石油污染淺層含水層的微生物修復(fù)研究進(jìn)展

陳輝倫

(北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083)

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石油污染淺層含水層的微生物修復(fù)研究進(jìn)展

陳輝倫

(北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083)

微生物修復(fù)是治理淺層地下水有機(jī)物污染的重要途徑。從石油開采等過程對(duì)淺層含水層帶來的污染現(xiàn)狀、微生物修復(fù)的技術(shù)進(jìn)展、降解菌的篩選與分離和微生物修復(fù)的影響因素等方面綜述了石油污染淺層含水層的微生物修復(fù)主要研究進(jìn)展，分析了原位微生物修復(fù)技術(shù)在石油污染淺層含水層修復(fù)領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景;鑒于淺層地下水系統(tǒng)具有低溫、貧氧等特點(diǎn)，指出目前研究存在的不足，并強(qiáng)調(diào)指出地下水中石油類污染物的時(shí)空分布和遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律、優(yōu)良“土著”菌株的篩選和菌群的構(gòu)建、低溫缺氧環(huán)境下的降解研究、同位素技術(shù)、原位修復(fù)的現(xiàn)場(chǎng)研究以及微生物-植物的聯(lián)合修復(fù)將是今后石油污染淺層含水層的原位微生物修復(fù)技術(shù)的研究重點(diǎn)。

石油污染；淺層地下水；微生物修復(fù)；原位修復(fù)技術(shù)

世界范圍內(nèi)，至少有15億人將淺層含水層中的地下水作為飲用水的主要來源，而我國有2/3的人口以地下水為飲用水源，近30年來我國地下水開采量以25億m3/a的速度遞增[1]。隨著石油工業(yè)的發(fā)展，地下水環(huán)境系統(tǒng)中的石油污染問題已經(jīng)越來越嚴(yán)重。由于地下水系統(tǒng)的隱蔽性和復(fù)雜性，其污染問題往往不如地表水污染表現(xiàn)得直觀與突出，而長(zhǎng)期未受到應(yīng)有的重視，這使得地下水污染日趨加劇。石油對(duì)生物的危害分為大量石油造成的急性中毒和長(zhǎng)期低濃度石油的毒性效應(yīng)。毒理學(xué)實(shí)驗(yàn)表明，多種石油類污染物通過生物富集和生物放大效應(yīng)對(duì)人類等生物具有致癌、致畸和致突變的危害[2]，其污染與防治問題也由此引起世界各國政府及公眾的關(guān)注和研究。

石油類污染物的生物降解是指利用生物的代謝活動(dòng)催化降解石油類污染物，從而減輕或消除環(huán)境石油污染的一個(gè)受控或自發(fā)進(jìn)行的過程[3]。微生物降解因其具有對(duì)人和環(huán)境造成的影響最小、能夠使污染物最終分解為二氧化碳和水、不存在二次污染、費(fèi)用低等優(yōu)勢(shì)而得到廣泛認(rèn)可和普遍重視，因此微生物修復(fù)相關(guān)研究在石油污染領(lǐng)域也十分活躍[4-5]，在淺層含水層環(huán)境下的研究也逐見報(bào)道[5-6]。本文結(jié)合近年國內(nèi)外最新研究成果，對(duì)石油污染淺層含水層的微生物修復(fù)技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。

1 淺層含水層中石油類污染物的來源及普遍性

石油類污染物產(chǎn)生于石油開采、冶煉、運(yùn)輸、使用與處置等過程，其進(jìn)入淺層地下水的途徑主要為地表入滲至淺層含水層和地下污染上返至淺層含水層。地表入滲主要是油藏本身的底水、邊水、原油摻水等含油污水，以鉆井廢棄泥漿、落地油、聯(lián)合站原油沉降分離出來的油砂、污水處理站污泥和油罐底泥等含油固體廢物的形式跑、冒、滴、漏而進(jìn)入地表水、土壤等環(huán)境介質(zhì)中，再經(jīng)過復(fù)雜的物理、化學(xué)和生物過程透過包氣帶遷移至淺層地下水甚至更深處[7]。研究發(fā)現(xiàn)，造成淺層地下水污染的最主要的來源為干化池中含油廢水的滲漏[8]，其次是地表徑流攜帶污染物的入滲。近年來隨著“3次采油”技術(shù)的實(shí)施，注水量大大增加，某些排出的含油廢水直接污染地表，這對(duì)當(dāng)?shù)氐叵滤：O大。而地下污染上返至淺層含水層主要來自油井套外返水。蘇小四等[9]利用同位素示蹤技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)，油井套外返水使得場(chǎng)地地下水會(huì)受到石油類污染物不同程度的污染，且污染暈長(zhǎng)軸方向與地下水水流方向近于一致。為使油田增產(chǎn)、增注而采用的油田壓裂過程、油田進(jìn)行正式大規(guī)模生產(chǎn)前的試采過程，以及壓裂廢液、試采廢液均可能含有石油類污染物，井壁坍塌、井管破裂等也會(huì)對(duì)淺層地下水帶來污染。此外，石油地下儲(chǔ)油罐、管道和其他設(shè)施的泄漏事故也已成為國內(nèi)外城市地下水污染的最大污染源之一[10]。據(jù)報(bào)道，2001年美國300萬個(gè)地下儲(chǔ)油罐中發(fā)生泄漏的約為50萬個(gè)[11]。根據(jù)美國聯(lián)邦水利局資料，美國現(xiàn)已有1%～3%的地下水受到石油烴污染，50個(gè)州中有幾千口水井被迫停用[12]；美國賓夕法尼亞州使用10 a以上的地下儲(chǔ)油罐滲漏率達(dá)到46%，使用15 a以上的地下儲(chǔ)油罐滲漏率則高達(dá)71%[13]。法國南特市使用10 a以上的儲(chǔ)油罐滲漏率在20%以上[14]。英國30%以上的加油站及幾乎所有的化工廠、煉油廠等均存在嚴(yán)重的油類污染。在我國，周迅[15]通過對(duì)蘇南地區(qū)加油站滲漏污染狀況和趨勢(shì)的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在29個(gè)被調(diào)查對(duì)象中72.4%的加油站存在不同程度的滲漏，其中滲漏特征較為典型的占62.1%，15 a以上的老舊加油站發(fā)生滲漏的概率約為60%。天津部分加油站地下水樣品中石油烴檢出率為85%，超標(biāo)樣品占地下水樣品總數(shù)的40%。此外，鉆井平臺(tái)的爆炸事故發(fā)生概率一般較低，但是事故一旦發(fā)生將對(duì)事發(fā)區(qū)域的淺層地下水發(fā)生持久、長(zhǎng)遠(yuǎn)的污染。如2010年4月，位于美國南部墨西哥灣的“深水地平線”鉆井平臺(tái)發(fā)生爆炸，事故造成的原油泄漏形成了一條超過100 km長(zhǎng)的污染帶，污染甚是嚴(yán)重[16]。

經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，我國緊鄰油田、石化廠的一些城市賴以生存的地下水已經(jīng)受到了石油污染,如東北地區(qū)重工業(yè)和油田開發(fā)區(qū)地下水污染嚴(yán)重，松嫩平原和遼河平原地下水石油類污染普遍。Teng等[17]通過對(duì)松原油田地下水樣品中總石油烴的分布進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在26個(gè)淺層地下水樣品中有23個(gè)被檢出含有石油烴，其濃度范圍為0.01～1.74 mg/L。付新建等[18]對(duì)中原油田土壤和地下水的石油污染研究表明:石油污染主要?dú)埩粲诒韺油寥乐?最高達(dá)23 325.4 mg/kg)，尚未對(duì)地下水造成大范圍的污染，但是石油類污染物已運(yùn)移到了地下水水位以下，對(duì)地下水安全構(gòu)成了潛在的威脅；原油田采油區(qū)的淺層地下水樣品中，石油類污染物的濃度范圍為0.05～0.15 mg/L。在我國大部分石油化工地區(qū)，石油污染甚至已經(jīng)波及到飲用水安全。如我國河南雙河水源地，淺層地下水石油烴檢出率達(dá)44%，中深層地下水(深度為200 m左右)石油烴的檢出率達(dá)78%，56%的水井石油烴含量超標(biāo)，其濃度達(dá)0.4～2.7 mg/L[19]。河南油田的魏崗水源地污染也較為嚴(yán)重，該地區(qū)水井中石油烴檢出率為64.3%，超標(biāo)率達(dá)28%，局部水井中石油烴濃度高達(dá)4.6～5.0 mg/L[19]，遠(yuǎn)超過我國地表水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的0.05 mg/L的濃度限值，嚴(yán)重威脅水源地的使用。

2 微生物修復(fù)技術(shù)及研究進(jìn)展

自20世紀(jì)80年代開展地下水污染治理至今，地下水污染修復(fù)技術(shù)已經(jīng)在不斷發(fā)展和創(chuàng)新，目前地下水污染治理工程技術(shù)主要分為污染地下水抽出處理技術(shù)、包氣帶土層有機(jī)物的生物通風(fēng)技術(shù)以及原位修復(fù)工程技術(shù)三大類。近幾十年來，地下水抽出處理技術(shù)除了應(yīng)用于環(huán)境中易揮發(fā)且易溶污染物(VOCs、SVOCs、Fuels)、重污染的恢復(fù)和治理等特定情況下外[20]，原位修復(fù)工程技術(shù)占據(jù)主導(dǎo)地位。Mohammed等[21]對(duì)原位修復(fù)工程技術(shù)中的生物修復(fù)、土壤洗滌、土壤沖洗、土地耕作、真空抽吸、自然通風(fēng)、熱分解和穩(wěn)定8項(xiàng)技術(shù)從可行性、處理水平、不良影響、費(fèi)用、處理時(shí)間五個(gè)方面進(jìn)行了比較，結(jié)果顯示生物修復(fù)因其產(chǎn)物的無毒無害性、技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)合理性而位居第一，不過其花費(fèi)的時(shí)間也最長(zhǎng)。而對(duì)地下污染而言原位生物修復(fù)是以原位微生物修復(fù)為主，同時(shí)相比地下水抽出處理技術(shù)，原位微生物修復(fù)工程技術(shù)因費(fèi)用節(jié)省、污染物暴露時(shí)間短和對(duì)土地環(huán)境的擾動(dòng)小等優(yōu)勢(shì)在地下水石油污染區(qū)域得到了一定程度的發(fā)展，已被美國環(huán)保署、國防部、能源部等科研機(jī)構(gòu)積極推廣。據(jù)美國環(huán)保署《2004年關(guān)于水土污染修復(fù)治理技術(shù)的年度報(bào)告》顯示，在所開展的原位微生物修復(fù)中，60%的工程都是針對(duì)石油烴類污染。

同時(shí)，原位微生物修復(fù)又可以分為自然微生物修復(fù)、強(qiáng)化自然微生物修復(fù)和人工強(qiáng)化微生物修復(fù)。自然微生物修復(fù)主要是指在無人為干擾條件下自發(fā)降解污染物的過程。由于石油烴的疏水性和環(huán)境的復(fù)雜性等原因，自然條件下微生物降解速度較慢，可采取多種措施強(qiáng)化微生物修復(fù)這一過程。強(qiáng)化自然微生物修復(fù)是指通過人工干預(yù)的形式，提高污染物的降解效率，主要措施是定期向受污染含水層中注入無機(jī)營養(yǎng)物質(zhì)以及適當(dāng)電子受體，來刺激土著微生物的生長(zhǎng)，提高其生物代謝活性，將污染物徹底轉(zhuǎn)化為CO2、CH4、H2O或者無機(jī)鹽，這可以通過生物漱洗技術(shù)和生物曝氣技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。如鑒于厭氧條件下微生物代謝緩慢，可以通過生物曝氣技術(shù)使得含水層中以厭氧降解為主導(dǎo)地位的修復(fù)過程變?yōu)楹醚踅到猓粌H可提高污染物降解率，同時(shí)還可以減輕污染含水層修復(fù)末期的“拖尾”效應(yīng)[26]。生物曝氣技術(shù)主要利用垂直或者水平井，用氣泵將空氣壓入水位以下，用一系列傳質(zhì)過程使污染物從土壤空隙和地下水中揮發(fā)進(jìn)入空氣中，含有污染物的空氣在浮力作用下不斷上升，達(dá)到地下水位水以上的非飽和區(qū)域，再通過土壤氣相抽提系統(tǒng)處理，從而達(dá)到去除污染物的目的。該方法由于成本低、效率高及原位操作等優(yōu)勢(shì)，而一度被應(yīng)用于地下水石油類污染物的去除。但該方法對(duì)于石油烴中非揮發(fā)的高分子有機(jī)物并不適用，在低滲透率或者高黏土含量和深層地段也具有局限性[27]。人工強(qiáng)化微生物修復(fù)是指通過向石油污染的含水層中投放降解菌濃縮液或者基因工程菌的形式來降解代謝污染物，同時(shí)還包括添加常量營養(yǎng)元素和微量營養(yǎng)物質(zhì)來強(qiáng)化微生物的降解效果。國內(nèi)外近幾年應(yīng)用較多的是原位微生物反應(yīng)墻技術(shù)，它是一種微生物修復(fù)與固化技術(shù)的結(jié)合，類似于可滲透反應(yīng)墻，可以使得菌體不易流失，并提高溫度、pH值、氧、營養(yǎng)等抗沖擊力，有利于降解反應(yīng)的穩(wěn)定進(jìn)行。

3 降解菌的篩選與分離

郝春博等[28]通過對(duì)某廢棄煉油廠石油污染地下水樣品中微生物多樣性及群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，結(jié)果表明石油污染地下水中存在大量降解菌群；Yeung等[24]利用穩(wěn)定同位素技術(shù)研究了寒冷地區(qū)(年均氣溫為-5℃)石油污染地下水中的微生物群落的降解機(jī)理，也證明了低溫、缺氧條件下石油降解菌群的存在，這為石油污染淺層含水層的修復(fù)以及優(yōu)勢(shì)菌群的分離提供了可能。而諸多研究也表明許多石油烴類有機(jī)污染物都可以在地下水環(huán)境中被微生物好氧或厭氧降解。國內(nèi)外已經(jīng)報(bào)道的可降解石油烴的微生物，共超過70個(gè)屬200余種，其中細(xì)菌28個(gè)屬，霉菌30個(gè)屬酵母12個(gè)屬[29]。大多數(shù)微生物降解菌是在常溫條件下篩選出來的[30]，而在極端低溫和低溫條件下的降解菌則較少，因地下水一般溫度較低，微生物少，貧氧，分離出具有高效降解石油烴的“土著”微生物菌株或者菌群就尤為必要。Rike等[31]、Shi等[32]研究表明在北極、凍土地區(qū)存在嗜冷性石油烴降解菌；Namio等[33]篩選出一株在10～20℃下降解姥鮫烷的微生物降解菌；黃磊等[34]在15℃下篩選出一株具有產(chǎn)生乳化能力的柴油降解菌。相比單一菌株，土著混合菌群具有更加穩(wěn)定持久的降解效果，馬會(huì)強(qiáng)等[35]用人工強(qiáng)化的方式從污染場(chǎng)地土壤中富集出一組能在10℃低溫、貧營養(yǎng)條件下快速、完全降解多種石油烴污染物的土著混合菌群。因在篩選過程中需盡可能保留“土著”的優(yōu)勢(shì)功能菌菌群、保持群落功能完整性、避免后續(xù)應(yīng)用時(shí)易出現(xiàn)受土著菌群競(jìng)爭(zhēng)抑制問題，所以目前關(guān)于此方面的研究和應(yīng)用也比較欠缺。

Yamaguchi等[36]發(fā)現(xiàn)一些藻類也能降解石油物質(zhì)，原生動(dòng)物也被報(bào)道可以攝食石油，以油包碎屑或以油包菌微滴為食。除細(xì)菌、真菌、霉菌、藻類和原生動(dòng)物外，植物根菌也已經(jīng)被大量應(yīng)用于生物修復(fù)技術(shù)[37-39]。如Nicolotti等[38]通過研究菌根對(duì)挪威云杉修復(fù)石油污染地的效果及潛在效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)菌根加速了挪威云杉對(duì)石油污染土壤的生物修復(fù);Carman等[39]通過研究柳樹根部的根際微生物對(duì)石油烴的生物降解，發(fā)現(xiàn)柳樹根菌易降解低分子量的石油烴和可溶于水的污染物，而大分子量的烴類難被降解，這將依賴于其他微生物的參與。在未來，鑒于生態(tài)修復(fù)已成為污染修復(fù)的主流，微生物-植物聯(lián)合修復(fù)將會(huì)得到大范圍的研究和應(yīng)用。

4 微生物修復(fù)的影響因素

4.1 石油性質(zhì)對(duì)微生物修復(fù)的影響

石油類污染物通常以比水輕的非水相液體(Light Nonaqueous Phase Liquids，LNAPLs)形式形成持久性污染源，在地下水中具有易揮發(fā)、黏度小且擴(kuò)散遷移速度快的特點(diǎn)。Yadav 等[40]研究表明地下水中 LNAPLs 的存在會(huì)增加其污染修復(fù)的難度；Beckles等[41]發(fā)現(xiàn)LNAPLs在修復(fù)工程中存在污染物的“拖尾”或“反彈”現(xiàn)象;Haus等[42]、Delille等[43]的研究表明，不同地區(qū)所產(chǎn)石油的物理及化學(xué)性質(zhì)存在一定差異，因此同一種微生物降解不同產(chǎn)區(qū)的石油有不同的降解效果，其降解速率與其黏度、沸點(diǎn)、折射率都存在一定的關(guān)系；石油烴種類不同被微生物降解能力不同，表現(xiàn)為飽和烴>芳香烴>膠質(zhì)和瀝青。郭書海等[44]的研究表明，含有5個(gè)或更多環(huán)的芳香烴難于被微生物所降解，膠質(zhì)和瀝青則極難被微生物降解。此外，石油濃度也會(huì)影響微生物的活性，郭書海等[44]、陳立等[45]的研究表明，隨著石油濃度的升高，最終的降解率逐漸降低，降解率與石油濃度成負(fù)相關(guān)關(guān)系，主要是因?yàn)楦邼舛鹊氖皖愇廴疚飳?duì)微生物有毒害作用，而少量的石油類污染物會(huì)刺激嗜油微生物的生長(zhǎng)。

4.2 生物體對(duì)微生物修復(fù)的影響

影響石油降解的生物體因素主要包括微生物的數(shù)量和種類。自然環(huán)境中存在大量可降解石油類污染物的微生物[43]，這為自然修復(fù)提供了可能。這類微生物的比例一般都比較低，只占總微生物數(shù)量的1%左右，而在石油污染的環(huán)境中通過馴化作用，降解石油類污染物的微生物比例可上升至10%。在一定濃度的石油底物情況下，微生物的數(shù)量越多，石油降解速率越快。自然條件下，可用于修復(fù)作用的真菌數(shù)量較少但種類豐富;相反，細(xì)菌數(shù)量多但種類較少[46]。而微生物種類的豐富則有利于菌群的穩(wěn)定和共代謝作用，對(duì)石油類污染物中的多種物質(zhì)均具有降解作用，且抗沖擊能力較強(qiáng)。Xu等[16]通過對(duì)從勝利油田污染底泥中分離出的生物菌群的研究發(fā)現(xiàn)，該菌群對(duì)萘、菲、芘等多種原油底物都具有降解能力，且能耐受一定濃度的重金屬離子如Cu2+、Zn2+、Pb2+；同時(shí)，微生物的活動(dòng)可能會(huì)對(duì)有機(jī)物產(chǎn)生吸附作用，或者促進(jìn)鎖定相中有機(jī)物的解吸，加快降解速率等。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，新中國成立以來全省發(fā)生山洪、地質(zhì)災(zāi)害2 400多次（處），平均每年達(dá)40次（處）。其中溪河洪水災(zāi)害1 534次，泥石流災(zāi)害352次，滑坡災(zāi)害514處。進(jìn)入21世紀(jì)以來 ， 2000年、2002年、2003年、2005年、2007年、2010年都發(fā)生了嚴(yán)重的山洪災(zāi)害，造成了慘重的人員和經(jīng)濟(jì)損失。山洪災(zāi)害在季節(jié)上存在極端不均勻性的分布，每年主汛期是山洪災(zāi)害多發(fā)期，受災(zāi)損失占全年總損失的95%以上，且在同一流域、同一年份可能發(fā)生多次山洪災(zāi)害。

4.3 溫度對(duì)微生物修復(fù)的影響

溫度與淺層含水層中石油類污染物的降解密切相關(guān)，因?yàn)樗ㄟ^影響微生物酶的活性而可直接影響微生物的生長(zhǎng)代謝活性。在一定的范圍內(nèi)，溫度越高，微生物酶的活性越強(qiáng)，降解速率就越快。如在溫暖的氣候條件下，石油烴的自然降解過程能明顯地削弱其他環(huán)境因素帶來的影響[24]。而在較低的溫度下，石油烴的流動(dòng)性降低，在地下水中的溶解度降低，這也阻礙了淺層含水層中微生物對(duì)其的降解過程[47]。

國內(nèi)關(guān)于石油污染地下水微生物降解與溫度的關(guān)系的研究主要集中在設(shè)置溫度梯度探索最佳降解溫度上，如陳立等[45]利用優(yōu)化土著微生物菌群的微生物技術(shù)修復(fù)華北地區(qū)石油污染地下水，通過設(shè)置不同溫度，得出30℃是該菌群的最佳生長(zhǎng)和降解溫度，這可為抽出處理含石油類污染物的地下水的修復(fù)提供理論基礎(chǔ)。但是在淺層含水層原位微生物修復(fù)工程技術(shù)中，其地下水溫一般8℃左右[48]，且工程中最不易改變的是環(huán)境溫度，低溫條件下的降解研究就明顯缺乏。目前國內(nèi)關(guān)于低溫條件下的石油類污染物降解研究較少，國外相對(duì)較多，涉及包氣帶[23,49]、含水層[24,50]等。如Whyte等[47]研究了菌株Q15在5℃下的對(duì)鏈烷烴和柴油的降解情況；Yeung等[24]報(bào)道了在寒冷地區(qū)(年均氣溫-5℃)破碎巖石下石油污染的地下水中關(guān)于微生物群落結(jié)構(gòu)的具體信息；Su等[50]采用穩(wěn)定同位素技術(shù)探究了淺層地下水石油烴微生物的厭氧降解機(jī)理。這些研究為淺層含水層的石油污染修復(fù)提供了理論基礎(chǔ)，但因受低溫影響其降解速率均不高。

4.4 生物表面活性劑對(duì)微生物修復(fù)的影響

Ron等[51]研究表明，生物表面活性劑在石油降解中也有很好的促進(jìn)作用，它一方面可以增加非水溶性物質(zhì)的表面積，提高碳?xì)浠衔锏娜芙舛?從而利于微生物利用，另一方面可以產(chǎn)生大量的生物乳化劑，從而有助于微生物降解過程，且可以有效提高可降解石油細(xì)菌的生長(zhǎng)能力，并提高這些細(xì)菌對(duì)石油烴的利用。目前關(guān)于生物表面活性劑在微生物修復(fù)中的應(yīng)用主要集中在好氧降解上，厭氧降解較少。

4.5 氮磷營養(yǎng)鹽對(duì)微生物修復(fù)的影響

在地下水貧營養(yǎng)環(huán)境中，石油類污染物為微生物生長(zhǎng)提供了充足碳源，氮、磷元素的缺乏往往成了微生物生長(zhǎng)的抑制因素，微生物修復(fù)中投加氮源和磷源可明顯提高碳?xì)浠衔锏慕到馑俾?。諸多研究表明，最佳碳氮比和碳磷比分別為10∶1和10∶0.3[51]。由于具有親油性質(zhì)的氮源和磷源因與石油類污染物的“相似相容”，將有利于微生物對(duì)石油類污染物的降解，所以實(shí)際應(yīng)用中，有添加具有親油性質(zhì)的油酸和三磷酸酯[52]，也有添加動(dòng)物飼料以及牛糞、雞糞和豬糞等動(dòng)物糞便[52]作為氮磷營養(yǎng)鹽的小試和中試工程。此外，鑒于淺層含水層的環(huán)境局限性，在考慮降解效果的同時(shí)還應(yīng)考慮含水層介質(zhì)對(duì)外投親油類氮磷營養(yǎng)鹽的吸附作用；同時(shí)，外投鹽的安全性和數(shù)量也應(yīng)加以嚴(yán)格控制，以避免對(duì)含水層造成二次污染。

4.6 氧含量對(duì)微生物修復(fù)的影響

諸多研究表明，氧氣(O2)的存在有利于石油烴的生物降解，且在好氧降解條件下，降解速率隨著O2含量的增高而加快[23]。石油類污染物的好氧降解過程是在O2的參與下基質(zhì)被氧化酶氧化，每完全降解1 g的碳?xì)浠衔锏淖罴研柩趿繛?.4 g[53]。Zhou等[54]研究表明，8%的O2含量是土壤中汽油降解的最佳氧氣含量；Wurdemann等[55]研究顯示當(dāng)O2含量低于5%時(shí)，煤氣廠土壤樣品中的碳?xì)浠衔锏奈⑸锝到舛紝⑹艿较拗疲粎呛仆〉萚56]從污泥樣品中篩選出菌株并進(jìn)行石油類污染物好氧降解試驗(yàn)，結(jié)果表明在除油混合菌群條件下，富氧與貧氧條件相比，其除油效果明顯提高。

由于石油的疏水性而在水表面形成油膜，從而降低了氧的傳輸速率，進(jìn)而制約了石油類污染物的好氧降解。淺層含水層因充滿水而空氣較少，因此O2的缺乏就限制了石油烴的好氧微生物降解而使得厭氧降解占主導(dǎo)地位[23]，同時(shí)含水層中的O2含量還依賴于土壤的種類以及漬水與否。

鑒于地下水系統(tǒng)的貧氧環(huán)境，提高微生物法除油效果的主要途徑是篩選高效除油菌和對(duì)地下水充氧。對(duì)于充氧不易實(shí)現(xiàn)的地區(qū)，在借鑒國外研究成果的基礎(chǔ)上，還應(yīng)重視微生物厭氧降解機(jī)理的基礎(chǔ)研究以及工程應(yīng)用。

4.7 其他因素

考究已報(bào)道文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，微生物降解石油烴的適宜pH值為中性偏堿性環(huán)境，這與常規(guī)淺層含水層環(huán)境類似。此外，石油污染區(qū)常因底油本身或者鉆井泥漿含有重金屬而伴有重金屬污染問題[16,57]，關(guān)于其對(duì)微生物的降解影響研究較少[16,23,58]。淺層含水層具有無光的特點(diǎn),雖然對(duì)于光照是如何影響微生物降解石油類污染物的具體機(jī)理目前尚無透徹研究，但事實(shí)表明光照條件可加速石油物質(zhì)的氧化，有利于微生物對(duì)石油物質(zhì)的降解。Maki等[59]研究表明，在光照強(qiáng)度為560～2 800 mol/(m2·s)、波長(zhǎng)大于300 nm的光照條件下培養(yǎng)，微生物對(duì)芳香烴的降解速率比無光照組增大，這也反映出在部分已報(bào)道的文獻(xiàn)中其降解速率因沒有考慮到遮光因素可能會(huì)比實(shí)際偏高。另外，淺層含水層包括沉積物和地下水兩部分，降解研究一般采用地下水作反映介質(zhì)，往往忽略了沉積物的吸附效果，或者將降解與吸附分開研究[16]。對(duì)于淺層含水層，地下水雖然處于流動(dòng)狀態(tài)，但是速度緩慢，諸多試驗(yàn)都是搖瓶/振蕩試驗(yàn)，Wu等[60]在模擬淺層含水層有機(jī)污染物的微生物修復(fù)時(shí)認(rèn)為，搖動(dòng)使得微生物與基質(zhì)的接觸面積和機(jī)會(huì)大大增加，會(huì)增加有機(jī)物的降解速率，因此諸多試驗(yàn)的模擬條件具有局限性。此外，鑒于原位修復(fù)的場(chǎng)地的不同，實(shí)際降解效果還將依賴于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，而含水層介質(zhì)的粒徑與微觀結(jié)構(gòu)也會(huì)產(chǎn)生不同的影響[49]。

5 結(jié)論與展望

石油污染地下水的普遍性、危害性在我國已經(jīng)逐漸引起社會(huì)的廣泛關(guān)注，關(guān)于其污染修復(fù)的研究尚處于起步階段。隨著我國對(duì)石油依賴度的提高，石油工業(yè)必將進(jìn)一步發(fā)展，地表水、包氣帶、地下水等都將面臨著更大的污染風(fēng)險(xiǎn)，因此除了加強(qiáng)從源頭治理、切斷污染源外，對(duì)已經(jīng)污染含水層的修復(fù)也刻不容緩。本文通過總結(jié)已有的報(bào)道文獻(xiàn)，認(rèn)為未來石油污染淺層含水層的微生物修復(fù)技術(shù)研究應(yīng)該著重考慮以下幾方面：

(1) 鑒于地下水中石油類污染物的時(shí)空分布和遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律研究尚十分薄弱，所以弄清石油類污染物的賦存狀況以及在各種環(huán)境介質(zhì)(大氣、水體、生物、土壤)中的存在種類和水平，是研究石油類污染物與環(huán)境介質(zhì)間聯(lián)系的基礎(chǔ)，也是采取各種區(qū)域性或全球性控制策略的前提條件，而穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)的滲入將會(huì)加速這一研究過程，以更清楚地反映“源”、“匯”、降解途徑及產(chǎn)物等。

(2) 高效、穩(wěn)定、適應(yīng)性強(qiáng)、廣譜性的“土著”菌株的篩選與分離以及混合菌群的構(gòu)建仍是研究的重點(diǎn)。

(3) 在淺層含水層原位微生物修復(fù)工程技術(shù)中，最不易改變的是環(huán)境溫度，所以低溫條件下的降解研究將會(huì)成為熱點(diǎn)和難點(diǎn)；同時(shí)，鑒于地下水還具有貧氧、無光等特點(diǎn)，還應(yīng)加強(qiáng)低溫條件下厭氧降解菌及兼性厭氧降解菌的降解機(jī)理等基礎(chǔ)研究。

(4) 分子生物學(xué)已經(jīng)成為生命科學(xué)的前沿領(lǐng)域，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)微生物降解烴類過程的研究，將基因工程應(yīng)用于石油烴污染地下水的治理，培育出更多、更好的菌株以達(dá)到高效除油的目的，也為開發(fā)治理與消除石油類污染物的微生物修復(fù)技術(shù)提供理論支撐。

(5) 原位微生物修復(fù)仍將以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)而被推廣和應(yīng)用，原位強(qiáng)化自然修復(fù)和人工強(qiáng)化生物修復(fù)中的原位生物反應(yīng)墻技術(shù)因抗沖擊能力較強(qiáng)，在我國具有極廣闊的應(yīng)用前景，但由于地下水環(huán)境的復(fù)雜性，通過優(yōu)化試驗(yàn)條件得到的高降解率并不能保證現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的可靠性，因此還應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)此技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用研究，而數(shù)值模擬技術(shù)的應(yīng)用將有助于提高工藝的可行性，同時(shí)隨著生態(tài)修復(fù)已成為污染修復(fù)的主流，微生物-植物聯(lián)合修復(fù)也將會(huì)得到更大范圍的應(yīng)用。

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Research Progress in Microbial Remediation of Petroleum-contaminated Shallow Aquifer

CHEN Huilun

(SchoolofCivil&EnvironmentalEngineering,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China)

Microbial remediation is an important way to remove organic pollution in shallow groundwater.This paper reviews the major research progress in shallow aquifer pollution caused by oil production and other processes,technical progress of microbial remediation,screening and separation of degradation bacteria,as well as influence factors of microbial remediation.In situ microbial remediation shows broad prospects for use in petroleum-contaminated shallow aquifer restoration.Given the shallow groundwater system with low-temperature,oxygen-poor characteristics,the paper points out the existing shortcomings of current research.The spatial and temporal distribution along with migration and transformation of petroleum contamination in groundwater,stable isotope techniques,the screening of excellent native strains and the construction of mixed strains,biodegradation in low-temperature and oxygen-poor environment,in situ remediation of field studies and microbial-plants combined remediation and so on will be the focus of in situ microbial remediation technology research of petroleum-contaminated shallow aquifer in future.

petroleum contamination;shallow groundwater;microbial remediation;in situ remediation technology

1671-1556(2015)01-0066-07

2014-03-19

2014-12-03

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41103058)

陳輝倫(1984—)，男，博士，講師，主要從事環(huán)境生物地球化學(xué)等方面的研究。E-mail:chenhuilun@gmail.com

X523；X172

A

10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2015.01.012