中原油田石油污染土壤的微生物生態(tài)現(xiàn)場修復(fù)

李華耀，陳 立，張發(fā)旺，宋白雪，李 備

(1.河北地質(zhì)大學(xué)，河北石家莊 050000；2.中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，河北石家莊 050061；3.中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所，廣西桂林 541004)

中原油田石油污染土壤的微生物生態(tài)現(xiàn)場修復(fù)

李華耀1，陳 立2*，張發(fā)旺3，宋白雪1，李 備1

(1.河北地質(zhì)大學(xué)，河北石家莊 050000；2.中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，河北石家莊 050061；3.中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所，廣西桂林 541004)

[目的]采用最優(yōu)微生物菌群和植物(玉米)相結(jié)合的微生態(tài)技術(shù)，進行污染物的降解修復(fù)研究。[方法]供試植物為玉米，將研究場地分為添加固定化顆粒玉米區(qū)(球前玉米區(qū))、添加游離態(tài)菌液玉米區(qū)(液前玉米區(qū))、純玉米區(qū)和空白對照區(qū)4個區(qū)，采集樣品9次，研究不同地區(qū)土壤中降解菌總數(shù)、石油烴含量和石油降解率的變化。[結(jié)果]隨著采樣時間的推延，4個區(qū)的降解菌總數(shù)呈先增長后降低的趨勢；添加固定化顆粒區(qū)和添加游離態(tài)菌液區(qū)的石油烴含量下降率較大，第20天純玉米區(qū)的石油烴含量下降明顯；添加固定化顆粒區(qū)和添加游離態(tài)菌液區(qū)的石油降解率較高，且降解穩(wěn)定，純玉米區(qū)對石油的降解率不穩(wěn)定。[結(jié)論]游離態(tài)菌液與玉米相結(jié)合的微生態(tài)技術(shù)對土壤石油污染修復(fù)效果最好，降解速度快。

石油；污染土壤；修復(fù)；菌群；降解率

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展和社會的進步，石油作為一種不可再生資源，在現(xiàn)代化建設(shè)中有著舉足輕重的作用，但同時也帶來一系列環(huán)境問題。如濮陽中原油田在長期開采石油資源過程中，對周邊地區(qū)的土壤和地下水造成了嚴重污染，使土壤結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，使用功能下降，對土壤生態(tài)系統(tǒng)造成了嚴重威脅[1-3]。同時石油開采污染物進入水、土、大氣后，被植物吸收，通過食物鏈富集到人體和動物體，危害人畜健康[4]。1980年以后，石油污染土壤的環(huán)境問題引起世界各國的廣泛關(guān)注[4]。目前，對石油污染已有一系列修復(fù)技術(shù)，如蒸汽修復(fù)技術(shù)、水力沖洗修復(fù)技術(shù)、微生物修復(fù)技術(shù)、植物修復(fù)技術(shù)、有機溶劑修復(fù)技術(shù)、氨氮廢水降解技術(shù)等[5-7]。孫東平等[8]研究認為，在污染土地培養(yǎng)的降解菌對降解石油污染物有顯著效果；劉繼朝等[9]通過盆栽試驗確立了植物在石油污染土地修復(fù)中的重要地位；陳立等[10]在石油污染土壤原位修復(fù)試驗中運用微生物法取得了顯著效果。筆者運用微生物與植物(玉米)相結(jié)合的方法，開展了石油土地污染現(xiàn)場修復(fù)工作，探索微生態(tài)技術(shù)在該領(lǐng)域的重要地位，以期為土壤中石油污染物治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況 現(xiàn)場修復(fù)區(qū)位于河南省濮陽胡壯鄉(xiāng)附近化工廠東南方向場地。該區(qū)總體地勢西高東低，海拔高61.8～44.5 m。濮陽油田于20世紀末發(fā)生井噴爆裂事故，致使周邊土壤受到嚴重污染。通過調(diào)查，污染土地0.70 hm2，泄漏原油和高濃度鹽水200～300 m3，土壤中平均石油烴含量在586.86 mg/kg以上。該研究修復(fù)土質(zhì)為黃色亞砂土，含少量2～10 mm小礫石或小姜石，容重為1.61 g/cm3，自然含水量16.3%，pH為7.4，含鹽量1 239.00～1 866.00 mg/kg，石油含量2 896.36 mg/kg，總修復(fù)面積為1.76 hm2。

1.2 試驗條件

1.2.1 修復(fù)植物。玉米。

1.2.2 富集培養(yǎng)基。葡萄糖20 g/L，尿素3 g/L，KH2PO43 g/L，NaCl 5 g/L，酵母粉1 g/L，pH 7.0～7.5，于115 ℃滅菌15 min。

1.2.3 菌種制備。從石油污染土壤中富集具有降解油污的土著微生物，并在培養(yǎng)基中逐漸增大原油和Cl-的比例，使菌種適應(yīng)高鹽的油污環(huán)境。分別利用添加1.0%～5.0%石油烴和2.0%～2.5%鹽度的富集培養(yǎng)基對樣品的微生物進行分離培養(yǎng)，每次分離培養(yǎng)在上次培養(yǎng)的基礎(chǔ)上提高1.0%的石油烴含量，同時增加0.5%的鹽度。分離培養(yǎng)時每樣品分裝為90 mL的4個平行樣，同時加入10 mL上次培養(yǎng)的菌液，30 ℃培養(yǎng)5 d。分離篩選的降解菌群分別保存于平板和培養(yǎng)液中，待測。

1.2.4 固定化顆粒制備。先配制4% CaCl2溶液，高溫滅菌，備用。固定化顆粒配制3%海藻酸鈉溶液63 mL(微波爐加熱溶解)，混勻，待溫度降至30～40 ℃時，加入7 mL游離態(tài)菌液，混勻，用無菌注射器注入4% CaCl2溶液，于4 ℃交聯(lián)24 h，用生理鹽水沖洗3 遍，4 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.5 游離態(tài)菌液制備。取菌液4 mL 加入76 mL富集培養(yǎng)基中，培養(yǎng)至對數(shù)生長期(照射前混菌28 h，照射后混菌12 h)。取培養(yǎng)后的菌種6 mL用50 mL離心管于2 000 r/min，離心5 min。棄上清，加入60 mL無菌水稀釋(稀釋10倍)，備用。1.3 試驗場地區(qū)域劃分 把修復(fù)場地分為4個區(qū)，1區(qū)為添加固定化顆粒玉米區(qū)(球前玉米區(qū))，0.28 hm2；2區(qū)為添加游離態(tài)菌液玉米區(qū)(液前玉米區(qū))，0.41 hm2；3區(qū)為純玉米區(qū)，1.06 hm2；4區(qū)為空白對照區(qū)(CK)，0.01 hm2。試驗區(qū)總面積為1.76 hm2。

1.4 試驗步驟 ①平整好修復(fù)場地，將添加劑按麥糠6 000 kg/hm2、雞糞22 500 kg/hm2、復(fù)合肥600 kg/hm2、尿素300 kg/hm2均勻撒入各修復(fù)區(qū)，用拖拉機翻耕土地，使添加劑在土壤中混合均勻。②將準備好的游離態(tài)菌液，用噴霧器按750 L/hm2均勻噴入2區(qū)；將固定化顆粒按750 kg/hm2均勻撒入1區(qū)。③用拖拉機進行翻耕，使菌液或固定化顆粒在土壤中混合均勻。④1、2、3區(qū)種植玉米，4區(qū)保持天然狀態(tài)，不做任何處理。⑤按照日常種植方法對修復(fù)區(qū)玉米進行澆水和管理。收割的玉米，曬干后集中焚燒處理。

1.5 樣品采集 采樣深度25 cm，野外采樣原則為小于0.13 hm2的區(qū)域采集1組樣品，大于0.13 hm2的區(qū)域采集3組樣品，將其混合并分析。在實驗室測定樣品的降解菌總數(shù)、石油烴含量和石油降解率等指標。修復(fù)過程中，分別在第0天、第10天、第20天、第30天、第50天、第70天、第90天、第110天、第130天進行了9次采樣，共取得36組樣品。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同采樣時間修復(fù)區(qū)降解菌總數(shù)的變化 由表1可知，1區(qū)和2區(qū)在第10天污染土壤中石油降解菌總數(shù)達13.70×105個以上，而3區(qū)的降解菌總數(shù)明顯低于1和2區(qū)。這說明加入的固定化顆粒和游離態(tài)菌液具有催化劑作用，加快了降解菌的生長速度。3區(qū)在第20天時降解菌數(shù)量達到13.30×105個，雖然生長速度較慢，但也說明純植物(玉米)同樣可以促進降解菌的生長，起到降解石油的作用?？瞻讓φ諈^(qū)在整個修復(fù)過程中降解菌總數(shù)也有數(shù)量上的微弱變化，說明降解菌在充足的氧氣和光照條件下能夠生長繁殖，天然條件下的土壤具有一定的自凈修復(fù)能力。4個試驗區(qū)的降解菌總數(shù)變化均呈先增加再逐漸降低的趨勢，說明降解菌開始在油污環(huán)境中生長并達到一定值，同時發(fā)揮降解作用將石油降解，隨著降解菌生長環(huán)境中石油濃度的降低，降解菌數(shù)量逐漸減少。另外，1區(qū)在第90天、2區(qū)在第110天和3區(qū)在第70天降解菌總數(shù)發(fā)生了突變現(xiàn)象，這可能與取樣的不均勻性有關(guān)，如取到有油塊富集的土壤，也可能與土壤結(jié)構(gòu)和物質(zhì)成分的復(fù)雜程度有關(guān)。

表1 不同修復(fù)區(qū)土壤降解菌總數(shù)

2.2 不同采樣時間不同修復(fù)區(qū)石油烴含量的變化 由表2可知，從1和2區(qū)的石油烴含量來看，微生物與植物相結(jié)合的微生態(tài)技術(shù)對治理和修復(fù)土壤中石油污染物具有明顯的效果。尤其是2區(qū)，僅20 d石油烴含量就從初始的52.24 mg/kg下降至8.89 mg/kg，下降率達到82.98%，說明液態(tài)高效降解菌比固定化高效降解菌更容易與植物結(jié)合，降解速度快，且見效快。CK區(qū)石油烴含量變化很小，說明石油類污染物自然狀態(tài)下降解緩慢，土壤自凈能力較弱。

植物的生長過程本身是一個小型的微生態(tài)系統(tǒng)，它通過根系吸收土壤中的有機污染物，再通過光合作用和分解作用等一系列活動，改變周邊土壤。3區(qū)在前10 d降解石油的能力較低，但在第20天后土壤中石油含量明顯減少。這是由于天然狀態(tài)下土壤中存在的部分降解菌在加入營養(yǎng)物質(zhì)和添加劑及充分氧氣的環(huán)境下，與植物根系共同作用，快速繁殖，降解菌數(shù)量迅速激增，對土壤中石油進行降解，從而起到修復(fù)作用，這與3區(qū)降解菌總數(shù)的變化規(guī)律一致。

表2 不同修復(fù)區(qū)土壤石油烴含量

2.3 不同采樣時間不同修復(fù)區(qū)石油降解率的變化 從圖1可見，在第0天至第20天1、2、3區(qū)的降解率幾乎呈直線增長。2區(qū)增長速度最快，第20天降解率達到80%，中后期較穩(wěn)定，修復(fù)效果最好；1區(qū)增長速度次之，第20天石油降解率達到57%，但中后期稍有波動，石油降解率平均穩(wěn)定在50%左右，修復(fù)效果較明顯；3區(qū)的石油降解率的增長速度比1和2區(qū)稍慢，第20天達到60%，說明種植玉米也可提高石油降解率，對石油污染物具有修復(fù)作用，但降解率不穩(wěn)定。CK區(qū)在整個修復(fù)過程中，降解率明顯低于1、2、3區(qū)，且一直處在3%左右，說明天然狀態(tài)下土壤對污染物有一定降解功能，但是降解速度較慢，需要較長時間，這與CK區(qū)的降解菌總數(shù)和石油含量變化規(guī)律一致。通過對不同條件下石油降解率的比較，可以看出微生態(tài)修復(fù)技術(shù)可提高石油降解率，且玉米與游離態(tài)降解菌結(jié)合最好，效果最為顯著。

圖1 不同采樣時間不同修復(fù)區(qū)石油降解率變化Fig.1 The change of petroleum degradation rate under different restoration zone sampling at different time

3 結(jié)論與討論

(1)通過4個試驗區(qū)的野外現(xiàn)場修復(fù)對比試驗，充分肯定了微生物、植物(玉米)和二者聯(lián)合技術(shù)在治理土壤石油污

染物過程中具有明顯的修復(fù)作用。其中以液態(tài)高效降解菌與植物(玉米)相結(jié)合的方法效果最為顯著，整個修復(fù)過程中石油降解率一直保持在80%左右，見效快，是修復(fù)和治理大面積石油污染土壤的最佳選擇。通過對降解菌總數(shù)、石油烴含量及石油降解率進行分析，結(jié)果表明，天然狀態(tài)下，土壤中本身存在少量降解菌，但修復(fù)能力較弱，石油降解率在3%以下，因此土壤中污染物很難通過其本身的自凈能力得到修復(fù)。

(2)初始土壤中平均石油烴含量586.86 mg/kg以上，經(jīng)過該野外修復(fù)，土壤中石油殘油含量去除率達75%以上，說明地質(zhì)微生態(tài)技術(shù)在治理石油污染土壤方面具有顯著效果，是一種經(jīng)濟有效的方法。該技術(shù)從根本上修復(fù)和阻控了石油大面積污染，為解決石油大面積土壤污染提供了技術(shù)支持，應(yīng)用前景廣闊。參考文獻

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Microbial Ecological Field Remediation of Oil Contaminated Soil in Zhongyuan Oil Field

LI Hua-yao1, CHEN Li2*, ZHANG Fa-wang3et al

(1.Heibei GEO University, Shijiazhuang, Hebei 050000; 2.The Institute of Hydrogeology and Environmental Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Shijiazhuang, Hebei 050061; 3.Institute of Karst Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Guilin, Guangxi 541004)

[Objective] Using the micro ecological technology of combining the optimal microbial flora and plant (corn), to carry out the pollutants’ degradation and repair work. [Method] The corn was selected as the site repair experiment plant, and the research site was divided into four zones: adding immobilized particles, adding free state of bacteria liquid, pure corn, blank control area, collecting samples for nine times, total number of degrading bacteria, petroleum hydrocarbon content and change of oil degradation rate in soils from various regions were studied. [Result] Total number of degrading bacteria presented the trend of first increasing then decreasing with sampling time delay; the decreasing rate of petroleum hydrocarbon content in zone by adding immobilized particles and free state of bacteria liquid was significant, while in zone of pure corn petroleum hydrocarbon content reduced obviously at the 20thday; the degradation rate of petroleum was high and stable in zone by adding immobilized particles and free state of bacteria liquid, the oil degradation rate of pure corn was not stable. [Conclusion] The micro ecological technology combined with the free state bacteria liquid and corn has the best effect on the remediation of oil contaminated soil with fast degradation rate and remarkable effect.

Petroleum;Contaminated soil; Remediation; Flora;Degradation rate

科技部國際合作重點項目(2005DFA90200)。

李華耀(1992- )，河北正定人，碩士研究生，研究方向：地下水科學(xué)與工程。*通訊作者，助理研究員，從事礦山地質(zhì)環(huán)境和土壤修復(fù)研究。

2016-09-23

S 182

A

0517-6611(2016)35-0090-02