（环境科学专业论文）黄河三角洲石油污染土壤的植物微生物联合修复.pdf

n 1 0 根际土壤石油烃降解菌数量 r 0 6 4 7 n 1 2 与土壤中石油烃浓度呈 显著负相关 p o 0 5 说明强大的根系系统可以拓展更多的土壤空间 增加根 际微生物与污染物接触的机会 同时 也为根际微生物提供良好生存微域 提高 了根际石油烃降解菌数量 促进了根际石油烃的高效生物降解 同时 对堆制后的石油污染土壤进行了野外现场植物修复研究 选择了芦苇 p h r a g m i t e sc o m m u n i s 补血草 l i m o n i u mb i c o l o r 中亚滨藜 a t r i p l e x c e n t r a l a s i a t i c a 和碱蓬 s u a e d a g l a u c a 4 种黄河三角洲土著盐生植物 系统分 析石油烃的根际降解过程及调控机制 植物生长9 0 天后 碱蓬和中亚滨藜根际 土壤石油烃净降解率最高 约为4 0 经过1 8 0 天的根际降解 碱蓬 中亚滨藜 根际土壤石油烃浓度降至约4 0 0m gk g 1 供试的4 种植物根系参数有着明显不 同 碱蓬根长 根表面积和根体积约是芦苇的4 倍 其根际石油烃降解菌数量是 芦苇的近6 倍 土壤石油污染修复程度和效率与石油烃污染物的生物可利用性有关 而污染 物的生物可利用性在一定程度上会受到土壤孔隙结构的影响 通过对碱蓬根际土 壤微孔结构的分析发现 与非根际土壤相比 根际土壤微孔数目显著减少 微孔 表面积由6 3 1m 2 9 1 减至5 0 3m 2g l 微孔体积由2 2 5m m 3g 1 减至1 7 2m i l l 3g 根际土壤微孔的减少 可提高滞留在其中的有机污染物的生物可利用性 这可能 是植物根际高效降解石油烃的一个重要机制 碱蓬可作为黄河三角洲石油污染土壤修复的优先物种 构建的植物 微生物 联合修复模式可以作为黄河三角洲地区高浓度石油污染土壤的高效修复技术加 以应用和推广 关键词 堆制 石油烃降解 根际降解 微生物群落 微孔 n p h y t o m ic r o b iair e m e dia tio no fp e t r oie u mc o n t a m in a t e d s oiiint h ey ei lo wriv e rd eit a a b s t r a c t f o ry e a r s r e m e d i a t i o no fp e t r o l e u m c o n t a m i n a t e ds o i li sah o tt o p i ci n e n v i r o n m e n t a lr e s e a r c h h o w e v e r f e wf i e l di n v e s t i g a t i o n sh a v ed e r n o n s t r a t e dt ob e e f f e c t i v ef o rt h ec o n t a m i n a t e ds o i l s h o wt oe r t h a n e et h ep e t r o l e u mh y d r o c a r b o n d e g r a d a t i o n t oi t sm a x i m u m a n de s t a b l i s ha l le f f i c i e n t s a f e p r a c t i c a lf i e l d r e m c d i a t i o nt e c h n o l o g yh a sb e c o m ea ni n t e r n a t i o n a lh o t t o p i c t h ey e l l o wr i v e rd e l t a y r d i sa ni m p o r t a n tr e g i o no fp e t r o l e u mp r o d u c t i o ni n c h i n a o v e ral o n gp e r i o do fo i le x p l o i t a t i o n s p i l l s l e a k s a n do t h e rr e l e a s e so fc r u d e o i l t h es o i li ss e v e r e l yc o n t a m i n a t e d c o m p o s t i n ga l o n gw i t hr h i z o d e g r a d a t i o nw a s u s e di np r e s e n ts t u d yt or e m e d i a t ep e t r o l e u m c o n t a m i n a t e ds o i l si nt h ey e l l o wr i v e r d e l t a c h i n a t h em e c h a n i s m so fp e t r o l e u mh y d r o c a r b o nb i o l o g i c a ld e g r a d a t i o na n d r h i z o d e g r a d a t i o nw e r es t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y t h em a i nc o n t e n t sa n dc o n c l u s i o n sa r e a sf o l l o w s c o m p o s t i n go fp e t r o l e u m c o n t a m i n a t e ds o i lw a si n v e s t i g a t e di nt h el a ba n df i e l d u s i n gd i f f e r e n ta m e n d m e n t sa n dr a t i o s t h eb e s tc o m p o s t i n gs y s t e mw a se s t a b l i s h e d p r e l i m i n a r i l y a f t e r6 0 do fl a bc o m p o s t i n g t h et o t a lp e t r o l e u mh y d r o c a r b o n t p h d e g r a d a t i o nr a t er e a c h e d8 0 t h en e td e g r a d a t i o nr a t ew a sa p p r o x i m a t e l y4 0 a f t e r f i e l dc o m p o s t i n gf o r15 0d a y s a v e r a g ec o n c e n t r a t i o no ft p hi ns o i lw a sr e d u c e d f r o m7 9 0 0 17 9 0 0m gk g t o1 4 0 0 3 7 0 0m gk g 1 t h en e td e g r a d a t i o nr a t ec o u l dr e a c h a b o u t4 0 t h es u i t a b l ec nw a s15 1d u r i n gt h el a ba n df i e l de o m p o s t i n g a no p t i m a lc n c o u l di m p r o v et h ev e n t i l a t i o no ft h eb i o p i l ea n dp r o m o t ea e r o b i cm e t a b o l i s m so ft h e m i c r o o r g a n i s m s t h e np r o v i d en u t r i e n t sa n dm e t a b o l i t e sf o rt h ed e g r a d e r s w h i c hl e a d t h em i c r o b i a ld e g r a d a t i o nt oi t sm a x i m u mp o t e n t i a l r e s u l t ss h o w e dt h a tb e t w e e n3 坩 a n d18 伍d a yo fl a bc o m p o s t i n g t h em i c r o b i a la c t i v i t yw a st h eh i 曲e s t h i c hr e s u l t e d i nah ig hr e m o v a lr a t eo ft p hu n d e rt e m p e r a t u r eo fc o m p o s t i n gp i l em a i n t a i n e d4 0 5 0 o c a n dt h ed e g r a d a t i o nr a t eo ft p h p e rd a y r e a c h e da sh i g ha s3 0 0m gk g 1d t h e i i i n u m b e ro fd e g r a d i n gm i c r o o r g a n i s m sr a p i d l yi n c r e a s e dd u r i n gt h ef i r s t3 0d a y si n f i e l dt r e a t m e n tb i o p i l e s e s p e c i a l l yi nb i o p i l e sw i t ht h ec nr a t i oo f15 w h i c hh a d m o r et h a n7t i m e so f d e g r a d i n gm i c r o o r g a n i s m st h a nc o n t r 0 1 i na d d i t o n a f t e r15 0 d a y so fc o m p o s t i n g t h e r ew a sas i g n i f i c a n td e c l i n eo ft h es o i lp hi na l lt r e a t m e n t b i o p i l e sr a n g eb e t w e e n7 6 8a n d8 2 3 c o m p a r e dt ot h ec o n t r o lb i o p i l ea tp ho f8 7 4 d e c r e a s e dp hv a l u eo fs o i l sc l o s et o7a f t e rc o m p o s f i n gc o u l db eb e n e f i c i a lf o r m i t i g a t i n gt h es o i la l k a l i z a t i o n p o te x p e r i m e n tw a sc o n d u c t e dt o i n v e s t i g a t et h eb i o d e g r a d ea b i l i t i e sa n d r h i z o d e g r a d a t i o nm e c h a n i s mo f5p l a n ts p e c i e s i n c l u d i n gs e s b a n i a s e s b a n i a c a n n a b i n a s e e p w e e d s u a e d ag l a u c a s e a l a v a n d e r l i m o n i u mb i c o l o r a n dc e n t r a l a s i as a l t b u s h a t n p t e xc e n t r a l a s i a t i c a a n do n ec o n v e n t i o n a lp h y t o r e m e d i a t i o n p l a n tr y e g r a s s l o l i u mm u h i f l o r u m w i t l lr e s p e c tt ot h ep e t r o l e u mc o n t a m i n a t e ds o i l a f t e rc o m p o s t i n g a f t e r9 0d a y so fc u l t i v a t i o n t h er e m o v a lo ft p hw a sm o r ee f f e c t i v e i nt h er h i z o s h p e r e w h i c hw a sb e t w e e n2 3 8 a n d4 4 6 r o o tm o r p h o l o g ya n a l y s i s i n d i c a t e dt h a tr o o tb i o m a s s r 0 816 n 1 0 r o o ts u r f a c ea r e a r 0 8 6 9 n 10 r o o tv o l u m e r 0 9 0 0 n 1 0 t h en u m b e ro fh y d r o c a r b o nd e g r a d e r s r 0 6 4 7 n 1 2 w e r e a l l c o r r e l a t e d n e g a t i v e l y l r i t ht p hc o n c e n t r a t i o n sp 低分子 量芳香烃 高分子量芳香烃 胶质和沥青剧1 9 1 温度对土壤中石油烃的降解 尤其是微生物的降解影响较大 一般来说 在 一定温度以下 随着温度的升高 石油烃的代谢速率加快 通常在3 0 4 0o c 时达 黄河三角洲石油污染土壤的植物 微生物联合修复 到最大 土壤湿度也是限制微生物活性的一个重要因素 土壤中的水分为生物代 谢提供了介质 同时能够运输养分 溶解小分子有机物 为微生物的移动提供条 件 7 引 有机物只有为水溶态时才能被微生物所利用 土壤含水量过低 微生物 不能得到充足的水分供应 细胞活性受到抑制 土壤含水量过高 有效毛细孔隙 被水充满 阻碍氧气的供应 影响微生物的呼吸和生命活动 在石油污染的土壤 中 通常有机碳含量较高 而氮 磷等元素相对缺乏 这成为石油烃生物降解的 一个限制因素 所以添加适量的n 和p 可以促进生物降解 通常认为 当土壤 中的c n p 为1 0 0 1 0 1 时 最适于烃类的生物降解 7 9 1 石油烃类污染物疏水性强 生物可利用性低 是限制其生物降解的主要因素 6 3 8 0 8 1 1 石油污染物在土壤中可能会发生吸附 解析 挥发 渗滤 生物降解 以及非生物降解等过程 这些过程常常同时发生 因此土壤中石油烃类污染物的 生物可利用性会受到环境基质颗粒的吸附与释放 溶解与沉淀等物理化学变化的 影响 2 6 8 2 1 有研究表明 土壤有机质和物理性粘粒是影响土壤中石油烃类物质 转化的重要因素 8 3 1 吸附 s o r p t i o n 是土壤持留有机污染物的主要机制 对有 机污染物的迁移 分布起主要作用 是影响有机污染物化学 生物有效性的一大 关键要素 8 1 s 2 1 另外 有机污染物在土壤中具有被 陈化 a g i n g 的倾向 并 随着时间的推移趋于稳定 这些有机污染物的稳定性 释放行为 环境影响因素 等都可能影响污染物的修复效果 8 0 1 之前的很多研究表明 无论采用怎样的修 复技术和模式 最终都无法实现土壤中石油污染物的彻底去除 石油烃的降解率 很难达到9 0 以上 有学者指出 这是因为部分污染物被滞留在土壤微孔当中 植物和微生物很难将其降解 1 2 1 4 1 国际纯粹与应用化学联合会 n m a c 根据不同的吸附机制将孔分为 微孔 介孔 中孔 大孔 直径 5 0n i l l 的孔为大孔 介于二者之间的为介 孔 8 4 1 土壤表面积主要存在于微孑l m i c r o p o r e s 较小的中孔 s m a l l e rm e s o p o r e s 中 8 2 近来的研究发现 有机化合物在微孔内的强烈截留会使吸附呈现不可逆 降低其生物可利用性 因此土壤孔隙结构 尤其是微孔对土壤中的污染物的吸附 和迁移有很大影响 8 5 6 1 微孔的存在可能会大大影响有机化合物的吸附 解吸动 力学 从而使得部分有机化合物长时间滞留在土壤中 并可能导致污染物的累积 1 2 黄河三角洲石油污染土壤的植物 微生物联合修复 p t a s h n y k 掣8 7 对土壤孔隙度是否与吸附的相关性进行了研究 结果表明 既使与 吸附剂表面不发生强烈反应 束缚在土壤颗粒微孔间的化学物质也会在其中保持 相当一段时间 有机污染物从土壤中的解吸和质量转移成为污染修复的限速步骤 3 2 这些研究均为更好理解有机污染物的迁移 转化及降解过程提供了试验证 据 土壤微孔内的有机污染物虽然会滞留较长时间 但是并没有直接的证据证明 这些污染物会永久滞留 8 2 那么植物通过根际效应是否能改变土壤的微孔结构 又是如何让这部分滞留在土壤微孔中的污染物释放出来被生物降解 从而最大限 度提高土壤中石油烃的降解率 这是构建高效植物 微生物联合修复系统需揭示 的关键机制 1 2 5 石油污染生物修复技术的建立与应用 迄今为止 石油烃污染治理仍没有形成系统 高效 经济的技术体系 尤其 是现场应用的成功实例鲜见报道 高温堆制技术是石油污染土壤治理中研究较 早 并有一定应用的技术 2 1 a 1 d a h e r 等 8 8 在科威特某油田采用长条形堆制法处 理石油污染土壤 在前8 个月的时间里 土壤中的石油烃有近6 0 被去除 经过 1 0 个月的连续运转之后 土壤中的石油污染物基本被降解完全 b a r k e r 等 8 9 在 澳大利亚的a d e l a i d e 建成了一个8 0 0 0r r l 3 的中试基地 以处理被柴油 石油污染 的土壤 堆制处理前 调节了土壤中的水分和营养物的含量 并设计了空气通道 通入堆积物中以定时注入空气 堆制系统运行7 个月后 土壤中大部分石油烃被 微生物分解为c 0 2 h 2 0 和有机盐类 c a i 等唧 研究了四种不同的堆制方式 接 种细菌人工翻堆 人工翻堆 连续通风堆肥 间歇通风堆肥 对p a h s 污染的污 泥的生物降解情况 结果表明 间歇通风堆制方式的处理效果最好 而影响不同 堆制方式处理效果的主要因素是温度 g o d o y f a u n d e z 等 9 l 利用通气式生物反应 器对含油量为5 0 0 0 0m gk g d 的油污土壤进行了堆制处理 系统经过5 6 天的运行 最终降解率为3 5 反应器运行温度控制在3 0 4 0o c 但如何优化堆制工艺过程 缩短堆制时间 缩小占地面积等方面还需进一步深入研究 黄河三角洲石油污染土壤的植物 微生物联合修复 1 3 黄河三角洲污染治理的重要性 1 3 1 黄河三角洲的优势及潜力 1 3 1 1 黄河三角洲地理位置的重要性 黄河三角洲 图1 2 位于我国山东省北部古黄河入海处 以垦利县宁海为 轴点 北起套尔河口 南至淄脉河口 向东撒开呈扇状地形 9 2 海拔高程低于 1 5 米 面积达5 4 5 0 平方公里 是黄河百余年来冲积而成的新陆地 是河流生态 系统 陆地生态系统与海洋生态系统的交汇处 是世界上暖温带地区最年轻 最 广阔 最具生物多样性特征的湿地生态系统 1 6 9 3 1 黄河三角洲北邻京津冀 东 连胶东半岛 南靠济南城市圈 战略地位十分重要 正如 黄河三角洲高效生态 经济区发展规划 中强调 随着国际产业升级转移速度的加快 山东半岛城市群 发展迅速 作为环渤海核心区的重要组成部分 黄河三角洲地区处于华东华南向 华北产业转移扩展的中间地带 面临着主动接受辐射 扩大交流合作 集聚生产 要素 吸引各方投资 加快开放开发的战略机遇 1 3 1 2 黄河三角洲资源丰富 黄河三角洲地区是我国东部沿海土地后备资源最多的地区 海岸线近9 0 0 公里 是山东省重要的海洋渔业基地之一 地下卤水静态储量约1 3 5 亿立方米 是全国最大的海盐 盐化工基地 旅游 风能 地热等资源丰富 资源优势转化 为经济优势潜力巨大 9 4 9 5 黄河三角洲是一个自然资源极为丰富的地区 尤其是富有的油气资源形成了 我国第二大石油基地 胜利油田 目前山东省已探明储量的8 1 种矿产中 黄 河三角洲地区有4 0 多种 石油 天然气地质储量分别约为5 0 亿吨和5 6 0 亿立方 米 是全国重要的能源基地之一 舛 近年来 随着经济的发展和人类活动的加 剧 黄河三角洲湿地不同程度的遭受破坏 导致其不断萎缩退化 环境功能与生 物多样性逐渐衰减 环境污染 泥沙淤积等环境问题日益突出 矧 1 4 黄河三角洲石油污染七壤的植物 微生物联合修复 1 3 1 3 黄河三角洲生态系统独具特色 黄河三角洲湿地资源广阔 图1 3 1 9 9 2 年1 0 月建立了国家级自然保护区 黄河三角洲自然保护区 其生态类型独特 处于大气 河流 海洋与陆地的 交接带 多种物质交汇 多种动力系统交融 陆地和淡水 淡水和咸水 陆生和 水生 天然和人工等多类生态系统交错分布 是典型的多重生态界面 9 7 1 自然 保护区内有野生植物上百种 属国家重点保护的濒危植物野大豆分布广泛 9 3 1 天然芦苇 天然草场 天然柳林 天然柽柳灌木林等面积广大 在维护区域生态 平衡 保护生物多样性以及促进经济发展中发挥着重要作用 9 2 1 生态系统的多 样性为多层次推进保护开发建设提供了广阔空间1 9 钔 因此 黄河三角洲不论作 为重要的经济发展地区 还是作为独特的河口生态系统 都具有重大的科学和经 济价值 1 3 2 黄河三角洲土壤石油污染现状 在石油的大规模开采 冶炼 运输 使用和处理过程中 污染 遗漏 井喷 输油管道泄漏等事故频发 导致严重的土壤污染和植被破坏 目前 胜利油田的 许多地段都含有大量的落地石油 油砂 岩屑 泥浆等固体废弃物 图1 4 这 些废弃物残留在地表 严重污染了土壤环境 并且在降雨的侵蚀和冲刷作用下 经过一系列水文过程 随地表径流迁移 扩散到更远 更广泛的区域 严重威胁 了黄河三角洲生态系统的安全 图1 5 在石油污染的区域 芦苇苇叶早枯并死 亡 虾 蟹 鱼等数量锐减 严重影响鸟类的食物来源及质量 井喷有时还会直 接导致生物死亡 被石油污染的生态系统很难恢复 由于采油和输运设施广泛分 布于黄河三角洲内 且主要油田位于芦苇沼泽和滩涂碱蓬等珍稀保护物种的生境 带之中 因此造成的危害尤显严重 9 5 1 使得石油成为黄河三角洲地区持久性和 数量方面均排在前列的污染物 严重威胁了黄河三角洲生态系统的安全 因此 对黄河三角洲区域石油污染土壤进行修复 恢复其生态功能迫在眉睫 1 5 黄河三角洲石油污染十壤的植物椎生物联含修复 一n 饥 碧 一 i i 一 t i k v n 人 图1 2 黄河三角洲陆上部分示意图 9 9 i 图1 3 黄河三角洲湿地 f i g 1 2 m a po ft h ey e l l o wr i v e rd e l t a f i g 1 3 w e t l a n do f t h ey e l l o wr i v e rd e l t a 图1 4黄河三角洲油田采油井图1 5 黄河三角洲石油污染十壤 f i g 1 4 o i lw e l l so fo i lf i e l di nt h e f i g i 5 p e t r o l e u mc o n t a m i n a t e ds o i li n y e l l o wr i v e rd e l t a 1 6 t h ey e l l o wr i v e rd e l t a 黄河三角洲石油污染土壤的植物 微生物联合修复 此外 近年来的黄河断流也直接影响了黄河三角洲湿地生态系统淡水水源的 补给 破坏了湿地土壤中的水盐平衡 使土壤含盐量上升 土壤盐碱化现象日益 严重 1 删 从内陆向近海 土壤逐渐由潮土向盐土递变 9 2 1 在滨海地区 由于多 年的海水入侵 造成地表潜流盐度高 进一步加剧了黄河三角洲地区土壤的盐碱 化程度 使得湿地生物多样性降低 1 0 1 1 0 2 1 生态系统结构和功能衰退 黄河三角 洲盐渍化土地面积约4 4 2 9 万h m 2 占全区总面积一半以上 其中 重度盐渍化 土壤和盐碱光板地约2 3 6 3 万h m 2 约占区内土地面积的2 8 4 t 9 2 1 0 3 1 黄河三角 洲土壤盐渍化程度的加剧 使得地表植被向着耐盐生的方向发展 这种含盐量较 高 碱化程度较重的土质及其特殊的自然环境条件 使得其生态系统组成越来越 单一 1 0 4 1 据调查黄河三角洲湿地植被主要以盐生植物为主 如盐地碱蓬 补血 草 柽柳 芦苇等 这些盐生植物具有重要的直接和间接利用价值 在维护区域 生态平衡 保护生物多样性以及促进区域经济发展中发挥着重要作用 1 0 5 1 1 3 3 黄河三角洲石油污染土壤修复研究概况 近些年 利用植物或微生物对黄河三角洲石油污染土壤进行成功修复的研究 较多 但大多是在室内 温室条件下进行的小试模拟研究 现场原位修复的成功 范例较少 z h a n g 掣1 0 6 1 a 利用观赏性植物裂叶牵牛 p h a r b i t i s l f zl 及其根际 微生物群落对胜利油田石油污染土壤进行修复 经过1 2 7 天的试验 种植植物的 处理降解率可达2 7 6 一6 7 4 而未种植植物的处理其土壤石油烃降解率仅为 1 0 2 3 5 6 分析认为 在整个修复过程中 土壤中石油污染物的浓度是一个 关键因素 当污染物浓度在一定范围内时 可以通过高效降解石油烃的植物进行 修复 而在高浓度的石油污染土壤中 大部分植物不能生长 植物修复很难进行 因此 针对特定区域的高浓度石油污染土壤的处理 是否需要选择一种适宜的阶 段式修复模式 将不同的生物修复技术和方式结合起来 才能达到预期的效果 在石油污染土壤的修复过程中 土著微生物对环境具有更强的适应能力 在 石油降解过程中起关键作用 因此 本研究小组曾在黄河三角洲地区采集四种不 同石油污染程度的土壤样品 从中筛选出能够高效降解石油烃的四个菌系和八 个单菌株 并分别以柴油 石油 烷烃和多环芳烃 p a i l s 为底物进行培养 测定各底物降解菌的数量和降解率 研究其对不同底物的耐受浓度和降解潜力 1 7 黄河三角洲石油污染土壤的植物 微生物联合修复 结果表明 不同菌株对底物的耐受浓度不同 混合菌系对底物的降解能力强于单 菌株 对单一组分底物的降解优于复杂组分的底物 在培养条件下 单菌株降解 菌对柴油和石油的最高降解率分别可达7 8 4 和7 0 7 对正十六烷和菲的生物 降解率分别高达8 7 7 和8 8 1 土著降解菌表现出较强的降解能力 4 l 范延辉 等 l 叭 研究也发现 在高盐条件下 黄河三角洲土壤微生物既要忍受长期的高渗 透压胁迫 又要承受短期渗透冲击 当土壤盐度 3 时 非嗜盐微生物代谢活 动受到抑制 生物修复效率明显降低 甚至丧失对石油污染土壤的修复能力 当 土壤盐度从0 5 升至2 时 会严重扰乱非嗜盐微生物的代谢活动 这说明传统 的非嗜盐微生物并不适合对黄河三角洲地区石油污染的高盐环境进行生物修复 对于高效耐盐降解菌的培养和分离至关重要 此外 如何将筛选出来的高效石油 烃降解菌用于大范围的现场修复试验 并保持其高效的降解能力 将是建立高效 降解石油烃体系的难点和关键 1 4 本研究的必要性 1 4 1 科学问题 1 黄河三角洲绝大多数石油污染土壤含有高浓度石油烃 具有很强的生 物毒性 因此 不能直接采用植物修复的方法 而微生物修复常常又受到很多环 境条件的影响和限制 例如土壤特性 温度 p h 等 如何创造最适宜的生物降 解条件 以达到微生物对土壤中石油烃的最大降解效率 这是对于高浓度石油烃 污染土壤修复需解决的关键问题之一 2 当土壤中的石油烃通过微生物降解到一定程度时 其浓度就很难再有 大的变化 这主要是受到土壤中微生物数量 活性以及营养物质等诸多条件的限 制 能否筛选出高效净化石油烃的植物种类 通过改变其根际环境条件 利用植 物 微生物耦合系统对土壤中石油污染物进行进一步降解 这是能否实现土壤石 油烃高效降解的关键 3 前人的绝大多数研究表明 无论采用怎样的修复技术和模式 最终都 无法实现土壤中石油污染物的彻底去除 石油烃的降解率很难达到9 0 以上 有 学者指出 这是因为部分污染物被滞留在土壤微孔当中 植物和微生物很难将其 黄河三角洲石油污染土壤的植物 微生物联合修复 降解 如何能让这部分滞留在土壤微孔中的污染物被生物降解 从而更大程度提 高土壤中石油烃的降解率 1 4 2 研究假说 假说1 堆制系统中木屑 秸秆 营养物质等调理剂的加入 提高了土壤的 通透性 增加了氧气的运输 为微生物降解石油烃创造了适宜的环境 同时为微 生物的迅速繁殖提供了碳源和共代谢物质 从而促进其活性的提高 强化微生物 对石油烃的降解 假说2 当土壤中的污染物通过微生物降解到一定程度时 其浓度就不再发 生明显变化 而在这样石油烃浓度范围的土壤上 植物能够生长 并通过其强大 的根际效应对土壤中的石油烃污染物进行降解 假说3 在石油污染土壤中 微孔的存在可能会使部分石油烃类污染物滞留 在土壤中 无法被植物和微生物直接降解 植物强大的根际效应可能改变土壤的 孔隙结构 尤其是微孔的结构 释放滞留在其中的石油烃类污染物 提高石油烃 污染物的生物可利用性和根际土壤石油烃的降解率 1 4 3 技术路线 本论文以黄河三角洲典型高浓度石油污染土壤为研究对象 拟通过建立一套 堆制和植物联合修复体系 最大限度的降解土壤石油烃类污染物 通过室内模拟 和野外现场堆制试验 研究堆制过程中石油烃的微生物降解机制 初步建立适合 黄河三角洲石油污染土壤的最佳堆制条件 选择当地的几种土著盐生植物 对堆 制后土壤进行根际降解 通过盆栽试验和野外现场植物修复试验 系统研究在根 际降解过程中 土壤性质 植物根系特性 根际微生物等因素对石油烃降解的影 响机制 筛选高效降解石油烃的植物种类 并进一步分析根际土壤微孔结构的变 化 探讨根系分泌的有机酸对土壤微孔的影响机制 经过室内模拟和现场试验研 究 形成以堆制和植物根际降解为主要模式的分段式修复体系 将高效的微生物 修复技术和植物修复技术相结合 最终建立起一套安全 有效 应用性强的黄河 三角洲石油污染土壤的复合修复技术体系 研究技术路线如图1 6 所示 1 9 黄河三角洲石油污染土壤的植物 微生物联合修复 1 4 4 研究目标 针对黄河三角洲高浓度石油污染土壤的环境问题 系统阐述在堆制和植物修 复过程中土壤石油烃污染物的微生物和根际降解机制 初步建立高效的植物 微 生物联合修复体系 为黄河三角洲区域石油污染土壤的大规模治理提供理论和技 术支撑 1 通过室内模拟和野外现场堆制试验 研究堆制过程中的微生物降解 机制 初步构建黄河三角洲高浓度石油污染土壤的最佳堆制条件 2 通过盆栽 和现场植物修复试验 深入研究石油烃的根际降解过程及根际调控机制 筛选高 效降解土壤石油烃的植物种类 3 通过植物 微生物联合作用的两阶段修复模 式 最终初步建立起一套安全 有效 适宜黄河三角洲地区严重石油污染土壤的 高效修复体系 1 4 5 主要研究内容 本论文以黄河三角洲典型高浓度石油污染土壤为研究对象 系统研究了在堆 制和植物修复过程中 微生物降解和根际降解机制 拟通过植物 微生物联合修 复技术 最大限度的降解土壤石油烃类污染物 主要研究内容如下 1 黄河三角洲石油污染土壤的室内模拟堆制研究 通过对黄河三角洲石油污染土壤和辅料进行不同配比的堆制试验 研究了温 度 c n 堆体通气性等因素对石油烃生物降解过程的影响 分析了微生物在 堆制过程中对石油烃的降解机理 初步建立石油污染土壤堆制的最佳堆制条件 为野外现场堆制试验的设计和实施提供基础数据 黄河三角洲石油污染土壤的植物 微生物联合修复 堆制技术处理高浓度石油污 染土壤的模拟研究 堆制模拟系统的构建 筛选最佳堆制配比 分析堆制过程中各因素对微生物降 解石油烃的影响 堆制技术对石油污染土壤的 现场修复 建立野外堆制的最佳条件 研究堆制过程中的微生物降解机制 为堆制技术的应用和推广奠定基础 堆制土壤中石油烃的根际降解 盆栽试验比较植物根际土壤石油烃的降解效率 分析根生物量及根系参数对石油烃降解的影响 石油烃降解菌数量与活性对根际降解的影响 研究植物高效降解石油烃的根际调控机制 自然条件下4 种盐生植物对堆创土壤石油烃的根际修复 比较植物根际土壤石油烃的降解差异 植物根生物量及根系形态对石油烃降解的影响机制 根际微生物活性 数量及群落多样性对石油烃降解的影响 土壤微孔在根际降解过程中的变化 探讨有机酸对微孔的影响机制 高浓度石油污染土壤植物一微生物联合修复技术的建立 首先通过生物堆制技术处理高浓度石油污染土壤 之后 将堆制微生 物处理和植物根际降解结合起来 通过阶段式修复 最大限度降解土壤中 的石油烃 初步构建植物一微生物联合修复技术 系统分析高效微生物降解 及根际降解的调控机制 图1 6 论文技术路线 f i g u r e1 6t h es t r a t e g i cp l a n n i n gf o rt h et h e s i s 2 黄河三角洲石油污染土壤的现场堆制研究 2 1 黄河三角洲石油污染土壤的植物 微生物联合修复 通过示范区现场的堆制试验 进一步探讨在堆制修复过程中 堆体通气性 碳氮比等条件对微生物降解石油烃的影响机制 建立并完善高浓度石油污染土壤 的堆制条件 旨在为黄河三角洲石油污染土壤的现场大规模堆制处理技术的应用 提供依据 3 堆制土壤中石油烃根际降解的盆栽试验 选取4 种黄河三角洲土著盐生植物和1 种常用的石油污染土壤修复植物 通 过盆栽试验 探讨在植物修复过程中 不同种类植物的生长差异 根系特征 根 际环境条件 根际微生物数量 活性以及代谢功能多样性的变化 研究石油烃的 根际高效降解机制 筛选高效降解石油烃的植物种类 4 自然条件下石油污染土壤的根际修复及调控机制 选取4 种黄河三角洲土著盐生植物 利用堆制后的土壤进行野外现场植物修 复试验 通过比较不同植物根际降解率的差异 分析降解过程中 植物根系参数 根际土壤微生物数量 活性 群落功能多样性以及根际土壤孔隙结构 尤其是微 孔结构 的变化对植物根际降解的调控机制 筛选适合在黄河三角洲田间生长的 高效净化石油烃的植物种类 为最大限度的降解土壤中石油污染物提供理论依 据 初步形成一套以堆制和根际修复为主要模式的两阶段修复体系 将高效的微 生物修复技术和植物修复技术有机结合 研究微生物降解和根际降解的调控机 制 最终初步建立起一套安全 有效且应用性强的黄河三角洲石油污染土壤的复 合修复体系 黄河三角洲石油污染土壤的植物 微生物联合修复 2 堆制对土壤中石油烃降解的室内模拟研究 黄河三角洲作为我国重要的石油工业基地 拥有我国第二大油田 胜利油 田 在该地区石油的大规模开采 冶炼 运输 使用和处理过程中 时常会发生 污染 遗漏 井喷 输油管道泄漏等事故 造成了严重的区域土壤石油污染 严 重威胁当地的生态环境 9 5 1 目前 石油已成为黄河三角洲地区持久性和数量方面 均排在前列的污染物 有报道指出 石油进入土壤会改变土壤表层有机质的组成 和结构 降低土壤的通透性 并影响植物生长的自然环境 1 0 7 1 因此 对石油污 染土壤进行生态修复就显得尤为迫切和重要 多年来 人们在石油污染土壤的生物修复研究方面已经开展了大量的工作 目前常用的修复工艺有 原位 i n s i t u 修复 异位 o f f s i t u 修复 堆f 1 l j e o m p o s t i n g 处理和反应器处理 堆制法也称堆腐法 它是将含油废弃物与适当的材料相混合 在微生物作用 下将石油烃逐渐降解的过程1 2 j 随着生物修复技术应用范围的逐渐扩大 通过试 验方法的改进和试验条件的优化 堆制技术处理石油污染土壤的有效性和可行性 不断提高 在其本身具有的成本低 操作方便等优势的基础上 已成为实用 高 效 经济的石油污染生态修复技术之一 堆制法处理石油污染土壤的研究在国内 外已有报道 1 0 8 1 1 们 a l d a h e r 等 8 8 在科威特b u r g a i l 油田采用堆制法处理石油污染土 壤 l o 个月后 土壤中的石油污染物基本被完全降解 澳大利亚a d e l a i d e 的堆制 中试基地处理被柴油 石油污染的土壤 在运转7 个月后 土壤中的大部分石油 烃被微生物分解为c 0 2 h 2 0 r 有机盐类 8 9 影响堆制技术的主要因素有 水分 碳氮比 添加剂 氧含量 温度 p h 值等 7 8 这些因素的调控决定了有机污染 土壤的处理效果 马瑛等 1 1 1 研究发现高温 5 0 5 5o c 堆制条件下反应6 天 可 降解9 4 的石油烃 而在常温下 2 3 3 0o c 下反应9 天 只降解4 5 的石油烃 本研究通过对黄河三角洲石油污染土壤和辅料进行不同配比的堆制试验 研 究了温度 p h 微生物 通气性 c n 等因素对石油烃微生物降解的影响机制 初步建立了最佳堆制配比和堆制条件 为堆制技术的现场应用和推广提供了重要 的基础数据 黄河三角洲石油污染土壤的植物 微生物联合修复 2 1 试验材料与方法 2 1 1 材料 2 1 1 1 供试土壤 石油污染土壤采自东营市胜利油田采油井附近 3 7 0 3 2 n 1 1 8 0 3 0 e 土壤 总石油烃含量为11 4 0 0m gk g 颗粒组成如表2 1 属于粉砂质土壤 土壤p h 为8 1 0 有机质含量为1 0 9gk g 一 有机碳含量为6 3 2gk g 总磷含量为0 2g k g 总氮含量为0 3gk g 盐分含量为9 1 2gk g 表2 1 土壤的颗粒组成 t a b l e2 1c o m p o s i t i o no f t h es o i lp a r t i c l e s 2 1 i 2 堆制填料 玉米秸秆和花生荚取自东营市某农场 粉碎至1 2c m 备用 木屑取自东营 市某木器加工厂 复合肥 n p k 及o m 6 0 尿素 豆饼 2 1 2 试验方法 2 1 2 1 堆制方法 将石油污染土壤风干后过2r e i n 筛混合均匀 按照表2 2 的比例将石油污染 土壤和填料混合 并添加营养物质 充分搅拌混合 堆体底部依次铺设3 4c m 的泡沫板和未粉碎玉米秸秆层 形成保温通气层 将混合均匀的堆料分层堆制在 底部通气层上方 每堆制1 5c m 均匀喷水 使湿度调节至4 0 5 0 为了使堆 体内部氧气传输不受限制 在堆制过程中布设筛网包被的带孔通风管 在堆体的 上中下三层分别插入温度计测定温度 定期补充水分 保持一定湿度 每隔3 0 黄河三角洲石油污染土壤的植物 微生物联合修复 天翻堆一次 同时补加原计量的复合肥及尿素 定期观察记录温度变化 分析堆 体中各参数指标 温度 p h 微生物活性及数量等 的变化情况 对照c k 堆体 不添加任何辅料及营养物质 其他处理与试验堆体相同 表2 2 表2 2 堆制试验处理 t a b l e2 2f o u rd i f f e r e n te o m p o s t i n gt r e a t m e n t s 秸秆 木屑 复合肥 堆料 土堆料 土豆饼含水率 花生荚 尿素 v v k g k g 埏 v v v k g 空白 c k 0 1 0 6 0 00004 0 5 0 处理lc a l 1 11 7 1 2 01 3 17 5 2 4 0 5 0 处理2 a 2 2 l1 7 6 01 3 17 524 0 5 0 处理3 a 3 3 l1 7 4 01 3 l7 524 0 5 0 注 单位土堆的体积 1 v 直径约1 7 m 高约为0 6 m 体积为0 5 m 3 2 1 2 2 土壤基本理化指标 每日用水银温度计测定堆体温体及环境温度 土壤含水率 取一定量的土壤 样品1 0 5o c 烘至恒重 有机质 s o m 含量采用重铬酸钾氧化稀释热法测定 土壤速效磷 o l s e n p 用0 5m o ll n a h c 0 3 溶液浸提 用磷素钼蓝法测定提取 液中的磷素含量 土壤p h 值采用0 0 1t o o l l c a c l 2 溶液浸提 用p h 计测定浸 提液的p h 值 全氮量采用半微量开氏法测定 1 1 2 1 2 1 2 3 土壤石油烃含量 土壤石油烃含量的测定参照e p a3 5 5 0 b 1 13 j 及g b1 7 3 7 8 5 1 9 9 8 海洋监测规 范 1 1 4 1 采用超声萃取 称取1 0g 土壤样品于5 0m l 比色管中 加入1 0m l 正 己烷 超声萃取1h 静置分层后吸出上层萃取液 注入装有2 0m l 无水硫酸钠 溶液的分液漏斗中 再加入1 0m l 正己烷重复萃取两次 然后向原比色管中加 入1 0m l 无水硫酸钠溶液 将上层析出的正己烷注入上述分液漏斗中 震荡分 液漏斗2m i n 静置分层后 弃去水相 再用2 0m l 无水硫酸钠溶液重复震荡洗 黄河三角洲石油污染土壤的植物 微生物联合修复 涤2 次 收集萃取液 根据p h i l l i p s 等 1 1 5 的方法 用气相色谱g c 分析测定 石 油烃降解率 t p hd e g r a d a t i o nr a t e r 按以下公式计算 尺 盟 1 0 0 式 2 1 c f 式中 足 土壤中总石油烃降解率 c i 土壤中石油烃初始浓度 m gk g 一 c 土壤样品中石油烃浓度 m gk g 2 1 2 4 石油烃降解菌数量 石油烃降解菌数量参照9 6 微孔板m o s t p r o b a b l e n u m b e r m p n 法测定 删 称取1 0g 新鲜土壤样品 加入1 5 0m l 生理盐水中 加入少量吐温8 0 分散 于 3 0o c 2 0 0r p m 的摇床中分散1 5m i n 即得土壤浸提液 将浸提液进行