油污沙釋放油生成MOS的特性及其影響因素研究

陳亞冉++鄧瑞杰++郝樹廷++韓璐

摘 要：海洋石油雪（MOS）在油污沙灘的生物修復中發揮重要作用。采用模擬實驗，研究了MOS的形成及海水鹽度、混合能量對其生成的影響。結果表明MOS有茸狀、纖維狀、網狀和樹枝狀幾種形態， MOS絮體的沉降速率和胞外聚合物透明顆粒（TEP）含量都隨鹽度及混合能量的增加呈先增后減的趨勢，鹽度為35‰或混合能量為160 r/min時絮體存在最大沉降速率和最大TEP含量。

關鍵詞：油污沙釋放油；MOS；鹽度；混合能量

海上溢油隨波浪、潮汐等作用遷移至沿岸海灘，造成沙灘污染。開放的海洋系統中，在局部海浪或湍流等自然條件作用下，灘體中的夾藏油存在天然的釋放過程，并可與懸浮顆粒物（SPM）、海洋生物及其分泌物等聚集形成海洋石油雪（MOS），加速石油的生物降解及在海洋的遷移[1-2]。在該自然修復過程中，油組分與懸浮物質等的凝結作用實質是在陰離子介質中，油滴中極性化合物與SPM之間的相互作用[3]。因此海水鹽度、混合能量等可能影響MOS的生成。本研究采用模擬實驗，研究了油污沙釋放油與顆粒物生成MOS的特性及其影響因素。

1 材料與方法

1.1 油污沙的制備與表征

準確稱取10 g光照風化15 d的輕質原油，經石油醚溶解加入到經水洗、酸洗滅菌后的1 000 g原沙中。置于無菌操作臺做通風及滅菌處理，并不斷攪拌至石油醚全部揮發。油污沙含油量采用GB 17378.4—2007中紫外分光光度法測定，初始含油量為8.102 7 mg/g。

1.2 微生物馴化及菌懸液制備

天然石油污染海水取自青島大港六號碼頭，對其中的微生物菌群進行馴化富集培養。人工海水培養基及微量元素混合液參照文獻[4]。采用光密度法，在600 nm波長處測定微生物菌液濃度并作微生物生長曲線。選取對數生長期的培養液制備菌懸液[5]。

1.3 分析方法

用相機記錄生成MOS的表觀形態，其明場及熒光形態使用OLYMPUS IX71 倒置紫外熒光顯微鏡觀察；MOS沉降速率采用物理沉降方式，在50 mL比色管中進行，根據公式V=H/t（V為沉降速度，H為比色管高度，t為沉降時間）計算所得；TEP含量采用先染色后顯微鏡下分析計算的半定量測定方法，計算結果用相同視野范圍內直徑大于50 μm的TEP平均數量和平均總表面積表示[6]。大的總表面積具有大的TEP含量。

1.4 實驗過程

1.4.1 天然MOS的生成 參考天然灘體環境研究MOS生成。配制pH為8，鹽度為35‰的人工海水，各100 mL分裝于250 mL錐形瓶內，一式三份，高壓蒸汽滅菌。添加2 g油污沙、10 mL菌懸液。置于恒溫，160 r/min搖床。觀察MOS的直觀形態，并以照片形式記錄。實驗進行至第5天時進行MOS明場和熒光形態觀察。

1.4.2 鹽度的影響 配制鹽度分別為20‰、25‰、30‰、35‰、40‰、45‰的人工海水，分裝，滅菌。加入2 g油污沙、10 mL菌懸液。置于恒溫，160 r/min搖床。實驗進行至第5天時進行沉降速率及TEP含量的測定。

1.4.3 混合能量的影響 人工海水（35‰）分裝，滅菌，加入2 g油污沙、10 mL菌懸液，置于恒溫搖床。調節振蕩器轉速為120 r/min，140 r/min，160 r/min，180 r/min，200 r/min。第5天時取樣測定。

2 結果與討論

2.1 天然MOS的生成

2.1.1 MOS直觀形態 錐形瓶置于搖床1天，觀察到有MOS絮體生成。隨時間推移MOS生成量增多，形態也多種多樣，總體上可分為如圖1中四種形態。

圖1 MOS不同形態（a茸狀b纖維狀c網狀d樹枝狀）

MOS絮體四種形態：圖1 a茸狀，呈羽毛狀的白色絮體，邊緣類似于茸毛，稱茸狀MOS。直徑在微米級到毫米級之間；b纖維狀，由一些絲狀細菌形成的絲狀物或是網狀黏性結構捕獲油滴等其他黏性物質而形成，結構較茸狀緊實，稱纖維狀MOS；c網狀，比茸狀和纖維狀MOS稀疏，由一些極細的絲狀黏性物質膠連著，呈分散結構的絮體，稱網狀MOS。其細絲結構易碎，直徑不會太大，一般在微米至毫米級，少數厘米級；d樹枝狀，由三種不同形態絮體黏合在一起形成的MOS。既有直徑僅為微米級也有直徑可達3厘米以上的，一般厘米級較多。其形態類似盤曲的樹枝，稱樹枝狀MOS。隨培養時間增加、溶液中微生物量及其他一些雜質的增多，茸狀MOS會黏附一些物質使自身由白色茸狀漸變成乳白色、灰色/黑色纖維狀。同時受水動力等其他因素的影響，其他絮體之間會發生形變，最常見的為纖維狀、網狀和樹枝狀之間的轉變。

2.1.2 MOS形態觀察 石油尤其是其多環芳烴類化合物在紫外燈照射下顯熒光，用紫外熒光顯微鏡可專門用于石油的探測，針對MOS明場及熒光形態的觀察如圖2，標有a、b、c、d的為明場，未標注的為熒光。

圖2 四種MOS明場和熒光形態（a茸狀b纖維狀c網狀d樹枝狀）

從圖2中可以看出，明場下茸狀MOS、網狀MOS、樹枝狀MOS結構都較纖維狀MOS松散，且明場下熒光性也較弱，則捕獲的石油量少；圖a茸狀MOS的細絲較多，每根細絲上都黏附石油；圖b纖維狀MOS緊實的結構除包裹較多的石油外，可能還含有較多的胞外聚合物等其他有機物質；圖c網狀結構的MOS較稀疏、輕薄、易碎，但有時能捕獲較大的油滴或油塊；圖d樹枝狀MOS，形態極不規則，既有單枝狀也有多枝狀，一般多枝狀較其他三種MOS絮體大。則就捕油率而言，生成的纖維狀MOS越多越好。

2.2 MOS沉降速率與影響因素

在影響因素研究過程中發現，鹽度及混合能量對MOS形態影響不大，但影響MOS的沉降速率及TEP含量。

2.2.1 鹽度對沉降速率影響 MOS絮體生成的初期，多懸浮在水面或水體中。實驗進行至第3～4天，絮體開始沉降，且不同因素下絮體沉降速率不同。從圖3（a）可以看出，MOS沉降速率隨鹽度增加呈先增后減的趨勢。當鹽度為35‰時，存在最大沉降速率0.52 cm/s。當海水鹽度為20‰時，絮體沉降速率最小為0.26 cm/s，是鹽度為35‰時沉降速率的一半。endprint

一定范圍的鹽度是石油和黏土礦物相互作用的先決條件，溶解鹽具有膠體絮凝能力，可以通過電解作用絮凝黏土顆粒，油膜吸附在這些黏土顆粒上生成自發締合膠體或膠體電解質，有利于結構緊密絮體的生成[7]。如果海洋環境的鹽度低于該鹽度范圍，油與黏土礦物難以凝膠絮凝生成MOS絮體。則在較低的鹽度（20‰）環境中生成的絮體量較少且絮體結構蓬松、沉降性能較差。

鹽度影響MOS生成的另一個機制是雙電層理論。溶解油黏附在顆粒物表面形成雙電層結構，水相中溶解的電解質可減小界面水相一側的雙電層厚度、降低Zeta電勢、減小液珠間的靜電排斥作用，促進油珠的絮凝、聚并[8]，生成粒徑較大且結構緊實的MOS絮體，沉降速率大。所以在一定鹽度范圍（20‰～35‰）內，隨海水鹽度增加，在達到某一鹽度閾值（約35‰）之前，海水中的離子濃度相應升高，油和礦物顆粒的雙電層厚度隨著鹽度的增加會被壓縮，顆粒表面的排斥能力降低，促進了顆粒間的吸引力；一旦鹽度高于閾值35‰，雙電層厚度低于某一閾值，進一步增加鹽度對MOS生成的影響較小，可以忽略不計[9-10]。同時持續增大的鹽度還可能影響微生物酶活性，減弱絮體的生成，使沉降速率減小。

圖3 鹽度（a）及混合能量（b）對沉降速率的影響

2.2.2 混合能量對沉降速率影響 從圖3（b）可知，隨混合能量的增大，絮體沉降速率出現先緩慢增大后急劇下降的趨勢，搖床轉速為160 r/min時，沉降速率存在最大值0.50 cm/s；當轉速為200 r/min時，絮體沉降速率僅為0.12 cm/s。因變量為轉速，生成的MOS多為形態結構相同的絮體，則絮體沉降速率與絮體大小呈正相關，較大的絮體沉降速率越大。

混合能量可以通過產生剪切力影響海洋懸浮物質的遷移、轉化及其他物理化學過程。一定范圍內（120～160 r/min），石油可以被分解成小液滴、懸浮油、溶解乳狀油，油滴尺寸隨混合能量的增加而減小，增強油和懸浮物之間的碰撞；同時較大的混合能量也能提高絮體的捕油效率，加速絮體生成過程[11-12]。所以隨轉速由120 r/min增加至160 r/min，生成的絮體體積不斷增大，沉降速率增大；但當轉速為180 r/min時，較大混合能量大的剪切力有破碎或褶皺片狀聚集體的傾向，同時MOS絮體本身具有瞬時性和易碎性。當轉速大于180 r/min，混合能量剪切力大于絮體本身的范德華力、黏合力時，就會破壞MOS絮體結構，使其分解成很小的絮體，沉降速率驟減。

輕質原油和低密度黏液的存在使絮體存在初始浮力，但隨絮體中微生物活動及風化等作用，致使絮體結構、密度等發生變化，絮體開始向海底沉降[13]。同時在絮體下沉過程中，較強的波浪作用還可以促進一些MOS絮體向遠洋海域的擴散，達到稀釋污染物的目的，影響石油的遷移轉化及最終歸宿[14]。促進更多灘體夾藏油的釋放及MOS生成。所以鹽度為35‰、混合能量為160 r/min時，在一定程度上有利于絮體的沉降、擴散，油污沙石油的釋放及油的生物降解。

2.3 TEP含量與影響因素

2.3.1 鹽度對TEP含量影響 TEP是海洋生物分泌的胞外聚合物的部分糖性成分，是MOS的重要基質[15]。TEP含量（面積/數量）可用以MOS絮體生成量的評價，尤其TEP大的平均總表面積對應大的MOS絮體。不同條件下生成的MOS絮體TEP含量不同。形態相同的MOS絮體，其TEP包含量也有所不同。

從圖4（a）可以看出，海水鹽度在25‰～40‰之間時，絮體中TEP數量和面積均變化不大，數量在16～28之間，面積在（1.6～2.3）×108 μm2之間。但當鹽度為20‰和40‰時TEP數量和面積都明顯減少；TEP數量和面積并非呈直線正相關，即多的TEP數量并不代表大的TEP面積。如鹽度為25‰和40‰時TEP數量均為16，而TEP面積卻分別為1.6×108 μm2和1.9×108 μm2；鹽度為35‰的TEP數量較30‰時少，但TEP面積卻較大，這說明35‰時生成的絮體平均直徑較30‰時大。

鹽度影響MOS生成的理論除溶解鹽膠體性質及雙電層結構外，還包括微生物活性。TEP的含量與微生物代謝活性密切相關，較低（20‰）或較高（45‰）的鹽度可能影響微生物的生理活動，減少黏性胞外聚合物的分泌，形成較少且較小的絮體；鹽度還可能改變了微生物的多樣性，影響反應系統的生物活性。王子超等曾就研究表明鹽度低于30‰時序批式生物反應器系統中微生物多樣性指數隨鹽度增加而增加，鹽度高于40‰時微生物多樣性指數逐漸降低[16]。

圖4 鹽度（a）及混合能量（b）對TEP含量的影響

2.3.2 混合能量對TEP含量影響 從圖4（b）可以看出，轉速為160 r/min時，平均TEP數量最多，為16個；且平均總表面積最大，為1.8×108 μm2，即主要成分為TEP的MOS絮體的量最多。轉速為120 r/min時，TEP數量僅為3個，是轉速為200 r/min時的一半；但TEP面積卻是200 r/min時的1.6倍，表明120 r/min生成絮體的平均粒徑較200 r/min的大。適當的波浪強度（160 r/min）可以通過產生速度剪切力來分散和運輸其湍流中的溢油，增強其分散效果，加速與TEP凝聚形成較大的絮體[2]。過低的鹽度不利于絮體生成，而過高鹽度會破壞微生物活性及絮體結構，所以TEP量都不大。

TEP不僅對海洋生物本身具有保護作用，其兩親性質可以促進絮體的凝聚，并且其表面活性還可以增大石油的水溶性及生物可利用性。MOS中TEP的含量越多，越有利于石油的最終降解[17-18]。所以鹽度為35‰、混合能量為160 r/min時有利于TEP的產生、MOS絮體的生成、油污沙釋放油的生物降解。

3 結論

MOS可分為茸狀、纖維狀、網狀和樹枝狀；不同形態的MOS絮體石油捕獲量不同，熒光性有強有弱；纖維狀MOS熒光性最強，捕油量相對較大。endprint

鹽度為35‰時，直徑大于50 μm的TEP平均數量為17，平均總表面積2.3×108 μm2最大；混合能量為160 r/min時，TEP平均數量最大，為18，平均總表面積1.8×108 μm2最大。

鹽度值為35‰時，MOS的最大沉降速率為0.52 cm/s；混合能量為160 r/min時，MOS的最大沉降速率為0.50 cm/s。

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