陳輝倫
(北京科技大學土木與環境工程學院,北京 100083)
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石油污染淺層含水層的微生物修復研究進展
陳輝倫
(北京科技大學土木與環境工程學院,北京 100083)
微生物修復是治理淺層地下水有機物污染的重要途徑。從石油開采等過程對淺層含水層帶來的污染現狀、微生物修復的技術進展、降解菌的篩選與分離和微生物修復的影響因素等方面綜述了石油污染淺層含水層的微生物修復主要研究進展,分析了原位微生物修復技術在石油污染淺層含水層修復領域的廣闊應用前景;鑒于淺層地下水系統具有低溫、貧氧等特點,指出目前研究存在的不足,并強調指出地下水中石油類污染物的時空分布和遷移轉化規律、優良“土著”菌株的篩選和菌群的構建、低溫缺氧環境下的降解研究、同位素技術、原位修復的現場研究以及微生物-植物的聯合修復將是今后石油污染淺層含水層的原位微生物修復技術的研究重點。
石油污染;淺層地下水;微生物修復;原位修復技術
世界范圍內,至少有15億人將淺層含水層中的地下水作為飲用水的主要來源,而我國有2/3的人口以地下水為飲用水源,近30年來我國地下水開采量以25億m3/a的速度遞增[1]。隨著石油工業的發展,地下水環境系統中的石油污染問題已經越來越嚴重。由于地下水系統的隱蔽性和復雜性,其污染問題往往不如地表水污染表現得直觀與突出,而長期未受到應有的重視,這使得地下水污染日趨加劇。石油對生物的危害分為大量石油造成的急性中毒和長期低濃度石油的毒性效應。毒理學實驗表明,多種石油類污染物通過生物富集和生物放大效應對人類等生物具有致癌、致畸和致突變的危害[2],其污染與防治問題也由此引起世界各國政府及公眾的關注和研究。
石油類污染物的生物降解是指利用生物的代謝活動催化降解石油類污染物,從而減輕或消除環境石油污染的一個受控或自發進行的過程[3]。微生物降解因其具有對人和環境造成的影響最小、能夠使污染物最終分解為二氧化碳和水、不存在二次污染、費用低等優勢而得到廣泛認可和普遍重視,因此微生物修復相關研究在石油污染領域也十分活躍[4-5],在淺層含水層環境下的研究也逐見報道[5-6]。本文結合近年國內外最新研究成果,對石油污染淺層含水層的微生物修復技術的研究進展進行了綜述。
石油類污染物產生于石油開采、冶煉、運輸、使用與處置等過程,其進入淺層地下水的途徑主要為地表入滲至淺層含水層和地下污染上返至淺層含水層。地表入滲主要是油藏本身的底水、邊水、原油摻水等含油污水,以鉆井廢棄泥漿、落地油、聯合站原油沉降分離出來的油砂、污水處理站污泥和油罐底泥等含油固體廢物的形式跑、冒、滴、漏而進入地表水、土壤等環境介質中,再經過復雜的物理、化學和生物過程透過包氣帶遷移至淺層地下水甚至更深處[7]。研究發現,造成淺層地下水污染的最主要的來源為干化池中含油廢水的滲漏[8],其次是地表徑流攜帶污染物的入滲。近年來隨著“3次采油”技術的實施,注水量大大增加,某些排出的含油廢水直接污染地表,這對當地地下水危害極大。而地下污染上返至淺層含水層主要來自油井套外返水。蘇小四等[9]利用同位素示蹤技術研究發現,油井套外返水使得場地地下水會受到石油類污染物不同程度的污染,且污染暈長軸方向與地下水水流方向近于一致。為使油田增產、增注而采用的油田壓裂過程、油田進行正式大規模生產前的試采過程,以及壓裂廢液、試采廢液均可能含有石油類污染物,井壁坍塌、井管破裂等也會對淺層地下水帶來污染。此外,石油地下儲油罐、管道和其他設施的泄漏事故也已成為國內外城市地下水污染的最大污染源之一[10]。據報道,2001年美國300萬個地下儲油罐中發生泄漏的約為50萬個[11]。根據美國聯邦水利局資料,美國現已有1%~3%的地下水受到石油烴污染,50個州中有幾千口水井被迫停用[12];美國賓夕法尼亞州使用10 a以上的地下儲油罐滲漏率達到46%,使用15 a以上的地下儲油罐滲漏率則高達71%[13]。法國南特市使用10 a以上的儲油罐滲漏率在20%以上[14]。英國30%以上的加油站及幾乎所有的化工廠、煉油廠等均存在嚴重的油類污染。在我國,周迅[15]通過對蘇南地區加油站滲漏污染狀況和趨勢的調查發現,在29個被調查對象中72.4%的加油站存在不同程度的滲漏,其中滲漏特征較為典型的占62.1%,15 a以上的老舊加油站發生滲漏的概率約為60%。天津部分加油站地下水樣品中石油烴檢出率為85%,超標樣品占地下水樣品總數的40%。此外,鉆井平臺的爆炸事故發生概率一般較低,但是事故一旦發生將對事發區域的淺層地下水發生持久、長遠的污染。如2010年4月,位于美國南部墨西哥灣的“深水地平線”鉆井平臺發生爆炸,事故造成的原油泄漏形成了一條超過100 km長的污染帶,污染甚是嚴重[16]。
經調查發現,我國緊鄰油田、石化廠的一些城市賴以生存的地下水已經受到了石油污染,如東北地區重工業和油田開發區地下水污染嚴重,松嫩平原和遼河平原地下水石油類污染普遍。Teng等[17]通過對松原油田地下水樣品中總石油烴的分布進行調查發現,在26個淺層地下水樣品中有23個被檢出含有石油烴,其濃度范圍為0.01~1.74 mg/L。付新建等[18]對中原油田土壤和地下水的石油污染研究表明:石油污染主要殘留于表層土壤中(最高達23 325.4 mg/kg),尚未對地下水造成大范圍的污染,但是石油類污染物已運移到了地下水水位以下,對地下水安全構成了潛在的威脅;原油田采油區的淺層地下水樣品中,石油類污染物的濃度范圍為0.05~0.15 mg/L。在我國大部分石油化工地區,石油污染甚至已經波及到飲用水安全。如我國河南雙河水源地,淺層地下水石油烴檢出率達44%,中深層地下水(深度為200 m左右)石油烴的檢出率達78%,56%的水井石油烴含量超標,其濃度達0.4~2.7 mg/L[19]。河南油田的魏崗水源地污染也較為嚴重,該地區水井中石油烴檢出率為64.3%,超標率達28%,局部水井中石油烴濃度高達4.6~5.0 mg/L[19],遠超過我國地表水質量標準所規定的0.05 mg/L的濃度限值,嚴重威脅水源地的使用。
自20世紀80年代開展地下水污染治理至今,地下水污染修復技術已經在不斷發展和創新,目前地下水污染治理工程技術主要分為污染地下水抽出處理技術、包氣帶土層有機物的生物通風技術以及原位修復工程技術三大類。近幾十年來,地下水抽出處理技術除了應用于環境中易揮發且易溶污染物(VOCs、SVOCs、Fuels)、重污染的恢復和治理等特定情況下外[20],原位修復工程技術占據主導地位。Mohammed等[21]對原位修復工程技術中的生物修復、土壤洗滌、土壤沖洗、土地耕作、真空抽吸、自然通風、熱分解和穩定8項技術從可行性、處理水平、不良影響、費用、處理時間五個方面進行了比較,結果顯示生物修復因其產物的無毒無害性、技術可行性和經濟合理性而位居第一,不過其花費的時間也最長。而對地下污染而言原位生物修復是以原位微生物修復為主,同時相比地下水抽出處理技術,原位微生物修復工程技術因費用節省、污染物暴露時間短和對土地環境的擾動小等優勢在地下水石油污染區域得到了一定程度的發展,已被美國環保署、國防部、能源部等科研機構積極推廣。據美國環保署《2004年關于水土污染修復治理技術的年度報告》顯示,在所開展的原位微生物修復中,60%的工程都是針對石油烴類污染。
同時,原位微生物修復又可以分為自然微生物修復、強化自然微生物修復和人工強化微生物修復。自然微生物修復主要是指在無人為干擾條件下自發降解污染物的過程。由于石油烴的疏水性和環境的復雜性等原因,自然條件下微生物降解速度較慢,可采取多種措施強化微生物修復這一過程。強化自然微生物修復是指通過人工干預的形式,提高污染物的降解效率,主要措施是定期向受污染含水層中注入無機營養物質以及適當電子受體,來刺激土著微生物的生長,提高其生物代謝活性,將污染物徹底轉化為CO2、CH4、H2O或者無機鹽,這可以通過生物漱洗技術和生物曝氣技術來實現。如鑒于厭氧條件下微生物代謝緩慢,可以通過生物曝氣技術使得含水層中以厭氧降解為主導地位的修復過程變為好氧降解,不僅可提高污染物降解率,同時還可以減輕污染含水層修復末期的“拖尾”效應[26]。生物曝氣技術主要利用垂直或者水平井,用氣泵將空氣壓入水位以下,用一系列傳質過程使污染物從土壤空隙和地下水中揮發進入空氣中,含有污染物的空氣在浮力作用下不斷上升,達到地下水位水以上的非飽和區域,再通過土壤氣相抽提系統處理,從而達到去除污染物的目的。該方法由于成本低、效率高及原位操作等優勢,而一度被應用于地下水石油類污染物的去除。但該方法對于石油烴中非揮發的高分子有機物并不適用,在低滲透率或者高黏土含量和深層地段也具有局限性[27]。人工強化微生物修復是指通過向石油污染的含水層中投放降解菌濃縮液或者基因工程菌的形式來降解代謝污染物,同時還包括添加常量營養元素和微量營養物質來強化微生物的降解效果。國內外近幾年應用較多的是原位微生物反應墻技術,它是一種微生物修復與固化技術的結合,類似于可滲透反應墻,可以使得菌體不易流失,并提高溫度、pH值、氧、營養等抗沖擊力,有利于降解反應的穩定進行。
郝春博等[28]通過對某廢棄煉油廠石油污染地下水樣品中微生物多樣性及群落結構進行研究,結果表明石油污染地下水中存在大量降解菌群;Yeung等[24]利用穩定同位素技術研究了寒冷地區(年均氣溫為-5℃)石油污染地下水中的微生物群落的降解機理,也證明了低溫、缺氧條件下石油降解菌群的存在,這為石油污染淺層含水層的修復以及優勢菌群的分離提供了可能。而諸多研究也表明許多石油烴類有機污染物都可以在地下水環境中被微生物好氧或厭氧降解。國內外已經報道的可降解石油烴的微生物,共超過70個屬200余種,其中細菌28個屬,霉菌30個屬酵母12個屬[29]。大多數微生物降解菌是在常溫條件下篩選出來的[30],而在極端低溫和低溫條件下的降解菌則較少,因地下水一般溫度較低,微生物少,貧氧,分離出具有高效降解石油烴的“土著”微生物菌株或者菌群就尤為必要。Rike等[31]、Shi等[32]研究表明在北極、凍土地區存在嗜冷性石油烴降解菌;Namio等[33]篩選出一株在10~20℃下降解姥鮫烷的微生物降解菌;黃磊等[34]在15℃下篩選出一株具有產生乳化能力的柴油降解菌。相比單一菌株,土著混合菌群具有更加穩定持久的降解效果,馬會強等[35]用人工強化的方式從污染場地土壤中富集出一組能在10℃低溫、貧營養條件下快速、完全降解多種石油烴污染物的土著混合菌群。因在篩選過程中需盡可能保留“土著”的優勢功能菌菌群、保持群落功能完整性、避免后續應用時易出現受土著菌群競爭抑制問題,所以目前關于此方面的研究和應用也比較欠缺。
Yamaguchi等[36]發現一些藻類也能降解石油物質,原生動物也被報道可以攝食石油,以油包碎屑或以油包菌微滴為食。除細菌、真菌、霉菌、藻類和原生動物外,植物根菌也已經被大量應用于生物修復技術[37-39]。如Nicolotti等[38]通過研究菌根對挪威云杉修復石油污染地的效果及潛在效應,發現菌根加速了挪威云杉對石油污染土壤的生物修復;Carman等[39]通過研究柳樹根部的根際微生物對石油烴的生物降解,發現柳樹根菌易降解低分子量的石油烴和可溶于水的污染物,而大分子量的烴類難被降解,這將依賴于其他微生物的參與。在未來,鑒于生態修復已成為污染修復的主流,微生物-植物聯合修復將會得到大范圍的研究和應用。
4.1 石油性質對微生物修復的影響
石油類污染物通常以比水輕的非水相液體(Light Nonaqueous Phase Liquids,LNAPLs)形式形成持久性污染源,在地下水中具有易揮發、黏度小且擴散遷移速度快的特點。Yadav 等[40]研究表明地下水中 LNAPLs 的存在會增加其污染修復的難度;Beckles等[41]發現LNAPLs在修復工程中存在污染物的“拖尾”或“反彈”現象;Haus等[42]、Delille等[43]的研究表明,不同地區所產石油的物理及化學性質存在一定差異,因此同一種微生物降解不同產區的石油有不同的降解效果,其降解速率與其黏度、沸點、折射率都存在一定的關系;石油烴種類不同被微生物降解能力不同,表現為飽和烴>芳香烴>膠質和瀝青。郭書海等[44]的研究表明,含有5個或更多環的芳香烴難于被微生物所降解,膠質和瀝青則極難被微生物降解。此外,石油濃度也會影響微生物的活性,郭書海等[44]、陳立等[45]的研究表明,隨著石油濃度的升高,最終的降解率逐漸降低,降解率與石油濃度成負相關關系,主要是因為高濃度的石油類污染物對微生物有毒害作用,而少量的石油類污染物會刺激嗜油微生物的生長。
4.2 生物體對微生物修復的影響
影響石油降解的生物體因素主要包括微生物的數量和種類。自然環境中存在大量可降解石油類污染物的微生物[43],這為自然修復提供了可能。這類微生物的比例一般都比較低,只占總微生物數量的1%左右,而在石油污染的環境中通過馴化作用,降解石油類污染物的微生物比例可上升至10%。在一定濃度的石油底物情況下,微生物的數量越多,石油降解速率越快。自然條件下,可用于修復作用的真菌數量較少但種類豐富;相反,細菌數量多但種類較少[46]。而微生物種類的豐富則有利于菌群的穩定和共代謝作用,對石油類污染物中的多種物質均具有降解作用,且抗沖擊能力較強。Xu等[16]通過對從勝利油田污染底泥中分離出的生物菌群的研究發現,該菌群對萘、菲、芘等多種原油底物都具有降解能力,且能耐受一定濃度的重金屬離子如Cu2+、Zn2+、Pb2+;同時,微生物的活動可能會對有機物產生吸附作用,或者促進鎖定相中有機物的解吸,加快降解速率等。
據不完全統計,新中國成立以來全省發生山洪、地質災害2 400多次(處),平均每年達40次(處)。其中溪河洪水災害1 534次,泥石流災害352次,滑坡災害514處。進入21世紀以來 , 2000年、2002年、2003年、2005年、2007年、2010年都發生了嚴重的山洪災害,造成了慘重的人員和經濟損失。山洪災害在季節上存在極端不均勻性的分布,每年主汛期是山洪災害多發期,受災損失占全年總損失的95%以上,且在同一流域、同一年份可能發生多次山洪災害。
4.3 溫度對微生物修復的影響
溫度與淺層含水層中石油類污染物的降解密切相關,因為它通過影響微生物酶的活性而可直接影響微生物的生長代謝活性。在一定的范圍內,溫度越高,微生物酶的活性越強,降解速率就越快。如在溫暖的氣候條件下,石油烴的自然降解過程能明顯地削弱其他環境因素帶來的影響[24]。而在較低的溫度下,石油烴的流動性降低,在地下水中的溶解度降低,這也阻礙了淺層含水層中微生物對其的降解過程[47]。
國內關于石油污染地下水微生物降解與溫度的關系的研究主要集中在設置溫度梯度探索最佳降解溫度上,如陳立等[45]利用優化土著微生物菌群的微生物技術修復華北地區石油污染地下水,通過設置不同溫度,得出30℃是該菌群的最佳生長和降解溫度,這可為抽出處理含石油類污染物的地下水的修復提供理論基礎。但是在淺層含水層原位微生物修復工程技術中,其地下水溫一般8℃左右[48],且工程中最不易改變的是環境溫度,低溫條件下的降解研究就明顯缺乏。目前國內關于低溫條件下的石油類污染物降解研究較少,國外相對較多,涉及包氣帶[23,49]、含水層[24,50]等。如Whyte等[47]研究了菌株Q15在5℃下的對鏈烷烴和柴油的降解情況;Yeung等[24]報道了在寒冷地區(年均氣溫-5℃)破碎巖石下石油污染的地下水中關于微生物群落結構的具體信息;Su等[50]采用穩定同位素技術探究了淺層地下水石油烴微生物的厭氧降解機理。這些研究為淺層含水層的石油污染修復提供了理論基礎,但因受低溫影響其降解速率均不高。
4.4 生物表面活性劑對微生物修復的影響
Ron等[51]研究表明,生物表面活性劑在石油降解中也有很好的促進作用,它一方面可以增加非水溶性物質的表面積,提高碳氫化合物的溶解度,從而利于微生物利用,另一方面可以產生大量的生物乳化劑,從而有助于微生物降解過程,且可以有效提高可降解石油細菌的生長能力,并提高這些細菌對石油烴的利用。目前關于生物表面活性劑在微生物修復中的應用主要集中在好氧降解上,厭氧降解較少。
4.5 氮磷營養鹽對微生物修復的影響
在地下水貧營養環境中,石油類污染物為微生物生長提供了充足碳源,氮、磷元素的缺乏往往成了微生物生長的抑制因素,微生物修復中投加氮源和磷源可明顯提高碳氫化合物的降解速率。諸多研究表明,最佳碳氮比和碳磷比分別為10∶1和10∶0.3[51]。由于具有親油性質的氮源和磷源因與石油類污染物的“相似相容”,將有利于微生物對石油類污染物的降解,所以實際應用中,有添加具有親油性質的油酸和三磷酸酯[52],也有添加動物飼料以及牛糞、雞糞和豬糞等動物糞便[52]作為氮磷營養鹽的小試和中試工程。此外,鑒于淺層含水層的環境局限性,在考慮降解效果的同時還應考慮含水層介質對外投親油類氮磷營養鹽的吸附作用;同時,外投鹽的安全性和數量也應加以嚴格控制,以避免對含水層造成二次污染。
4.6 氧含量對微生物修復的影響
諸多研究表明,氧氣(O2)的存在有利于石油烴的生物降解,且在好氧降解條件下,降解速率隨著O2含量的增高而加快[23]。石油類污染物的好氧降解過程是在O2的參與下基質被氧化酶氧化,每完全降解1 g的碳氫化合物的最佳需氧量為3.4 g[53]。Zhou等[54]研究表明,8%的O2含量是土壤中汽油降解的最佳氧氣含量;Wurdemann等[55]研究顯示當O2含量低于5%時,煤氣廠土壤樣品中的碳氫化合物的微生物降解都將受到限制;吳浩汀等[56]從污泥樣品中篩選出菌株并進行石油類污染物好氧降解試驗,結果表明在除油混合菌群條件下,富氧與貧氧條件相比,其除油效果明顯提高。
由于石油的疏水性而在水表面形成油膜,從而降低了氧的傳輸速率,進而制約了石油類污染物的好氧降解。淺層含水層因充滿水而空氣較少,因此O2的缺乏就限制了石油烴的好氧微生物降解而使得厭氧降解占主導地位[23],同時含水層中的O2含量還依賴于土壤的種類以及漬水與否。
鑒于地下水系統的貧氧環境,提高微生物法除油效果的主要途徑是篩選高效除油菌和對地下水充氧。對于充氧不易實現的地區,在借鑒國外研究成果的基礎上,還應重視微生物厭氧降解機理的基礎研究以及工程應用。
4.7 其他因素
考究已報道文獻發現,微生物降解石油烴的適宜pH值為中性偏堿性環境,這與常規淺層含水層環境類似。此外,石油污染區常因底油本身或者鉆井泥漿含有重金屬而伴有重金屬污染問題[16,57],關于其對微生物的降解影響研究較少[16,23,58]。淺層含水層具有無光的特點,雖然對于光照是如何影響微生物降解石油類污染物的具體機理目前尚無透徹研究,但事實表明光照條件可加速石油物質的氧化,有利于微生物對石油物質的降解。Maki等[59]研究表明,在光照強度為560~2 800 mol/(m2·s)、波長大于300 nm的光照條件下培養,微生物對芳香烴的降解速率比無光照組增大,這也反映出在部分已報道的文獻中其降解速率因沒有考慮到遮光因素可能會比實際偏高。另外,淺層含水層包括沉積物和地下水兩部分,降解研究一般采用地下水作反映介質,往往忽略了沉積物的吸附效果,或者將降解與吸附分開研究[16]。對于淺層含水層,地下水雖然處于流動狀態,但是速度緩慢,諸多試驗都是搖瓶/振蕩試驗,Wu等[60]在模擬淺層含水層有機污染物的微生物修復時認為,搖動使得微生物與基質的接觸面積和機會大大增加,會增加有機物的降解速率,因此諸多試驗的模擬條件具有局限性。此外,鑒于原位修復的場地的不同,實際降解效果還將依賴于現場試驗,而含水層介質的粒徑與微觀結構也會產生不同的影響[49]。
石油污染地下水的普遍性、危害性在我國已經逐漸引起社會的廣泛關注,關于其污染修復的研究尚處于起步階段。隨著我國對石油依賴度的提高,石油工業必將進一步發展,地表水、包氣帶、地下水等都將面臨著更大的污染風險,因此除了加強從源頭治理、切斷污染源外,對已經污染含水層的修復也刻不容緩。本文通過總結已有的報道文獻,認為未來石油污染淺層含水層的微生物修復技術研究應該著重考慮以下幾方面:
(1) 鑒于地下水中石油類污染物的時空分布和遷移轉化規律研究尚十分薄弱,所以弄清石油類污染物的賦存狀況以及在各種環境介質(大氣、水體、生物、土壤)中的存在種類和水平,是研究石油類污染物與環境介質間聯系的基礎,也是采取各種區域性或全球性控制策略的前提條件,而穩定同位素示蹤技術的滲入將會加速這一研究過程,以更清楚地反映“源”、“匯”、降解途徑及產物等。
(2) 高效、穩定、適應性強、廣譜性的“土著”菌株的篩選與分離以及混合菌群的構建仍是研究的重點。
(3) 在淺層含水層原位微生物修復工程技術中,最不易改變的是環境溫度,所以低溫條件下的降解研究將會成為熱點和難點;同時,鑒于地下水還具有貧氧、無光等特點,還應加強低溫條件下厭氧降解菌及兼性厭氧降解菌的降解機理等基礎研究。
(4) 分子生物學已經成為生命科學的前沿領域,應加強對微生物降解烴類過程的研究,將基因工程應用于石油烴污染地下水的治理,培育出更多、更好的菌株以達到高效除油的目的,也為開發治理與消除石油類污染物的微生物修復技術提供理論支撐。
(5) 原位微生物修復仍將以其獨特的優勢而被推廣和應用,原位強化自然修復和人工強化生物修復中的原位生物反應墻技術因抗沖擊能力較強,在我國具有極廣闊的應用前景,但由于地下水環境的復雜性,通過優化試驗條件得到的高降解率并不能保證現場試驗的可靠性,因此還應當加強此技術的現場應用研究,而數值模擬技術的應用將有助于提高工藝的可行性,同時隨著生態修復已成為污染修復的主流,微生物-植物聯合修復也將會得到更大范圍的應用。
[1] Qiu J.China faces up to groundwater crisis[J].Nature,2010,466(7304):308-308.
[2] Balachandran C,Duraipandiyan V,Balakrishna K,et al.Petroleum and polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) degradation and naphthalene metabolism inStreptomycessp.(ERI-CPDA-1) isolated from oil contaminated soil[J].BioresourceTechnology,2012,112:83-90.
[3] Madsen E L.Determining in situ biodegradation[J].EnvironmentalScience&Technology,1991,25(10):1662-1673.
[4] Hara A,Syutsubo K,Harayama S.Alcanivorax which prevails in oil-contaminated seawater exhibits broad substrate specificity for alkane degradation[J].EnvironmentalMicrobiology,2003,5(9):746-753.
[5] Zhang Z,Hou Z,Yang C,et al.Degradation of n-alkanes and polycyclic aromatic hydrocarbons in petroleum by a newly isolatedPseudomonasaeruginosaDQ8[J].BioresourceTechnology,2011,102(5):4111-4116.
[6] Cho Y,Han K,Kim N,et al.Estimating in situ biodegradation rates of petroleum hydrocarbons and microbial population dynamics by performing single-well push-pull tests in a fractured bedrock aquifer[J].Water,Air,&SoilPollution,2013,224(2):1-14.[7] 李永霞,鄭西來,馬艷飛.石油污染物在土壤中的環境行為研究進展[J].安全與環境工程,2011,18(4):43-47.
[8] 劉宇程,周左龍,陳菊,等.石油類污染物對土壤、地下水環境影響模擬分析[J].油氣田環境保護,2013,24(4):32-33,40,79.
[9] 蘇小四,呂航,張文靜,等.某石油污染場地地下水石油烴生物降解的13C、34S同位素證據[J].吉林大學學報(地球科學版),2011,41(3):847-854.
[10]鄧昌松,練章華,周進,等.淺析石油鉆井作業中的環境污染[J].安全與環境工程,2011,18(4):48-51.
[11]Kao C,Prosser J.Evaluation of natural attenuation rate at a gasoline spill site[J].JournalofHazardousMaterials,2001,82(3):275-289.
[12]Truax D D,Britto R,Sherrard J H.Bench-scale studies of reactorbased treatment of fuel-contaminated soils[J].WasteManagement,1995,15(5/6):351-357.
[13]Onianwa P.Petroleum hydrocarbon pollution of urban topsoil in Ibadan City,Nigeria[J].EnvironmentInternational,1995,21(3):341-343.
[14]Campagnolo J F,Akgerman A.Modeling of soil vapor extraction (SVE) systems—Part I[J].WasteManagement,1995,15(5/6):379-389.
[15]周迅.蘇南地區加油站地下儲油罐滲漏污染研究[D].北京:中國地質科學院,2007.
[16]Xu N,Bao M,Sun P,et al.Study on bioadsorption and biodegradation of petroleum hydrocarbons by a microbial consortium[J].BioresourceTechnology,2013,149:22-30.
[17]Teng Y,Feng D,Song L,et al.Total petroleum hydrocarbon distribution in soils and groundwater in Songyuan oilfield,Northeast China[J].EnvironmentalMonitoringandAssessment,2013,185(11):9559-9569.
[18]付新建,張修田,苗長軍.中原油田石油污染地下水現狀分析[J].地下水,2008,30(3):48-49.
[19]王玉梅,黨俊芳.油田地區地下水污染分析[J].地質災害與環境保護科學,2000,11(3):271-273.
[20]Zheng C,Wang P P.A field demonstration of the simulation optimization approach for remediation system design[J].GroundWater,2002,40(3):258-266.
[21]Mohammed N,Allayla R I,Nakhla G F,et al.State of the art review of bioremediation studies[J].JournalofEnvironmentalScienceandHealth:PartA,1996,31(7):1547-1574.
[22]曾憲軍,劉登魁.微生物修復受石油污染土壤的研究進展[J].湖南農業科學,2006,50(20):36-39.
[23]Walworth J,Harvey P,Snape I.Low temperature soil petroleum hydrocarbon degradation at various oxygen levels[J].ColdRegionsScienceandTechnology,2013,96:117-121.
[24]Yeung C W,Van Stempvoort D R,Spoelstra J,et al.Bacterial community evidence for anaerobic degradation of petroleum hydrocarbons in cold climate groundwater[J].ColdRegionsScienceandTechnology,2012,86:55-68.
[25]Aitken C,Jones D,Maguire M,et al.Evidence that crude oil alkane activation proceeds by different mechanisms under sulfate-reducing and methanogenic conditions[J].GeochimicaetCosmochimicaActa,2013,109:162-174.
[26]Khan F I,Husain T,Hejazi R.An overview and analysis of site remediation technologies[J].JournalofEnvironmentalManagement,2004,71(2):95-122.
[27]Benner M L,Mohtar R H,Lee L S.Factors affecting air sparging remediation systems using field data and numerical simulations[J].JournalofHazardousHaterials,2002,95(3):305-329.
[28]郝春博,王廣才,董健楠,等.石油污染地下水中細菌多樣性研究[J].環境科學,2009,30(8):2464-2472.
[29]許華夏,張春桂.微生物降解石油污染的土壤[J].遼寧城鄉環境科技,1998,18(6):22-24.
[30]李艷紅,史利榮,李英利,等.高鹽度采油廢水石油降解菌株的篩選及鑒定[J].安全與環境工程,2013,20(5):80-84.
[31]Rike A G,Haugen K B,B?rresen M,et al.In situ biodegradation of petroleum hydrocarbons in frozen arctic soils[J].ColdRegionsScienceandTechnology,2003,37(2):97-120.
[32]Shi T,Reeves R,Gilichinsky D,et al.Characterization of viable bacteria from Siberian permafrost by 16S rDNA sequencing[J].MicrobialEcology,1997,33(3):169-179.
[33]Kunihiro N,Haruki M,Takano K,et al.Isolation and characterization ofRhodococcussp.strains TMP2 and T12 that degrade 2,6,10,14-tetramethylpentadecane (pristane) at moderately low temperatures[J].JournalofBiotechnology,2005,115(2):129-136.
[34]黃磊,李丹,孫丹,等.1株低溫石油烴降解菌的分類鑒定及降解特性研究[J].環境科學,2007,28(9):2101-2105.
[35]馬會強,張蘭英,張洪林,等.新型生物反應墻原位修復石油烴污染地下水[J].重慶大學學報,2011,34(5):99-104.
[36]Yamaguchi T,Ishida M,Suzuki T.Biodegradation of hydrocarbons byProtothecazopfiiin rotating biological contactors[J].ProcessBiochemistry,1999,35(3):403-409.
[37]Martin B C,George S J,Price C A,et al.The role of root exuded low molecular weight organic anions in facilitating petroleum hydrocarbon degradation:Current knowledge and future directions[J].ScienceoftheTotalEnvironment,2014,472:642-653.
[38]Nicolotti G,Egli S.Soil contamination by crude oil:Impact on the mycorrhizosphere and on the revegetation potential of forest trees[J].EnvironmentalPollution,1998,99(1):37-43.
[39]Carman E P,Crossman T L,Gatliff E G.Phytoremediation of No.2 fuel oil-contaminated soil[J].JournalofSoilContamination,1998,7(4):455-466.
[40]Yadav B K,Hassanizadeh S M.An overview of biodegradation of LNAPLs in coastal (semi)-arid environment[J].Water,Air,&SoilPollution,2011,220(1/2/3/4):225-239.
[41]Beckles D M,Chen W,Hughes J B.Bioavailability of polycyclic aromatic hydrocarbons sequestered in sediment:Microbial study and model prediction[J].EnvironmentalToxicologyandChemistry,2007,26(5):878-883.
[42]Haus F,German J,Junter G A.Primary biodegradability of mineral base oils in relation to their chemical and physical characteristics[J].Chemosphere,2001,45(6):983-990.
[43]Delille D,Delille B.Field observations on the variability of crude oil impact on indigenous hydrocarbon-degrading bacteria from sub-antarctic intertidal sediments[J].MarineEnvironmentalResearch,2000,49(5):403-417.
[44]郭書海,張海榮,張春桂.含油污泥堆腐處理技術研究[J].農業環境科學學報,2005,24(1):161-164.
[45]陳立,張發旺,張琳,等.土著微生物修復石油污染地下水的研究[J].南水北調與水利科技,2010,8(6):56-77.
[46]張文林,李春利,侯凱湖.含油廢水處理技術研究進展[J].化工進展,2005,24(11):1239-1243.
[47]Whyte L G,Hawari J,Zhou E,et al.Biodegradation of variable-chain-length alkanes at low temperatures by a psychrotrophicRhodococcussp.[J].AppliedandEnvironmentalMicrobiology,1998,64(7):2578-2584.
[48]方燕娜,林學鈺,廖資生,等.吉林中部平原區淺層地下水溫度對全球氣候變暖的響應[J].冰川凍土,2005,27(5):833-837.
[49]Chang W,Akbari A,Snelgrove J,et al.Biodegradation of petroleum hydrocarbons in contaminated clayey soils from a sub-arctic site:The role of aggregate size and microstructure[J].Chemosphere,2013,91(11):1620-1626.
[50]Su X,Lv H,Zhang W,et al.Evaluation of petroleum hydrocarbon biodegradation in shallow groundwater by hydrogeochemical indicators and C,S-isotopes[J].EnvironmentalEarthSciences,2013,69(6):2091-2101.
[51]Ron E Z,Rosenberg E.Biosurfactants and oil bioremediation[J].CurrentOpinioninBiotechnology,2002,13(3):249-252.
[52]謝丹平.石油污染生物修復技術研究[J].四川環境,2006,25(4):109-121.
[53]Huesemann M H,Truex M J.The role of oxygen diffusion in passive bioremediation of petroleum contaminated soils[J].JournalofHazardousMaterials,1996,51(1):93-113.
[54]Zhou E,Crawford R L.Effects of oxygen,nitrogen,and temperature on gasoline biodegradation in soil[J].Biodegradation,1995,6(2):127-140.
[55]Wurdemann H,Wittmaier M,Rinkel U,et al.A simple method for determining deficiency of oxygen during soil remediation[M]//Battelle M I,Hinchee R E,Miller R N,et al.HydrocarbonBioremediation.Boca Raton:CRC Press,1994:454-485.
[56]吳浩汀,曾蘇,魏家泰.地下水石油污染生物處理技術研究[J].污染防治技術,1996,9(1/2):66-68.
[57]胥九兵,王加寧,遲建國,等.石油烴-鎘污染土壤的生物修復研究[J].安全與環境工程,2012,19(3):29-32.
[58]Moreira I T A,Oliveira O M C,Triguis J A,et al.Evaluation of the effects of metals on biodegradation of total petroleum hydrocarbons[J].MicrochemicalJournal,2013,110:215-220.
[59]Maki H,Sasaki T,Harayama S.Photo-oxidation of biodegraded crude oil and toxicity of the photo-oxidized products[J].Chemosphere,2001,44(5):1145-1151.
[60]Wu Q,Liu H,Ye L S,et al.Biodegradation of Di-n-butyl phthalate esters by Bacillus sp.SASHJ under simulated shallow aquifer condition[J].InternationalBiodeterioration&Biodegradation,2012,76:102-107.
Research Progress in Microbial Remediation of Petroleum-contaminated Shallow Aquifer
CHEN Huilun
(SchoolofCivil&EnvironmentalEngineering,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China)
Microbial remediation is an important way to remove organic pollution in shallow groundwater.This paper reviews the major research progress in shallow aquifer pollution caused by oil production and other processes,technical progress of microbial remediation,screening and separation of degradation bacteria,as well as influence factors of microbial remediation.In situ microbial remediation shows broad prospects for use in petroleum-contaminated shallow aquifer restoration.Given the shallow groundwater system with low-temperature,oxygen-poor characteristics,the paper points out the existing shortcomings of current research.The spatial and temporal distribution along with migration and transformation of petroleum contamination in groundwater,stable isotope techniques,the screening of excellent native strains and the construction of mixed strains,biodegradation in low-temperature and oxygen-poor environment,in situ remediation of field studies and microbial-plants combined remediation and so on will be the focus of in situ microbial remediation technology research of petroleum-contaminated shallow aquifer in future.
petroleum contamination;shallow groundwater;microbial remediation;in situ remediation technology
1671-1556(2015)01-0066-07
2014-03-19
2014-12-03
國家自然科學基金項目(41103058)
陳輝倫(1984—),男,博士,講師,主要從事環境生物地球化學等方面的研究。E-mail:chenhuilun@gmail.com
X523;X172
A
10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2015.01.012