生物炭固定化微生物修復石油烴污染研究進展

閆首龍,李 爽,陳 曦,馬會強

(遼寧石油化工大學環境與安全工程學院,遼寧 撫順 113001)

石油作為重要能源被廣泛使用,隨之而來的石油烴污染對土壤和水體環境造成嚴重危害[1]。生物炭固定化微生物技術通過物理或化學方法將微生物固定于生物炭材料上,從而保持微生物活性,提高微生物密度[2],是一種有前景的石油烴污染修復方法,具有處理效率較高、效果穩定、無二次污染等優點[3]。生物炭固定化微生物對石油烴污染有較好的修復效果,歸因于固定化微生物的生物降解與生物炭吸附的協同作用,生物炭吸附可以增強污染物從污染環境向固定化微生物群落的傳質,并豐富固定化微生物形成生物膜,通過新陳代謝氧化分解污染物[4-5]。在此,作者在介紹優勢降解微生物、生物炭載體、微生物固定化方法及生物炭固定化微生物技術修復石油烴污染的影響因素的基礎上,對近年來國內外生物炭固定化微生物技術修復石油烴污染的應用進展進行總結,并對未來發展方向進行展望,旨為生物炭固定化微生物技術修復水及土壤中石油烴污染研究提供參考。

1 優勢降解微生物

用于固定化的微生物主要包括細菌、真菌、藻類等。針對不同的目標污染物及污染環境,篩選優勢降解微生物尤為重要,但存在篩選難度大、富集率低和菌體易脫落等問題[6]。Song等[7]從焦化廠的石油烴污染土壤中分離出鞘氨醇單胞菌PJ2,以生物炭為載體將其固定化,發現固定化鞘氨醇單胞菌PJ2可以有效修復和改良多環芳烴污染鹽漬土。劉志敏等[8]以海藻酸鈉和殼聚糖為復合載體,對從渤海灣石油勘探船廢油中分離出的海洋石油烴降解菌Acinetobactersp.Tust-DM21進行固定化,發現其對石油烴的降解效率較游離菌大幅升高。姜義等[9]從大慶油田的石油污染土壤中分離出6株耐高溫石油烴降解菌,發現在石油濃度為0.5%、pH值為7、溫度為52～80 ℃、接種量為2 mL、氮源為硫酸銨的最佳條件下,菌株BacilluslicheniformisWY2對總石油烴的降解率約52%。Mohn等[10]在極寒地區土壤修復試驗中,通過接種耐冷微生物,石油烴降解率可達80%以上。Wang等[11]發現在低鹽環境(0.1%NaCl)下,嗜鹽基團cy-1對菲的降解沒有顯著影響;而在高鹽環境(5%NaCl)下,菲在5 d內可以完全降解。因此,要根據不同的污染環境,選擇合適的優勢降解微生物。

2 生物炭載體

微生物固定化載體需具有成本低、環保、機械強度高和使用壽命長等特點,且能為固定化微生物提供足夠的空間,并增強底物與固定化微生物之間的相互作用[12-13]。生物炭通常由生物質原料[14-15]在相對較低的熱解溫度(<700 ℃)及有限氧氣或無氧條件下制備[16]。生物炭具有疏松多孔、比表面積大等特點,其作為載體固定化微生物具有極大的應用潛力。生物炭的多孔結構可以為微生物的生長繁殖提供空間,同時也可提供少量的營養物質來抵抗外界環境因素對微生物生長的影響[17-18]。研究表明,生物炭的物理結構通常取決于碳化溫度,因為熱解過程中釋放的揮發物有助于形成孔隙[19-20],從而使比表面積增大。陳鈺等[21]研究了裂解溫度(300～800 ℃)對生物炭制備的影響,發現在550 ℃時,由于有機物大量揮發,生物炭具有高度疏水性和組織良好的碳層。但過高的溫度會破壞生物炭孔壁結構,導致總官能團減少[22-23]。熊武芳[24]采用雞糞、稻殼等生物質,在相同條件下制備生物炭吸附劑,結果顯示,稻殼生物炭具有較低的灰分含量和較少的含氧官能團,穩定性更強,對萘的去除效果更好。

3 微生物固定化方法

目前,常用的微生物固定化方法主要有吸附法、包埋法、交聯法、共價鍵結合法[25]。其中吸附法與包埋法被廣泛應用于生物炭固定化微生物修復石油烴污染。

3.1 吸附法

吸附法是通過生物炭表面吸附、孔隙填充[26]、靜電相互作用[27]實現對微生物的固定化,具有成本低、操作簡單、對微生物活性影響小、不需添加化學試劑等優點。但微生物與生物炭之間的相互作用較弱且不穩定,導致微生物易脫落[28],造成二次污染。Zhou等[29]利用玉米秸稈生物炭固定化產生物表面活性劑弧菌LQ2,用于處理海洋柴油污染,發現柴油殘留量從169.2 mg降至8.91 mg,降解率達94.7%,優于生物炭(35.2%)和游離菌(54.4%)的降解效果。Wang等[30]采用腐殖酸改性生物炭通過吸附法固定微生物,發現其對污染物的降解效率顯著提高。改性生物炭為微生物的固定化提供了新思路。

3.2 包埋法

包埋法是將微生物截留在聚合物載體網格中,外部環境的小分子底物和產物可以自由進出載體生物炭,而微生物不會泄漏[31]。包埋法對微生物毒性低,顆粒強度高,適用范圍廣。目前,常采用海藻酸鈉和聚乙烯醇作為微生物固定化的包埋劑。Chen等[32]以植物殘渣制成的生物炭為載體、海藻酸鈉為包埋劑固定化惡臭假單胞菌B1和本土細菌B2,用于處理1.0 mg·L-1菲和0.1 mg·L-1芘,菲和芘的降解率分別升至92%～100%和96%～100%。Lu等[33]以水稻生物炭(RS500)和海藻酸鹽為復合物,通過凝膠包埋法固定化銅綠假單胞菌,用于處理水中3.5 mg·L-1苊,研究發現,添加非離子表面活性劑TX100可以促進生物炭對多環芳烴的吸附和銅綠假單胞菌對多環芳烴的降解;在最佳條件下,包埋銅綠假單胞菌的海藻酸生物炭對苊的降解率為50.6%。然而,在包埋過程中微生物細胞的活性可能會受到損害,當固定化微生物細胞密度高或降解大分子污染物時,傳質阻力的增加會影響微生物的物質交換,使傳質效率下降[34],導致載體不能繼續使用。

4 生物炭固定化微生物技術修復石油烴污染的影響因素

4.1 菌炭投加比

生物炭含量過高,會對微生物細胞產生一定的潛在毒性,導致單位生物炭吸附的微生物過少,影響石油烴污染的修復效果;生物炭含量過低,則會導致單位生物炭吸附的微生物過多,由于吸附位點有限,生物炭表面微生物能夠接觸并利用的污染物隨之減少,進而影響石油烴污染的修復效果[35-36]。因此,合適的菌炭投加比對石油烴污染的修復非常重要。

4.2 pH值

pH值對微生物的影響較為復雜,會通過影響細胞活性影響微生物的生長繁殖和新陳代謝,不同微生物生長的適宜pH值范圍也不相同[37]。在生物炭體系中,pH值會影響生物炭表面電荷的遷移率,從而影響污染物與生物炭載體之間的相互作用[38]。

4.3 溫度

微生物的活性和生物炭的性能也受環境溫度的影響。研究發現,溫度(10～50 ℃)升高有利于石油烴污染的修復?？赡苁怯捎?溫度升高改善了固定化微生物的傳質,有利于石油烴污染物在生物炭中的遷移和固定化微生物的酶降解[33]。當溫度高于30 ℃時,游離菌細胞內的酶失活,導致游離菌代謝能力降低,生長受到抑制;而固定化微生物對污染物仍有很好的去除效果,主要是由于,生物炭載體為微生物提供了相對穩定的微環境[39]。Zhu等[40]研究了生物炭固定化沙雷菌N80對噻吩磺隆的去除效果,發現其最適作用溫度為25～35 ℃,略高于游離菌。

4.4 石油烴初始濃度

一定濃度的石油烴可以促進固定化微生物對石油烴的降解,這是因為,微生物可以利用石油烴作為碳源和能源;但當石油烴濃度超出一定限值時,會對微生物產生毒害作用[41],導致總生物吸附量和去除效率降低[42]。因此,合適的石油烴初始濃度更有利于石油烴污染的修復。Chen等[28]利用改性竹炭固定化威尼斯不動桿菌對柴油進行降解,當柴油初始濃度為100～400 mg·L-1時,固定化威尼斯不動桿菌對柴油的降解率隨初始濃度增加明顯提高;當柴油初始濃度為400 mg·L-1時,固定化威尼斯不動桿菌在48 h內對柴油降解率達到了94%,遠高于相同濃度下游離菌的降解率,這可能是因為,改性竹炭載體為威尼斯不動桿菌提供了相對穩定的微環境和營養,減輕了外部環境對威尼斯不動桿菌的干擾。

5 生物炭固定化微生物技術修復石油烴污染的應用

石油烴具有低溶解度、非極性和疏水性,廣泛存在于環境中。目前,已有很有研究者將生物炭固定化微生物技術應用于石油烴污染的修復。Ren等[43]利用玉米棒生物炭固定化分枝桿菌修復石油污染土壤,發現,固定化分枝桿菌對土壤中石油烴的降解效率明顯提高,60 d內對石油烴的降解率為70.10%。Qiao等[44]利用磁性懸浮生物炭凝膠球固定化細菌,研究了其對石油烴的降解效果,結果表明,固定化細菌對芘、苯并[a]芘和茚并[1,2,3-cd]芘的降解率分別為89.8%、66.9%和78.2%。目前,生物炭固定化微生物對石油烴污染的修復研究大多是實驗室研究,實際應用較少。國內外利用生物炭固定化微生物修復石油烴污染的研究案例見表1。

表1 生物炭固定化微生物修復石油烴污染的研究案例Tab.1 Case study on bioremediation of petroleum hydrocarbon pollution by biochar immobilized microorganisms

6 展望

生物炭固定化微生物技術在石油烴污染修復領域具有廣闊的應用前景,但仍面臨如下挑戰:(1)針對實際污染環境的復雜性,開發性價比高、性質穩定、無毒、孔隙率高、比表面積大的生物炭,篩選高效、穩定的優勢菌種;(2)目前,吸附法和包埋法是主要的微生物固定化方法,其它方法研究還相當缺乏,可開發新型微生物固定化方法,以進一步提高修復效率;(3)今后可在生物炭協同微生物與石油烴污染相互作用機制方面進行研究,探究生物炭與微生物的協同作用機制及對石油烴污染的降解機制,提高對石油烴污染的降解效率。