影響蘆葦修復(fù)新疆石油污染土壤的關(guān)鍵因素

張?jiān)撇?，吳文華，趙東風(fēng)，劉春爽，劉其友

(中國石油大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，山東 青島 266555)

新疆地區(qū)油氣資源非常豐富，原油年產(chǎn)量占全國的1/8[1，2]。近年來，國家大力開發(fā)新疆石油資源，但其勘探、開發(fā)、煉制過程中對土壤造成了嚴(yán)重污染[3，4]。植物作為生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)和能量流動的重要組成部分，是污染土壤處理的有效系統(tǒng)[4～7]，石油污染土壤的植物修復(fù)以其能耗低、效果好、無二次污染等特點(diǎn)而倍受關(guān)注[8]。

本課題組在前期研究中首次根據(jù)新疆的氣候特點(diǎn)，篩選出高效修復(fù)植物蘆葦，為新疆石油污染土壤植物修復(fù)技術(shù)開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。然而，植物修復(fù)的效果受多種因素影響，包括土壤含水率、表面活性劑[9～11]及根際土壤中高效石油烴降解菌數(shù)量[12，13]等，控制與優(yōu)化這些因素對提高植物修復(fù)效果具有積極意義。

基于此，作者在前期研究的基礎(chǔ)上，針對新疆石油污染土壤的修復(fù)植物蘆葦，進(jìn)行室外模擬實(shí)驗(yàn)，研究其去除污染土壤石油烴的關(guān)鍵因素，通過正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化蘆葦修復(fù)的條件，以期為新疆石油污染土壤的治理提供可行的技術(shù)方法。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

供試植物：蘆葦，幼苗購于新疆土沙植物園，選擇長勢一致的蘆葦幼苗。

供試土壤：采自新疆克拉瑪依采油二廠的石油污染土壤，自然風(fēng)干后，壓碎，去除植物根系、石礫等殘留物，過2 mm尼龍篩，供盆栽模擬實(shí)驗(yàn)用。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

將待用的石油污染土壤與清潔土壤按1∶5的比例混合均勻，稱取10 kg裝入桶中，在每個桶中栽種數(shù)目相同的蘆葦幼苗，將桶放置于新疆現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)室基地的室外。實(shí)驗(yàn)分為A、B、C三組，分別投加保水劑、表面活性劑和高效降解菌，投加量見表1。其中，選用十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)作為表面活性劑，以從當(dāng)?shù)厥臀廴就寥乐泻Y選出的混合菌KL8-2作為高效降解菌。每一投加量做3個平行，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取其平均值。實(shí)驗(yàn)從2010年5月28日開始到2010年8月26日結(jié)束，周期90 d。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，將土壤風(fēng)干，過2 mm尼龍篩，采用四分法取樣。

表1 影響因素的投加量

根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，考察保水劑、SDBS、KL8-2三因素間的相互影響和作用，設(shè)計(jì)3因素3水平的正交實(shí)驗(yàn)，見表2。

表2 正交實(shí)驗(yàn)的因素與水平

1.3 分析方法

采用超聲-紅外分光光度法在OIL510型紅外測油儀上測定土壤中石油烴含量[14]。分別采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法、堿解蒸餾法、NaHCO3浸提鉬銻抗比色法測定土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷含量[15]。

2 結(jié)果與討論

2.1 保水劑對修復(fù)效果的影響

保水劑對土壤理化性質(zhì)及蘆葦形態(tài)指標(biāo)的影響見表3。

表3 保水劑對土壤理化性質(zhì)及蘆葦形態(tài)指標(biāo)的影響

由表3可知，隨著保水劑投加量的增加，測量指標(biāo)均呈增大趨勢，保水劑投加量為15 g·kg-1時，土壤含水率、有機(jī)質(zhì)含量、堿解氮含量最高，分別為35.07%、43.72 g·kg-1、65.11 mg·kg-1，比空白對照提高了51.36%、38.09%和34.19%；當(dāng)保水劑投加量為12 g·kg-1時，土壤速效磷含量、植物的株高、根長和鮮重值最大，分別為16.76 mg·kg-1、56.14 cm、14.02 cm、16.69 g，比空白對照提高了105.90%、28.73%、20.14%和32.67%。由此可見，保水劑可減少土壤水分、養(yǎng)分的流失，增強(qiáng)土壤的保水性，對土壤氮、磷有明顯的保蓄作用，具有保水、保肥的功效。施用保水劑可顯著提高石油污染土壤中有機(jī)質(zhì)、堿解氮和速效磷的含量，并將吸收的水分緩慢釋放給植物利用，進(jìn)而促進(jìn)植物的生長。

保水劑投加量對石油烴降解作用的影響見圖1。

圖1 保水劑對石油烴降解作用的影響

由圖1可知，施用一定量的保水劑可間接提高石油烴的降解率，促進(jìn)修復(fù)作用。隨著保水劑投加量的增加，降解率緩慢上升，投加量為0～12 g·kg-1時，降解率從32.16%升至36.47%；在投加量為12 g·kg-1時，降解率最大，比空白對照提高了13.40%；之后繼續(xù)增加保水劑投加量，降解率反而下降。這表明保水劑的保水、保肥功效促進(jìn)了蘆葦?shù)纳L，增強(qiáng)了蘆葦?shù)母H效應(yīng)，使整個植物修復(fù)體系處于良好狀態(tài)，有利于石油烴污染物的降解，但過量的保水劑會產(chǎn)生抑制作用。

2.2 SDBS對修復(fù)效果的影響

植物修復(fù)過程中，石油烴的脫附和植物的可利用性是限制植物修復(fù)的主要因素。表面活性劑能降低界面表面張力，具有增溶作用，增加油類物質(zhì)的溶解性和流動性，提高石油烴的生物可利用性，強(qiáng)化植物修復(fù)的效果。SDBS對石油烴降解作用的影響見圖2。

圖2 SDBS對石油烴降解作用的影響

由圖2可知，修復(fù)90 d，SDBS對石油烴降解的促進(jìn)作用比較明顯，隨著SDBS投加量的增大，降解率呈先上升后下降的趨勢。在SDBS投加量為0～8 g·kg-1時，降解率從32.16%升至39.04%；投加量為8 g·kg-1時，降解率最高，比空白對照提高了21.70%；當(dāng)SDBS投加量超過8 g·kg-1時，降解率反而下降，投加量增大到14 g·kg-1時，降解率下降到35.48%，比最高值降低了9.12%，這表明過度膠束化降低了水體中有機(jī)物的濃度，出現(xiàn)負(fù)增溶效果，或者高濃度的SDBS對植物及其根際區(qū)的微生物產(chǎn)生微毒害作用，反而抑制了降解過程。由此可見，適宜濃度的SDBS可促進(jìn)疏水性有機(jī)污染物的生物可利用性，強(qiáng)化蘆葦對土壤中石油烴的吸收和根際作用，提高降解率。

2.3 KL8-2對修復(fù)效果的影響

投加高效降解菌是強(qiáng)化植物修復(fù)效果的有效措施，石油組成復(fù)雜，土著微生物對其降解能力較弱，向土壤中投加高效降解菌可以促進(jìn)植物生長，強(qiáng)化植物對石油烴的降解效果?；旌暇鶮L8-2對石油烴降解作用的影響見圖3。

圖3 混合菌KL8-2對石油烴降解作用的影響

由圖3可知，菌液量為0～120 mL·kg-1時，石油烴降解率逐漸提高，從32.16%升至48.92%；菌液量為120 mL·kg-1時，降解率最高，比空白對照提高了52.11%；之后再增加菌液量，降解率反而下降。表明高效降解菌確實(shí)具有強(qiáng)化植物修復(fù)的作用，這與劉鵬等[16]的研究結(jié)果相一致?；旌暇鶮L8-2來自于石油污染土壤，對石油污染環(huán)境的適應(yīng)力強(qiáng)，降解石油烴的能力較強(qiáng)，而且蘆葦根際分泌的有機(jī)營養(yǎng)物可促進(jìn)其生長、繁殖。降解菌代謝石油烴的同時，可刺激土壤中原本不能轉(zhuǎn)化石油烴或轉(zhuǎn)化較慢的土著微生物利用石油烴，加快了石油烴的降解。但是，過量的菌液反而不利于石油烴的降解，這是因?yàn)槲⑸锪窟^多會加劇相互之間的競爭，使得存活下來的具有降解功能的微生物數(shù)目減少，從而導(dǎo)致降解作用減弱。

2.4 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析(表4)

表4 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

由表4可知，經(jīng)過90 d的強(qiáng)化修復(fù)，石油烴降解率在39.62%～56.72%；修復(fù)效果以2#、4#、8#實(shí)驗(yàn)較好，降解率均大于50%，其中，8#的降解率最高，為56.72%，比單獨(dú)投加保水劑、SDBS和KL8-2的最佳降解率36.47%、39.04%、48.92%分別提高了55.53%、45.29%和15.94%，比未施加任何物質(zhì)的降解率32.16%提高了76.37%。最優(yōu)組合為A3B2C2，即保水劑15 g·kg-1、SDBS 8 g·kg-1、混合菌KL8-2 120 mL·kg-1。

3個因素對蘆葦修復(fù)效果的影響大小依次為：KL8-2>SDBS>保水劑，高效降解混合菌KL8-2是影響蘆葦修復(fù)降解效果的最主要因素，其次是表面活性劑(SDBS)，且二者的R值都很大，說明投加適量的KL8-2和SDBS對強(qiáng)化蘆葦修復(fù)是至關(guān)重要的；保水劑的R值最小，說明保水劑投加量的變化對蘆葦修復(fù)效果的影響較小。

3 結(jié)論

(1)保水劑具有保水、保肥的功效，有利于植物生長，促進(jìn)修復(fù)作用。施用保水劑后，土壤含水率、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷、植物株高、根長、鮮重的最大值高達(dá)35.07%、43.72 g·kg-1、65.11 mg·kg-1、16.76 mg·kg-1、56.14 cm、14.02 cm、16.69 g，分別比空白對照提高了51.36%、38.09%、34.19%、105.90%、28.73%、20.14%、32.67%。

(2)施用保水劑、表面活性劑(SDBS)和高效降解混合菌(KL8-2)均可提高蘆葦修復(fù)新疆石油污染土壤的效率。當(dāng)保水劑、SDBS、混合菌KL8-2的投加量分別為12 g·kg-1、8 g·kg-1、120 mL·kg-1時，石油烴降解率達(dá)到最高，為36.47%、39.04%、48.92%，比空白對照提高了13.40%、21.70%、52.11%。

(3)蘆葦修復(fù)的最優(yōu)組合為：保水劑15 g·kg-1、SDBS 8 g·kg-1、混合菌KL8-2 120 mL·kg-1，石油烴降解率為56.72%。其中，混合菌KL8-2對蘆葦修復(fù)石油污染土壤效果的影響最大。

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