外加电场对原油微生物修复油污土壤的影响

蔡言红,张琪雯,柴晓蝶,赵元寿,孙先锋

(1.西安工程大学 环境与化学工程学院,陕西 西安 710048;2.长庆油田分公司 第四采油厂,陕西 榆林 710021)

0 引 言

近年来,陕北地区大量开采石油资源,为国家和地方带来巨大经济效益的同时也产生了一些石油污染问题。据统计,陕北地区石油污染面积约708.16万m2[1-3],修复油污土壤刻不容缓。微生物法因其发展潜力大、产生污染小、修复效果佳等优点受到各界广泛关注[4-6]。外加电场耦合微生物处理技术被认为是最具研究前景的微生物修复土壤的技术之一。张振新[7]研究表明电场能够激活或加强某种酶的活性,促进酶化反应的进行,提高微生物处理能力和细胞繁殖速率,促进微生物生长和繁殖。范瑞娟等[8]提出,施以电场,降解菌活性和污染物的矿化率均得到了加强,石油降解菌的数量和石油去除率均得到了提升。文献[9]通过实验得出,施加电场刺激后,能够快速增加微生物的数量,维持微生物的竞争力和新陈代谢速度,加速污染物的去除。

本模拟实验将外加电场作为一种强化微生物降解油污的手段,应用于油污土壤修复。即通过施加电场,加快微生物的新陈代谢,提高微生物修复油污土壤的能力;同时提高污染物转化反应速率[9],使油污土壤得到深度修复,解决单纯微生物处理效率低、修复时间长等问题。

1 实 验

1.1 材料

1.1.1 仪器 Alpha-1900系列紫外可见分光光度计(上海谱元仪器有限责任公司);LYZ-111摇床(天津泰斯特仪器有限公司);JT-OIL460红外测油仪(天津市精拓仪器科技有限公司)。

1.1.2 油污土壤样品 采自陕北长庆油田某井场内,其理化性质为pH 8.08,含水率8.67%,有机质7.33%,含油率5.25%。

1.1.3 实验用菌 由实验室保存的高效降解石油微生物菌种SA-1和SA-2。(文后所出现的降解菌均指SA-1和SA-2混合菌株)。

1.1.4 实验装置 方形槽式室内含油土壤处理模拟系统,槽长宽高分别为36 cm,20 cm,24 cm,底层铺有约10 cm厚的油污土壤;电极选用高纯石墨电极；含油土壤处理模拟系统上层覆盖PVC膜,并设置通孔;电控系统为恒流稳压电源,可以提供0～220 V连续可调节电压的直流电。实验开始前,对含油土壤处理模拟系统进行75%酒精擦拭和30 min紫外灯照射灭菌处理,整个实验过程在无菌实验室中进行。

图 1 方形槽式室内含油土壤处理模拟系统Fig.1 Simulation system for indoor oily soil treatment with square trough

1.2 方法

1.2.1 混合菌液制备 将2株分离纯化的石油降解菌接种到已灭菌的牛肉膏蛋白胨液体培养基中,在35 ℃下,转速180 r/min摇床振荡培养24 h,进行菌种活化[10-11]。分别将SA-1和SA-2按照10%总投加量接种稀释制成菌液,然后按照一定比例将二者的菌液混合配制1 L,接种到液体培养基中备用。

1.2.2 混合菌株生长和分布的测定 电场强度的选择在很大程度上会影响电场耦合石油降解菌的降油效果,本实验在文献[12-15]的基础上进行了电场强度作用范围的优化研究。将按照一定比例制备的1 L混合菌液倒入方形槽式室内含油土壤处理模拟系统中,并外加不同电场强度0 V/m,100 V/m,120 V/m,140 V/m,160 V/m置于转速180 r/min恒温摇床中。以0 V/m为对比,培养温度为35 ℃,50 h后,以未接种的牛肉膏蛋白胨培养基为参比,在波长为600 nm下,采用紫外可见分光光度计测定光密度(OD)[14]。电场阴阳两极间距40 cm,从阳极端起间隔5 cm 取样,菌群数量分布及迁移特征均采用涂布平板分离培养,并采用平皿计数法[16],每8 h定期检测石油降解菌分布。每组设3个平行试样。

1.2.3 电场耦合混合菌株对油污土壤降解率的测定 实验采用室内模拟系统,施加最佳电场,按照混合菌液与油污土壤样品体积比1.5∶10加入含油土壤处理模拟系统中,加入适量蒸馏水,使含水率保持在50%左右,搅拌均匀;采用间歇式通电,每天作用8 h,分为2个时段,每个时段作用4 h;连续处理50 d后取样检测油污土壤含油率。含油量采用红外测油仪进行测定,计算石油的降解率,以不加电场(0 V/m)为对照。各项数据分别平行测定3次,取其平均值。

2 结果与讨论

2.1 电场强度对混合菌株生长的影响

2.1.1 降解菌在电场作用下的生长变化 混合降解菌株(SA-1和SA-2)在梯度电场作用下的生长曲线如图2所示。

图 2 不同电场作用下混合降解菌株生长曲线Fig.2 Growth curve of mixed degradation strain under different electric field

如图2所示,混合菌对不同电场强度的敏感程度有一定的差异,生长促进趋势先增后减,但其生长曲线基本都符合对数期到稳定期的过程。以电场强度为0 V/m为对照,可以得出,在电场强度为100 V/m,120 V/m,降解菌数量增加,说明电场有助于降解菌生长繁殖。电场促进降解菌生长代谢程度大小依次为120 V/m>100 V/m。当电场强度为140 V/m时,降解菌的生长繁殖几乎不受电场影响,其生长曲线与不加电场的生长曲线基本保持一致。160 V/m时，降解菌数量减少，生长受阻。相比之下,电场强度为120 V/m时,降解菌生长和代谢速率最快,电场对降解菌生长的促进作用最明显。因此,降解菌在120 V/m时,数量增加,生长繁殖加快,相对于其他4个电场强度而言,120 V/m是降解菌生长和繁殖的最佳电场强度。

2.1.2 混合菌株在电场作用下迁移特征 张灿灿等[10]提到,电场处理可以激发细菌的可培养性,使得细菌数量增加到原来的3倍。混合菌株(SA-1和SA-2)在梯度电场作用下数量增加变化趋势如图3所示。

图 3 不同电场作用下混合菌迁移曲线Fig.3 Mixed bacteria migration curve under different electric field

不同电场强度对石油降解菌行为影响是不同的。从图3可以看出,降解菌数量经历的变化趋势规律为两边低,中间高。在0 V/m下,降解菌整体数量处于较低水平,并且在电场中不同位置没有产生定向的运动。在电场强度为100 V/m，120 V/m下,降解菌数量急剧增加。100 V/m时,混合菌数最高达到3.890×106cfu·g-1；120 V/m时,最高达到7.140×106cfu·g-1。电场强化降解菌数量变化依次为120 V/m>100 V/m。当电场强度为140 V/m时,降解菌的数量几乎不受电场影响,其数量与不加电场的降解菌数量基本保持一致。而160 V/m时降解菌数量开始下降。相比之下,电场强度为120 V/m时,降解菌数量增加得最多,速度增长得最快,电场对降解菌的促进作用最明显。因此,120 V/m是降解菌的最佳作用电场。

2.2 电场强化微生物处理油污土壤效果分析

将电场耦合降解菌技术用于实际油污土壤样品处理中。以电场强度0 V/m为对照,土壤中油污降解效果如图4所示。从图4可以看出,在电场强度120 V/m下,土壤样品石油降解率分别为75.8%,72.4%,90.2%。0 V/m时,降解率分别为60.8%,58.6%,78.2%,降解率分别提高了15.0%,13.8%,12%。可见,适当电场可以提高石油降解菌降解油污能力,电场耦合降解菌降解石油效果显著。石油降解菌细胞的等电点在2～5之间,而长庆油田油井附近的土壤属于弱碱性,微生物在该条件下会带负电荷。在外加电场的作用下,微生物细胞表面的原有电位差发生了改变,破坏了微生物细胞内外离子浓度的平衡,促使营养物质可以顺利进入到细胞体内,从而促进了微生物的生长与新陈代谢。油污土壤样品分析结果显示，电场耦合降解菌降解石油是一项高效、可行的技术。

图 4 电场对土壤油污降解效果影响Fig.4 Effect of electric field on soil oil pollution degradation

2.3 油污土壤样品处理方法对比

为了进一步考察电场强化石油降解菌作用对油污土壤的修复特性,以陕北长庆油田某井场油污土壤为实验样品，进行相关对比实验。实验设计为:1#:不加降解菌,不加电场;2#:不加降解菌,加电场;3#:加降解菌,不加电场;4#:加降解菌,加电场。降解菌为实验保存的2株混合降解菌;按照模拟实验优化最佳电场强度120 V/m。对1#，2#，3#，4#试样处理后的石油降解率如图5所示。

图 5 不同方法对土壤油污降解效率影响Fig.5 Effect of different methods on soil oil pollution degradation rate

从图5可以看出,土壤样品经过不同方法处理后,含油率均有不同程度的下降。1#是土壤中本身所含油污的土著微生物作用下完成降解的,随着时间的变化降解率分别是18.9%，24.3%，28.3%，29.1%，27.7%。土著微生物降解能力有限,降油率最高仅为29.1%。2#是在电场作用(电迁移、电渗析、电泳)和土壤本身所含油的土著微生物共同作用下完成降解的,电场可能刺激了土著微生物的活性,在一定基础上提高了石油降解率,降油率最高45.6%。3#是2株实验室保存的降解菌株与土壤中本身所含有的其他土著微生物共同作用下完成降解的,降油率最高为70.6%。降油率分别提高了41.5%，25.0%。4#是电场混合降解菌降解土壤中油污,降油率最高达到了90.2%。相比1#，2#，3#,降油率分别提高了61.1%，44.5%，19.5%,降油效果十分显著。随着时间的变化,不同方法下降油率大小依次为4#>3#>2#>1#。由图5分析可得,1#，2#及3#的处理方法也促进了石油的降解,但是三者降解效果均不如4#,在充分结合2株菌株的降解优势下施加电场,油污土壤降解率得到很大提高。电场强化微生物修复油污土壤效果显著,具有广泛应用前景。

3 结 论

(1) 将模拟实验菌种施加不同电场强度,通过降解菌生长趋势和数量变化,优化电场强度为120 V/m。

(2) 以电场强度0 V/m为对照,电场强度为120 V/m时,电场耦合石油降解菌技术应用到实际样品分析和检测中,油污土壤样品降解率最高达到90.2%,表明电场通过促进石油降解菌生长和繁殖可以提高石油降解率。

(3) 电场耦合石油降解菌的油污去除率,比单一电场、单纯微生物处理的降油率分别提高了44.5%，19.5%,处理效率得到很大提高,缩短了石油污染土壤修复时间。因此,电场耦合石油降解菌技术作为一种高效、实用土壤油污降解技术,具有广泛的应用前景。