土壤中石油烴檢測方法比較及降解動力學分析

梁慶霞,王加寧,周方園,黃玉杰,霍乾偉,陳貫虹

土壤中石油烴檢測方法比較及降解動力學分析

梁慶霞,王加寧,周方園,黃玉杰,霍乾偉,陳貫虹*

(齊魯工業大學(山東省科學院)生態研究所,山東省應用微生物重點實驗室,山東 濟南 250103)

通過比較重量法、紫外分光光度法及氣相色譜法對石油烴污染土壤原樣及石油烴高效降解菌生物修復土壤中石油烴含量進行檢測,氣相色譜法靈敏度高、準確度高,作為測定污染土壤石油烴含量的方法更為穩定而準確;能定量分析不同碳數石油烴含量,有效地反映不同降解階段土壤微生物修復過程中石油烴的降解情況.對微生物修復污染土壤時的石油烴降解動力學進行研究,結果表明:污染土壤中石油烴的降解率與時間的變化趨勢符合二級動力學模型,動力學方程式的相關系數達到0.942,該菌劑的半衰期為29d,符合實驗觀察到的降解趨勢.

石油烴；檢測方法；生物降解；降解動力學分析

石油是重要的能源,也是許多化學工業產品的原料[1],其主要組成元素是碳和氫.石油碳氫化合物(石油烴)污染通常源于石油的開采、運輸及使用過程中的泄露[2-3].石油烴主要是由烷烴和芳香烴組成的混合物,會破壞或抑制許多土壤功能甚至具有致癌、致畸和致突變的特性,對人體健康構成威脅[4-6].由于其難以處理與降解,因此被列為優先污染物[7].土壤中石油烴總量或碳氫化合物指數的測定是評估環境污染程度的重要分析任務之一[8].

對污染土壤介質進行修復之前,石油烴的檢測是評估土壤品質和風險的重要前提[9-10].并且石油烴組分復雜,檢測方法尚未形成統一標準,因此選用合適的方法測定土壤中石油烴總量和組分,是評價土壤污染程度及其生物毒性的前提[11].目前國內外對土壤中石油烴前處理提取(表1)和定量檢測的方法較多,如重量法[2,17]、紫外分光光度法[18-19]、氣相色譜法[20]等.姜巖等[21]通過重量法發現土壤中存在植物油等非石油烴成分干擾,采取了在氯仿提取物中加入KOH-C2H6O溶液皂化去除植物油的改進措施消除干擾其成分影響.楊金強等[22]基于紫外誘導熒光的石油烴原位檢測技術對不同土壤類型中各類機油進行定量檢測,在樣本檢測的準確性和可靠性得到提高的基礎上檢出限大幅度降低.石油烴生物降解動力學可以探究微生物降解污染物規律,更好的研究高效石油烴降解菌劑對石油烴污染物的降解機理[23].使微生物更加科學、合理的應用在石油烴污染處理中,改善長期以來多依據實踐經驗和數據進行微生物處理設計和應用的局限.

目前大量學者對土壤石油烴含量的檢測大部分采用單一方法測定或對單一組分進行測定,同時由于對石油烴的檢測尚未形成一個統一標準,缺乏對檢測方法的綜合比較分析.本研究采用重量法、紫外分光光度法、氣相色譜法3種石油烴測定方法,對微生物修復石油烴污染土壤進行石油烴4組分的分離測定實驗,以確定一種可以穩定準確應用在微生物修復污染土壤中石油烴含量的檢測方法.并通過將受污染土壤中石油烴的生物降解特征進行動力學模擬,研究其去除特性,以期能為土壤中石油烴的高效降解過程提供理論支撐.

表1 石油烴前處理提取方法比較

1 材料與方法

1.1 石油烴污染土壤的制備

供試土壤取自山東省東營市孤島采油場,采用五點采樣法,挖取距離土壤表層5～20cm深度,質量分數分別為5%、0.5%左右的高、低濃度的石油烴污染土壤.樣品設立3個取樣點去除礫石、植物等雜質后自然風干,粉碎后過20目篩并混勻.土壤的基本理化性質及測定方法如表2所示.

表2 石油污染土壤的理化性質

1.2 試驗方案

石油烴高效降解菌劑購自百科利生態科技公司,主要由枯草芽孢桿菌(),銅綠假單胞菌()組成.在1kg供試污染土壤中加入2%的高效石油烴降解菌,每組實驗設3組平行,實驗周期為28d.

1.3 石油烴測定的前處理方法

稱取5g供試污染土壤及經石油烴高效降解菌劑處理28d后的石油土壤,加入等體積無水硫酸鈉研磨至流沙狀態,用70mL二氯甲烷,根據表1比較選擇索氏萃取12h,將萃取后有機溶劑旋轉蒸發濃縮[24].

1.4 重量法測定石油烴含量

土壤按照1.1進行篩分和干燥,取每種樣品5g置于200mL的圓燒瓶中稱重,按照1.3索氏提取待蛇形冷凝管表面無二氯甲烷液體滴落,稱重圓底燒瓶質量.土壤中含油率計算公式如下:

式中:1為供試污染土壤含油率,%;為供試污染土壤樣品質量,g;1為200mL圓底燒瓶質量,g;2為石油烴和圓底燒瓶質量,g;為供試污染土壤中含水率,%.

1.5 紫外分光光度法測定石油烴含量

1.5.1 波長的確定 將標準油使用液加入2cm的石英比色皿中,紫外分光光度計在200～300nm范圍內進行全波段掃描[25].經檢測該油品的最大吸收波長約為225nm.

1.5.2 繪制標準曲線 以標準油為標樣,二氯甲烷為溶劑,配制質量濃度為0,1.0,2.0,4.0,8.0和16.0mg/L的系列溶液,在波長225nm處讀取吸光值,繪制標準曲線如圖1所示,以濃度為橫坐標,吸光度為縱坐標繪制標準曲線方程為:

=0.03035+0.004,2=0.999(2)

圖1 紫外分光光度法標準曲線

土壤中含油率:

式中:2為紫外法測定供試污染土壤含油率,%;為供試污染土壤樣品質量,g;為標準曲線方程計算得到的石油烴含量,mg/L;為稀釋體積,mL;為供試污染土壤中含水率,%.

1.6 氣相色譜法測定石油烴

1.6.1 凈化 根據《土壤和沉積物石油烴(C10～ C40)的測定氣相色譜法》(HJ 1021—2019)[26]測定標準,將弗羅里硅土填充于層析柱,使用正己烷和二氯甲烷活化.將濃縮液(1.3)全部轉移至層析柱中,開始收集流出液,用約2mL正己烷洗滌濃縮液收集裝置,轉移至凝膠離子色譜,再用12mL正己烷淋洗凈化柱,收集淋洗液,使其與流出液合并,然后在平行濃縮儀中濃縮至1mL,即得到待測液[27].

1.6.2 儀器條件 使用Agilent 7890A型氣相色譜儀測定石油烴含量,進樣方式采用不分流進樣.進樣溫度為320℃,進樣量為1.0μL,柱箱溫度以50℃保持2min,以40℃/min的速率升至230℃,再以20℃/ min的速率升至320℃并保持20min.載氣為高純氮氣,柱流速為1.5mL/min,氫氣流速為30mL/min,空氣流速為300mL/min,最后通過外標法確定總石油烴含量.

1.6.3 繪制標準曲線 用微量注射器分別移取適量的石油烴(C10～C40)標準溶液,用正己烷色譜純稀釋,將其配制為質量濃度依次為248,775,1550,3100和6400mg/L的標準溶液.吸取1μL標準樣品溶液進樣并分析,通過峰面積對其進行定量(表3),獲得氣相色譜法的校準曲線為=24.13+234.7,相關系數為0.999.

表3 氣相色譜法標準曲線測定數據

土壤中含油率:

式中:3為氣相色譜法測定供試污染土壤含油率,%;為供試污染土壤樣品質量,g;為校準曲線方程計算得到的石油烴含量,mg/L;為稀釋體積,mL;為供試污染土壤中含水率,%.

1.7 石油烴四組分的分離與含量測定

石油烴組分的分離及含量測定參照EPA3611方法[23]石油瀝青四組分測定法進行.先用二氯甲烷沉淀法分離出瀝青質,再將可溶組分吸附于氧化鋁色譜柱上,依次用正己烷、正己烷—二氯甲烷、二氯甲烷—無水乙醇洗出,得到飽和分、芳香分和膠質.由各組分質量計算得到燃料油四組分的含量.

1.8 微生物降解石油烴實驗

向供試土壤中添加5%的石油烴高效降解菌與5%的玉米秸稈,在修復實驗初期保持土壤含水率為15%、修復實驗中后期為20%,同時保持土壤內溫度為25℃.實驗周期為70d,前28d每周取樣1次,后42d每兩周取樣1次.

1.9 數據分析與處理

標準曲線及數理統計分析應用統計軟件Microsoft Excel 2016進行,石油烴降解動力學運用Origin 2023進行數據擬合.

2 結果分析與討論

2.1 不同測定方法比較

重量法、紫外分光光度法、氣相法3種測定方法對高、低濃度污染土壤原樣及添加石油烴高效降解菌劑28d生物修復土壤測定結果如圖2所示.3種測定方法對污染土壤中石油烴的測定結果存在較大差別.其中重量法測定污染土壤中石油烴的含量最大,紫外分光光度法的測定結果小于重量法,約為重量法的1/3,氣相色譜法測定的石油烴含量最低.

重量法對污染土壤中石油烴含量進行測定所得出的數據更全面,但是提取過程中有微量污染土壤粉末會進入圓底燒瓶內導致一定誤差;污染土壤中的非石油烴類有機物會被有機溶劑一同萃取出來,導致重量法對石油烴的測定結果存在一些偏差[24].對比測定高濃度石油烴污染土壤時,重量法在測定低濃度污染土壤石油烴時容易丟失低分子量化合物,從而給測量帶來誤差[30],因此重量法不適合石油烴含量低樣本的測定.

紫外分光光度法利用石油烴中的C=C結構對紫外光的特征吸收來測定石油烴含量,主要檢測石油烴中的芳香分與部分帶有芳環的膠質.由于其特殊的檢測機理,不能檢測飽和烴和環烴類物質[25],因此使用該方法測定污染土壤中石油烴含量的數據結果無法準確反映微生物對石油烴的降解效果.

氣相色譜法測定污染土壤中石油烴含量最低.該方法主要應用于檢測石油烴中 C10～C40的烴類物質[8],在進樣口將試樣氣化,試樣中各組分在色譜柱中重復數次的分配后,將各組分根據其吸附能力由弱到強的順序依次排出,進而將各組分進行分離[31].

2.2 石油烴組分檢測

由圖3所示微生物對石油烴污染土壤的修復,主要降解石油烴中的飽和分、芳香分以及部分膠質[32],因此在對石油烴的測定過程中,可將飽和分、芳香分以及膠質的總量作為計算微生物降解效率的數據[33].對石油烴進行四組分的分離測定[34],可以確定一種穩定準確應用在微生物修復污染土壤中石油烴含量的檢測方法.

重量法測定包含污染土壤中全部石油烴含量,其結果更為全面.但部分土壤雜質以及非石油烴類有機物質會影響重量法測定結果,導致測定數據存在一些偏差,在測定低含量樣本時較為明顯[35],微生物修復污染土壤中后期,污染土壤中石油烴含量較低,因此重量法不適用于實驗中后期.

紫外分光光度法檢測石油烴中的芳香分與部分帶有芳環的膠質.但紫外分光光度法所測定數據高于石油烴中芳香分和膠質的總量.由于紫外分光光度法在檢測過程中容易受到其他環境因素的影響,例如當土壤中存在非石油烴類有機物,這類物質會嚴重干擾紫外分光光度法測定結果,而在對供試污染土壤中有機質含量測定時,發現土壤中的有機質含量在2.4%左右.余振容等[36]的研究結果可知,添加不同量的食用油于待測樣品中,分別測定原樣和用硅酸鎂吸附后的樣品,對比結果后發現,添加與石油類物質同量的動植物油會使測定結果發生20%左右的偏差.推測這是造成上述現象發生的原因.而且紫外分光光度法由于其特殊的檢測機理,不能檢測飽和烴和環烴類物質,因此使用該方法測定污染土壤中石油烴含量的數據結果無法準確反映微生物對石油烴的降解效果.

石油烴中的瀝青質和少量膠質被吸附在凈化柱中,但石油中的瀝青質組分的經驗分子式為 C74H87NS2O,其氣化溫度在300～400℃之間,氣相色譜儀無法將其有效氣化,故瀝青質的去除對測定結果無顯著影響.圖3表明,孤島采油場污染土壤中瀝青質占比較高,可達總石油烴的55%以上.因此,采用該方法測定石油烴含量的數據遠低于重量法.另外,氣相色譜法所得誤差小,可以準確測定各濃度下石油烴的含量,靈敏性高且能定量分析不同碳數石油烴含量的變化情況.氣相色譜法可對照石油烴參考色譜圖來確定不同碳數的降解情況,結合圖4可以直觀看出,經過一段時間的修復,污染土壤中石油烴含量有較為明顯的下降.

對高濃度石油烴污染的土壤樣本,碳原子數較低的波譜所在峰面積變化較大,而碳原子數偏高的波譜所在區域的峰面積變化較小[37];而在低濃度樣本中,碳原子數多的波譜所在區域的峰面積降低較為明顯,而碳數較低的部分變化較少.通過對比低濃度和高濃度土壤中石油烴的變化情況并參考微生物對石油烴各組分的降解規律推測[38],在高濃度樣本中,由于碳原子數低的烷烴較多,石油烴降解菌會率先利用該部分作為自身生長增殖的營養物質;而在低濃度樣本中,碳原子數較低的烷烴總量較少,在利用完易降解的烷烴后,石油烴降解菌開始將碳數較高的烷烴類物質作為自身生長所需營養物質.

圖4 氣相色譜法測定微生物修復前后低濃度、高濃度石油烴含量變化

氣相色譜圖由安捷倫氣相色譜儀(Agilent 7890A)導出,藍色為未修復前污染土樣中石油烴色譜曲線,紅色為修復后污染土樣中石油烴色譜曲線

2.3 動力學分析

采用生物刺激-強化法修復石油烴污染土壤過程中,圖5可以看出石油烴類污染物的降解主要發生在微生物修復污染過程的前期和中期,在修復后期石油烴類污染物的降解趨于平緩[39].

圖5 污染土壤中石油烴殘留量與時間關系

造成這一現象主要有以下原因:一、在微生物修復石油烴前期,分子結構不穩定、易被微生物吸收利用的飽和分與部分分子量較小的芳香分逐漸被氧化還原為水和二氧化碳;到修復后期石油烴中的大分子物質(分子質量大的芳香分、膠質與瀝青質等)的生物利用性小,因而導致微生物修復后期土壤中石油烴殘余量趨于穩定值.二、向土壤中添加石油烴高效降解菌后,污染土壤中的微生物群落對石油烴的利用率增強,加快了石油烴降解率;隨著修復過程的推移,土壤中微生物群落數大幅度增加,對空間、氧氣和營養物質的競爭達到頂峰,石油烴降解菌的生長繁殖受到抑制,因此影響了石油烴的生物降解.

圖6 石油烴生物降解動力學擬合曲線

表4 污染土壤中石油烴降解的各級動力學參數

采用不同模型對污染土壤中石油烴生物降解動力學進行擬合(圖6、表4),零級反應方程式的半衰期為42d,其相關系數為0.43479;偽一級反應方程式與一級反應方程式中,石油烴生物降解的半衰期均為33d,但一級反應方程式的相關系數為0.7981,而偽一級反應方程式的相關系數為0.6599;二級反應方程式對污染土壤中石油烴降解動力擬合最好,其相關系數為0.94209,數值最接近1,在該降解動力學模型下,石油烴生物降解的半衰期為29d.

石油烴生物降解半衰期在25～30d之間,從側面印證了二級反應方程式可以更好地擬合石油烴的生物降解過程.在表3中,零級反應方程式相關系數最低,這是由于零級反應方程式與土壤中石油烴濃度無關,只受其他因素影響,如:反應物溶解度、溫度等.一級與偽一級反應的相關系數較低,推測是由于該類模型多趨近于吸附模型,反映的多為基元反應,而生物降解石油烴的過程包含眾多復合反應,因此二級反應方程式可以更好地模擬微生物降解土壤中石油烴污染物的過程.

3 結論

3.1 生物修復土壤中石油烴定量方法中,重量法測定過程中受雜質等非石油烴組分影響,易受到外界干擾丟失低分子量化合物,測定結果存在誤差.樣品的顏色、雜質等會對紫外光譜的測定造成干擾,紫外分光光度法受到一定的限制.氣相色譜法靈敏度高、準確度高,作為測定污染土壤石油烴定量方法更為穩定且準確.而如果對生物修復過程中的修復機制進行研究,重量法只能測定總石油烴含量不能測定不同種類的石油烴,微生物修復后期低含量受外界干擾誤差更大,有局限性.紫外分光光度法主要用于測定有機化合物中含有炔烴或取代炔烴等具有共軛雙鍵的化學成分,由于其在紫外區域的吸收能力較弱不能直接測定飽和分.氣相色譜法能定量分析不同碳數石油烴含量的變化情況,更好地反映不同降解階段土壤微生物修復過程中石油烴的變化情況.綜上,氣相色譜法不僅可以用于土壤石油烴的定量研究,也可以有效反映微生物在降解過程中對石油烴污染物的降解情況.

3.2 添加石油烴高效降解菌劑采用生物刺激-強化法修復石油烴污染土壤中石油烴的降解與時間的變化趨勢符合二級動力學模型,動力學方程式為:1/c=0.00354+1/9.7,其相關系數達到0.942,明確了該石油烴降解菌劑在修復過程中的半衰期為29d.

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Comparison of methods for the detection of petroleum hydrocarbon fractions and analysis of degradation kinetics.

LIANG Qing-xia, WANG Jia-ning, ZHOU Fang-yuan, HUANG Yu-jie, HUO Qian-wei, CHEN Guan-hong*

(Ecology Institute, Qilu University of Technology (Shandong Academy of Sciences), Shandong Provincial Key Laboratory of Applied Microbiology, Jinan 250103, China)., 2023,43(8)：4194～4201

Gravimetry, ultraviolet spectrophotometry and gas chromatography were used to detect and analyze the components of the original soil contaminated by petroleum hydrocarbons and the soil bioremediated by petroleum hydrocarbon degrading bacteria. By comparison, it is found that gas chromatography has high sensitivity and accuracy, and is more stable as a method to determine petroleum hydrocarbon content in contaminated soil. By combining the utilization of each component of petroleum hydrocarbon pollutants by microorganisms, it showed that this method could effectively reflect the microbial decline. The degradation kinetics of petroleum hydrocarbons in the contaminated soil was studied. The results showed that the degradation rate of petroleum hydrocarbons in the contaminated soil was consistent with the second-order kinetic model. The correlation coefficient of the kinetic equation reached about 0.942, and the half-life of the bactericide was 29d, which was consistent with the degradation trend observed in the experiment.

petroleum hydrocarbons；detection methods；biodegradation；degradation kinetics analysis

X53

A

1000-6923(2023)08-4194-08

梁慶霞(1998-),女,山東日照人,碩士,主要從事固體廢棄物資源化研究.liangqingxia1998@163.com.

梁慶霞,王加寧,周方園,等.土壤中石油烴檢測方法比較及降解動力學分析 [J]. 中國環境科學, 2023,43(8):4194-4201.

Liang Q X, W J N, Zhou F Y, et al. Comparison of methods for the detection of petroleum hydrocarbon fractions and analysis of degradation kinetics [J]. China Environmental Science, 2023,43(8):4194-4201.

2023-04-25

國家重點研發計劃項目(2019YFC1804100)

* 責任作者, 研究員, cgh@qlu.edu.cn