植物与微生物联合修复土壤石油污染

植物-微生物联合修复土壤石油污染

目录

1 我国的石油污染概况: ................................................................................ 错误！未定义书签。

2 土壤石油污染危害：................................................................................. 错误！未定义书签。

3 土壤石油污染历来修复技术及进展：..................................................... 错误！未定义书签。

3.1微生物修复 (3)

3.2植物修复 (3)

4 植物与微生物联合修复土壤石油污染： (3)

4.1 植物与微生物联合修复土壤石油污染具体实验引用： (4)

4.1.1 [实验目的] (4)

4.1.2 [方法] (4)

4.1.3 [实验结果] (4)

4.1.4 [实验结论] (4)

4.2 植物与微生物联合修复土壤石油污染结合实验的理论分析： (4)

5植物-微生物联合修复土壤石油污染技术展望： (7)

参考文献 (7)

植物-微生物联合修复土壤石油污染

(1．郑州大学，河南郑州10459)

摘要石油污染土壤的生物修复技术具有成本低、简便高效、对环境影响小等优点,正逐步成为石油污染治理研究的热点领域,具有广阔的发展前景。介绍了我国的石油污染概况及生物修复技术在石油污染治理中的应用,重点对石油污染土壤的微生物修复、植物修复、植物-微生物联合修复技术的研究进展及各自的优点、局限性进行了综述,并提出了石油污染土壤生物修复技术研究的重点领域。

关键词石油污染土壤微生物修复植物修复

1 我国的石油污染概况:

我国作为石油生产、消费大国,由于生产条件、环保技术等方面相对落后,石油污染问题相当突出。据统计,我国有机污染土壤面积约为0.2亿ｈｍ2,其中石油污染占相当比例。我国自1978年原油年产量突破1亿ｔ大关而成为世界十大产油国之一以来,目前勘探开发的油气田和油气藏已有400多个,年产石油污染土壤近10万ｔ,累计堆放量近50万ｔ。以油田为例,每口油井污染的土地面积为200～500ｍ2,全国共有油井20万口,由此造成的土壤污染可达8000万ｍ2,这一数值每年还在增长中。据统计,我国每年有60万ｔ石油经跑、冒、滴、漏途径进入环境,对土壤、地下水、地表水造成污染。此外,污灌也是造成土壤石油污染的原因之一,如沈抚灌区污灌面积达0.87万ｈｍ2,全国类似农田有10万ｈｍ2,致使农作物中污染物严重超标,农产品质量低下,同时也造成了严重的地下水污染。随着石油开采和使用量的增加,大量的石油及其产品进入环境,不可避免地对环境造成了污染,给生物和人类带来了严重危害。

2 土壤石油污染危害：

1）80%以上的落地原油被截留在50ｃｍ以上的表层土壤中,逐渐积累导致土壤结构破坏,影响土壤通透性并对农作物的生长和发育造成很大的负面影响。

2)同时,石油类污染物还可以通过根系吸收后残留在植物体内,通过食物链影响人体健康。

20世纪80年代以来,土壤的石油烃类污染成为世界各国普遍关注的环境问题。

3 土壤石油污染历来修复技术及进展：

有蒸汽法、抽气法、有机溶剂法、水力冲洗法、氧化法、热处理法、微生物法、植物法等修复技术。其中,天然微生物的生物降解作用已成为消除环境中石油烃类污染的主要机制。

3.1 微生物修复

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。由此产生一

系列生物修复技术如土耕法、生物通气法、预制床法、堆肥法、生物反应器等。微生物修复技术是利用土壤中的土著菌或向污染土壤中接种选育的高效降解菌,在优化的环境条件下,加速石油污染物的降解。

国内外许多研究者对石油污染土壤的微生物降解原理、影响因素、降解菌筛选等方面进行了大量研究。例如林力等分离出159株烃降解细菌和真菌,其中17株可以不同程度地分别利用烷烃和芳烃(酚、萘、甲苯和二甲苯)作为唯一碳源生长。美国ＤＧＩ公司的一项专利技术就是利用混合菌群来促进石油烃类的生物降解。到目前为止,已知能降解石油中各种烃类的微生物共约100余属、200多种,它们分属于细菌、放线菌、霉菌、酵母以至藻类。降解烃类的微生物在土壤和水环境中普遍存在,但在一般情况下,降解烃类的微生物只占微生物群落总数的不到1%,而当有石油污染存在时,降解菌的比例可增加到10%[10]。修复的效果主要取决于微生物在不同污染生态系统中的存活与性能,其生长限制因子包括与其他微生物的竞争、土壤环境条件等。

3.2 植物修复

植物对有机污染土壤的生物修复作用主要表现在植物对有机污染物的直接吸收、植物释放的各分泌物或酶类促进有机污染物生物降解及强化根际微生物的矿化作用等方面。此外,植被也可以有效改善土壤条件、增强土壤透气性,从而提高降解效率。如Ｍａｒｔｉｎｅｚｚ等用Ｃｙｐｅｒｕｓｌａｘｕｓ处理石油污染土壤已进入中试阶段,他们认为在一定浓度范围内植物修复能取得很好效果,但如果浓度过高,就必须进行预处理。Ｄｏｗｔｙ等筛选出2种植物(Ｐ.ｈｅ- ｍｉｔｏｍｏｎ和Ｓ.ｌａｎｃｉｆｏｌｉａ)用来处理湿地石油泄漏污染,发现前者短期处理效果好,而后者长期效果更好。利用植物修复土壤中的烷烃和单环芳香化合物ＢＴＥＸ(苯、甲苯、乙苯及二甲苯的异构体)比较成功的是杨树、柳树和紫花苜蓿等[25～27]。杨柳科的植物,尤其是杨树属,可大量去除土壤有机污染物。基因改良的紫花苜蓿可耐受高浓度的原油污染。Ｒｅｉｌｌｅｙ等[31]研究了酥油草、苜蓿、苏丹草和三叶草对石油污染土壤中ＰＡＨｓ的降解,发现在种植植物时蒽和芘的降解率有显著提高,他们认为一方面是由于根际效应增加了根际微生物的数量,另一方面是因为根系分泌的有机物为微生物提供了共代谢底物。对于污染的农田土壤,可选择种植一些对石油烃耐受性强又具有一定经济价值的绿化苗木、花卉及经济作物如蓖麻等,以提高治理过程的经济效益。

4 植物与微生物联合修复土壤石油污染：

随着研究的不断深入,石油污染土壤的治理方法已由最初的细菌修复拓展到真菌修复、植物修复及微生物-植物联合修复。

微生物能够利用石油烃作为生长所需的碳源和能源,并在酶的催化下将其水解成甘油、脂肪酸,最后降解为Ｈ2Ｏ、ＣＯ2等代谢产物,可用下式表示:石油产

品+微生物+Ｏ2+营养元素※ＣＯ2+Ｈ2Ｏ+副产品+微生物细胞生物量。降解过程可以由改变土壤理化条件(包括土壤ｐＨ、温度、湿度、通气状况及添加营养)来完成,同时也可通过接种特殊菌株和工程微生物来提高土壤污染物的降解率。但纯微生物方法修复缓慢,需要时间较长,往往与植物方法联合修复,辅以物理、化学方法,以微观效应改变宏观环境,即为微生物生态修复技术。该技术具有操作简单、费用低廉、场地适应性强、无二次污染等特点,有广阔的应用前景。

4.1 植物与微生物联合修复土壤石油污染具体实验引用：

4.1.1 [实验目的]

研究微生物生态技术对中原油田石油污染土壤的修复效果。

4.1.2 [方法]

在前期室内外模拟修复试验的基础上,选择中原油田某油井场旁石油污染场地,设置5种修复条件,开展微生物生态技术修复石油污染土壤研究。

4.1.3 [实验结果]

经过99ｄ修复后,黑麦草(苜蓿)微生物联合技术、纯微生物技术和黑麦草(苜蓿)技术对石油污染土壤具有明显的修复作用,其中的石油烃降解率均在40.00%以上,以黑麦草微生物联合技术修复效果最佳,石油烃降解率达67.38%;修复过程中易溶盐、ＮＯ3-、Ｃｌ-等易溶营养物质只有极小部分随水而进入下部土层(50ｃｍ);由于苜蓿草的根部可能具有固氮作用,使加入的大量化肥进入了土层下部,导致3和5号修复区50ｃｍ土壤层ＮＨ4+明显增大。影响修复效果的因素包括温度、水、氧气、营养元素、微地质环境等。

4.1.4 [实验结论]

原位微生物生态修复技术在野外原位石油污染土壤修复效果是显著的,具有处理方法简单、费用低、修复效果好、对环境影响小、无二次污染、可原位治理等优点。

4.2 植物与微生物联合修复土壤石油污染结合实验的理论分析：

植物与特殊的菌根真菌或根际菌群协同作用,增加对污染物的吸收和降解是一个很有价值的研究方向。目前这方面研究较少。植物-微生物联合修复系统见图1。

利用苜蓿草与微生物修复ＰＡＨｓ和矿物油污染土壤的研究表明,在植物生长条件下,土壤微生物降解功能明显增强。而一项以水稻为供试植物修复湿地土壤中矿物油和ＰＡＨｓ的研究表明,真菌和细菌接种量在不同污染水平上与矿物油和多环芳烃降解率存在最佳配比关系。Ｃａｒｍａｎ等利用柳树修复威斯康星州一块被2#柴油污染的土壤,主要是利用树木根部的根际微生物促进石油烃的生物降解,24周后,40% ～90%的柴油被降解。刘鹏等利用高效石油降解菌结合种植大豆、碱草等植物对石油污染土壤进行联合修复,135ｄ后石油烃的降解率达63.65%～83.26%,同时发现根际土壤的石油烃含量明显低于非根际土壤,研究表明,植物可以促进根际微生物的繁殖及对污染物的分解转化,进而提高修复效率。菌根生物修复技术的发展为石油组分中难降解有机物的生物修复带来了希望。很多经过筛选的外生菌根真菌能够转化降解持久性有机污染物ＰＯＰｓ)如多氯联苯、杀虫剂、甲苯、ＰＡＨｓ等,植物与菌根真菌可以形成互利的共生体———菌根,而菌根的存在可以显著提高植物的修复效率,Ｇｉｏｖａｎｎｉ等研究了菌根对挪威云杉修复石油污染地的效果及潜在效应,发现菌根真菌在云杉根部形成一个石油富集区,从而加速了石油的降解[6]。Ｌｅｙｖａｌ等研究了韭葱、玉米、黑麦草和三叶草接种菌根菌后对ＰＡＨｓ的降解,认为菌根真菌不仅能增加寄主植物对营养和水分的吸收,提高其抗逆性,而且能增加有机污染物的生物有效性,提高植物对污染物的吸收效率及矿化率[7]。我们曾对筛选出的4种外生菌根真菌进行了纯培养条件下的柴油降解实验,结果表明,这4种外生菌根真菌都具有很强的降解柴油的能力,同时,以有机氮作为氮源及提供少量葡萄糖作为启动碳源可大大提高其生物量及矿物油降解率,结果为应用菌根技术修复矿物油污染土壤及优化降解条件提供了依据。研究表明,在高浓度(10 000ｍｇ/ｋｇ)柴油污染土壤上,外生菌根真菌仍然可侵染植物形成菌根,菌根化植物的抗干旱、抗低温能力明显增强,第二个生长季后某些组合可使土壤油浓度降至正常水平。在非共生条件下,如大豆、万寿菊、蓖麻、苜蓿接种外生菌根真菌也可使植物降解率明显提高。田间实验表明玉米、大豆与内生或外生菌根真菌的联合修复效果好于它们与专性降解菌的联合修复效果,而外生菌根真菌与专性降解细菌的联合修复效果则因植物而异。以上研究表明,通过选择适当的植物与微生物协同作用,可实现污染土壤的快速修复。但要达到预期效果,需要对污染物-植物-微生物相互之间的作用关系有深入的了解,以便进行有效调控。植物-微生物联合修复同样受土壤温度、湿度、养分状况等环境条件的影响(见表1),成本相对较高,目前许多研究仍处在实验阶段。可以相信,微生物与植物修复技术的综合用,将是今后污染土壤治理的一个颇有潜力的发展方向。

表1 微生物修复、植物修复及植物-微生物联合修复技术的比较

类型优点局限性

微生物修复原位或异位修复,成本低、

处理形式多样、可同时处理地

下水

土著菌修复效率低,接种外来菌会受到土著菌的竞争而难以保持较高活性;微生物活性受温度、氧气、水分和ｐＨ等环境条件的影响;基因工程菌存在环境安全问题

植物修复原位修复,成本低、操作简

单、能同时净化空气和水体、

改善环境,特别适合于修复大

面积、低浓度污染土壤

治理周期长,效率较低;某些植物对土壤肥力、气候、水分、盐度、酸碱度排水与灌溉系统等自然条件和人工条件有一定要求,病虫害会影响其修复能力

植物-微生物联合修复

原位修复,效率高,特别适

合难降解有机物的生物修复。

菌根化植物具有较强的抗逆性

成本相对较高,技

术含量高,影响植物、

微生物的因素均能影

响修复效果

5 植物-微生物联合修复土壤石油污染技术展望：

生物修复技术一般适于治理中、低浓度土壤石油污染,对于高浓度石油污染则需要与物理、化学处理方法联合使用,作为土壤修复的最后一个步骤,以减少成本和其他修复技术对环境的影响。目前,我国在该领域的研究主要集中于微生物修复,而植物修复和植物-微生物联合修复方面的研究还很少,别对植物-微生物联合修复体系的协同修复机理及控制因素等还需进一步深入研究。在基础研究方面,除了筛选优良的修复植物或微生物品种外,如何通过遗传学、分子生物学手段进一步提高生物的降解性能和环境适应性,是目前面临的重要课题之一。

生物修复技术虽取得了一定成功,但目前仍存在很多问题,制约着生物修复的效果,要使生物修复技术发展成为一项成熟的实用修复技术,至少还应在以下方面进行深入研究:(1)环境因子的选择和调控,这是获得高效处理效果的保证;(2)污染物降解过程监测及生物修复运行周期的确定;(3)优良生物品种的选育及其活性的保持;(4)污染物及其代谢产物的生物毒性监测与评价;(5)应用转基因技术的安全性;(6)建立生物修复技术的统一评价程序和标准;(7)根据污染土壤的具体状况制定有针对性的治理方案,将生物修复技术与物理、化学处理方法有机组合,构建高效的修复技术体系,以达到科学性、合理性和可行性的统一。

参考文献

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