以菌糠为调理剂的柴油污染土壤堆肥技术

宋雪英, 梁茹晶, 孙礼奇, 何苗苗, 李玉双, 胡晓钧

(沈阳大学 区域污染环境生态修复教育部重点实验室, 辽宁 沈阳 110044)

土壤的石油污染已成为世界环境问题之一.当今世界石油总产量每年约22亿吨,其中17.5亿吨是由陆地油田生产的[1].在石油勘探、开采、储运、事故及含石油烃污水灌溉等过程中容易导致土壤的石油污染.据统计,全世界每年有800万吨石油进入环境,造成土壤污染.以油田为例,建1 500 m深的单井产生的含油泥浆可污染4～10亩土地[2].据统计,我国油井造成的土壤污染面积达10万多亩,这一数字每年还在增长.当土壤原油含量为3 100 mg/kg时,玉米减产10%,若原油含量达到500 mg/kg,则苯并[a]芘在玉米中的残留量超标,玉米不能食用[3].因此,土壤的石油污染对生态环境和人体健康造成了严重威胁[4-6].

目前,石油污染土壤的治理方法包括物理法、化学法和生物法.其中,堆肥法作为生物修复方法之一,凭借其操作简单、修复周期短、效率高的特点已被广泛应用[7-8].石油污染土壤堆肥法是将石油污染土壤与适当的材料相混合并堆放,利用微生物降解石油烃类.堆肥法通过加入土壤调理剂以提高微生物生长和石油生物降解的能量.20世纪80年代后期,石油污染土壤堆肥技术逐渐获得多个国家的关注与重视,并得到广泛的应用.

石油土壤、湿度、营养和土壤修复剂的正确混合是满足能源需求和最优化生物降解效率的关键[9].由于石油污染土壤的透气和透水性差、m(C)/m(N)比较高,因此,在堆肥之前需要使用大量能提高堆体N、P含量的调理剂,一方面是为了提高土壤的渗透性,增加氧的传输,改善土壤质地,另一方面是为了调节物料,调配合适的土壤m(C)/m(N)比,为快速建立一个大的微生物种群提供能源[10].目前常用的堆肥调理剂主要有木屑、秸秆、干草、树叶、稻壳等.这些调理剂存在的不足是,它们通常需要较长的时间才能被分解而使堆肥周期延长,另外有些调理剂还需要事先进行粉碎而消耗一定的能源.为此,本研究以菌糠这一食用菌生产废料作为新型调理剂,探索其在柴油污染土壤堆肥过程中的特性与效果,为石油污染土壤堆肥技术提供新途径,并为农业废弃物资源化提供技术支持.

1 材料与方法

1.1试验材料

供试土壤:以人工污染经老化2年的柴油污染土壤为供试土壤,土壤类型为红壤.柴油污染土壤的含水量为(13.80±0.40)%.土壤的初始总石油烃含量为(16 239±385)mg/kg.土壤采自南京化学工业园内四柳河沿岸的表层(0～20 cm)土壤,土壤机械组成为砂土(>50 μm)25%、壤土(1～50 μm)58%、粘土(<1 μm)17%,其他部分理化性质见表1.

表1 供试土壤的部分理化性质Table 1 Some physical and chemical properties of the experimental soil

供试外源菌株:以沈阳焦化煤气厂炼焦车间筛选的微生物混合菌为外源优势降解菌.

供试菌糠:菌糠为杏鲍菇生产废料,购自沈阳农业大学食用菌生产基地(东陵区).基质的主要成分质量分数为:木屑23%、棉籽壳23%、麸皮19%、玉米粉5%、豆杆粉28%、碳酸钙1%、糖1%.菌糠湿度为45.21%,菌糠干物质的有机质、总氮和总磷质量分数分别为52.3%、2.5%和1.9%.

1.2 仪器与试剂

主要仪器为水浴锅、旋转蒸发仪(上海,亚荣)、数显电热恒温干燥箱、马弗炉、分样筛、万分之一电子天平.主要试剂为氯仿、无水硫酸钠,均为分析纯试剂.

1.3 实验设计

为考察菌糠调理剂投加比例对柴油污染土壤堆肥过程中总石油烃降解效率的影响,以及堆肥过程中外源菌群投加对总石油烃降解效率的影响,本实验共设计8个处理,实验具体设计如表2.其中,T1为土壤灭菌并加微生物抑制剂(1%的HgCl2)处理,考察非生物因素对总石油烃去除的贡献;T2为土壤灭菌但无微生物抑制剂处理,考察自然条件下存在的微生物对总石油烃的降解去除;T3、T4和T5为添加菌糠调理剂处理,V(菌糠)∶V(土壤)=1∶1,不同之处在于T3堆体灭菌,T4堆体灭菌后投加外源混合菌,T5堆体未灭菌投加外源混合菌,考察外源微生物和菌糠中的微生物对柴油降解的影响;T6、T7和T8为添加菌糠调理剂处理,均未灭菌,V(菌糠)∶V(土壤)分别为1∶2、1∶1.5和1∶1,考察菌糠投加比例对柴油降解的影响.实验期间定期补水调节土壤含水率为最大持水量的50%.为了补充堆体中的氧气,每周翻堆一次.堆体的直径为10.5 cm,高为15 cm.

1.4 分析测试方法

土壤基本理化性质及菌糠基本理化性质的测定:土壤pH值、土壤及菌糠的有机质含量、总氮和总磷含量等基本理化性质的测定参考文献[11]的方法进行.

土壤样品的准备:将土壤样品混匀后用四分法缩分至约100 g.缩分后的土样经风干后,除杂,用玛瑙研钵研磨,至全部通过60目(孔径0.250 mm)尼龙筛,混匀后备用.

土壤总石油烃含量测定:采用重量法,步骤如下:用万分之一天平准确称取10 g试样于150 mL的磨口三角瓶中,均匀加入2 mL浓硫酸,过夜.于次日向三角瓶中加入20 mL的三氯甲烷(氯仿),摇匀,加塞,浸入水浴锅内,水温控制在(55±1) ℃,水浴提取1 h,取出,静置5 min,上清液用装有无水硫酸钠的三角漏斗过滤至烧杯中.重复上述操作2遍,合并上清液.将合并的上清液置于水浴锅上面,调温至65 ℃,蒸发至干.先后用万分之一天平称取空烧杯质量(M0,g)和上清液蒸干后的烧杯质量(M1,g),计算土壤中总石油烃含量.计算方法为:土壤中总石油烃含量/(g·kg-1)=103×({M1}g-{M0}g)/(10 g).

表2 柴油污染土壤堆肥实验设计Table 2 Experimental design of the composting of diesel fuel contaminated soil

土壤中微生物培养计数:分别于试验进行的30、60和90 d对盆栽各处理土壤中的细菌和真菌总数进行测试,采用稀释平板法,细菌计数采用牛肉膏蛋白胨培养基,真菌计数采用土豆葡萄糖培养基.

1.5 数据处理

试验数据结果以平均值±标准差的形式表示,利用Excel 2007软件进行画图处理.

2 结果与分析

2.1 柴油污染土壤堆肥过程中总石油烃的非生物降解

T1处理的土壤经过灭菌并添加了HgCl2生物抑制剂,考察柴油堆肥过程中的非生物去除的影响.试验结果表明:非生物因素(即挥发、光解等因素)对柴油去除的贡献较小,于试验进行的第30、60和90 dT1处理中的总石油烃去除率分别为3.26%、5.57%和6.83%(见表3).这一结果远低于宋玉芳等[12]118的以柴油为供试污染物进行无机盐液体培养模拟实验中培养40 d后的柴油非生物去除率(25.2±0.67)%以及Margesin等[13]采用柴油为供试污染物进行的土壤低温修复模拟实验中培养20 d后的柴油非生物去除率(16%～23%).这主要是因为,本实验用土是经人工污染并老化2年的柴油污染土壤,在自然老化过程中一些挥发性较强和易光解的成分大部分已被去除.此外,从表3的结果还可以看出,随着堆肥时间的延长,非生物因素对柴油的去除作用在逐渐减小,即0～30 d、31～60 d、61～90 d土壤柴油非生物去除率分别为3.26%、2.31%和1.26%.

2.2 柴油堆肥过程中总石油烃的微生物降解

表3中,T2,T3,…,T8处理均为由微生物降解作用占主导的柴油堆肥体系.T2处理为土壤灭菌后不添加微生物抑制剂的处理.与T1相比,T2处理的柴油去除率有显著的提高.在自然条件下空气中存在着大量的微生物,在接触柴油污染土壤后,一些适应性较好的微生物即可在此土壤中以柴油污染物为碳源,同时利用土壤中的营养元素生存繁殖.由T2处理的石油烃去除率结果(见表3)可见,微生物在堆肥初期的30 d内微生物的去除能力较弱,扣除非生物因素的影响,石油烃的微生物降解率为8.10%,随着时间的延长,微生物的降解能力显著提高,31～60 d石油烃的微生物降解率为16.93%,而在61～90 d内石油烃的微生物降解率明显下降仅为2.35%.T3,T4,…,T8处理均为添加杏鲍菇菌糠的堆肥体系.

表3 不同处理土壤中的总石油烃降解率Table 3 Degradation rate of the total petroleum hydrocarbons (TPHs) of soils in different treatments

由表3石油烃降解数据可见,总石油烃的微生物降解率较T1和T2得到了显著的提高,这其中包含了菌糠投加以及外源菌添加对石油烃降解的促进效应,具体分两个方面进行分析讨论.

2.3 菌糠投加对柴油污染物去除的影响

投加菌糠后,柴油污染物的去除得到了显著的促进,例如T3处理与T2处理相比较,在投加菌糠后,T3处理的柴油去除率在30、60和90 d分别比T2提高了22.48%、27.00%和26.72%.在其他调控因子相同的条件下,菌糠与污染土壤的体积比对石油烃污染物的降解有显著的影响(p<0.05),T6、T7和T8处理相比较,当菌糠与土壤的体积比由1∶2提高到1∶1.5再到1∶1的过程中,30 d时3个处理中总石油烃的去除率分别由24.75%提高到43.23%再到51.82%,即随着菌糠投加比例的提高(由1∶2到1∶1)总石油烃的去除率随之提高,菌糠与土壤的最适比例尚需进一步实验来确定.本研究中,菌糠中的微生物对石油烃降解具有显著贡献,T5(菌糠未灭菌)处理较T3(菌糠灭菌)处理总石油烃降解率在培养30、60和90 d时分别提高了12.6% 、7.1%和6.7%.邹德勋等[14]曾利用菌糠和玉米秸秆为调理剂进行餐厨垃圾好氧堆肥对比试验研究,发现菌糠是一种优于玉米秸秆的良好调理剂,餐厨垃圾与菌糠混合堆肥时堆体升温速度快,高温期持续时间长,堆肥过程中散发臭气较少,1次堆肥处理后发芽指数较高(55.6%),基本实现腐熟.可见,菌糠在有机污染物或环境有机废物堆肥治理中具有较好的应用前景.

2.4 外源混合菌群投加对柴油堆肥污染物去除的影响

考察外源混合菌群投加对柴油堆肥污染物去除的影响,结果表明:外源混合菌群的投加促进了柴油污染物的生物降解,例如,经90 d堆肥,在1∶1菌糠投加灭菌处理前提下,投加外源混合菌群处理(T4)较无外源混合菌群投加处理(T3)中石油烃降解率提高12.1%;在1∶1菌糠投加不灭菌处理前提下,投加混合菌群处理(T8)较无外源混合菌群投加处理(T5)中总石油烃降解率提高3.6%.

2.5 土壤中的微生物数量

于试验进行的第30、60和90 d测定不同处理土壤中的微生物数量(CFU),结果如图1所示.不同时间堆体中微生物的数量总体上变化较大,30 d时除T1对照外,其他处理中微生物的数量,真菌的数量级为107～108,细菌的数量级为109～1012;60 d时除T1对照外,其他处理中微生物的数量,真菌的数量级为106～107,细菌的数量级为107～109;90 d时除T1对照外,其他处理中微生物的数量,真菌的数量级为106～107,细菌的数量级为107～109.可以看出,60 d较30 d呈现微生物数量降低的趋势,90 d时微生物数量与60 d相对差异较小,微生物种群数量处于稳定状态.宋雪英等[12]116在采用无机盐液体培养基进行柴油污染物微生物降解动态研究中也曾发现,在柴油污染物的微生物修复前期(约30 d),体系中的微生物存在一个快速增长期,之后体系中微生物数量保持着较长一段时间的稳定期.

图1 堆肥30、60和90 d后各处理中微生物数量Fig.1 Number of bacteria and fungi in different treatments on day 30, 60 and 90

比较相同时间不同处理间的微生物数量变化情况,可以发现:30 d时,T7处理的微生物数量最多,数量级达到1012;60 d时,T2处理的微生物数量为最多,说明在自然条件下,环境中的微生物即可适应柴油污染土壤,并逐渐恢复微生物的种群数量;与60 d时相似,90 d时T2处理的微生物数量仍为最多.微生物的数量直接影响堆肥体系中石油烃污染物的降解效率,将总石油烃降解率数据(见表3)与微生物数量监测结果相结合进行分析,结果表明:微生物数量较高的阶段对应堆肥体系中的总石油烃去除率较高,即微生物数量与总石油烃的去除率存在正相关关系.

3 结 论

(1) 利用菌糠进行柴油污染土壤堆肥处理是较好的生物修复柴油污染土壤的方法,本研究中老化柴油污染土壤经过90 d的堆肥处理,其去除率最大可达到73%.

(2) 菌糠的投加比例对石油烃降解率影响较大,随着菌糠投加比例的提高,柴油污染土壤中总石油烃污染物的去除率随之增加.

(3) 微生物对柴油污染土壤中污染物的去除占主导作用,外源高效降解菌的添加显著提高了柴油污染土壤中污染物的去除率.

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