船舶溢油后海岸帶生物的修復模擬

樊鑫,池連寶,劉璐*

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

0 引言

隨航運業(yè)的蓬勃發(fā)展,船舶溢油事故時有發(fā)生,海上石油運輸導致的溢油事故對海洋生態(tài)環(huán)境造成的影響最為惡劣。統(tǒng)計顯示,因運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2 200萬t[1]。1989-03-24,Exxon Valdez號油輪在美國阿拉斯加州威廉王子灣水域觸礁引發(fā)溢油事故,導致5萬t原油流入威廉王子灣,對海洋環(huán)境造成嚴重污染[2]。我國也是海上船舶溢油事故頻發(fā)的國家,溢油污染對海洋漁業(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)千種不同的碳氫化合物,例如正構(gòu)烷烴、多環(huán)芳烴和樹脂等[4],成分極其復雜,化學性質(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、季風和船舶運動等向外擴展,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,嚴重污染了法國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甚至更長時間,對沉積環(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)實意義。

處理近海沉積物石油污染可采用物理處理法、化學處理法、燃燒法和生物修復法等。生物修復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)的化學修復和物理修復相比,生物修復投資小,操作簡單,不易產(chǎn)生二次污染[9]。海岸帶沉積物石油污染修復研究始于20世紀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油污土壤進行生物修復試驗,5個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的修復試驗,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作用增強沉積物再懸浮過程,將沉積物中的石油烴組分帶到水體中降解。

微生物強化是石油污染生物修復技術(shù)的關(guān)鍵方法,目前已發(fā)現(xiàn)超過200種細菌、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,修復時間較長。

本文采用改進的盆栽試驗設(shè)計模擬海岸帶溢油生物修復過程。以石油降解菌、近岸大型優(yōu)勢底棲動物多毛類雙齒圍沙蠶(Nereissuccinea)和鹽沼先鋒植物翅堿蓬(Suaedaheteroptera)為修復主體,分析不同生物修復組合對海岸帶石油污染的適用性和應用效果,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 試驗材料與方法

1.1 試驗原材料

修復試驗所用土壤采自遼寧省金州沿海灘涂,總有機碳、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。

修復試驗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)勢多毛類動物,以沉積物中的營養(yǎng)為生,環(huán)境適應性強、耐污染。試驗用雙齒圍沙蠶每只質(zhì)量為1.5～2.5 g,完整個體,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,對石油、重金屬等環(huán)境污染有一定的耐受性。試驗用翅堿蓬采自遼寧金州海岸帶。

試驗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 試驗設(shè)計

設(shè)計沉積物中石油的質(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種生物修復處理組,并設(shè)置空白組對照。每個處理組進行3次重復試驗。

準備4個海岸帶石油污染修復試驗箱,每個試驗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。每個試驗箱的上箱體底部有若干用于儲存和釋放海水的網(wǎng)格滲水孔,上箱體內(nèi)裝10 kg土壤,厚約10 cm。各試驗箱內(nèi)石油降解菌初始菌落1.0×107,每個試驗箱放置25條雙齒圍沙蠶,種植25株翅堿蓬。所有試驗箱隨機置于溫室內(nèi),自然光照,溫度為25～35 ℃,相對濕度為60%～70%。進行修復試驗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),以保證測試結(jié)果準確。

圖1 海岸帶石油污染修復試驗箱示意圖

1.4 樣品采集與測定

分別在修復試驗開始時、15、30、45、60 d采集沉積物樣品,測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形布點法采集5個沉積物樣品,混合均勻后置于背陰通風的環(huán)境中自然風干后待測。

采用熒光分光光度法測定沉積物中總石油烴與沉積物的質(zhì)量比[15]。準確稱取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。在離心機中以轉(zhuǎn)速為4000 r/min運行10 min,將上清液稀釋至定容后,采用熒光分光光度計測定總石油烴質(zhì)量,熒光分光光度計的設(shè)定參數(shù)為:激發(fā)波長Ex=310 nm,發(fā)射波長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為修復試驗td后總石油烴與沉積物的質(zhì)量比。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同生物修復組對總石油烴的去除率

在修復試驗各階段,5個修復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 修復試驗各階段5個修復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:各修復處理組總石油烴與沉積物的質(zhì)量比隨修復試驗時間的增大明顯下降,而總石油烴的去除率明顯上升。4個生物處理組的石油去除效果在整個試驗過程中均顯著優(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試驗各階段均最高。進行修復試驗60 d后,4個生物修復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)合修復效果優(yōu)于單一降解細菌。這可能有兩方面原因:一方面,翅堿蓬根系可釋放如氨基酸、糖和酶等有機化合物,增強細菌種群和活性,即根際效應[18],植物-細菌聯(lián)合修復被石油污染的沉積物,對總石油烴的去除效果優(yōu)于單一生物修復;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,促進細菌和植物的生長,也可增加細菌對石油烴的生物利用度[19-20]。

翅堿蓬根系分泌物、微生物活動和雙齒圍沙蠶的生物擾動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為各階段時間。

不同修復試驗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個生物修復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,在其他修復階段,D組總石油烴的日平均去除速率最高,D組在修復試驗的4個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 各生物修復組不同階段總石油烴去除速率

各生物修復組總石油烴的日平均去除速率在修復試驗前30 d增大,超過30 d后減小,各生物修復組總石油烴的最大日平均去除速率出現(xiàn)在修復試驗16～30 d階段。這可能是因為在修復試驗開始時,每種生物修復主體須適應新環(huán)境;在修復試驗后期,營養(yǎng)物質(zhì),如氮和磷的消耗限制了微生物的生長。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,營養(yǎng)增強的生物修復過程可提高石油烴的生物去除率[1]。經(jīng)試驗表明,將土壤中氮、磷的含量增大10倍,在進行修復試驗時,總石油烴的去除速率在修復試驗前期增大,修復試驗后期保持穩(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主體,在試驗室條件下,模擬海上溢油后海岸帶石油污染生物修復過程,進行為期60 d的修復試驗。試驗結(jié)果表明,生物修復聯(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作用與翅堿蓬的根際作用相互促進,為微生物提供良好的生長環(huán)境。在各生物組修復處理中,修復試驗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)合修復組合對沉積物石油烴有較強的去除能力,可推廣至海岸帶石油污染生物修復工作中。