修復條件對礦化垃圾強化微生物修復石油污染土壤的影響

劉慶梅,王亞婷,李靜文,陶紅群

（成都市環境保護科學研究院，四川 成都 610072）

0 引言

隨著石油石化行業的快速發展，因石油開采、運輸和儲存等生產過程以及泄漏事故造成的土壤石油污染日益嚴重，不僅造成土壤的廢毀，還通過食物鏈危害人類健康。生物修復相對于物理、化學修復方法更環保、經濟、降解徹底，是修復石油污染土壤的主要方法。但生物修復法存在周期長、自然降解效果差、受環境影響大等問題，阻礙了生物修復更好的應用。有研究發現，可通過添加外源菌劑、表面活性劑、人工通風等措施來強化生物修復，但修復成本過高。此外石油生物降解還受到多種物理、化學和生物因素的影響，僅使用一種強化方法難以獲得較好的修復效果，但同時采用多種強化方法又會提高生物修復成本[1]。因此，如何進一步提高生物修復效果，降低修復成本，是目前國內外研究的熱點之一。

石油污染會導致土壤的碳氮比和碳磷比失去平衡，降低了土壤透氣性和滲透性，使土壤肥力降低，抑制了土壤中微生物的活性和生長。而礦化垃圾的孔隙度高，陽離子交換能力較強，富含營養元素和有機質，且含有數量大、種類多的微生物，其中還包含大量的石油降解菌[2-3]。試驗表明，添加礦化垃圾能大幅提高石油污染土壤的微生物修復效果。添加礦化垃圾在改善石油污染土壤pH 值、持水性和透氣性的同時，還增加了土壤的陽離子交換量、有機物含量、營養元素水平、石油降解菌含量和多樣性，兼具生物刺激和生物添加的功能，一定程度上能取代添加膨松劑、pH 值調理劑、肥料、表面活性劑、電子受體和微生物菌劑等措施，大幅降低了生物修復成本[3]。CHEN F 等[4]和CHEN W M 等[5]的研究也進一步驗證了礦化垃圾對石油污染土壤微生物修復的強化作用。此外，因礦化垃圾本身就是垃圾，存量大、埋深淺，方便利用。礦化垃圾應用于石油污染土壤修復，可為填埋場騰出可觀庫容或將填埋土地作為它用[6]。但是目前，修復條件對礦化垃圾強化微生物修復石油污染土壤的影響還不清楚，無法確定最佳修復條件，阻礙了礦化垃圾在石油污染土壤原位修復中的應用。

基于此，通過土壤含水率、溫度、礦化垃圾的質量分數以及翻耕頻率等單因素對微生物修復石油污染土壤的影響試驗，對比不同修復條件下石油污染物的去除率和土壤熒光二乙酸酯(FDA)水解酶活性的差異，分析修復條件對修復效果和土壤微生物總活性的影響，以此確定最佳修復條件。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用清潔土壤采自四川省江油市東安鄉（緯度31°44'N；經度104°44＇E）未受到污染的農田表層土，經自然風干后過孔徑為2 mm 的篩網，混勻裝袋備用。預處理后的清潔土壤質地為沙壤土，其粘粒、粉粒和砂粒占比分別為66.75%，21.86%和11.39%，pH 值為8.36，滲透系數為2.25 × 10-4cm/s，電導率為118.65 μs/cm。所用石油為中石油川慶鉆探工程有限公司鉆井井口內廢油，主要包含機油、液壓油、柴油和潤滑油等，其組分的質量分數分別為飽和烴69.41%，芳香烴3.27%，極性組分27.32%。采用石油污染土壤配置方法，將一定質量的廢油混入清潔土壤，采用砂石攪拌器混勻，間斷翻動風干4 d，去除易揮發的石油組分后待用。試驗用礦化垃圾采自封場的宜賓市城市生活垃圾衛生填埋場，剔除垃圾中的塑料、金屬、玻璃等雜物，再過孔徑為10 mm 的篩網后放入聚乙烯袋中備用。

1.2 試驗方法

總石油烴含量(TPH)采用氣相色譜-質譜聯用法(GC-MS) 測定；FDA 水解酶活性采用熒光素比色法測定。這2 個指標的詳細測定方法參照文獻[3]。

1.3 試驗步驟

土壤修復試驗容器為1 L 的透明塑料桶，直徑為11 cm，高為14 cm。修復試驗在步入式環境試驗箱中進行，修復周期為84 d，每天采用重量法保持固定的土壤含水率。試驗設計采用單因素試驗方法，在其他修復條件相同的情況下，分別監測不同含水率、溫度、礦化垃圾質量分數（干重）和翻耕頻率對TPH去除率和土壤FDA 水解酶的影響。每個修復試驗中污染土壤的干重為500g，TPH 的質量分數為50mg/g，并設置不添加礦化垃圾的石油污染土壤自然衰減對照試驗，每個試驗設3 個平行試驗。每14 d 通過5點采樣法采混合土樣用于指標分析。具體試驗設計見表1。

表1 礦化垃圾強化微生物修復條件的優化試驗設計

2 試驗結果

2.1 土壤含水率對修復效果的影響

土壤含水率與石油污染物生物降解之間關系較為復雜，土壤石油污染物生物降解過程中微生物量和活性的高低，以及土壤含氧量和氧氣傳導都與土壤含水率密切相關。另外，土壤含水率還會影響石油污染物在水相中的溶解量[7]。當土壤含水率分別為10%，15%，20%，30%和40%時，礦化垃圾對土壤中TPH 的去除效果見圖1。由圖1 可以看出，含水率對土壤中TPH 的去除率影響很大。在土壤含水率為15%時，礦化垃圾對土壤中TPH 的去除效果最好，去除率達到87.98%；含水率低于15%時，TPH 去除率隨含水率降低而下降；含水率在15%～30%之間時，TPH 去除率隨含水率升高而降低；含水率高于30%時，TPH 去除率隨含水率升高而增加。推斷原因可能是當含水率低于15%，土壤水分不能滿足微生物生長、繁殖和代謝活動的需要，且低含水率使石油污染物難以在固液界面傳遞，阻礙了石油污染物與微生物接觸，因而TPH 降解效果較差；當含水率在15%～30%之間時，土壤含水率的升高減少了土壤空隙，使得土壤含氧量降低且氧氣傳導速度變慢，阻礙了微生物的生長、繁殖和代謝活動，因而微生物對TPH 的降解效果變差；當含水率高于30%時，接近土壤飽和含水率，土壤以厭氧或缺氧環境為主，TPH降解也以厭氧降解為主導，TPH 降解的電子受體不再是氧氣，因而氧氣匱乏不再限制TPH 生物降解，微生物導致TPH 去除率變高[8]。在實際的原位土壤修復中，土壤田間持水率一般在30%以下，土壤含水率很難保持在田間持水率以上。

圖1 不同土壤含水率條件下TPH 的去除效果

不同土壤含水率條件下修復過程中土壤中FDA 水解酶活性隨修復時間的變化見圖2。由圖2可以看出，在修復前28 d，FDA 水解酶活性快速升高。當土壤含水率為15%時FDA 水解酶活性最高，其次依次是含水率為20%，40%，30%和10%。之后，除含水率10%的修復試驗中FDA 水解酶活性繼續升高，其它含水率修復試驗的FDA 水解酶活性都開始波動下降，含水率10%的修復試驗中FDA 水解酶活性在修復第42 天后開始下降；含水率40%的修復試驗中FDA 水解酶活性在修復最后14 d 內有所升高。說明在含水率為15%時土壤中總微生物活性最高；含水率低于15%時，微生物活性增長緩慢，增長時間較長。不同微生物對土壤含水率有不同的適應性，真菌適于在干燥的條件下生長，而細菌在較高的濕度條件下也可以較好的生長[7]。

圖2 不同土壤含水率條件下修復過程中土壤FDA 水解酶活性的動態變化

2.2 溫度對修復效果的影響

溫度影響土壤石油污染物降解效率的主要方式有2 種：①溫度直接影響石油降解菌的生長繁殖和微生物群落結構；②溫度影響石油污染物的物理狀態和化學特性，間接影響石油污染物生物降解。在環境溫度分別為5，15，25 和35 ℃條件下礦化垃圾對土壤中TPH 的去除效果，見圖3。由圖3 可以看出，環境溫度對TPH 降解影響較大。當溫度為25 ℃時，礦化垃圾對TPH 的去除效果最好，去除率為76.93%。ZAPPI M E 等[9]發現好氧修復石油污染土壤的最佳溫度在15～30 ℃之間。當溫度低于25 ℃時，TPH 去除率隨溫度降低而下降；當溫度高于25 ℃時，TPH 去除率隨溫度升高而降低。推斷原因可能是溫度低于25 ℃時，導致土壤微生物生長和繁殖的速度變慢，與TPH 降解有關的酶活性也降低；同時溫度下降也會降低石油污染物在水中的溶解度，石油污染物的生物可利用性也降低，因而TPH 的降解效果較差；當溫度高于25 ℃時，會增加石油污染物的揮發性，石油污染物的微生物毒性增加，因而TPH的降解效果變差；當溫度為5 ℃時，礦化垃圾對TPH也有少量的去除。因為盡管低溫下微生物的活性很弱，一些嗜冷菌仍會降解石油烴[10]；當溫度為35 ℃時，高溫使得土壤水分蒸發量變大，每次澆水前測得該組試驗的土壤含水率都低于其它試驗組，這可能影響TPH 降解。在實際土壤修復中，頻繁的澆水也會增加修復成本。

圖3 不同溫度條件下TPH 的去除效果

不同溫度條件下修復過程中土壤FDA 水解酶活性的動態變化，見圖4。由圖4 可以看出，當溫度為25 ℃時FDA 水解酶活性最高。修復前14 d，溫度為35℃的修復試驗條件下的FDA 水解酶活性比25℃時高。修復14 d 后，溫度為35 ℃修復試驗條件下的FDA 水解酶活性比25 ℃時低。整個修復過程中，溫度為5 ℃修復試驗條件下的FDA 水解酶活性一直明顯低于其它3 組。這說明溫度為25 ℃時土壤中總微生物活性最高，溫度高于或低于25 ℃時土壤中總微生物的活性都有所降低。不同溫度條件下土壤中優勢菌群的種類和結構也不同，這也會影響土壤中TPH 的降解效果[11]。

圖4 不同溫度條件下修復過程中土壤FDA 水解酶活性的動態變化

2.3 礦化垃圾的質量分數對修復效果的影響

因礦化垃圾的孔隙度較高，富含營養元素和有機質，石油降解菌的數量和活性也很高，添加礦化垃圾相當于向被石油污染的土壤中加入了膨松劑、肥料、有機質和微生物菌劑等，有利于被石油污染的土壤的微生物修復。添加礦化垃圾還能夠稀釋石油污染物的濃度，降低其對微生物的毒性。但是礦化垃圾中的鹽分含量也很高[12]，過高的鹽分會抑制土壤微生物的生長，石油污染物的降解效率也會下降[13-15]。而且礦化垃圾添加量越多，相應的運輸成本也會增加。因此，試驗考察了礦化垃圾的質量分數分別為10%，25%，50%和75%條件下土壤中TPH 的去除效果，見圖5。由圖5 可以看出，當礦化垃圾的質量分數小于50%時，TPH 的去除率隨質量分數的升高而增大。但是當礦化垃圾的質量分數大于50%時，TPH 的去除率反而沒有進一步提高。推斷原因為當礦化垃圾的質量分數為50%時，土壤孔隙度、營養元素和有機質含量等條件已能夠滿足微生物生長繁殖和降解石油污染物的需要，不再是TPH 生物降解的限制因素。繼續增加礦化垃圾的質量分數，雖增加了微生物量，但含量過高的土壤鹽分開始抑制微生物的降解活性，所以TPH 去除率并沒有提高。添加礦化垃圾會稀釋土壤中石油污染物的濃度，因此隨著礦化垃圾的質量分數的提高，修復前TPH 的初始濃度有所降低。在相同TPH 去除率的情況下，當礦化垃圾的質量分數為75%時，修復后土壤殘余TPH濃度最小。考慮到運輸成本，確定礦化垃圾的最優質量分數為50%。

圖5 不同礦化垃圾質量分數條件下TPH 的去除效果

不同礦化垃圾質量分數條件下修復過程中土壤FDA 水解酶活性的動態變化，見圖6。由圖6 可以看出，由于礦化垃圾的FDA 水解酶活性較高[3]，土壤中FDA 水解酶初始活性隨著礦化垃圾添加量的增加而增加。修復前期，4 組修復試驗中FDA 水解酶活性都快速增加，其中當礦化垃圾的質量分數為75%時FDA 水解酶活性最高，并在修復第14 天達到最大值，而其它3 組修復試驗中FDA 水解酶活性在第28 天時就達到最大值。FDA 水解酶活性的最大值也隨礦化垃圾添加量的增加而變大，推斷原因是當礦化垃圾的質量分數為75%時土壤中初始微生物數量最多，對易降解石油污染物的降解最快，修復中期FDA 水解酶活性快速下降后又緩慢增加，此階段當礦化垃圾的質量分數為75%時FDA 水解酶活性下降最多，低于礦化垃圾質量分數為50%修復試驗。這是因為礦化垃圾質量分數為75%的修復試驗中TPH 的降解進程更快，易降解石油污染物被快速消耗后，土壤可利用的碳源變少，種類也急劇變化，微生物的種類和活性也隨之變化，導致FDA 水解酶活性降低。但在修復結束后，礦化垃圾質量分數越大的修復試驗中FDA 水解酶活性也越高，推斷原因是礦化垃圾質量分數越大的修復試驗中土壤有機質含量更高。

圖6 不同礦化垃圾質量分數條件下土壤中FDA 水解酶活性的動態變化

2.4 翻耕頻率對修復效果的影響

翻耕在石油污染土壤生物修復過程中的目的是保證土壤中氧氣、水分和微生物空間分布的均勻性，將空氣中的氧氣擴散進土壤，同時把土壤中石油污染物降解產生的二氧化碳置換出來，保證石油污染物生物降解在充分的好氧條件下進行[7]。試驗考察了不翻耕和翻耕頻率分別為1 d 1 次，2 d 1 次，4 d 1次和6 d 1 次條件下土壤中TPH 的去除效果，見圖7。由圖7 可以看出，翻耕頻率對土壤中TPH 去除率的影響很小。不翻耕試驗中土壤的TPH 最終去除率最小，為86.71%；而翻耕1 d 1 次試驗中土壤的TPH最終去除率為89.05%，相差很小且在TPH 監測的誤差范圍內。推斷原因是添加礦化垃圾后導致土壤孔隙度較大，無需通過翻耕來增加氧氣供應和二氧化碳擴散。另外，由于本試驗規模較小，在實際土壤修復中，石油污染物往往僅存在于土壤表層（0～30 cm）[16]，經常翻耕反而會增加石油污染物向土壤深層擴散的風險。同時考慮到翻耕會增加修復成本，在添加礦化垃圾強化石油污染土壤微生物修復時無需采取翻耕措施。

圖7 不同翻耕頻率條件下TPH 的去除效果

不同翻耕頻率條件下土壤中FDA 水解酶活性的動態變化，見圖8。由圖8 可以看出，增加翻耕頻率對土壤FDA 水解酶活性僅有小幅提高。在整個修復過程中土壤FDA 水解酶的變化趨勢也相似。這說明增加翻耕頻率對土壤的總微生物活性影響也很小。

圖8 不同翻耕頻率條件下土壤中FDA 水解酶活性的動態變化

3 結論

通過土壤含水率、溫度、礦化垃圾的質量分數以及翻耕頻率等單因素對微生物修復石油污染土壤的影響試驗，對比不同修復條件下石油污染物的去除率和土壤FDA 水解酶活性的差異。發現土壤含水率、環境溫度和礦化垃圾質量分數對礦化垃圾強化微生物修復石油污染土壤的效果影響較大，而翻耕頻率的影響很小，因此修復過程中無需采取翻耕措施。

（1）當土壤含水率為15%時，礦化垃圾對TPH的降解效果最好；當含水率低于15%時，TPH 的降解效果隨含水率降低而下降；當含水率在15% ～30%之間時，TPH 降解效果隨含水率升高反而降低；當含水率高于30%時，隨著含水率繼續增加導致TPH 去除逐漸以厭氧降解為主導，TPH 的降解效果也有所增加。

（2）當環境溫度為25 ℃時，礦化垃圾對TPH 的降解效果最好；當溫度低于25 ℃時，TPH 降解效果隨溫度降低而下降；當溫度高于25 ℃時，TPH 降解效果隨環境溫度升高反而下降。

（3）當礦化垃圾質量分數小于50%時，TPH 降解效果隨礦化垃圾質量分數升高而增加；當礦化垃圾質量分數大于50%時，再增加礦化垃圾的質量分數也沒有進一步提高修復效果。因此確定礦化垃圾的最優質量分數為50%。