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養(yǎng)物質(zhì)、生物表面活性劑、共代謝生長基質(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-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)未來的研究方向。
隨著石油勘探、開發(fā)、運(yùn)輸、儲運(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,同時有毒污染物還會在植物體內(nèi)積累并通過食物網(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。生物投加法是通過提高石油降解微生物的數(shù)量來提高生物修復(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;生物刺激法是通過改善微生物的生存環(huán)境來提高生物修復(fù)速率,包括投加營養(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)已成為近年來的研究熱點(diǎn)。
筆者根據(jù)國內(nèi)外已有的研究成果,對現(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)上對該技術(shù)的發(fā)展方向進(jìn)行了展望,以期為我國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)百萬年來埋藏在地下的有機(jī)質(zhì)經(jīng)過熱演化得到的,原油從地下開采出來,經(jīng)過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),通常具有一個或幾個不同烷基取代基,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 石油污染的來源
在石油石化產(chǎn)業(yè)的勘探、開采、運(yùn)輸、加工、儲運(yùn)、銷售等全部鏈條中,管理不善或事故等因素都會導(dǎo)致石油污染物泄漏的發(fā)生,對環(huán)境造成嚴(yán)重危害。據(jù)統(tǒng)計[16],全世界每年約有800萬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)品對土壤環(huán)境造成的損害,已成為全世界關(guān)注的重點(diǎn)問題。
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),會對土壤環(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相對升高,總氮濃度相對降低,電導(dǎo)率和總磷濃度則沒有顯著變化。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 對作物的影響
石油污染物對不同作物的影響不同,其對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,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)可以通過食物鏈間接影響人體健康。Bansal等總結(jié)了PAHs通過各種食物產(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。
石油污染物的濃度對生物修復(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,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高時,其生物毒性通常較強(qiáng),不僅抑制微生物的生長代謝,也限制氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)的傳遞。當(dāng)石油污染物的濃度過低時,有效碳源的缺乏則限制石油降解微生物的生長代謝。
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、無二次污染近年來被廣泛研究。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,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某種組分具有較強(qiáng)的降解能力;對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)化也會對土壤環(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對微生物的生長代謝影響很大,其通過改變細(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)而影響微生物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收及石油組分的降解率。pH的變化會改變土壤中營養(yǎng)物質(zhì)的可利用性:當(dāng)pH為微堿性時,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,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,微生物的生長代謝會受到較為嚴(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,但微生物在降解過程中會產(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;溫度對微生物的生長代謝及群落結(jié)構(gòu)有較為顯著的影響。溫度較低時,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
微生物對石油中不同組分的降解過程雖有不同,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,氧氣對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、磷營養(yǎng)物質(zhì)
微生物的生長代謝需要碳、氮、磷等營養(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、磷營養(yǎng)則相對匱乏。當(dāng)碳源充足時,氮、磷等營養(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)注意營養(yǎng)物質(zhì)的類型、濃度和比例,以避免對生物修復(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
微生物的生長代謝需要水的參與。當(dāng)土壤含水率過低時,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)土壤含水率過高時,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)境中長期殘留,因而土壤粒徑越大,對石油污染越敏感。
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%。然而這一過程的啟動相當(dāng)漫長,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Exxon Valdez號溢油污染事件,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細(xì)菌,該細(xì)菌可在幾小時內(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議。Venosa等[39]以風(fēng)化的Alaska原油為碳源測試了10種不同類型的商業(yè)菌劑對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爭營養(yǎng)物質(zhì)并且避免被原生動物捕食,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)性和競爭性的有效方法。
3.1.2 固定化微生物的投加
為了克服高效微生物投加后,啟動速度慢、對環(huán)境條件敏感及與土著菌種競爭處于劣勢等問題,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爭,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,鮮見有關(guān)現(xiàn)場應(yīng)用的研究報道。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,明顯高于對照區(qū)的46%?？梢?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,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,并為微生物的生長代謝提供氧氣和共代謝生長基質(zhì)(如糖類、氨基酸等),促進(jìn)了微生物對石油污染物的降解;另一方面,微生物提高了植物對營養(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),降低其對植物的毒性,同時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。植物的生長代謝需要消耗大量的營養(yǎng)物質(zhì),因此營養(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策略。
3.2 生物刺激法
3.2.1 營養(yǎng)物質(zhì)的投加
土壤石油污染發(fā)生時,石油為微生物的生長代謝提供了足夠的碳源,此時氮、磷濃度成為微生物生長的影響因子。氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)的缺乏會限制微生物的石油降解速率,但是當(dāng)營養(yǎng)物質(zhì)濃度過高時,又會對微生物的生長產(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對柴油的降解率并未顯著增加。因此,添加適量的營養(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生物修復(fù)效果有著重要影響。氧氣是最為常見的最終電子受體,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濃度過高會對微生物產(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,且具有無毒、無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。生物表面活性劑對石油污染土壤生物降解的強(qiáng)化作用優(yōu)于營養(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 共代謝生長基質(zhì)的投加
微生物通常對分子量較小、結(jié)構(gòu)較為簡單的石油組分具有較強(qiáng)的降解能力,而對分子量較大、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)往往通過共代謝的方式被去除。共代謝是指微生物在代謝生長基質(zhì)(可作為唯一碳源和能源的物質(zhì))的過程中對非生長基質(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)苯為共代謝生長基質(zhì)時,其能夠被氧化降解;Pseudomonas sacophilaP15以菲和水楊酸為共代謝生長基質(zhì)時,具備更高的苯并[a]芘降解能力。劉曉春等考察了α-乳糖、葡萄糖和蔗糖對石油污染物生物降解的影響,結(jié)果表明α-乳糖對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,在通氣的同時向污染區(qū)添加氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)來刺激內(nèi)源性細(xì)菌的生長和代謝。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甲苯污染場地生物揮發(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(200 d)沒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,空氣注入速率和時間間隔對黏土中柴油的降解率沒有顯著差異,較長的空氣注入時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)浠衔镂廴緢龅?由于淺水位和薄土覆蓋,單井生物通風(fēng)對油氣去除效果不佳;但當(dāng)在同一地點(diǎn)使用9個小注射棒(相距0.5 m)進(jìn)行生物處理時,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１M管空氣注入速率和時間間隔對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,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)過程中,產(chǎn)電菌催化降解石油釋放電子和質(zhì)子,電子通過陽極再經(jīng)外電路到達(dá)陰極,質(zhì)子在電池內(nèi)部從陽極傳遞到陰極,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,微生物燃料電池對石油的降解率為對照組的2倍。
按照結(jié)構(gòu)來分,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電極、反應(yīng)室和分隔膜構(gòu)成。其陰極室和陽極室一般相互獨(dú)立,陰極和陽極之間外接電路形成閉合回路,分隔膜只允許質(zhì)子通過,從而阻止陰極室和陽極室中的溶液混合。附著在陽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極會降低產(chǎn)電效率,因?yàn)檠鯕鈺c陽極產(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)的對比
生物投加法通過維持土壤高濃度細(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(如污染時間長短、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,且過多營養(yǎng)刺激制劑的添加還可能會降低微生物的降解能力。在石油污染土壤的生物修復(fù)過程中經(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,然而二者的構(gòu)成較為復(fù)雜,經(jīng)濟(jì)成本較高,且對土壤性狀具有較高的要求。生物通風(fēng)法對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,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)先開展小試或中試試驗(yàn)。
5 展望
(1)電動-微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)研發(fā)。電動技術(shù)可以促進(jìn)土壤中微生物的遷移以及營養(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,電動技術(shù)通過電泳、電滲和電遷移可使土壤鹽分遷移和富集,對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。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速度,還可以加大微生物對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)微生物對土壤環(huán)境的適應(yīng)性,強(qiáng)化微生物對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。
