表面活性剂对焦化厂土壤强化修复的效应研究

叶毓婧

（广东省深圳生态环境监测中心站 广东深圳 518000）

引言

在焦化厂的生产过程中，由于化石燃料的不完全燃烧，加之焦油、煤气等产品的加工，在各个生产车间内都有可能产生多环芳烃（PAHs）等有机物质，对周边土壤、大气、水体环境造成严重的污染。据调查，我国几乎所有的焦化厂及其周边土壤均受到了一定程度的有机污染，部分土壤中有机物含量高达470μg/g[1]。PAHs 具有强致癌性、致突变性和致畸性的“三致”效应，对微生物的生长繁殖有着很强的抑制作用[2]。同时，PAHs 类物质因具有水溶性差，辛醇-水分配系数高等特性，极易吸附或残留于土壤环境中，而且在水中的溶解度很低，只能非常缓慢地解析或微溶于水中，加上PAHs 类物质的生物有效性比较低，很难通过淋溶、挥发等作用或通过土壤中的植物吸收及微生物降解过程而被去除[3]。因此，更加有效且具有专一性的土壤PAHs 污染修复方法亟须开发。

向土壤中添加表面活性剂实现对微生物的增效进而处理土壤中PAHs 的方法，是当前处理土壤PAHs 污染最有潜力的修复方法之一。表面活性剂因其具有特殊的性质和结构，可对PAHs 污染的土壤进行增溶洗脱，促进PAHs 从土相迁移至水相的传质过程，使土壤中的PAHs 易于被微生物所降解，提高有机物的生物有效性[4]。本研究通过考查添加不同类型表面活性剂对土壤中有机物含量、微生物总数和微生物活性的影响，挑选出最合适的表面活性剂，为焦化厂污染土壤的修复提供一定理论依据[5]。

1 材料与方法

1.1 试验样品的采集与分析

实验分析所采用的土样是广东某焦化厂表层0～20cm 深的土壤，取样过程中所采用的样品袋、样品铲等工具均需进行消毒灭菌，样品经过自然风干、研碎以及2mm 筛筛分备用[6]。调节土壤含水率至15%左右并适时翻土通气以恢复其微生物活性，经过10d 后测定土壤中有机物总量、碱解氮含量、速效磷含量、微生物总数及微生物活性，具体性质如表1 所示。从表1 可知，所取土样中有机物含量很高，而微生物总数及微生物活性相对比较低。

1.2 实验仪器与试剂

1.2.1 实验仪器

DL-CJ-2NDII-双人单面垂直流净化工作台，上海杰晟科学仪器有限公司生产；WFZUV-2100紫外可见分光光度计，上海双旭电子有限公司生产；LRH-250DL 生化低温培养箱，上海叶拓科技有限公司生产；TGL-16M 台式高速冷冻离心机，上海赵迪生物科技有限公司生产；LSB50L-II 立式蒸汽灭菌锅，上海沪粤明科学仪器有限公司生产；WY-SXT-02 索氏提取器，山东伍跃仪器有限公司生产；气相色谱-质谱联用仪7890A-5975CMSD，安捷伦生产。

1.2.2 实验试剂

十二烷基苯磺酸钠（LAS）、十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）、吐温（Tween 80），均为分析纯。

1.3 实验设计

按照表2 方法对土样进行氮（N）、磷（P）的调节，并投加表面活性剂。分析表1 数据并按微生物生长所需的营养元素C:N:P＝100:10:1 的比例进行调节，发现原土中N 的含量已经可以满足微生物生长所需，只需对P 元素进行投加，投加量如表2 所示。

表2 土样条件设计 （单位：g）

1.4 实验方法

实验分3 组，每组均设计3 个平行样品，实验共分5 个周期进行，每个周期为7d。实验土样在培养过程中定期浇水，并翻土通气，同时按周期对土样中的各项指标进行监测。主要监测指标为土壤有机物总量、微生物总数及微生物活性，将原土土样和经5 个周期培养后的土样进行GC-MS 分析，评价土样中有机物种类的变化[7]。

土壤有机物总量测定采用索氏提取法，碱解氮含量测定采用碱解扩散法，速效磷含量测定采用碳酸氢钠法，微生物总数测定采用MPN 法，微生物活性测定采用FDA 活性法。实验所用GC-MS 测定仪进样口温度为300℃，分析使用柱号为Agilent190912-436 的色谱柱，毛细管柱规 格 为60cm×250μm×0.25μm， 每 次 进 样1μL。GC 炉温采用程序升温，40℃保持2min 后，以5℃/min 升温至290℃，保持10 min。

2 结果与讨论

2.1 土样有机污染物总去除率

测定土壤中的有机物含量可以直观地表征表面活性剂修复污染土壤的效果，评价修复方法的有效性。实验过程中5 种土样所含有的有机污染物总量与去除效果如表3 所示。

表3 土样有机污染物总量与去除效果

依据表3，分析各阶段数据，显示3 份添加了表面活性剂的土样中有机物含量均有不同程度的下降。其中，添加了CTAB 和Tween 80的土样中有机物含量下降显著，分别达到了1.5mg/g 和1.41mg/g，降解量分别为40.28%和39.47%，强化修复的效果十分明显。然而，在同等情况下，添加了LAS 的土样中有机污染物含量降解的程度相对较低，只下降了1.299mg/g，但降解量仍达到了33.65%，修复效果也很明显。对于有机污染物含量的测定说明，向土样中添加表面活性剂可明显强化有机物污染土壤中的降解效果，其中添加了CTAB 和Tween 80 的效果更加明显。

2.2 GC-MS 测定土样多环芳烃组分的变化

分析土壤中所含PAHs 各组分含量的变化，可以直接表征各种表面活性剂对焦化土壤中有机污染物的降解过程。在升温过程中，不同保留时间所检测的物质就代表不同的有机物，积分得到的峰面积可以表征相应的有机污染物。不同处理方法土样中的多环芳烃种类及含量如表4所示。

表4 不同处理方法强化修复后土样中PAHs 组分变化

从表4 中可以看出，表面活性剂的添加会改变土样中PAHs 组分的含量，减少荧蒽和芘的含量，除阳离子表面活性剂中的苯并[a]蒽含量有所升高外，阴离子和非离子表面活性剂中的苯并[a]蒽都完全转化了，土样中开始产生三联苯和苯并[a]芘，且含量可观。调查文献显示，土壤所含的多种多环芳烃中，最容易被降解的分别为蒽、芘和苯并[a]蒽，与实验分析中优先降解蒽和苯并[a]蒽的结果相吻合。

2.3 土样中有机物总量与微生物特性的关系

文献显示，表面活性剂的添加可以对土壤中的有机污染物进行增溶洗脱，从而促进有机物从表层向水相的传质过程，改善有机物的生物有效性，进而促进微生物的降解过程，提高受污染土壤的修复效率。因此，探究表面活性剂对土壤有机污染物修复的强化过程，应从其对微生物的生长与增殖方面的影响进行考虑。微生物自身的生长需要从土壤中有机物里获取能量，因此促进微生物生长的效果可以表现为其活性的增加，而促进其增殖则应用土壤中的微生物总数来进行评价。

添加3 种表面活性剂后土样的有机物含量、微生物总数和FDA 活性的关系如表5 所示。随着土壤中有机污染物含量的降低，在第一个周期即前7d 时间内，添加Tween 80 的土样中对微生物FDA 活性的提高效果最为明显，FDA 活性从3.9μg 荧光素/（g·min）提高至13.8μg荧光素/（g·min），提高量高达9.9μg 荧光素/（g·min），而添加CTAB 和LAS 的土样中对微生物FDA 活性的促进效果稍差，FDA 活性提高量分别为2.5μg 荧光素/（g·min）和5.6μg 荧光素/（g·min），对微生物生长的促进效果并不显著。表面活性剂添加前期可能促进了微生物的生长，从而达到强化微生物修复的效果。

表5 添加表面活性剂的土样有机物总量与微生物特性关系

7d 以后，随着土壤中有机物含量的降低，FDA 活性均有所下降，但微生物总数表现为显著增加，尤其是在14d 以后，微生物总数呈现为大幅度增长趋势，经过了4 个周期（28d）的处理，添加了LAS 的土样中微生物总数提高最为明显，达到了16.7×104个·g-1干土左右，与0d 土样中的数值对比有将近10 倍的提高，效果非常明显。添加了Tween 80 的土样中微生物总数的提高量相对较少，但也达到了8.1×104个/g 干土左右，呈现良好的促进微生物生长的作用。相比较，添加了CTAB 的土样中微生物数量的提高量则非常少。综合考虑，表面活性剂添加后期可能主要促进了微生物的增殖，从而强化微生物修复效果。

结论

在添加表面活性剂促进微生物对土壤有机污染物降解的实验中，添加CTAB 的土样修复效果最为明显，添加Tween 80 的土样修复效果次之，而添加LAS 的土样修复效果较差。表面活性剂的添加均能对土样产生很好的修复效果。

向土壤中添加表面活性剂对微生物的生长和增殖过程表现为阶段性的促进作用，其中添加CTAB 的土样主要通过促进微生物增殖过程强化修复，而添加Tween 80 的土样主要通过促进微生物生长过程强化修复。表面活性剂强化修复效果通过促进土壤中微生物的生长增殖而实现。

向土壤中添加表面活性剂有助于强化土样中有机污染物的生物降解，土样中PAHs 的种类及含量有明显变化，其中大量的蒽和苯并[a]蒽被优先降解。