降解中间代谢产物的影响，均可能改变重金属在土壤-植物系统中的形态进而影响其迁移活性和生物有效性。因此，在石油烃被降解的过程中，重金属的有效态、形态到底发生了何种变化，在植物体内是如何迁移转化的，这些都不得而知。所以，迫切需要对石油-重金属复合污染生物修复条件下重金属有效态和形态变化的影响进行研究。

熊先哲[32]研究石油在土壤中的代谢中间产物棕桐酸、儿茶酚和香草酸对土壤中Cd行为的影响表明，这3种石油烃降解产物均能增加土壤中有机结合态Cd的比例，土壤中儿茶酚为5 000mg/kg时，土壤中有机质结合态Cd占总Cd的48.71%。Joel[33]研究发现微生物分解石油烃时能产生过量交换态锰、铁，对植物造成毒害。苏玉红[34]通过研究证实，在石油污染的不同土壤中，黑土对Pb2+的吸附能力随土壤中原油含量的增加而减小，主要原因是原油进入土壤有机质后减小了腐殖质对Pb2+的整合作用，而砂土、粘土中石油的存在对其吸附重金属离子Pb2+的能力影响较小，可能由于矿物质表面吸附居主导地位。

3 结语

前人的研究多聚焦于植物-微生物联合修复单一的石油或重金属污染土壤。本研究提出了“植物-微生物联合修复石油-重金属复合污染土壤”的思路，以实现复合污染土壤的快速有效修复。

在了解了重金属随石油进入土壤，其存在形态、复合污染特征、生物生态效应的同时，必需了解石油-重金属复合污染土壤的生物修复过程中重金属的土壤环境行为，明确土壤石油-重金属复合污染植物-微生物联合修复过程中土壤重金属DTPA提取态、重金属形态、重金属生物有效性等的变化规律。这是土壤石油-重金属复合污染能否实现联合修复的前提。因此，目前亟需对石油-重金属复合污染土壤的生物修复过程中重金属的形态变化进行研究，为经济、安全、高效、实用的石油-重金属复合污染土壤的联合修复技术的研发提供理论基础。

[1]吕志萍，程龙飞.石油污染土壤中石油含量对玉米的影响[J].油气田环境保护，2001，11（1）:36-37.

[2]杨苏才，南忠仁，曾静静.土壤重金属污染现状与治理途径研究进展[J]. 安徽农业科学，2006，34（3）:549-552.

[3]周泽义.中国蔬菜重金属污染及控制[J].资源生态环境网络研究动态，1999，10（3）:21-27.

[4]杨苏才，南忠仁，曾静静.土壤重金属污染现状与治理途径研究进展[J]. 安徽农业科学，2006，34（3）:549-552.

[5]沈国清，陆贻通，周培.土壤环境中重金属和多环芳烃复合污染研究进展[J].上海交通大学学报:农业科学版，2005，23（1）:102-106.

[6]周东美.土壤中有机污染物-重金属复合污染的交互作用[J].土壤与环境，2000，9（2）:143-145.

[7]NDUKA，JK C，Constance E，Selective bioac cumulation of metals by different parts of some fish species from crude oilwater[J].Bul.Environ.Contam.Toxicol，2006，77:846-853.

[8]NWADINIGWE C A，NWORGU O N.Metal contaminants in some Nigerian wellhead crudes comparative analysis[J].Chem.Soc.Nigeria，1999，24:118-121.

[9]OSUJIL C，ONOJAKE C M.Trace heavy metals associated with crude oil:A case study of Ebocha-8oil-spill-polluted site in Niger Delta，Nigeria[J].Chem.Biodiversity，2004，1:1708-1715.

[10]CHUKWUJINDU，LWEGBUEM A.Assesment of heavy metal speciation in soils impacted with crude oil in the Niger Delta，Nigeria[J].Chemical Speciation and Bioavailiability，2011，23（1）:7-15.

[11]邵涛，刘真，黄开明，等.油污染土壤重金属赋存形态和生物有效性研究[J]. 中国环境科学，2000，20（1）:57-60.

[12]PAWL T K，EDWARD J C.Hydrocarbon contaminated soils and ground water[M].Lewis:Lewis Publishers INC，1991:187-253.

[13]姜昌亮.石油污染土壤的物理化学处理——生物修复工艺与技术研究[D].沈阳:中国科学院应用生态研究所，2001:1-20.

[14]李永涛，吴启堂.土壤污染治理方法研究[J].农业环境保护，1997，16（3）:118-122.

[15]钱暑强，刘诤.污染土壤修复技术介绍[J].化工进展，2000（4）:10-12，20.

[16]NELSON E C，WALTER M V，BOSSERT ID，et al.Enhancing biodegradation of petroleum hydrocarbons with guanidinium fatty acids[J].Environ Sci.Technol，1996，30（7）:2406-2411.

[17]BALLYD，ASANO T，JILL P，et al.Bacterial consortia for crude oil remediation[J].Water Sci.Technol，1996，34（10）:187-193.

[18]UNIVERSITY of AKRON.US:5508194 Nutrient medium for the biore mediation of polycyclic hydrocarbon contaminatedsoil[P].1996.

[19]李法云，藏树良，罗义.污染土壤生物修复技术研究[J].生态学杂志，2003，22（1）:35-39.

[20]ANDERSON T A.Bioremediation through Rhizosphere Technology[M].Washington:DC Amer Chemi Soci，1993，71-157.

[21]马溪平，付保荣，李法云，等.植物-微生物联合修复污染土壤的研究[J]. 中国公共卫生，2005，21（5）:572-573.

[22]杨强.有机污染物-重金属复合污染土壤植物修复技术研究[D].杭州:浙江大学，2004.

[23]丁克强，骆永明.苜蓿修复重金属Cu和有机物苯并[a]芘复合污染土壤的研究[J].农业环境科学学报，2005，24（4）:766-770.

[24]赵晓秀.重金属铜复合污染土壤中石油的微生物降解[D].大连:大连理工大学，2008.

[25] 贺建群，许嘉琳，杨居荣，等. 土壤中有效态Cd、Cu、Zn、Pb提取剂的选择[J]. 农业环境保护，1994，13（6）:246-251.

[26]朱波.紫色土外源锌、镉形态的生物有效性[J].应用生态学报，2002，13（5）:555-558.

[27]邵孝侯，邢光熹，侯文华.连续提取法区分土壤重金属元素形态的研究及其应用[J]. 土壤学进展，1994，22（3）:40-46.

[28]邵孝侯，侯文华，邢光熹.土壤固相不同组分对镉、锌吸持的研究[J]. 环境化学，1994，13（4）:340-345.

[29]韩凤祥，胡霭堂，秦怀英，等.几种土壤组分对原有土壤中锌的富集能力的研究[J]. 土壤学报，1991，28（3）:327-333.

[30]吴新民，潘根兴.影响城市土壤重金属污染因子的关联度分析[J]. 土壤学报，2003，40（6）:921-928.

[31]杨元根，E.PATERSON，C.CAMPBELL.城市土壤中重金属元素的积累及其微生物效应[J]. 环境科学，2001，22（3）:44-48.

[32]熊先哲，何勇田，张学询，等.石油烃降解物对Cd在土壤-植物系统中迁移转化影响的研究[J].应用生态学报，1995，6（4）:428-432.

[33]JOEL GIDDENS.Spentmoto oil effects on soiland crops[J].J Environl Qual，1976，5（2）:179-181.

[34]苏玉红，地拉热·木沙.重金属离子Pb2+在石油污染土壤中的吸附作用[J]. 干早环境监测，2003，17（2）:67-69.

Study on Phyto-Microbial Remediation of Petroleum-Heavy Metals Contaminated Soil

Chen Xuelan，Cheng Jiemin
（College of Population,Resources and Environment,Shandong Normal University,Jinan Shandong 250014,China）

It is proved that plant-microorganism combined bioremediation is a potential way to remediate contaminated soils with multiple pollutants of oil and heavy metals.However,the various existing forms of the heavy metals are vital to remediation efficiency and whether it is needed to increase the auxiliary project or not.Thus,the change of availability and forms of heavy metals during microbial remediation in petroleum-heavy metals contaminated soil should be investigated.

speciation distribution of heavy metals； multiple contamination；phyto-microbial remediation；soil

X53

A

1008-813X（2012）05-0035-04

10.3969/j.issn.1008-813X.2012.05.011

2012-09-18

国家公益项目子项目《盐渍土壤石油-重金属复合污染修复技术及示范》（201109022）

陈雪兰（1987-），女，山东莱芜人，山东师范大学环境科学专业硕士生在读，主要从事土壤污染的植物修复技术研究。