生物炭固定化微生物修復(fù)石油烴污染研究進(jìn)展

閆首龍,李 爽,陳 曦,馬會強(qiáng)

(遼寧石油化工大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院,遼寧 撫順 113001)

石油作為重要能源被廣泛使用,隨之而來的石油烴污染對土壤和水體環(huán)境造成嚴(yán)重危害[1]。生物炭固定化微生物技術(shù)通過物理或化學(xué)方法將微生物固定于生物炭材料上,從而保持微生物活性,提高微生物密度[2],是一種有前景的石油烴污染修復(fù)方法,具有處理效率較高、效果穩(wěn)定、無二次污染等優(yōu)點[3]。生物炭固定化微生物對石油烴污染有較好的修復(fù)效果,歸因于固定化微生物的生物降解與生物炭吸附的協(xié)同作用,生物炭吸附可以增強(qiáng)污染物從污染環(huán)境向固定化微生物群落的傳質(zhì),并豐富固定化微生物形成生物膜,通過新陳代謝氧化分解污染物[4-5]。在此,作者在介紹優(yōu)勢降解微生物、生物炭載體、微生物固定化方法及生物炭固定化微生物技術(shù)修復(fù)石油烴污染的影響因素的基礎(chǔ)上,對近年來國內(nèi)外生物炭固定化微生物技術(shù)修復(fù)石油烴污染的應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行總結(jié),并對未來發(fā)展方向進(jìn)行展望,旨為生物炭固定化微生物技術(shù)修復(fù)水及土壤中石油烴污染研究提供參考。

1 優(yōu)勢降解微生物

用于固定化的微生物主要包括細(xì)菌、真菌、藻類等。針對不同的目標(biāo)污染物及污染環(huán)境,篩選優(yōu)勢降解微生物尤為重要,但存在篩選難度大、富集率低和菌體易脫落等問題[6]。Song等[7]從焦化廠的石油烴污染土壤中分離出鞘氨醇單胞菌PJ2,以生物炭為載體將其固定化,發(fā)現(xiàn)固定化鞘氨醇單胞菌PJ2可以有效修復(fù)和改良多環(huán)芳烴污染鹽漬土。劉志敏等[8]以海藻酸鈉和殼聚糖為復(fù)合載體,對從渤海灣石油勘探船廢油中分離出的海洋石油烴降解菌Acinetobactersp.Tust-DM21進(jìn)行固定化,發(fā)現(xiàn)其對石油烴的降解效率較游離菌大幅升高。姜義等[9]從大慶油田的石油污染土壤中分離出6株耐高溫石油烴降解菌,發(fā)現(xiàn)在石油濃度為0.5%、pH值為7、溫度為52～80 ℃、接種量為2 mL、氮源為硫酸銨的最佳條件下,菌株BacilluslicheniformisWY2對總石油烴的降解率約52%。Mohn等[10]在極寒地區(qū)土壤修復(fù)試驗中,通過接種耐冷微生物,石油烴降解率可達(dá)80%以上。Wang等[11]發(fā)現(xiàn)在低鹽環(huán)境(0.1%NaCl)下,嗜鹽基團(tuán)cy-1對菲的降解沒有顯著影響;而在高鹽環(huán)境(5%NaCl)下,菲在5 d內(nèi)可以完全降解。因此,要根據(jù)不同的污染環(huán)境,選擇合適的優(yōu)勢降解微生物。

2 生物炭載體

微生物固定化載體需具有成本低、環(huán)保、機(jī)械強(qiáng)度高和使用壽命長等特點,且能為固定化微生物提供足夠的空間,并增強(qiáng)底物與固定化微生物之間的相互作用[12-13]。生物炭通常由生物質(zhì)原料[14-15]在相對較低的熱解溫度(<700 ℃)及有限氧氣或無氧條件下制備[16]。生物炭具有疏松多孔、比表面積大等特點,其作為載體固定化微生物具有極大的應(yīng)用潛力。生物炭的多孔結(jié)構(gòu)可以為微生物的生長繁殖提供空間,同時也可提供少量的營養(yǎng)物質(zhì)來抵抗外界環(huán)境因素對微生物生長的影響[17-18]。研究表明,生物炭的物理結(jié)構(gòu)通常取決于碳化溫度,因為熱解過程中釋放的揮發(fā)物有助于形成孔隙[19-20],從而使比表面積增大。陳鈺等[21]研究了裂解溫度(300～800 ℃)對生物炭制備的影響,發(fā)現(xiàn)在550 ℃時,由于有機(jī)物大量揮發(fā),生物炭具有高度疏水性和組織良好的碳層。但過高的溫度會破壞生物炭孔壁結(jié)構(gòu),導(dǎo)致總官能團(tuán)減少[22-23]。熊武芳[24]采用雞糞、稻殼等生物質(zhì),在相同條件下制備生物炭吸附劑,結(jié)果顯示,稻殼生物炭具有較低的灰分含量和較少的含氧官能團(tuán),穩(wěn)定性更強(qiáng),對萘的去除效果更好。

3 微生物固定化方法

目前,常用的微生物固定化方法主要有吸附法、包埋法、交聯(lián)法、共價鍵結(jié)合法[25]。其中吸附法與包埋法被廣泛應(yīng)用于生物炭固定化微生物修復(fù)石油烴污染。

3.1 吸附法

吸附法是通過生物炭表面吸附、孔隙填充[26]、靜電相互作用[27]實現(xiàn)對微生物的固定化,具有成本低、操作簡單、對微生物活性影響小、不需添加化學(xué)試劑等優(yōu)點。但微生物與生物炭之間的相互作用較弱且不穩(wěn)定,導(dǎo)致微生物易脫落[28],造成二次污染。Zhou等[29]利用玉米秸稈生物炭固定化產(chǎn)生物表面活性劑弧菌LQ2,用于處理海洋柴油污染,發(fā)現(xiàn)柴油殘留量從169.2 mg降至8.91 mg,降解率達(dá)94.7%,優(yōu)于生物炭(35.2%)和游離菌(54.4%)的降解效果。Wang等[30]采用腐殖酸改性生物炭通過吸附法固定微生物,發(fā)現(xiàn)其對污染物的降解效率顯著提高。改性生物炭為微生物的固定化提供了新思路。

3.2 包埋法

包埋法是將微生物截留在聚合物載體網(wǎng)格中,外部環(huán)境的小分子底物和產(chǎn)物可以自由進(jìn)出載體生物炭,而微生物不會泄漏[31]。包埋法對微生物毒性低,顆粒強(qiáng)度高,適用范圍廣。目前,常采用海藻酸鈉和聚乙烯醇作為微生物固定化的包埋劑。Chen等[32]以植物殘渣制成的生物炭為載體、海藻酸鈉為包埋劑固定化惡臭假單胞菌B1和本土細(xì)菌B2,用于處理1.0 mg·L-1菲和0.1 mg·L-1芘,菲和芘的降解率分別升至92%～100%和96%～100%。Lu等[33]以水稻生物炭(RS500)和海藻酸鹽為復(fù)合物,通過凝膠包埋法固定化銅綠假單胞菌,用于處理水中3.5 mg·L-1苊,研究發(fā)現(xiàn),添加非離子表面活性劑TX100可以促進(jìn)生物炭對多環(huán)芳烴的吸附和銅綠假單胞菌對多環(huán)芳烴的降解;在最佳條件下,包埋銅綠假單胞菌的海藻酸生物炭對苊的降解率為50.6%。然而,在包埋過程中微生物細(xì)胞的活性可能會受到損害,當(dāng)固定化微生物細(xì)胞密度高或降解大分子污染物時,傳質(zhì)阻力的增加會影響微生物的物質(zhì)交換,使傳質(zhì)效率下降[34],導(dǎo)致載體不能繼續(xù)使用。

4 生物炭固定化微生物技術(shù)修復(fù)石油烴污染的影響因素

4.1 菌炭投加比

生物炭含量過高,會對微生物細(xì)胞產(chǎn)生一定的潛在毒性,導(dǎo)致單位生物炭吸附的微生物過少,影響石油烴污染的修復(fù)效果;生物炭含量過低,則會導(dǎo)致單位生物炭吸附的微生物過多,由于吸附位點有限,生物炭表面微生物能夠接觸并利用的污染物隨之減少,進(jìn)而影響石油烴污染的修復(fù)效果[35-36]。因此,合適的菌炭投加比對石油烴污染的修復(fù)非常重要。

4.2 pH值

pH值對微生物的影響較為復(fù)雜,會通過影響細(xì)胞活性影響微生物的生長繁殖和新陳代謝,不同微生物生長的適宜pH值范圍也不相同[37]。在生物炭體系中,pH值會影響生物炭表面電荷的遷移率,從而影響污染物與生物炭載體之間的相互作用[38]。

4.3 溫度

微生物的活性和生物炭的性能也受環(huán)境溫度的影響。研究發(fā)現(xiàn),溫度(10～50 ℃)升高有利于石油烴污染的修復(fù)?？赡苁怯捎?溫度升高改善了固定化微生物的傳質(zhì),有利于石油烴污染物在生物炭中的遷移和固定化微生物的酶降解[33]。當(dāng)溫度高于30 ℃時,游離菌細(xì)胞內(nèi)的酶失活,導(dǎo)致游離菌代謝能力降低,生長受到抑制;而固定化微生物對污染物仍有很好的去除效果,主要是由于,生物炭載體為微生物提供了相對穩(wěn)定的微環(huán)境[39]。Zhu等[40]研究了生物炭固定化沙雷菌N80對噻吩磺隆的去除效果,發(fā)現(xiàn)其最適作用溫度為25～35 ℃,略高于游離菌。

4.4 石油烴初始濃度

一定濃度的石油烴可以促進(jìn)固定化微生物對石油烴的降解,這是因為,微生物可以利用石油烴作為碳源和能源;但當(dāng)石油烴濃度超出一定限值時,會對微生物產(chǎn)生毒害作用[41],導(dǎo)致總生物吸附量和去除效率降低[42]。因此,合適的石油烴初始濃度更有利于石油烴污染的修復(fù)。Chen等[28]利用改性竹炭固定化威尼斯不動桿菌對柴油進(jìn)行降解,當(dāng)柴油初始濃度為100～400 mg·L-1時,固定化威尼斯不動桿菌對柴油的降解率隨初始濃度增加明顯提高;當(dāng)柴油初始濃度為400 mg·L-1時,固定化威尼斯不動桿菌在48 h內(nèi)對柴油降解率達(dá)到了94%,遠(yuǎn)高于相同濃度下游離菌的降解率,這可能是因為,改性竹炭載體為威尼斯不動桿菌提供了相對穩(wěn)定的微環(huán)境和營養(yǎng),減輕了外部環(huán)境對威尼斯不動桿菌的干擾。

5 生物炭固定化微生物技術(shù)修復(fù)石油烴污染的應(yīng)用

石油烴具有低溶解度、非極性和疏水性,廣泛存在于環(huán)境中。目前,已有很有研究者將生物炭固定化微生物技術(shù)應(yīng)用于石油烴污染的修復(fù)。Ren等[43]利用玉米棒生物炭固定化分枝桿菌修復(fù)石油污染土壤,發(fā)現(xiàn),固定化分枝桿菌對土壤中石油烴的降解效率明顯提高,60 d內(nèi)對石油烴的降解率為70.10%。Qiao等[44]利用磁性懸浮生物炭凝膠球固定化細(xì)菌,研究了其對石油烴的降解效果,結(jié)果表明,固定化細(xì)菌對芘、苯并[a]芘和茚并[1,2,3-cd]芘的降解率分別為89.8%、66.9%和78.2%。目前,生物炭固定化微生物對石油烴污染的修復(fù)研究大多是實驗室研究,實際應(yīng)用較少。國內(nèi)外利用生物炭固定化微生物修復(fù)石油烴污染的研究案例見表1。

表1 生物炭固定化微生物修復(fù)石油烴污染的研究案例Tab.1 Case study on bioremediation of petroleum hydrocarbon pollution by biochar immobilized microorganisms

6 展望

生物炭固定化微生物技術(shù)在石油烴污染修復(fù)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景,但仍面臨如下挑戰(zhàn):(1)針對實際污染環(huán)境的復(fù)雜性,開發(fā)性價比高、性質(zhì)穩(wěn)定、無毒、孔隙率高、比表面積大的生物炭,篩選高效、穩(wěn)定的優(yōu)勢菌種;(2)目前,吸附法和包埋法是主要的微生物固定化方法,其它方法研究還相當(dāng)缺乏,可開發(fā)新型微生物固定化方法,以進(jìn)一步提高修復(fù)效率;(3)今后可在生物炭協(xié)同微生物與石油烴污染相互作用機(jī)制方面進(jìn)行研究,探究生物炭與微生物的協(xié)同作用機(jī)制及對石油烴污染的降解機(jī)制,提高對石油烴污染的降解效率。