植物-微生物聯(lián)合修復石油-重金屬復合污染土壤的研究

陳雪蘭，成杰民

（山東師范大學 人口資源與環(huán)境學院，山東 濟南 250014）

植物-微生物聯(lián)合修復石油-重金屬復合污染土壤的研究

陳雪蘭，成杰民

（山東師范大學 人口資源與環(huán)境學院，山東 濟南 250014）

植物及微生物聯(lián)合修復石油-重金屬復合污染土壤具有很大的潛力。但重金屬以不同形態(tài)存在關(guān)系到石油-重金屬復合污染土壤生物修復過程中，植物、微生物的修復效率以及是否需要增加輔助工程解決重金屬污染等問題，因此石油-重金屬復合污染土壤修復過程中就必須考慮重金屬有效態(tài)及形態(tài)的變化特征。

重金屬形態(tài)變化；復合污染；聯(lián)合修復；土壤

1 土壤石油-重金屬復合污染現(xiàn)狀

隨著世界經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，人口的快速增長和人類生活水平的不斷提高，環(huán)境污染物的排放量與日俱增，環(huán)境污染和生態(tài)破壞給土壤帶來了嚴重的污染，進入土壤環(huán)境中的有毒有害物質(zhì)日益增多，土壤作為人類賴以生存的自然環(huán)境，已顯露出不堪重負的跡象。隨著石油生產(chǎn)量和消費量的不斷提高，石油類物質(zhì)進入土壤造成的污染問題日益嚴重，特別在油田區(qū)更為突出。全球石油總產(chǎn)量每年達22億t，其中80%產(chǎn)自陸地油田。遼寧省環(huán)境監(jiān)測站的監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，在遼河油田重度污染區(qū)內(nèi)，土壤中的含油量已達到10 000mg/kg；大慶油田石油開發(fā)區(qū)污染土壤面積超過75%，油井周圍100 m范圍內(nèi)土壤中平均含油量達1 037mg/kg；我國最大的石油污灌區(qū)沈撫灌區(qū)，土壤中礦物油濃度高達6 861.1mg/kg，均遠遠高于臨界500mg/kg[1]。而且目前土壤重金屬污染也日益嚴重。全世界平均每年排放約1.5萬tHg、340萬tCu、500萬tPb、1 500萬tMn、100萬t Ni[2，3]。重金屬污染的加劇，不可避免地造成了土壤肥力退化、農(nóng)作物產(chǎn)量降低和品質(zhì)下降，嚴重影響環(huán)境質(zhì)量和經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展[4]。

工業(yè)的快速發(fā)展和科學技術(shù)的不斷創(chuàng)新，讓人們逐漸認識到環(huán)境污染物多具有伴生性和綜合性[5，6]，即不同污染物之間會產(chǎn)生聯(lián)合作用，形成復合污染。國外研究結(jié)果表明，石油中可檢測出Ni、V、Fe等56種微量金屬元素，石油勘探和開采、原油泄漏等原因會導致大量重金屬進入土壤環(huán)境，土壤石油污染可能會伴生土壤重金屬污染[7～9]。Chukwujindu等[10]研究發(fā)現(xiàn)，在尼日利亞的尼日爾河三角洲石油污染土壤上可檢測到大量重金屬Zn、Cu、Pb、Cd、Ni、Cr、Mn。邵濤等[11]對江蘇某油區(qū)已開采多年的未耕土壤研究表明，油污染土壤中總As、Pb、Cr等都有不同程度的存在。由此可知，土壤石油污染可能會伴生土壤重金屬污染。因此，油田區(qū)石油-重金屬復合污染土壤的研究及修復，已成為亟待解決的問題。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 石油-重金屬復合污染土壤修復綜述

目前，土壤污染的研究與大氣、水體污染的研究相比，無論是規(guī)模上，還是其研究的深度上，乃至經(jīng)濟效益上，都還存在著一定的差距。近年來國內(nèi)外已在物理、化學、生物治理方面取得了一定進展[12]。主要處理方式包括熱處理法[13]（焚燒法）、隔離法[14]和換土法[15]等物理、化學方法以及生物修復技術(shù)。其中，新近發(fā)展起來的生物修復方法由于具有處理效果好、費用低、對環(huán)境影響小、無二次污染及應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點，在治理污染方面具有明顯的優(yōu)越性[16～18]，物理和化學方法存在治理不徹底，費用高以及二次污染嚴重等缺陷，因此目前只是作為生物處理方法的輔助手段。

據(jù)報道，受有機污染物污染的土壤，主要以微生物的修復研究為主，植物修復技術(shù)則主要應(yīng)用于受重金屬等無機污染物污染的土壤修復[19]。對植物根際微域的研究表明，植物與微生物共同配合能明顯提高修復的效果[20]。而且，植物與特殊的細菌真菌或根際菌群等微生物協(xié)同作用，能增加對污染物的吸收和降解，通過選擇適當?shù)闹参锱c微生物協(xié)同作用，可實現(xiàn)污染土壤的快速修復。因此，利用植物及微生物聯(lián)合修復石油-重金屬復合污染土壤具有很大的潛力。

2.2 石油-重金屬復合污染土壤生物修復的研究

迄今為止，國內(nèi)外對于土壤有機-無機復合污染及其修復的研究較多，石油作為有機物中的代表性污染物，其與重金屬的復合污染機理及修復可參考有機物與重金屬復合污染及修復的報道。

馬溪平、付寶榮等[21]通過對植物-微生物聯(lián)合修復污染沈撫灌區(qū)土壤的研究表明，采用植物-微生物聯(lián)合修復，不僅能修復土壤中重金屬污染物，還能對其復合存在的有機污染起到一定的降解和修復，這使得生物修復的效果和適用范圍有進一步的提高。楊強[22]研究了有機污染物-重金屬復合污染土壤植物修復技術(shù)，結(jié)果表明，有機污染物的消減受到共存重金屬活性的影響，共存有機污染物也將影響植物對銅的吸收。丁克強、駱永明等[23]對苜蓿修復重金屬Cu和有機物苯并 [a]芘復合污染土壤的研究得出，由于土壤自身具有修復多環(huán)芳烴苯并 [a]芘污染的自然本能，在Cu污染下種植苜蓿具有強化苯并 [a]芘污染土壤的修復作用，可促進苜蓿生長，增強土壤微生物的活性，從而提高苜蓿修復Cu和苯并 [a]芘混合污染土壤的能力。趙曉秀[24]對重金屬銅復合污染土壤中石油的微生物降解研究得出，在不同濃度Cu2+污染的土壤中，正十六烷均能夠被微生物降解，且微生物對正十六烷的降解符合準一級動力學方程。土壤中沒有Cu2+存在時，110 d后，正十六烷的降解率為59%，當土壤中Cu2+濃度為23.7mg/kg時，正十六烷的降解率提高到66%，而當Cu2+濃度進一步升高至47.4mg/kg和237mg/kg時，正十六烷的降解率則下降為49%和39%。

因此，通過研究充分理解植物根系-微生物-污染物（石油和重金屬） 之間相互作用的機理，篩選出1～2種適于石油-重金屬復合污染土壤生長的具有微生物-植物協(xié)同作用，且耐受重金屬污染的植物品種。把植物和微生物修復方法相結(jié)合，將是很有價值的發(fā)展方向。

2.3 石油-重金屬復合污染土壤修復過程中重金屬形態(tài)變化的研究

隨著研究的深入，人們逐漸認識到，土壤中重金屬對環(huán)境危害的大小，更大程度上取決于其形態(tài)分布。重金屬的不同形態(tài)表現(xiàn)出不同的生物有效性和環(huán)境行為。重金屬在土壤中各種形態(tài)存在的數(shù)量比例，直接影響重金屬在土壤中的遷移、轉(zhuǎn)化以及對植物的毒性[25，26]。重金屬的形態(tài)和分配比例不同，其活化遷移能力和生物有效性不同，對環(huán)境的效應(yīng)也不同[27～29]。交換態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)重金屬與土壤結(jié)合較弱，最易被釋放，有較大的可移動性[30]。Fe/Mn氧化物結(jié)合態(tài)在還原條件下易溶解釋放[31]。有機物及硫化物結(jié)合態(tài)在氧化環(huán)境下易溶解釋放，殘渣態(tài)屬于不溶態(tài)重金屬，它只有通過化學反應(yīng)轉(zhuǎn)化成可溶態(tài)物質(zhì)才對生物產(chǎn)生影響[30]。

眾所周知，石油烴在土壤中的代謝中間產(chǎn)物是很復雜的，而現(xiàn)有的文獻報道，有機物對重金屬環(huán)境行為的影響十分復雜，高分子有機物通過絡(luò)合或螯合、吸附、截留等作用，鈍化土壤中重金屬；低分子有機物通過螯合、絡(luò)合作用活化土壤中重金屬，而且在石油-重金屬復合污染土壤修復過程中，由于植物吸收、根系活動和微生物降解等作用，根-土界面的物理、化學和生物學性質(zhì)與一般土體有明顯差別。加之石油降解中間代謝產(chǎn)物的影響，均可能改變重金屬在土壤-植物系統(tǒng)中的形態(tài)進而影響其遷移活性和生物有效性。因此，在石油烴被降解的過程中，重金屬的有效態(tài)、形態(tài)到底發(fā)生了何種變化，在植物體內(nèi)是如何遷移轉(zhuǎn)化的，這些都不得而知。所以，迫切需要對石油-重金屬復合污染生物修復條件下重金屬有效態(tài)和形態(tài)變化的影響進行研究。

熊先哲[32]研究石油在土壤中的代謝中間產(chǎn)物棕桐酸、兒茶酚和香草酸對土壤中Cd行為的影響表明，這3種石油烴降解產(chǎn)物均能增加土壤中有機結(jié)合態(tài)Cd的比例，土壤中兒茶酚為5 000mg/kg時，土壤中有機質(zhì)結(jié)合態(tài)Cd占總Cd的48.71%。Joel[33]研究發(fā)現(xiàn)微生物分解石油烴時能產(chǎn)生過量交換態(tài)錳、鐵，對植物造成毒害。蘇玉紅[34]通過研究證實，在石油污染的不同土壤中，黑土對Pb2+的吸附能力隨土壤中原油含量的增加而減小，主要原因是原油進入土壤有機質(zhì)后減小了腐殖質(zhì)對Pb2+的整合作用，而砂土、粘土中石油的存在對其吸附重金屬離子Pb2+的能力影響較小，可能由于礦物質(zhì)表面吸附居主導地位。

3 結(jié)語

前人的研究多聚焦于植物-微生物聯(lián)合修復單一的石油或重金屬污染土壤。本研究提出了“植物-微生物聯(lián)合修復石油-重金屬復合污染土壤”的思路，以實現(xiàn)復合污染土壤的快速有效修復。

在了解了重金屬隨石油進入土壤，其存在形態(tài)、復合污染特征、生物生態(tài)效應(yīng)的同時，必需了解石油-重金屬復合污染土壤的生物修復過程中重金屬的土壤環(huán)境行為，明確土壤石油-重金屬復合污染植物-微生物聯(lián)合修復過程中土壤重金屬DTPA提取態(tài)、重金屬形態(tài)、重金屬生物有效性等的變化規(guī)律。這是土壤石油-重金屬復合污染能否實現(xiàn)聯(lián)合修復的前提。因此，目前亟需對石油-重金屬復合污染土壤的生物修復過程中重金屬的形態(tài)變化進行研究，為經(jīng)濟、安全、高效、實用的石油-重金屬復合污染土壤的聯(lián)合修復技術(shù)的研發(fā)提供理論基礎(chǔ)。

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Study on Phyto-Microbial Remediation of Petroleum-Heavy Metals Contaminated Soil

Chen Xuelan，Cheng Jiemin
（College of Population,Resources and Environment,Shandong Normal University,Jinan Shandong 250014,China）

It is proved that plant-microorganism combined bioremediation is a potential way to remediate contaminated soils with multiple pollutants of oil and heavy metals.However,the various existing forms of the heavy metals are vital to remediation efficiency and whether it is needed to increase the auxiliary project or not.Thus,the change of availability and forms of heavy metals during microbial remediation in petroleum-heavy metals contaminated soil should be investigated.

speciation distribution of heavy metals； multiple contamination；phyto-microbial remediation；soil

X53

A

1008-813X（2012）05-0035-04

10.3969/j.issn.1008-813X.2012.05.011

2012-09-18

國家公益項目子項目《鹽漬土壤石油-重金屬復合污染修復技術(shù)及示范》（201109022）

陳雪蘭（1987-），女，山東萊蕪人，山東師范大學環(huán)境科學專業(yè)碩士生在讀，主要從事土壤污染的植物修復技術(shù)研究。