墊土法植物修復石油污染土壤的試驗研究

趙 敏,張海玲,楊 琴,冀仲倫,王京秀,張忠智,陳 榮,陳 嘯

(1.中國石油長慶油田分公司油氣工藝研究院,陜西西安710018;2.中國石油大學(北京)重質油國家重點實驗室,北京102249;3.北京中科潤石油技術服務有限公司,北京100000)

墊土法植物修復石油污染土壤的試驗研究

趙 敏1,張海玲1,楊 琴1,冀仲倫1,王京秀2,張忠智2,陳 榮3,陳 嘯3

(1.中國石油長慶油田分公司油氣工藝研究院,陜西西安710018;2.中國石油大學(北京)重質油國家重點實驗室,北京102249;3.北京中科潤石油技術服務有限公司,北京100000)

進行了紫花苜蓿、白三葉、黑麥草和葦狀羊茅在不同濃度石油污染土壤中的存活率實驗、石油降解實驗和在水培養條件下的根部生長觀察實驗,并采用墊土法對高濃度石油污染土壤進行了120 d的植物修復實驗。結果表明,禾本類植物黑麥草和葦狀羊茅比豆科類植物紫花苜蓿和白三葉更適于石油污染土壤的修復;墊土法可使植物種子發芽生根,增強了植物對石油污染的抗脅迫能力,但植物產生了大量高毒性的芳烴代謝產物,對根際微生物產生毒害,因而芳烴組分降解效率低;禾本類植物明顯優于豆科類植物,在一定程度上更適合修復高濃度石油污染土壤。

墊土法;植物修復;石油污染土壤;石油降解

植物修復是利用植物來固定、修復、減少或復原被污染的土壤、沉積物、地表或地下水[1,2]。在油污場地栽種植物進行修復涉及到一個重要的因素,即植物必須能夠存活。在種植前,發芽試驗可用來判斷植物是否能成功用于修復試驗[3]。例如,Kruger等[4]測試了4種草類植物(葦狀羊茅,多年生黑麥草,Reliant硬羊茅和拿騷肯塔基牧草)種子在每千克土含有220 mg多環芳烴和26 mg多氯聯苯的土壤中的發芽率,結果表明葦狀羊茅的發芽率最高;Wiltse等[5]發現苜蓿種子可以在原油含量高達5%(質量分數)的污染土壤中存活;Escalante-Espinosa等[6]報道當地一種草Cyperuslaxus Lam.能夠在石油烴含量為20%～40%(質量分數)的污染土壤中生長;Pettersson等[7]通過交替設置柴油污染土壤與無污染土壤,研究了黑麥草的根系空間分布以及根部生物質變化,結果表明,在柴油污染土壤上墊上一層無污染土可以促進黑麥草的發芽與生根。

作者在此選擇紫花苜蓿、白三葉、黑麥草和葦狀羊茅4種植物,通過在不同濃度石油污染土壤中的存活率實驗、石油降解實驗和在水培養條件下的根部生長觀察實驗,篩選得到更適于石油污染土壤修復的植物,并采用墊土法考察了它們對高濃度石油污染土壤的植物修復效果。

1 實驗

1.1 供試土壤與植物

實驗用土壤分別取自長慶油田和堆肥處理過的石油污染土壤,含油量分別為8.25 g·kg-1(干土)和33.271 g·kg-1(干土)。

紫花苜蓿、白三葉、黑麥草和葦狀羊茅。

1.2 試劑與儀器

所用試劑均為分析純。

RQX-300B型智能型人工氣候箱、OIL-420型紅外測油儀、索氏抽提器、光學顯微鏡、MC1系列AC型電子天平、101-3AB型電熱鼓風干燥箱、圓型塑料花盆(高15 cm、直徑10 cm)。

1.3 方法

1.3.1 供試植物在不同濃度石油污染土壤中的存活率實驗

采用質量稀釋法[8,9]將長慶油田污染土樣的含油量分別稀釋到1 g·kg-1、2 g·kg-1、3 g·kg-1和4 g ·kg-14個濃度梯度。塑料花盆底均勻分布3個直徑為2 cm的圓孔。各加入8 kg不同濃度石油污染的土壤,加水至土壤最大飽和持水量,放置5 d后分別種植4種供試植物(各取30粒種子),平行澆灌操作,室內培養。播種30 d后對其最終存活數進行統計。設置一盆無污染土壤種植對照樣。

1.3.2 供試植物在不同濃度石油污染土壤中的石油降解實驗

采用質量稀釋法將長慶油田污染土樣的含油量分別稀釋到2 g·kg-1和4 g·kg-1兩個濃度梯度,各取30粒4種供試植物種子種植于不同濃度石油污染的土壤中,平行澆灌操作,室外自然培養60 d。以20 d為周期,對植物根際土壤中可提取石油濃度進行測定,按梅花方式進行取樣[10]。設置一盆無污染土壤種植對照樣。

1.3.3 供試植物在水培養條件下的根部生長觀察實驗

取4種供試植物種子各30粒,放入培養皿中,加入50 m L水,并用標簽筆標出水位高度,將培養皿放入智能人工氣候箱。調節人工氣候箱為:白天16 h,溫度28℃,光照66%;夜間8 h,溫度20℃,濕度60%。每天上午10點和下午4點用顯微鏡觀察培養皿中供試植物種子的根部生長情況,并不斷添水使培養皿中的水位維持不變。

1.3.4 墊土法植物修復高濃度石油污染土壤實驗

將含油量為33.271 g·kg-1的土壤按1∶1的比例加水調成泥漿,攪拌均勻后40℃烘干。每個花盆盛放1 kg干土,高度為10 cm,在其上墊一層經過高溫滅菌處理(121℃,1 h)的5 cm厚的無污染耕作土壤,保持含水率20%左右,在人工氣候箱中放置平衡7 d后播種,每盆播種量為1 g,約400粒種子。調節人工氣候箱為:白天16 h,溫度24℃,光照強度6000 lx,濕度80%;夜間8 h,溫度20℃,濕度80%?；ㄅ栌媚猃埣啿級|上,取樣時將整個紗布連土提起,用滅菌的不銹鋼小勺從土墩側面橫向挖開約1 cm深再取內部土壤。每次從土表下5 cm和10 cm處分別采集等量土壤,混勻,存于低溫冰箱待分析。

2 結果與討論

2.1 供試植物在不同濃度石油污染土壤中的存活率(圖1)

圖 1 供試植物在不同濃度石油污染土壤中的存活率Fig.1 Survival amounts of the tested plants in different concentrations of oil-contaminated soil

由圖1可知,當土壤中石油濃度相同時,4種植物種子的存活率各不相同,說明不同植物的存活率由于其自身物種的不同而存在明顯的差別,其中禾本類植物黑麥草和葦狀羊茅的存活率比豆科類植物紫花苜蓿和白三葉要高出約17%。4種植物存活率均與土壤中的石油濃度成反比,即污染土壤中的石油濃度越高,植物存活率越低。總體來說,禾本類植物葦狀羊茅和黑麥草在污染土壤中的存活率明顯高于豆科類植物紫花苜蓿和白三葉,說明其對石油的抗脅迫能力更強。

2.2 供試植物在不同濃度石油污染土壤中對石油的降解效果(圖2)

圖2 不同濃度石油污染土壤中可提取石油的濃度Fig.2 Concentration of extractable petroleum in different concentrations of oil-contaminated soil

由圖2可知,4種植物紫花苜蓿、白三葉、黑麥草和葦狀羊茅在石油濃度為2 g·kg-1的污染土壤中對石油的降解效果普遍要比石油濃度為4 g·kg-1的土壤好,降解率分別高出1.22%、4.67%、3.00%和3.05%,說明在不考慮修復植物物種差異的情況下,修復植物對石油污染物的降解效果與土壤中的石油濃度成反比,即石油污染濃度越高,降解效果越差,越不容易為植物及其根際環境所降解。

在兩種不同濃度石油污染的土壤中,禾本類植物黑麥草和葦狀羊茅對石油的降解效果均好于豆科類植物紫花苜蓿和白三葉:在石油濃度為2 g·kg-1的土壤中降解率平均高出4.95%;在石油濃度為4 g·kg-1的土壤中降解率平均高出4.87%。其次,在2種不同濃度石油污染的土壤中,植物物種間修復效果好壞的順序均為:葦狀羊茅＞黑麥草＞紫花苜蓿＞白三葉。研究表明,禾本類植物葦狀羊茅和黑麥草比豆科類植物紫花苜蓿和白三葉在石油污染土壤植物修復過程中具有更大的修復應用潛力。

2.3 供試植物在水培養條件下的根部生長情況

豆科類植物根尖分裂作用如圖3所示。4種植物在水培養條件下的根部生長顯微照片如圖4所示。

圖3 豆科類植物根尖分裂作用Fig.3 Root division function of leguminosae

圖4 供試植物根部生長狀況顯微照片Fig.4 Microscopic images of the tested plants roots

由圖3和圖4可知,豆科類植物紫花苜蓿和白三葉的根部在前期生長過程中,主要依靠根尖部分的分裂裂作用且幾乎沒有側根,所需水分和營養物質主要通過根尖吸收;另外,豆科類植物本身生長迅速,對水分和營養的要求比較高,很容易萎蔫死亡。而在禾本類植物葦狀羊茅和黑麥草的根部生長過程中,其主根和側根同時生長,而且側根系很發達。側根發達可以為植物提供更大的根部有效面積,擴大植物根際降解環境的有效范圍;而在側根和主根同時生長的過程中,側根可以對植物起到良好的固定作用,并具有吸收水分和營養物質的功能,在植物主根和根尖受到部分損害的情況下,側根可以分擔主根根尖吸收水分和營養物質的負荷,提高植物在石油污染土壤的存活能力,這對于植物在石油污染土壤的惡劣環境中的生長至關重要;另外,禾本類植物的生長速度比較慢,對水分和營養物質需求不是很高,這就更利于其在石油污染環境中存活,進一步說明禾本類植物比豆科類植物更適于石油污染土壤的修復。

2.4 墊土法修復高濃度石油污染土壤的效果

采用墊土法植物修復高濃度石油污染土壤的效果見表1。

表1 石油類污染物降解效果Tab.1 Degradation results of oil pollutants

墊土法可使黑麥草、紫花苜蓿及葦狀羊茅發芽生根,并在實驗初期長勢旺盛。但根系基本一直在上層的無污染土層中,只有葦狀羊茅的少量根系深入下層油土。到第120 d時,黑麥草與紫花苜蓿都枯死,葦狀羊茅也只有少數草株存活。

由表1可知,經過120 d的降解后,種植有禾本類及豆科類植物的土壤中石油降解率都顯著高于無種植土樣。雖然后期除葦狀羊茅外的植株都枯萎,但殘根腐解提供的營養還是對微生物降解起到了一定作用。最終發現,經過120 d修復后,葦狀羊茅根際土壤石油類污染物總去除率為19.3%,是最適合修復高濃度石油污染土壤的禾本類植物。

以120 d時葦狀羊茅根際土壤提取出的石油進行氣相色譜-質譜分析,并與初始時的譜圖進行比較,結果見圖5、圖6,芳烴代謝中間產物的質譜見圖7。

圖5 葦狀羊茅根際烷烴(m/z 85)質量色譜Fig.5 GC-MS Chromatograms for alkane hydrocarbons(m/z 85)in rhizosphere of tall fescue

圖6 葦狀羊茅根際芳烴質量色譜Fig.6 GC-MSChromatograms for aromatic hydrocarbons in rhizosphere of tall fescue

圖7 芳烴代謝中間產物的MS圖譜Fig.7 GC-MSSpectra for aromatic metabolic intermediate products

由圖5可知,主要的烷烴,即十七烷到二十四烷都有不同程度的降解,其中2,6,10,14-四甲基十五烷由于存在支鏈,降解率稍低。氣相色譜基線呈“鼓包”,表明樣品中含有大量的UCM(Unresolved complex mixture)。由圖6可知,芳烴色譜圖中在實驗開始時就已經檢索不到原始態的芳香烴,這可能是堆肥處理之前土樣中芳香烴含量就較低,經過堆肥處理后基本都轉化為代謝產物了。大量的芳烴中間產物的存在,可能是導致這種污染土壤對植物具有較高毒性的原因。如保留時間為37.94 min、35.85 min和33.17min的譜峰對應的物質含量分別為3.32%、3.13%和1.05%。而且在修復120 d后,芳烴色譜圖變化很小,這說明土壤中缺乏能夠進一步代謝這些中間產物的微生物,或者是這類微生物不占優勢,難以代謝這些中間產物,芳烴組分的降解效率低。雖然土壤中存在很多微生物能進行芳烴的初始代謝,但接下來的中間產物是需要多種微生物協同作用才能進一步代謝的。

3 結論

以紫花苜蓿、白三葉、黑麥草和葦狀羊茅為供試植物進行了一系列的實驗,并采用墊土法對高濃度石油污染土壤進行植物修復,研究表明:

(1)豆科類植物紫花苜蓿和白三葉具有發芽、生長速度快的特點,但對石油污染物的降解效果相對較差;而禾本類植物黑麥草和葦狀羊茅的生長速度相對較緩慢,但對石油污染物的抗脅迫能力強,更容易生存,須根系發達,而且側根和主根同時生長,更適于石油污染土壤的修復。

(2)采用墊土法能夠增強植物對高濃度石油的抗脅迫性。

(3)總體而言,禾本類植物明顯優于豆科類植物,在一定程度上更適合修復高濃度石油污染土壤。

[1] McIntyre T,Lewis G M.The advancement of phytoremediation as an innovative environmental technology for stabilization,remediation,or restoration of contaminated sites in Canada:A discussion paper[J].Soil Contaminant,1997,6(3):227-241.

[2] Pradhan S P,Conrad J R,Paterek J R,et al.Potential of phytoremediation for treatment of PAHs in soil at MGP sites[J].Soil Contaminant,1998,7(4):467-480.

[3] Cunningham S D,Anderson T A,Schwab A P,et al.Phytoremediation of soils contaminated with organic pollutants[J].Advances in Agronomy,1996,56:55-114.

[4] Kruger E L,Anderson T A,Coats J R.Phytoremediation of Soil and Water Contaminants[A].American Chemical Society:Washington,D.C.ACS Symposium Series,1997,664:200-222.

[5] Wiltse C C,Rooney W L,Chen Z,et al.Greenhouse evaluation of agronomic and crude oil-phytoremediation potential among alfalfa genotypes[J].Journal of Environmental Quality,1998,27(1): 169-173.

[6] Escalante-Espinosa E,Gallegos-Martínez M E,Favela-Torres E,et al.Improvement of the hydrocarbon phytoremediation rate by Cyperuslaxus Lam.inoculated with a microbial consortium in a model system[J].Chemosphere,2005,59(3):405-413.

[7] Pettersson K,Leeds-Harrison P,Ritchie L,et al.Root establishment of perennial ryegrass(L.perenne)in diesel contaminated subsurface soil layers[J].Environmental Pollution,2007,145(1): 68-74.

[8] 魯莽,張忠智,孫珊珊,等.植物根際強化修復石油污染土壤的研究[J].環境科學,2009,30(12):3703-3709.

[9] 王婧,張忠智,蘇幼明,等.石油污染土壤植物修復根際效應研究[J].石油化工高等學校學報,2008,21(2):36-40.

[10] 何燧源.環境污染物分析監測[M].北京:化學工業出版社,2001: 77-80.

Experimental Study on Phytoremediation of Oil-Contaminated Soil Using Filling Soil Method

ZHAO Min1,ZHANG Hai-ling1,YANG Qin1,JI Zhong-lun1,WANG Jing-xiu2, ZHANG Zhong-zhi2,CHEN Rong3,CHEN Xiao3
(1.Research Institute of Oil and Gas Technology,Changqing Oilfield Branch Company PetroChina, Xi'an 710018,China;2.the State Key Laboratory of Heavy Oil,China University of Petroleum, Beijing 102249,China;3.Beijing Greenoil Technology Services Co.,Ltd.,Beijing 100000,China)

In this paper,the survival test and oil-degradation test of alfalfa,white clover,ryegrass and tall fescue in different concentrations of oil-contaminated soil were carried out,and the root growth under water condition was also observed.Filling soil method was used to treat high concentration of oil-contaminated soil in 120 days of phytoremediation.The results showed that,ryegrass and tall fescue of gramineae were much better than alfalfa and white clover of leguminosae in application of remediation of oil-contaminated soil;filling soil method could make the tested plants germination root and increase the resistance to oil pollution,but plenty of highly toxic aromatic metabolites were produced,while there was a lack of microorganisms that degraded them, so the degradation efficiency of aromatic components was low.In a word,the gramineae plants were superior to the leguminosae plants obviously and suitable for remediation of high concentration of oil-contaminated soil to some extent.

filling soil method;phytoremediation;oil-contaminated soil;oil-degradation

X 53

A

1672-5425(2013)03-0090-05

10.3969/j.issn.1672-5425.2013.03.024

2013-01-03

趙敏(1983-),女,陜西西安人,碩士,工程師,研究方向:油氣田環保技術;通訊作者:張忠智,教授,博士生導師,E-mail: bjzzzhang@163.com。