石油污染土壤生物修復室內模擬試驗

白 云,李 川,焦昭杰

(重慶工商大學廢油資源化技術與裝備教育部工程研究中心,重慶400067)

石油污染泛指石油原油和初加工產品(包括汽油、煤油、柴油、重油、潤滑油等)及各類油的分解產物所引起的污染[1],石油對土壤的污染主要是在勘探、開采、運輸、儲存及使用過程中引起的。石油污染物可引起土壤理化性質的變化,影響植物生長發育,導致糧食減產,而且食用生長于農業土地上的植物及其產品將會影響人類的健康[2]。此外,土壤吸附的石油會隨著雨水、灌溉用水慢慢下滲到地下含水層中,從而污染地下水,進而構成對人類生存環境多個層面上的不良脅迫[3]。因此,治理石油烴的土壤污染勢在必行。

石油污染土壤的處理方法主要有物理處理、化學處理和生物處理3種,其中生物修復技術被認為是最有生命力的[4]。由于微生物修復較前兩種修復方式更加高效,所以這里主要采用的實驗方法是微生物修復。

張建等對勝利油田含油污泥的研究發現[5],提高溫度可以增加微生物數量,石油烴降解率可達到52.75%;添加菌劑可提高石油降解率。Vasudevan等的實驗結果表明[6],添加外源微生物可以提高修復效率。黃廷林等研究表明[7],土壤中石油烴的降解效果與生物菌劑的投加量呈正相關;溫度高有利于土壤中石油烴的降解,加快修復速率。

通過投加外源菌種,改變影響石油降解的環境因素(土壤濕度和營養比例)和自身因素(菌種數量),研究最佳降解生態條件,為石油降解中試調控提供數據支持。

1 實驗內容

1.1 實驗材料

土壤采用沙壤土,其理化性質:p H值為7.85,全磷0.017%,全氮0.171%,全鉀2.06%。實驗前經過粉碎、除雜、過篩及混勻處理[8]。

外源微生物采用黃孢原毛平革菌(Phanerochaete chrysosporium),由重慶工商大學藥物化學與化學生物學研究中心提供。實驗前,將菌種接在PDA培養基中,放入恒溫搖床,在30℃,中速條件下振蕩3 d,備用。

用來模擬油田污染的油液來自某工廠廢棄的46#機械油。

N、P營養物質分別選用尿素和磷酸二氫鉀。

1.2 實驗方法

1.2.1 石油烴含量的測定

(1)石油烴的萃取

石油烴萃取液種類繁多,其中萃取率最高的是三氯甲烷(96%～99%),但成本較高;石油醚成本低,但萃取率只有60%左右。綜合考慮,本實驗萃取液采用四氯化碳,其萃取率為86%～90%。

稱取10 g污染土壤,移到已經在四氯化碳溶液中浸過的慢性定性濾紙上,將土壤包好后,放入索式提取器中,加入60 mL四氯化碳,然后將萃取裝置放入90±5℃的水浴鍋中,加熱萃取4～6 h。

(2)含量的測定

測定方法采用重量法[9],平行測定3次,取平均值。

1.2.2 含水率的測定

(1)精確稱取一定重量的土樣 m0,放置于己知重量的燒杯中m1;

(2)將燒杯放置在105℃烘箱中干燥2 h;

(3)取出容器冷卻后稱重m2;

(4)根據干燥前后土樣與容器總重量的減少量即可計算出樣品的含水率y(%)。

1.3 實驗設計

用中等濃度的油液來污染土壤,混合均勻,模擬油田土壤;將制備好的菌液按實驗設計投加到模擬油污土壤中,混合均勻。試驗在塑料花盆(直徑為15 cm,高15 cm)中進行,每天對土壤進行翻耕,為微生物提供充足的氧氣,采樣時間隨著土壤中石油去除率的降低而逐漸增大,降解時間為60 d。從眾多影響微生物降解石油烴的因素中選出濕度、營養比例和投菌量等3組單因素實驗,其中濕度以5%為間隔,營養鹽設計為4種不同的比例,投菌量設計空白對照試驗,分別研究其對降解率的影響,具體的影響因素實驗設計如表1。

表1 影響因素實驗設計表

2 結果與分析

2.1 濕度對石油降解率的影響

水分作為微生物代謝過程中必不可少的溶劑,有助于營養物質的溶解和吸收,保證細胞內、外各種生物化學反應在溶液中正常進行。但土壤中的水分不宜過高,否則有效毛細空隙將被水充滿,妨礙土壤中氧的傳輸[10]。而降解石油的微生物屬于好氧菌,氧氣的堵塞會導致石油降解率的降低。用修復前后土壤中的石油烴之比來定量表征降解率(下同),圖1分別給出了不同含水量條件下降解24 d和60 d后石油降解率變化的規律。

圖1 不同濕度條件下石油的降解規律

從圖1中可以看出,石油烴的降解率隨土壤含水量的的提高而增加,大致成階梯狀變化。當含水量為5%,土壤中石油降解率最終只有12%;含水量為10%、15%,石油降解率稍有提高,分別達到30%和48%;當含水量為20%,25%,降解率明顯提高,分別為66%和64%。同時,從降解24 d和60 d后的圖中分析,在降解前期,油量豐富,促使大量微生物增長,加速了油的降解;隨著時間的推移,石油殘留量減少,成為了限制微生物增長的主要因素,導致石油烴降解速率降低。這與Murygina等[11]的試驗結果基本一致,在進行一段時間的降解后,系統中的微生物數量開始減少。所以,此圖也可間接地反映出微生物的數量變化情況。

2.2 投菌量對石油降解率的影響

石油污染物的降解與土壤中可降解石油的微生物數量有密切關系。圖2給出了不同接種量的土壤石油烴降解率變化。

圖2 不同投菌量條件下石油的降解規律

從圖2中可以看出,不同接種量的土壤中石油烴的變化規律基本一致;隨著降解時間的延長,土壤中的石油烴濃度逐漸降低,這與黃廷林等[6]關于投菌量研究的結論基本一致。降解60 d后,接種量為0,5,10,15,20,25,30 mL石油烴降解率分別為22%,46%,54%,60%,64%,74%,70%。通過以上數據可以看出,并非投加量越大,對去除促進就越大,即高效菌的投加量與降解率之間存在一個適宜的投加值。而在本實驗條件下,最適宜的接種量為25 mL。

2.3 營養鹽比例對石油降解率的影響

微生物生長代謝需要一定數量和比例的營養元素,這些元素必須保持一定的數量、形式和比例以維持好氧菌生長。在石油污染土壤中,通常有機碳含量較高,而N,P相對缺乏,因此,氮源和磷源是常見的烴類生物降解限制因素。同時,如果C:N:P達不到細菌代謝所需的比例,就會限制細菌的代謝速度,從而制約有機污染物的降解。Dibble等的研究表明[12],C:N為60:1時微生物的降解率最高,Graham等的研究表明[13],降解石油細菌細胞的化學組成可以用C106H180O45N16P1表示,微生物降解過程的最佳可生物利用的C:N:P=100:15:1。

根據本實驗設計,4組營養鹽配比條件下的石油烴降解變化見圖3。

圖3 不同營養鹽配比條件下石油的降解規律

從圖3可以看出,C:N:P為100:10:1和100: 15:1時,石油降解率較高,通過60 d降解,降解率分別是64%,60%,而剩下的2種配比就低的多,證明配比的不同導致降解率的差異。這種差異是不同微生物對營養需求量的不同引起的,所以,不能絕對的定義哪一配比條件下降解率的高低,而只能針對某種微生物進行討論。而從C/N比例這個角度研究,在這4組配比中,C:N≤10的2組降解率比C:N> 10的2組降解率高,說明外源菌種黃孢原毛平革菌的營養需求屬于低碳氮比。本實驗的菌種營養配比C:N:P為100:10:1是最合適的。

3 結論

(1)投加外源微生物土壤的降解率明顯高于未投加的土壤,這說明黃孢原毛平革菌對于石油污染有很好的降解效果。

(2)濕度、投菌量和營養配比對于降解率都有明顯的影響。通過60 d降解,本實驗設計的含水率20%的土壤石油降解率達到66%;投加25 mL菌量的石油降解率達到74%;設計營養比例C:N:P為100:10:1的土壤石油降解率64%。

(3)菌種對于營養需求的不同導致了營養配比的多樣性,所以前期研究關于最佳營養配比的提法欠妥,應改為在特定的環境下,特定實驗菌種的最佳營養配比。本實驗黃孢原毛平革菌在中度污染條件下,最佳營養配比是C:N:P為100:10:1。

[1] 劉國良,蘇幼明,顧書敏,等.石油污染土壤生物修復研究新進展[J].化學與生物工程,2008,25(8):1-4.

[2] 張子間,劉勇弟,孟慶梅,等.微生物降解石油烴污染物的研究進展[J].化工環保,2009,29(3):193-198.

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[4] 張海榮,李培軍,孫鐵珩,等.四種石油污染土壤生物修復技術研究[J].農業環境保護,2001,20(2):78-80.

[5] 張 建,史德清,桂召龍,等.預制床法生物修復勝利油田含油污泥的研究[J].環境污染與防治,2007,29(12):912-915.

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