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土壤修复技术:石油污染土壤的植物与微生物修复技术

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土壤修复技术:石油污染土壤的植物与微生物修复技术

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土壤修复技术:石油污染土壤的植物与微生物修复技术

  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。

  石油污染已成为当今世界性公害之一。据统计,仅石油污染一项每年全世界就有800万t进入环境。石油污染泛指原油和石油初加工产品(包括汽油、煤油、柴油、重油和润滑油等)及各类油的分解产物所引起的污染。石油中的许多成分如苯、甲苯、乙苯、菲、苯并[a]芘等都被列为美国环保局(EPA)优先污染物范围,这些污染物具有潜在的致突变性和致癌性,可通过直接或间接方式对环境和人体健康带来严重损害。

  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200~500 m2,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、生物修复技术在石油污染治理中的应用

  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%~50%。,是一种高效、经济和环境友好的清洁技术。目前生物修复技术主要用于土壤、地下水和海洋的污染治理,并主要以原位修复为主。

  1972年美国清除宾夕法尼亚州的Ambler管线泄漏的汽油是史料所记载的生物修复技术的首次应用,初期规模很小,直到1989年,美国阿拉斯加海域受到大面积石油污染以后,才首次大规模应用生物修复技术,可以说阿拉斯加海滩溢油的生物修复是生物修复发展的里程碑H。目前,石油污染的海面和海滩通常采用以下3种方式进行生物修复:①投加表面活性剂,增加石油与海水中微生物的接触面积;②投加高效降解石油的微生物,增加微生物的种群数量;③投加N、P等营养源,促进土著微生物对石油的降解。其中投加营养盐进行生物修复的应用相对较多。

  在石油污染土壤的生物修复方面也有比较成功的例子。1992年10月,在阿根廷Puerto Rosales集散地,通过施用肥料,靠土著微生物清除了700 t油罐的泄漏;科威特曾因石油泄漏污染了大片土地,科学家采用微生物技术成功地进行了降解。海湾战争期间,科威特被破坏的油田流出的原油造成500 hm2土壤污染,1994年日本大林组公司与该国科研人员一起进行生物修复实验,通过向含油(TPH)2%~40%的土壤中添加氮、磷营养素及木屑等,并通过土地耕耘、强制通风等措施处理,15个月后TPH分解75%~85%。生物修复技术的发展为石油污染的治理提供了一个经济有效的方法,被认为具有广阔的发展前景。

  3石油污染土壤的生物修复研究进展

  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。

  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。在应用高效降解菌修复污染土壤时,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。

  在石油组分中饱和烃最易降解,其次是低分子量芳香烃,高分子量芳香烃、胶质和沥青质则极难降解。不少研究表明,利用特定细菌对石油类物质的共代谢作用可以有效去除某些难降解有机物。Bertrand等发现,难降解的沥青和树脂可以通过共氧化作用进行降解。Rontani等也发现了沥青质的共氧化作用,同时报道了沥青质的生物降解依赖于烷烃的存在。通过改善土壤环境条件可以提高微生物活性、加速石油的生物降解。钟毅等选用原油污染土壤进行了投加除油菌、调节氮磷营养含量和水分含量的强化修复试验,180 d后油去除率达70.6%,石油半衰期由自然条件下的929 d减少为103 d。张旭等发现在翻耕和调节土壤含水率的条件下,微生物的降解速率大大加快,石油半衰期由对照的173 d减少到90 d,在综合生物治理的条件下,石油半衰期可缩短至42 d。此外,添加表面活性剂Ⅲ、木屑和蛭石等调理剂、提供电子受体等措施也有很好的强化效果。影响微生物降解速率的因素主要有土壤pH值、温度、湿度、氧气含量、各种营养物质及微量元素含量等。石油类物质微生物降解的适宜条件为pH 6~8,温度15—30℃,湿度70%~80%,养分比例(m)C:N:P=25:1:0.5嵋⋯。借助现代生物学手段获得的适应极端条件的优良菌株为特殊地区的石油污染生物修复创造了条件。

  目前石油污染土壤微生物修复研究主要集中于以下领域:(1)营养物质的添加及量的配比;(2)选择适当的电子受体;(3)同生菌群的强化作用;(4)基因工程菌的开发;(5)石油烃生物可降解性研究;(6)表面活性剂对生物降解的强化作用;(7)吸附与扩散机制对生物降解过程的影响。

  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、植物释放的各种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Maninezz等B列用cyperw Z。并¨s处理石油污染土壤已进人中试阶段,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。Reilley等研究了酥油草、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。

  在受污染土壤上种植对石油类物质有耐受性的植被,并施用肥料,可大大加速土壤中石油类物质的降解,这是一种简便经济的治理方法,其关键是要针对不同的污染土壤选择适当的植物和肥料。有研究表明,有机肥比无机肥能更有效地改良石油污染土壤的物理、化学和生物性能。该方法主要适用于表层土壤受到污染时的治理,如采油井场的治理等。常见的适宜治理采油井场的植物有:虎尾草、轮藻、绵蓬、骆驼篙、猪毛菜、羊矛、蒺藜、旋花、苍耳、芦苇、蒙古冰草、防风和赖草等。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。

  植物修复的效果首先取决于植物对污染物的同化或积累能力,而影响植物同化(积累)能力的因素除了取决于植物的遗传特性外,植物年龄、生物量、根系发育状况(如根毛多少、根瘤的有无)也对同化能力产生重要影响。已有研究表明,具有发达根系(根须)的植物能够促进根际菌群对除草剂、杀虫剂、表面活性剂和石油产品等有机污染物的吸附、降解。此外,修复植物应具备生长快、抗性强等特点。

  植物修复技术被称为廉价的绿色修复技术,具有安全、生态效益显著等独特优点,如使用得当,还可带来一定的经济效益。植物覆盖在土壤表面,既阻止了污染物向大气的释放,也减少了污染物的表面径流和地下渗漏;某些植物还具有同时修复多种污染的功能,如柳树不仅能吸收土壤中的有机物,而且能吸收土壤中的镉。植物修复受到污染物浓度的限制,因此特别适合于修复大面积、低浓度的石油污染土壤。当然,如能通过转基因技术提高植物的适应性和降解能力,并与其他方法联合使用,就会在土壤修复中发挥更重要的作用,其发展和应用前景已被世人瞩目。

  3.3 植物微生物联合修复

  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。

  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24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。刘鹏等旧副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,135 d后石油烃的降解率达63.65%一83.26%,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H。

  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。

  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。植物一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,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运用,将是今后污染土壤治理的一个颇有潜力的发展方向。

  4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,而植物修复和植物一微生物联合修复方面的研究还很少,特别对植物.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。

 

  (本文摘自必高环保网)