李曉樓 (四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑與環(huán)境工程系,四川遂寧 629000)

石油污染土壤的土著微生物修復(fù)影響因素研究

李曉樓 (四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑與環(huán)境工程系,四川遂寧 629000)

從石油的組分及分子量大小、石油的物理狀態(tài)及濃度、土著微生物的類(lèi)群、數(shù)量、特性及共代謝作用、土壤結(jié)構(gòu)、土壤耕作及作物種類(lèi)、溫度、營(yíng)養(yǎng)鹽的種類(lèi)及供給、有氧條件、p H值及溫度方面。結(jié)合工作研究實(shí)際,綜合分析了土著微生物修復(fù)石油污染土壤的影響因素。并采用室內(nèi)盆裝模擬試驗(yàn),以硫酸銨為N源,磷酸二氫鉀為P源,研究了強(qiáng)化菌對(duì)土壤中石油烴降解的影響以及強(qiáng)化菌液、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)對(duì)土著微生物降解石油烴的影響。結(jié)果表明,按適當(dāng)比例添加N、P源,并同時(shí)添加強(qiáng)化菌,處理效果最好,降解率30d最高可達(dá)77.8%,較對(duì)照組高出62.4%。

石油染污土壤;土著微生物修復(fù);強(qiáng)化菌

隨著石油的綜合利用以及用量的不斷增加,由此導(dǎo)致的環(huán)境污染問(wèn)題也日益嚴(yán)重。利用土著微生物修復(fù)石油污染土壤,具有潛力大、安全、無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn),應(yīng)用越來(lái)越廣泛。但在實(shí)際研究及應(yīng)用過(guò)程中,存在著效果不很顯著、穩(wěn)定性較差等問(wèn)題[1]。結(jié)合工作研究實(shí)際,綜合分析了土著微生物修復(fù)石油污染土壤的影響因素,采用室內(nèi)盆裝模擬試驗(yàn),對(duì)影響石油污染土壤土著微生物修復(fù)的限制性因素作了試驗(yàn)研究,為石油污染土壤的土著微生物修復(fù)提供參考。

1 影響土著微生物修復(fù)石油污染土壤的因素

1.1 石油染污物的影響

1)石油的組分及分子量的大小 石油在污染土壤中積累,其組成和分子量的大小,是影響土著微生物降解的重要因素。石油的生物降解性隨其組分種類(lèi)和分子量大小不同而異。石油組分結(jié)構(gòu)越簡(jiǎn)單,分子量越小越易被土著微生物降解。石油組分中,飽和烴較芳香烴容易被土著微生物降解,飽和烴中直鏈烷烴最容易被降解,芳香烴中二環(huán)和三環(huán)化合物較容易被降解。石油中膠質(zhì)和瀝青質(zhì)極難被土著微生物降解。土著微生物一般對(duì)飽和烴降解速率最高,低分子量芳烴次之,高分子量芳烴和極性物質(zhì)降解速率極低[2]。

2)石油的物理狀態(tài)及濃度 石油污染物進(jìn)入土壤后,各組分只有充分與土壤中的土著微生物接觸,才有可能被土著微生物降解,并且石油污染物濃度會(huì)影響土著微生物的活性。在污染土壤系統(tǒng)中,少量石油烴類(lèi)污染物一方面可用作土著微生物C源,另一方面可馴化土著微生物,誘導(dǎo)產(chǎn)生石油烴類(lèi)降解酶;而石油的生物可達(dá)性越高,與土著微生物接觸的表面積就越大,利用率越高。石油的生物可達(dá)性有2個(gè)方面:受石油本身的性質(zhì)如疏水性、揮發(fā)性、不溶性等影響;與土壤及作物對(duì)石油的吸附性有關(guān)。

1.2 土著微生物的影響

1)土著微生物的類(lèi)群、數(shù)量及特性 土壤中土著微生物種群構(gòu)成是影響石油生物降解效率的最直接因素。由于石油原油成分復(fù)雜,很難由單一菌完全降解。在土壤生態(tài)系統(tǒng)中,普遍存在著能降解石油烴的土著微生物。土著微生物種類(lèi)不同,其營(yíng)養(yǎng)類(lèi)型,理化性狀及對(duì)石油污染物的耐受力不同。有的土著微生物,經(jīng)石油污染物的馴化,或發(fā)生特異性的變異或產(chǎn)生特殊誘導(dǎo)酶,以增強(qiáng)對(duì)污染物的降解;有的土著微生物,在污染物濃度較高時(shí),活性受到抑制,數(shù)量會(huì)減少。所以土壤的土著微生物的類(lèi)群、數(shù)量以及微生物自身特性,直接影響石油污染物的降解效果。

2)土著微生物的共代謝作用 土著微生物的共代謝作用主要是指土著微生物在可用作碳源和能源的基質(zhì)上生長(zhǎng)時(shí),伴隨著一種非生長(zhǎng)基質(zhì)的不完全轉(zhuǎn)化。作為非生長(zhǎng)基質(zhì)的污染物,在某種土著微生物利用生長(zhǎng)基質(zhì)時(shí),被其產(chǎn)生的專(zhuān)一性不強(qiáng)的酶降解或轉(zhuǎn)化成為不完全的氧化產(chǎn)物,進(jìn)而被另一種土著微生物利用并徹底降解。共代謝作用對(duì)于污染土壤中難降解污染物的分解起著重要作用。

1.3 土壤環(huán)境的影響

1)土壤結(jié)構(gòu) 土壤具有團(tuán)粒結(jié)構(gòu),不同土壤其團(tuán)粒結(jié)構(gòu)不同,同一土壤不同土層其土壤結(jié)構(gòu)也可能有別。土壤的過(guò)濾速度、保水力、吸附力等都與其結(jié)構(gòu)有關(guān)。土壤結(jié)構(gòu)和質(zhì)地不同,導(dǎo)致土壤物理化學(xué)性質(zhì)也不同,影響對(duì)污染物的溶解和吸附,從而影響污染物的降解。

2)土壤耕作及作物種類(lèi) 土壤耕作、土壤作物能改善土壤的理化性狀,從而增加土著微生物種類(lèi)、數(shù)量。合理的耕作方式,有利于改善土壤的含水、含氧狀態(tài)及土壤的膠體性質(zhì),影響土壤對(duì)污染物的吸附性及土著微生物對(duì)石油污染物的降解。作物種類(lèi)不同,其根系與微生物的效應(yīng)也不一樣。有的植物能選擇性地富集降解石油污染物的土著微生物菌群,其根系能釋放催化降解石油污染物的酶,根系分泌物及脫落物有利于污染物的腐殖化,并提高石油污染物的吸附轉(zhuǎn)化。

3)溫度 溫度一方面通過(guò)影響土著微生物的種群構(gòu)成、生長(zhǎng)速度及其酶活性來(lái)影響土著微生物的活動(dòng);另一方面溫度會(huì)影響土壤中的石油污染物烴的化學(xué)組成和物理狀態(tài)。溫度低,油黏度增加,影響石油的生物可達(dá)性;隨著溫度的升高,土著微生物對(duì)石油烴代謝率增加,但溫度過(guò)高,石油烴對(duì)土著微生物的膜毒性增大,因此溫度是石油污染土壤土著微生物的修復(fù)的重要環(huán)境因子。

4)營(yíng)養(yǎng)鹽的種類(lèi)及供給 土著微生物的生長(zhǎng)繁殖需要C源、N源及P源。N、P是土著微生物修復(fù)石油污染土壤的限制因子,合理的供給N、P,有利于促進(jìn)土著微生物的生長(zhǎng)繁殖及活性。同時(shí)營(yíng)養(yǎng)鹽不同,對(duì)土著微生物的強(qiáng)化激活效果也不一樣[3]。

5)有氧條件 石油中各組分完全氧化分解,需大量的O2。據(jù)測(cè)算,1g石油被土著微生物分解礦化需3～4g O2,因此在石油污染嚴(yán)重的土壤環(huán)境中,O2是石油降解的限制因子[4]。土著微生物對(duì)石油烴的降解主要是在有氧條件下進(jìn)行,厭氧條件下降解率極低。因此保證染污土壤通風(fēng)透氣,為污染土壤提供充足O2,對(duì)保證石油污染物的去除效果,強(qiáng)化石油污染土壤土著微生物修復(fù)顯得很重要。

6)p H值及濕度 p H值是影響土著微生物生長(zhǎng)及活性的重要環(huán)境因子。土壤的p H值變化范圍較大,p H值過(guò)高過(guò)低都影響土著微生物對(duì)石油的降解。水既是土著微生物細(xì)胞的組成成分,又是土著微生物細(xì)胞內(nèi)生化反應(yīng)的介質(zhì)。土壤含水量過(guò)低,微生物得不到充足的水分供應(yīng),細(xì)胞活性受到抑制,代謝速率降低;土壤含水量過(guò)高,影響土壤透氣性,妨礙氧的供應(yīng)。因此土壤濕度和p H都要控制在適宜的范圍。

2 盆裝模擬試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)土樣及理化性質(zhì)

以四川遂寧射洪縣的長(zhǎng)期受某廢棄油井污染土壤作為試驗(yàn)土壤,取樣時(shí),去表層土5cm,采用對(duì)角交叉5點(diǎn)取樣法取表層土以下5～10cm處土壤,除雜過(guò)篩,混勻備用。參照有關(guān)方法[3]測(cè)定土壤中石油烴的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.3%,有機(jī)碳23g/kg,硝態(tài)氮0.164g/kg,氨態(tài)氮0.38 g/kg,溶出性磷0.042g/kg,水分為16.14%。

2.2 試驗(yàn)方法

以供試污染土壤為菌源,取2g污染土壤接種于土著微生物富集濃縮馴化培養(yǎng)基中[5],30℃,180r/min搖床培養(yǎng)5d,取1ml富集培養(yǎng)菌液接種于新鮮的富集濃縮馴化培養(yǎng)基中,相同條件下培養(yǎng)5d,重復(fù)3次,得到經(jīng)富集濃縮馴化的土著微生物混合菌液,保存?zhèn)溆谩?/p>

采用盆裝室內(nèi)模擬試驗(yàn),將采集備用的土壤樣品用同規(guī)格底部帶孔花盆分裝,裝樣量每盆1kg,將盆裝土樣在恒溫箱內(nèi)30℃培養(yǎng)30d,每天噴水補(bǔ)濕,攪拌1次,補(bǔ)水量相同。分別取第0、10、20、30d土樣進(jìn)行有關(guān)測(cè)試分析。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

1)強(qiáng)化菌對(duì)土壤中石油烴降解的影響 將盆裝土樣加強(qiáng)化菌液10、20、30ml,以同樣量的強(qiáng)化菌液經(jīng)滅菌處理后,加入對(duì)照組中,30℃培養(yǎng)定期取樣,分析污染土壤中石油烴的降解。

處理組加強(qiáng)化菌液10、20、30ml,以同樣量的強(qiáng)化菌液經(jīng)滅菌處理后作對(duì)照組,30℃培養(yǎng)定期取樣,分析污染土壤中石油烴的降解,結(jié)果如圖1所示。

2)強(qiáng)化菌液、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)對(duì)土著微生物降解石油烴的影響 以硫酸銨為N源,磷酸二氫鉀為P源,對(duì)供試土樣作加強(qiáng)化菌處理、加N源處理、加P源作處理、加N+P處理、以及加強(qiáng)化菌+N+P處理,以滅菌處理的強(qiáng)化菌液為溶劑,溶解稱(chēng)量好的營(yíng)養(yǎng)鹽。對(duì)照組中加入等量的滅菌的強(qiáng)化菌液。30℃培養(yǎng)定期取樣,分析污染土壤中石油烴的降解。

對(duì)供試土樣作加N源處理(按C/P=25)、加P源按(C/P=150)作處理、加N+P(按C∶N∶P=150∶6∶1)處理、加強(qiáng)化菌處理(10ml)處理以及N+P+強(qiáng)化菌處理(強(qiáng)化菌10ml,C∶N∶P=150∶6∶1),以滅菌處理的強(qiáng)化菌液為溶劑,溶解稱(chēng)量好的營(yíng)養(yǎng)鹽。對(duì)照中加入等量的滅菌的強(qiáng)化菌液。定期取樣分析如圖2所示。

由圖2分析可知,向土壤中添加強(qiáng)化菌以及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)N、P,都會(huì)影響土壤中石油烴的降解速度和效率。只加強(qiáng)化菌,不加N、P營(yíng)養(yǎng)物,對(duì)土壤中石油烴的降解影響不明顯。按適當(dāng)比例向土壤中添加N源和P源,土壤中石油降解率得到大幅度提高,可達(dá)73.4%,如果再添加強(qiáng)化菌,降解率最高,可達(dá)77.8%,較對(duì)照組高出62.4%。

分析圖1,接種不同量的強(qiáng)化菌,土壤中石油烴與對(duì)照組比第10d降解率有明顯提高,第10d石油烴降解率最高較對(duì)照組提高了6.1%;20d后降解效果提高不明顯。因此單一添加強(qiáng)化菌,對(duì)土壤中石油烴的降解效果影響不大。

圖1 強(qiáng)化菌處理土壤中石油烴的降解

圖2 不同處理影響土壤中石油烴的降解效果

3 結(jié)論

影響土著微生物修復(fù)石油污染土壤的因素包括污染物、土著微生物、污染土壤的環(huán)境質(zhì)量及強(qiáng)化土著微生物修復(fù)的人工措施等。通過(guò)向供試土樣中接種強(qiáng)化菌以及添加N、P營(yíng)養(yǎng)因子,采用室內(nèi)盆裝模擬試驗(yàn)結(jié)果表明,向土壤中添加強(qiáng)化菌以及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)N、P,都會(huì)影響土壤中石油烴的降解速度和效率。按適當(dāng)比例向土壤中添加N源和P源,土壤中石油降解率得到大幅度提高,可達(dá)73.4%,再添加強(qiáng)化菌,降解率最高,可達(dá)77.8%,較對(duì)照組高出62.4%。

[1]張秀霞,滕芝,吳佳東,等.激活劑對(duì)石油污染土壤修復(fù)的強(qiáng)化作用及修復(fù)條件的優(yōu)化[J].石油學(xué)報(bào)(石油加工),2013, 29(2):353-357.

[2]毛麗華,呂華,李子君.石油污染土壤生物強(qiáng)化修復(fù)的機(jī)制與實(shí)施途徑[J].有色金屬,2006,58(1):92-95.

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[編輯] 辛長(zhǎng)靜

X53

A

1673-1409(2014)22-0025-03

2014-04-10

四川省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目(13ZA0036)。

李曉樓(1974),男,碩士,副教授,現(xiàn)主要從事微生物應(yīng)用方面的教學(xué)與研究工作。