土壤和地下水石油污染的生物治理

1、第21卷第2期重庆环境科学1999年4月土壤和地下水石油污染的生物治理李文利王忠彦胡永松(四川大学生物工程系, 成都610064摘要概述了石油生物降解速率的主要影响因素:烃类的组成与状态、烃类降解微生物、温度与pH 值、O 2和营养。介绍了土壤和地下水石油污染的两种生物治理方法:菌种法和营养物法, 认为该法具有安全、经济、高效、无二次污染、不需大型设备、操作简单等优点, 但也具有一定的局限性。关键词土壤地下水石油污染生物治理当今世界石油工业飞速发展, 在石油勘探与开采, 储运与炼制过程中, 由于操作不当或事故泄漏等原因, 常会有石油外溢或排放, 造成严重的环境污染1。目前这已成为世界各国普遍关

2、注的问题, 进行广泛研究, 取得了一定进展2, 生物技术治理污染具有安全、经济、高效、无二次污染、不需大型设备, 操作简单等优点。尤其是对于机械装置无法清除的较薄油膜和限制使用化学药品时, 更显示出其优越性3-5。J . . , (C 122C 在石油烃类的生物降解过程中, 微生物生活于水相中而作用于油水界面, 所以烃类的可溶性直接影响其生物降解速率16。当浓度非常低时, 烃类是可溶的, 但是大多数溢出的原油远远超过其可溶限度。另外, 扩散的程序也部分决定了烃类降解微生物菌群可用的石油表面积。1. 2烃类降解微生物。1石油生物降解速率的影响因素环境中石油烃类的生物降解速率取决于烃类的组成与状态

3、、降解烃类的微生物菌群以及各种影响微生物生长的因素6-7。1. 1烃类的组成与状态石油烃类的化学组分有四类:饱和烃, 芳香烃, 氮硫氧(N SO 化合物及沥青质, 各类烃类生物降解的难易不同。许多研究已证明, 微生物能够降解石油中的饱和烃和轻质芳香烃组分, 而其中的高分子重质芳香烃, 树脂和沥青质则难以降解6。一般认为直链烷烃最易降解8, 由于“空间效应”支链烷烃(加姥鲛烷和植烷 比直链烷烃难以降解9, 但也有人认为轻芳香烃比直链烷烃更易降解10。多环芳烃比单环或双环芳烃以及非取代烃类难降解。有趣的是, 降解多环芳烃的酶是由低分子芳烃(如萘 而并非由底物本身诱导产生的11, 这一发现可能解释为

4、何这些化合物难以被微生物降12解。M . A . H eitkam p 等分离出了降解四环芳烃的分枝杆菌。K . V enkates w aran 等13分离出一株以树脂作为唯一碳源的假单胞菌。J . B ertrand 等14发现曾经被收稿日期:19980922最先与烃类的接触的微生物菌群对于决定烃类降解的速率非常重要6。它们能够适应环境, 然后进行选择性富集并发和遗传改变, 从而导致烃类降解细菌所占比例及编码降解烃类基因的质粒数量增加。在未受石油污染的环境中, 微生物菌群通常含有不到1%的烃类降解微生物, 而在石油污染的环境中, 烃类降解微生物所占比例则为110%。1. 3温度与pH 值温

5、度通过影响石油的物理性质和化学组成来影响其生物降解速率和微生物的烃类代谢速率716。在低温下, 石油粘度增加, 短链有毒烷烃的挥发作用减弱而水溶性增加, 于是便延迟了生物降解作用的起始。烃类生物降解速率通常随温度的降低而减弱, 这主要是由于酶活力的降低即Q 10效应。在高温下, 由于酶活力增加, 降解速率加快。烃类生物降解的最佳温度为3040, 高于此限烃类毒性将增加, 从而抑制降解。研究表明, 当pH 为7. 07. 8时烃类的生物降解速率最快, 可以通过添加酸碱或酸碱缓冲液的方法将7. 8范围内17。pH 控制在7. 01. 4O 2烃类生物降解过程实质上是烃类的氧化过程。理论上降解时的需

6、氧量约为烃类重量的3. 5倍(即氧化每克烃类约需3. 5g 的溶解氧 。土壤中O 2的可获得性, 沉积物和蓄水层经常限制并依赖于土壤的种类以及渍水与否18。无氧条件下, 石油烃类的微生物降解也发生, 但是, 速率很低, 生态意义不大19。20R . J . O n w edd 等认为土壤深度的增加可能会阻碍土壤中气体与水发的扩散, 进而降低土壤中的氧分压而影响石油的降解。土壤湿度也是一项影响石油烃类降解速率的重要因素, 土壤干燥或湿度太大都会抑制降解速率, 因为湿度太大, 水分便填充了土壤的空隙, 从而降低了降解时所需O 2的量21。另外, 通过耕作一方面能够使烃类均匀分布于土壤中, 另一方面

7、可以使土壤通气, 从而促进石油污染物的生物降解21。1. 5营养一种烃类降解菌可降解一种或少数几种石油烃类。将不同烃类降解菌混合培养形成混合菌群, 便可降解多种烃类。B . L al 25研究发现将A cinetobacter cal 2coaceticu s S 30和A . O do ran s P 20混合培养可以显著提高单独培养时的石油降解速率。B altic General26Ivestm en t 公司的一项专利为利用混合菌群(A zo 2tobacter vinelandii 21、P seudom onas sp . 9、P seu 2dom onas sp . 19、P se

8、udom onas sp . 31和A cinetobacter calcoaceticu s 23 来促进石油烃类的生物降解。引入高效除油菌可迅速提高微生物的数量, 进而可能提高石油烃类的生物降解速率。但是由于微生物不是在污染现场培育的, 现场治理能力可能不如在实验室强, , C N P =10010S . 23M c M illen 等解能力, 发现当添加肥料的C N P =10051. 7并为缓慢释放形式时, 效果最佳, 并且得出结论:营养比例对烃类生物降解速率的影响既可以是正向的也可以是负向的。降解的微生物, 然而微生物生长代谢的条件(O 2和氮源、磷源 却是限制性的。通过耕作, 强制

9、通气和H 2O 2处理能够克服低浓度O 2对物生降解速率的限制作用27。魏德洲和秦煜民28采用生物泥浆法在国内首次系统地研究了H 2O 2对土壤中烃类污染物微生物降解过程的促进作用, 他们认为促进机理其一是H 2O 2的直接氧化作用, 其二是H 2O 2对烃类生物降解的促进作用。添加硝酸盐可以刺激甲苯和二甲苯的生物降解, 然而研究表明, 在缺氧条件下, 苯降解时不能以硝酸盐作为电子受体29-30。R . L . R aym ond 等31发现添加(N H 4 2SO 4、N aH 2PO 4、N a 2H PO 4并强制通气, 能显著降低除去地下水中溢出汽油所需时间。A . H ess 等32

10、通过注入氧化剂(O 2, NO 3 和营养物来促进柴油的生物降解并分离出了5种能利用甲苯的球菌(T 2, T 3, T 4, T 6, T 10 和9种能利用甲苯和m 2二甲苯的杆菌(M 3-M 7, M 9-M 12 。33J . J . Kuko r 等研究了缺氧的石油污染的水中的三株假单胞菌分离菌(W 31, PK 01和CF 215 对甲苯2土壤和地下水石油污染的生物治理环境和微生物是石油烃类降解的限制因素, 克服这些限制因素便可有效地清除污染物, 使土壤和地下水得以净化。常用的生物治理方法可分为两种:一种是菌种法, 即引入高效除油菌; 另一种是营养物法, 即通过改善土壤和地下水的环境

11、, 排除降解石油烃类微生物繁殖的不利因素, 在其中培育出大量的优势菌群。2. 1菌种法这种方法主要有两种方式:超级细菌法和混合菌群法。2. 1. 1超级细菌法微生物对一些石油组分的降解是由染色体外的遗传物质质粒所控制的。因此采用遗传学方法将降解不同组分的质粒整合到一个细胞内, 便可构建成“超级细菌”。70年代, Chak rabarty 等24将三个降解不同烃类的质粒转移到铜绿假单胞菌, 所得菌株可同时降解直链烷烃, 轻质芳烃和重质工离烃。他们还将降解辛烷的质粒从食油假单胞菌转移到另外一些假单胞菌种中。若质粒保持稳定, 降解能力便可传给子细胞。2. 1. 2混合菌群法的降解情况, 并与其他甲苯

12、降解菌进行了比较。这三株在缺氧条件下, 有硝酸盐作为电子受体时, 能够以甲苯作为碳源生长。他们检测了降解甲苯关键酶邻苯二酚2, 3-双加氧酶(C 23O 的动力学参数Km t 和Vm ax , 并分析了PK 01中编码C 23O 的核苷酸序列和相应的氨基酸序列, 结果表明:该酶属于C 23O s 的亚家族中的一个新群, tubE 为编码PK 01中C 23O 的基因, 调控tubE 表达的关键序列为Peudom onas aerugi 2no sa PAO 中AN R 结合位点的同源序列。R . L , D erek 等34研究发现在石油污染水中的缺氧沉积物中, 螯合到ED TA , N 2甲

13、基亚氨基二乙酸, 乙醇基甘氨酸, 腐植酸和磷酸盐上的Fe 3+可以促进苯的氧化与Fe 3+的还原作用相偶联。D . R . L ovley 36研究发现, 在适宜环境中B T EX (苯, 甲苯, 乙苯和二乙苯 能够以Fe 3+, 硫酸盐或硝酸盐作为电子受体在缺氧条件下被降解, 但难度相当大, 其代谢机制有待于进一步研究。营养物法不需向污染现场引入微生物, 费用较低。但是污染物的浓度太高或太低都可能对降解不利, 且有利于微生物繁殖的条件难以控制。10Fedo rak . R . M . &Westlake , D . W . S . , M icrobial degradati on of a

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18、生长就会受到抑制, 这便将阻碍烃类的生物降解过程。所以, 生物治理技术应该与其它技术结合起来综合使用, 以便取得更好的效果。142216H ahn , W . J . , et al . , B i o logical T reatm ent of Petro leum O ilySludges , SPE 23997, 199217D ibble, J. , et al . , Effect of environm ental Param eters on the. Environ . M icrobi o l . , 1979, 729bi odegradati on of o ily s

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28、 333(下转第44页441技术资料, 悬浮填料曝气工艺文献重庆环境科学21卷5Eberhard L a m ann und H ans R ei m ann , D er E insatz von offenpo ri 2gen Schaum stoff als T araegerm aterial bei der bi o logischen A bw ass 2er 2R einigung ,2M . M o rper , etc . , I mp rovem ent of existing w astew ater treatm entp lants efficiencies w it

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33、ical con tact ox idati on p rocess of w astew ater treatm en t w ere the i m its functi on w as pu t fo rw ard .Key words W pack ing , B i o logical treatm en t . (上接第37页28魏德洲, 秦煜民, H 2O 2在石油污染土壤微生物治理过程中的作用,32H ess , A , Zarda , B . , et al . , In situ analysis of denitrifying to luene 2and m xylene

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