摘要：因石油污染物的性質(zhì)及土壤環(huán)境條件限制,石油污染土壤中的石油降解微生物普遍存在數(shù)量偏少和活性不足的問(wèn)題,導(dǎo)致其自然凈化能力較低,且速度緩慢。多種原位強(qiáng)化技術(shù)可提高石油降解微生物的降解能力,主要包括生物投加法、生物刺激法、生物通風(fēng)法及微生物燃料電池等。生物投加法主要包括高效微生物、固定化微生物及植物-微生物的投加等方法;生物刺激法主要包括營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、生物表面活性劑、共代謝生長(zhǎng)基質(zhì)、電子受體的投加等方法。系統(tǒng)分析了各原位生物修復(fù)強(qiáng)化技術(shù)的作用機(jī)理及研究、應(yīng)用現(xiàn)狀,在此基礎(chǔ)上提出了電動(dòng)-微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)、微生物燃料電池-微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)及固定化材料納米粒子的應(yīng)用是原位生物修復(fù)強(qiáng)化技術(shù)未來(lái)的研究方向。

隨著石油勘探、開(kāi)發(fā)、運(yùn)輸、儲(chǔ)運(yùn)及煉制規(guī)模的不斷擴(kuò)大以及石油煉化企業(yè)的搬遷,石油污染土壤的面積不斷增大。石油污染物進(jìn)入土壤環(huán)境后,不僅會(huì)堵塞土壤孔隙,改變土壤理化性質(zhì)和微生物群落結(jié)構(gòu),影響作物生長(zhǎng),同時(shí)有毒污染物還會(huì)在植物體內(nèi)積累并通過(guò)食物網(wǎng)傳遞,最終危害人類自身安全。石油污染土壤治理技術(shù)主要包括物理修復(fù)技術(shù)、化學(xué)修復(fù)技術(shù)和生物修復(fù)技術(shù),其中物理修復(fù)技術(shù)成本高、操作困難;化學(xué)修復(fù)技術(shù)容易破壞土壤結(jié)構(gòu),造成土壤二次污染;原位生物修復(fù)技術(shù)因具有高效、經(jīng)濟(jì)、無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn)被視為大面積石油污染土壤治理的理想技術(shù)手段。

土壤石油污染發(fā)生后,土壤環(huán)境中的石油降解微生物往往數(shù)量偏少或活性不足,自然凈化的速度很慢,需要人為強(qiáng)化措施來(lái)提高石油污染物降解能力。原位生物修復(fù)強(qiáng)化技術(shù)主要包括生物投加法、生物刺激法、生物通風(fēng)法和微生物燃料電池等。生物投加法是通過(guò)提高石油降解微生物的數(shù)量來(lái)提高生物修復(fù)效率,包括投加高效石油降解菌(群)、固定化菌(群)、微生物-植物等方法;生物刺激法是通過(guò)改善微生物的生存環(huán)境來(lái)提高生物修復(fù)速率,包括投加營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、表面活性劑、共代謝基質(zhì),改善氧氣條件等方法。原位生物修復(fù)強(qiáng)化技術(shù)能有效提高石油污染土壤的生物修復(fù)效率,開(kāi)發(fā)可實(shí)施的原位生物修復(fù)強(qiáng)化技術(shù)已成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。

筆者根據(jù)國(guó)內(nèi)外已有的研究成果,對(duì)現(xiàn)有的石油污染土壤原位生物修復(fù)強(qiáng)化技術(shù)進(jìn)行了綜述,在此基礎(chǔ)上對(duì)該技術(shù)的發(fā)展方向進(jìn)行了展望,以期為我國(guó)石油污染土壤生物修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用提供參考。

1 石油污染土壤的現(xiàn)狀

1.1 石油的組成

石油是由數(shù)百萬(wàn)年來(lái)埋藏在地下的有機(jī)質(zhì)經(jīng)過(guò)熱演化得到的,原油從地下開(kāi)采出來(lái),經(jīng)過(guò)蒸餾等工藝處理后被加工成各種化工產(chǎn)品。石油烴主要由碳和氫2種元素組成,除此之外還含有一定量的氮、硫、氧及微量元素。原油不是一種均質(zhì)材料,不同的原油具有不同的物理、化學(xué)性質(zhì)和生物降解性能。盡管污染土壤原油種類不同,但是根據(jù)組成物質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu),可將原油分為飽和烴、芳香烴、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)4種組分。

飽和烴是不含有雙鍵的烴類物質(zhì),根據(jù)其化學(xué)結(jié)構(gòu)不同,可分為烷烴(直鏈烷烴和支鏈烷烴)及環(huán)烷烴;芳香烴是含有環(huán)狀烴分子的烴類物質(zhì),通常具有一個(gè)或幾個(gè)不同烷基取代基,主要包括單環(huán)芳烴和多環(huán)芳烴(polycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs);膠質(zhì)和瀝青質(zhì)是石油中相對(duì)分子質(zhì)量最大、極性最強(qiáng)的組分,很難被生物降解,可以在環(huán)境中長(zhǎng)久存在。土壤的石油污染是指進(jìn)入到土壤環(huán)境中的石油污染物的濃度超過(guò)土壤自凈能力,引起土壤性質(zhì)發(fā)生不同程度的改變,進(jìn)而降低農(nóng)作物的產(chǎn)量和性質(zhì),最終危害人類健康的現(xiàn)象。

1.2 石油污染的來(lái)源

在石油石化產(chǎn)業(yè)的勘探、開(kāi)采、運(yùn)輸、加工、儲(chǔ)運(yùn)、銷售等全部鏈條中,管理不善或事故等因素都會(huì)導(dǎo)致石油污染物泄漏的發(fā)生,對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重危害。據(jù)統(tǒng)計(jì)[16],全世界每年約有800萬(wàn)t原油進(jìn)入環(huán)境,污染土壤、地下水、河流和海洋。土壤中石油污染物的來(lái)源主要包括原油泄漏和溢油事故,含油礦渣、污泥、垃圾的堆置,污水灌溉,大氣污染和汽車尾氣的排放,藥劑污染等。石油及其產(chǎn)品對(duì)土壤環(huán)境造成的損害,已成為全世界關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題。

1.3 石油污染的危害

石油污染物進(jìn)入土壤后,由于其特殊的物理和化學(xué)性質(zhì),會(huì)對(duì)土壤環(huán)境造成持久的、難以修復(fù)的危害,給被污染地區(qū)的土壤生態(tài)、作物以及人體健康造成嚴(yán)重不良影響。

1.3.1 對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

石油污染物進(jìn)入土壤后,能夠改變土壤有機(jī)質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu),引起土壤有機(jī)質(zhì)的碳氮比和碳磷比發(fā)生變化。Wang等的研究結(jié)果顯示,石油污染后土壤總有機(jī)碳濃度、碳氮比、碳磷比、pH相對(duì)升高,總氮濃度相對(duì)降低,電導(dǎo)率和總磷濃度則沒(méi)有顯著變化。另外,由于石油污染物易黏著于土壤上,且有較強(qiáng)的疏水性,石油污染物進(jìn)入土壤后,會(huì)堵塞土壤的孔隙,使土壤的透水性能受到抑制。此外,石油烴中的瀝青質(zhì)和膠質(zhì)會(huì)在土壤環(huán)境中穩(wěn)定存在,導(dǎo)致土壤結(jié)塊變硬,影響土壤的物理性質(zhì)。

1.3.2 對(duì)作物的影響

石油污染物對(duì)不同作物的影響不同,其對(duì)作物的不利影響主要表現(xiàn)為發(fā)芽出苗率下降,生育期推遲,貪青晚熟,結(jié)實(shí)率下降,抗倒伏、抗病蟲害的能力降低等。石油中富含反應(yīng)基,能與無(wú)機(jī)氮、磷結(jié)合并限制硝化作用和脫磷酸作用,從而使土壤有效氮、磷濃度減少,影響作物的吸收。石油還會(huì)黏著在植物的根表面,形成黏膜,阻礙根系的呼吸與吸收,引起根系腐爛,影響作物根系的生長(zhǎng),甚至造成作物的死亡,使作物減產(chǎn)。另外,石油類物質(zhì)進(jìn)入土壤后,經(jīng)過(guò)土壤生態(tài)系統(tǒng)的一系列作用,在土壤和作物各部分都有殘留,影響糧食質(zhì)量,使糧食的品質(zhì)下降。

1.3.3 對(duì)人體健康的影響

石油是多種組分的混合物,而且石油中各組分的毒性也不一樣。PAHs是石油中毒性最強(qiáng)的組分,具有致癌、致畸和致突變性。作物對(duì)石油污染物有吸收殘留效應(yīng),其中的有毒物質(zhì)可以通過(guò)食物鏈間接影響人體健康。Bansal等總結(jié)了PAHs通過(guò)各種食物產(chǎn)品可能進(jìn)入人體的途徑。PAHs一旦進(jìn)入人體肺、肝和腎等器官,達(dá)到一定劑量會(huì)影響器官的正常功能,甚至致癌。另外,石油中不易被土壤吸附的組分可能隨降水滲透到地下水,污染淺層地下水環(huán)境,影響飲用水水質(zhì),最終危害人體健康。

2 石油污染土壤原位生物修復(fù)的影響因素

2.1 石油污染物性質(zhì)

2.1.1 石油污染物的組成及濃度

相同條件下,微生物對(duì)不同種類石油烴的降解能力是不同的。微生物能夠降解石油中的飽和烴和輕質(zhì)芳香烴,而難以降解相對(duì)分子質(zhì)量較高的重質(zhì)芳香烴、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)。微生物降解各類石油烴能力的相對(duì)強(qiáng)弱為直鏈烷烴>支鏈烷烴>低分子量的烷基芳烴>單環(huán)芳烴>環(huán)烷烴>多環(huán)芳烴>膠質(zhì)>瀝青質(zhì)。通常,原油經(jīng)微生物降解后飽和烴和芳香烴含量均下降,而瀝青質(zhì)和非烴化合物則顯著增加。Chaineau等用微生物處理被石油烴污染的土壤,270 d后發(fā)現(xiàn)75%的原油被降解,飽和烴中的正構(gòu)烷烴和支鏈烷烴幾乎全部被降解,22%的環(huán)烷烴未被降解,芳香烴有71%被同化,瀝青質(zhì)則完全保留了下來(lái)。

石油污染物的濃度對(duì)生物修復(fù)效果有著很大的影響。于彩虹等研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)原油濃度為0.5~5 g/L時(shí),假單胞菌(PseudomonasSYBS01)的原油降解率先從86.82%升至98.14%,然后又降至74.67%。當(dāng)石油污染物的濃度過(guò)高時(shí),其生物毒性通常較強(qiáng),不僅抑制微生物的生長(zhǎng)代謝,也限制氧氣和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的傳遞。當(dāng)石油污染物的濃度過(guò)低時(shí),有效碳源的缺乏則限制石油降解微生物的生長(zhǎng)代謝。

2.1.2 石油污染物的生物可接觸性

生物可接觸性是指微生物通過(guò)物理化學(xué)途徑可以接觸的物質(zhì)的量,提高生物可接觸性是提高生物修復(fù)效率的有效途徑。如Varjani等[30]研究表明,由于生物可接觸性不同,同種微生物對(duì)不同污染物中的同種組分表現(xiàn)出不同的降解性能,且生物可接觸性越好,降解性能越強(qiáng)。有研究表明,添加表面活性劑可以提高石油污染物的生物可接觸性,表面活性劑由于經(jīng)濟(jì)、綠色、無(wú)二次污染近年來(lái)被廣泛研究。表面活性劑是集親水基和親油基于一體的次級(jí)微生物代謝產(chǎn)物,可顯著提高石油污染物的生物降解性能:1)表面活性劑和微生物細(xì)胞發(fā)生作用,增加了細(xì)胞表面的疏水性,從而使微生物細(xì)胞可以更容易地結(jié)合疏水性有機(jī)物;2)表面活性劑可降低界面張力,增大有機(jī)污染物的溶解度,促進(jìn)其更好地流動(dòng),進(jìn)而增大與微生物的接觸面積,提高生物可利用性。

2.2 土壤土著微生物的群落結(jié)構(gòu)

微生物是石油污染物去除的主要功能者,土壤中微生物的數(shù)量、種類及群落結(jié)構(gòu)對(duì)石油污染物的生物降解效果有著重要影響。石油污染物的組成極其復(fù)雜,而一種微生物往往僅能對(duì)某種組分具有較強(qiáng)的降解能力;對(duì)于石油污染物中的單一組分,其生物降解也通常需要多重酶和多重微生物共同參與。因此,石油污染物的降解需要多種微生物(酶)的共同參與。石油污染物的降解和轉(zhuǎn)化也會(huì)對(duì)土壤環(huán)境中微生物的數(shù)量、種類及群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生馴化作用。

2.3 土壤的環(huán)境條件

2.3.1 pH

土壤pH對(duì)微生物的生長(zhǎng)代謝影響很大,其通過(guò)改變細(xì)胞的電荷,影響細(xì)胞質(zhì)膜的通透性、穩(wěn)定性及代謝中酶的活性,進(jìn)而影響微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收及石油組分的降解率。pH的變化會(huì)改變土壤中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的可利用性:當(dāng)pH為微堿性時(shí),有利于硝化作用及氮的進(jìn)一步轉(zhuǎn)化;當(dāng)pH為6.0~8.0時(shí),磷的可利用性較高。每種微生物都有最適宜的pH,當(dāng)土壤中的pH不適宜時(shí),微生物的生長(zhǎng)代謝會(huì)受到較為嚴(yán)重的影響。通常石油降解微生物在近中性或微堿性環(huán)境中具有較高的降解活性。盡管土壤pH通常為中性或微堿性,但微生物在降解過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生有機(jī)酸并不斷在沉積物中累積,從而導(dǎo)致pH逐漸降低。因此,在土壤修復(fù)過(guò)程中,可添加一些酸堿緩沖液以調(diào)整土壤pH。

2.3.2 溫度

溫度對(duì)石油污染土壤生物修復(fù)效果的影響主要表現(xiàn)在:溫度對(duì)石油污染物的理化性質(zhì)、組分和生物可利用性有重要影響;溫度對(duì)微生物的生長(zhǎng)代謝及群落結(jié)構(gòu)有較為顯著的影響。溫度較低時(shí),石油污染物的黏度較大,短鏈有毒石油烴的揮發(fā)速度較慢,微生物的活性較低。一般情況下,土壤中微生物最佳好氧降解溫度為30~40 ℃。

2.3.3 鹽度

鹽度對(duì)微生物的數(shù)量和活性有較大影響,通常情況下,鹽度越高,微生物的數(shù)量和活性越低,石油污染物的生物降解率越差。然而,有研究證明,大量耐鹽、嗜鹽的石油降解微生物已被應(yīng)用到石油污染土壤修復(fù)中,在高鹽度下也能獲得較好的石油污染生物修復(fù)效果。

2.3.4 氧氣

微生物對(duì)石油中不同組分的降解過(guò)程雖有不同,但均以加氧反應(yīng)作為降解的起始反應(yīng)步驟,石油的降解過(guò)程中需要大量的氧氣作為電子受體。在石油污染土壤修復(fù)中,許多失敗案例均歸因于土壤中氧氣的不足。盡管厭氧微生物可以利用等作為電子受體,但石油降解速率往往較低,且條件苛刻,僅在氧氣傳質(zhì)不足的土壤及其下層沉積物環(huán)境中具有一定潛力。由此可見(jiàn),氧氣對(duì)石油的生物降解起著至關(guān)重要的作用。在表層土壤中,氧氣供給不足不是限制因素,但在下層土壤中,氧氣的供給不足被認(rèn)為是生物修復(fù)的限制因素。

2.3.5 氮、磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)

微生物的生長(zhǎng)代謝需要碳、氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的共同參與。在石油污染土壤中,碳濃度通常較高,而氮、磷營(yíng)養(yǎng)則相對(duì)匱乏。當(dāng)碳源充足時(shí),氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物濃度是影響石油污染物高效降解的關(guān)鍵因素。補(bǔ)充適宜、適量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)可有效提高石油污染物的生物降解,但應(yīng)注意營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的類型、濃度和比例,以避免對(duì)生物修復(fù)效果及生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不利影響。此外,還應(yīng)保持土壤孔隙水中的氮、磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度不被降水沖釋。

2.3.6 含水率

微生物的生長(zhǎng)代謝需要水的參與。當(dāng)土壤含水率過(guò)低時(shí),微生物得不到充足的水分供應(yīng),細(xì)胞活性受到抑制,代謝速率降低;當(dāng)土壤含水率過(guò)高時(shí),有效毛細(xì)孔隙被水充滿,使空氣通透性變差,妨礙氧氣的供應(yīng)。對(duì)于干旱地區(qū)的石油污染土壤,可采取間斷性的噴淋等手段增加土壤含水率,提高微生物的降解率。

2.3.7 土壤質(zhì)地

土壤質(zhì)地對(duì)石油污染物在土壤和孔隙水中的遷移、轉(zhuǎn)化及微生物的生長(zhǎng)有著重要影響。石油污染物在粗質(zhì)土壤中較易向深層土壤遷移,導(dǎo)致石油污染物在土壤環(huán)境中長(zhǎng)期殘留,因而土壤粒徑越大,對(duì)石油污染越敏感。

3 石油污染土壤原位生物修復(fù)強(qiáng)化技術(shù)

3.1 生物投加法

3.1.1 高效微生物的投加

自然環(huán)境中存在可降解石油污染物的微生物,但其數(shù)量通常較低,僅占微生物總量的0.1%。當(dāng)土壤石油污染發(fā)生后,為實(shí)現(xiàn)環(huán)境的自我修復(fù),高濃度的石油污染物對(duì)土壤中能夠耐受和利用石油組分的微生物產(chǎn)生馴化和富集作用,可使石油降解微生物的數(shù)量升至1%~10%。然而這一過(guò)程的啟動(dòng)相當(dāng)漫長(zhǎng),而且土著種群往往并不具備降解所有石油組分的能力。生物投加法通過(guò)投加高效石油降解微生物解決土著種群數(shù)量不足、活性受抑制以及降解能力有限的問(wèn)題。

用于投加的微生物包括土著微生物、外源微生物和基因工程菌。Sidorov等將土著微生物投加到原油污染土壤中,修復(fù)2年后,去除了污染土壤中78%的原油。Mercer等針對(duì)Exxon Valdez號(hào)溢油污染事件,將4株不同假單胞菌的XYL、NAH、CAM、OCT質(zhì)粒結(jié)合轉(zhuǎn)移至同一菌株,構(gòu)建擁有多烴降解能力的超級(jí)細(xì)菌,該細(xì)菌可在幾小時(shí)內(nèi)分解60%的浮油。與添加上述2種微生物不同的是,添加外源微生物的有效性存在較大爭(zhēng)議。Venosa等[39]以風(fēng)化的Alaska原油為碳源測(cè)試了10種不同類型的商業(yè)菌劑對(duì)石油污染物的去除效果,結(jié)果表明,只有2種商業(yè)菌劑對(duì)石油污染物的降解起促進(jìn)作用。外源菌種只有既能夠適應(yīng)潮間帶環(huán)境,又能夠與土著微生物競(jìng)爭(zhēng)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)并且避免被原生動(dòng)物捕食,才能發(fā)揮其修復(fù)作用。因此,從石油污染土壤中篩選、馴化高效菌種和構(gòu)建菌群是提高其環(huán)境適應(yīng)性和競(jìng)爭(zhēng)性的有效方法。

3.1.2 固定化微生物的投加

為了克服高效微生物投加后,啟動(dòng)速度慢、對(duì)環(huán)境條件敏感及與土著菌種競(jìng)爭(zhēng)處于劣勢(shì)等問(wèn)題,可以利用固定化技術(shù)強(qiáng)化石油污染物的去除。固定化載體能夠?yàn)槲⑸锾峁┝己玫奈h(huán)境,幫助其抵抗不利土壤環(huán)境的侵害和土著微生物的競(jìng)爭(zhēng),提高其數(shù)量、活性及穩(wěn)定性。另外,固定化載體還可加大土壤的孔隙度,從而加強(qiáng)氧氣的傳質(zhì)速率,最終提高石油污染物的生物修復(fù)速率。

目前,固定化微生物的研究大多局限于實(shí)驗(yàn)室小試和中試水平,鮮見(jiàn)有關(guān)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的研究報(bào)道。Chen等利用海藻酸鈣-活性炭包埋石油降解菌群,結(jié)果表明固定化菌群對(duì)石油污染物的降解性能及環(huán)境適應(yīng)性均顯著高于游離菌群。Chen等利用竹炭固定化柴油降解菌Acinetobacter venetianus以加強(qiáng)其降解率,使柴油降解率從82%升至94%。高祥興利用聚乙烯醇、海藻酸鈉及活性炭包埋固定石油降解菌Marinobactersp. PY97S,并將該固定化菌劑用于黃島溢油污染修復(fù),結(jié)果表明,該固定化菌劑在129 d內(nèi)能去除67%的原油,明顯高于對(duì)照區(qū)的46%。可見(jiàn),固定化微生物技術(shù)可有效提高石油污染物的降解率。目前,有關(guān)固定化微生物的研究主要集中在高效固定化載體和固定化方法的開(kāi)發(fā)方面。微生物固定化載體應(yīng)具有環(huán)境友好、性能穩(wěn)定、成本低廉、吸附性能強(qiáng)等特點(diǎn),納米粒子具有明顯的優(yōu)勢(shì),是潛在的載體選擇。固定化方法應(yīng)實(shí)現(xiàn)固定化微生物的高濃度、高活性、高穩(wěn)定性等要求。

3.1.3 植物-微生物的聯(lián)合投加

植物與微生物聯(lián)合用于石油污染物的生物修復(fù),不僅可以增強(qiáng)彼此對(duì)不良環(huán)境的抗逆性,還可以促進(jìn)石油污染物的生物降解。利用植物-微生物聯(lián)合投加修復(fù)石油污染土壤已經(jīng)成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。一方面,植物為微生物提供了良好的生存環(huán)境,并為微生物的生長(zhǎng)代謝提供氧氣和共代謝生長(zhǎng)基質(zhì)(如糖類、氨基酸等),促進(jìn)了微生物對(duì)石油污染物的降解;另一方面,微生物提高了植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽和水分的獲取性能,并能降解石油污染物或改變其存在狀態(tài),降低其對(duì)植物的毒性,同時(shí)微生物還可以提高石油污染物的生物可利用性,便于植物的吸收轉(zhuǎn)化。

劉繼朝等利用盆栽試驗(yàn)研究了植物的添加對(duì)石油污染農(nóng)田生物修復(fù)效果的影響,結(jié)果表明,修復(fù)120 d后,植物-微生物聯(lián)合投加對(duì)石油污染物的降解率高于單獨(dú)的微生物修復(fù)或植物修復(fù),植物的添加能強(qiáng)化石油污染物的微生物降解。目前,有關(guān)植物-微生物聯(lián)合投加的有效性研究大多局限于實(shí)驗(yàn)室小試及中試水平,在實(shí)際土壤修復(fù)中的有效性還需進(jìn)一步驗(yàn)證。植物的生長(zhǎng)代謝需要消耗大量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),因此營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的缺乏可能是限制植物-微生物聯(lián)合投加實(shí)際應(yīng)用的主要因素。研究高效的氮、磷營(yíng)養(yǎng)緩釋制劑是促進(jìn)植物-微生物聯(lián)合投加有效施用的一個(gè)策略。

3.2 生物刺激法

3.2.1 營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的投加

土壤石油污染發(fā)生時(shí),石油為微生物的生長(zhǎng)代謝提供了足夠的碳源,此時(shí)氮、磷濃度成為微生物生長(zhǎng)的影響因子。氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的缺乏會(huì)限制微生物的石油降解速率,但是當(dāng)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度過(guò)高時(shí),又會(huì)對(duì)微生物的生長(zhǎng)產(chǎn)生毒害作用,從而限制微生物的石油降解速率。Xu等利用緩釋型肥料Osmocote(半透膜包裹無(wú)機(jī)水溶性氮、磷、鉀)修復(fù)石油污染海灘沉淀物,結(jié)果表明修復(fù)45 d后,添加緩釋型肥料的沉淀物樣品中脂肪族烷烴的降解率約為96%,顯著高于未添加肥料的26%。然而,Wang等的研究表明,隨著氮濃度的升高,Brevundimonas diminuta對(duì)柴油的降解率并未顯著增加。因此,添加適量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)是生物修復(fù)石油污染土壤的重要保障。

3.2.2 電子受體的投加

石油污染物被氧化降解的最終電子受體也對(duì)生物修復(fù)效果有著重要影響。氧氣是最為常見(jiàn)的最終電子受體,增加污染土壤中溶解氧濃度,可以促進(jìn)微生物的活性和污染物降解率。此外,適量添加H2O2等物質(zhì),也可以改善生物修復(fù)效率:1)H2O2可以氧化部分石油烴;2)H2O2可以增加污染土壤中溶解氧濃度,并保持pH的穩(wěn)定,以此強(qiáng)化微生物的修復(fù)效果。需要注意的是,H2O2濃度過(guò)高會(huì)對(duì)微生物產(chǎn)生毒害作用,間接抑制石油污染物的生物修復(fù)效果。微生物的厭氧降解也需要最終電子受體,常見(jiàn)的電子受體包括

3.2.3 生物表面活性劑的投加

生物表面活性劑能有效降低石油組分的界面張力,促進(jìn)其解吸和溶解,且具有無(wú)毒、無(wú)二次污染和能自然降解等優(yōu)點(diǎn),是促進(jìn)石油污染土壤高效生物降解的重要途徑。生物表面活性劑對(duì)石油污染土壤生物降解的強(qiáng)化作用優(yōu)于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。Kosaric利用槐糖脂強(qiáng)化石油污染土壤的生物修復(fù),結(jié)果表明槐糖脂的添加使土壤中原油的去除率從81%提高到93%~99%。Harvey等利用生物表面活性劑使Exxon Valdez號(hào)溢油污染事件的生物修復(fù)效率提高了2~3倍。

3.2.4 共代謝生長(zhǎng)基質(zhì)的投加

微生物通常對(duì)分子量較小、結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的石油組分具有較強(qiáng)的降解能力,而對(duì)分子量較大、環(huán)數(shù)較多及結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的石油組分的降解性能較差。石油中難降解的大分子物質(zhì)往往通過(guò)共代謝的方式被去除。共代謝是指微生物在代謝生長(zhǎng)基質(zhì)(可作為唯一碳源和能源的物質(zhì))的過(guò)程中對(duì)非生長(zhǎng)基質(zhì)(不能作為碳源和能源的物質(zhì))也進(jìn)行代謝的現(xiàn)象。如苯并蒽不能被Beijerinckia降解,而以水楊酸和聯(lián)苯為共代謝生長(zhǎng)基質(zhì)時(shí),其能夠被氧化降解;Pseudomonas sacophilaP15以菲和水楊酸為共代謝生長(zhǎng)基質(zhì)時(shí),具備更高的苯并[a]芘降解能力。劉曉春等考察了α-乳糖、葡萄糖和蔗糖對(duì)石油污染物生物降解的影響,結(jié)果表明α-乳糖對(duì)菌株的生物降解起促進(jìn)作用,而葡萄糖和蔗糖則起抑制作用。Li等以葡萄糖為共代謝生長(zhǎng)基質(zhì),使石油污染物的生物降解率提高了2倍。

3.3 生物通風(fēng)法

生物通風(fēng)法是通過(guò)低速的通風(fēng)速率將空氣或氧氣輸送到土壤不飽和區(qū)域中(添加氧氣)以促進(jìn)石油污染土壤的生物降解,并將揮發(fā)性的有毒物質(zhì)排出的過(guò)程,是將土壤氣相抽提與生物降解相結(jié)合的一種原位修復(fù)技術(shù)。通常,在通氣的同時(shí)向污染區(qū)添加氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)來(lái)刺激內(nèi)源性細(xì)菌的生長(zhǎng)和代謝。生物通風(fēng)法的設(shè)施通常包括鼓風(fēng)機(jī)、真空泵、抽提井、注入井和供營(yíng)養(yǎng)滲透至地下的管道等(圖1)。Thomé等利用生物通風(fēng)法修復(fù)4% B20(柴油和生物柴油的混合物)污染的黏土土壤,60 d后,去除了85%的石油污染物,高于自然衰減的64%,表明氧氣流增強(qiáng)了微生物活性,從而提高了生物降解率。

圖1 生物通風(fēng)法的設(shè)施

生物通風(fēng)法中,空氣注入速率是污染物擴(kuò)散、再分布和表面損失的基本參數(shù)之一。Sui等研究了空氣注入速率對(duì)甲苯污染場(chǎng)地生物揮發(fā)、生物降解和生物轉(zhuǎn)化的影響。結(jié)果表明:在81.504和407.52 m3/d 2種空氣注入速率下,試驗(yàn)結(jié)束時(shí)(200 d)沒(méi)有觀察到甲苯去除率的顯著差異;試驗(yàn)早期階段(100 d),與低空氣注入速率相比,高空氣注入速率提高了甲苯的揮發(fā)率。Frutos等的研究結(jié)果也表明,空氣注入速率和時(shí)間間隔對(duì)黏土中柴油的降解率沒(méi)有顯著差異,較長(zhǎng)的空氣注入時(shí)間間隔和較低的空氣注入速率可能更為經(jīng)濟(jì)。Rayner等觀察到在亞南極碳?xì)浠衔镂廴緢?chǎng)地,由于淺水位和薄土覆蓋,單井生物通風(fēng)對(duì)油氣去除效果不佳;但當(dāng)在同一地點(diǎn)使用9個(gè)小注射棒(相距0.5 m)進(jìn)行生物處理時(shí),在相同條件下,由于有更均勻的氧氣分布,大量的碳?xì)浠衔锉蝗コ?。盡管空氣注入速率和時(shí)間間隔對(duì)生物降解效果影響不大,但空氣注入點(diǎn)數(shù)量的增多有助于實(shí)現(xiàn)空氣的均勻分布。另外,盡管生物通風(fēng)法是為了促進(jìn)非飽和區(qū)域的曝氣,但也可以用于厭氧生物修復(fù)過(guò)程,特別是用于處理氯化物污染的滲流區(qū),可以注入氮?dú)馀c低濃度二氧化碳和氫氣的混合物代替空氣或純氧氣,以減少氯化蒸氣。在具有低滲透性的土壤中,與注入空氣相比,注入純氧氣效果更好。此外,在處理難生物降解的污染物時(shí),注入臭氧可能更為經(jīng)濟(jì)有效。

3.4 微生物燃料電池

微生物燃料電池(microbial fuel cell,MFC)是利用生物電化學(xué)技術(shù)來(lái)降解或去除土壤中的石油污染物,并產(chǎn)生額外電能的新型石油污染土壤修復(fù)方法。石油污染修復(fù)過(guò)程中,產(chǎn)電菌催化降解石油釋放電子和質(zhì)子,電子通過(guò)陽(yáng)極再經(jīng)外電路到達(dá)陰極,質(zhì)子在電池內(nèi)部從陽(yáng)極傳遞到陰極,氧氣作為最終電子受體在陰極處被還原成水[93]。微生物燃料電池修復(fù)技術(shù)的核心是向污染土壤提供陽(yáng)極和陰極,分別作為電子供體和電子受體。與常規(guī)的物化方法不同,微生物燃料電池不需要消耗大量能源,也不需要向體系內(nèi)投加氧化劑、催化劑、溶劑等化學(xué)藥品,還能產(chǎn)生額外的電能。Zhang等利用微生物燃料電池處理石油污染土壤,降解135 d后,微生物燃料電池對(duì)石油的降解率為對(duì)照組的2倍。

按照結(jié)構(gòu)來(lái)分,微生物燃料電池可分為雙室和單室(圖2),雙室微生物燃料電池必須配有分隔膜,單室微生物燃料電池可不配備分隔膜。雙室微生物燃料電池一般由陰陽(yáng)電極、反應(yīng)室和分隔膜構(gòu)成。其陰極室和陽(yáng)極室一般相互獨(dú)立,陰極和陽(yáng)極之間外接電路形成閉合回路,分隔膜只允許質(zhì)子通過(guò),從而阻止陰極室和陽(yáng)極室中的溶液混合。附著在陽(yáng)極表面的微生物降解有機(jī)物,生成電子和質(zhì)子。電子直接或者間接地傳遞給陽(yáng)極,再沿著外接電路到達(dá)陰極,從而形成電流;質(zhì)子則通過(guò)分隔膜到達(dá)陰極,在陰極表面質(zhì)子和電子發(fā)生還原反應(yīng)。單室微生物燃料電池一般沒(méi)有分隔膜,其底物中的基質(zhì)能夠減緩H+向陰極的遷移,因此分隔膜不是必需的。陽(yáng)極在基質(zhì)中埋得足夠深就能保證厭氧環(huán)境,一般為了保證厭氧環(huán)境通常在基質(zhì)表面覆蓋一層水或其他材料。單室微生物燃料電池成本低,且能夠減小阻抗,因此應(yīng)用潛力極大。其主要缺點(diǎn)是陰極氧氣若接觸到陽(yáng)極會(huì)降低產(chǎn)電效率,因?yàn)檠鯕鈺?huì)與陽(yáng)極產(chǎn)生的質(zhì)子發(fā)生反應(yīng),降低質(zhì)子傳遞到陰極的效率。

圖2 微生物燃料電池結(jié)構(gòu)

原位生物修復(fù)強(qiáng)化技術(shù)的對(duì)比

生物投加法通過(guò)維持土壤高濃度細(xì)菌生物量、提高處理負(fù)荷,可選擇性地強(qiáng)化某種或某類物質(zhì)降解,能有效抵抗有毒物質(zhì)的侵害及維持土壤pH穩(wěn)定。然而,獲得高效、適宜的功能菌株需要投入大量的人力、物力。生物刺激法可充分利用土著微生物的修復(fù)潛力,但受環(huán)境因素(如污染時(shí)間長(zhǎng)短、污染物的組成及土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)等)影響,修復(fù)效果差異大,且過(guò)多營(yíng)養(yǎng)刺激制劑的添加還可能會(huì)降低微生物的降解能力。在石油污染土壤的生物修復(fù)過(guò)程中經(jīng)常將二者聯(lián)用,利用生物刺激制劑進(jìn)一步強(qiáng)化所投加生物菌劑的修復(fù)效果。

與生物投加法和生物刺激法相比,生物通風(fēng)法和微生物燃料電池在提高生物修復(fù)效率,縮短生物修復(fù)周期方面具有顯著優(yōu)勢(shì),然而二者的構(gòu)成較為復(fù)雜,經(jīng)濟(jì)成本較高,且對(duì)土壤性狀具有較高的要求。生物通風(fēng)法對(duì)于滲透性較低和黏度較高的土質(zhì)是不適用的,土壤類型對(duì)微生物燃料電池的產(chǎn)電性能以及污染物的修復(fù)效果也具有顯著影響。肖慧萍等研究了土壤類型對(duì)微生物燃料電池修復(fù)Cd污染土壤的影響,結(jié)果表明黑土、紅土、黃棕土中Cd的去除率分別為16.7%、47.1%、12.6%,微生物燃料電池對(duì)紅土Cd的去除率最高,修復(fù)效果最好。

在進(jìn)行污染土壤的原位生物修復(fù)時(shí),應(yīng)根據(jù)實(shí)際的土壤特性、污染情況及環(huán)境條件等因素,選擇一種或多種原位生物修復(fù)強(qiáng)化技術(shù),在條件許可的情況下,可優(yōu)先開(kāi)展小試或中試試驗(yàn)。

5 展望

(1)電動(dòng)-微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)研發(fā)。電動(dòng)技術(shù)可以促進(jìn)土壤中微生物的遷移以及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸,明顯提高微生物的代謝活性,二者具有較好的協(xié)同作用,從而強(qiáng)化污染物的去除。此外,電動(dòng)技術(shù)通過(guò)電泳、電滲和電遷移可使土壤鹽分遷移和富集,對(duì)于鹽堿土壤的治理具有較好效果。

(2)微生物燃料電池-微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)。微生物燃料電池對(duì)基質(zhì)的要求低,可直接利用一些不易被微生物利用的有機(jī)質(zhì),且具有反應(yīng)速度快等優(yōu)勢(shì)。將微生物燃料電池與微生物聯(lián)合用于石油污染土壤,不僅可以加速石油污染物生物降解的啟動(dòng)速度,還可以加大微生物對(duì)石油污染物的降解作用范圍。

(3)將納米粒子作為固定化載體用于石油污染土壤的生物修復(fù)。納米粒子可以用于微生物的固定化,增強(qiáng)微生物對(duì)土壤環(huán)境的適應(yīng)性,強(qiáng)化微生物對(duì)石油污染物的生物降解;另外,納米粒子還可以增加疏水污染物的生物利用度。