石油污染土壤的生物修复技术 当前位置:首页环境修复
 

1 前言      

    石油是现代社会的重要能源,被称作“工业的血液”“黑色的金子”,同样石油工业在国民经济中占有十分重要的地位,是国家综合国力的重要组成部分。我国目前已在25个省和自治区中找到了400多个油气田或油气藏,自1978年以来我国石油年产量突破一亿吨大关从而成为世界十大产油国,现在年产石油近1.83亿吨。然而石油工业迅速发展的同时也带来了许多环境问题。在石油开采、贮运、炼制加工及使用和运输过程中,引起了一系列土壤石油污染问题。我国每年有近60万吨石油进入环境,污染土壤近10万吨,石油污染土地面积约500万公顷。石油污染可以使生态系统的结构和功能遭受破坏使作物减产,而且污染土壤中低沸点的燃料油类能引起人体的麻醉、窒息、化学性肺炎等,其中多环芳烃对人还有致癌、致突变和致畸等作用。石油污染土壤给生态环境带来巨大危害的同时也给国家和社会造成巨大的经济损失。所以,解决土壤中石油污染这种与人类生活密切相关的问题具有重要意义。

2 土壤生物修复技术           

    土壤生物修复技术(Soil Bioremediation)就是一种利用生物技术和方法来治理土壤污染使其恢复其正常功能的途径。广义的土壤生物修复包括利用土壤中的各种生物一植物、土壤动物和微生物吸收、降解和转化土壤中的污染物,使污染物的浓度降低到可接受的水平,或将有毒有害的污染物转化为无害的物质。与化学、物理方法相比,生物修复对人和环境造成的影响小,且修复费用仅为传统物理、化学修复的30%一50%,是一种高效、经济和环境友好的污染治理,并主要以原位修复为主。微生物修复是研究最多、应用也最为广泛的一种生物修复方法。微生物降解石油就是利用微生物促进有毒、有害物质降解,主要是利用活的有机体去打破污染有毒害作用的大分子结构,最终把石油污染物转化成无毒性的形式,从而使石油类污染物在微生物的新陈代谢循环中得到转化和去除。         

3.影响土壤生物修复的环境因素        

3.1 度         

    温度对石油烃类的生物降解速率起着关键作用口J,这是因为温度可以决定石油碳氢化合物的物理状态,而物理状态最终影响到微生物与石油碳氢化合物分子之间的相互作用关系,进而改变了生物降解的过程和速率¨J。研究表明,从0—30。C环境中均可分离石油降解菌。环境中烃类降解与温度呈正相关。在。一30℃范围内每升高lo℃,其生化反应增加2—3倍。而低温时某些烃类呈固态,因而不易降解。此外,微生物对石油烃的降解借助于酶的催化作用完成,而酶的活性只有在一定的温度范围内才能得以发挥。对于好氧菌来说最佳的石油降解温度一般是在15—30℃之间。        

3.2 氮与磷含量           

    在油污土壤中,通常有机碳含量较高,而N、P相对缺乏,因为石油能够提供生物较易利用的有机碳,而不能提供N、P及其它营养物∞J。氮与磷含量常严重地限制了细菌生长繁殖,进而影响微生物对石油的降解。因此适时适量施用氮、磷肥料可以加快石油污染物的降解。Arias等发现在石油生物修复过程中普遍采用的最优碳氮、碳磷比分别为10:1、10:0.3。且有实明,碳氮磷比在不同降解时期,对石油中各组份降解速率的影响不同,降解前期,较低的碳氮磷比降解启动时间短,氮磷消耗与降解速率较快;降解后期,碳氮磷比对降解速率的影响不是很显著;最终降解效果基本相同。但是向沉积物中加人氦磷营养,要考虑是否会造成氮磷释放,形成二次污染。           

3.3 氧         

    石油中各个组分完全矿化为CO:和H:O,需要一定量的氧,每分解l克石油,需氧3~4克。在石油污染严重的环境里,氧有时成为石油降解的限制因子。虽然采用厌氧方式也可对石油烃进行降解,但是Van—looeke等人¨驯认为,任何情况下,厌氧微生物降解率都低于好氧微生物。因此提供足够的氧很可能是提高生物降解率的最重要的条件。土壤中的氧的量常常是制约高速降解的限制因素。并且试验表明,石油在厌氧条件下的降解比有氧时要低几个数量级,在有氧时烃类经14d可降解20%以上,而厌氧条件下经223天降解率不到5%。厌氧石油降解在自然界几乎微弱至可忽略不计,但其对底泥及深水中石油烃类的降解仍具有一定意义。          

3.4 水分         

    石油烃在土壤中的降解与土壤中的水分含量有一定的关系。土壤过分干燥或在冰冻条件下土壤中无液态水,石油难以降解;但在渍水条件下石油烃的降解率也比正常水分下降低。试验表明,在土壤中石油浓度为250mg/kg和500mg/kg时,正常土壤水分条件下培养45d,烷烃的降解率可达85%以上,芳烃的降解率可达70%以上;但在渍水条件下,石油烃浓度在100rag/蝇,培养45d时烃的降解率可达60%以上,石油烃的浓度在250mg/kg和500mg/kg时,在培养45d时,烃的降解率不到40%,至培养90d时,仍有较高的残留量。大量实践表明,根据微生物活性所需要的条件,在土壤水分为其最大持水量的25%一85%范围内,石油烃的降鳃较为有利,在水分低于25%或高于90%时,对石油验说烃降解菌的活动不利。           

3.5 pH           

    土壤的pH变化范围很大,为6.5—11.0。pH值是一个影响微生物生长的重要环境因素,大多数异氧菌和真菌喜好中性环境。pH太高或太低都会影响微生物的降解能力。通常土壤中微生物生长的最佳pH值在7.0左右。与大多数微生物相同,能降解石油类物质的土壤微生物繁殖的适宜pH值为6—8,最优为7—7.5左右。由于土壤微生物在降解过程中产生的酸性物质往往在土壤中有积累效应,会导致PH进一步降低。所以在偏酸性污染土壤的生物治理过程中,为了提高微生物代谢活性和降解石油类物质的速率,可以在土壤中添加一些农用酸碱缓冲剂调整土层的PH值。另外,对于某些产生生物表面活性剂菌的降解菌,pH值影响发酵液中生物表面活性剂的聚集形式,使石油烃的分散状态改变,进而影响降解菌与石油烃的接触状态,最终影响石油烃的摄取。       

3.6 土壤质地        

    不同类型的土壤质地对污染物的降解必然有影响。这是由于土壤质地影响其通透性、持水能力、过滤速度、吸附能力、营养的供应和微域环境的构成等u 4。。李玉英¨纠等人通过在相同实验环境和不同土壤质地条件下对石油生物降解率的研究发现,石油在沙壤土中的降解率(61.4%)最高,而在粉粘壤土中的降解率最低,只有21.6%,在粉壤土和壤土中的降解率相差不大,分别为50.8%和53.7%。这是由于粉粘壤土中粉粒和粘粒含量高,对石油烃的吸附力强,且粉粘壤土的孔隙度小,使氧的扩散很慢,结果导致了对石油的利用率降低。由此可见,在相同的实验条件下,石油的生物降解率与土壤质地有密切联系。  

    另据报道,粘土型土壤对污染物的物理化学减弱能力比粗砂土大;粘土或淤泥为主的较细结构土壤孔隙很小,水过滤速度慢;高岭土具有高收缩膨胀性,湿度增大会引起土壤膨胀,阻碍水的运动,导致厌氧条件,影响好氧微生物活性;但如果移动速度太快,土壤吸附量太大,会导致污染向底下转移;有人还发现,受污染土壤的孔隙度比未受污染的要小,从而阻碍生物降解的进行。Bailey研究了4种烃污染土壤经生物修复后的转化限度,发现土壤中粘土含量对烃转化的影响是由于粘土含量不同改变了土壤团粒具结强度的原因。          

    目前,对土壤质地对烃的降解率进行系统的研究并不多,但是土壤质地对石油烃的降解影响却不可忽视,因此有必要对土壤质地对烃的降解率影响做进一步深入研究。

3.7 其他影响因素          

    除了上述环境因素以外,微生物的种类,各菌种之间的相互作用以及生物表面活性剂的添加等都对烃的降解有影响。         

4.应用前景展望             

    近年来,研究石油污染的生物修复已成为人们关注的研究热点。基于我国石油污染现状及环保要求,低费用、高效率的生物修复技术具有很大的社会需求,将会产生巨大的环境效益、社会效益和经济效益,对于发展国民经济尤其是保护生存环境具有非常重要的意义。基于此,石油污染的生物修复技术作为一种有效的治污手段必然具有广阔市场和发展前景。

    目前石油污染生物修复技术研究的方向应该侧重在以下几个方面:
    1.低温条件下,筛选高效石油降解菌。目前,低温环境下污染位土壤的净化已经引起人们极大兴趣。
    2.利用遗传基因工程技术构建高效降解菌。
    3.筛选高效生物表面活性剂应用于石油污染土壤中。
    4.不同质地的石油污染土壤的治理。