石油污染土壤的土著微生物修復影響因素研究

李曉樓 (四川職業技術學院建筑與環境工程系,四川遂寧 629000)

石油污染土壤的土著微生物修復影響因素研究

李曉樓 (四川職業技術學院建筑與環境工程系,四川遂寧 629000)

從石油的組分及分子量大小、石油的物理狀態及濃度、土著微生物的類群、數量、特性及共代謝作用、土壤結構、土壤耕作及作物種類、溫度、營養鹽的種類及供給、有氧條件、p H值及溫度方面。結合工作研究實際,綜合分析了土著微生物修復石油污染土壤的影響因素。并采用室內盆裝模擬試驗,以硫酸銨為N源,磷酸二氫鉀為P源,研究了強化菌對土壤中石油烴降解的影響以及強化菌液、營養物質對土著微生物降解石油烴的影響。結果表明,按適當比例添加N、P源,并同時添加強化菌,處理效果最好,降解率30d最高可達77.8%,較對照組高出62.4%。

石油染污土壤;土著微生物修復;強化菌

隨著石油的綜合利用以及用量的不斷增加,由此導致的環境污染問題也日益嚴重。利用土著微生物修復石油污染土壤,具有潛力大、安全、無二次污染等優點,應用越來越廣泛。但在實際研究及應用過程中,存在著效果不很顯著、穩定性較差等問題[1]。結合工作研究實際,綜合分析了土著微生物修復石油污染土壤的影響因素,采用室內盆裝模擬試驗,對影響石油污染土壤土著微生物修復的限制性因素作了試驗研究,為石油污染土壤的土著微生物修復提供參考。

1 影響土著微生物修復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和分子量大小不同而異。石油組分結構越簡單,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,芳香烴中二環和三環化合物較容易被降解。石油中膠質和瀝青質極難被土著微生物降解。土著微生物一般對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降解速率極低[2]。

2)石油的物理狀態及濃度 石油污染物進入土壤后,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影響土著微生物的活性。在污染土壤系統中,少量石油烴類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,誘導產生石油烴類降解酶;而石油的生物可達性越高,與土著微生物接觸的表面積就越大,利用率越高。石油的生物可達性有2個方面:受石油本身的性質如疏水性、揮發性、不溶性等影響;與土壤及作物對石油的吸附性有關。

1.2 土著微生物的影響

1)土著微生物的類群、數量及特性 土壤中土著微生物種群構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雜,很難由單一菌完全降解。在土壤生態系統中,普遍存在著能降解石油烴的土著微生物。土著微生物種類不同,其營養類型,理化性狀及對石油污染物的耐受力不同。有的土著微生物,經石油污染物的馴化,或發生特異性的變異或產生特殊誘導酶,以增強對污染物的降解;有的土著微生物,在污染物濃度較高時,活性受到抑制,數量會減少。所以土壤的土著微生物的類群、數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上生長時,伴隨著一種非生長基質的不完全轉化。作為非生長基質的污染物,在某種土著微生物利用生長基質時,被其產生的專一性不強的酶降解或轉化成為不完全的氧化產物,進而被另一種土著微生物利用并徹底降解。共代謝作用對于污染土壤中難降解污染物的分解起著重要作用。

1.3 土壤環境的影響

1)土壤結構 土壤具有團粒結構,不同土壤其團粒結構不同,同一土壤不同土層其土壤結構也可能有別。土壤的過濾速度、保水力、吸附力等都與其結構有關。土壤結構和質地不同,導致土壤物理化學性質也不同,影響對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 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、數量。合理的耕作方式,有利于改善土壤的含水、含氧狀態及土壤的膠體性質,影響土壤對污染物的吸附性及土著微生物對石油污染物的降解。作物種類不同,其根系與微生物的效應也不一樣。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化。

3)溫度 溫度一方面通過影響土著微生物的種群構成、生長速度及其酶活性來影響土著微生物的活動;另一方面溫度會影響土壤中的石油污染物烴的化學組成和物理狀態。溫度低,油黏度增加,影響石油的生物可達性;隨著溫度的升高,土著微生物對石油烴代謝率增加,但溫度過高,石油烴對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的重要環境因子。

4)營養鹽的種類及供給 土著微生物的生長繁殖需要C源、N源及P源。N、P是土著微生物修復石油污染土壤的限制因子,合理的供給N、P,有利于促進土著微生物的生長繁殖及活性。同時營養鹽不同,對土著微生物的強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。據測算,1g石油被土著微生物分解礦化需3～4g O2,因此在石油污染嚴重的土壤環境中,O2是石油降解的限制因子[4]。土著微生物對石油烴的降解主要是在有氧條件下進行,厭氧條件下降解率極低。因此保證染污土壤通風透氣,為污染土壤提供充足O2,對保證石油污染物的去除效果,強化石油污染土壤土著微生物修復顯得很重要。

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

2 盆裝模擬試驗研究

2.1 試驗土樣及理化性質

以四川遂寧射洪縣的長期受某廢棄油井污染土壤作為試驗土壤,取樣時,去表層土5cm,采用對角交叉5點取樣法取表層土以下5～10cm處土壤,除雜過篩,混勻備用。參照有關方法[3]測定土壤中石油烴的質量分數為5.3%,有機碳23g/kg,硝態氮0.164g/kg,氨態氮0.38 g/kg,溶出性磷0.042g/kg,水分為16.14%。

2.2 試驗方法

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基中[5],30℃,180r/min搖床培養5d,取1ml富集培養菌液接種于新鮮的富集濃縮馴化培養基中,相同條件下培養5d,重復3次,得到經富集濃縮馴化的土著微生物混合菌液,保存備用。

采用盆裝室內模擬試驗,將采集備用的土壤樣品用同規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30℃培養30d,每天噴水補濕,攪拌1次,補水量相同。分別取第0、10、20、30d土樣進行有關測試分析。

2.3 試驗結果

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

處理組加強化菌液10、20、30ml,以同樣量的強化菌液經滅菌處理后作對照組,30℃培養定期取樣,分析污染土壤中石油烴的降解,結果如圖1所示。

2)強化菌液、營養物質對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,對供試土樣作加強化菌處理、加N源處理、加P源作處理、加N+P處理、以及加強化菌+N+P處理,以滅菌處理的強化菌液為溶劑,溶解稱量好的營養鹽。對照組中加入等量的滅菌的強化菌液。30℃培養定期取樣,分析污染土壤中石油烴的降解。

對供試土樣作加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、加強化菌處理(10ml)處理以及N+P+強化菌處理(強化菌10ml,C∶N∶P=150∶6∶1),以滅菌處理的強化菌液為溶劑,溶解稱量好的營養鹽。對照中加入等量的滅菌的強化菌液。定期取樣分析如圖2所示。

由圖2分析可知,向土壤中添加強化菌以及營養物質N、P,都會影響土壤中石油烴的降解速度和效率。只加強化菌,不加N、P營養物,對土壤中石油烴的降解影響不明顯。按適當比例向土壤中添加N源和P源,土壤中石油降解率得到大幅度提高,可達73.4%,如果再添加強化菌,降解率最高,可達77.8%,較對照組高出62.4%。

分析圖1,接種不同量的強化菌,土壤中石油烴與對照組比第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。因此單一添加強化菌,對土壤中石油烴的降解效果影響不大。

圖1 強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 結論

影響土著微生物修復石油污染土壤的因素包括污染物、土著微生物、污染土壤的環境質量及強化土著微生物修復的人工措施等。通過向供試土樣中接種強化菌以及添加N、P營養因子,采用室內盆裝模擬試驗結果表明,向土壤中添加強化菌以及營養物質N、P,都會影響土壤中石油烴的降解速度和效率。按適當比例向土壤中添加N源和P源,土壤中石油降解率得到大幅度提高,可達73.4%,再添加強化菌,降解率最高,可達77.8%,較對照組高出62.4%。

[1]張秀霞,滕芝,吳佳東,等.激活劑對石油污染土壤修復的強化作用及修復條件的優化[J].石油學報(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化修復的機制與實施途徑[J].有色金屬,2006,58(1):92-95.

[3]劉虹,吳宇航,李志萍.激活土著微生物法修復石油烴污染土壤[J].吉林化工學院學報,2012,29(7):60-63.

[4]毛天宇,劉憲斌,李亞娟.海洋石油污染生物修復技術[J].海洋信息,2008(3):12-13.

[5]徐馮楠,馮貴穎,馬雯,等.高效石油降解菌的篩選及其降解性能研究[J].生物技術通報,2010(7):221-226.

[編輯] 辛長靜

X53

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1673-1409(2014)22-0025-03

2014-04-10

四川省教育廳重點項目(13ZA0036)。

李曉樓(1974),男,碩士,副教授,現主要從事微生物應用方面的教學與研究工作。