油污沙釋放油生成MOS的特性及其影響因素研究

陳亞冉++鄧瑞杰++郝樹廷++韓璐

摘 要：海洋石油雪（MOS）在油污沙灘的生物修復(fù)中發(fā)揮重要作用。采用模擬實驗，研究了MOS的形成及海水鹽度、混合能量對其生成的影響。結(jié)果表明MOS有茸狀、纖維狀、網(wǎng)狀和樹枝狀幾種形態(tài)， MOS絮體的沉降速率和胞外聚合物透明顆粒（TEP）含量都隨鹽度及混合能量的增加呈先增后減的趨勢，鹽度為35‰或混合能量為160 r/min時絮體存在最大沉降速率和最大TEP含量。

關(guān)鍵詞：油污沙釋放油；MOS；鹽度；混合能量

海上溢油隨波浪、潮汐等作用遷移至沿岸海灘，造成沙灘污染。開放的海洋系統(tǒng)中，在局部海浪或湍流等自然條件作用下，灘體中的夾藏油存在天然的釋放過程，并可與懸浮顆粒物（SPM）、海洋生物及其分泌物等聚集形成海洋石油雪（MOS），加速石油的生物降解及在海洋的遷移[1-2]。在該自然修復(fù)過程中，油組分與懸浮物質(zhì)等的凝結(jié)作用實質(zhì)是在陰離子介質(zhì)中，油滴中極性化合物與SPM之間的相互作用[3]。因此海水鹽度、混合能量等可能影響MOS的生成。本研究采用模擬實驗，研究了油污沙釋放油與顆粒物生成MOS的特性及其影響因素。

1 材料與方法

1.1 油污沙的制備與表征

準(zhǔn)確稱取10 g光照風(fēng)化15 d的輕質(zhì)原油，經(jīng)石油醚溶解加入到經(jīng)水洗、酸洗滅菌后的1 000 g原沙中。置于無菌操作臺做通風(fēng)及滅菌處理，并不斷攪拌至石油醚全部揮發(fā)。油污沙含油量采用GB 17378.4—2007中紫外分光光度法測定，初始含油量為8.102 7 mg/g。

1.2 微生物馴化及菌懸液制備

天然石油污染海水取自青島大港六號碼頭，對其中的微生物菌群進(jìn)行馴化富集培養(yǎng)。人工海水培養(yǎng)基及微量元素混合液參照文獻(xiàn)[4]。采用光密度法，在600 nm波長處測定微生物菌液濃度并作微生物生長曲線。選取對數(shù)生長期的培養(yǎng)液制備菌懸液[5]。

1.3 分析方法

用相機記錄生成MOS的表觀形態(tài)，其明場及熒光形態(tài)使用OLYMPUS IX71 倒置紫外熒光顯微鏡觀察；MOS沉降速率采用物理沉降方式，在50 mL比色管中進(jìn)行，根據(jù)公式V=H/t（V為沉降速度，H為比色管高度，t為沉降時間）計算所得；TEP含量采用先染色后顯微鏡下分析計算的半定量測定方法，計算結(jié)果用相同視野范圍內(nèi)直徑大于50 μm的TEP平均數(shù)量和平均總表面積表示[6]。大的總表面積具有大的TEP含量。

1.4 實驗過程

1.4.1 天然MOS的生成 參考天然灘體環(huán)境研究MOS生成。配制pH為8，鹽度為35‰的人工海水，各100 mL分裝于250 mL錐形瓶內(nèi)，一式三份，高壓蒸汽滅菌。添加2 g油污沙、10 mL菌懸液。置于恒溫，160 r/min搖床。觀察MOS的直觀形態(tài)，并以照片形式記錄。實驗進(jìn)行至第5天時進(jìn)行MOS明場和熒光形態(tài)觀察。

1.4.2 鹽度的影響 配制鹽度分別為20‰、25‰、30‰、35‰、40‰、45‰的人工海水，分裝，滅菌。加入2 g油污沙、10 mL菌懸液。置于恒溫，160 r/min搖床。實驗進(jìn)行至第5天時進(jìn)行沉降速率及TEP含量的測定。

1.4.3 混合能量的影響 人工海水（35‰）分裝，滅菌，加入2 g油污沙、10 mL菌懸液，置于恒溫?fù)u床。調(diào)節(jié)振蕩器轉(zhuǎn)速為120 r/min，140 r/min，160 r/min，180 r/min，200 r/min。第5天時取樣測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 天然MOS的生成

2.1.1 MOS直觀形態(tài) 錐形瓶置于搖床1天，觀察到有MOS絮體生成。隨時間推移MOS生成量增多，形態(tài)也多種多樣，總體上可分為如圖1中四種形態(tài)。

圖1 MOS不同形態(tài)（a茸狀b纖維狀c網(wǎng)狀d樹枝狀）

MOS絮體四種形態(tài)：圖1 a茸狀，呈羽毛狀的白色絮體，邊緣類似于茸毛，稱茸狀MOS。直徑在微米級到毫米級之間；b纖維狀，由一些絲狀細(xì)菌形成的絲狀物或是網(wǎng)狀黏性結(jié)構(gòu)捕獲油滴等其他黏性物質(zhì)而形成，結(jié)構(gòu)較茸狀緊實，稱纖維狀MOS；c網(wǎng)狀，比茸狀和纖維狀MOS稀疏，由一些極細(xì)的絲狀黏性物質(zhì)膠連著，呈分散結(jié)構(gòu)的絮體，稱網(wǎng)狀MOS。其細(xì)絲結(jié)構(gòu)易碎，直徑不會太大，一般在微米至毫米級，少數(shù)厘米級；d樹枝狀，由三種不同形態(tài)絮體黏合在一起形成的MOS。既有直徑僅為微米級也有直徑可達(dá)3厘米以上的，一般厘米級較多。其形態(tài)類似盤曲的樹枝，稱樹枝狀MOS。隨培養(yǎng)時間增加、溶液中微生物量及其他一些雜質(zhì)的增多，茸狀MOS會黏附一些物質(zhì)使自身由白色茸狀漸變成乳白色、灰色/黑色纖維狀。同時受水動力等其他因素的影響，其他絮體之間會發(fā)生形變，最常見的為纖維狀、網(wǎng)狀和樹枝狀之間的轉(zhuǎn)變。

2.1.2 MOS形態(tài)觀察 石油尤其是其多環(huán)芳烴類化合物在紫外燈照射下顯熒光，用紫外熒光顯微鏡可專門用于石油的探測，針對MOS明場及熒光形態(tài)的觀察如圖2，標(biāo)有a、b、c、d的為明場，未標(biāo)注的為熒光。

圖2 四種MOS明場和熒光形態(tài)（a茸狀b纖維狀c網(wǎng)狀d樹枝狀）

從圖2中可以看出，明場下茸狀MOS、網(wǎng)狀MOS、樹枝狀MOS結(jié)構(gòu)都較纖維狀MOS松散，且明場下熒光性也較弱，則捕獲的石油量少；圖a茸狀MOS的細(xì)絲較多，每根細(xì)絲上都黏附石油；圖b纖維狀MOS緊實的結(jié)構(gòu)除包裹較多的石油外，可能還含有較多的胞外聚合物等其他有機物質(zhì)；圖c網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的MOS較稀疏、輕薄、易碎，但有時能捕獲較大的油滴或油塊；圖d樹枝狀MOS，形態(tài)極不規(guī)則，既有單枝狀也有多枝狀，一般多枝狀較其他三種MOS絮體大。則就捕油率而言，生成的纖維狀MOS越多越好。

2.2 MOS沉降速率與影響因素

在影響因素研究過程中發(fā)現(xiàn)，鹽度及混合能量對MOS形態(tài)影響不大，但影響MOS的沉降速率及TEP含量。

2.2.1 鹽度對沉降速率影響 MOS絮體生成的初期，多懸浮在水面或水體中。實驗進(jìn)行至第3～4天，絮體開始沉降，且不同因素下絮體沉降速率不同。從圖3（a）可以看出，MOS沉降速率隨鹽度增加呈先增后減的趨勢。當(dāng)鹽度為35‰時，存在最大沉降速率0.52 cm/s。當(dāng)海水鹽度為20‰時，絮體沉降速率最小為0.26 cm/s，是鹽度為35‰時沉降速率的一半。endprint

一定范圍的鹽度是石油和黏土礦物相互作用的先決條件，溶解鹽具有膠體絮凝能力，可以通過電解作用絮凝黏土顆粒，油膜吸附在這些黏土顆粒上生成自發(fā)締合膠體或膠體電解質(zhì)，有利于結(jié)構(gòu)緊密絮體的生成[7]。如果海洋環(huán)境的鹽度低于該鹽度范圍，油與黏土礦物難以凝膠絮凝生成MOS絮體。則在較低的鹽度（20‰）環(huán)境中生成的絮體量較少且絮體結(jié)構(gòu)蓬松、沉降性能較差。

鹽度影響MOS生成的另一個機制是雙電層理論。溶解油黏附在顆粒物表面形成雙電層結(jié)構(gòu)，水相中溶解的電解質(zhì)可減小界面水相一側(cè)的雙電層厚度、降低Zeta電勢、減小液珠間的靜電排斥作用，促進(jìn)油珠的絮凝、聚并[8]，生成粒徑較大且結(jié)構(gòu)緊實的MOS絮體，沉降速率大。所以在一定鹽度范圍（20‰～35‰）內(nèi)，隨海水鹽度增加，在達(dá)到某一鹽度閾值（約35‰）之前，海水中的離子濃度相應(yīng)升高，油和礦物顆粒的雙電層厚度隨著鹽度的增加會被壓縮，顆粒表面的排斥能力降低，促進(jìn)了顆粒間的吸引力；一旦鹽度高于閾值35‰，雙電層厚度低于某一閾值，進(jìn)一步增加鹽度對MOS生成的影響較小，可以忽略不計[9-10]。同時持續(xù)增大的鹽度還可能影響微生物酶活性，減弱絮體的生成，使沉降速率減小。

圖3 鹽度（a）及混合能量（b）對沉降速率的影響

2.2.2 混合能量對沉降速率影響 從圖3（b）可知，隨混合能量的增大，絮體沉降速率出現(xiàn)先緩慢增大后急劇下降的趨勢，搖床轉(zhuǎn)速為160 r/min時，沉降速率存在最大值0.50 cm/s；當(dāng)轉(zhuǎn)速為200 r/min時，絮體沉降速率僅為0.12 cm/s。因變量為轉(zhuǎn)速，生成的MOS多為形態(tài)結(jié)構(gòu)相同的絮體，則絮體沉降速率與絮體大小呈正相關(guān)，較大的絮體沉降速率越大。

混合能量可以通過產(chǎn)生剪切力影響海洋懸浮物質(zhì)的遷移、轉(zhuǎn)化及其他物理化學(xué)過程。一定范圍內(nèi)（120～160 r/min），石油可以被分解成小液滴、懸浮油、溶解乳狀油，油滴尺寸隨混合能量的增加而減小，增強油和懸浮物之間的碰撞；同時較大的混合能量也能提高絮體的捕油效率，加速絮體生成過程[11-12]。所以隨轉(zhuǎn)速由120 r/min增加至160 r/min，生成的絮體體積不斷增大，沉降速率增大；但當(dāng)轉(zhuǎn)速為180 r/min時，較大混合能量大的剪切力有破碎或褶皺片狀聚集體的傾向，同時MOS絮體本身具有瞬時性和易碎性。當(dāng)轉(zhuǎn)速大于180 r/min，混合能量剪切力大于絮體本身的范德華力、黏合力時，就會破壞MOS絮體結(jié)構(gòu)，使其分解成很小的絮體，沉降速率驟減。

輕質(zhì)原油和低密度黏液的存在使絮體存在初始浮力，但隨絮體中微生物活動及風(fēng)化等作用，致使絮體結(jié)構(gòu)、密度等發(fā)生變化，絮體開始向海底沉降[13]。同時在絮體下沉過程中，較強的波浪作用還可以促進(jìn)一些MOS絮體向遠(yuǎn)洋海域的擴散，達(dá)到稀釋污染物的目的，影響石油的遷移轉(zhuǎn)化及最終歸宿[14]。促進(jìn)更多灘體夾藏油的釋放及MOS生成。所以鹽度為35‰、混合能量為160 r/min時，在一定程度上有利于絮體的沉降、擴散，油污沙石油的釋放及油的生物降解。

2.3 TEP含量與影響因素

2.3.1 鹽度對TEP含量影響 TEP是海洋生物分泌的胞外聚合物的部分糖性成分，是MOS的重要基質(zhì)[15]。TEP含量（面積/數(shù)量）可用以MOS絮體生成量的評價，尤其TEP大的平均總表面積對應(yīng)大的MOS絮體。不同條件下生成的MOS絮體TEP含量不同。形態(tài)相同的MOS絮體，其TEP包含量也有所不同。

從圖4（a）可以看出，海水鹽度在25‰～40‰之間時，絮體中TEP數(shù)量和面積均變化不大，數(shù)量在16～28之間，面積在（1.6～2.3）×108 μm2之間。但當(dāng)鹽度為20‰和40‰時TEP數(shù)量和面積都明顯減少；TEP數(shù)量和面積并非呈直線正相關(guān)，即多的TEP數(shù)量并不代表大的TEP面積。如鹽度為25‰和40‰時TEP數(shù)量均為16，而TEP面積卻分別為1.6×108 μm2和1.9×108 μm2；鹽度為35‰的TEP數(shù)量較30‰時少，但TEP面積卻較大，這說明35‰時生成的絮體平均直徑較30‰時大。

鹽度影響MOS生成的理論除溶解鹽膠體性質(zhì)及雙電層結(jié)構(gòu)外，還包括微生物活性。TEP的含量與微生物代謝活性密切相關(guān)，較低（20‰）或較高（45‰）的鹽度可能影響微生物的生理活動，減少黏性胞外聚合物的分泌，形成較少且較小的絮體；鹽度還可能改變了微生物的多樣性，影響反應(yīng)系統(tǒng)的生物活性。王子超等曾就研究表明鹽度低于30‰時序批式生物反應(yīng)器系統(tǒng)中微生物多樣性指數(shù)隨鹽度增加而增加，鹽度高于40‰時微生物多樣性指數(shù)逐漸降低[16]。

圖4 鹽度（a）及混合能量（b）對TEP含量的影響

2.3.2 混合能量對TEP含量影響 從圖4（b）可以看出，轉(zhuǎn)速為160 r/min時，平均TEP數(shù)量最多，為16個；且平均總表面積最大，為1.8×108 μm2，即主要成分為TEP的MOS絮體的量最多。轉(zhuǎn)速為120 r/min時，TEP數(shù)量僅為3個，是轉(zhuǎn)速為200 r/min時的一半；但TEP面積卻是200 r/min時的1.6倍，表明120 r/min生成絮體的平均粒徑較200 r/min的大。適當(dāng)?shù)牟ɡ藦姸龋?60 r/min）可以通過產(chǎn)生速度剪切力來分散和運輸其湍流中的溢油，增強其分散效果，加速與TEP凝聚形成較大的絮體[2]。過低的鹽度不利于絮體生成，而過高鹽度會破壞微生物活性及絮體結(jié)構(gòu)，所以TEP量都不大。

TEP不僅對海洋生物本身具有保護(hù)作用，其兩親性質(zhì)可以促進(jìn)絮體的凝聚，并且其表面活性還可以增大石油的水溶性及生物可利用性。MOS中TEP的含量越多，越有利于石油的最終降解[17-18]。所以鹽度為35‰、混合能量為160 r/min時有利于TEP的產(chǎn)生、MOS絮體的生成、油污沙釋放油的生物降解。

3 結(jié)論

MOS可分為茸狀、纖維狀、網(wǎng)狀和樹枝狀；不同形態(tài)的MOS絮體石油捕獲量不同，熒光性有強有弱；纖維狀MOS熒光性最強，捕油量相對較大。endprint

鹽度為35‰時，直徑大于50 μm的TEP平均數(shù)量為17，平均總表面積2.3×108 μm2最大；混合能量為160 r/min時，TEP平均數(shù)量最大，為18，平均總表面積1.8×108 μm2最大。

鹽度值為35‰時，MOS的最大沉降速率為0.52 cm/s；混合能量為160 r/min時，MOS的最大沉降速率為0.50 cm/s。

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