【技术】石油污染土壤生物修复技术现状与展望

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楼主 2019-02-10 15:31:34
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油气田开发过程中的油井泄漏、原油管线以及储油罐泄漏、海洋溢油等造成石油类物质落于地面土壤之上,造成土壤污染,特别是海洋溢油,对海岸线和海洋造成破坏性的影响。

关于泄漏石油毒性尤其是对土壤环境的污染,一直是众多研究团队关注的焦点。众多研究表明,土壤中含油量对于其中生物如细菌、蚯蚓和植物均会产生毒害作用,含量为1%时,细菌的抑制率接近100%;含量2%对于蚯蚓毒害作用可达10.57%7d后蚯蚓的死亡率为90%;含油量大于3%的土壤中没有蚯蚓存活;在含油量为3%的土壤中,植物的萌发过程受到抑制,玉米和小麦的发芽抑制率分别为51.3%48.4%。根系生长也表现出类似的趋势,即高浓度的石油抑制根系生长。

因此,迫切需要研究有利于环境的修复方法以去除土壤中的石油污染物。到目前为止,有多种可用于石油污染土壤的修复技术,从应用技术如溶剂萃取、生物修复,到新兴技术如电动修复技术、超声波修复技术。而生物技术因其投资低、环境风险小、适应能力强被认为是最有前途的修复技术之一。

1、生物修复技术

所谓生物修复是通过供给细菌所需的营养、氧气,并调控外界条件(pH、温度等参数),以加速土壤中石油烃的降解。

生物修复油污土壤始于20世纪40年代,其推广普及始于生物用于修复80年代瓦尔迪兹号漏油事件形成的油污土壤。表1显示了迄今为止在石油污染土壤修复中的生物修复研究。目前所应用的生物修复技术从原理上可分为三类,即生物强化、生物刺激和生物通风。

1.1生物强化

生物强化是指通过添加特定代谢活性基因工程菌以提高微生物种群的性能,增加土壤中原油降解效率。

生物强化关键是选择生理和代谢能力强的微生物作为工程菌,因此土著微生物就显得至关重要。实际土壤修复中,如果环境条件不是限制因素,土著微生物可以完成石油类污染物的自然衰减。在受污染的场地获取这些微生物,并通过与场地类似的条件富集培养得到的土著微生物,能更好地降解石油污染物,Roy等通过控制环境条件,利用土著原油降解菌降解土壤中的石油,经过24w的测试,在细菌和营养物质共同作用下原油降解率达到80%(初始污染体积分数为2%)。因此对于生物强化来说,通过筛选土著微生物,经过富集培养再进行接种是目前常用的修复技术。

1.2生物刺激

前述表明,土著微生物在土壤修复中有重要作用,因此在条件允许下,如何提高土著微生物菌团降解活力亦是油污土壤生物修复的一项关键技术,生物刺激就是基于这一原则进行研究。所谓生物刺激是指通过调节环境参数(如添加肥料等营养成分、调节pH、添加药剂改善油和土壤吸附性能等)用于刺激土著石油降解微生物的生长,从而提高现场天然微生物降解速率。

目前生物刺激主要手段包括添加营养盐和表面活性剂。营养盐对于土壤中石油污染物生物降解的影响是明显的,Chaineau等对比施肥和未施肥土壤为期150d的石油类污染物降解效果,添加氮、磷、钾营养盐土壤中石油降解率最高为62%,未施肥的土壤降解率仅为47%Abed等人也通过实验得到了类似的结果。

上述原因在于添加营养盐成功影响生物刺激,温度升高会进一步刺激在沙漠土壤嗜石油降解菌的活性,而未加营养盐组由于温度提高导致水分的挥发致使盐度升高,则可能造成氧气和碳氢化合物的溶解度改变,从而减缓细菌的生长和降解能力。Emami等的研究表明,营养盐的类型在石油降解中也起到重要作用,不同形态氮肥(NO3NNH4N)对污染土壤中石油的去除有不同的影响,结果表明NH4N具有更好的除油效率,分析其原因在于其能使土壤提高植物发芽能力和增加植物呼吸值。用于石油降解的肥料种类不限于氮肥,目前的研究还表明,各种生物垃圾包括大豆饼、家禽粪便、油棕榈果和甘蔗渣、已成功地制作成肥料应用于石油污染土壤的生物修复。

无毒性和可生物降解性的生物表面活性剂是生物刺激研究的另一个方向,其通过分散石油增加微生物底物的生物利用度,并能增加细胞表面的疏水性,使疏水底物自由地与细菌细胞相互作用,从而加速生物降解能力。目前研究最多的表面活性剂是长效β-环糊精和鼠李糖脂,Gruiz采用长效β-环糊精修复柴油和矿物油浓度分别为4629047170mg/kg的污染土壤,与空白对比去除率分别提高了2.6%4.8%。同时研究表明其可以减少土壤毒性并增强植物根系的进一步增长,增长长度大约为520mm

1.3生物通风

生物通风实际上是生物刺激的一种,通过在土壤空隙添加氧刺激微生物的生长。氧气的存在对微生物生存是必要的,因为有氧条件可以提高有机物质的代谢,产生更多的能量。Thomé等人采用生物通风修复质量分数为4%的柴油燃料污染的土壤,经过60d的处理,最大的降解效率为85%,而自然衰减的效率为64%,这表明氧气流能够增强微生物活性和增加污染物的降解率。

前述研究表明通过生物强化、生物刺激和生物通风等手段,开展油污土壤生物修复有很高的成功潜力。但也有研究表明,通过添加营养素/外部微生物未必增加除油效率,通过投加水溶性营养素处理特拉华湾岸线上原油,与自然衰减相比,油去除率没有明显提高,原因在于该地区土壤氮含量高,足以支持生物降解石油。因此通过生物修复土壤三种机制控制条件分析对比,量身定制生物修复计划对于油污土壤修复是必要的。

2、生物修复技术的优点和局限性

石油污染土壤生物修复的应用已被广泛研究,到目前为止,有许多在实验室和现场规模研究的生物修复技术。这些技术的主要优势在于,可在原位和易地修复石油污染土壤,降解石油污染物的同时不会留下任何对环境不利的长期毒素影响。此外,生物修复方法成本低,对环境没有破坏,其美观和低成本亦被社会广泛接受。但其缺点亦明显,一是治理时间长,有些修复需要持续长达几年的治理,才能获得令人满意的去除结果。二是高浓度的石油污染物影响微生物群落的活动将导致低的去除效率。

Margesin等人报道,当土壤中初始柴油污染从2500mg/kg增加到20000mg/kg时,土壤中总石油烃去除率下降60%,降解效率下降的原因在于高含油量导致土壤环境的高毒性,不利于微生物的活动。另外,生物技术高度依赖污染土壤参数和气候参数,如温度、pH、盐度、污染物成分、浓度和风化作用的影响。例如,高温会影响微生物的浓度,而土壤极端pH值可能对细菌和/或真菌有毒害作用。石油的风化作用也影响生物修复的效率。

3、未来研究方向

3.1高效降解菌剂开发

生物修复关键在于适宜的微生物,不同的生物在不同受污染的场地活性并不相同,因此进行生物修复成功的策略是通过实验室试验选择接种的微生物。对于原地作业,生物修复前通过筛选微生物进行接种能够增加成功的机率。目前土壤修复生物筛选最成功的方法是Kim等提出的DNA诊断———寡核苷酸微阵列方法,其通过原位诊断检测适合该地点修复的微生物菌株,用于原位土壤修复。

DNA诊断结果表明,污染土壤的修复可以成功实施,通过这种诊断将能够减少许多试验和错误,因为它可以确定生物修复的候选位点,同时评估生物修复的进展。其次在进行生物菌剂修复同时,开展石油对微生物降解影响的研究,对于菌种筛选也具有重要意义。

研究表明,微生物与油类污染物长期相互作用将改变微生物某些特性,如细菌与柴油长期接触后,二者相互作用会产生天然柴油表面活性剂,主要是由于疏水性,与柴油表面活性剂的相互作用后,Zeta电位和脂肪酸发生显著变化,从而影响了遗传修饰编码基因成分,导致对长期受到石油污染物作用后的细菌遗传物质产生影响。其次原油也会对微生物生物量、组成和功能产生影响,通过元蛋白质组分析来确定石油污染和微生物群落之间的功能和系统发育关系,能够加深对生物降解机理的认识,从而从遗传学、基因学等角度筛选合适的菌剂。

3.2环保的营养添加剂

无机营养物质的加入,能够成功地协助生物修复,但这些营养物质会浸出到地下水或任何水源,会导致水体富营养化,对水质产生不利的影响。因此寻找这些无机营养素的替代是研究热点,目前研究集中在直接加入植物或动物的有机物质代替无机营养盐。Horel等研究了植物(互花米草)和鱼组织(鲭森的突起部分)作为营养添加剂处理亚热带沉积物风化的柴油,42d后添加鱼组织油降解率提高104%,添加氮磷无机养分降解率提高了57%,植物有机质降解率提高7%。由此可见,添加动物基有机材料可以提高烃降解率,因此如何因地制宜地选择合适的营养添加物对于土壤修复成功具有一定的意义。

其次各种易降解的、产生较低毒性的、高温和碱性条件下能保持稳定的生物表面活性剂也是研究热点。目前的研究都集中在寻找新的促进石油烃降解的生物表面活性剂,Ayed等已成功地从一株芽孢杆菌分离出生物表面活性剂,对于温度、pH值、盐度具有较强适应性,同时对柴油的溶解度分别比SDS和吐温80提高10%,生物降解效率提高30%。这表明生物菌株分离的表面活性剂在石油污染土壤的生物修复中具有潜在应用价值。

3.3生物修复新技术

研究生物修复的效率受以下参数影响:石油降解微生物;营养物质,如溶解氧、氮和磷等;环境因素。因此,当前石油污染修复工程着重获得最佳除油效率的操作参数,响应面法是优化生物过程的有效方法,lvarez等通过响应面法优化南极的石油污染土壤生物修复参数,优化后C∶N∶P=100∶17.6∶1.73,柴油去除率达到54.9%,而在未经优化的C∶N∶P比为100∶10∶1的去除率仅为27.8%,同时通过优化能够减少肥料用量。可见响应面法对于生物修复土壤参数优化具有重要作用,下一步应该进一步优化响应面法应用于优化修复参数的适应性。同时厌氧生物修复技术目前也获得世界各地研究人员的青睐。

厌氧生物修复技术是微生物通过利用硝酸盐、硫酸盐、铁和二氧化碳作为电子受体修复石油污染土壤,相比于好氧生物修复工程向污染场地提供氧源而造成的高成本,这是一个符合经济效益的方法。通过对比硫酸盐、硝酸盐、甲烷和混合电子受体的条件下柴油(550mg/kg)污染土壤原位生物修复效率,表明混合电子受体条件下柴油降解效率达到81%,而单独硫酸盐或者硝酸盐还原条件时柴油降解效率低于50%。这可能是由于在混合电子受体条件下细菌含量高所致。而对于不同电子受体混合条件,混合比例以及混合后降解机理研究相对较少。

4、小结

1)生物修复能够有效降解石油污染物,并不会留下任何对环境不利的长期的毒性影响,且其成本低,能够永久消除污染物并且不破坏环境;然而,这些技术需要长达几年的持续时间治理,才能获得令人满意的去除结果。同时,高浓度的石油污染物以及不利环境条件会降低微生物群落的活性,也会导致低的去除效率。

2)未来的工作应在特种微生物和转基因微生物开展研究,通过DNA诊断方法,从遗传学、基因学等角度筛选合适的菌剂开展生物修复。

3)开发更环保的营养添加剂以及更规范的生物修复参数将成为未来研究工作的重点。

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