外加電場對原油微生物修復(fù)油污土壤的影響

蔡言紅,張琪雯,柴曉蝶,趙元壽,孫先鋒

(1.西安工程大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院,陜西 西安 710048;2.長慶油田分公司 第四采油廠,陜西 榆林 710021)

0 引 言

近年來,陜北地區(qū)大量開采石油資源,為國家和地方帶來巨大經(jīng)濟(jì)效益的同時也產(chǎn)生了一些石油污染問題。據(jù)統(tǒng)計(jì),陜北地區(qū)石油污染面積約708.16萬m2[1-3],修復(fù)油污土壤刻不容緩。微生物法因其發(fā)展?jié)摿Υ?、產(chǎn)生污染小、修復(fù)效果佳等優(yōu)點(diǎn)受到各界廣泛關(guān)注[4-6]。外加電場耦合微生物處理技術(shù)被認(rèn)為是最具研究前景的微生物修復(fù)土壤的技術(shù)之一。張振新[7]研究表明電場能夠激活或加強(qiáng)某種酶的活性,促進(jìn)酶化反應(yīng)的進(jìn)行,提高微生物處理能力和細(xì)胞繁殖速率,促進(jìn)微生物生長和繁殖。范瑞娟等[8]提出,施以電場,降解菌活性和污染物的礦化率均得到了加強(qiáng),石油降解菌的數(shù)量和石油去除率均得到了提升。文獻(xiàn)[9]通過實(shí)驗(yàn)得出,施加電場刺激后,能夠快速增加微生物的數(shù)量,維持微生物的競爭力和新陳代謝速度,加速污染物的去除。

本模擬實(shí)驗(yàn)將外加電場作為一種強(qiáng)化微生物降解油污的手段,應(yīng)用于油污土壤修復(fù)。即通過施加電場,加快微生物的新陳代謝,提高微生物修復(fù)油污土壤的能力;同時提高污染物轉(zhuǎn)化反應(yīng)速率[9],使油污土壤得到深度修復(fù),解決單純微生物處理效率低、修復(fù)時間長等問題。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料

1.1.1 儀器 Alpha-1900系列紫外可見分光光度計(jì)(上海譜元儀器有限責(zé)任公司);LYZ-111搖床(天津泰斯特儀器有限公司);JT-OIL460紅外測油儀(天津市精拓儀器科技有限公司)。

1.1.2 油污土壤樣品 采自陜北長慶油田某井場內(nèi),其理化性質(zhì)為pH 8.08,含水率8.67%,有機(jī)質(zhì)7.33%,含油率5.25%。

1.1.3 實(shí)驗(yàn)用菌 由實(shí)驗(yàn)室保存的高效降解石油微生物菌種SA-1和SA-2。(文后所出現(xiàn)的降解菌均指SA-1和SA-2混合菌株)。

1.1.4 實(shí)驗(yàn)裝置 方形槽式室內(nèi)含油土壤處理模擬系統(tǒng),槽長寬高分別為36 cm,20 cm,24 cm,底層鋪有約10 cm厚的油污土壤;電極選用高純石墨電極；含油土壤處理模擬系統(tǒng)上層覆蓋PVC膜,并設(shè)置通孔;電控系統(tǒng)為恒流穩(wěn)壓電源,可以提供0～220 V連續(xù)可調(diào)節(jié)電壓的直流電。實(shí)驗(yàn)開始前,對含油土壤處理模擬系統(tǒng)進(jìn)行75%酒精擦拭和30 min紫外燈照射滅菌處理,整個實(shí)驗(yàn)過程在無菌實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行。

圖 1 方形槽式室內(nèi)含油土壤處理模擬系統(tǒng)Fig.1 Simulation system for indoor oily soil treatment with square trough

1.2 方法

1.2.1 混合菌液制備 將2株分離純化的石油降解菌接種到已滅菌的牛肉膏蛋白胨液體培養(yǎng)基中,在35 ℃下,轉(zhuǎn)速180 r/min搖床振蕩培養(yǎng)24 h,進(jìn)行菌種活化[10-11]。分別將SA-1和SA-2按照10%總投加量接種稀釋制成菌液,然后按照一定比例將二者的菌液混合配制1 L,接種到液體培養(yǎng)基中備用。

1.2.2 混合菌株生長和分布的測定 電場強(qiáng)度的選擇在很大程度上會影響電場耦合石油降解菌的降油效果,本實(shí)驗(yàn)在文獻(xiàn)[12-15]的基礎(chǔ)上進(jìn)行了電場強(qiáng)度作用范圍的優(yōu)化研究。將按照一定比例制備的1 L混合菌液倒入方形槽式室內(nèi)含油土壤處理模擬系統(tǒng)中,并外加不同電場強(qiáng)度0 V/m,100 V/m,120 V/m,140 V/m,160 V/m置于轉(zhuǎn)速180 r/min恒溫?fù)u床中。以0 V/m為對比,培養(yǎng)溫度為35 ℃,50 h后,以未接種的牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基為參比,在波長為600 nm下,采用紫外可見分光光度計(jì)測定光密度(OD)[14]。電場陰陽兩極間距40 cm,從陽極端起間隔5 cm 取樣,菌群數(shù)量分布及遷移特征均采用涂布平板分離培養(yǎng),并采用平皿計(jì)數(shù)法[16],每8 h定期檢測石油降解菌分布。每組設(shè)3個平行試樣。

1.2.3 電場耦合混合菌株對油污土壤降解率的測定 實(shí)驗(yàn)采用室內(nèi)模擬系統(tǒng),施加最佳電場,按照混合菌液與油污土壤樣品體積比1.5∶10加入含油土壤處理模擬系統(tǒng)中,加入適量蒸餾水,使含水率保持在50%左右,攪拌均勻;采用間歇式通電,每天作用8 h,分為2個時段,每個時段作用4 h;連續(xù)處理50 d后取樣檢測油污土壤含油率。含油量采用紅外測油儀進(jìn)行測定,計(jì)算石油的降解率,以不加電場(0 V/m)為對照。各項(xiàng)數(shù)據(jù)分別平行測定3次,取其平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 電場強(qiáng)度對混合菌株生長的影響

2.1.1 降解菌在電場作用下的生長變化 混合降解菌株(SA-1和SA-2)在梯度電場作用下的生長曲線如圖2所示。

圖 2 不同電場作用下混合降解菌株生長曲線Fig.2 Growth curve of mixed degradation strain under different electric field

如圖2所示,混合菌對不同電場強(qiáng)度的敏感程度有一定的差異,生長促進(jìn)趨勢先增后減,但其生長曲線基本都符合對數(shù)期到穩(wěn)定期的過程。以電場強(qiáng)度為0 V/m為對照,可以得出,在電場強(qiáng)度為100 V/m,120 V/m,降解菌數(shù)量增加,說明電場有助于降解菌生長繁殖。電場促進(jìn)降解菌生長代謝程度大小依次為120 V/m>100 V/m。當(dāng)電場強(qiáng)度為140 V/m時,降解菌的生長繁殖幾乎不受電場影響,其生長曲線與不加電場的生長曲線基本保持一致。160 V/m時，降解菌數(shù)量減少，生長受阻。相比之下,電場強(qiáng)度為120 V/m時,降解菌生長和代謝速率最快,電場對降解菌生長的促進(jìn)作用最明顯。因此,降解菌在120 V/m時,數(shù)量增加,生長繁殖加快,相對于其他4個電場強(qiáng)度而言,120 V/m是降解菌生長和繁殖的最佳電場強(qiáng)度。

2.1.2 混合菌株在電場作用下遷移特征 張燦燦等[10]提到,電場處理可以激發(fā)細(xì)菌的可培養(yǎng)性,使得細(xì)菌數(shù)量增加到原來的3倍?；旌暇?SA-1和SA-2)在梯度電場作用下數(shù)量增加變化趨勢如圖3所示。

圖 3 不同電場作用下混合菌遷移曲線Fig.3 Mixed bacteria migration curve under different electric field

不同電場強(qiáng)度對石油降解菌行為影響是不同的。從圖3可以看出,降解菌數(shù)量經(jīng)歷的變化趨勢規(guī)律為兩邊低,中間高。在0 V/m下,降解菌整體數(shù)量處于較低水平,并且在電場中不同位置沒有產(chǎn)生定向的運(yùn)動。在電場強(qiáng)度為100 V/m，120 V/m下,降解菌數(shù)量急劇增加。100 V/m時,混合菌數(shù)最高達(dá)到3.890×106cfu·g-1；120 V/m時,最高達(dá)到7.140×106cfu·g-1。電場強(qiáng)化降解菌數(shù)量變化依次為120 V/m>100 V/m。當(dāng)電場強(qiáng)度為140 V/m時,降解菌的數(shù)量幾乎不受電場影響,其數(shù)量與不加電場的降解菌數(shù)量基本保持一致。而160 V/m時降解菌數(shù)量開始下降。相比之下,電場強(qiáng)度為120 V/m時,降解菌數(shù)量增加得最多,速度增長得最快,電場對降解菌的促進(jìn)作用最明顯。因此,120 V/m是降解菌的最佳作用電場。

2.2 電場強(qiáng)化微生物處理油污土壤效果分析

將電場耦合降解菌技術(shù)用于實(shí)際油污土壤樣品處理中。以電場強(qiáng)度0 V/m為對照,土壤中油污降解效果如圖4所示。從圖4可以看出,在電場強(qiáng)度120 V/m下,土壤樣品石油降解率分別為75.8%,72.4%,90.2%。0 V/m時,降解率分別為60.8%,58.6%,78.2%,降解率分別提高了15.0%,13.8%,12%。可見,適當(dāng)電場可以提高石油降解菌降解油污能力,電場耦合降解菌降解石油效果顯著。石油降解菌細(xì)胞的等電點(diǎn)在2～5之間,而長慶油田油井附近的土壤屬于弱堿性,微生物在該條件下會帶負(fù)電荷。在外加電場的作用下,微生物細(xì)胞表面的原有電位差發(fā)生了改變,破壞了微生物細(xì)胞內(nèi)外離子濃度的平衡,促使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)可以順利進(jìn)入到細(xì)胞體內(nèi),從而促進(jìn)了微生物的生長與新陳代謝。油污土壤樣品分析結(jié)果顯示，電場耦合降解菌降解石油是一項(xiàng)高效、可行的技術(shù)。

圖 4 電場對土壤油污降解效果影響Fig.4 Effect of electric field on soil oil pollution degradation

2.3 油污土壤樣品處理方法對比

為了進(jìn)一步考察電場強(qiáng)化石油降解菌作用對油污土壤的修復(fù)特性,以陜北長慶油田某井場油污土壤為實(shí)驗(yàn)樣品，進(jìn)行相關(guān)對比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為:1#:不加降解菌,不加電場;2#:不加降解菌,加電場;3#:加降解菌,不加電場;4#:加降解菌,加電場。降解菌為實(shí)驗(yàn)保存的2株混合降解菌;按照模擬實(shí)驗(yàn)優(yōu)化最佳電場強(qiáng)度120 V/m。對1#，2#，3#，4#試樣處理后的石油降解率如圖5所示。

圖 5 不同方法對土壤油污降解效率影響Fig.5 Effect of different methods on soil oil pollution degradation rate

從圖5可以看出,土壤樣品經(jīng)過不同方法處理后,含油率均有不同程度的下降。1#是土壤中本身所含油污的土著微生物作用下完成降解的,隨著時間的變化降解率分別是18.9%，24.3%，28.3%，29.1%，27.7%。土著微生物降解能力有限,降油率最高僅為29.1%。2#是在電場作用(電遷移、電滲析、電泳)和土壤本身所含油的土著微生物共同作用下完成降解的,電場可能刺激了土著微生物的活性,在一定基礎(chǔ)上提高了石油降解率,降油率最高45.6%。3#是2株實(shí)驗(yàn)室保存的降解菌株與土壤中本身所含有的其他土著微生物共同作用下完成降解的,降油率最高為70.6%。降油率分別提高了41.5%，25.0%。4#是電場混合降解菌降解土壤中油污,降油率最高達(dá)到了90.2%。相比1#，2#，3#,降油率分別提高了61.1%，44.5%，19.5%,降油效果十分顯著。隨著時間的變化,不同方法下降油率大小依次為4#>3#>2#>1#。由圖5分析可得,1#，2#及3#的處理方法也促進(jìn)了石油的降解,但是三者降解效果均不如4#,在充分結(jié)合2株菌株的降解優(yōu)勢下施加電場,油污土壤降解率得到很大提高。電場強(qiáng)化微生物修復(fù)油污土壤效果顯著,具有廣泛應(yīng)用前景。

3 結(jié) 論

(1) 將模擬實(shí)驗(yàn)菌種施加不同電場強(qiáng)度,通過降解菌生長趨勢和數(shù)量變化,優(yōu)化電場強(qiáng)度為120 V/m。

(2) 以電場強(qiáng)度0 V/m為對照,電場強(qiáng)度為120 V/m時,電場耦合石油降解菌技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際樣品分析和檢測中,油污土壤樣品降解率最高達(dá)到90.2%,表明電場通過促進(jìn)石油降解菌生長和繁殖可以提高石油降解率。

(3) 電場耦合石油降解菌的油污去除率,比單一電場、單純微生物處理的降油率分別提高了44.5%，19.5%,處理效率得到很大提高,縮短了石油污染土壤修復(fù)時間。因此,電場耦合石油降解菌技術(shù)作為一種高效、實(shí)用土壤油污降解技術(shù),具有廣泛的應(yīng)用前景。