墊土法植物修復(fù)石油污染土壤的試驗(yàn)研究

趙 敏,張海玲,楊 琴,冀仲倫,王京秀,張忠智,陳 榮,陳 嘯

(1.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司油氣工藝研究院,陜西西安710018;2.中國(guó)石油大學(xué)(北京)重質(zhì)油國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京102249;3.北京中科潤(rùn)石油技術(shù)服務(wù)有限公司,北京100000)

墊土法植物修復(fù)石油污染土壤的試驗(yàn)研究

趙 敏1,張海玲1,楊 琴1,冀仲倫1,王京秀2,張忠智2,陳 榮3,陳 嘯3

(1.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司油氣工藝研究院,陜西西安710018;2.中國(guó)石油大學(xué)(北京)重質(zhì)油國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京102249;3.北京中科潤(rùn)石油技術(shù)服務(wù)有限公司,北京100000)

進(jìn)行了紫花苜蓿、白三葉、黑麥草和葦狀羊茅在不同濃度石油污染土壤中的存活率實(shí)驗(yàn)、石油降解實(shí)驗(yàn)和在水培養(yǎng)條件下的根部生長(zhǎng)觀察實(shí)驗(yàn),并采用墊土法對(duì)高濃度石油污染土壤進(jìn)行了120 d的植物修復(fù)實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明,禾本類植物黑麥草和葦狀羊茅比豆科類植物紫花苜蓿和白三葉更適于石油污染土壤的修復(fù);墊土法可使植物種子發(fā)芽生根,增強(qiáng)了植物對(duì)石油污染的抗脅迫能力,但植物產(chǎn)生了大量高毒性的芳烴代謝產(chǎn)物,對(duì)根際微生物產(chǎn)生毒害,因而芳烴組分降解效率低;禾本類植物明顯優(yōu)于豆科類植物,在一定程度上更適合修復(fù)高濃度石油污染土壤。

墊土法;植物修復(fù);石油污染土壤;石油降解

植物修復(fù)是利用植物來(lái)固定、修復(fù)、減少或復(fù)原被污染的土壤、沉積物、地表或地下水[1,2]。在油污場(chǎng)地栽種植物進(jìn)行修復(fù)涉及到一個(gè)重要的因素,即植物必須能夠存活。在種植前,發(fā)芽試驗(yàn)可用來(lái)判斷植物是否能成功用于修復(fù)試驗(yàn)[3]。例如,Kruger等[4]測(cè)試了4種草類植物(葦狀羊茅,多年生黑麥草,Reliant硬羊茅和拿騷肯塔基牧草)種子在每千克土含有220 mg多環(huán)芳烴和26 mg多氯聯(lián)苯的土壤中的發(fā)芽率,結(jié)果表明葦狀羊茅的發(fā)芽率最高;Wiltse等[5]發(fā)現(xiàn)苜蓿種子可以在原油含量高達(dá)5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的污染土壤中存活;Escalante-Espinosa等[6]報(bào)道當(dāng)?shù)匾环N草Cyperuslaxus Lam.能夠在石油烴含量為20%～40%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的污染土壤中生長(zhǎng);Pettersson等[7]通過(guò)交替設(shè)置柴油污染土壤與無(wú)污染土壤,研究了黑麥草的根系空間分布以及根部生物質(zhì)變化,結(jié)果表明,在柴油污染土壤上墊上一層無(wú)污染土可以促進(jìn)黑麥草的發(fā)芽與生根。

作者在此選擇紫花苜蓿、白三葉、黑麥草和葦狀羊茅4種植物,通過(guò)在不同濃度石油污染土壤中的存活率實(shí)驗(yàn)、石油降解實(shí)驗(yàn)和在水培養(yǎng)條件下的根部生長(zhǎng)觀察實(shí)驗(yàn),篩選得到更適于石油污染土壤修復(fù)的植物,并采用墊土法考察了它們對(duì)高濃度石油污染土壤的植物修復(fù)效果。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 供試土壤與植物

實(shí)驗(yàn)用土壤分別取自長(zhǎng)慶油田和堆肥處理過(guò)的石油污染土壤,含油量分別為8.25 g·kg-1(干土)和33.271 g·kg-1(干土)。

紫花苜蓿、白三葉、黑麥草和葦狀羊茅。

1.2 試劑與儀器

所用試劑均為分析純。

RQX-300B型智能型人工氣候箱、OIL-420型紅外測(cè)油儀、索氏抽提器、光學(xué)顯微鏡、MC1系列AC型電子天平、101-3AB型電熱鼓風(fēng)干燥箱、圓型塑料花盆(高15 cm、直徑10 cm)。

1.3 方法

1.3.1 供試植物在不同濃度石油污染土壤中的存活率實(shí)驗(yàn)

采用質(zhì)量稀釋法[8,9]將長(zhǎng)慶油田污染土樣的含油量分別稀釋到1 g·kg-1、2 g·kg-1、3 g·kg-1和4 g ·kg-14個(gè)濃度梯度。塑料花盆底均勻分布3個(gè)直徑為2 cm的圓孔。各加入8 kg不同濃度石油污染的土壤,加水至土壤最大飽和持水量,放置5 d后分別種植4種供試植物(各取30粒種子),平行澆灌操作,室內(nèi)培養(yǎng)。播種30 d后對(duì)其最終存活數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。設(shè)置一盆無(wú)污染土壤種植對(duì)照樣。

1.3.2 供試植物在不同濃度石油污染土壤中的石油降解實(shí)驗(yàn)

采用質(zhì)量稀釋法將長(zhǎng)慶油田污染土樣的含油量分別稀釋到2 g·kg-1和4 g·kg-1兩個(gè)濃度梯度,各取30粒4種供試植物種子種植于不同濃度石油污染的土壤中,平行澆灌操作,室外自然培養(yǎng)60 d。以20 d為周期,對(duì)植物根際土壤中可提取石油濃度進(jìn)行測(cè)定,按梅花方式進(jìn)行取樣[10]。設(shè)置一盆無(wú)污染土壤種植對(duì)照樣。

1.3.3 供試植物在水培養(yǎng)條件下的根部生長(zhǎng)觀察實(shí)驗(yàn)

取4種供試植物種子各30粒,放入培養(yǎng)皿中,加入50 m L水,并用標(biāo)簽筆標(biāo)出水位高度,將培養(yǎng)皿放入智能人工氣候箱。調(diào)節(jié)人工氣候箱為:白天16 h,溫度28℃,光照66%;夜間8 h,溫度20℃,濕度60%。每天上午10點(diǎn)和下午4點(diǎn)用顯微鏡觀察培養(yǎng)皿中供試植物種子的根部生長(zhǎng)情況,并不斷添水使培養(yǎng)皿中的水位維持不變。

1.3.4 墊土法植物修復(fù)高濃度石油污染土壤實(shí)驗(yàn)

將含油量為33.271 g·kg-1的土壤按1∶1的比例加水調(diào)成泥漿,攪拌均勻后40℃烘干。每個(gè)花盆盛放1 kg干土,高度為10 cm,在其上墊一層經(jīng)過(guò)高溫滅菌處理(121℃,1 h)的5 cm厚的無(wú)污染耕作土壤,保持含水率20%左右,在人工氣候箱中放置平衡7 d后播種,每盆播種量為1 g,約400粒種子。調(diào)節(jié)人工氣候箱為:白天16 h,溫度24℃,光照強(qiáng)度6000 lx,濕度80%;夜間8 h,溫度20℃,濕度80%。花盆用尼龍紗布?jí)|上,取樣時(shí)將整個(gè)紗布連土提起,用滅菌的不銹鋼小勺從土墩側(cè)面橫向挖開(kāi)約1 cm深再取內(nèi)部土壤。每次從土表下5 cm和10 cm處分別采集等量土壤,混勻,存于低溫冰箱待分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 供試植物在不同濃度石油污染土壤中的存活率(圖1)

圖 1 供試植物在不同濃度石油污染土壤中的存活率Fig.1 Survival amounts of the tested plants in different concentrations of oil-contaminated soil

由圖1可知,當(dāng)土壤中石油濃度相同時(shí),4種植物種子的存活率各不相同,說(shuō)明不同植物的存活率由于其自身物種的不同而存在明顯的差別,其中禾本類植物黑麥草和葦狀羊茅的存活率比豆科類植物紫花苜蓿和白三葉要高出約17%。4種植物存活率均與土壤中的石油濃度成反比,即污染土壤中的石油濃度越高,植物存活率越低?？傮w來(lái)說(shuō),禾本類植物葦狀羊茅和黑麥草在污染土壤中的存活率明顯高于豆科類植物紫花苜蓿和白三葉,說(shuō)明其對(duì)石油的抗脅迫能力更強(qiáng)。

2.2 供試植物在不同濃度石油污染土壤中對(duì)石油的降解效果(圖2)

圖2 不同濃度石油污染土壤中可提取石油的濃度Fig.2 Concentration of extractable petroleum in different concentrations of oil-contaminated soil

由圖2可知,4種植物紫花苜蓿、白三葉、黑麥草和葦狀羊茅在石油濃度為2 g·kg-1的污染土壤中對(duì)石油的降解效果普遍要比石油濃度為4 g·kg-1的土壤好,降解率分別高出1.22%、4.67%、3.00%和3.05%,說(shuō)明在不考慮修復(fù)植物物種差異的情況下,修復(fù)植物對(duì)石油污染物的降解效果與土壤中的石油濃度成反比,即石油污染濃度越高,降解效果越差,越不容易為植物及其根際環(huán)境所降解。

在兩種不同濃度石油污染的土壤中,禾本類植物黑麥草和葦狀羊茅對(duì)石油的降解效果均好于豆科類植物紫花苜蓿和白三葉:在石油濃度為2 g·kg-1的土壤中降解率平均高出4.95%;在石油濃度為4 g·kg-1的土壤中降解率平均高出4.87%。其次,在2種不同濃度石油污染的土壤中,植物物種間修復(fù)效果好壞的順序均為:葦狀羊茅＞黑麥草＞紫花苜蓿＞白三葉。研究表明,禾本類植物葦狀羊茅和黑麥草比豆科類植物紫花苜蓿和白三葉在石油污染土壤植物修復(fù)過(guò)程中具有更大的修復(fù)應(yīng)用潛力。

2.3 供試植物在水培養(yǎng)條件下的根部生長(zhǎng)情況

豆科類植物根尖分裂作用如圖3所示。4種植物在水培養(yǎng)條件下的根部生長(zhǎng)顯微照片如圖4所示。

圖3 豆科類植物根尖分裂作用Fig.3 Root division function of leguminosae

圖4 供試植物根部生長(zhǎng)狀況顯微照片F(xiàn)ig.4 Microscopic images of the tested plants roots

由圖3和圖4可知,豆科類植物紫花苜蓿和白三葉的根部在前期生長(zhǎng)過(guò)程中,主要依靠根尖部分的分裂裂作用且?guī)缀鯖](méi)有側(cè)根,所需水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)主要通過(guò)根尖吸收;另外,豆科類植物本身生長(zhǎng)迅速,對(duì)水分和營(yíng)養(yǎng)的要求比較高,很容易萎蔫死亡。而在禾本類植物葦狀羊茅和黑麥草的根部生長(zhǎng)過(guò)程中,其主根和側(cè)根同時(shí)生長(zhǎng),而且側(cè)根系很發(fā)達(dá)。側(cè)根發(fā)達(dá)可以為植物提供更大的根部有效面積,擴(kuò)大植物根際降解環(huán)境的有效范圍;而在側(cè)根和主根同時(shí)生長(zhǎng)的過(guò)程中,側(cè)根可以對(duì)植物起到良好的固定作用,并具有吸收水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的功能,在植物主根和根尖受到部分損害的情況下,側(cè)根可以分擔(dān)主根根尖吸收水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的負(fù)荷,提高植物在石油污染土壤的存活能力,這對(duì)于植物在石油污染土壤的惡劣環(huán)境中的生長(zhǎng)至關(guān)重要;另外,禾本類植物的生長(zhǎng)速度比較慢,對(duì)水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)需求不是很高,這就更利于其在石油污染環(huán)境中存活,進(jìn)一步說(shuō)明禾本類植物比豆科類植物更適于石油污染土壤的修復(fù)。

2.4 墊土法修復(fù)高濃度石油污染土壤的效果

采用墊土法植物修復(fù)高濃度石油污染土壤的效果見(jiàn)表1。

表1 石油類污染物降解效果Tab.1 Degradation results of oil pollutants

墊土法可使黑麥草、紫花苜蓿及葦狀羊茅發(fā)芽生根,并在實(shí)驗(yàn)初期長(zhǎng)勢(shì)旺盛。但根系基本一直在上層的無(wú)污染土層中,只有葦狀羊茅的少量根系深入下層油土。到第120 d時(shí),黑麥草與紫花苜蓿都枯死,葦狀羊茅也只有少數(shù)草株存活。

由表1可知,經(jīng)過(guò)120 d的降解后,種植有禾本類及豆科類植物的土壤中石油降解率都顯著高于無(wú)種植土樣。雖然后期除葦狀羊茅外的植株都枯萎,但殘根腐解提供的營(yíng)養(yǎng)還是對(duì)微生物降解起到了一定作用。最終發(fā)現(xiàn),經(jīng)過(guò)120 d修復(fù)后,葦狀羊茅根際土壤石油類污染物總?cè)コ蕿?9.3%,是最適合修復(fù)高濃度石油污染土壤的禾本類植物。

以120 d時(shí)葦狀羊茅根際土壤提取出的石油進(jìn)行氣相色譜-質(zhì)譜分析,并與初始時(shí)的譜圖進(jìn)行比較,結(jié)果見(jiàn)圖5、圖6,芳烴代謝中間產(chǎn)物的質(zhì)譜見(jiàn)圖7。

圖5 葦狀羊茅根際烷烴(m/z 85)質(zhì)量色譜Fig.5 GC-MS Chromatograms for alkane hydrocarbons(m/z 85)in rhizosphere of tall fescue

圖6 葦狀羊茅根際芳烴質(zhì)量色譜Fig.6 GC-MSChromatograms for aromatic hydrocarbons in rhizosphere of tall fescue

圖7 芳烴代謝中間產(chǎn)物的MS圖譜Fig.7 GC-MSSpectra for aromatic metabolic intermediate products

由圖5可知,主要的烷烴,即十七烷到二十四烷都有不同程度的降解,其中2,6,10,14-四甲基十五烷由于存在支鏈,降解率稍低。氣相色譜基線呈“鼓包”,表明樣品中含有大量的UCM(Unresolved complex mixture)。由圖6可知,芳烴色譜圖中在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)就已經(jīng)檢索不到原始態(tài)的芳香烴,這可能是堆肥處理之前土樣中芳香烴含量就較低,經(jīng)過(guò)堆肥處理后基本都轉(zhuǎn)化為代謝產(chǎn)物了。大量的芳烴中間產(chǎn)物的存在,可能是導(dǎo)致這種污染土壤對(duì)植物具有較高毒性的原因。如保留時(shí)間為37.94 min、35.85 min和33.17min的譜峰對(duì)應(yīng)的物質(zhì)含量分別為3.32%、3.13%和1.05%。而且在修復(fù)120 d后,芳烴色譜圖變化很小,這說(shuō)明土壤中缺乏能夠進(jìn)一步代謝這些中間產(chǎn)物的微生物,或者是這類微生物不占優(yōu)勢(shì),難以代謝這些中間產(chǎn)物,芳烴組分的降解效率低。雖然土壤中存在很多微生物能進(jìn)行芳烴的初始代謝,但接下來(lái)的中間產(chǎn)物是需要多種微生物協(xié)同作用才能進(jìn)一步代謝的。

3 結(jié)論

以紫花苜蓿、白三葉、黑麥草和葦狀羊茅為供試植物進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn),并采用墊土法對(duì)高濃度石油污染土壤進(jìn)行植物修復(fù),研究表明:

(1)豆科類植物紫花苜蓿和白三葉具有發(fā)芽、生長(zhǎng)速度快的特點(diǎn),但對(duì)石油污染物的降解效果相對(duì)較差;而禾本類植物黑麥草和葦狀羊茅的生長(zhǎng)速度相對(duì)較緩慢,但對(duì)石油污染物的抗脅迫能力強(qiáng),更容易生存,須根系發(fā)達(dá),而且側(cè)根和主根同時(shí)生長(zhǎng),更適于石油污染土壤的修復(fù)。

(2)采用墊土法能夠增強(qiáng)植物對(duì)高濃度石油的抗脅迫性。

(3)總體而言,禾本類植物明顯優(yōu)于豆科類植物,在一定程度上更適合修復(fù)高濃度石油污染土壤。

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Experimental Study on Phytoremediation of Oil-Contaminated Soil Using Filling Soil Method

ZHAO Min1,ZHANG Hai-ling1,YANG Qin1,JI Zhong-lun1,WANG Jing-xiu2, ZHANG Zhong-zhi2,CHEN Rong3,CHEN Xiao3
(1.Research Institute of Oil and Gas Technology,Changqing Oilfield Branch Company PetroChina, Xi'an 710018,China;2.the State Key Laboratory of Heavy Oil,China University of Petroleum, Beijing 102249,China;3.Beijing Greenoil Technology Services Co.,Ltd.,Beijing 100000,China)

In this paper,the survival test and oil-degradation test of alfalfa,white clover,ryegrass and tall fescue in different concentrations of oil-contaminated soil were carried out,and the root growth under water condition was also observed.Filling soil method was used to treat high concentration of oil-contaminated soil in 120 days of phytoremediation.The results showed that,ryegrass and tall fescue of gramineae were much better than alfalfa and white clover of leguminosae in application of remediation of oil-contaminated soil;filling soil method could make the tested plants germination root and increase the resistance to oil pollution,but plenty of highly toxic aromatic metabolites were produced,while there was a lack of microorganisms that degraded them, so the degradation efficiency of aromatic components was low.In a word,the gramineae plants were superior to the leguminosae plants obviously and suitable for remediation of high concentration of oil-contaminated soil to some extent.

filling soil method;phytoremediation;oil-contaminated soil;oil-degradation

X 53

A

1672-5425(2013)03-0090-05

10.3969/j.issn.1672-5425.2013.03.024

2013-01-03

趙敏(1983-),女,陜西西安人,碩士,工程師,研究方向:油氣田環(huán)保技術(shù);通訊作者:張忠智,教授,博士生導(dǎo)師,E-mail: bjzzzhang@163.com。