白 云,李 川,焦昭杰

(重慶工商大學(xué)廢油資源化技術(shù)與裝備教育部工程研究中心,重慶400067)

石油污染泛指石油原油和初加工產(chǎn)品(包括汽油、煤油、柴油、重油、潤(rùn)滑油等)及各類(lèi)油的分解產(chǎn)物所引起的污染[1],石油對(duì)土壤的污染主要是在勘探、開(kāi)采、運(yùn)輸、儲(chǔ)存及使用過(guò)程中引起的。石油污染物可引起土壤理化性質(zhì)的變化,影響植物生長(zhǎng)發(fā)育,導(dǎo)致糧食減產(chǎn),而且食用生長(zhǎng)于農(nóng)業(yè)土地上的植物及其產(chǎn)品將會(huì)影響人類(lèi)的健康[2]。此外,土壤吸附的石油會(huì)隨著雨水、灌溉用水慢慢下滲到地下含水層中,從而污染地下水,進(jìn)而構(gòu)成對(duì)人類(lèi)生存環(huán)境多個(gè)層面上的不良脅迫[3]。因此,治理石油烴的土壤污染勢(shì)在必行。

石油污染土壤的處理方法主要有物理處理、化學(xué)處理和生物處理3種,其中生物修復(fù)技術(shù)被認(rèn)為是最有生命力的[4]。由于微生物修復(fù)較前兩種修復(fù)方式更加高效,所以這里主要采用的實(shí)驗(yàn)方法是微生物修復(fù)。

張建等對(duì)勝利油田含油污泥的研究發(fā)現(xiàn)[5],提高溫度可以增加微生物數(shù)量,石油烴降解率可達(dá)到52.75%;添加菌劑可提高石油降解率。Vasudevan等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明[6],添加外源微生物可以提高修復(fù)效率。黃廷林等研究表明[7],土壤中石油烴的降解效果與生物菌劑的投加量呈正相關(guān);溫度高有利于土壤中石油烴的降解,加快修復(fù)速率。

通過(guò)投加外源菌種,改變影響石油降解的環(huán)境因素(土壤濕度和營(yíng)養(yǎng)比例)和自身因素(菌種數(shù)量),研究最佳降解生態(tài)條件,為石油降解中試調(diào)控提供數(shù)據(jù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

土壤采用沙壤土,其理化性質(zhì):p H值為7.85,全磷0.017%,全氮0.171%,全鉀2.06%。實(shí)驗(yàn)前經(jīng)過(guò)粉碎、除雜、過(guò)篩及混勻處理[8]。

外源微生物采用黃孢原毛平革菌(Phanerochaete chrysosporium),由重慶工商大學(xué)藥物化學(xué)與化學(xué)生物學(xué)研究中心提供。實(shí)驗(yàn)前,將菌種接在PDA培養(yǎng)基中,放入恒溫?fù)u床,在30℃,中速條件下振蕩3 d,備用。

用來(lái)模擬油田污染的油液來(lái)自某工廠(chǎng)廢棄的46#機(jī)械油。

N、P營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)分別選用尿素和磷酸二氫鉀。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 石油烴含量的測(cè)定

(1)石油烴的萃取

石油烴萃取液種類(lèi)繁多,其中萃取率最高的是三氯甲烷(96%～99%),但成本較高;石油醚成本低,但萃取率只有60%左右。綜合考慮,本實(shí)驗(yàn)萃取液采用四氯化碳,其萃取率為86%～90%。

稱(chēng)取10 g污染土壤,移到已經(jīng)在四氯化碳溶液中浸過(guò)的慢性定性濾紙上,將土壤包好后,放入索式提取器中,加入60 mL四氯化碳,然后將萃取裝置放入90±5℃的水浴鍋中,加熱萃取4～6 h。

(2)含量的測(cè)定

測(cè)定方法采用重量法[9],平行測(cè)定3次,取平均值。

1.2.2 含水率的測(cè)定

(1)精確稱(chēng)取一定重量的土樣 m0,放置于己知重量的燒杯中m1;

(2)將燒杯放置在105℃烘箱中干燥2 h;

(3)取出容器冷卻后稱(chēng)重m2;

(4)根據(jù)干燥前后土樣與容器總重量的減少量即可計(jì)算出樣品的含水率y(%)。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

用中等濃度的油液來(lái)污染土壤,混合均勻,模擬油田土壤;將制備好的菌液按實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)投加到模擬油污土壤中,混合均勻。試驗(yàn)在塑料花盆(直徑為15 cm,高15 cm)中進(jìn)行,每天對(duì)土壤進(jìn)行翻耕,為微生物提供充足的氧氣,采樣時(shí)間隨著土壤中石油去除率的降低而逐漸增大,降解時(shí)間為60 d。從眾多影響微生物降解石油烴的因素中選出濕度、營(yíng)養(yǎng)比例和投菌量等3組單因素實(shí)驗(yàn),其中濕度以5%為間隔,營(yíng)養(yǎng)鹽設(shè)計(jì)為4種不同的比例,投菌量設(shè)計(jì)空白對(duì)照試驗(yàn),分別研究其對(duì)降解率的影響,具體的影響因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如表1。

表1 影響因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表

2 結(jié)果與分析

2.1 濕度對(duì)石油降解率的影響

水分作為微生物代謝過(guò)程中必不可少的溶劑,有助于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的溶解和吸收,保證細(xì)胞內(nèi)、外各種生物化學(xué)反應(yīng)在溶液中正常進(jìn)行。但土壤中的水分不宜過(guò)高,否則有效毛細(xì)空隙將被水充滿(mǎn),妨礙土壤中氧的傳輸[10]。而降解石油的微生物屬于好氧菌,氧氣的堵塞會(huì)導(dǎo)致石油降解率的降低。用修復(fù)前后土壤中的石油烴之比來(lái)定量表征降解率(下同),圖1分別給出了不同含水量條件下降解24 d和60 d后石油降解率變化的規(guī)律。

圖1 不同濕度條件下石油的降解規(guī)律

從圖1中可以看出,石油烴的降解率隨土壤含水量的的提高而增加,大致成階梯狀變化。當(dāng)含水量為5%,土壤中石油降解率最終只有12%;含水量為10%、15%,石油降解率稍有提高,分別達(dá)到30%和48%;當(dāng)含水量為20%,25%,降解率明顯提高,分別為66%和64%。同時(shí),從降解24 d和60 d后的圖中分析,在降解前期,油量豐富,促使大量微生物增長(zhǎng),加速了油的降解;隨著時(shí)間的推移,石油殘留量減少,成為了限制微生物增長(zhǎng)的主要因素,導(dǎo)致石油烴降解速率降低。這與Murygina等[11]的試驗(yàn)結(jié)果基本一致,在進(jìn)行一段時(shí)間的降解后,系統(tǒng)中的微生物數(shù)量開(kāi)始減少。所以,此圖也可間接地反映出微生物的數(shù)量變化情況。

2.2 投菌量對(duì)石油降解率的影響

石油污染物的降解與土壤中可降解石油的微生物數(shù)量有密切關(guān)系。圖2給出了不同接種量的土壤石油烴降解率變化。

圖2 不同投菌量條件下石油的降解規(guī)律

從圖2中可以看出,不同接種量的土壤中石油烴的變化規(guī)律基本一致;隨著降解時(shí)間的延長(zhǎng),土壤中的石油烴濃度逐漸降低,這與黃廷林等[6]關(guān)于投菌量研究的結(jié)論基本一致。降解60 d后,接種量為0,5,10,15,20,25,30 mL石油烴降解率分別為22%,46%,54%,60%,64%,74%,70%。通過(guò)以上數(shù)據(jù)可以看出,并非投加量越大,對(duì)去除促進(jìn)就越大,即高效菌的投加量與降解率之間存在一個(gè)適宜的投加值。而在本實(shí)驗(yàn)條件下,最適宜的接種量為25 mL。

2.3 營(yíng)養(yǎng)鹽比例對(duì)石油降解率的影響

微生物生長(zhǎng)代謝需要一定數(shù)量和比例的營(yíng)養(yǎng)元素,這些元素必須保持一定的數(shù)量、形式和比例以維持好氧菌生長(zhǎng)。在石油污染土壤中,通常有機(jī)碳含量較高,而N,P相對(duì)缺乏,因此,氮源和磷源是常見(jiàn)的烴類(lèi)生物降解限制因素。同時(shí),如果C:N:P達(dá)不到細(xì)菌代謝所需的比例,就會(huì)限制細(xì)菌的代謝速度,從而制約有機(jī)污染物的降解。Dibble等的研究表明[12],C:N為60:1時(shí)微生物的降解率最高,Graham等的研究表明[13],降解石油細(xì)菌細(xì)胞的化學(xué)組成可以用C106H180O45N16P1表示,微生物降解過(guò)程的最佳可生物利用的C:N:P=100:15:1。

根據(jù)本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),4組營(yíng)養(yǎng)鹽配比條件下的石油烴降解變化見(jiàn)圖3。

圖3 不同營(yíng)養(yǎng)鹽配比條件下石油的降解規(guī)律

從圖3可以看出,C:N:P為100:10:1和100: 15:1時(shí),石油降解率較高,通過(guò)60 d降解,降解率分別是64%,60%,而剩下的2種配比就低的多,證明配比的不同導(dǎo)致降解率的差異。這種差異是不同微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)需求量的不同引起的,所以,不能絕對(duì)的定義哪一配比條件下降解率的高低,而只能針對(duì)某種微生物進(jìn)行討論。而從C/N比例這個(gè)角度研究,在這4組配比中,C:N≤10的2組降解率比C:N> 10的2組降解率高,說(shuō)明外源菌種黃孢原毛平革菌的營(yíng)養(yǎng)需求屬于低碳氮比。本實(shí)驗(yàn)的菌種營(yíng)養(yǎng)配比C:N:P為100:10:1是最合適的。

3 結(jié)論

(1)投加外源微生物土壤的降解率明顯高于未投加的土壤,這說(shuō)明黃孢原毛平革菌對(duì)于石油污染有很好的降解效果。

(2)濕度、投菌量和營(yíng)養(yǎng)配比對(duì)于降解率都有明顯的影響。通過(guò)60 d降解,本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的含水率20%的土壤石油降解率達(dá)到66%;投加25 mL菌量的石油降解率達(dá)到74%;設(shè)計(jì)營(yíng)養(yǎng)比例C:N:P為100:10:1的土壤石油降解率64%。

(3)菌種對(duì)于營(yíng)養(yǎng)需求的不同導(dǎo)致了營(yíng)養(yǎng)配比的多樣性,所以前期研究關(guān)于最佳營(yíng)養(yǎng)配比的提法欠妥,應(yīng)改為在特定的環(huán)境下,特定實(shí)驗(yàn)菌種的最佳營(yíng)養(yǎng)配比。本實(shí)驗(yàn)黃孢原毛平革菌在中度污染條件下,最佳營(yíng)養(yǎng)配比是C:N:P為100:10:1。

[1] 劉國(guó)良,蘇幼明,顧書(shū)敏,等.石油污染土壤生物修復(fù)研究新進(jìn)展[J].化學(xué)與生物工程,2008,25(8):1-4.

[2] 張子間,劉勇弟,孟慶梅,等.微生物降解石油烴污染物的研究進(jìn)展[J].化工環(huán)保,2009,29(3):193-198.

[3] 盧秀君,郭書(shū)海,孫 清,等.石油污染土壤的修復(fù)技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望[J].沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2003,34(1):63-67.

[4] 張海榮,李培軍,孫鐵珩,等.四種石油污染土壤生物修復(fù)技術(shù)研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù),2001,20(2):78-80.

[5] 張 建,史德清,桂召龍,等.預(yù)制床法生物修復(fù)勝利油田含油污泥的研究[J].環(huán)境污染與防治,2007,29(12):912-915.

[6] Vasudevan N,Rajaram P.Bioremediation of oil sludge-contaminated soil[J].Environmental international,2001,26:409-411.

[7] 黃廷林,徐金蘭,唐智新,等.生物菌劑對(duì)石油污染土壤生物修復(fù)作用的研究[J].環(huán)境科學(xué),2009,30(6):1838-1842.

[8] 李 曄,陳新才,王焰新.石油污染土壤修復(fù)的最佳生態(tài)條件研究[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2004,27(4):17-19.

[9] 謝重閣.環(huán)境中石油污染物的分析技術(shù)[M].北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社,1987.

[10] 沈鐵孟,黃國(guó)強(qiáng),李 凌,等.石油污染土壤的原位修復(fù)技術(shù)[J].環(huán)境科學(xué)動(dòng)態(tài),2002,3:13-15.

[11] Murygina V,Arinbasarov M,Kalyuzhnyi S.Bioremediation of oil polluted aquatic systems and soils with novel preparation‘Rhoder’[J].Bioremediatio,2000,11(6):385-389.

[12] Bouchez T,Patureau D,Dabert P,et al.Ecological study of a bioaugmentation failure[J].Environmental Microbiology, 2000,2:179-190.

[13] Graham D W,Smith V H,Law K P.Effects of nitrogen and phosphorous supply on hexadecane biodegradation in soil system [J].Water,Air,and Soil Pollution,1999,111(14):1-18.