樊鑫,池連寶,劉璐*

1.山東交通學(xué)院船舶與港口工程學(xué)院,山東 威海 264200;2.中國(guó)科學(xué)院海洋研究所,山東 青島 266071

0 引言

隨航運(yùn)業(yè)的蓬勃發(fā)展,船舶溢油事故時(shí)有發(fā)生,海上石油運(yùn)輸導(dǎo)致的溢油事故對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境造成的影響最為惡劣。統(tǒng)計(jì)顯示,因運(yùn)輸事故和海上油井井噴事故,包括船舶與石油設(shè)施間的碰撞事故、船舶擱淺事故、油輪與其他船舶間的碰撞事故等,全球每年造成的溢油高達(dá)2 200萬t[1]。1989-03-24,Exxon Valdez號(hào)油輪在美國(guó)阿拉斯加州威廉王子灣水域觸礁引發(fā)溢油事故,導(dǎo)致5萬t原油流入威廉王子灣,對(duì)海洋環(huán)境造成嚴(yán)重污染[2]。我國(guó)也是海上船舶溢油事故頻發(fā)的國(guó)家,溢油污染對(duì)海洋漁業(yè)、旅游業(yè)及生態(tài)環(huán)境造成巨大損害。如2018-01-06,巴拿馬籍油船“桑吉”因碰撞造成所載13.6萬t凝析油泄漏并爆燃,近2000 t燃料油溢出[3]。石油包含數(shù)千種不同的碳?xì)浠衔?例如正構(gòu)烷烴、多環(huán)芳烴和樹脂等[4],成分極其復(fù)雜,化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,不易自然降解。石油成分中還包含多種毒性物質(zhì),如多環(huán)芳烴有致突變性和致癌性[5]。一旦發(fā)生海上溢油事故,石油污染物隨洋流、季風(fēng)和船舶運(yùn)動(dòng)等向外擴(kuò)展,侵入海岸帶區(qū)域,并在潮汐和波浪的作用下黏附在沙子和鵝卵石上[6],例如1978 年Amoco Cadiz 觸礁泄漏22.3萬t石油,嚴(yán)重污染了法國(guó)布列塔尼半島附件的海岸線[7]。研究表明,石油可滲透到潮平沉積物中,甚至可滲透到海平面以下4 m的地方。處理石油的材料可能無法到達(dá)沉積物底部的污染層,去除石油的難度較大[8]。若無有效的清除措施,石油污染物可能在沿海地區(qū)停留100 a甚至更長(zhǎng)時(shí)間,對(duì)沉積環(huán)境、生物多樣性和人類健康造成不可逆轉(zhuǎn)的破壞。因此,解決近海沉積物石油污染問題具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

處理近海沉積物石油污染可采用物理處理法、化學(xué)處理法、燃燒法和生物修復(fù)法等。生物修復(fù)是指采用生物催化降解環(huán)境污染物,減小或最終消除環(huán)境污染的受控或自發(fā)過程,是在微生物降解基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新興環(huán)保技術(shù)。與傳統(tǒng)的化學(xué)修復(fù)和物理修復(fù)相比,生物修復(fù)投資小,操作簡(jiǎn)單,不易產(chǎn)生二次污染[9]。海岸帶沉積物石油污染修復(fù)研究始于20世紀(jì)70年代,研究證明多種生物可提高沉積物中石油的去除效率。如Euliss等[10]研究發(fā)現(xiàn)莎草、柳枝稷和甘草可有效去除港口沉積物中的原油,經(jīng)過1 a的修復(fù)處理,總石油烴的去除率為70%。Moubasher等[11]利用八角子及其根際微生物對(duì)油污土壤進(jìn)行生物修復(fù)試驗(yàn),5個(gè)月后總石油烴的去除率為31.2%～57.7%。李彤等[12]研究證明,加入蚯蚓后,經(jīng)過60 d的修復(fù)試驗(yàn),紫茉莉、香鳳仙和西伯利亞鳶尾等3種植物的石油去除率分別提高9.39%、9.08%、6.52%。Tian等[13]發(fā)現(xiàn),雙齒圍沙蠶可通過生物擾動(dòng)作用增強(qiáng)沉積物再懸浮過程,將沉積物中的石油烴組分帶到水體中降解。

微生物強(qiáng)化是石油污染生物修復(fù)技術(shù)的關(guān)鍵方法,目前已發(fā)現(xiàn)超過200種細(xì)菌、真菌和酵母菌可降解石油烴[1]。惡臭假單胞菌和游海假單胞菌已被證實(shí)能有效去除石油烴。Zheng等[14]從墨西哥北巴拉塔里亞灣的互花米草根部分離出惡臭假單胞菌,并測(cè)試其降解石油的能力(石油烴與沉積物的體積比為1%),結(jié)果顯示,試驗(yàn)25 d后水中總石油烴的去除率為61.01%。惡臭假單胞菌還能不同程度地降解萘、菲、丙二烯和苯并[a]芘[15]。Wang等[16]發(fā)現(xiàn),在柴油與培養(yǎng)液的體積比為1 mL/L的柴油培養(yǎng)基中添加游海假單胞菌,15 d后柴油的去除率為40%。惡臭假單胞菌和游海假單胞菌降解石油的能力顯著。但上述研究多采用單一生物降解石油,總石油烴的去除率較低,修復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)。

本文采用改進(jìn)的盆栽試驗(yàn)設(shè)計(jì)模擬海岸帶溢油生物修復(fù)過程。以石油降解菌、近岸大型優(yōu)勢(shì)底棲動(dòng)物多毛類雙齒圍沙蠶(Nereissuccinea)和鹽沼先鋒植物翅堿蓬(Suaedaheteroptera)為修復(fù)主體,分析不同生物修復(fù)組合對(duì)海岸帶石油污染的適用性和應(yīng)用效果,以期為生物聯(lián)合處理石油污染沉積物提供技術(shù)依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)原材料

修復(fù)試驗(yàn)所用土壤采自遼寧省金州沿海灘涂,總有機(jī)碳、總氮、總磷與土體的質(zhì)量比分別為6.02、0.38、0.42 mg/g。干燥后經(jīng)篩孔直徑為0.425 mm的分樣篩(40目)篩選,去除碎石和雜質(zhì)后備用。

修復(fù)試驗(yàn)所用石油為低黏度高蠟中質(zhì)石油,其理化性質(zhì)如表1所示[17]。

表1 低黏度高蠟中質(zhì)石油的理化性質(zhì)

1.2 生物修復(fù)主體

雙齒圍沙蠶是河口和濕地沉積環(huán)境中的主要優(yōu)勢(shì)多毛類動(dòng)物,以沉積物中的營(yíng)養(yǎng)為生,環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、耐污染。試驗(yàn)用雙齒圍沙蠶每只質(zhì)量為1.5～2.5 g,完整個(gè)體,采自山東乳山。

翅堿蓬是廣泛分布于濱海濕地的一年生草本植物,對(duì)石油、重金屬等環(huán)境污染有一定的耐受性。試驗(yàn)用翅堿蓬采自遼寧金州海岸帶。

試驗(yàn)用石油降解菌為惡臭假單胞菌(Pseudomonasputida)和游海假單胞菌(Peudoalteromonashaloplanktis)混合劑。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)沉積物中石油的質(zhì)量比為1 500 mg/kg,設(shè)置石油降解菌組(A組)、沙蠶-石油降解菌組(B組)、翅堿蓬-石油降解菌組(C組)和沙蠶-翅堿蓬-石油降解菌組(D組)等4種生物修復(fù)處理組,并設(shè)置空白組對(duì)照。每個(gè)處理組進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)。

準(zhǔn)備4個(gè)海岸帶石油污染修復(fù)試驗(yàn)箱,每個(gè)試驗(yàn)箱由上箱體和下箱體組成,如圖1所示。上箱體尺寸為0.45 m×0.31 m×0.20 m,下箱體尺寸為0.60 m×0.40 m×0.15 m。每個(gè)試驗(yàn)箱的上箱體底部有若干用于儲(chǔ)存和釋放海水的網(wǎng)格滲水孔,上箱體內(nèi)裝10 kg土壤,厚約10 cm。各試驗(yàn)箱內(nèi)石油降解菌初始菌落1.0×107,每個(gè)試驗(yàn)箱放置25條雙齒圍沙蠶,種植25株翅堿蓬。所有試驗(yàn)箱隨機(jī)置于溫室內(nèi),自然光照,溫度為25～35 ℃,相對(duì)濕度為60%～70%。進(jìn)行修復(fù)試驗(yàn)60 d,每天早、晚將適量海水倒入上箱體,模擬海岸帶水位變化,并收集下箱體底部滲出的海水,重新倒入上箱體內(nèi),以保證測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確。

圖1 海岸帶石油污染修復(fù)試驗(yàn)箱示意圖

1.4 樣品采集與測(cè)定

分別在修復(fù)試驗(yàn)開始時(shí)、15、30、45、60 d采集沉積物樣品,測(cè)定總石油烴與沉積物的質(zhì)量比。用直徑為0.6 cm的PVC管以X形布點(diǎn)法采集5個(gè)沉積物樣品,混合均勻后置于背陰通風(fēng)的環(huán)境中自然風(fēng)干后待測(cè)。

采用熒光分光光度法測(cè)定沉積物中總石油烴與沉積物的質(zhì)量比[15]。準(zhǔn)確稱取1.0 g干燥沉淀物置于50 mL離心管中,加入6 mL二氯甲烷,在30 ℃下超聲提取2次,每次15 min。在離心機(jī)中以轉(zhuǎn)速為4000 r/min運(yùn)行10 min,將上清液稀釋至定容后,采用熒光分光光度計(jì)測(cè)定總石油烴質(zhì)量,熒光分光光度計(jì)的設(shè)定參數(shù)為:激發(fā)波長(zhǎng)Ex=310 nm,發(fā)射波長(zhǎng)Em=360 nm。

總石油烴去除率

E=(P0-Pt)/P0× 100%,

式中:P0為總石油烴與沉積物的初始質(zhì)量比,Pt為修復(fù)試驗(yàn)td后總石油烴與沉積物的質(zhì)量比。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同生物修復(fù)組對(duì)總石油烴的去除率

在修復(fù)試驗(yàn)各階段,5個(gè)修復(fù)處理組總石油烴與沉積物的質(zhì)量比及總石油烴的去除率變化如表2所示。

表2 修復(fù)試驗(yàn)各階段5個(gè)修復(fù)處理組總石油烴與沉積物的質(zhì)量比和總石油烴的去除率

由表2可知:各修復(fù)處理組總石油烴與沉積物的質(zhì)量比隨修復(fù)試驗(yàn)時(shí)間的增大明顯下降,而總石油烴的去除率明顯上升。4個(gè)生物處理組的石油去除效果在整個(gè)試驗(yàn)過程中均顯著優(yōu)于空白組(顯著性水平P<0.05),D組的總石油烴去除率在修復(fù)試驗(yàn)各階段均最高。進(jìn)行修復(fù)試驗(yàn)60 d后,4個(gè)生物修復(fù)組的總石油烴去除率依次為27.3%、36.7%、38.3%、44.5%,顯著高于空白組的10.7%(P<0.05)。結(jié)果證實(shí)雙齒圍沙蠶、翅堿蓬、惡臭假單胞菌和游海假單胞菌混合劑3種生物修復(fù)主體均可加速石油污染物的降解。

B、C、D組的總石油烴去除率均比A組高,表明多種生物聯(lián)合修復(fù)效果優(yōu)于單一降解細(xì)菌。這可能有兩方面原因:一方面,翅堿蓬根系可釋放如氨基酸、糖和酶等有機(jī)化合物,增強(qiáng)細(xì)菌種群和活性,即根際效應(yīng)[18],植物-細(xì)菌聯(lián)合修復(fù)被石油污染的沉積物,對(duì)總石油烴的去除效果優(yōu)于單一生物修復(fù);另一方面,雙齒圍沙蠶引起的干擾或生物通氣過程可改善沉積物的生活條件,促進(jìn)細(xì)菌和植物的生長(zhǎng),也可增加細(xì)菌對(duì)石油烴的生物利用度[19-20]。

翅堿蓬根系分泌物、微生物活動(dòng)和雙齒圍沙蠶的生物擾動(dòng)為沉積物中石油烴的降解提供有利條件。雙齒圍沙蠶和蚯蚓可有效提高土壤中石油的去除率[13,21-22]。

2.2 各試驗(yàn)階段總石油烴的去除速率

總石油烴的日平均去除速率

v=Ei/t,

式中:Ei為不同階段總石油烴去除率,%;t為各階段時(shí)間。

不同修復(fù)試驗(yàn)階段總石油烴的日平均去除速率如表3所示。由表3可知:4個(gè)生物修復(fù)組總石油烴的日平均去除速率顯著高于空白組(P<0.05)。除36～45 d階段外,在其他修復(fù)階段,D組總石油烴的日平均去除速率最高,D組在修復(fù)試驗(yàn)的4個(gè)階段總石油烴的日平均去除速率分別為1.08%、1.20%、0.39%、0.29%。

表3 各生物修復(fù)組不同階段總石油烴去除速率

各生物修復(fù)組總石油烴的日平均去除速率在修復(fù)試驗(yàn)前30 d增大,超過30 d后減小,各生物修復(fù)組總石油烴的最大日平均去除速率出現(xiàn)在修復(fù)試驗(yàn)16～30 d階段。這可能是因?yàn)樵谛迯?fù)試驗(yàn)開始時(shí),每種生物修復(fù)主體須適應(yīng)新環(huán)境;在修復(fù)試驗(yàn)后期,營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),如氮和磷的消耗限制了微生物的生長(zhǎng)。由生物刺激原理可知,養(yǎng)分含量較高的土壤更能維持微生物的生長(zhǎng),營(yíng)養(yǎng)增強(qiáng)的生物修復(fù)過程可提高石油烴的生物去除率[1]。經(jīng)試驗(yàn)表明,將土壤中氮、磷的含量增大10倍,在進(jìn)行修復(fù)試驗(yàn)時(shí),總石油烴的去除速率在修復(fù)試驗(yàn)前期增大,修復(fù)試驗(yàn)后期保持穩(wěn)定,未見明顯下降。

3 結(jié)論

以雙齒圍沙蠶、翅堿蓬、惡臭假單胞菌和游海假單胞菌混合劑為修復(fù)主體,在試驗(yàn)室條件下,模擬海上溢油后海岸帶石油污染生物修復(fù)過程,進(jìn)行為期60 d的修復(fù)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明,生物修復(fù)聯(lián)合體的總石油烴去除能力明顯優(yōu)于空白處理組。雙齒圍沙蠶的生物擾動(dòng)作用與翅堿蓬的根際作用相互促進(jìn),為微生物提供良好的生長(zhǎng)環(huán)境。在各生物組修復(fù)處理中,修復(fù)試驗(yàn)早期階段總石油烴的去除速率最高。雙齒圍沙蠶、翅堿蓬、惡臭假單胞菌和游海假單胞菌混合劑的聯(lián)合修復(fù)組合對(duì)沉積物石油烴有較強(qiáng)的去除能力,可推廣至海岸帶石油污染生物修復(fù)工作中。