不同生物修復(fù)技術(shù)處理油污土壤的效果研究

孫先鋒 楊波波 朱欣潔

（西安工程大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，西安 710048）

不同生物修復(fù)技術(shù)處理油污土壤的效果研究

孫先鋒 楊波波 朱欣潔

（西安工程大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，西安 710048）

為了探究生物修復(fù)技術(shù)對油污土壤的處理效果，研究采用生物刺激和生物強化修復(fù)技術(shù)研究在修復(fù)過程中石油烴組分含量、表面張力、微生物數(shù)量、酶活性指標(biāo)的變化。結(jié)果表明：生物刺激在降解飽和烴、降低土壤中溶液表面張力、增加微生物數(shù)量、提高土壤酶活性方面優(yōu)于生物強化，而生物強化則對于石油烴中難降解的芳香烴有很好的降解效果，兩者各有優(yōu)勢。

油污土壤；生物刺激；生物強化

20世紀(jì)80年代以前，處理石油污染土壤的主要方法是物理或化學(xué)方法，這些方法不僅成本高，且后續(xù)處理比較困難［7-9］。20世紀(jì)80年代以來，人們將注意力轉(zhuǎn)向生物法治理石油污染土壤，通過改變生物外部生活環(huán)境和依照生物自身的遺傳變異規(guī)律提高石油降解速度和程度［10，11］。生物治理手段主要包括生物刺激、生物強化、固定化微生物技術(shù)和植物——微生物聯(lián)用技術(shù)，因其具有成本低、效率高、消耗少、對環(huán)境影響小和無二次污染的優(yōu)點，正逐步成為石油污染土壤治理的熱點領(lǐng)域［12］。本研究主要從生物刺激和生活強化兩方面對油污土壤的處理效果進行比較與研究，以確定最佳的處理方案。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 供試含油土樣 采自長慶油田安塞縣招安鎮(zhèn)招3-6井場內(nèi)部及周圍土壤，土樣取自表層以下10-20 cm處，屬粉砂質(zhì)黃土，土中含有少量3-12 mm的小礫石。土壤樣品經(jīng)風(fēng)干后，剔除石塊、雜草，研碎過40目篩子備用。

1.1.2 氮磷鉀復(fù)合肥 氮磷鉀復(fù)合肥由陜西迪隆生態(tài)科技有限公司提供，其中N∶PK比例為8∶6∶5。

1.1.3 褐煤粉 褐煤粉由陜西迪隆生態(tài)科技有限公司提供，其中腐殖酸含量在50%左右。

1.1.4 諾沃肥 諾沃肥購買于天津市經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)諾維信（中國）生物技術(shù)有限公司。諾沃肥是諾維信酶制劑公司在生產(chǎn)酶產(chǎn)品后，土豆面粉、玉米淀粉等原材料的發(fā)酵殘余液，經(jīng)添加石灰沉淀、高溫滅菌和脫水處理而得，富含N、P等營養(yǎng)元素。

1）土地利用變化明顯加快。1985－2000年、2000－2016年、1985－2016年3個時間段巢湖流域土地利用綜合動態(tài)度分別為0.08%、0.12%、0.1%，表明30年來巢湖流域人類活動對土地利用的影響越來越大。其中，城鎮(zhèn)化發(fā)展導(dǎo)致城鎮(zhèn)建設(shè)用地增速最快，與此同時，水域流失加速，流域內(nèi)的水資源保護形勢嚴(yán)峻。

1.1.5 復(fù)合菌劑 復(fù)合菌劑由枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）和銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa）按照（V∶V=1∶1）混合后接入發(fā)酵罐中，發(fā)酵48 h后，將發(fā)酵液倒入已用75%的酒精消毒過的25 L的塑料桶中，再按比例添加0.8 g NH4NO3和0.1 g KH2PO4復(fù)合而成，由西安工程大學(xué)實驗室制備。

實驗含油土樣、褐煤粉、諾沃肥基本理化性質(zhì)，見表1。

表1 試驗含油土樣、褐煤粉、諾沃肥基本理化性質(zhì)

1.2 方法

1.2.1 實驗設(shè)計 該試驗裝置由0.3 m×0.25 m×1.2 m的塑料垃圾桶改裝所得，在塑料桶前后兩側(cè)按一定間距各鉆5個直徑為6 cm的小孔（方便取樣與測量相關(guān)指標(biāo)），在底部連接有鼓風(fēng)機，適時進行鼓風(fēng)。實驗共設(shè)為3個處理組：處理組A（添加濃度為2.5%，質(zhì)量比為1∶1的褐煤粉—諾沃肥混合物，并施加氮磷鉀復(fù)合肥調(diào)節(jié)C∶N為10∶1）；處理組B（添加濃度為2.5%的復(fù)合菌劑，并施加氮磷鉀復(fù)合肥調(diào)節(jié)C∶N為10∶1）；對照組CK（不做任何處理）。實驗周期為60 d，每周翻堆一次，使土壤含水率保持在45%左右，定期采用四分法取樣測定各項指標(biāo)。

1.2.2 實驗指標(biāo)及測定方法

實驗指標(biāo)：石油烴組分含量、表面張力、微生物數(shù)量、酶活性。

石油烴組分含量采用層析法分離，再使用重量法測定各組分含量［13，14］；表面張力采用自動界面張力儀（JYW-200A）測定土壤溶液表面張力［15］；土壤中總異養(yǎng)菌數(shù)采用涂布平板分離培養(yǎng)，并用血球計數(shù)法進行測定；土壤中石油烴降解菌數(shù)的測定采用最大或然數(shù)法（MPN）進行［16，17］；土壤脫氫酶活性采用TTC法測定，其大小用每克土樣中生成三苯基甲臜（TPF）量來表征；酯酶活性采用4-硝基苯丁酸酯的異丙醇溶液進行提取，后采用紫外分光光度計測定，其大小用每克土樣中生成的4-硝基苯酚（pNP）量表征［18］。

1.2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析 所有數(shù)據(jù)采用Excel整理，DPS統(tǒng)計軟件進行分析。

2 結(jié)果

2.1 修復(fù)過程中土壤TPH含量的變化

圖1顯示，3組處理經(jīng)過60 d的修復(fù)實驗，土壤中TPH含量均有不同程度的降低。對照CK開始時TPH含量為84.16 g/kg，實驗結(jié)束時土壤中TPH含量下降至74.60 g/kg，降解率僅為11.36%；處理A在修復(fù)過程中TPH含量由82.59 g/kg降至47.65g/kg，降解率高達42.30%；處理B土壤中TPH含量由開始的81.14 g/kg下降到51.28 g/kg，降解率為36.80%。

圖1 修復(fù)過程中土壤TPH含量的變化

2.2 修復(fù)后土壤中石油烴各組分累積降解率

表2顯示，各處理對石油烴各組分的降解程度排序為：飽和烴＞芳香烴＞極性物質(zhì)和瀝青質(zhì)，說明相比較芳香烴和極性物質(zhì)，飽和烴更容易被生物利用和降解。飽和烴的累積降解率最低的是對照CK處理，僅為13.28%，采用生物刺激的處理A對飽和烴的降解率顯著高于CK，高達62.98%，而采用生物強化的處理B對飽和烴的降解率為61.22%，低于處理A。

表2 修復(fù)后土壤中石油烴各組分累積降解率（%）

2.3 修復(fù)過程中土壤溶液表面張力的變化

圖2顯示，各處理的土壤溶液的表面張力值趨勢基本一致，均表現(xiàn)為上下波動現(xiàn)象，無顯著性差異。處理A、處理B和對照CK起始時表面張力值分別為68.33 mN/m、69.13 mN/m和66.78 mN/m，在修復(fù)進行至第30天時，其表面張力值均有所下降，分別為63.97 mN/m、66.23 mN/m和64.69 mN/m。隨著實驗的進行，至第40天時，3組處理土壤溶液的表面張力值表現(xiàn)出跳躍現(xiàn)象，隨后逐漸降低至穩(wěn)定。

圖2 修復(fù)過程中土壤溶液表面張力的變化

2.4 修復(fù)過程中土壤微生物數(shù)量的變化

圖3顯示，在修復(fù)過程中，對照CK土壤中總異養(yǎng)菌數(shù)和石油烴降解菌數(shù)變化不大，其數(shù)量級維持在4.5-6.0之間。在修復(fù)前40 d，處理組A和處理組B中總異養(yǎng)菌數(shù)和石油烴降解菌數(shù)均呈現(xiàn)上升趨勢，處理組A總異養(yǎng)菌數(shù)數(shù)量級上升至7.0左右，石油烴降解數(shù)量級達到6.0左右；處理組B總異養(yǎng)菌數(shù)和石油烴降解菌數(shù)量級在6.0附近波動。在修復(fù)40 d后，處理組A土壤中總異養(yǎng)菌數(shù)和石油烴降解菌數(shù)下降趨勢顯著，下降高達兩個數(shù)量級；處理組B和對照CK則降低程度緩慢。

2.5 修復(fù)過程中土壤酶活性的變化

土壤酶活性作為衡量微生物活性的重要指標(biāo)常用在生物修復(fù)中，它可用來實時監(jiān)測微生物對污染物的代謝能力，進而對修復(fù)效果做出評價。圖4顯示，在第10天時，處理A和處理B土壤中脫氫酶的活性分別為3.28 mg/g和3.14 mg/g，顯著高于對照CK組的0.51 mg/g；在修復(fù)進行至第50天時，處理組A和處理組B脫氫酶活性快速下降至0.4 mg/g和0.36 mg/g，而對照CK則穩(wěn)定在0.7 mg/g左右。處理組A和處理組B酯酶活性在整個修復(fù)過程中上下波動，且酯酶活性均高于對照CK。

3 討論

結(jié)合修復(fù)過程中TPH含量的測定以及石油烴各組分的累積降解率可知，各處理對石油烴各組分的降解程度排序為：飽和烴＞芳香烴＞極性物質(zhì)和瀝青質(zhì)，說明相比較芳香烴和極性物質(zhì)，飽和烴更容易被生物利用和降解，對于芳香烴的降解程度，處理B則高于處理A，表明加入外來菌可能對更難降解的石油烴組分有良好的去除效果。極性物質(zhì)和瀝青質(zhì)因其在處理過程中含量略有增加，所以不能夠計算出累積降解率，此現(xiàn)象在其他研究中也有報道［19］。

圖3 修復(fù)過程中總異養(yǎng)菌數(shù)（A）和石油烴降解菌數(shù)（B）的變化

圖4 修復(fù)過程中土壤脫氫酶活性（A）和酯酶活性（B）的變化

從實驗結(jié)果分析可知，處理A和處理B對石油烴的去除效果高于對照CK組的原因并不是腐殖酸和外來菌劑的表面活性劑作用，而是由其他作用主導(dǎo)，如：營養(yǎng)條件、pH等，因為褐煤粉富含腐殖酸，可以產(chǎn)生表面活性劑，但其對土壤溶液的表面張力影響不夠顯著且處理B中添加的外來菌群可能與土壤中的土著菌存在競爭作用從而影響到表面活性劑的產(chǎn)生。

在修復(fù)前40 d，處理A土壤中總異養(yǎng)菌數(shù)和石油烴降解菌數(shù)在所有處理組中最大，說明諾沃肥的添加對土壤中微生物的數(shù)量起到了非常顯著的積極作用，這與在修復(fù)過程中處理A對石油烴的去除率最高相吻合，表明諾沃肥的添加在促進土壤中微生物快速增長的同時，加強了土壤中石油烴的降解。在修復(fù)40 d之后，3個處理組中微生物數(shù)量均有不同程度的降低，但處理B降低幅度最小，其總異養(yǎng)菌數(shù)和石油烴降解菌數(shù)在3個處理組中達到最高，主要原因是處理B中添加有外源菌，它可以在修復(fù)前40 d利用易降解的石油烴組分，在修復(fù)后期可利用難降解的芳香烴組分，故后期微生物數(shù)量可維持較高水平。

實驗開始時，處理A和處理B土壤中脫氫酶的活性顯著高于對照CK，說明生物刺激和生物強化能有效的提高土壤中微生物的活性。在修復(fù)進行至40 d時，處理A和處理B土壤中脫氫酶活性明顯降低，而對照CK趨于穩(wěn)定，其原因是在修復(fù)后期伴隨著營養(yǎng)助劑的消耗、易利用污染物的降解以及有毒代謝物的積累，造成微生物大量死亡，活性降低。整個修復(fù)過程中處理A和處理B中酯酶活性均顯著高于對照CK組，其變化趨勢為先迅速增高后突然降低，而后又大幅度增高且處理B酯酶活性始終低于處理A，一方面是因為處理A中添加的脂類化合物——諾沃肥被微生物利用；另一方面是處理B中添加的外來菌與土著菌產(chǎn)生競爭，對酯酶活性有消極影響。

4 結(jié)論

生物刺激、生物強化修復(fù)技術(shù)對油污土壤的修復(fù)效果顯著優(yōu)于對照組CK，說明土壤中添加營養(yǎng)助劑或外來菌都能改善土壤中的營養(yǎng)條件，提高土壤中微生物數(shù)量和酶活性，從而促進石油烴的降解［20］。

通過比較生物刺激和生物強化兩種修復(fù)方式的差異，可以設(shè)想將生物強化應(yīng)用在生物刺激修復(fù)之后，使投加的外來菌盡量避免與土著菌發(fā)生競爭作用，可以最大程度提高石油烴降解效果。

修復(fù)過程中土壤含水率維持在45%左右，一方面含水率過高會影響土壤孔隙度、導(dǎo)致土壤通風(fēng)不良、氧氣濃度降低、從而影響石油降解菌的活性，導(dǎo)致菌群對石油烴降解效果下降；另一方面，水分是菌劑生命活動的必要物質(zhì)，含水率為45%的土壤既能保證菌群生命代謝活動用水，又不影響土壤孔隙度。

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（責(zé)任編輯 狄艷紅）

On the Effect of Treating Petroleum-contaminated Soil by Different Bioremediation Technologies

SUN Xian-feng YANG Bo-bo ZHU Xin-jie
（College of Environmental and Chemical Engineering，Xi'an Polytechnic University，Xi'an 710048）

In order to explore the effect of bio-remedying petroleum-contaminated soil，the biological stimulation and biological enhancement technologies were employed to study the changes of petroleum hydrocarbon component，surface tension，the quantity of microorganism，and enzyme activity index in the remediation process. The results showed that biological stimulation was better than biological enhancement in the degradation of saturated hydrocarbon，the reduction of the surface tension，increasing the quantity of microorganism，and the improving enzyme activity；while biological enhancement degraded refractory aromatic hydrocarbon better than biological stimulation，each of them had its own advantages.

petroleum-contaminated soil；biological stimulation；biological enhancement

10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2016.03.011

2015-06-16

陜西省科技廳科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程項目（2011KTZB03-03-03-04），西安工程大學(xué)創(chuàng)新基金項目（chx131136）

孫先鋒，男，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：城市污泥資源化利用及有機肥；E-mail：351648915@qq.com