石油污染黃土土壤的微生物修復(fù)實(shí)驗(yàn)研究

1、第6卷第6期2008年12月南水北調(diào)與水利科技收稿日期:2008211203修回日期:2008211204基金項(xiàng)目:科技部國(guó)際合作項(xiàng)目資助“鄂爾多斯盆地能源開發(fā)與環(huán)境互饋效應(yīng)研究”(2005DFA90200 作者簡(jiǎn)介:張勝(19562 , 男, 江蘇人, 副研究員, 主要從事微生物地球化學(xué)及環(huán)境地質(zhì)等方面的研究。石油污染黃土土壤的微生物修復(fù)實(shí)驗(yàn)研究張勝1, 陳立1, 畢二平2, 崔曉梅3, 張翠云1, 韓占濤1, 石迎春1, 張發(fā)旺1, 何澤1(1. 中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所, 石家莊050061; 2. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京 水資源與環(huán)境學(xué)院, 北京100083;3. 中國(guó)地質(zhì)科學(xué)

2、院, 北京100037摘要:為了修復(fù)西北黃土區(qū)石油污染土壤, 利用優(yōu)化原位土著微生物菌群輔以物理和化學(xué)相結(jié)合的修復(fù)技術(shù), 在野外調(diào)查取樣的基礎(chǔ)上, 進(jìn)行了土壤中石油污染的室內(nèi)模擬降解實(shí)驗(yàn)。、25、30、35, 添加了氮、磷、鎂、鐵等元素和茅草類添加劑, 適時(shí)補(bǔ)充氧氣等79510mg/kg 、145110mg/kg 、179010mg/kg 、278010mg/kg 時(shí), d , 土壤中石油含量降解率可達(dá)77127%89106%, 。關(guān)鍵詞:石油污染; ; 中圖分類號(hào):X172文章編號(hào):167221683(2008 0620061203Experimental Study on Microbia

3、l R emediation for Oil Contaminated Soil in Loess R egionZHAN G Sheng 1,CH EN Li 1,BI Er 2ping 2,CU I Xiao 2mei 3,ZHAN G Cui 2yun 1, HAN Zhan 2tao 1,SHI Y ing 2chun 1,ZHAN G Fa 2wang 1, H E Ze 1(1. I nstit ute of H y d rogeolog y and Envi ronmental Geolog y , CA GS , S hi j iaz huang 050061, China;2

4、. School of W ater Resources &Envi ronment , China Universit y of Geosciences , Bei j ing 100083, China;3. Chinese A cadem y of Geological S ciences , Bei j ing 100037, China Abstract :In order to remediate oil contaminated soil in loess region of Nort h Shaanxi Province , experimental studies o

5、n degradation of oil polluted soil were carried out using remediation techniques of optimized in 2situ native microbial communities combined wit h physical chemistry met hods. on t he basis of field survey and sampling , t he indoor simulative degradation experiment s of oil polluted soil were proce

6、ssed , In t he experiment s , different temperatures (20, 25, 30, 35were investigated , nitrogen , phosphorus , magnesium , iron and ot her element s , Grass 2type ad 2ditives and oxygen were timely added. The result s of t he experiment showed t hat degradation rate can reach 77127%89106%for oil co

7、ntent s of 79510mg/kg , 145110mg/kg , 179010mg/kg and 278010mg/kg in polluted soil after 3045d microbial degradation. which provide met hods and feasibility of application for microbial remediation of oil contaminated soil in loess region. K ey w ords :oil contamination ;microbial remediation ;soil

8、in loess region1前言我國(guó)西北黃土高原地區(qū)由于石油資源的大量開采利用, 產(chǎn)生了許多環(huán)境問題。尤其是落地原油的污染已影響土壤的質(zhì)量安全, 土壤石油污染的防治研究工作已受到人們的重視。Jorgensen 的試驗(yàn)顯示, 經(jīng)生物堆埋, 石油污染的土壤中石油可降低71%1。微生物修復(fù)技術(shù)主要機(jī)理是石油烴直接參與了微生物的生化反應(yīng), 通過代謝作用降解土壤中的污染物2。土壤微生物修復(fù)技術(shù)的開發(fā)與研究已受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注3212。目前已知能降解石油中各種烴類的微生物共有約100余屬200多種, 它們分屬于細(xì)菌、放線菌、霉菌、酵母以及藻類13。本文利用優(yōu)化土著微生物菌群輔以物理和化學(xué)方法相結(jié)

9、合的綜合修復(fù)技術(shù), 進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn), 取得了較好效果。該方法具有處理方法簡(jiǎn)單、費(fèi)用低、修復(fù)效果好、對(duì)環(huán)境影響小、無二次污染、可原位治理等優(yōu)點(diǎn)。因此, 本項(xiàng)研究是在研究區(qū)野外調(diào)查、取樣分析的基礎(chǔ)上, 通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究為該技術(shù)的應(yīng)用提供了技術(shù)支撐, 具有重要的實(shí)際意義。2實(shí)驗(yàn)材料和方法2. 1實(shí)驗(yàn)材料化學(xué)試劑:MgSO 4. 7H 2O 、N H 4NO 3、CaCl 2、FeCl 3、KH 2PO 4、K 2HPO 4、KCl 、(N H 4 2SO 4、CaCO 3、NaCl 、可溶性淀粉、蔗糖、乳酸、鹽酸、瓊脂、液體石蠟、石油醚、三氯甲烷等均為分析純。原油:為陜西延安杏子川油田地下2400m

10、采出的原油。其它實(shí)驗(yàn)材料:新鮮馬鈴薯、杏子川油田區(qū)石油污染黃土土樣等。添加劑:草坪草(茅草類 晾干粉碎(510mm 等。實(shí)驗(yàn)用土壤樣品采自陜西省延安市南約5km210國(guó)道邊, 山坡上的剖面為黃土土壤, 采樣時(shí)剖開表層約25cm 的表層土, 取里面新鮮土壤, 為無石油污染樣品。土中含有少量25mm 的小姜石, 土壤濕容重為1171193g/cm 3; 土壤干容重為1149117g/cm 3。自然含水量9146%;p H 為811。實(shí)驗(yàn)用玻璃器皿等:150mL 、250mL , mL 、1000mL , 管、培養(yǎng)皿、橡膠塞等主要儀器:QZD21、KQ218超聲波清洗器、生物恒溫培養(yǎng)箱、高速離心機(jī)、

11、高壓蒸汽滅菌器、無菌實(shí)驗(yàn)室、生化培養(yǎng)箱、HZ150L 恒溫?fù)u床培養(yǎng)箱、萊卡生物顯微鏡、752N 紫外可見光柵分光光度計(jì)、電熱干燥箱及各種化學(xué)分析用玻璃儀器。2. 2測(cè)試方法石油分析測(cè)試方法:采用紫外分光光度法, 該法是國(guó)標(biāo)G B/T57501722006中介紹的紫外分光光度分析法, 該法最低檢測(cè)質(zhì)量為5g , 則最低檢測(cè)質(zhì)量濃度為01005mg/L 。降解石油微生物細(xì)菌培養(yǎng)優(yōu)選方法:土壤微生物細(xì)菌培養(yǎng)用土壤微生物研究法14, 和參考文獻(xiàn)14216介紹的方法, 細(xì)菌初步鑒定用常見細(xì)菌系統(tǒng)鑒定手冊(cè)17中的方法。2. 3實(shí)驗(yàn)步驟2. 3. 1石油降解菌的分離與優(yōu)選眾所周知, 自然界的物質(zhì)循環(huán)微生物細(xì)

12、菌的作用是非常重要的一環(huán), 碳的循環(huán)也不例外, 許多細(xì)菌就是碳循環(huán)的主要因子之一。石油降解機(jī)理就是在細(xì)菌的作用下, 將碳?xì)浠衔锝到鉃镃O 2和H 2O 的整個(gè)過程, 也是自然界對(duì)石油污染的自凈功能的生態(tài)效應(yīng), 對(duì)土壤和地下水環(huán)境保護(hù)具有一定的實(shí)際意義。據(jù)此用細(xì)菌的選擇性培養(yǎng)基和富集培養(yǎng)基, 對(duì)研究區(qū)石油污染土壤的樣品進(jìn)行菌種、菌群的培養(yǎng)分離, 選擇優(yōu)化出實(shí)驗(yàn)用降解土壤石油的菌種、菌群。本次試驗(yàn)選擇優(yōu)化出的細(xì)菌初步鑒定主要為:假單胞菌屬、微球菌屬、放線菌屬、真菌類(青霉、毛霉、曲霉 等菌群。2. 3. 2土壤石油污染降解實(shí)驗(yàn)步驟根據(jù)實(shí)驗(yàn)選出降解石油污染的優(yōu)勢(shì)菌群, 利用不同的培養(yǎng)基對(duì)所選出各類

13、菌群進(jìn)行放大培養(yǎng)。各類菌群培養(yǎng)35d 后進(jìn)行混合培養(yǎng), 繼續(xù)培養(yǎng)37d 后作為相應(yīng)的石油烴降解實(shí)驗(yàn)用菌劑。進(jìn)行模擬不同溫度條件下黃土土壤石油污染的微生物修復(fù)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置為150mL 三角瓶和具塞三角瓶。黃土土壤石油污染微生物降解模擬實(shí)驗(yàn), 用若干(按實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的數(shù)量 150mL 三角瓶(第一次實(shí)驗(yàn)用 和具塞三角瓶(第二次實(shí)驗(yàn)用 每個(gè)瓶中加入10g 無菌風(fēng)干土壤, 加入一定量的原油, 原油的加入方法:將野外取回的原油, 用石油醚(沸點(diǎn)6090稀釋至1%, 取實(shí)驗(yàn)所需要量均勻混入實(shí)驗(yàn)土壤中, 用氮?dú)獯得撌兔?。而后均勻加?mL 營(yíng)養(yǎng)液和接入3mL 培養(yǎng)好的菌液, 營(yíng)養(yǎng)液成分見表1。按不同溫度條件

14、進(jìn)行實(shí)驗(yàn), 一定的間隔時(shí)間取出一瓶樣品, 分析土壤中石油的降解去除的含量。同時(shí)作同等條件無菌對(duì)照, 按一定時(shí)間取樣測(cè)試石油的變化。第一次實(shí)驗(yàn)三角瓶用棉塞實(shí)驗(yàn), 但時(shí)間一長(zhǎng)則蒸發(fā)量大實(shí)驗(yàn)樣品干燥需要不斷的添加無菌蒸餾水影響實(shí)驗(yàn)效果。第二次實(shí)驗(yàn)改為具塞三角瓶, 以保證實(shí)驗(yàn)過程有足夠的含水量, 510s , , 使實(shí)驗(yàn)過程中有足夠的。5%, 該添加劑有兩個(gè)主要作用, 一是改, 另外是為細(xì)菌作為營(yíng)養(yǎng)素的來源, 其它實(shí)驗(yàn)條件同第一次實(shí)驗(yàn)。在一定時(shí)間取樣測(cè)試石油含量的變化。表1實(shí)驗(yàn)用營(yíng)養(yǎng)液成分Table 1The C omponents of the nutrient medium used in the

15、 experiment化學(xué)成分含量/(g L 21K 2HPO 43H 201. 0KH 2PO 41. 0MgSO 4. 7H 2O 0. 5N H 4NO 31. 0CaCl 20. 02FeCl 30. 013實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論3. 1第一次土壤降解實(shí)驗(yàn)第一次土壤降解實(shí)驗(yàn)是在2007年3月30日5月14日?？紤]研究區(qū)地表土壤在春、夏、秋溫度一般在2030左右, 選擇了不同的溫度段進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。溫度為30、25、20, 以及不同的石油含量進(jìn)行實(shí)驗(yàn), 并在30、25兩個(gè)溫度選擇了平行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。表2第一次實(shí)驗(yàn)石油污染土壤細(xì)菌降解石油含量隨時(shí)間變化測(cè)試結(jié)果Table 2Result s of

16、 oil content s wit h time during bacterial degradation in oil contaminated soil for t he first batchmg/kg取樣日期(月/日3/304/24/44/64/94/124/275/14試驗(yàn)天數(shù)/d035710132845302780. 01530. 01445. 0538. 0675. 0268. 0570. 0316. 0301451. 01410. 01255. 0302. 0372. 0344. 0311. 0296. 0252780. 02040. 02100. 0384. 0660. 0

17、558. 0655. 0334. 0251451. 01180. 01015. 0280. 0281. 0263. 0304. 0279. 0201451. 01370. 01490. 0525. 0638. 0503. 0585. 0292. 030對(duì)照1515. 01315. 51450. 01525. 0252790. 02840. 02710. 02780. 0注:“”表示沒有測(cè)試。第6卷總第39期南水北調(diào)與水利科技2008年第6期3. 2第一次土壤修復(fù)模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果第一次土壤細(xì)菌降解石油的模擬實(shí)驗(yàn)顯示, 微生物細(xì)菌在土壤石油污染的修復(fù)具有較好的降解作用。表2顯示, 雖然模擬實(shí)驗(yàn)溫度不同

18、, 選擇的3個(gè)溫度為20、25、30但實(shí)驗(yàn)效果基本相同。30的實(shí)驗(yàn)在第13d 時(shí)去除率達(dá)90%, 總的來說實(shí)驗(yàn)在第45d 時(shí)去除率都在80%左右, 有的達(dá)85%以上。對(duì)照樣品中的石油含量變化不大, 從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)看基本在5%以內(nèi)(30的對(duì)照第3d 數(shù)據(jù)可能有誤舍去 , 說明在同等溫度無菌條件下短時(shí)間內(nèi)土壤中石油降解是緩慢的。研究區(qū)冬季因其氣溫較低一般最低溫度多在-10以下, 土壤均為凍土層極大的抑制了大多數(shù)微生物的生長(zhǎng)與活動(dòng), 限定了微生物的作用。因此研究區(qū)在冬季不適宜應(yīng)用微生物方法修復(fù)大面積石油污染。3. 3第二次土壤修復(fù)模擬實(shí)驗(yàn)第二次土壤修復(fù)模擬實(shí)驗(yàn)是在2007年6月21日86日。根據(jù)第一次實(shí)

19、驗(yàn)結(jié)果, 高, , 30。, 5%, 該, 二是給細(xì)菌生長(zhǎng)增加營(yíng)養(yǎng)素。每一溫度條件同時(shí)作一平行實(shí)驗(yàn), 用以相互驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。表3第二次實(shí)驗(yàn)石油污染土壤細(xì)菌降解石油含量隨時(shí)間變化測(cè)試結(jié)果Table 3Result s of oil content s wit h time during bacterial degradation in oil contaminated soil for the second batchmg/kg取樣日期(月/日 6/216/297/67/107/167/308/6試驗(yàn)天數(shù)/d081519253037351790.0590.0207.035795.0256

20、.0795.0480.0267.0219.0186.0118.091.535對(duì)照1790.01762.030對(duì)照1790.01754.0注:“”表示沒有測(cè)試。3. 4第二次土壤修復(fù)模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果第二次實(shí)驗(yàn), 進(jìn)一步驗(yàn)證微生物細(xì)菌對(duì)土壤石油污染的降解確有較好的作用。表3顯示, 雖然實(shí)驗(yàn)選擇了2個(gè)溫度,35、30的實(shí)驗(yàn)效果基本相同,35的效果略好于30的效果。實(shí)驗(yàn)在第30d 時(shí)去除率都在85%左右, 大多達(dá)85%以上。35的實(shí)驗(yàn)30d 時(shí)都達(dá)到85%以上。從實(shí)驗(yàn)效果看, 第二次實(shí)驗(yàn)利用草坪草晾干粉碎作為添加劑, 起到了一定的作用, 使第二次實(shí)驗(yàn)時(shí)間雖短于第一次時(shí)間卻增大了去除率, 增大5%以上。在同

21、等條件的平行實(shí)驗(yàn)效果也基本一致, 得到了相互驗(yàn)證的效果。無菌對(duì)照表明實(shí)驗(yàn)期內(nèi)石油含量變化不大。兩次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均有個(gè)別反常, 分析原因:一是每個(gè)樣品均為獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)裝置, 實(shí)驗(yàn)過程中細(xì)菌的生長(zhǎng)影響因素很多不可能都完全一致。如菌群在土壤中的分布是否均勻, 營(yíng)養(yǎng)物、添加物、氧氣等的加入均勻度均可影響細(xì)菌的作用。二是實(shí)驗(yàn)過程中石油添加的不夠均勻有局部團(tuán)塊存在短時(shí)間內(nèi)則難以降解。當(dāng)然也有其它原因造成的可能。天然土壤中含有豐富的微生物, 具有潛在的降解石油污染物的能力。且可降解石油的細(xì)菌在多年連續(xù)的污油中不斷馴化, 具有較強(qiáng)的降解石油污染物的潛力。采用投加從原來土著體系中篩選出的微生物進(jìn)行生物強(qiáng)化, 能克服其

22、他外源菌所面臨的存活力較弱、與土著微生物之間可能存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系等一系列問題, 且這種生物強(qiáng)化技術(shù)操作簡(jiǎn)便, 實(shí)用性強(qiáng), 在生物修復(fù)方面具有較廣闊的應(yīng)用前景。石油是由上千種化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)組成的復(fù)雜混合物, 用單種微生物細(xì)菌很難將其徹底降解, , 越來越多的。如何能消除菌群, , 。本次實(shí)驗(yàn)通, 利用優(yōu)化原位土著微生物菌群輔以物理和化學(xué)方法相結(jié)合的修復(fù)技術(shù), 進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)溫度、水、氧氣、營(yíng)養(yǎng)元素等的調(diào)控, 對(duì)土壤中石油的降解實(shí)驗(yàn), 驗(yàn)證了微生物修復(fù)技術(shù)在黃土土壤石油污染降解的有效性和應(yīng)用的可行性。為野外原位試驗(yàn)提供了經(jīng)驗(yàn), 奠定了基礎(chǔ), 積累了技術(shù)。4結(jié)論通過上述兩次實(shí)驗(yàn), 微生物細(xì)菌在土壤石油污

23、染的修復(fù)是有較好的降解作用。第一次實(shí)驗(yàn)顯示, 雖然實(shí)驗(yàn)溫度不同, 選擇的3個(gè)溫度的實(shí)驗(yàn)效果基本相同。實(shí)驗(yàn)在第45d 時(shí)去除率都在80%左右。有的達(dá)85%以上。第二次實(shí)驗(yàn)顯示, 選擇的2個(gè)溫度, 效果也相同。實(shí)驗(yàn)在第30d 時(shí)去除率都在85%左右, 大多達(dá)85%以上。另外利用草坪草晾干粉碎作為添加劑, 起到了一定的作用, 使第二次實(shí)驗(yàn)時(shí)間雖短于第一次卻增大了去除率, 增大5%以上。在同等條件的平行實(shí)驗(yàn)效果也基本一致, 得到了相互驗(yàn)證的效果。對(duì)照樣品中的石油含量變化不大, 基本在5%以內(nèi), 說明在同等溫度無菌條件下短時(shí)間內(nèi)土壤中石油降解是緩慢的。從整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程可得出土壤中石油含量在79510mg/

24、kg 、145110mg/kg 、179010mg/kg 、278010mg/kg 時(shí), 經(jīng)過3045d 微生物降解實(shí)驗(yàn),土壤中石油含量降解可達(dá)77127%89106%, 為黃土土壤石油污染的修復(fù)提供了技術(shù)方法和應(yīng)用的可行性。驗(yàn)證了本次試驗(yàn)調(diào)控添加的營(yíng)養(yǎng)元素和對(duì)土壤環(huán)境的改善是比較適度的, 方法是可行的。參考文獻(xiàn):1Jorgensen K S , Puustinen J ,Suortti A M. Bioremediation of Pe 2troleum Hydrocarbon Contaminated Soil by Composting in Bio 2pilesJ.Environmen

25、tal Pollution ,2000,107(2 :2452254. 2Debontj A M. S olvent 2tolerant Bacteria in BiocatalysisJ.T rendsBiotechnol ,1998,16:4932499.(下轉(zhuǎn)第71頁張勝等石油污染黃土土壤的微生物修復(fù)實(shí)驗(yàn)研究主要受到三方面影響:一方面受到農(nóng)產(chǎn)品價(jià)格的影響, 二是污灌面積逐年增大的影響, 三是蔬菜種植面積逐年增長(zhǎng)的影響。說明近幾年河北省農(nóng)業(yè)用水受到明顯擠占, 水資源短缺現(xiàn)象加重, 污灌面積增加。2004年污灌造成的直接農(nóng)作物的經(jīng)濟(jì)損失約為2310億元, 其中蔬菜為1918億元, 小麥為11

26、6億元, 玉米為116億元, 稻谷012億元。各年度中污灌對(duì)蔬菜的影響損失均為最大, 其次是小麥和玉米, 影響最小的是稻谷。其中蔬菜的損失占到農(nóng)產(chǎn)品總損失86%88%, 小麥、玉米、稻谷影響程度基本相當(dāng), 原因是由于污水灌溉對(duì)蔬菜的品質(zhì)和超標(biāo)損失影響較大, 對(duì)大田作物稻谷、玉米、小麥影響相對(duì)較小。這充分說明, 每年污灌區(qū)產(chǎn)出大量的劣質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品, 直接進(jìn)入市場(chǎng), 進(jìn)入人們的生活, 直接關(guān)系到人們的食品安全和身體健康, 對(duì)社會(huì)的負(fù)面影響很大, 應(yīng)當(dāng)引起高度重視。對(duì)水污染造成的農(nóng)業(yè)損失與當(dāng)年的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值進(jìn)行對(duì)比, 各年度農(nóng)業(yè)損失占當(dāng)年農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值的比例2000年2004年各年度變化不大, 值的119

27、6%2107%, 4結(jié)語, 污水是灌溉水源的重要來源, 而且污灌面積逐年增大不可避免, 所以要減輕污灌對(duì)農(nóng)作物的影響, 必須從加強(qiáng)污水的治理水平入手, 通過加強(qiáng)對(duì)工業(yè)廢水和生活污水的處理, 使污染源能夠達(dá)標(biāo)排放, 農(nóng)用水質(zhì)能夠滿足農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(G B5084292 。在對(duì)水資源進(jìn)行合理調(diào)配過程中, 污水灌溉盡量選取大田作物, 避免對(duì)蔬菜、水稻使用污水灌溉, 而且在污灌的過程中, 盡量采用間歇污灌和輪流污灌的方式, 充分利用自然界的自凈能力, 保護(hù)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量不受影響, 實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展, 為社會(huì)提供無污染、安全、優(yōu)質(zhì)的農(nóng)產(chǎn)品。參考文獻(xiàn):1葛吉琦. 污染損失與環(huán)境效益分析J.

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