強化嗜油微生物對鹽堿土中石油類污染物的降解

劉曉艷, 李英麗, 王珍珍, 王 君, 張新穎, 田 翔, 趙 月

(1.上海大學環境與化學工程學院,上海 200444;2.黑龍江省第四地質勘察院,哈爾濱 150001)

強化嗜油微生物對鹽堿土中石油類污染物的降解

劉曉艷1, 李英麗2, 王珍珍1, 王 君1, 張新穎1, 田 翔1, 趙 月1

(1.上海大學環境與化學工程學院,上海 200444;2.黑龍江省第四地質勘察院,哈爾濱 150001)

利用從油田試驗場油污土壤樣品中分離出來的嗜油微生物,選擇典型的石油與鹽堿土制成的含油污泥作為研究對象.通過實驗模擬,研究不同條件下微生物對油類污染物的降解作用特征.實驗結果證明:在含水率 50%及施加了氮磷比為 10∶1營養物的樣品中,微生物對油污的降解效果最好;通過施加適量的 H2O2,可增強微生物的活性,進而提高微生物的降解油污能力;提供適宜條件,可以有效地加強嗜油微生物的降解能力及其對鏈烷烴的選擇性降解.

嗜油微生物;石油污染物;鹽堿土;降解

Abstract:The typical petroleum and oil-contaminated saline-alkali soil were chosen as samples.Aboriginal microorganisms were isolated from petroleum-contaminated soils at the oilfield test site.M icrobial degradation characteristics of petroleum pollutants were studied in simulations under different conditions.Experimental results show that degradation rates of micro-organisms were high in samples under the conditions of 50%water rate and 10∶1 N/P ratio. In addition,the microbial activity and degradation ability can be enhanced by using moderate H2O2to improve the oxygen content in the samp les.If suitable conditions can be provided,degradation and selective consumption of microbes for paraffins can be effectively increased,and used for molecular markersof petroleum pollution.

Key words:aboriginal-microbe;petroleum pollutant;saline-alkali soil;degradation

全世界每年約有近 800萬 t石油污染物進入環境,而我國每年有近 60萬 t進入環境[1],其中大部分污染物進入到土壤中.石油類污染物中的“三致”物質會被水體和土壤中的動植物所富集,并通過食物鏈傳遞給人體.當進入土壤的油濃度過高時,土壤孔隙會被堵塞而影響通氣性,并且大量土壤結構的活性表面會被油類包裹,會使嗜油微生物的活性受到抑制,導致其降解能力下降[2].目前,我國每年有近 10萬 t石油污染土壤有待解決[3].20世紀 80年代發展起來的微生物修復方法由于其操作簡單、費用低、污染物氧化完全、無二次污染、可原位處理等優點,已經成為石油污染治理方法的主流[2-5].

在微生物降解石油烴污染物的過程中,微生物的數量對降解速度有很大的影響,微生物增長率最快的時期最有利于石油烴污染物的快速去除[6].微生物通過不同方式最終將污染物轉化為穩定無毒的終產物,如水、CO2、簡單醇或酸及微生物自身的生物量[7].影響微生物降解石油的因素十分復雜,包括溫度、水分、氧氣、pH值、表面活性劑、營養條件等外部條件因素,石油的物理狀態、產地、來源和其中所含組分的差異及其濃度都可能影響其降解.我國的石油烴污染土壤中均含有一定數量與活性的除油微生物,其石油烴含量水平與組成特性均有一定的生物降解性,改善油污土的微生態環境非生物因子可取得較理想的生物治理效果[8].土著微生物相對于外源混合菌在石油污染土壤的生物修復中可以發揮更重要的作用[9].微生物的生長繁殖需要碳、氮、氧、磷和其他各種礦物質元素.營養元素是參與微生物細胞組成、構成酶的活性成分、物質運輸系統以及提供生理活動所需的能量.在油污土壤中,有機碳含量很高,碳已不是限制條件.但石油烴進入土壤后,會破壞土壤結構,分散土粒,使土壤透水性降低,其與無機氮、磷結合并限制硝化作用和脫磷酸作用,從而使土壤有效氮、磷的含量減少[2].研究表明,氮、磷營養物質的缺乏或過量均可限制石油烴的降解,氮、磷的最佳比例與細胞成分中的比例 (氮磷比為5.67∶1)越接近越有利于提高微生物降解能力[2,6,10-11].Audrew等研究原油在土壤中泄漏后的生物降解能力時發現,當添加肥料的碳、氮、磷的比例為100∶5∶1.7并為緩慢釋放形式時,效果最佳,其中 N源主要利用NH4+,P源主要利用 PO34-[12-13].不同原油由于其飽和烴、芳香烴、膠質和瀝青質的含量以及飽和烴中正構烷烴的含量不同,而具有不同的抗降解性[6].為了達到較好的修復效果,在向石油污染土壤添加 N,P的營養物時,必須首先確定營養鹽的形式、濃度以及適當的比例.

本研究利用某油田受原油污染的典型的鹽堿土,從石油污染土壤中篩選出嗜油微生物,然后將其投加到油污土壤中,研究土著微生物專性降解該類土壤的最優營養條件,并對降解效果進行分析.

1 實驗材料與方法

1.1 樣品

石油污染物樣品為某油田 P油層石油.土壤樣品為東北地區典型的鹽堿土,該土壤中含有氮 1.66 g/kg,磷 2.20 mg/kg.嗜油微生物是取自油田試驗場石油污染土壤,并通過分離培養而篩選出的菌群.

1.2 儀器和設備

恒溫水浴振蕩儀、恒溫培養箱、普通天平、電子天平、電熱濤、顯微鏡、多用振蕩器、高壓鍋、熱解烴分析儀 (GHM)等.

1.3 藥品

H2O2(30%)、原油、葡萄糖、瓊脂、蛋白胨、石油醚、硫酸、氯化銨和磷酸二氫鉀等,以上試劑均為分析純.

1.4 實驗方法

取 4份鹽堿土壤,每份 1 000 g,將土壤自然晾干過 40目篩.另取石油配制成含油量為 100 g/kg的油污土樣品,置于 250 mL三角瓶中,保持在恒溫空氣浴振蕩器中,振蕩處理 24 d.然后,分別選擇不同含水率、含氧量及氮磷營養物等條件進行實驗研究,氮磷營養物用氯化銨與磷酸二氫鉀配制,按設定的氮磷比投加.選擇氮磷比為 6∶1,10∶1,30∶1,50∶1和60∶1五種不同的營養系列進行研究,以 6∶1為例,實驗土樣中加入的氮、磷濃度分別為2.250,0.375 g/kg.在保持磷濃度不變的情況下,配制其他氮磷比營養系列.例如,配制 100 g/kg油污土實驗樣品后,向錐形瓶中分別加入氮磷營養物,將制備好的樣品放在振蕩儀上連續振蕩 24 d,期間要注意保持樣品的含水率.實驗結束后,通過測定樣品中有機質的降解率,可以反映出微生物對石油污染物的降解特征.這是因為實驗用鹽堿土樣品中的有機質含量很低,土壤中的石油類污染物是土壤有機質的主要組成部分.樣品中石油烴測定方法是將振蕩 24 d后的樣品取出、晾干、磨細后,通過使用 GHM對樣品中的殘留烴進行定性和定量分析.

2 實驗結果

2.1 含水率對油污降解率的影響

在不同含水率條件下,微生物對含石油污染物濃度為 100 g/kg的油污土試驗樣品的降解特征如圖1所示.

圖1 微生物對不同含水率的油污樣品中有機質的降解率Fig.1 M icrob ial degradation rate of oil-con tam inated samples under d ifferent moistures

圖2 不同營養條件下微生物對油污降解率的影響Fig.2 M icrobial degradation rate of oil pollutants under d ifferent nutr ients

圖1可見,油污樣品含水率對嗜油微生物降解石油能力的影響比較明顯.在含水率低于 50%的條件下,微生物降解石油的能力隨含水量的增加而加強;但是,當含水率高于 50%后,隨含水量的增加,微生物的降解能力則開始逐漸減弱.實際上,土壤中的微生物需要水來維持基本的新陳代謝.土壤含水量過低,微生物得不到充足的水分供應,細胞活性受到抑制,會導致其代謝速率降低;而土壤含水量過多,會妨礙空氣的通透和氧氣的供應.根據微生物活性所需的條件,在土壤水分為最大持水量的 30%～80%范圍內,石油烴的降解較為有利;在水分低于30%或高于 90%時,對石油烴降解菌的活動就會產生不利影響[14].這一現象說明:微生物的生長繁殖需要一定的含水條件,加之水是微生物一些酶類的必需品;但是,過多的水會阻止微生物與氧氣有效的接觸,造成微生物缺氧,對微生物降解石油的能力起到抑制作用.

2.2 氮磷營養物對油污降解率的影響

大量實踐證明,在眾多漏油事故中,氮與磷的含量經常嚴重限制微生物對石油的降解.營養物質缺乏就會抑制微生物對石油烴的降解作用,并且在自然條件下,氮源和磷源經常成為微生物降解烴類的限制因子[10].在一定油污濃度范圍內,適量地增加N源、P源可以加速油污的降解作用.在含水率 50%條件下,不同的氮磷比營養條件下,微生物對濃度為100 g/kg的油污土試驗樣品的降解特征如圖2所示.

微生物的營養物質主要為碳、氮、磷.由于石油污染導致了 C源的大量增加,足以保證其 C源供應,而大多數土壤的 N,P含量都很低.為了達到更好的微生物修復效果,必須添加營養物質,一般需要添加一定量的營養鹽,以確保修復過程中微生物生長的需要.本實驗設計了五種不同比例進行測試,還有空白對比 (不添加任何營養物質)實驗.可以看出,在不同的氮磷比條件下,微生物對污染濃度為100 g/kg的油污鹽堿土的降解效果在 10∶1條件下是最好的,而且相對于空白樣品,其降解率提高幅度很大 (53.9%).總的看來,實驗的各種比例都對微生物的降解有明顯的促進作用,但考慮到經濟性及降解率因素,選擇添加氮磷比為 10∶1最佳.雖然營養物質是影響微生物活性的外因,但它對微生物降解能力的影響是非常明顯的.目前國內外的一些研究也證實,在土壤中添加營養物質可以在短時間內使油類污染物的含量大大降低,最佳氮磷比值大約為 10∶1[15].

2.3 加入 H2O2對油污降解的影響

微生物在降解石油烴的過程中不斷消耗樣品中的溶解氧,使溶解氧的濃度不斷下降.本研究在實驗中將 H2O2加入到樣品中,通過 H2O2不斷發生分解以補充被微生物消耗掉的溶解氧.為保持樣品中的溶解氧量,每天加入一定量的 H2O2以滿足微生物生長的需要.同時,由于 H2O2具有強的氧化作用,若 H2O2加入量過高,就會對微生物產生抑制作用,因此,本研究通過實驗確定加入 H2O2量的上限值為 0.5 mL/d.實驗過程中,在保證其他因素最佳的條件下,針對 100 g/kg油污土 1～4號試驗樣品,每天分別施加 0.1,0.2,0.5及 0.6 mL H2O2的條件下,微生物對油污的降解特征如圖3所示.

可以看出,氧含量對微生物降解石油能力的影響也是比較大的.隨著 H2O2的加入,微生物的活性逐漸加強,降解能力也逐漸提高.當在 24 d內,累計加入H2O2達到12 mL時,降解效率達到最大值.而且可以從含油土壤中微生物數量的測定中得知,試驗樣品中的活菌數隨 H2O2的加入而逐漸提高,活菌數的增加必然會加快油類污染物的降解速度.另外,在加入 H2O2的情況下,泥漿的 pH值可以保持穩定,不發生明顯變化.在缺乏電子受體的情況下,微生物對脂肪酸的氧化難于進行,不能將烴類污染物完全氧化,從而使一些短鏈脂肪酸在試驗樣品中積聚,致使 pH值下降.若提供了充足的電子受體,就會使微生物將烴類化合物完全氧化成 CO2和H2O,從而使樣品的 pH值保持穩定.這有利于微生物的生長繁殖,增強其活性,從而導致微生物的降解效果更加明顯[15-16].

2.4 不同氮磷比條件下鏈烷烴類的降解特征

在不同氮磷比條件下,微生物對污染濃度為100 g/kg的油污樣品降解后殘留的鏈烷烴類相對含量如圖4和圖5所示.由圖4和圖5可知:在不同氮磷比條件下,當氮磷比為 10∶1時,各種碳數的正構烷烴與異構烷烴在降解后的剩余含量最少;而在其他氮磷比情況下,正構烷烴及異構烷烴的剩余量均較高.實驗證明,為嗜油微生物提供適量的營養物質能夠有效地加強微生物的降解能力,促使嗜油微生物有效地降解石油中的鏈烷烴類污染物.同時也反映出:嗜油微生物對 C16～C21范圍內的正構烷烴的降解作用是比較均衡的;但嗜油微生物對于 C15～C20范圍內的異構烷烴的消耗具有選擇性;對 C16類異戊二烯烴及姥鮫烷 (Pr)、植烷 (Ph)的降解率明顯低于 C15,C18類異戊二烯烴及姥鮫烯-2(Pr-2)及甲基菲(MP)類異構烷烴.這種選擇性降解的特征說明Pr,Ph的難降解性,同時也可以利用 Pr,Ph的穩定性特征,使用 Pr及 Ph作為石油類污染物降解的分子標志物.

圖3 不同 H2O2條件下微生物對油污降解率的影響Fig.3 M icrob ial degradation rate of oil pollutan ts under d ifferent H2O2cond ition

圖4 在不同營養條件下油污土中正構烷烴的降解特征Fig.4 Degradation character istics of normal alkanes in oily soils under d ifferent nutr ients

圖5 在不同營養條件下油污土中異構烷烴的降解特征Fig.5 Degradation character istics of iso-alkanes in oily soils under d ifferent nutr ients

3 結 論

(1)嗜油微生物在油污土壤含水率 50%的條件下降解石油污染物的能力強;

(2)在施加營養物的氮磷比為 10∶1的條件下,微生物對油污的降解效果最好;

(3)含氧量對微生物降解石油能力的影響較大,在施加適量 H2O2的條件下,微生物的活性逐漸加強,降解油污能力逐漸提高;

(4)提供適量的營養物質可有效加強嗜油微生物的降解能力,并可促使其選擇性地降解污油中的鏈烷烴類污染物.實驗還證明,嗜油微生物對 C16～C21范圍內的正構烷烴的降解作用比較均衡,而對C15～C20范圍內的異構烷烴的降解具有選擇性.

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(編輯:孟慶勛)

Degradation of Petroleum Pollutants in Saline-Alkali Soils Using Abor iginal M icrobe

L IU Xiao-yan1, L IYing-li2, WANG Zhen-zhen1, WANGJun1, ZHANGXin-ying1,TIAN Xiang1, ZHAO Yue1
(1.School of Environmental and Chemical Engineering,Shanghai University,Shanghai200444,China;2.Fourth Geological Exp loration Institute of Heilongjiang Province,Harbin 150001,China)

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A

1007-2861(2010)05-0460-05

10.3969/j.issn.1007-2861.2010.05.003

2010-07-14

國家自然科學基金資助項目(41073072);上海市重點學科建設資助項目(S30109);黑龍江省教育基金資助項目(10541005);上海大學創新基金資助項目(A10011108009)

劉曉艷 (1962～),女,教授,博士生導師,研究方向為污染環境防治與生態修復.E-mail:lxy999@shu.edu.cn