影響蘆葦修復新疆石油污染土壤的關鍵因素

張云波，吳文華，趙東風，劉春爽，劉其友

(中國石油大學化學工程學院，山東 青島 266555)

新疆地區油氣資源非常豐富，原油年產量占全國的1/8[1，2]。近年來，國家大力開發新疆石油資源，但其勘探、開發、煉制過程中對土壤造成了嚴重污染[3，4]。植物作為生態系統中物質循環和能量流動的重要組成部分，是污染土壤處理的有效系統[4～7]，石油污染土壤的植物修復以其能耗低、效果好、無二次污染等特點而倍受關注[8]。

本課題組在前期研究中首次根據新疆的氣候特點，篩選出高效修復植物蘆葦，為新疆石油污染土壤植物修復技術開發奠定了基礎。然而，植物修復的效果受多種因素影響，包括土壤含水率、表面活性劑[9～11]及根際土壤中高效石油烴降解菌數量[12，13]等，控制與優化這些因素對提高植物修復效果具有積極意義。

基于此，作者在前期研究的基礎上，針對新疆石油污染土壤的修復植物蘆葦，進行室外模擬實驗，研究其去除污染土壤石油烴的關鍵因素，通過正交實驗優化蘆葦修復的條件，以期為新疆石油污染土壤的治理提供可行的技術方法。

1 實驗

1.1 材料

供試植物：蘆葦，幼苗購于新疆土沙植物園，選擇長勢一致的蘆葦幼苗。

供試土壤：采自新疆克拉瑪依采油二廠的石油污染土壤，自然風干后，壓碎，去除植物根系、石礫等殘留物，過2 mm尼龍篩，供盆栽模擬實驗用。

1.2 實驗設計

將待用的石油污染土壤與清潔土壤按1∶5的比例混合均勻，稱取10 kg裝入桶中，在每個桶中栽種數目相同的蘆葦幼苗，將桶放置于新疆現場實驗室基地的室外。實驗分為A、B、C三組，分別投加保水劑、表面活性劑和高效降解菌，投加量見表1。其中，選用十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)作為表面活性劑，以從當地石油污染土壤中篩選出的混合菌KL8-2作為高效降解菌。每一投加量做3個平行，實驗數據取其平均值。實驗從2010年5月28日開始到2010年8月26日結束，周期90 d。實驗結束后，將土壤風干，過2 mm尼龍篩，采用四分法取樣。

表1 影響因素的投加量

根據單因素實驗的結果，考察保水劑、SDBS、KL8-2三因素間的相互影響和作用，設計3因素3水平的正交實驗，見表2。

表2 正交實驗的因素與水平

1.3 分析方法

采用超聲-紅外分光光度法在OIL510型紅外測油儀上測定土壤中石油烴含量[14]。分別采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法、堿解蒸餾法、NaHCO3浸提鉬銻抗比色法測定土壤有機質、堿解氮、速效磷含量[15]。

2 結果與討論

2.1 保水劑對修復效果的影響

保水劑對土壤理化性質及蘆葦形態指標的影響見表3。

表3 保水劑對土壤理化性質及蘆葦形態指標的影響

由表3可知，隨著保水劑投加量的增加，測量指標均呈增大趨勢，保水劑投加量為15 g·kg-1時，土壤含水率、有機質含量、堿解氮含量最高，分別為35.07%、43.72 g·kg-1、65.11 mg·kg-1，比空白對照提高了51.36%、38.09%和34.19%；當保水劑投加量為12 g·kg-1時，土壤速效磷含量、植物的株高、根長和鮮重值最大，分別為16.76 mg·kg-1、56.14 cm、14.02 cm、16.69 g，比空白對照提高了105.90%、28.73%、20.14%和32.67%。由此可見，保水劑可減少土壤水分、養分的流失，增強土壤的保水性，對土壤氮、磷有明顯的保蓄作用，具有保水、保肥的功效。施用保水劑可顯著提高石油污染土壤中有機質、堿解氮和速效磷的含量，并將吸收的水分緩慢釋放給植物利用，進而促進植物的生長。

保水劑投加量對石油烴降解作用的影響見圖1。

圖1 保水劑對石油烴降解作用的影響

由圖1可知，施用一定量的保水劑可間接提高石油烴的降解率，促進修復作用。隨著保水劑投加量的增加，降解率緩慢上升，投加量為0～12 g·kg-1時，降解率從32.16%升至36.47%；在投加量為12 g·kg-1時，降解率最大，比空白對照提高了13.40%；之后繼續增加保水劑投加量，降解率反而下降。這表明保水劑的保水、保肥功效促進了蘆葦的生長，增強了蘆葦的根際效應，使整個植物修復體系處于良好狀態，有利于石油烴污染物的降解，但過量的保水劑會產生抑制作用。

2.2 SDBS對修復效果的影響

植物修復過程中，石油烴的脫附和植物的可利用性是限制植物修復的主要因素。表面活性劑能降低界面表面張力，具有增溶作用，增加油類物質的溶解性和流動性，提高石油烴的生物可利用性，強化植物修復的效果。SDBS對石油烴降解作用的影響見圖2。

圖2 SDBS對石油烴降解作用的影響

由圖2可知，修復90 d，SDBS對石油烴降解的促進作用比較明顯，隨著SDBS投加量的增大，降解率呈先上升后下降的趨勢。在SDBS投加量為0～8 g·kg-1時，降解率從32.16%升至39.04%；投加量為8 g·kg-1時，降解率最高，比空白對照提高了21.70%；當SDBS投加量超過8 g·kg-1時，降解率反而下降，投加量增大到14 g·kg-1時，降解率下降到35.48%，比最高值降低了9.12%，這表明過度膠束化降低了水體中有機物的濃度，出現負增溶效果，或者高濃度的SDBS對植物及其根際區的微生物產生微毒害作用，反而抑制了降解過程。由此可見，適宜濃度的SDBS可促進疏水性有機污染物的生物可利用性，強化蘆葦對土壤中石油烴的吸收和根際作用，提高降解率。

2.3 KL8-2對修復效果的影響

投加高效降解菌是強化植物修復效果的有效措施，石油組成復雜，土著微生物對其降解能力較弱，向土壤中投加高效降解菌可以促進植物生長，強化植物對石油烴的降解效果。混合菌KL8-2對石油烴降解作用的影響見圖3。

圖3 混合菌KL8-2對石油烴降解作用的影響

由圖3可知，菌液量為0～120 mL·kg-1時，石油烴降解率逐漸提高，從32.16%升至48.92%；菌液量為120 mL·kg-1時，降解率最高，比空白對照提高了52.11%；之后再增加菌液量，降解率反而下降。表明高效降解菌確實具有強化植物修復的作用，這與劉鵬等[16]的研究結果相一致。混合菌KL8-2來自于石油污染土壤，對石油污染環境的適應力強，降解石油烴的能力較強，而且蘆葦根際分泌的有機營養物可促進其生長、繁殖。降解菌代謝石油烴的同時，可刺激土壤中原本不能轉化石油烴或轉化較慢的土著微生物利用石油烴，加快了石油烴的降解。但是，過量的菌液反而不利于石油烴的降解，這是因為微生物量過多會加劇相互之間的競爭，使得存活下來的具有降解功能的微生物數目減少，從而導致降解作用減弱。

2.4 正交實驗結果與分析(表4)

表4 正交實驗結果與分析

由表4可知，經過90 d的強化修復，石油烴降解率在39.62%～56.72%；修復效果以2#、4#、8#實驗較好，降解率均大于50%，其中，8#的降解率最高，為56.72%，比單獨投加保水劑、SDBS和KL8-2的最佳降解率36.47%、39.04%、48.92%分別提高了55.53%、45.29%和15.94%，比未施加任何物質的降解率32.16%提高了76.37%。最優組合為A3B2C2，即保水劑15 g·kg-1、SDBS 8 g·kg-1、混合菌KL8-2 120 mL·kg-1。

3個因素對蘆葦修復效果的影響大小依次為：KL8-2>SDBS>保水劑，高效降解混合菌KL8-2是影響蘆葦修復降解效果的最主要因素，其次是表面活性劑(SDBS)，且二者的R值都很大，說明投加適量的KL8-2和SDBS對強化蘆葦修復是至關重要的；保水劑的R值最小，說明保水劑投加量的變化對蘆葦修復效果的影響較小。

3 結論

(1)保水劑具有保水、保肥的功效，有利于植物生長，促進修復作用。施用保水劑后，土壤含水率、有機質、堿解氮、速效磷、植物株高、根長、鮮重的最大值高達35.07%、43.72 g·kg-1、65.11 mg·kg-1、16.76 mg·kg-1、56.14 cm、14.02 cm、16.69 g，分別比空白對照提高了51.36%、38.09%、34.19%、105.90%、28.73%、20.14%、32.67%。

(2)施用保水劑、表面活性劑(SDBS)和高效降解混合菌(KL8-2)均可提高蘆葦修復新疆石油污染土壤的效率。當保水劑、SDBS、混合菌KL8-2的投加量分別為12 g·kg-1、8 g·kg-1、120 mL·kg-1時，石油烴降解率達到最高，為36.47%、39.04%、48.92%，比空白對照提高了13.40%、21.70%、52.11%。

(3)蘆葦修復的最優組合為：保水劑15 g·kg-1、SDBS 8 g·kg-1、混合菌KL8-2 120 mL·kg-1，石油烴降解率為56.72%。其中，混合菌KL8-2對蘆葦修復石油污染土壤效果的影響最大。

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