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石油污染土壤微生物修复的研究进展
日期:2012-03-13 作者:唐金花 于春光 张寒冰 杜茂安 万春黎 来源:《湖北农业科学》.-2011,(20).-4125-4128 6-1-3 点击:
 

 石油是不可再生资源,也是人类宝贵的能源和重要的化工原料,目前国际油品市场原油价格的持续上涨,将直接影响着我国经济的可持续发展。但同时,我国每年还有大量的原油及其加工品流入环境,这不但浪费了宝贵的资源,而且对生态环境造成了污染。石油物质进入土壤后,会引起土壤理化特性发生变化,能够改变土壤有机质的组成和结构、对作物生长发育也有不利的影响。同时石油通过生长于该土壤中的植物及其产品,以食物链方式直接影响到人类的身体健康。在最初的石油污染治理工艺中,物理和化学方式处理是最主要的技术,且已研究得比较成熟。自20世纪70年代以来,随着生物修复技术的发展,微生物处理技术在石油污染治理方面逐渐成为核心技术。为了全面了解石油污染土壤微生物修复研究现状,从而指导现阶段的研究工作。笔者针对近几年国内外的应用微生物修复技术治理石油污染土壤的最新研究成果与应用状况进行了初步归纳,并对未来的发展进行了展望。

1  环境中降解石油的微生物

    动物、植物、微生物都具有降解污染物的能力,但微生物在污染物降解中的作用最大;这是由于微生物具有种类多、分布广、个体小、繁殖快、比表面积大、容易变异的特点所决定的。微生物的降解酶体系具有氧化还原、脱羧、脱氨、水解、脱水等各种化学作用能力,所以对能量的利用比高等生物体更加有效;微生物高速度的繁殖特性和遗传变异性使它的酶体系能够以最快的速度适应外界环境的变化,从而显示出其在环境治理上的高效性和多样性。

    到目前为止,降解石油中各种烃类的微生物共发现了约100余属、200多种,它们分别属于细菌、放线菌、霉菌、酵母以及藻类,其中细菌和真菌类是土壤中石油生物降解的主要参与者。土壤中常见的石油降解细菌群数多少由高到低分别为假单孢菌属(Pseudomonas)、节核细菌属(Arthrobacter)、产碱杆菌属(Alcaligenes)、棒状杆菌属(Corynebacterium)、黄杆菌属(Flavobacterium)、无色杆菌属(Achromobacter)、微球菌属(Micrococcus)、诺卡氏菌属(Nocardia)和分支杆菌属(Mycobacterium);常见的石油降解真菌种群数多少由高到低分别为木霉属(Trichoderma)、青霉属(Penicillium)、曲霉属(Aspergillus)、被孢霉属(Mortierlla)

2  石油污染土壤的微生物修复技术

    20世纪70年代以来,随着生物修复技术的发展,微生物处理技术在石油污染治理方面逐渐成为核心技术。目前国外采用的微生物修复技术主要有二种类型,即原位修复技术(In-situ bioremediation)、异位修复技术(On-situ bioremediation)

2.1  原位微生物修复技术

    原位微生物修复技术是指污染土壤不经搅动、而直接向污染区投放营养物质或供氧、促进土壤中靠石油作为碳源的微生物生长繁殖、或接种经驯化培养的高效微生物如特异工程菌等措施提高其降解力、利用其代谢作用达到消耗石油烃的目的而进行的处理过程,原位微生物修复技术主要包括投菌法、生物培养法及生物通风处理法等。

2.1.1  投菌法(Bioangmentation)  采用直接向被石油污染的土壤中接入外源的污染降解菌,同时提供这些微生物生长所需要的营养物质,包括氮、磷、硫、钾、钙、镁、铁、锰等,其中氮和磷是土壤微生物修复治理系统中最主要的营养元素,微生物生长所需要的碳、氮、磷质量比大约为120:10:1

2.1.2  生物培养法(Bioculture)  一种直接利用土壤中的土著微生物实现生物修复的处理技术,通过定期向污染土壤中投放营养物质和氧或H2O2作为电子受体。以满足环境中已经存在的降解菌生长繁殖需要,进而提高土著微生物的活性,将污染物降解成二氧化碳和水。

2.1.3  生物通风处理法(Bioventing)  在受污染地区,氧气浓度降低,二氧化碳浓度升高,抑制了污染物的进一步生物降解。为了提高土壤中污染物的降解效果,需要排出土壤中的二氧化碳,并补充氧气,生物通风系统就是为了改变土壤中的气体成分而设计的。生物通风法常用于由地下油罐泄漏造成的轻度污染土壤的生物修复,这一方法已在美国用于空军基地处理航空机油污染的土壤治理中。

2.2  异位微生物修复技术

    异位微生物修复技术又称为地上处理技术,要求把石油污染的土壤挖出,集中起来进行生物降解。一方面,可以在土壤受污染之初限制污染物的扩散和迁移,减少污染范围;另一方面,可以通过设计与安装各种过程控制器或生物反应器,来产生有利于生物降解的条件。主要方法有土耕法、生物堆制法、土壤堆肥法、生物泥浆法和预制床法。

2.2.1  土耕法(Land farming)  将被污染的土壤挖出来放置于处理垫上,以防止污染物转移,并进行定期耕作,以保持良好的通风条件。土耕法需要监测土壤水分和补充无机营养物(氮、磷、钾),耕作机械定期使废物与营养物、细菌和空气充分接触,使上部处理带保持好氧状态。土耕法是一项有效的节省成本的方法,处理费用较低处理时间从60180d不等,夏季的处理效率很高,而秋、冬两季因为土壤温度下降处理效率降低。

2.2.2  生物堆制法(Biopile)  它是土耕法的一种改进形式。生物堆制通常包括一个打了孔的暗渠,以用来收集沥出物和回收生物堆中的空气。一个真空泵和暗渠连接在一起,给生物堆充气,以促进微生物的生长。李培军等利用生物堆制法对不同类型石油污染土壤进行了修复处理,经过近60d的运行,石油总烃去除率达到了38.37%56.74%,该技术处理时间在120d不等,处理费用相对也较低。

2.2.3  土壤堆肥法(Composting)  是一种和土耕法相似的生物修复方法,但是它加入了土壤调理剂,以提供微生物进行生长和进行石油生物降解的能量。这个方法对去除含高浓度不稳定同体的有机复合物是最有效的。加入的物质或调理剂通常是粪肥、营养物质、微生物和稻草等,目的是为了提高土壤的渗透性、增加氧的传输、改善土壤质量以及为快速建立一个大的微生物种群提供能源。与土耕法或生物堆制法相比,土壤堆肥法可以降低承载石油污染土壤的修复时间,处理时间一般是30120d,处理费用比土耕法略高一点。

2.2.4  生物泥浆法(Bioslurry treatment)  其主要特点是以水为处理介质,将受污染的土壤挖出后分散于水中,送入接种微生物的反应器内处理,其工艺类似于污水的处理方法,达到处理目标后,将土壤排出,经脱水再运回原地,处理的出水可循环使用,也可视水质情况直接排放或送污水处理厂。

2.2.5  预制床法(Prepared bed)  在不泄漏的平台上,铺上石子和沙子,将受污染的土壤以1530cm的厚度平铺其上,加入营养物和水,必要时也可以加一些表面活性剂,定期翻动土壤以补充氧气,满足土壤中微生物生长的需要;处理过程中流出的渗滤液,回灌于该层土壤上,以便彻底清除污染物。但废方法存在着污染土壤集中运输、操作复杂且成本较高等问题,不适于污染土壤面积较大的工矿环境下的去污处理。

虽然石油污染土壤的微生物处理方法各有不同,但它们仅仅是工艺技术上的差异,其原理都是通过微生物降解而达到修复的目的。

3  影响石油污染土壤微生物修复的因素

    影响石油污染土壤微生物修复的因素有很多,主要有石油本身的理化性质、微生物的种类和菌群、表面活性剂及环境等因素。

3.1  石油的理化性质

    石油烃生物降解的程度取决于它的化学组成、官能团的性质及数量、分子量大小等因素。通常来说,饱和烃最容易被降解,其次是低分子量的芳香族烃类化合物,高分子量的芳香族烃类化合物、树脂和沥青等则极难被降解。不同烃类化合物的降解率高低顺序是正烷烃、分枝烷烃、低分子量芳香烃、多环芳烃。官能团也影响有机物的生物可利用性,分子量大小对生物降解的影响也很大,高分子化合物的生物可降解性是较低的。石油烃的浓度对生物降解活性也有一定的影响。当浓度相对低时,所有的组分都能被降解;但浓度提高后,降解率便相应降低。

3.2  微生物种类和菌群对降解的影响

    微生物在生物修复过程中既是石油降解的执行者,又是其中的核心动力,因此土壤中微生物的种类及构成是影响石油降解的重要因素。有研究表明,混合培养菌的石油降解效果明显高于单株培养菌。Hamme等研究了Pseudomonas sp.strain JA5-B45Rhodococcus sp. strain F9-D79混合培养以及添加表面活性剂时对石油降解效果的影响,结果表明混合培养能够显著提高对石油的降解效果;魏呐等通过筛选驯化的耐盐复合高效微生物菌群,对大港油田石油开采产生的废水进行了有机物降解处理;何诩等通过施加微生物菌剂对污水灌区石油烃污染土壤进行了处理,修复后的土壤中石油烃污染物的降解率达到了54.23%

3.3  表面活性剂对石油生物降解的影响

    在石油烃的生物降解过程中,烃类的可溶性直接影响着其生物降解的速率。当浓度非常低时,烃类是可溶的,但是大多数溢出的石油远远超过其可溶限度。解决这个问题的方法之一就是加入化学合成表面活性剂,通过降低界面张力,可提高石油烃在水相中的溶解度。生物表面活性剂以其可生物降解、无毒害、结构多样性和对环境具有温和性等优点而成为研究的热点,不同微生物往往产生不同结构的表而活性剂,主要有糖脂、多糖-蛋白络合物、磷脂、脂肪酸和中性脂肪酸等。许多研究表明,生物表面活性剂在石油烃降解过程中也有很好的促进作用。

3.4  环境因素对石油生物降解的影响

    微生物对石油不同组分的降解能力是不同的,同时微生物对石油烃的降解受到环境因素的影响,这种影响对石油烃的降解往往具有决定性的作用。石油烃在一种环境中能长期存在,而在另一种环境中,相同的烃化合物在几天甚至几小时内就可被完全降解。

3.4.1  土壤pH  与大多数微生物相同,能降解石油类物质的土壤微生物繁殖的适宜pH68,最优为7.07.5左右。由于土壤微生物在降解过程中产生的酸性物质往往在土壤中有积累效应,会导致pH进一步降低,所以在偏酸性污染土壤的生物治理过程中,为了提高微生物代谢活性和降解石油类物质的速率,可以在土壤中添加一些农用酸碱缓冲剂,以调整土层的pH。最适pH既与降解菌有关,也与降解条件密切相关。

3.4.2  温度  温度通过影响石油的物理性质和化学组成,进而影响其微生物的烃类代谢速率。在低温环境下,石油黏度增加,短链有毒烷烃的挥发作用减弱,而水溶性增加,对微生物的毒性也随之增大,这将间接的影响烃类物质的生物降解。温度低时,酶活力降低,进而导致降解速率也降低;较高的温度可使烃代谢速率升至最大,一般为3040,高于40时,烃的毒性增大,使抑制烃类的微生物降解。

3.4.3  供氧  环境中的氧气对微生物而言是一个极其重要的限制因子。微生物对石油的生化降解过程随烃类的不同而异,但其好氧微生物降解的起始反应却是相似的,在降解的过程中需要大量的电子受体,主要是溶解氧和NO3-,由于石油在水表面形成油膜,氧的传递非常缓慢,在许多石油污染区,供氧不足成为石油降解的制约因素,据计算,每分解1g石油需O2  34g

3.4.4 营养成分  微生物的生长离不开碳、氮、磷、硫、镁等无机元素,而环境中的营养物质是有限的,石油中的烃类是微生物可以利用的大量碳底物,但它只能提供比较容易得到的有机碳,而不能提供氮、磷等无机养料,因此是限制微生物活性的重要因素。为了使污染物达到完全的降解,要适当地添加营养物。氮源和磷源是常见的烃类生物降解限制因素,适量地添加可以促进烃类生物降解。

3.4.5  盐浓度  一般细菌只能在低盐浓度环境中繁殖,低浓度的盐类(NaClKClMgSO4)对微生物的生长是有益的。当浓度过高时,会抑制或杀死微生物,同时溶液中NaCl浓度对细胞膜上的Na+K+泵有很大的影响,而Na+K+泵维持的细胞内外离子梯度具有重要的生理学意义,它不仅维持细胞的膜电位,也调节细胞的体积和驱动某些细胞中的糖与氨基酸的运输,从而影响细胞的生长。

4  石油污染土壤微生物修复技术展望

中国是经济飞速增长的国家之一,随着国家产业开发的实施。石油工业的发展将会提速,而这会使石油污染日趋严重。微生物降解石油作为一种高效率、低成本、无污染的生物治理技术,非常适合中国的国情,也是增加可利用耕地面积的有效途径。展望未来,在石油污染土壤的治理过程中,注意微生物修复方法与传统方法的有机结合,同时着重做好高效微生物菌株的筛选、构建以及环境条件的优化,把物理、化学处理技术与生物修复技术相结合,将是石油污染土壤微生物修复技术的发展方向,石油污染土壤微生物修复技术的深一步研究与应用,必将对中国石油工业的发展与环境保护的实施产生深远的影响。

注明:国家科技计划项目(2007AA061200

   

    (本文作者:1.黑龙江东方学院食品与环境工程学部,哈尔滨 1500862.哈尔滨工业大学市政环境工程学院,哈尔滨 1500803.台湾大学,台北 10617)

 

    (采编:shench)

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