微生物法處理石油污染土壤的研究進(jìn)展

丁 強(qiáng)，劉海華

(1.陜西省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，陜西 西安 710054； 2.西安航空學(xué)院能源與建筑學(xué)院，陜西 西安 710077)

石油是現(xiàn)代社會(huì)最重要的能源和化工原料。然而，石油的溢出和泄漏通常導(dǎo)致土壤和地下水污染，特別是大規(guī)模的意外泄漏。石油污染的主要來(lái)源是石化工業(yè)、油田設(shè)施、石油廠、液體燃料分配和儲(chǔ)存裝置、石油產(chǎn)品運(yùn)輸設(shè)備、機(jī)場(chǎng)和非法鉆探。在過(guò)去的幾十年里，石油污染一直是對(duì)海洋、土壤及水體環(huán)境的嚴(yán)重威脅。這些污染具有重大的環(huán)境影響，當(dāng)石油泄漏時(shí)，石油填充土壤孔隙，迅速被土壤顆粒吸收，在重力作用下，改變土壤化學(xué)成分、物理和生物特性[1]。對(duì)人類健康構(gòu)成重大危害，破壞生態(tài)平衡，需要數(shù)年甚至數(shù)十年才能恢復(fù)[2]。

根據(jù)2014年公布的《全國(guó)土壤污染調(diào)查公報(bào)》，我國(guó)石油產(chǎn)區(qū)土壤中主要污染物為石油烴和多環(huán)芳烴，化工園區(qū)及周邊土壤中主要污染物為多環(huán)芳烴[3]。目前我國(guó)農(nóng)用地土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)征求意見稿里，對(duì)土壤中石油烴總量限定值暫定為500 mg·kg-1。多環(huán)芳烴(PAHs)具有親油性和疏水性，具有致癌性、致突變性和環(huán)境持久性，近年來(lái)受到人們的廣泛關(guān)注[4-5]。農(nóng)作物作為主要食物源，從受污染土壤中吸收多環(huán)芳烴，隨后食用受污染作物，導(dǎo)致多環(huán)芳烴通過(guò)食物鏈轉(zhuǎn)移[6]。此外，土壤中的多環(huán)芳烴可以通過(guò)地表土壤的排放和粉塵的產(chǎn)生來(lái)分散，這是多環(huán)芳烴暴露的另一個(gè)重要途徑[7]。

生物修復(fù)具有成本低、無(wú)二次污染、對(duì)土壤環(huán)境無(wú)破壞和處理效果好等特點(diǎn)。生物修復(fù)以其優(yōu)良的特性逐漸成為研究熱點(diǎn)。烷烴和多環(huán)芳烴可以作為原油的典型和優(yōu)勢(shì)組分進(jìn)行生物降解研究。本文介紹微生物法處理土壤石油烴類和多環(huán)芳烴污染研究進(jìn)展。

1 去除土壤中石油烴和多環(huán)芳烴的原理

進(jìn)入土壤中的石油烴類和多環(huán)芳烴類污染物，可通過(guò)揮發(fā)、自氧化和降解等自然方式進(jìn)行轉(zhuǎn)化和降解，降解主要包括生物降解、光解降解和機(jī)械降解，在沒(méi)有外來(lái)微生物參與的情況下，是一個(gè)非常緩慢的過(guò)程[8]。被微生物降解是烴類污染物最終歸宿。

當(dāng)石油污染物進(jìn)入環(huán)境時(shí)，各種微生物會(huì)參與生物降解過(guò)程。作為營(yíng)養(yǎng)物，污染物被微生物吸收并轉(zhuǎn)化為有機(jī)成分或新的微生物得以再生。其余的被微生物氧化并分解成簡(jiǎn)單的有機(jī)或無(wú)機(jī)物質(zhì)，如甲烷、二氧化碳和水。微生物對(duì)石油污染物中不同碳?xì)浠衔锏拇x途徑和機(jī)理不同。

上述3個(gè)過(guò)程涉及的氧化途徑包括單端氧化、雙端氧化和次末端氧化。

(2) 支鏈烷烴降解機(jī)理：與非支鏈烷烴相比，支鏈的存在阻礙了微生物氧化降解的進(jìn)程[9]。多環(huán)芳烴很難降解，溶解度、環(huán)數(shù)、取代基類型、取代基位置、取代基數(shù)目及有關(guān)雜環(huán)原子的性質(zhì)決定了降解程度。第一環(huán)羥基化為丙酮酸和二氧化碳是多環(huán)芳烴生物降解的開始，然后第二環(huán)以同樣方式降解。

2 降解土壤中石油的影響因素

2.1 石油的化學(xué)組分

石油產(chǎn)品的可降解性因其成分而異。石油烴是一種極其復(fù)雜的混合物，可將其分為四個(gè)部分：飽和烴、芳烴、樹脂(N、S、O)和瀝青質(zhì)[10]。飽和烴部分包括直鏈烷烴(正構(gòu)烷烴)、支鏈烷烴(異烷烴)和環(huán)烷烴(環(huán)烷烴)。芳烴餾分中含揮發(fā)性單芳香烴，如苯、甲苯、二甲苯、多環(huán)芳烴和環(huán)烷芳烴。芳香硫化合物，如噻吩和二苯并噻吩。樹脂(N、S、O)和瀝青質(zhì)組分由含氮、硫和氧的極性分子組成。樹脂是真正溶解在油中的無(wú)定形固體，而瀝青質(zhì)是大分子膠體分散在油中。

各種烴類的降解程度不同，降解速率主要取決于碳及其官能團(tuán)的數(shù)量[11]。這些組分中，飽和烴最易降解，其次是低分子量的芳香族化合物，而分子量較大的芳香族化合物、樹脂和瀝青質(zhì)極難降解。

2.2 降解菌種數(shù)量及種類

作為分解者，石油降解菌種數(shù)量和種類是影響石油生物降解率的重要因素。有機(jī)污染物的生物降解受微生物活性影響。不同微生物對(duì)石油烴的降解能力不同，同一菌株對(duì)不同烴類的利用能力也不同。石油污染土壤中，石油降解速率與石油降解菌的數(shù)量和種類有關(guān)，數(shù)量種類多，降解速率快。石油類中的有機(jī)質(zhì)能顯著提高土壤有機(jī)碳含量。有機(jī)石油很容易與無(wú)機(jī)氮磷結(jié)合，限制土壤的硝化和脫磷，減緩養(yǎng)分的循環(huán)。土壤物化性質(zhì)的變化將改變細(xì)菌群落。石油污染可以誘導(dǎo)降解石油微生物種群的增長(zhǎng)。非石油污染區(qū)石油降解微生物數(shù)量不到微生物總量的0.1%，但污染區(qū)石油降解菌的比例和數(shù)量都有明顯增加。Feng X等[13]通過(guò)研究大港油田石油污染土壤細(xì)菌群落分布，得出石油污染土壤比正常土壤有更多的甲烷和多環(huán)芳烴降解途徑，表明石油污染土壤內(nèi)菌群更為豐富。Wu Manli等[14]研究被石油污染土壤中菌群的變化，采用保持土壤含水量和添加混合菌種等手段處理石油污染土壤，結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)前3周內(nèi)被石油污染土壤菌群的種類和數(shù)量急劇增加，之后維持不變或略降。

2.3 土壤中的氧氣及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)

對(duì)于好氧微生物，土壤中的氧含量對(duì)降解率有重要影響。微生物降解石油過(guò)程中，主要的電子受體是O2。石油污染土壤修復(fù)過(guò)程中，土壤中含氧量(20～200) mg·L-1時(shí)，微生物可完全降解石油污染物[15]。Thomé A等[16]采用微生物-通風(fēng)技術(shù)修復(fù)土壤中石油烴類污染物，結(jié)果表明，生物通氣降解率最高為85%，而自然衰減降解率為64%，氣流強(qiáng)度和氣流間隔對(duì)降解結(jié)果無(wú)顯著性差異。劉沙沙等[17]利用生物通風(fēng)法修復(fù)柴油污染土壤，向土壤中通入空氣時(shí)微生物的數(shù)量和活性比自然修復(fù)狀態(tài)高。氧作為電子受體，可提高微生物體內(nèi)的加氧酶對(duì)分子氧和能量的利用，加快細(xì)胞中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的分解代謝。

微生物生長(zhǎng)最根本的限制因素是土壤中的營(yíng)養(yǎng)元素。土壤中的微生物至少有11種微量營(yíng)養(yǎng)元素(N、P、K、Na、S、Ca、Mg、Fe、Mn、Zn、Cu)。這些元素須保持一定數(shù)量、形態(tài)和比例，才能維持好氧菌的生長(zhǎng)。石油污染土壤中C、N、P質(zhì)量比為100∶0.12∶0.02。對(duì)于生物修復(fù)工程來(lái)說(shuō)，美國(guó)環(huán)保署建議土壤中質(zhì)量比為100∶10∶1，以獲得適當(dāng)?shù)酿B(yǎng)分，刺激微生物生長(zhǎng)。Wu Manli等[14]研究表明，生物刺激在陜北石油污染土壤的生物修復(fù)中，增加氮、磷養(yǎng)分是可行的。李政等[18]利用微生物修復(fù)克拉瑪依石油污染土壤，m(N)∶m(P)=10的實(shí)驗(yàn)組土壤含油率減少最明顯，含油率由初始的4.03%降至2.12%，石油烴降解率47.39%。m(N)∶m(P)過(guò)低或者過(guò)高均不利于土壤中石油烴的降解。

2.4 土壤含水率

土壤的含水率對(duì)土壤中微生物影響顯著，是影響石油降解菌生長(zhǎng)繁殖的限制因素[19]。李政等[18]研究表明，當(dāng)土壤含水率較低時(shí)(低于20%)，石油降解在生物修復(fù)的第30天才表現(xiàn)顯著，而當(dāng)土壤含水率較高(高于20%)時(shí)，油降解在生物修復(fù)的第20天就表現(xiàn)顯著，可見含水率影響降解菌對(duì)石油烴的利用速率。但隨著含水率提高，含油率的降低不明顯，實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論，土壤中水含量為25%時(shí)，為最佳降解條件。

2.5 pH和溫度

土壤pH值是影響微生物生長(zhǎng)、活性、生物量、膜完整性和污染物生物有效性的關(guān)鍵參數(shù)。當(dāng)pH為微堿性時(shí)，有利于硝化作用及氮的進(jìn)一步轉(zhuǎn)化；當(dāng)pH=6～8時(shí)，磷的可利用性較高[20]。之前的研究表明，可降解石油的菌種大多適應(yīng)微堿性環(huán)境。

環(huán)境溫度影響溢油的性質(zhì)和微生物活性或數(shù)量。在低溫下，原油黏度增大，有毒低分子量烴類的揮發(fā)性降低，延緩了生物降解的發(fā)生。一些碳?xì)浠衔镌谳^低溫度下溶解度增大(如短鏈烷烴)，而一些低分子量芳烴在較高溫度下溶解度更大。碳?xì)浠衔锏纳锝到饪梢栽谳^寬溫度范圍內(nèi)發(fā)生，但生物降解速率通常隨著溫度的降低而降低。土壤環(huán)境中最高降解率溫度(30～40) ℃，淡水環(huán)境中(20～30) ℃，海洋環(huán)境中(15～20) ℃[21]。

3 去除土壤中石油所用菌種的特性和馴化

石油污染土壤微生物修復(fù)的主要方法有：(1)生物強(qiáng)化，即添加降解石油的微生物來(lái)補(bǔ)充石油泄漏的生物修復(fù)現(xiàn)有微生物種群。(2)生物刺激，通過(guò)添加營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)或其他限制生長(zhǎng)的共基質(zhì)改變刺激了土壤中石油降解的生長(zhǎng)。2種方法已在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模和石油污染海岸線的生物修復(fù)中得到廣泛研究。李曉娜等[22]以勝利油田附近被石油污染的土壤作為分離樣品，以原油為唯一碳源和能源進(jìn)行菌種馴化，富集篩選得到高效降解菌2株，分屬為芽孢桿菌屬和假單胞菌屬。室內(nèi)培養(yǎng)箱實(shí)驗(yàn)測(cè)定，2株菌經(jīng)45天對(duì)土壤中石油的降解率分別為72.3%和61.2%。程進(jìn)[23]以大慶濕地油井附近石油污染土壤為研究對(duì)象，以原油為唯一碳源，進(jìn)行菌種馴化，模擬油污土壤實(shí)驗(yàn)表明，單獨(dú)加菌液對(duì)油污土壤修復(fù)具有可行性。菌株對(duì)2 g·kg-1油污土壤具有修復(fù)能力，經(jīng)過(guò)7天對(duì)土壤中石油的去除率最高可達(dá)63.07%。夏銘謙[24]以美國(guó)加州北部一石油污染場(chǎng)地為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)土著微生物的富集培養(yǎng)、分離純化，篩選得到石油烴降解細(xì)菌30株，并模擬石油污染土壤進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，15天內(nèi)對(duì)土壤中石油的降解率最高菌種為變形斑沙雷氏菌，達(dá)67.99%。馬曉焉等[25]以柴油為唯一碳源，從被原油污染土壤中篩選和分離降解柴油的4株菌種，分析pH和溫度對(duì)菌種的影響，得出適宜這4株菌種的溫度為(25～35) ℃，pH=8～9。

4 結(jié) 語(yǔ)

石油勘探正被推進(jìn)到更深的水域和更偏遠(yuǎn)的地方，如北極地區(qū)，那么未來(lái)發(fā)生事故的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)更高，在可用于海洋和陸地溢油的清理技術(shù)中，生物修復(fù)方法更具可持續(xù)性和成本效益。基于微生物降解的石油污染土壤生態(tài)修復(fù)可以從本質(zhì)上徹底解決污染。目前，將微生物燃料電池與微生物聯(lián)合用于石油污染土壤，不僅可以加速石油污染物生物降解的啟動(dòng)速度，還可以加大微生物對(duì)石油污染物的降解作用范圍。生物修復(fù)投資成本低，簡(jiǎn)單有效，修復(fù)效果好，無(wú)二次污染，適應(yīng)當(dāng)今工業(yè)的大規(guī)模發(fā)展。