石油污染土壤电动微生物修复技术研究

　　摘　要：在石油污染土壤两端插入石墨电极，施加24 V直流电压，使电极之间土壤电势降达到1 V/cm。添加实验室筛选的高效石油降解菌，研究电动-微生物联合修复对石油污染土壤pH、土壤温度、有机碳含量、有效氮、有效磷、有效钾等指标的影响。结果表明，石油浓度为2%的模拟污染土壤经过电动微生物联合技术处理后，最佳降解率达到67.5%。有效N、有效P、有效K分别平均提高为原来的1.5、1.4和1.2倍。外加电动修复可以使土壤pH、温度保持在一个相对恒定的变化范围内，为微生物的生命活动提供了一个稳定的环境，提高石油降解率。

　　关键词：电动-微生物修复;高效石油降解菌;石油

　　石油是石油污染场地土壤中的一种典型的持久性有机污染物(persistent organic pollutants，POPs)，含有难以生物降解的多环芳烃类“三致”污染物。多环芳烃在降解时还产生大量有毒中间产物，污染土壤和地下水，最终进入食物链[1-4]，可能导致生物突变。几十年来，生物修复法被认为是无害化、理想化的修复方法，它既不改变土壤的内在性质，也不会在修复过程中产生二次污染，还具有成本相对低廉、永久性消除污染物及公众积极接受等优点[5-7]，但其修复周期长、效率低的缺点是限制其技术实际工程应用的重要因素。

　　电动力学修复是一种清理重金属或有机污染土壤的创新技术，包括低功率直流电场对受污染土壤的控制应用。该技术依赖于电迁移、电渗透和电泳3种过程，现已经被用于去除土壤中的重金属和有机污染物[3，8-9]。Hassan等[3]概述了重金属、有机化合物和其他危险品的电动力学修复方法，但将其用于清除有机污染，如五戊烷、苯酚、五氯酚、木酚油、苯、甲苯和多环芳香芳烃(polycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs)的石油污染土壤的研究并不多。

　　石油降解菌可以利用石油作为碳源来维持自身的生长和代谢。有辅助电场时，可以提供持续的热量，以增强高效石油降解细菌的作用。有机物和细菌在土壤中的缓慢运动传统上是应用电动力学修复来实现，利用电梯度驱动土壤基质石油、土壤的营养物质和细菌细胞运动，并协同优化这些因素提高了修复石油污染土壤的效率[10-12]。本研究通过建立一套电动-微生物联合修复技术，提高石油污染土壤中有机污染物的降解效率，强化生物修复效果，实现对有机污染土壤的快速修复目标。

　　1材料与方法

　　1.1 实验材料

　　1.1.1 污染物

　　以大庆油田南2区第1联合站采集的石油作为实验对象，样品的物理化学性质。

　　1.1.2 土壤处理

　　原土样来自沈阳生态实验站深度0～20 cm的顶土层。原有土壤的基本表征。为评价修复效果，采用人工配制的含油量均一的模拟含油土壤进行实验。将已经处理的土壤与一定比例的石油均匀混合配制成含油量为2%的石油污染土壤。将石油污染土壤在土壤室内自然风干放置7 d，再取一定量于土壤室内分别进行不同处理。处理时间为100 d，每隔20 d采一次样。采样点距离阳极分别为0、4、8、12、16、20、24 cm，采样深度为10 cm。土壤含水率约为25%。

　　1.1.3 微生物和缓冲液的组成

　　将石油降解菌混合培养作为实验用菌剂，在150 r/min、30℃的摇床培养基上培养，在指数生长期阶段离心收获培养菌剂，在去离子水中进行重悬，得到1.2×1010CFU·mL–1的高浓度的菌悬液。将选定的优势菌种喷洒加入土壤中，含菌量为108CFU·mL–1，用量为0.01 mL·g–1土壤。加入一定量磷酸二氢钾溶液、硝酸铵溶液为细菌复合物提供营养，提高土壤的电导率并控制pH 6.5～7.0。在阴极储层中使用磷酸二氢钾(1 mol/L KH2PO4)溶液，在阳极储层中使用硝酸铵(1 mol/L NH4NO3)溶液。

　　1.2 仪器设备

　　本研究采用了2组电动-微生物实验室装置。第1组装置用于优化测试的极性反转间隔，它由1个土壤电池、2个电极单元、1对由石墨制成的圆柱形电极、1个电极控制系统、1个电流和电压实时监测系统和1个电源组成。土壤单元由长方形的有机玻璃制成，内部尺寸长26 cm，宽11 cm，高10 cm，使用2支长10 cm，直径0.5 cm的柱形石墨电极来产生1个不均匀的电场，该电极控制装置能够每24 h切换1次电场的极性。在土壤中插入电子温度计，自动记录温度并将数据传输到电脑监控系统。该监控系统可在线监测电流和电压，并将数据存储在电脑中供以便后续分析。电源采用恒定直流电，其源漏极电压为1 V。装置的电势梯度为1 V/cm。第2组装置除电极不转换外与第1组装置一致。

　　1.3 分析方法

　　1.3.1 土壤pH分析方法土壤pH使用pH计(PHS-3C，上海仪电公司)测定。

　　1.3.2 土壤有效氮、有效磷、有效钾和总有机碳的测定土壤的有效氮的测定方法是将土样经碱解后使用Multi N/C3000分析仪(Analytik Jena AG，Germany)测定;有效磷经碳酸氢钠提取后(Olsen法)采用钼锑抗比色法测定;有效钾经醋酸铵提取后采用火焰分光光度法测定;总有机碳使用Multi N/C3000分析仪(Analytik Jena AG，Germany)测量。每个指标均重复测试3次[13]。

　　1.3.3 土壤样品中石油浓度的测定土壤中石油降解率采用红外测油仪测定。每次准确称取土样10 g，置于50 mL的离心管中，加入30 mL三氯甲烷，加盖，轻轻振摇1 min，放置过夜。次日，将离心管置于55℃水浴中热浸1 h(开始时注意打开盖放2次气)，离心，取上清液置于烧杯中。此土样继续用上述步骤处理2次(仅将水浴加热时间改为30 min)，每次取上清液继续加入上述烧杯。然后把烧杯放在通风橱中，通风浓缩至干，此即氯仿浓缩物[14]。最后把此浓缩物用四氯化碳定容，用红外测油仪测其油含量。

　　2结果与讨论

　　2.1 土壤pH的变化

　　土壤酸碱度一般用pH表示，是影响土壤营养元素相互转化和有效性的重要因素。pH大小影响土壤中营养物质的可利用程度和对污染物的降解效率[15]。土壤的起始pH为6.5。以实验2和实验6为例，实验24 h后的距离阳极不同位置的土壤pH变化结果。实验2土壤pH变化范围是3.5～12.7，pH变化幅度较大。外加电场在电极之间形成了一个电解池，土壤中的水分子在电场作用下发生了电解反应，阳极产生了大量的H+，使pH下降，阳极周围区域呈现酸性;阴极产生大量的OH–，使pH升高，阴极周围区域呈现碱性[16]。在阳极、阴极附近区域分别形成较强的酸性带和碱性带，极端的环境抑制了土壤微生物的生长，不利于石油污染物的降解。

　　6号土壤阳极和阴极附近区域土壤pH分别为5.5和7.3，其余位置的pH在6.2～6.4之间变化，整体要比土壤起始pH稍低，这可能是因为电解过程使得整体土壤的pH呈下降趋势[17]。6号土壤pH接近中性，大部分变化范围在微生物适生变化范围之内(微生物适生pH范围为6.0～7.5)[8]。从结果可以看出，通过电极切换，有效地避免了在某一端电极周围形成的强酸性区域或强碱性区域，将土壤pH控制在适于微生物生长的范围内，相对于电极不切换的土壤环境，电极切换给微生物提供了一个良好的、稳定的生存环境，可以有效提高微生物对石油的利用效率。

　　2.2 土壤温度的变化

　　土壤维持一个恒定、适宜的温度，对微生物的生命活动有着重要的意义。在20～45℃条件下，微生物的生长速度较快，生命活动旺盛[18]，微生物的活性增强有利于去除土壤中存在的石油等有害物质[19]。对实验3、实验4和实验7的温度变化进行24 h监测，每4 h记录一次 。

　　温度变化范围为12.4～23.2℃，最大温差达到10.8℃。实验4和实验7土壤温度变化范围不大，实验4土壤最高温度30.3℃出现在16 h时，最低温度29.4℃出现在4 h时，24 h内温差为0.9℃。实验7土壤的最高温度31.2℃出现在12 h时，最低温度出现在4 h时，24 h内的温差为1.8℃。实验3 在24 h内温度变化显著，温差超过10℃，土壤环境变化相对较大。

　　实验4温差较小，平均温度为29.9℃，比实验3的平均温度高12.3℃，受外界温度影响小，温度波动变化在1℃以内，土壤环境相对稳定，为土壤中的微生物提供了一个良好的生存环境。实验7在12 h出现一次温度升高，在图3中可以看到1个较小的温度的波动峰。这可能是由于12 h时进行电极切换，持续的单向电流突然改变方向，土壤中的各种带电颗粒表面电荷转变方向，释放能量，增加了土壤温度。总体来看，微生物处于20～45℃之间，且波动范围较小的温度环境更适宜微生物生存，由此也会提供更好的降解能效。

　　实验4和实验7的平均温度均是实验3平均温度的1.7倍以上，其原因可能是由于外加电场的一部分电能转化为热能释放到土壤当中，持续的电流维持着土壤温度。土壤的pH也与温度有关，恒定的温度有利于土壤的pH的稳定。这些条件都为微生物降解土壤中的石油提供了一个适宜的环境，加大了降解效率。实验4和实验7的降解率高于实验3的，也验证了这一观点。

　　2.3 土壤有机碳含量的变化

　　石油等大分子的碳氢化合物经过高效石油降解菌的作用，能够被分解成小分子碳氢化合物等简单的有机物[20-21]。这些有机物对石油等疏水有机污染物在环境中的的分配、迁移和生物有效性均起到控制作用。同时土壤溶液中存在的土壤有机化合物可以影响石油等多环芳烃在土壤表面的吸附。

　　这一现象应该归因于在电场作用下推动带有负电的微生物向电势高的区域迁移，在阳极附近聚集了大量的微生物;同时外加电场在阳极处发生强烈的氧化还原反应，刺激微生物加速新陈代谢，加大碳源的消耗。有机碳在土壤中多以胶体形式存在，带有大量的负电荷，在电场作用下，通过电泳的移动方式向阳极迁移。这也为阳极区域的微生物提供了碳源。同时在迁移过程中有机碳吸附大量的水分和阳离子，其吸水率比黏粒要大几倍甚至几十倍，它能降低黏性土壤的黏性，同时改变土壤孔隙状况和水、气比例，有利于土壤中微生物的呼吸和营养物质在土壤中的传递。

　　同一位点修复过程中有机碳消耗速率也不同。最初20天的有机碳平均消耗为总量的6.2%，随着修复时间的延长消耗速率逐渐降低，60天后有机碳平均消耗降低到仅为总量的1.6%。实验7各位点的有机碳含量表现为两极少，中间多。切换电极使得电极两端轮流处于阳极状态，阳极附近氧化还原反应较强，电子交换频率较快，刺激微生物的生命活性增强，新陈代谢加速，消耗有机碳的速度较快，能够加速高效降解菌对石油的降解。20 d内消耗有机碳最多达到总量的9.3%，平均消耗有机碳相当于总量的7.2%。随着修复时间的延长，有机碳的消耗速度，呈先快后慢，修复60 d后，有机碳的消耗速度降低。在今后的实验中，可以考虑添加一些外来营养物作为碳源。

　　3结　语

　　电动-微生物联合修复技术有很好的石油污染土壤修复效果。每24 h切换一次电极，有效地中和了阳极和阴极产生的H+和OH–，为高效降解菌提供了一个相对稳定的生存环境，提高了石油的降解率。定期切换电极使土壤中的营养物质非定向迁移，分散到土壤的各个部分，能够最大程度为较多微生物提供营养源，延长其生命周期，加速其繁殖速度，有利于提高石油降解率。外加电场一定程度上提高了土壤有效N、P、K的含量，为微生物提供了生存必需的营养元素，促进了微生物的修复效果。在电动-微生物耦合修复技术基础上添加微生物所需的营养物质，提高了微生物活性，同时也强化了电动修复的效果。最佳石油降解率达到67.5%。

　　参考文献：

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　　作者：李婷婷， 吴　迪， 辛　亮， 王恩彪， 赵紫钰， 彭　湃