秸秆载体腐解对微生物修复石油污染的影响

张　涵， 张秀霞， 尚琼琼， 郑红婷， 刘国臣

(中国石油大学 化学工程学院 环境与安全工程系， 山东 青岛 266580)



秸秆载体腐解对微生物修复石油污染的影响

张涵， 张秀霞， 尚琼琼， 郑红婷， 刘国臣

(中国石油大学 化学工程学院 环境与安全工程系， 山东 青岛 266580)

摘要：以一种农作物秸秆(简称MG)为载体，采用高效石油烃降解菌群制备固定化微生物，在花盆中模拟石油污染土壤的原位修复。在污染土壤中分别加入秸秆(MG)、游离菌、秸秆(MG)+游离菌、秸秆(MG)固定化微生物，并以只含土著菌的土壤样品为对照，定期测定不同修复方式下土样中石油烃、腐殖质、胡敏酸含量和微生物数量，考察微生物对石油污染土壤的修复作用及MG腐解对修复的影响。结果表明，随着修复的进行， MG在土壤中逐渐腐解，土壤中腐殖质和胡敏酸质量分数明显增高，加入固定化微生物的土样中腐殖质和胡敏酸质量分数增长率最高，分别增加了44.58%和39.27%；加入固定化微生物的土样修复35 d的石油烃降解率最高，达到41.78%，且微生物数量最多，其次为添加MG+游离菌的土样，石油烃降解率为 31.75%，均高于只含游离菌土样的石油烃降解率27.83%。载体MG腐解产生的腐殖质和胡敏酸对石油污染土壤的修复起到了明显的促进作用。

关键词：秸秆；固定化微生物；石油污染土壤；腐解

在石油资源的大规模和高强度的开采、储运和加工过程中，因操作管理不当等诸多因素，易造成土壤的石油污染，严重影响土壤的理化性质[1]和生物特性[2]。微生物应用于石油污染土壤修复的效果明显。传统微生物修复技术多采用游离菌，存在单位体积内有效降解菌浓度低、与土著菌竞争处于弱势、抗毒性侵害能力差等缺点[3]。固定化微生物技术[4]克服了传统微生物修复技术的缺点，在石油污染土壤的治理方面显示出独特的优势[5]。

秸秆载体固定化微生物因其载体材料的化学组成、结构特性、腐解特性[6-7]，可以有效吸附高效石油烃降解菌及石油污染物，并提高土壤肥力[8]，改善土壤环境。近年来，对秸秆固定化微生物修复石油污染土壤的研究逐渐深入[9-11]，但作为固定化的载体，秸秆腐解对固定化微生物修复石油污染土壤的影响尚不明确。

笔者采用一种农作物秸秆(简称MG)作为载体，利用吸附法制备固定化微生物，通过花盆实验模拟秸秆固定化微生物对石油污染土壤的修复，并设置加入秸秆、游离菌、秸秆+游离菌的实验组，研究秸秆载体的腐解特性、微生物数量与修复效率之间的关系，以探究秸秆载体对微生物修复石油污染土壤的影响。

1　实验部分

1.1材料

土壤样品，取自胜利油田石油污染土壤，pH值为7.28，含水质量分数为2.70%，石油烃质量分数为4.19%，腐殖质质量分数为10.24 g/kg。将土壤中的植物残体和碎石除去，过3 mm筛后，风干备用。

秸秆MG，粉碎后过40目筛，灭菌，备用。

高效石油烃降解菌H3和H4，从胜利油田石油污染土壤中筛选出，其在原油培养基中的5 d石油烃降解率分别达到31.48%和37.56%； H3和H4的活化菌液体积比为3/2时，5 d石油烃降解率最高，达47.50%，所以以该比例构建混合菌液N。

1.2固定化微生物的制备及载体生物量的测定

采用高效混合菌液N，以粉碎过筛的秸秆MG为载体，吸附法制备固定化微生物。采用平板稀释涂布法计算载体生物量，同时取1 mL游离菌，以相同方法进行计数，计算1 g固定化微生物与游离菌的对应微生物量。得到固定化微生物MG材料吸附细菌数目为1.25×1010个/g，游离菌液细菌数量为2.66×1010个/mL，等量换算关系为1.25×1010/2.66×1010=0.47(mL/g)，即1 g固定化微生物对应0.47 mL游离菌液所含的生物量。

1.3土壤和秸秆性质的测定

采用超声萃取-紫外分光光度法进行测定石油烃质量分数[12]；采用焦磷酸钠-氢氧化钠浸提法(LY/T 1238-1999)测定腐殖质质量分数；采用重铬酸钾氧化外加热法(LY/T 1238-1999) 测定胡敏酸质量分数；采用平板稀释涂布法[13]测定微生物数量。

1.4石油降解率的计算

从降解前后的石油烃质量分数w0和w1，按式(1)计算得出石油烃降解率η。

(1)

1.5秸秆固定化微生物修复石油污染土壤的花盆模拟实验

将石油污染土壤分别置于10个花盆中，每盆500 g土壤。按照实验室前期工作得出的最佳降解条件[14]，调节土壤中C、N、P的质量比为100∶5∶1，并调节含水率在17%左右，对石油污染土壤按照表1的5种修复方式进行实验。其中固定化微生物的添加量为15%，游离菌液添加量为实验得出的与固定化微生物的生物量相等时的体积，秸秆添加量为与固定化微生物载体相同质量。

将花盆置于30℃恒温培养箱中进行35 d修复实验，每天对土壤进行补水、翻耕，按照四分法取样分析，取3组平行样测定结果平均值。每隔7 d测定各花盆中土壤的石油烃、腐殖质、胡敏酸的质量分数和微生物数量。

表1　石油污染土壤的不同修复方式

“+”— Added；“-”— Not added

2　结果与讨论

2.1石油污染土壤修复过程中石油烃降解率

采用表1所列不同处理方式修复石油污染土壤35 d过程中，石油烃降解率随时间的变化如图1所示。由图1可以看出，添加固定化微生物的5#土样35 d修复的累积石油烃降解率最高，达到41.78%，比只含游离菌的3#土样石油烃降解率高13.95百分点。这是由于固定化细胞颗粒的微环境能有效屏蔽土著菌、噬菌体和毒性物质对微生物的恶性竞争、吞噬和毒害，使其在复杂环境中也可稳定地发挥高效能[3]。其次是添加秸秆+游离菌的4#土样，其累积石油烃降解率达31.75%，比只含游离菌的3#土样石油烃降解率高3.92百分点。

图1　不同方式修复石油污染土样的石油 烃降解率(η)随时间的变化Fig.1　Petroleum hydrocarbon degradation rate(η) vs remediation time of petroleum contaminated soil samples with different restoration methods

在修复初期，同时添加秸秆和游离菌对污染土壤的修复作用比只添加游离菌的修复作用明显，因为秸秆的加入在一定程度上能降低土壤容重[15-16]，利于石油烃降解菌的呼吸和繁殖，从而促进石油烃的降解。随着修复时间的增长，添加的秸秆在土壤中发生腐解，转化成土壤的重要成分——有机质[17]，能够改良土壤结构，改善土壤理化性质[18]，为微生物提供良好的生长环境，促进石油烃降解菌发挥降解效能。对于添加秸秆的2#土样，35 d 修复得到的累积石油烃降解率为7.79%，高于只含有土著菌的1#土样，可见秸秆的添加能够提高土著菌的降解效率。

2.2秸秆MG在石油污染土壤修复过程中的腐解

2.2.1土壤修复过程中腐殖质质量分数的变化

在石油污染土壤修复过程中，对腐殖质质量分数进行定期测定，结果示于图2。

图2　不同修复方式下石油污染土样中腐殖质 质量分数随时间的变化Fig.2　Mass fraction of humic substances in oil contaminated soils vs remediation time under different restoration methods

由图2可以看出，除只含土著菌的1#土样外，其他处理方式下土样的腐殖质质量分数均随着时间的增长而增加。其中以添加固定化微生物的5#土样的腐殖质质量分数增加最多，由11.17 g/kg增长到16.61 g/kg，增加44.58%。添加秸秆+游离菌的4#土样和添加秸秆的2#土样中的腐殖质质量分数增加也较明显。结合图1可以看出，添加秸秆的2#土样累积石油烃降解率比只含土著菌的1#土样的降解率高3.45百分点，这是由于秸秆在土壤中的腐解产生腐殖质，腐殖质与土壤胶粒形成的有机-无机复合胶体，能够进一步增强对石油烃污染物的吸收，从而增加石油烃降解菌的效率，同时能够进行氧化还原反应，将石油烃氧化，促进其降解。

添加秸秆+游离菌的4#土样比只含游离菌的3#土样的累积石油烃降解率高3.92百分点，这是由于秸秆腐解产生的腐殖质增加了土壤中微生物的活性，腐殖质中多种功能基团的存在，增强了土壤过氧化氢酶[18]、脱氢酶[19]的活性，以及降解菌的新陈代谢作用的结果。

修复进行21 d后，添加秸秆的2#土样、添加秸秆+游离菌的4#土样和添加固定化微生物的5#土样的腐殖质产生速率逐渐增高。一方面，由于随着石油烃的降解，土壤的石油烃含量逐渐降低，有利于土壤中有益微生物的繁殖生长，土壤中能够腐解秸秆的微生物的活性增强，对秸秆的腐解速率增加；另一方面，秸秆表面难以腐解的蜡质结构在前期的腐解中被破坏，表面松散，与外界的接触面积增大，更易被腐解。

2.2.2土壤修复过程中胡敏酸质量分数的变化

胡敏酸中含有多种活泼的功能基团[20]，其中羧基、羟基等官能团可与土壤中的石油烃发生相互作用，影响石油烃的环境行为。不同修复方式下石油污染土样中胡敏酸质量分数随时间的变化示于图3。

图3　不同修复下石油污染土样的胡敏酸质量 分数随时间的变化Fig.3　Mass fraction of humic acid in oil contaminated soils vs remediation time under different remediation methods

结合图2和图3可以看出，胡敏酸作为腐殖质的组成之一，在石油污染土壤的修复过程中其质量分数的变化趋势与腐殖质的大致相同。图3显示，与只含土著菌的1#土样相比，添加固定化微生物的5#土样修复35 d时，胡敏酸质量分数的变化最大，增加了39.27%；添加秸秆+游离菌的4#土样 的胡敏酸质量分数增加了31.93%，比只添加游离菌的3#土样的胡敏酸质量分数增加26.11%；添加秸秆的2#土样的胡敏酸质量分数也比只含土著菌的1#土样的高27.66%。由此可以看出，秸秆的加入显著增加了土壤中胡敏酸的质量分数。秸秆的腐解有利于土壤中石油烃的降解，同时，土壤中石油烃污染物的减少为秸秆的腐解提供了相对较好的环境，二者相互促进，达到修复石油污染土壤的目的。

2.2.3土壤修复过程中微生物数量

在微生物对石油污染土壤的修复过程中，微生物的数量是影响修复的关键因素。对修复过程中土壤中微生物数量进行定期测定，结果示于图4。

图4　不同修复方式下石油污染土样中微生物数量 随时间的变化Fig.4　Microbial number of petroleum contaminated soils vs remediation time under different restoration methods

由图4可以看出，在修复过程中，各修复方式下的土样中微生物的数量均有所增加。加入游离菌、秸秆+游离菌、固定化微生物的土样中，微生物的初始数量明显高于加入秸秆和只含土著菌的土样的，说明外源菌的加入能够明显增加土壤中的微生物数量。其中固定化微生物因其适应能力强，死亡率较低，故其对土壤微生物数量的增加效果最为明显。

修复初期，添加秸秆的2#土样的微生物数量比只含土著菌的1#土样微生物数量多，这是由于秸秆的加入，增加了土壤的孔隙度，利于微生物的有氧呼吸和代谢，从而促进了有益微生物的生长繁殖[21]。随着修复的进行，添加秸秆、添加秸秆+游离菌和添加固定化微生物的土样中的秸秆发生腐解，产生的腐殖质能够与其中的有机污染物和重金属等有毒物质结合形成团粒[22]而降低毒性；同时，秸秆的添加增加了土壤中的N、P等营养物质，被微生物所利用，从而促进了土壤中微生物的生长。其中添加固定化微生物的5#土样由于固定化微生物的修复效率最高，土壤的环境得以明显改善，微生物数量最多，并保持稳定增长。

2.3土壤腐解特性、微生物数量与石油烃降解率的相关性

采用SPSS19.0方法分析了土壤中秸秆腐解特性、微生物数量与石油烃降解率的相关性，结果列于表2。

表2　土壤中腐殖酸质量分数、微生物数量与石油烃降解率的相关性

1) The correlation is significant at the 0.05 level.

由表2可以看出，与腐殖质质量分数相比，微生物数量与石油烃的降解率相关性较高。结合图1～图4可以看出，添加游离菌的3#土样的累积石油烃降解率和微生物数量均明显高于只添加秸秆的2#土样，而腐殖质和胡敏酸质量分数却低于2#土样。可见，在土壤石油烃的降解过程中，与秸秆腐解产生的腐殖质相比，高效石油烃降解菌所发挥的作用较大；同时，秸秆的加入能够增加土壤中的腐殖质和胡敏酸质量分数，提高石油烃降解率。因此，秸秆腐解所产生的腐殖质能够对修复起到明显的促进作用。

3　结　论

(1)秸秆作为载体对微生物修复石油污染土壤有明显的促进作用。经秸秆固定化微生物、秸秆+游离菌修复35 d的土壤中，石油烃降解率分别达到41.78%、31.75%，比只有游离菌修复的土壤分别提高13.95和3.92百分点。

(2)秸秆固定化微生物的加入提高了石油污染土壤的腐殖质和胡敏酸的质量分数，有利于石油污染土壤的修复。

(3)经过相关性分析，在石油污染土壤的修复过程中，降解菌的存在发挥主导作用，秸秆腐解所产生的腐殖质能够明显促进石油污染土壤的修复，秸秆固定化微生物修复效率高是二者共同作用的结果。

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收稿日期：2015-07-13

基金项目：山东省自然科学基金项目(ZR2014BM023)、中国石油科技创新基金项目(2009D-5006-07-01)、青岛市科技发展指导计划项目(KJZD-12-65-jch)、中央高校基本科研业务费专项资金(11CX05011A)、中国石油大学(华东)研究生创新工程(CX-1219)、(CX2013035)、研究生金点子项目(JDZ1405030)和中央高校基本科研业务费专项资金(14CX06101A)资助

文章编号：1001-8719(2016)04-0767-06

中图分类号：TE991.3

文献标识码：A

doi:10.3969/j.issn.1001-8719.2016.04.016

Effect of Straw Carrier Decomposition on Remediation of Petroleum Contaminated Soil by Microorganism

ZHANG Han，ZHANG Xiuxia，SHANG Qiongqiong，ZHENG Hongting，LIU Guochen

(DepartmentofEnvironmentalandSafetyEngineering,CollegeofChemicalEngineering,ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,China)

Abstract：The immobilized microorganism was prepared by highly efficiency petroleum hydrocarbon degrading bacteria and straw carrier material MG, and used to simulate the in situ remediation of petroleum contaminated soil. The MG, free bacteria, MG plus free bacteria, immobilized microorganism were added into petroleum contaminated soil, respectively, and a control group containing only indigenous bacteria was set up. The content of petroleum hydrocarbons, humic substances, humic acid and the microbe quantity in the soil of different remediation methods were determined at set intervals to investigate the effect of microorganism on petroleum contaminated soil and the effect of MG decomposition on the remediation. The results showed that MG in the soil gradually decomposed along with the restoration, causing the increases of humic substances and humic acid contents in soil obviously. The increasing rates of humic substances and humic acid mass fraction of petroleum contaminated soil with the addition of immobilized microorganism were 44.58% and 39.27%, respectively, both were the highest values among these remediation methods. The highest degradation rate of 41.78% for 35 d remediation of petroleum contaminated soil with immobilized microorganism and the most microorganism number were obtained, and next one was the petroleum contaminated soil containing MG plus free bacteria, with the petroleum hydrocarbon degradation rate of 31.75%, higher than 27.83% of the petroleum contaminated soil containing free bacteria added only. Humic substances and humic acid produced in decomposition of MG have significant effect on the remediation of oil contaminated soil.

Key words：straw; immobilized microorganism; petroleum contaminated soil; decomposition

第一作者：张涵，女，硕士研究生，从事石油污染土壤修复研究工作

通讯联系人：张秀霞，女，教授，博士，从事石油污染土壤修复研究工作； E-mail:zhxiuxia@upc.edu.cn