石油－重金属复合污染土壤的微生物修复研究

高宪雯，成杰民，陈雪兰，高 佳

（山东师范大学·人口资源与环境学院，山东 济南 250014）

1 引言

石油号称“工业的血液”，是重要的工业原料，同时又是燃料与能源。随着工业化的不断发展，全球石油用量不断增加，使得开采面积不断扩大。目前每年世界石油的总产量近30亿t，由于意外事故或管理不当，在开采、运输、贮藏、加工过程中，约有近800万t石油污染物进入环境，其中大部分污染物进入到土壤中［1］。土壤石油污染已经成为一个全球性的、突出的环境问题。我国目前每年有近60万t石油污染物进入环境，有近10万t石油污染土壤有待解决［2］。东北、华北、华南、华东、西北不同地理位置和气候特征的油田区土壤均受到了不同程度的石油污染，含油率最高可达到23%［3］。而大庆、辽河等油田的重污染区的土壤表层（0～20cm）的含油量更是高达30%～50%［4］。土壤石油污染问题已经成为我国可持续发展所面临的重要问题。

在钻井废弃物的毒性检测工作中，一些常见的具有危害性的金属几乎全部检到了踪迹，如Zn、Pb、Cu、Cd、Ni、Hg、As、Ba、Cr等。叶雅文认为，这些金属元素可能是伴随开采过程中钻井液添加剂、基础添加材料（如低品质的重晶石）进入体系的，也可能是随钻屑由地层中携带出来的。大多数重金属的致毒浓度均较低，如Cd的致毒浓度为0.2μg／L，而油田废水中Cd的平均含量可达到2.7μg／L［5］。因此，石油－重金属复合污染问题亟待解决。

石油污染土壤的修复方法主要有物理、化学、生物和综合修复方法，而生物修复方法费用低、对环境影响小、无二次污染、不破坏土壤环境，因此采用生物方法来修复石油污染土壤。土壤微生物修复是利用土壤中微生物的代谢作用将土壤中有害的污染物降解为无害物质的过程。土壤微生物修复技术是利用土壤中原有的土著微生物或者向土壤中投加的已经驯化好的微生物，并在原有的土壤生态环境中添加适当的营养物质，分解和转化有机污染物，加快修复污染土壤。

本文以山东省黄河三角洲孤岛油区石油污染土壤为研究对象，通过测定不同时期的土壤脱氢酶活性、微生物生物量碳、石油烃浓度及降解率来研究微生物在石油－重金属复合污染土壤修复过程中的作用，对石油－重金属复合污染土壤的修复，具有重要理论作用和实践意义。

2 材料与方法

2.1 材料

供试土壤:采自山东省东营市孤岛油区典型的石油－重金属复合污染的耕层土壤（0～20cm），经风干磨细过20目筛备用。

供试仪器:电子天平、紫外－可见分光光度计、干燥器、真空泵、振荡器、离心机、恒温加热消煮炉、超声波器。

供试试剂:实验所用试剂均为分析纯。

供试菌种:来自山东省科学院前期研究所筛选出的石油降解菌。

2.2 研究方法

称取0.5kg过20目筛的风干土于塑料钵中，选择2种重金属（Cd、Ni），设 Cd浓度为 0、2.5、5、10、15、20 mg／kg，设 Ni浓度为0、25、50、100、150、200mg／kg，配置模拟污染土，每种处理设对照组和实验组，每组重复3次，在室内培养60d，重金属在土壤中的各形态分配达平衡后备用。

将石油烃溶解后加入土壤并充分混合，施加石油烃浓度达到2000mg／kg，实验组施加40mg／kg的石油降解菌剂，对照组不施加，混匀后装盆，共66盆，并保持土壤水分在田间持水量的60%～70%，以备测定。

分别测定土壤在7d、15d、30d、45d、60d的脱氢酶活性、微生物量碳、石油烃含量来研究微生物在石油－重金属复合污染土壤修复过程中的作用。

2.3 分析方法

2.3.1 脱氢酶活性的测定

采用TTC（氯化三苯基四氮唑）分光光度法［6］。

（1）绘制标准曲线。配置溶液浓度分别为0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7mg／mL的 TTC标准溶液，取8支具塞比色管，分别依次加入2mLTris－HCl缓冲溶液（pH＝7.6）、2mL去离子水和0.4mL不同浓度的TTC标准溶液。然后分别加入2mL的50mg／mL的Na2S溶液，振荡摇匀。反应20min，待充分显色后，加入5mL甲苯，振荡萃取微红色的TPF，过滤后上清液于485nm处测定吸光度值。以TPF的浓度为横坐标，以吸光度A值为纵坐标绘制标准曲线。

（2）土样测定。分别取5g新鲜土壤样品于塑料瓶中，每个塑料瓶加入2mL 1%TTC溶液，2mLTris－HCl缓冲溶液（pH＝7.6），2mL 1%葡萄糖，充分混匀。置于37℃恒温箱中避光培养20h。培养结束后，加入5mL甲苯，剧烈震荡1min，后静置5min，再振荡30s，然后静置5min。将塑料瓶中的物质经0.45微米有机滤膜过滤到比色管中，并用少量的甲苯洗涤塑料瓶2～3次，定容到25mL，于485nm下测定吸光度值A，以每克干土每小时生成的TPF为脱氢酶的一个活性单位。

（3）计算公式:

CTPF为TPF 的浓度（μg／mL），W 为烘干土质量（g）。

2.3.2 微生物生物量碳的测定

采用熏蒸提取－容量分析法。

（1）熏蒸。称取10g新鲜土壤三份，置于50mL小烧杯中，放于真空干燥器内，并放置盛有去乙醇氯仿（约2／3烧杯）的小烧杯2只，烧杯内放入少量沸石，同时放入一小烧杯稀NaOH溶液以吸收熏蒸期间释放的CO2，干燥器底部加入少量的水以保持湿度。连接真空泵，将真空度控制在－0.07MPa以下，使氯仿剧烈沸腾3～5min，关闭真空干燥器阀门，在25℃暗室放置24h。熏蒸结束后，取出氯仿和NaOH溶液的烧杯，清洁干燥器，反复抽真空（－0.07MPa；5～6次，每次3min），直到土壤无氯仿味为止。熏蒸的同时，另称取等量的土壤3份，置于另一干燥器中但不熏蒸，作为对照土壤。

（2）提取。将熏蒸土壤转移到100mL塑料瓶中，加入40mL 0.5mol／L的K2SO4溶液，振荡30min，用中速定量滤纸过滤到塑料瓶中，同时向对照土壤中直接加入40mL 0.5mol／L的K2SO4溶液提取，并作无土壤空白。

（3）测定。吸取10mL上述土壤提取液于消化管中，准确加入10mL 0.018mol／L K2Cr2O7－12mol／L H2SO4溶液，再加入少量的沸石，混匀后置于恒温加热消煮炉中，于175℃煮沸10min，冷却后转移到100mL锥形瓶中，用去离子水洗涤消化管3～5次，使溶液体积约为50mL，加入一滴邻菲罗啉指示剂，用0.05mol／L FeSO4标准溶液滴定，溶液颜色由橙黄色变为蓝绿色，再变为棕红色为滴定终点。

（4）计算公式:

M 为FeSO4溶液浓度（mol／L）；V0为空白消耗的FeSO4溶液体积（mL）；V为样品消耗的FeSO4溶液体积（mL）；f为稀释倍数；w 为烘干土质量（g）。

土壤微生物生物量碳:

Ec为熏蒸与未熏蒸土壤的差值；kEC为换算系数；取值为0.38。

2.3.3 石油烃含量的测定

采用超声提取－紫外分光光度法［7］。

（1）标准曲线绘制。取0.1g标准油，用CCl4稀释定容于100mL容量瓶中，制成1mg／mL的石油标准使用液，取8支25mL容量瓶，分别取0、1、2、3、4、5、6、7mL石油标准使用液，用CCl4定容，于260nm处测定吸光度，以石油烃浓度为横坐标，以吸光度值为纵坐标绘制标准曲线。

（2）土样测定。精确称取干燥试样10.00g于50mL离心管中，加人10mL四氯化碳，置于超声波器水浴中超声提取15min，静止过滤到25mL比色管中，再用10mL四氯化碳重复一遍上述操作，再用四氯化碳定容到25mL，在波长260nm处测定吸光度值。

（3）计算公式:

C石油烃为石油烃浓度（mg／mL）；W 为烘干土质量（g）。

3 结果与讨论

3.1 土壤石油降解变化

在微生物修复石油－重金属污染土壤过程中，土壤的石油烃降解速率随时间变化见图1～图4，Cd污染土壤与Ni污染土壤在微生物修复条件下，石油烃降解速率先随时间变化增大，在15d时达到最大值，随后随时间降解速率降低。对照组呈现的石油烃降解速率变化规律与实验组类似，在15d时达到最大降解速率，但实验组降解速率明显高于对照组降解速率。在15d时，25mg／kg Ni污染土壤实验组比对照组降解速率高0.45%／d。且随着重金属浓度的升高，石油烃降解速率降低，重金属污染影响了微生物降解石油烃的效率。

图1 Ni土壤对照组石油降解速率随时间变化

图2 Ni污染土壤实验组石油烃降解速率随时间变化

图3 Cd污染土壤对照组石油烃降解速率随时间变化

图4 Cd污染土壤实验组石油烃降解速率随时间变化

土壤石油烃降解率随重金属浓度变化结果见图5，结果表明:污染土壤的石油降解率均随重金属浓度增大而降低，且实验组石油降解率明显高于对照组:对照组培养60d后的土壤的石油降解率，Cd污染土壤为17.86%、Ni污染土壤为16.08%；实验组培养60d后的污染土壤的石油降解率，Cd污染土壤为44.27%、Ni污染土壤为44.03%。

3.2 土壤微生物活性变化

土壤脱氢酶活性与土壤微生物量碳可以反映土壤中微生物的活性，15d时土壤脱氢酶活性随重金属变化结果见图6，随重金属浓度增大，土壤脱氢酶活性降低，15d时土壤微生物量碳随重金属浓度变化结果见图7，随重金属浓度增大，土壤中微生物量碳量降低。土壤脱氢酶活性与微生物量碳都随着重金属浓度的升高而降低，因而土壤中微生物的活性受土壤中重金属浓度的影响，从而影响微生物对石油烃的降解效率。分析认为，重金属对土壤中的微生物具有抑制或毒害作用。

图5 土壤总石油烃降解率随重金属浓度变化

图6 土壤脱氢酶活性随重金属浓度变化

图7 土壤微生物量碳随重金属浓度变化

4 结语

本文以山东省黄河三角洲孤岛油区石油污染土壤为研究对象，通过添加降解菌，利用微生物修复技术修复石油－重金属复合污染土壤，可以达到降解土壤中石油烃浓度的目的。实验结果表明，添加降解菌可以提高土壤中的微生物活性，从而提高土壤中石油降解率，在添加降解菌培养60d后，添加降解菌的实验组和未添加降解菌的对照组石油烃平均降解率分别为45.60%和17.57%。在石油重金属复合污染中，重金属浓度影响了土壤中降解菌的降解效果，土壤中的脱氢酶含量与微生物量碳都随着重金属浓度的增大而降低，石油烃的降解率也随之降低，说明重金属对石油降解菌具有抑制或毒害作用。因而在石油－重金属复合污染土壤中，考虑重金属的去除或钝化，对石油污染修复有着重要意义。

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