（环境工程专业论文）重金属铜复合污染土壤中石油的微生物降解.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 辽河油田附近的土壤受重金属污染、石油污染日益严重，致使土壤容易发生石油 与重金属的复合污染，因此本文在模拟自然条件下，以石油中的典型组分正十六烷、 菲、葸和重金属铜为目标污染物，开展了石油污染物的微生物降解作用研究。实验结 果如下： ( 1 ) 考察了c u 2 + 对正十六烷微生物降解的影响，结果表明，与不加c u 2 + 相比，低浓 度的c u 2 + ( 浓度为2 3 7m g k g ) 能促进土著微生物对正十六烷的降解，降解率提高7 ，而 高浓度的c u 2 + ( 4 7 4 、2 3 7m g k g ) 贝l j 抑制正十六烷的降解，使其降解率分别下降1 0 和 2 0 。说明c u 2 + 对正十六烷的降解随浓度不同产生的作用也不同。 ( 2 ) 在正十六烷和重金属铜复合污染土壤中，c u 2 + 主要以f e m n 氧化物结合态存在， 其它形态含量较低。在不同浓度c u 2 + 污染的土壤中( 0 、2 3 7 、4 7 4 、2 3 7m g k g ) ，第7 天 时四种土样中脲酶活性分别为3 4 5 ，2 6 5 ，3 4 ，1 9 5 “gn h 4 ng - 1 ，随培养时间的延长 脲酶活性逐渐降低，1 1 0 天后，其活性分别减少了2 1 5 ，1 2 ，1 4 5 ，1 0i t gn h a ng 1 。 然而，土样中蔗糖酶活性随着培养时间的延长逐渐升高，1 1 0 天后，上述四种土样蔗糖 酶活性，分别增加了2 4 0 ，2 6 3 ，2 3 5 ，2 2 8g g 葡萄糖9 1 。 ( 3 ) 在正十六烷和不同浓度c u 2 + ( o 、2 3 7 、4 7 4 、2 3 7m g k g ) 复合污染土壤中加入1 5 0 m g k g 柠檬酸之后，正十六烷降解率分别为4 4 ，3 5 ，2 8 ，2 5 ，显著降低了土著 微生物对正十六烷的降解率，延长了其降解的半衰期。加入柠檬酸之后，c u 2 + 在土壤中 的分布趋势及土壤酶活性变化规律与不加柠檬酸的土样相比没有发生明显的变化。c u 2 + 在土壤中仍然主要以f e m n 氧化物结合态存在。随培养时间的延长，脲酶活性均逐渐降 低，而蔗糖酶活性均逐渐升高。 ( 4 ) 鉴于石油污染土壤中脂肪烃和芳香烃总是共存的，考察了芳香烃( 菲、蒽) 和脂 肪烃( 正十六烷) 单独存在以及共存情况下，土著微生物对它们的降解规律。结果表明， 土著微生物对它们的降解均符合准一级反应动力学。菲、蒽或正十六烷单独存在于土 壤中时，其微生物降解速率常数分别为o 0 2 2 6d 、0 0 2 8 3d 1 和0 0 0 9 6 2d 。菲和正十 六烷共存时，正十六烷能够作为土著微生物降解菲的共代谓十底物，促进菲的降解，使 菲的半衰期比它单独存在于土壤中时缩短4 4 ，同时，正十六烷的加氧酶被菲诱导， 使其活性提高而增强对正十六烷的降解作用，其微生物降解半衰期比它单独存在于土 壤中时缩短4 9 。菲和葸共存促进了土著微生物对菲的降解，却抑制了对蒽的降解。 关键词：复合污染；正十六烷；铜；菲；葸；微生物降解 重金属铜复合污染十壤中石油的微生物降解 b i o d e g r a d a t i o no f c r u d eo i li nt h es o i lc o m p l e x e dw i t hc o p p e r a b s t r a c t s o i lb e c o m e si n c r e a s i n g l yt e r r i b l ei nt h el i a oh eo i l f i e l d ，w h i c hw a sp o l l u t e db yc r u d e o i la n dh e a v ym e t a l m e nc r u d eo i la n dh e a v ym e t a lc o e x i s ti ns o i le n v i r o n m e n t ，i tc o u l d 1 e a dt oc o m b i n e dp o l l u t i o n e a s i l y t h eb i o d e g r a d a t i o n o fc r u d eo i l ( n - h e x a d e c a n e ， p h e n a n t h r e n e ，a n t h r a c e n e ) i ns o i lb yi n d i g e n o u sm i c r o o r g a n i s m su n d e rn a t u r a lc o n d i t i o n s w e r ei n v e s t i g a t e d t h em a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w i n g ： ( 1 ) t h ee f f e c to fc u 2 + c o n c e n t r a t i o no nb i o d e g r a d a t i o no fn h e x a d e c a n ew a si n v e s t i g a t e d 1 1 1 er e s u l t ss h o w e dt h a tl o wc u 什c o n c e n t r a t i o n ( 2 3 7m g k g ) s t i m u l a t e dt h eb i o d e g r a d a t i o n r a t e so fn h e x a d e c a n ew h i c hi n c r e a s e db v7 c o m p a r e dt os o i ls a m p l e sw i t h o u tc u z + ，b u t h i 曲c u 2 + ( 4 7 4a n d2 3 7m gk g - 1 ) i n h a b i t e dt h eb i o d e g r a d a t i o nr a t e so fn - h e x a d e c a n ew h i c h d e c r e a s e db v10 a n d2 0 i ts h o w e dt h a tc u 2 + w i t hd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n sp l a y e dd i f f e r e n t r o l e so nt h eb i o d e g r a d a t i o nr a t e so fn - h e x a d e c a n ei ns o i l f 2 ) c u 2 + w a sm o s t l yb o u n dt of e m no x i d e si ns o i l sc o n t a m i n a t e dw i t hc r u d eo i la n d c o p p e r i n7d a y s ，t h ea c t i v i t yo fu r e a s ei ns o i l sw h i c hw a sc o n t a m i n a t e dw i t hd i f f e r e n t c o n c e n t r a t i o n so fc u p ( 0 ，2 3 7 ，4 7 4 ，2 3 7m g k g ) w e r e3 4 5 ，2 6 5 ，3 4 ，1 9 5l a gn h 4 一ng ， r e s p e c t i v e l y w i t ht h ep r o l o n g a t i o no ft i m e ，t h eu r e a s ea c t i v i t yw a sr e d u c e d ，b u tt h e i n v e r t a s e a c t i v i t yw a si n c r e a s e d i n110d a y s ，t h eu r e a s ea c t i v i t yw a sr e d u c e db y21 5 ，1 2 ，1 4 5 ，1 op g n h 4 - ng ，m e a n w h i l et h ei n v e r t a s ea c t i v i t yw a si n c r e a s e db y2 4 0 ，2 6 3 ，2 35 ，2 2 8l a gg l u c o s e 分1 ( 3 ) b i o d e g r a d a f i o nr a t e so fn - h e x a d e c a n ew e r e4 4 ，3 5 ，2 8 ，2 5 ，r e s p e c t i v e l yi n s o i l sw h e nc i t r a t ea n dd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n so fc u 什c o e x i s t e d i ts h o w e dt h a tt h ec i t r a t e r e d u c e dt h eb i o d e g r a d a t i o nr a t e so fn h e x a d e c a n ea n dp r o l o n g e dt h eh a l fl i f eo fn - h e x a d e c a n e c u 2 + w a sm o s t l yb o u n dt of e m no x i d e si ns o i l sc o n t a m i n a t e dw i t hc r u d eo i la n dc o p p e r w i mt h ep r o l o n g a t i o no ft i m e ，t h eu r e a s ea c t i v i t yw a sr e d u c e d ，b u tt h ei n v e r t a s ea c t i v i t yw a s i n c r e a s e d ( 4 ) t h ed i s t r i b u t i o nt r e n do fc u 2 + a n d t h ec h a n g el a wo fs o i le n z y m a t i ca c t i v i t i e si ns o i l s w i t hc i t r a t eh a dn oo b v i o u sc h a n g ec o m p a r e dw i t ht h a tw i t h o u tc i t r a t e f 5 ) b e c a u s eo ft h ec o e x i s t e n c eo fp h e n a n t h r e n ea n da n t h r a c e n ei nc r u d eo i l - p o l l u t e ds o i l ， t h eb i o d e g r a d a t i o no fa r o m a t i ch y d r o c a r b o n s ( p h e n a n t h r e n ea n da n t h r a c e n e ) a n da l i p h a t i c h y d r o c a r b o n ( n - h e x a d e c a n e ) i ns o i li n d i v i d u a l l yo rc o m b i n e db yi n d i g e n o u sm i c r o o r g a n i s m s w e r ei n v e s t i g a t e d t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tb i o d e g r a d a t i o no ft h et e s t e ds u b s t r a t e sf o l l o w e d t h ef i r s t o r d e rk i n e t i c s t h eb i o d e g r a d a t i o nr a t ec o n s t a n t so fp h e n a n t h r e n e ，a n t h r a c e n ea n d n h e x a d e c a n ei n s o i li n d i v i d u a l l yw e r eo 0 2 8 3d ，0 0 2 2 6d qa n do 0 0 9 6 2d ，r e s p e c t i v e l y n h e x a d e c a n ec o u l ds e r v ea sc o m e t a b o l i cs u b s t r a t et oe n h a n c et h eb i o d e g r a d a t i o no f 大连理丁大学硕士学位论文 p h e n a n t h r e n ew h e nt h e yw e r ei nc o e x i s t e n c e ，w h i c hr e d u c e dt h eh a l f 1 i f eo fp h e n a n t h r e n eb y 4 4 c o m p a r e dw i t ht h a to fp h e n a n t h r e n ea l o n e m e a n w h i l e 。t h ea c t i v i t yo fo x y g e n a s e sf r o m n h e x a d e c a n ew a si n c r e a s e dd u et ot h ei n d u c e de f f e c tb yp h e n a n t h r e n e ，w h i c hw a sf a v o r a b l e t od e g r a d en h e x a d e c a n ea n dr e d u c e dt h eh a l fl i f eo fn - h e x a d e c a n eb y4 9 c o m p a r e dw i t h t 1 1 a to fn h e x a d e c a n ea l o n e h o w e v e r , t h ec o e x i s t e n c eo fp h e n a n t h r e n ea n da n t h r a c e n e p r o m o t e dt h eb i o d e g r a d a t i o no fp h e n a n t h r e n e ，w h e r e a si n h a b i t e dt h a to fa n t h r a c e n e k e yw o r d s ：c o m b i n e dp o l l u t i o n ；n - h e x a d e c a n e ；c o p p e r ；p h e n a n t h r e n e ；a n t h r a c e n e ； b i o d e g r a d a t i o n 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方 外，本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已 申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的 贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：重幽丝金匾基碰生丕渔旌兰丝弛缀 作者签名： 翟啦刍 日期： 逊年2 月上竺日 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：丝复魉笙旦堡垒选鐾丝趣i 虚通丝邈盟泼 作者签名：垄堑逸垄 日期：趟年上月三旦日 导师签名：盘筮丝日期：趔星年j l 月三三日 大连理工大学硕十学位论文 引言 我国自1 9 7 8 年石油产量突破1 亿吨成为世界产油大国之一以来，土壤的石油污染 日益严重。在东北老工业基地等我国主要的石油产区，大量石油在开采、运输、储存 和加工等过程中不同程度的进入土壤，导致该地区油田附近土壤受到严重的石油污 染。此外，由于选矿、冶金、电镀、交通等行业的快速发展，使油田附近土壤中重金属 的积累不断加剧，并已成为土壤重要的污染物之一。铜是污染较严重的重金属之一。含 铜矿产的开采、冶炼厂三废的排放、含铜杀菌剂的长期大量使用和城市污泥的堆肥利用， 使土壤含铜量达到原始土壤的几倍甚至几十倍，远远超出了土壤环境的承载力。铜的过 剩会对植物、动物和土壤微生物产生危害，严重威胁到生态系统的稳定和人类的安全， 因此土壤中铜的污染也逐渐引起了人们重视。由于东北老工业基地石化行业和冶金行业 共存，因此存在着石油与重金属铜复合污染的现象。 近年来，国内外相继开展土壤环境中多种无机污染物( 重金属) 和多种有机污染物之 间交互作用的研究。这些研究为认识和掌握持久性有毒物质的迁移转化行为打下良好的 基础。但是，迄今的研究忽略了土壤中不同浓度的重金属对污染物微生物降解产生的 作用也不同，以及有机污染物之间也会存在相互作用从而影响彼此的微生物降解。因 此，针对这些科学问题，本论文以东北老工业基地典型重金属污染物铜和有机污染物 石油中的重要组分正十六烷、菲和蒽为目标物，开展了石油污染物的微生物降解研 究。首先考察了铜与石油复合污染土壤中，不同浓度c u 2 + 对正十六烷微生物降解的影响 及有柠檬酸存在时正十六烷的微生物降解规律，并进行微生物降解动力学分析：然后分 析了土壤中c u 2 + 的形态分布特征及土壤酶活性变化，研究c u 2 + 的形态对正十六烷微生物 降解的影响及不同条件下土壤酶活性的变化规律；最后选取石油芳香烃和脂肪烃的代表 组分菲、葸和正十六烷，研究了它们单独存在以及共存情况下，土著微生物对它们的降 解作用。这些内容的研究对进一步理解复合污染土壤中有机污染物的环境化学行为具有 重要意义和科学价值。 重金属铜复合污染十壤中石油的微生物降解 1 土壤污染研究进展 1 1土壤复合污染的研究现状 1 1 1复合污染的概念和分类 1 9 3 9 年b l i s s 提出研究两种毒物联合作用的毒性并首次提出了拮抗作用、加和作 用、协同作用，至此污染物的联合效应才逐渐为人们所认识【l 】。很多环境效应无法用单 一污染物的作用机理来解释，过去依赖单一效应制定的有关评价标准无法真实反映环 境质量要求，因此复合污染研究逐渐成为环境科学发展的重要方向之一。 所谓复合污染是指多元素或多种化学品，即多种污染物对同一介质( 土壤、水、大 气、生物) 的同时污梨2 1 。而判断生态系统中复合污染发生的唯一指标是生态系统中存 在的一种以上的化学物质相互之间发生各种作用，产生加和、协同、拮抗、或者独立 效应的反应1 3 j 。 按污染物的类型，复合污染可分为以下三类【4 】：1 ) 有机复合污染，由两种或两种以 上有机污染物共存所形成，目前研究较多的是两种农药之间的复合污染；2 ) 无机复合污 染，由两种或两种以上无机污染物同时作用所形成的环境污染现象，重金属之间的复合 污染是当前无机复合污染研究的重点；3 ) 有机无机复合污染，是有机污染物和无机污染 物在环境中同时存在的环境污染现象，目前研究较多的是重金属与农药及洗涤剂之间的 复合污染。 1 1 2 有机物与重金属复合污染现状 随着经济的发展，有机污染物与重金属对土壤环境的污染越来越严重。当两种污染 物同时存在时，由于两者之间的相互作用所构成的复合污染，对环境的危害作用更大。 据估计，中国受a s 、p b 、c r 等重金属污染的耕地面积近2 0 1 07 公顷，每年因土壤污 染而减少的粮食产量高达1 1 0 7 吨，另外被重金属污染的粮食每年也多达1 2 1 07 屯， 合计经济损失至少2 0 0 亿元；受农药污染的耕地1 3 0 0 1 6 0 0 万公顷，持久性有机污染物 污染相当严重【5 1 。孙立波等【6 1 对某污灌区的土壤剖面进行采样分析，研究表明土壤中金 属元素c r ，a s ，h g ，c d ，c u ，p b ，n i ，z n 和持久性有机污染物六六六( b h c ) 、滴滴涕 ( d d t ) 含量从土壤底层到表层有上升趋势，8 0 以上的表层土壤样品污染物含量超过土 壤底层，8 5 以上的土壤样品污染物含量明显超过当地土壤的自然背景值。通过污染物 在土壤中的残留模型预测，两种有机污染物和元素c r ，a s ，h g ，c d ，c u 会在土壤中累 积。其原因是持续的污水灌溉可能使在土壤中累积的这些污染物进入地下水或食物链， 对环境健康造成危害。 大连理工大学硕十学位论文 近年来，国内外相继开展了土壤环境中多种无机污染物( 重金属) 和多种有机污染物 之间交互作用的研究工作【_ 7 1 。据文献报道，有机污染物和重金属共存于土壤环境中时， 可能通过下列几种方式来影响重金属以及有机污染物的环境行为【8 】。第一，两者之间可 能存在吸附点位的竞争。通常情况下，对吸附点位的竞争会导致一种污染物从结合点位 取代另一种处于竞争弱势的污染物，竞争的结果在很大程度上取决于所共存的各污染物 的种类、浓度比和各自的吸附特性。第二，可能直接形成重金属有机污染物的络合物， 也可能进一步形成土壤重金属有机污染物的三元配合体。这些络合物或者配合体将显 著影响重金属和有机污染物与土壤组分间的相互作用及其存在形态、水溶性、生物有效 性等。第三，重金属或者有机污染物等外源污染物质可以改变土壤的p h 值、氧化还原 能力、微生物活性、酶体系等，从而影响了污染物在环境中的转化和代谢途径。 世界卫生组织( w h o ) 于1 9 8 0 年召开关于工作环境中多危害接触的联合作用的研讨 会，1 9 8 6 年，w h o 的一个专家委员会在日内瓦讨论了致癌物联合作用的评价问题，同 一年，美国统计学会( s t a t i s t i c a la s s o c i a t i o n ) 禾i 环保局( e p a ) 联合举办了预测多化学物毒性 统计方法的会议。在上述一系列会议记录和文件中，都反复强调一个事实，即人类是暴 露在一个复杂的多元介质中，过去在对单一污染物研究基础上制定的环境标准，可能由 于污染物问的拮抗，加合或者协同作用，在应用中遇到许多困难，需要加以修订，因而， 采用现有的对单一污染物的标准进行复合污染评价当然也是不合理的，鉴于这种情况， 开展复合污染研究，已经成为环境科学领域的当务之急【9 】。 1 2 土壤中石油污染物的来源、危害及迁移转化 1 2 1土壤中石油污染物的来源 随着经济和社会的迅速发展，石油及其制品被广泛地应用于国民经济的各个领域 和人类的日常生活中，而且使用量与日俱增，在石油产量激增的同时，石油在开采、 储存、运输、加工和应用过程中的泄露和排放对环境的污染也日趋严重。据估计全世 界每年约有2 2 亿吨的石油总产量，其中1 7 5 亿吨是由陆地油田生产的，约有8 0 0 万吨 石油及其产品通过各种途径进入地下水、地表水及土壤中【l0 1 。而根据我国典型地区的 调查结果表明，目前我国的土壤石油污染问题已经相当严重。就东北老工业基地来 说，据文献资料所示 i ，大庆、辽河等油田的重污染区的土壤表层( o 2 0 c m ) 的含油量 达3 0 0 0 , , - 5 0 。土壤石油污染的来源主要有以下五个方面【1 2 】。 ( 1 ) 石油生产中的排洒及溢油事故 在石油丌采过程中发生井喷事故、输油管线泄漏，采油井沈井和地面设备检修时会 有大量原油洒落在油井周围，造成严重的石油污染。除此之外，石油及其产品在运输、 重金属铜复合污染十壤中石油的微生物降解 使用、贮存过程中的渗漏，造成大量石油烃类物质直接进入土壤，由此引起的突发性 泄漏往往造成数量多、浓度高、危害大的局部污染。由于油浓度大大超过土壤颗粒能够 吸附的量，过多的石油存在于土壤空隙中，造成土壤污染。 ( 2 ) 含油固体废物堆放 含油固体废物主要包括油页岩矿渣、含油泥浆等，它们在堆放过程中，经降水的 冲刷、淋洗等作用，向周围土壤中浸入大量的油，导致污染土壤中的石油污染物含量 急剧增高；含油固体废物的另一种污染土壤的途径是，它们与土壤颗粒掺混，并通过 扩散作用等方式将周围土壤污染。此外，工业垃圾成分复杂，经常含有一定数量的油 类，大量垃圾施入土壤，也会增加土壤中油的含量。 ( 3 ) 含油污水灌溉 含油污水灌溉是农田土壤石油污染的主要来源之一。不少地区使用污水灌溉农 f f l ，而有些污水中很大部分来源于石油开采、加工和以石油为原料的石化部门排放的 工业废水，这类废水中含有大量的石油类污染物，长期使用这类污水灌溉必然导致土 壤中含油量的增高，污染土壤。沈扰污灌区的土壤污染即为这类土壤污染的代表，为 中国最大的石油类污水灌区之一。沈抚两地灌溉面积达1 万公顷，由于长期使用含油废 水进行灌溉，在沈抚灌渠上游地区，造成了水稻秧苗生长速度缓慢、烂根、粒瘪等现 象，产出的大米口感差，有浓重的石油味。长期污灌给土壤和农作物造成严重污染的 同时，该地域的地下水和地表水水质也受到了严重的影响【l 羽。 ( 4 ) 大气沉降 石油在开采、冶炼、加工等生产过程中，由于生产工艺落后或环境保护设施不完 善，会有部分石油污染物进入大气，这些污染物可通过颗粒吸附、降雨、自然降尘等 多种途径进入土壤。有研究表明，大气降尘污染区的土壤矿物油含量比对照区高出1 2 倍。此外，各种燃油机械所排放的废气中也含有大量的未燃烧的石油成分，这些成分也 会通过上述几种方式进入土壤，造成土壤污染。 ( 5 ) 药剂施用 一些石油产品经常用来作为各种杀虫剂、除草剂及防腐剂等农药的溶剂或乳化 剂，当这些农药在农业生产中使用时，石油类物质也会随之进入土壤，从而增加了土 壤中的石油浓度，造成土壤的石油污染。 1 2 2 土壤中石油污染物的危害 由于石油特殊的物理化学性质，在它进入土壤后难以去除且残留时间长，使土壤 中的碳源大量增加，直接导致土壤中c n 比失调以及酸碱度的变化，破坏了土壤结 构，给受污染土壤带来一系列的危害，对污染地区的生态、作物以及人类健康造成负 大连理t 大学硕士学位论文 面影响，具体体现在以下四个方面： ( 1 ) 石油污染对土壤的破坏作用 石油污染对土壤生态系统的结构与功能有着巨大的破坏作用，由于石油的密度 小，粘着力强且乳化能力低，因此在土壤中容易与土粒粘连，严重影响土壤的通透 性，使土壤的诸多物理性能，如持水力等，发生改变，造成土壤肥力下降。而且石油 中富含反应基，能与无机氮、磷结合并限制硝化作用和脱磷酸作用，从而使土壤有效 氮、磷含量减少，减弱土壤肥力，影响作物的营养吸收。 ( 2 ) 石油对人体的危害 人类直接摄取各种石油蒸馏物可使中枢神经系统和造血系统受到影响，发生衰弱、 嗜h 民、痉挛、昏迷等症状。石油中的多环芳烃类物质具有致癌、致突变、致畸变等作 用，它们能通过食物链在动植物体内逐级富集，影响粮食的品质，并通过食物链，危 及人类健康。 ( 3 ) 石油对植物的危害 石油会附着在植物的根表面，形成粘膜，阻碍根系的呼吸与吸收，引起根系腐 烂，影响作物的根系生长。 ( 4 ) 石油影响饮用水的质量 石油烃中不易被土壤吸附的污染物成分可以随地面降水渗透到地下水，污染浅层 地下水环境，影响饮用水的质量。 1 2 3 土壤中石油污染物的迁移转化 ( 1 ) 吸附与解吸 由于石油的疏水性，土壤中绝大部分石油类物质吸附在固体表面【”】。在土壤环境 条件下的吸附是干态或亚饱和态的吸附。在这种情况下，土壤的湿度会影响平衡吸附 量，因为湿度越大，石油类物质越倾向于在土壤有机质上吸附，所以，在较大的湿度 条件下，土壤有机质含量是影响平衡吸附量的一个重要因素。 在溶液中石油烃含量较低的条件下，土壤对石油烃的吸附等温线均呈斜率各不相 同的直线。土壤理化性质的不同，导致石油烃吸附能力的差异。土壤对石油烃的吸附 量，随土壤有机质含量和物理性粘粒含量的增加而增加，土壤有机质对石油烃吸附的 影响作用大于物理性粘粒【1 4 】。污染土壤中石油烃的释放是一个极其缓慢的过程，释放 率均较低，受石油烃的组成、污灌及土壤有机质含量和物理性粘粒含量等因素的影 响。 ( 2 ) 挥发作用 挥发是石油类污染物在环境中迁移转化的一个重要途径，在原油的采出、输运到 重金属铜复台污染十壤中4 i 油的微生物降解 炼制的各个环节中，洒落在土壤表面，都会向大气中挥发。石油中的轻质烃挥发性最 强，且与下挚面的性质、吸附能力及挥发面积、环境温度、环境风速、时间等有关 。z i o l l ie “垮通过石油的g c - t i c m s 谱图分析发现，在暴露十几天后主要的色谱峰 明显的降低，这是由石油烃的挥发作用造成的。黄廷林【1 8 研究发现，温度和风速是影 响石油类污染物挥发迁移的最重要因素，温度升高，风速增大都可使挥发迁移速度提 高o5 5 倍以上；石油类污染物在黄土地区土壤表面挥发的动力学过程可以用一级反应 动力学较好描述。b r o h o l m ”1 等选择一系列烃类物质组成混合物，考察3 5 2 天内混合物 成分结构的变化趋势，如图11 ，图中杜形从上至下混合物质的蒸汽压依次增加，结果 表明，各物质的演变规律遵循其挥发性，最易挥发的物质最先消失。 图11 烃类混台物成分的演变m 1 f i g 11 c o m p o s i t i o ne v o l m i o no f t h eh y a m c a r b o n m i x t u r e ( 3 1 渗滤作用 土壤中在不同方向上广泛分布的孔隙，为污染物在多种方向上的扩散和迁移提供 了可能性。由于水的重力迁移作用，污染物在土壤中的迁移在总体上存在着向下的趋 势。落地原油污染物平面上主要以放射状，分布在以油井为中心的一定范围内，调查 显示：油井附近浓度最大，离井越远浓度越小，4 0 一6 0r t l 以外石油的残留污染就很低 了，而纵向上石油对土壤的初步污染则多集中于地表下2 0c m 左右的表层i l 。黄廷林 等”1 进行丁石油类污染物在黄土地区土壤中竖向迁移特性试验研究表明，黄土对石油 有很强的截留能力，石油很难向土壤深层迁移，土壤中可检出的石油最大迁移深度为 蒹笋曼 一引励饧圃一 _髟澎蚴墓|li 一二=，励饧h壁一 一 一 日黝幽黑目 一 一 厨嗣熙斟盟 大连理丁大学硕士学位论文 3 0c m ；随土壤石油污染强度提高，石油迁移的深度增大；石油在土壤中存留时间长短 对石油的迁移影响较大，新污染的土壤中的石油比早期污染土壤中的石油更易向深层 土壤中迁移；随着环境温度的升高，石油在土层和地下水中的迁移能力增强。石油在 土壤中的渗滤过程影响地下水的污染程度【2 0 】。 ( 4 ) 非生物降解作用 非生物降解主要包括化学降解和光化学降解作用。化学降解主要是指自然界产生 的各种氧化剂和还原剂以及其它一些官能团破坏或取代有机化合物上的键或基团，决 定于可能反应位的数量和类型，取代官能团的存在以及数量、酸碱性和加入催化剂的 条件，以及溶液的离子强度等影响反应活性的因素，如氧化还原反应、水解反应、配 位反应等。 光化学降解是指土壤表面接受太阳辐射能和紫外线等而引起有机污染物的直接和 间接分解作用【2 。土壤中的石油烃类物质在阳光( 特别是紫外光) 照射下，迅速发生光化 学反应，先离解成自由基，接着转变为过氧化物，然后再转变为醇等物质。所谓的直 接光解是指石油烃类物质吸收光能后，分子处于激发态，为恢复其稳定状态，往往出 现较强的反应趋势，如分子重排、光解反应、取代反应、氧化反应等，从而分解和降 解有机化合物，使其在环境中得以衰减的过程【2 2 1 。直接光解的速率与有机物中能进行 光化学反应的那部分光子成正比，而有机物吸收光子又是依照不同的波长、不同的摩 尔消光系数来进行的。光解速率还与石油烃类物质本身的性质密切相关。在吸收光能 过程中，石油烃可以自身吸光发生反应，也可能通过另一种活性吸光物质吸收能量 后，再将其传递给反应体系，使石油烃间接获得能量【2 3 2 4 1 。 由于土壤颗粒的屏蔽使到达土壤下层的光子数急剧减少，因而只有土壤表层的有 机物能接受光能发生直接光解。但是，土壤中普遍存在的光敏物质使许多有机物能发 生间接光化学转化。研究显示，单线态氧在光照土壤某些部位明显形成【2 5 】。有机物在 土壤中直接光解的深度被局限在光子能达到的土层部位，而间接光解可稍微深一些， 很显然，单线态氧垂直移动的深度要大于光能所能穿透的土层厚度【2 1 1 。 ( 5 ) 微生物降解作用及其影响因素 微生物降解作用 大量的研究证明微生物降解是去除土壤中石油烃类污染物的最主要途径【2 6 1 。微生 物利用自我调控机制以及对污染物的综合净化功能处理土壤中的石油烃类污染物，使它 们在新陈代谢过程中得到较为彻底的转化和降解【2 7 1 。但是不同环境条件( 如不同营养物 质、氧气、温度、p h 等) 会影响土壤微生物对污染物的降解。 近年来，在应用微生物处理化学污染方面发展很快，这类技术的依据是微生物的 重金属铜复合污染十壤中石油的微生物降解 降解活性，其着重点一是增强自然界固有的但速度缓慢的微生物降解过程，二是通过 生物反应器使污染物与微生物接触，强化降解过程，提高降解速率【2 引。实验室的研究 工作主要集中在针对某类油份，筛选高效降解菌群，优化降解条件和降解手段的探索 上；对于实际油污染场地也已进行了一些成功的应用【2 9 3 0 1 。 在代谢机理方面【2 1 1 ，科学家们就土壤中微生物对烷烃的利用、烃的代谢作用以及 各种烷烃代谢作用的产物等方面作了综述。根据烃类的化学结构特点，烃类的降解途 径主要可分两部分：链烃的降解途径和芳香烃的降解途径。直链烷烃的降解方式主要 有三种：末端氧化、亚木端氧化和氧化。此外，烷烃有时还可在脱氢酶作用下形成 烯烃，再在双键处形成醇进一步代谢。关于芳香烃的降解途径，在好氧条件下先被转 化为儿茶酚或其衍生物，然后再进一步被降解。因此细菌和真菌降解的关键步骤是底 物被氧化酶氧化的过程，此过程需要分子氧的参与【3 1 1 。微生物对一些难降解有机化合 物的降解，是通过一系列氧化酶的催化作用完成的。在自然界中这一过程通常是由多 种微生物的协同作用来完成，速度比较缓慢。 微生物降解污染物的影响因素 影响因素包括微生物的种类、污染物浓度、营养条件、温度、湿度、p h 值、氧、 盐度等，最终降解效果及降解速率是各种因素综合作用的结果，了解这些因素对降解 菌的影响机理及影响程度，会对调控降解进程、达到理想降解效果起重要的指导作 用，目前对降解因素的研究主要集中在以下几个方面： i 微生物的种类 微生物降解石油的主体是微生物的作用，所以微生物本身的种类在很大程度上影 响着石油烃降解的效果。土壤中微生物种类极其丰富，但是在没有遭受石油污染的生 态环境中，石油降解菌很少，而在石油污染的环境中几乎可以达到1 0 0 。到目前为 止，研究者从自然环境中已查知能降解石油中各种烃类的微生物共约1 0 0 余属、2 0 0 多 个种。据文献报道【3 2 1 ，从辽河油田附近土壤中分离出的石油降解优势菌主要有假单胞 菌属( p s e u d o m o n a s ) 、节杆菌属凹r t h r o b a c t e r ) 、产碱杆菌属( a l c a l i g e n e s ) 、微球菌属 ( m i c r o c o c c u s ) 、芽抱杆菌属( b a c i l l u s ) ，真菌的种属主要有曲霉属s p e r g i l l u s ) 、青霉属 ( p e n i c i l l i u m ) 、镰刀菌属( f u s a r i u m ) 等。自然界中存在众多的石油降解微生物，但由于石 油是由成千上万种烃类及非烃类组成的复合体，所以没有任何一种微生物能够降解石 油的所有组分【3 3 | 。 i i 污染物浓度 r a m b e l o a r i s o a 等【3 4 在1 9 8 4 年曾指出，原油的降解率与油浓度成反比。在较高的石 油烃浓度下，由于营养、氧的传递限制或挥发性烃产生的毒性而抑制了生物降解。即 大连理1 = 大学硕十学位论文 使降解同一种石油污染物，降解方法或降解菌不同，最合适的石油烃浓度也会不同。 z i n j a r d e 等【”】研究了b o m b a yh i g h 原油浓度对y l i p o l y t i c a 菌降解b h 原油中饱和烃的影 响，b h 原油浓度由o 5 升至3 时，原油中饱和烃的降解率由9 2 降至1 5 ，下降幅 度很显著；r a h r n a n 等【3 6 1 也发现当b o m b a yh i g h 原油浓度由1 升至1 0 时，混菌对原 油的降解率由1 8 升至5 2 。齐永强，王红旗等【3 7 】做实验时发现选择不同的原油浓度 1 ，5 ，1 0 时，降解率并没有呈现逐渐下降的趋势，而是在石油浓度为5 时降解 率最高，这说明微生物降解石油时存在一个最适合的石油烃浓度。 营养物质的影响 适当添加营养物可以明显地促进微生物对污染物的降解。a t l a s 等【3 8 l 发现在石油生 物修复过程中普遍采用的最优c 、n 和n 、p 比分别为1 0 ：1 和1 0 ：0 3 。营养盐过少会使生 物转化迟缓，从而使降解过程缓慢，而添加营养盐过多，则存在污染环境的问题，也会 造成浪费。但是不同科学家实验得出的适合微生物降解石油的最佳c 、n 、p 比是不同 的，g r a h a m 等【3 9 】的研究表明，微生物降解过程的最佳可生物利用的c ：n ：p 是1 0 0 ：1 5 ：1 ， 另外还有研究者得到的适宜的c ：n ：p 分别是8 8 8 ：6 0 ：1 和7 0 ：5 0 ：1 ，相差有一个数量级，说 明在实际操作土壤中石油类污染物降解速度太慢，且不同土壤环境中n 、p 的可利用性 变化很大，计算值只是一种估计，与实际值会有很大偏差【4 0 1 。此外，o h e 4 1 】和h i d e a k i 等【4 2 j 都研究了c 、n 比对石油降解率的影响，他们的实验都说明了c 、n 、p 比在不同 降解时期，对石油中各组份降解速率的影响不同。何良菊【4 3 】研究了n 、p 的供给对土壤 中石油烃降解的影响，实验表明n 、p 营养物质的缺乏直接限制石油烃的微生物降解， 但添加过量反而有抑制作用，因而存在一个经济合理的添加量及添加比例。他选择辽 河油田分离出的石油烃降解菌，采用生物泥浆法降解辽河油田石油污染的土样，结果 表明最适合的n 、p 的比例在5 6 7 ：l ，而细胞元素组成中n 、p 比约为4 6 7 ：1 ，说明n 、p 的供给平衡与细菌细胞的元素组成相对应，而且通过添加不同的氮源比较了不同氮源 的促进作用，表明无机氮源比有机氮源好，硝酸盐形式的氮比铵态氮更有利。郭楚玲 等人m j 通过研究证实添加酵母膏或酵母废液可以促进芘的降解。 温度的影响 温度通过影响污染物的物理、化学性质、降解酶活性、菌群结构来影响石油的生 物修复。低温时，油粘度升高，有毒的短链烷烃挥发性下降，烃在水中的溶解度降 低，生物降解滞后期延长；随温度下降，烃的降解率下降，较高的温度可以提高烃的 降解速率，在3 0 一4 0 范围内存在烃的最大降解速率，高于此温度范围，烃的膜毒性 就会增大，对降解菌起抑制作用 4 5 1 。微生物对石油烃的降解借助于酶的催化作用完 成，而酶的活性只有在一定的温度范围内才能得以发挥。据报导，温度2 5 3 0 是微生 重金属铜复合污染十壤中石油的微生物降解 物生长和污染物降解的比较适合的温度【4 6 1 。 vp h 值的影响 p h 值影响降解酶的活性，细胞质膜的透性及稳定性，从而影响到石油烃的降解速 率，对于某些产生物表面活性剂的降解菌，p h 值影响发酵液中生物表面活性剂的聚集 形式，使石油烃的分散状态改变，进而影响降解菌与石油烃的接触状态，最终影响石 油烃的摄取。据报道，生物降解的最佳p h 值为7 0 ，极端p h 值对于菌群降解石油烃具 有消极影响 4 5 】。秦煜民等【4 7 】在对辽河油田石油污染土壤进行微生物修复的可行性研究 时发现，细菌的生长对周围环境的酸碱度有一定的要求，当溶液p h 值为5 5 8 0 之间， p h 值对细菌活性的影响不大，所以土壤本身对溶液p h 有一定影响，但不会影响到细 菌的活性。丁克强等人f 4 8 】的研究表明，不同土壤酸度中土壤微生物对多环芳烃降解作用 不同，在酸性土壤中，有利于苯并芘的降解，在p h 值接近中性土壤中，有利于菲的降 解。 氧的影响 对于石油烃类化合物的降解，在有氧环境中，0 2 是仅有的或优先的电子受体，在 厌氧条件下，硝酸盐、硫酸盐、3 价铁离子以及有机物分解的中间产物也可以作为电子 受体。土壤中0 2 的浓度有明显的层次。微生物可以在有氧条件下降解石油烃，也可以 对石油烃进行厌氧降解。土壤内微生物对多环芳烃的降解都是一个好氧过程，无论是细 菌还是真菌都是在加氧酶的作用下在多环芳烃的苯环上加上氧原子开始降解过程【4 9 1 。 一般而言，与好氧条件下的生物降解相比，烃类化合物在厌氧条件下的生物降解速率 要慢得多。 表面活性剂