石油烴污染底泥的理化性質(zhì)及酶活性研究

于一雷 ，徐衛(wèi)剛 ，郭嘉 *，馬牧源

1. 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院濕地研究所，北京 100091；2. 濕地生態(tài)功能與恢復(fù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100091

石油化工是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要能源和基礎(chǔ)原材料產(chǎn)業(yè)。我國(guó)第二大油田——?jiǎng)倮吞镒溆邳S河三角洲地區(qū)，依托石油資源，大量石油化工產(chǎn)業(yè)如煉油廠(chǎng)、化工廠(chǎng)和石化企業(yè)蓬勃發(fā)展。石油化工產(chǎn)業(yè)促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生大量石油化工廢水。主要包括生產(chǎn)過(guò)程的工藝廢水和非工藝廢水。其中，工藝廢水主要來(lái)自水洗、汽提、冷凝、減壓蒸餾、渣油加氫脫硫、催化裂化、柴油加氫、加氫裂化、氣分、聯(lián)合芳烴、汽油加氫等多個(gè)石油煉制工序；而非工藝廢水主要來(lái)生活過(guò)程（趙洪兵，2015）。煉油廢水污染物主要包括石油類(lèi)、硫化物、氨氮、化學(xué)需氧量、酚類(lèi)化合物、懸浮物等，其水質(zhì)主要與水量、原油種類(lèi)、煉油廠(chǎng)生產(chǎn)工藝和規(guī)模有關(guān)?；S(chǎng)由于原料種類(lèi)多、工藝復(fù)雜、產(chǎn)品多樣化，導(dǎo)致廢水中污染物的組分比單純的煉油廢水更加復(fù)雜，主要為難降解（苯類(lèi)、烷烴、芳香烴等）和有毒有害有機(jī)物（油類(lèi)、酚類(lèi)、胺類(lèi)、酯類(lèi)、氰類(lèi)和含硫有機(jī)物等）（齊曉巍等，2008）。

作為持久性有機(jī)污染物的石油烴對(duì)土壤及水生態(tài)系統(tǒng)造成了嚴(yán)重影響（Yeung et al.，2011）。較高的疏水性導(dǎo)致石油烴與土壤/沉積物中顆粒產(chǎn)生緊密結(jié)合（Parrish et al.，2005；Luepromchai et al.，2007），且導(dǎo)致較高的蓄積能力和低生物利用度（Karthikeyan et al.，2001；Dindar et al.，2015）。石油烴污染明顯影響微生物數(shù)量、多樣性、活性以及關(guān)鍵生物過(guò)程（Maliszewska-Kordybach et al.，2003；Schloter et al.，2003）。酶活性是微生物的重要表征參數(shù)，也是生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性及健康的重要指標(biāo)（Brohon et al.，2001；Dindar et al.，2015）。酶活性與微生物活性、生物量等密切相關(guān)。同時(shí)它參與有機(jī)物降解等生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程（Eibes et al.，2006；Topa? et al.，2009）。因此，酶活性可以作為碳?xì)浠衔锏任廴镜拿舾兄笜?biāo)（Wolińska et al.，2016）。微生物群落對(duì)石油烴的長(zhǎng)期污染會(huì)產(chǎn)生耐受性，并且在污染生態(tài)恢復(fù)中起到重要作用（Lin et al.，2009）。研究表明微生物受到石油烴初期污染脅迫過(guò)后，其呼吸強(qiáng)度和酶活性增加，以及特定微生物種群增加，污染物將作為微生物的碳和能量來(lái)源，從而逐漸分解污染物（Chibuike et al.，2013；Dindar et al.，2015）。比如氧化還原酶參與頑固性有機(jī)物的氧化降解，可反映出微生物活性和種群的相關(guān)信息（Ueno et al.，2007；Dindar et al.，2015），脲酶活性可反映有機(jī)氮化合物的礦化潛力（Dindar et al.，2015）。因此，對(duì)理化性質(zhì)和酶活性監(jiān)測(cè)可以在微生物種群的變化之前，能起到早期預(yù)警作用（Lin et al.，2009；Dindar et al.，2015）。石油烴氫化合物，特別是原油和機(jī)油對(duì)海洋和淡水藻類(lèi)的影響已有大量的研究，但是對(duì)底泥中土著微生物和酶活性的研究較少（Dindar et al.，2015）。

黃河三角洲地區(qū)河流一直面臨來(lái)自采油和煉化過(guò)程的石油污染威脅（張建偉等，2012）。煉油等石化工廠(chǎng)的廢水中化學(xué)需氧量約830—845 mg·L?1，石油類(lèi)物質(zhì)為 140—150 mg·L?1（李政等，2011）。然而，不同工廠(chǎng)之間差異較大。比如某工廠(chǎng)廢水中氨氮為 25 mg·L?1，CODcr為 600—1000 mg·L?1，BOD5為 180—300 mg·L?1（李政等，2011），其他某工廠(chǎng) CODcr為 2000 mg·L?1，BOD5為 600 mg·L?1，氨氮為 70 mg·L?1，石油類(lèi) 500 mg·L?1（趙洪兵，2015）。煉化污水成分復(fù)雜且難降解，即使經(jīng)過(guò)物理、化學(xué)和生物措施處理后，廢水中仍含有較高的氮、酚類(lèi)、硫化物以及難被微生物降解的物質(zhì)（Oh et al.，2009；Benito-Alcázar et al.，2010）。污染物進(jìn)入水體之后，其難降解性最終會(huì)引起在水體或底泥中的富集積累，進(jìn)而危害水生生物以及人類(lèi)健康（Neupane et al.，2018；Benito-Alcázar et al.，2010）。為揭示受污染底泥中石油烴組成及殘留特性，探討底泥理化性質(zhì)和酶活性變異。本文通過(guò)采集石化廢水排放處的底泥樣品，分析受污染底泥的理化性質(zhì)和酶活性特征，為評(píng)價(jià)石化廢水石油烴污染對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)影響和明確關(guān)鍵表征參數(shù)，以及治理提供一定的技術(shù)和數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

黃河三角洲（118o5′E，38o15′N(xiāo)），位于山東省東北部黃河入?？趨^(qū)域三角洲地區(qū)氣候?qū)儆谂瘻貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，地勢(shì)走向?yàn)檠攸S河自西南向東北傾斜。勝利油田-中國(guó)第二大石油生產(chǎn)基地，主體位于黃河三角洲。研究區(qū)石油化工企業(yè)眾多，處理之后的石化廢水排放至附近溝渠或是河流中。選擇典型的石油化工廠(chǎng)廢水排放口區(qū)域，以排放口附近1 m范圍為樣品采集區(qū)。采用不銹鋼底泥采樣器，收集0—20 cm深度的底泥樣品兩份。其中，一份采用自封袋保存，用于室內(nèi)測(cè)定底泥中石油烴和基礎(chǔ)理化指標(biāo)；另一份密封于無(wú)菌袋，即刻冷藏于干冰盒，用于后續(xù)室內(nèi)酶活性分析。底泥采樣點(diǎn)及樣品相關(guān)信息見(jiàn)表1。本研究共采集13個(gè)樣品，為研究不同石油烴污染對(duì)底泥理化性質(zhì)及酶活性影響。根據(jù)不同樣品中總石油烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)大小，從低到高質(zhì)量分?jǐn)?shù)，共劃分為4組樣品。

表1 樣品采集分類(lèi)信息Table 1 Information of group and different samples

1.2 樣品測(cè)試和數(shù)據(jù)分析

底泥樣品測(cè)定指標(biāo)包括石油烴類(lèi)（總石油烴、飽和烴、芳香烴、瀝青和膠質(zhì)）、基礎(chǔ)理化類(lèi)（pH、電導(dǎo)率、比表面積、總氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、總磷和有效磷）和酶活性（淀粉酶、脲酶、過(guò)氧化氫酶、脫氫酶、脂肪酶、硝酸還原酶）。

底泥石油烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定：首先，稱(chēng)取風(fēng)干底泥樣品10 g，置于50 mL離心管，同時(shí)加入30 mL三氯甲烷，然后加蓋密封，且搖動(dòng)5分鐘后放置過(guò)夜。次日，置于55 ℃水浴中熱浸，同時(shí)進(jìn)行1個(gè)小時(shí)的超聲萃取。萃取之后對(duì)離心管置于離心機(jī)，設(shè)置轉(zhuǎn)速為 4500 r·min?1，高速離心 5 min（離心），然后過(guò)濾收集上清液。剩余底泥樣品重復(fù)熱浸超聲萃取2次，且過(guò)無(wú)水硫酸鈉，冷卻干燥（于一雷等，2018）。依據(jù)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（SY/T5119—2008巖石中可溶有機(jī)物及原油族組分分析）（中華人民共和國(guó)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)，2008），基于層析技術(shù)實(shí)現(xiàn)石油烴中飽和烴、芳香烴和極性物質(zhì)（瀝青質(zhì)和膠質(zhì)）分離操作。具體步驟如下，首先采用塞有脫脂棉的漏斗過(guò)濾瀝青質(zhì)，用具塞三角瓶承接濾液，以正己烷洗滌樣瓶、脫脂棉至濾液無(wú)色為止。然后換上恒重稱(chēng)量瓶承接瀝青質(zhì)，氯仿溶解及洗滌器皿及脫脂棉上瀝青質(zhì)至濾液無(wú)色。通過(guò)正己烷連續(xù)潤(rùn)洗硅膠（粒徑0.177 mm）-氧化鋁（粒徑0.149 mm）層析柱，然后將三角瓶承接濾液過(guò)層析柱（內(nèi)徑7 mm，長(zhǎng)400 mm），上清液中的極性物質(zhì)被氧化鋁吸附。然后，用30 mL正己烷反復(fù)淋洗層析柱，同時(shí)采用恒重的稱(chēng)量瓶承接淋洗出的烷烴組分；再用30 mL的二氯甲烷與正己烷（65：35體積比）的混合試劑反復(fù)淋洗，此時(shí)收集芳烴組分；最后，再用30 mL三氯甲烷反復(fù)淋洗并收集膠質(zhì)。飽和烴、芳香烴組分濾液在溫度不高于 40 ℃下回復(fù)溶劑至干；而膠質(zhì)和瀝青質(zhì)組分濾液在溫度不高于 60 ℃下?lián)]發(fā)至干。最終，采用稱(chēng)重法測(cè)定石油烴類(lèi)總量及各族組成的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

底泥基礎(chǔ)理化性質(zhì)測(cè)定（鮑士旦，2000）：采用吸附法測(cè)定底泥比表面積，電極法測(cè)定底泥pH和電導(dǎo)率，重鉻酸鉀氧化-容量法測(cè)定有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，鉬銻抗比色法測(cè)定總磷，凱氏定氮法測(cè)定總氮，納氏比色法測(cè)定氨氮，紫外分光光度法測(cè)定硝態(tài)氮，碳酸氫鈉提取-鉬銻抗比色法測(cè)定有效磷。

底泥酶活性測(cè)定（關(guān)松蔭，1986）：脲酶活性采用苯酚鈉比色法測(cè)定，稱(chēng)取5 g底泥于50 mL三角瓶中，加1 mL甲苯。15 min后加10 mL 10%尿素溶液和 20 mL pH 6.7檸檬酸鹽緩沖溶液，搖勻后在37 ℃恒溫箱培養(yǎng)24 h。培養(yǎng)結(jié)束后過(guò)濾，過(guò)濾后取1.5 mL濾液加入25 mL容量瓶中，再加2 mL苯酚鈉溶液和1.5 mL次氯酸鈉溶液，搖勻。20 min后顯色和定容。1 h內(nèi)于波長(zhǎng)578 nm處比色。氫氧化鉀-乙醇滴定法測(cè)定脂肪酶活性，稱(chēng)取5 g底泥樣品置于50 mL三角瓶中，用2 mL甲苯處理土樣，15 min后加5 mL蒸餾水，5 mL醋酸鹽緩沖液（pH 7.0）和2.5 mL向日葵油，然后置于30 ℃恒溫箱中培養(yǎng)72 h。培養(yǎng)結(jié)束后，加入10 mL 96%乙醇并過(guò)濾。吸取10 mL濾液，加入5滴酚酞做指示劑，采用0.1 N KOH乙醇溶液滴定測(cè)定。高錳酸鉀滴定法測(cè)定過(guò)氧化氫酶活性，取 2g底泥樣品于三角瓶中，加入40 mL蒸餾水，加5 mL 0.3%的H2O2溶液，立即將三角瓶瓶口密封。震蕩20 min后加入1 mL飽和鋁鉀礬，立即過(guò)濾于盛有5 mL 1.5 mol硫酸的三角瓶中，濾干后，吸取濾液25 mL，用0.02 mol·L?1高錳酸鉀滴定至紫紅色，同時(shí)做無(wú)土對(duì)照。脫氫酶酶活性采用氯化三苯基四氮唑（TTC）比色法。稱(chēng)取5 g過(guò)1.25 mm篩的新鮮底泥樣品于具塞三角瓶中，每個(gè)三角瓶中加入2 mL 1% TTC溶液，2 mL蒸餾水，充分混勻。置于37 ℃恒溫箱中避光培養(yǎng)6 h。培養(yǎng)結(jié)束后，加入5 mL甲醇，劇烈震蕩1 min，后靜置5 min，再震蕩20 s，再靜置5 min。三角瓶中溶液過(guò)濾至比色管，并用少量甲醇洗滌三角瓶2—3次，洗滌液也過(guò)濾到比色管中，定容至25 mL，于485 nm波長(zhǎng)處測(cè)定吸光度。3, 5-二硝基水楊酸比色法測(cè)定淀粉酶活性，稱(chēng)取5 g底泥樣品，置于50 mL三角瓶中，注入10 mL 1%淀粉溶液，再加入10 mL磷酸鹽緩沖溶液（pH 5.6）和5滴甲苯。搖勻混合物后，置入恒溫箱37 ℃下培養(yǎng)24 h。培養(yǎng)結(jié)束后，迅速過(guò)來(lái)懸液。吸取濾液1 mL，注入50 mL容量瓶，然后進(jìn)行比色測(cè)定。為消除誤差，均需要做無(wú)基質(zhì)對(duì)照（以等體積的水代替基質(zhì)，其他操作步驟相同）和無(wú)樣品對(duì)照（不添加底泥樣品，其他操作步驟相同）。508 nm處。二磺酸比色法測(cè)定硝酸還原酶，稱(chēng)取5 g底泥鮮樣于3個(gè)刻度試管中，加入4 mL 2, 4-DNP溶液，1 mL KNO3基質(zhì)液和5 mL蒸餾水，混勻，具塞。兩個(gè)試管在25 ℃下培養(yǎng)24 h，另外一個(gè)在?20 ℃下培養(yǎng)24 h（對(duì)照），培養(yǎng)結(jié)束后室溫解凍。加入10 mL氯化鉀溶液，混勻，立即過(guò)濾。取5 mL濾液，加入3 mL NH4Cl緩沖液，2 mL顯色液（2 g磺胺和0.1 g N-（1-萘基）乙二胺鹽酸鹽于150 mL蒸餾水中加入20 mL磷酸。冷卻至室溫，定容至200 mL。），混勻，室溫下顯色15 min，以試劑空白為對(duì)照，在波長(zhǎng)520 nm處測(cè)定樣品和對(duì)照的吸光度。

不同分組中石油烴、基礎(chǔ)理化及酶活性數(shù)據(jù)的差異顯著和相關(guān)分析分別采用SPSS 16.0軟件中單因素方差分析和Pearson相關(guān)分析功能實(shí)現(xiàn)。柱狀圖則采用Origin 8.0軟件完成。

2 結(jié)果與討論

2.1 底泥石油烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)

底泥中總石油烴及其不同組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)見(jiàn)圖1。從圖1中可看出，不同分組中總石油烴（TPH）、飽和烴（SH）、芳香烴（AH）、瀝青（AS）和膠質(zhì)（Colloid）質(zhì)量分?jǐn)?shù)大小順序均為：D>C>B>A，表現(xiàn)為隨總石油烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高的同時(shí)，其他石油烴組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)也依次升高。D組中總石油烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，且其他石油烴組分也均高于其他3組。由于D組沒(méi)有重復(fù)樣品，與其他組未進(jìn)行差異顯著分析。A、B、C 3組中芳香烴、膠質(zhì)之間的差異均不顯著，而總石油烴（P=0.015，0.000，0.002）、飽和烴（P=0.038，0.000，0.000）質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間均差異顯著。不同組的飽和烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)順序?yàn)椋篈 (1.35±0.31 g·kg?1)芳香烴>膠質(zhì)>瀝青質(zhì)。芳香烴、瀝青質(zhì)和膠質(zhì)占比最高的分別為A組（16.60%）、D組（8.84%）和D組（28.76%）。勝利油田中孤東產(chǎn)油區(qū)原油中飽和烴、芳香烴、瀝青質(zhì)和膠質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 482、27.8、11.4、12.5 g·kg?1（于一雷等，2018），這表明飽和烴比例大于90%，瀝青質(zhì)和膠質(zhì)占比在 2%左右。底泥中飽和烴也是總石油烴的主要組分。然而，與原油中組分比例相比，飽和烴比例降低的幅度最大，而芳香烴、瀝青和膠質(zhì)3組分的比例表現(xiàn)為相對(duì)的升高。這說(shuō)明底泥中飽和烴相對(duì)容易發(fā)生降解作用，而其他成分降解難度較大，由此導(dǎo)致底泥中各組分之間相對(duì)比例的改變。

圖1 石油烴污染底泥中不同組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig. 1 Different compositions in sediments polluted by crude oil hydrocarbon

2.2 底泥基礎(chǔ)理化指標(biāo)

石油烴污染底泥中pH、電導(dǎo)率和比表面積特征見(jiàn)圖2。由圖2可得出，底泥pH均為堿性，pH大小順序?yàn)椋築 (8.52)>C (8.65)>A (8.63)>D (7.74)，然而前3組之間無(wú)顯著差異，最高石油烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)D組的 pH卻低于其他 3組。底泥電導(dǎo)率順序?yàn)椋篋>B>A>C；D組電導(dǎo)率為最高值，B組顯著高于C組，兩者均與A組均無(wú)顯著差異。比表面積大小順序?yàn)椋篈>C>B>D。A組比表面積最大，卻與B和C組無(wú)顯著差別。因此，在 1.89—7.21 g·kg?1質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化范圍內(nèi)，石油烴不能顯著影響底泥的pH和比表面積。13.13 g·kg?1的高質(zhì)量分?jǐn)?shù)石油烴的電導(dǎo)率數(shù)值最高，但是B與C組之間卻是相反的結(jié)果，可能是由于石油烴之外的其他影響因素所導(dǎo)致。

圖2 石油烴污染底泥中pH、電導(dǎo)率和比表面積特征Fig. 2 Characteristic of pH, EC and specific surface area in sediments polluted by crude oil hydrocarbon

文獻(xiàn)報(bào)道黃河三角洲濕地表層沉積物中pH均值為7.98（繆雄誼，2014）。與此值相比，A、B和C組底泥pH略高，而最高石油烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)的D組pH（7.74）略低?？煽闯?，在此次調(diào)查質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)的石油烴未能顯著影響底泥的酸堿度。我國(guó)東北莫莫格濕地中自然濕地沉積物背景pH為7.86，這與黃河三角洲濕地接近。有研究發(fā)現(xiàn)石油烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 16.89—31.23 g·kg?1時(shí)，5 年之后石油烴并沒(méi)有顯著提高莫莫格濕地pH；然而，10年和20年的影響則導(dǎo)致pH顯著增加到8.07和8.68（王小雨等，2009）。與此相反，有研究發(fā)現(xiàn)新被石油污染和多年被污染的土壤pH分別為8.61和7.96（吳偉林等，2010），表現(xiàn)為隨著時(shí)間增加，pH反而降低。不同研究結(jié)果雖存在明顯差別，但均說(shuō)明在較高質(zhì)量分?jǐn)?shù)石油烴的長(zhǎng)時(shí)間影響下pH會(huì)發(fā)生顯著改變。從更長(zhǎng)時(shí)間范圍來(lái)看，受到石油烴影響 60年的油井附近與周邊農(nóng)林土壤的pH無(wú)明顯差異，原因在于微生物代謝降解石油過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生羧酸類(lèi)產(chǎn)物，起到降低pH值作用（吉志新，2016）。比表面積用于表征礦質(zhì)顆粒的吸附性能。石油烴污染質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高雖影響了部分底泥的比表面積，但并未達(dá)到顯著作用。研究表明比表面積與底泥中黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為顯著正相關(guān)，尤其是粒徑小于0.01 mm的黏粒（劉瑩等，2009）。本研究中雖然最高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的D組中電導(dǎo)率為最高值，但是其他3組電導(dǎo)率次序并未與石油烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)順序一致。有研究發(fā)現(xiàn)石油烴污染會(huì)引起電導(dǎo)率的增加，但是影響作用并不顯著（王小雨等，2009）。本研究中底泥電導(dǎo)率除受到石油烴影響外，推測(cè)石化廢水中鹽分可能為重要影響因素。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)石油烴在 1.89—7.21 g·kg?1質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化范圍內(nèi)對(duì) pH、電導(dǎo)率和比表面積無(wú)顯著影響作用，不會(huì)作為優(yōu)先關(guān)注的理化性質(zhì)指標(biāo)。

圖3 石油烴污染底泥中總氮、銨氮、硝態(tài)氮、總磷、有效磷和有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig. 3 Content of total nitrogen, ammonium nitrogen, nitrate nitrogen, total phosphorus, available phosphorus and organic matter in sediments polluted by petroleum hydrocarbon

石油烴污染底泥中總氮、銨氮、硝態(tài)氮、總磷、有效磷和有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)見(jiàn)圖3。從圖3可看出，B組內(nèi)的銨氮、硝態(tài)氮、有效磷之間變異性較大。底泥中總氮與有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)順序一致，均為D>A>B>C；銨氮順序?yàn)椋築>D>A>C；硝態(tài)氮順序?yàn)椋築=A>D>C；總磷和有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)大小順序一致：D>B>C>A。石油烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高的D組底泥中除氨氮和硝態(tài)氮之外，總氮、總磷、有效磷和有機(jī)質(zhì)明顯高于其他3組。統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)A、B、C 3組之間氮、磷及有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間均差異不顯著。說(shuō)明質(zhì)量分?jǐn)?shù)在 1.89—7.21 g·kg?1范圍的石油烴未能顯著改變此6個(gè)指標(biāo)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，然而質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)13.13 g·kg?1的石油烴可能明顯增加了總氮、總磷、有效磷和有機(jī)質(zhì)。

黃河三角洲沉積物總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.10—0.670 g·kg?1（李任偉等，2001）。黃河三角洲石油生產(chǎn)區(qū)和大汶流站的濕地土壤總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.21—0.87 g·kg?1和 0.59—0.94 g·kg?1（王傳遠(yuǎn)等，2010）。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，除最高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的D組之外，其他3組中總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍為0.50—0.73 g·kg?1，皆處于黃河三角洲背景值范圍之內(nèi)。勝利油田孤東產(chǎn)區(qū)原油中氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)（0.5%）較高（王傳遠(yuǎn)等，2010）。因此，原油污染一定程度上也會(huì)提高污染底泥或土壤中氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)，比如本研究中最高質(zhì)量分?jǐn)?shù)石油烴底泥中較高的氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)。有效磷是指可被植物吸收利用磷的總稱(chēng)，包括水溶性磷、部分吸附態(tài)磷、部分微溶性無(wú)機(jī)磷和易礦化有機(jī)磷等。石油污染底泥中總磷和有效磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)順序一致。有研究表明石油污染導(dǎo)致有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降，且隨著石油質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而逐漸降低（吉志新，2016；任芳菲，2009），然而總磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)表現(xiàn)為隨污染年限增加而減少（吳偉林等，2010）。原因在于，碳源增加后增強(qiáng)了微生物降解活性，導(dǎo)致對(duì)有效磷的消耗增加，或是石油烴反應(yīng)基與無(wú)機(jī)磷結(jié)合而限制脫磷酸作用。研究發(fā)現(xiàn)石油烴污水灌溉以及油田溢油（0.62 g·kg?1）影響下有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)與總石油烴均為顯著正相關(guān)（李慧等，2005；Marinescu et al.，2010），并且隨著污染年限而逐漸增加（吳偉林等，2010）。比如老油井中有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯大于新油井（王傳遠(yuǎn)等，2010））導(dǎo)致石油烴成為有機(jī)質(zhì)的重要組成部分（劉瑩等，2009）。黃河三角洲未污染地區(qū)C/N比值范圍為28.35—33.94，污染區(qū)中比值為33.64—57.57（王傳遠(yuǎn)等，2010），羅馬尼亞某區(qū)石油污染導(dǎo)致 C/N比值由 13.01升高至 20.54（Marinescu et al.，2010）。本研究中C/N比值范圍為 30.93—43.91，其遠(yuǎn)高于羅馬尼亞案例數(shù)值，介于黃河三角洲背景值和污染值之間。說(shuō)明底泥中碳氮比例受到石油烴的明顯影響。石油烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于13.13 g·kg?1時(shí)對(duì)底泥氮、磷及有機(jī)質(zhì)均無(wú)顯著影響。然而，高于此質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)加強(qiáng)對(duì)總氮、總磷、有效磷和有機(jī)質(zhì)的監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)。

2.3 底泥酶活性

圖4 石油烴污染底泥中不同酶活性（A）Fig. 4 Enzymatic activity (A) in sediments polluted by petroleum hydrocarbon

石油烴污染底泥中6種酶活性特征見(jiàn)圖4。酶作為生物催化劑可有效促進(jìn)有機(jī)物的轉(zhuǎn)化。由圖 4看出，底泥中淀粉酶（AMS）活性大小順序?yàn)椋篈>B>C>D；脲酶（UE）活性為：D>B>A>C；過(guò)氧化氫酶（CAT）為：D>C>B>A；脫氫酶（DHO）為：D>C>A>B；脂肪酶（Lipase）為：C>B>A>D；硝酸還原酶（NR）為：B>C>A>D。其中，僅有B組的脲酶活性顯著高于C組（P=0.047），C組的過(guò)氧化氫酶活性顯著高于A(yíng)組（P=0.049），而其他不同酶活性之間均無(wú)顯著差異。石油烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高的D組中脲酶、過(guò)氧化氫酶和脫氫酶活性最高，而淀粉酶、脂肪酶和硝酸還原酶活性為最低值。

酶活性是綜合反映微生物生物化學(xué)過(guò)程的生化指標(biāo)（常學(xué)秀等，2001；Baligar et al.，1988；Jha et al.，1992）。酶活性也會(huì)受到不同石油烴化合物的顯著影響（呂桂芬等，1997；Rossel et al.，1997；Burns et al.，2002）。厭氧條件下硝酸還原酶催化硝酸鹽還原為亞硝酸鹽，但是本研究中不同組之間硝酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)無(wú)顯著差別。淀粉酶水解淀粉生成糊精和麥芽糖，有研究發(fā)現(xiàn)石油烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于 2 g·kg?1時(shí)，潮土和褐土淀粉酶活性受石油烴的顯著影響（王梅等，2010）。本次研究中發(fā)現(xiàn)石油烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于7.21 g·kg?1時(shí)均影響不顯著。脂肪酶可以降解甘油和脂肪酸中的脂質(zhì)。有研究表明石油烴增強(qiáng)了脂肪酶活性，提高了石油烴的代謝，脂肪酶活性可作為有機(jī)污染物生物降解的有效指標(biāo)（Lin et al.，2009）。然而，本研究中各分組脂肪酶無(wú)顯著差異。脲酶可促進(jìn)有機(jī)物質(zhì)中碳氮鍵水解，促進(jìn)穩(wěn)定性較高的有機(jī)氮向有效氮轉(zhuǎn)化，可表征氮素轉(zhuǎn)化狀況（吳偉林等，2010）。B組中脲酶活性顯著高于C組，說(shuō)明其氮素的轉(zhuǎn)化能力較高且營(yíng)養(yǎng)條件充足利于微生物生長(zhǎng)。有研究發(fā)現(xiàn)低質(zhì)量分?jǐn)?shù)的廢機(jī)油（Trasar-Cepeda et al.，2000）、以及原油污染刺激和提高了脲酶活性（Dindar et al.，2015）。說(shuō)明石油烴降解過(guò)程中微生物可能以銨態(tài)氮作為主要氮源。脫氫酶、過(guò)氧化氫酶均屬于氧化還原酶系，在腐殖質(zhì)組分的合成中起重要作用（李慧等，2005）。作為細(xì)胞內(nèi)酶的脫氫酶存在于活微生物細(xì)胞中（Moeskops et al.，2010）。脫氫是微生物對(duì)石油烴降解或轉(zhuǎn)化的開(kāi)始階段，脫氫酶活性與微生物生物量密切相關(guān)（Burns et al.，2002；Lipińska et al.，2014），脫氫酶直接參與石油烴降解過(guò)程，脫氫酶活性增加提高了石油烴的降解率（Galiulin et al.，2012），直接可以反映石油烴降解微生物的降解性能（李廣賀等，2002；Galiulin et al.，2012；Lipińska et al.，2014）。過(guò)氧化氫酶活性順序與石油烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)大小一致，另外脫氫酶活性除質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低的 A組和次低 B組外，基本也是與石油烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)順序一致。石油烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高的D組具有最高的脫氫酶活性，表明其微生物對(duì)石油烴組分的降解性能較高，代謝過(guò)程中可能產(chǎn)生了較多的H2O2。也有研究發(fā)現(xiàn)油的種類(lèi)（如原油和精煉石油）不同，其中脫氫酶活性也存在明顯差異（Frankenberger et al.，1982；Lipińska et al.，2014）。脫氫酶對(duì)石油產(chǎn)品具有敏感性，對(duì)脫氫酶活性的影響嚴(yán)格取決于其類(lèi)型，如生物柴油、柴油和燃料油會(huì)刺激脫氫酶，而汽油則是抑制劑（Kaczyńska et al.，2015；Gianfreda et al.，2005）。酶高活性可能是由于微生物的生長(zhǎng)增強(qiáng)及其活性增加所致，因?yàn)椴裼涂赡苁悄承┪⑸锏牧己脿I(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。這可能是最低和次低石油烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)組的酶活性順序不一致的原因。另外，含油污水灌溉條件下脫氫酶、過(guò)氧化氫酶活性與總石油烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)的顯著正相關(guān)的結(jié)果與本研究的結(jié)果基本一致（李慧等，2005）。過(guò)氧化氫酶作用在于催化對(duì)機(jī)體有害的過(guò)氧化氫分解為水和氧氣，通常指示微生物種群的大小或活性，有研究發(fā)現(xiàn)高質(zhì)量分?jǐn)?shù)石油烴污染土壤中過(guò)氧化氫酶活性增加（Lin et al.，2009；Wu et al.，2016）。然而，也有研究發(fā)現(xiàn)隨原油質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，脫氫酶、過(guò)氧化氫酶和脲酶均受到抑制，且原油組成也隨著酶而變化（Zhang et al.，2012）。因此，脲酶和過(guò)氧化氫酶的活性監(jiān)測(cè)可用于評(píng)估石油烴污染和修復(fù)。

2.4 酶活性與石油烴、理化性質(zhì)相關(guān)性

底泥酶活性與石油烴理化性質(zhì)之間相關(guān)分析結(jié)果見(jiàn)表2?？偸蜔N與其4個(gè)組分之間均為極顯著正相關(guān)，且不同組分之間也均顯著正相關(guān)。這充分說(shuō)明此4組分為總石油烴的主要構(gòu)成類(lèi)別。pH與總石油烴、不同組分之間均為負(fù)相關(guān)，其中與瀝青和膠質(zhì)之間為極顯著負(fù)相關(guān)。EC與石油烴均無(wú)顯著相關(guān)?？偟?、總磷與石油烴及其各組分之間均顯著相關(guān)，而銨氮、硝態(tài)氮和有效磷則均無(wú)顯著相關(guān)?？偭缀陀行Я字g顯著相關(guān)。有機(jī)質(zhì)與除飽和烴之外的石油烴指標(biāo)、以及總氮和總磷均為顯著正相關(guān)，而與pH為顯著負(fù)相關(guān)。說(shuō)明石油烴對(duì)底泥的電導(dǎo)率、氨氮和硝態(tài)氮無(wú)明顯貢獻(xiàn)，對(duì)總氮的貢獻(xiàn)可能主要是有機(jī)氮。有效磷可能主要表現(xiàn)為水溶性磷形態(tài)，因此表現(xiàn)為和總磷顯著相關(guān)，而與石油烴及組分之間無(wú)顯著相關(guān)。有機(jī)質(zhì)主要來(lái)自于石油烴的含碳組分，并且總氮、總磷也部分來(lái)來(lái)源石油烴。

淀粉酶活性與石油烴及其組分之間均為負(fù)相關(guān)，其中與飽和烴為顯著負(fù)相關(guān)。過(guò)氧化氫酶與石油烴及其組分均為正相關(guān)，其中與飽和烴和芳香烴為顯著正相關(guān)。有研究發(fā)現(xiàn)過(guò)氧化氫酶活性與有機(jī)質(zhì)、全氮和殘留石油烴顯著正相關(guān)（王華金等，2013），這表明當(dāng)前質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍的石油烴作為底物提高了過(guò)氧化氫酶參與石油烴降解時(shí)的活性（李慧等，2005；劉樹(shù)慶，1996）。脂肪酶與石油烴參數(shù)均為正相關(guān)，其中芳香烴為顯著正相關(guān)。原因在于其參與烴類(lèi)降解有關(guān)，但是也有研究發(fā)現(xiàn)脂肪酶與石油殘留量的相關(guān)性不明顯（王華金等，2013）。硝酸還原酶與石油烴及其組分均為正相關(guān)，而與硝態(tài)氮為負(fù)相關(guān)，但均未達(dá)到顯著水平。原因在于硝酸還原酶在硝酸還原過(guò)程中起的作用有關(guān)。未發(fā)現(xiàn)與脫氫酶及脲酶顯著相關(guān)理化參數(shù)，這與已有油污水灌溉下脫氫酶與總石油烴（李慧等，2005），以及石油烴污染重脲酶與氮、磷、有機(jī)質(zhì)和石油烴的顯著關(guān)系明顯不同（李東坡等，2003；李慧等，2005；王華金等，2013）。

表2 底泥不同指標(biāo)相關(guān)性分析Table 2 Correlation of different parameters in sediments

3 結(jié)論

為研究石油烴污染對(duì)底泥理化性質(zhì)及酶活性的影響，以黃河三角洲地區(qū)石化廠(chǎng)區(qū)為典型研究區(qū)，采集石化廢水排放處底泥樣品，通過(guò)進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)：

此次調(diào)查底泥樣品中，總石油烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化范圍為 1.98—13.13 g·kg?1，飽和烴為主要組成部分。不同分組之間只有總石油烴和飽和烴為差異顯著，芳香烴、瀝青和膠質(zhì)差異不顯著，并且底泥中飽和烴相對(duì)容易發(fā)生降解作用。

底泥的pH、比表面積、總氮、銨氮、硝態(tài)氮、總磷、有效磷和有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)均未受到質(zhì)量分?jǐn)?shù)在 1.98—7.21 g·kg?1范圍內(nèi)的石油烴的顯著影響。石油烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于13.13 g·kg?1時(shí)，需要優(yōu)先監(jiān)測(cè)總氮、總磷、有效磷和有機(jī)質(zhì)指標(biāo)，可能會(huì)受到高于此質(zhì)量分?jǐn)?shù)石油烴的顯著影響。石油烴明顯提高了底泥中碳氮比值，數(shù)值范圍為30.93—43.91。

石油烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)在 1.98—7.21 g·kg?1范圍內(nèi)底泥中過(guò)氧化氫酶和脲酶均受到石油烴污染的顯著影響，而其他4種酶（淀粉酶、脫氫酶、脂肪酶和硝酸還原酶）未受到顯著影響。石油烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)（13.13 g·kg?1）最高的底泥中脲酶、過(guò)氧化氫酶和脫氫酶活性最高，而淀粉酶、脂肪酶和硝酸還原酶活性為最低值。石油烴污染一定程度上提高了脲酶活性，表明石油烴降解過(guò)程中微生物以銨態(tài)氮作為主要氮源。隨著石油烴增高，脲酶也可能受到抑制作用。然而，高質(zhì)量分?jǐn)?shù)石油烴污染導(dǎo)致過(guò)氧化氫酶活性提高，說(shuō)明微生物降解作用較高?；诘啄嘀须迕负瓦^(guò)氧化氫酶的測(cè)定有利于判斷石油烴的污染以微生物的降解性能。

總石油烴與其他4個(gè)石油組分以及且不同組分之間均為顯著相關(guān)，說(shuō)明測(cè)試的石油烴組分參數(shù)均具有代表性?？偟⒖偭着c石油烴及各組分之間均顯著相關(guān)，而電導(dǎo)率、銨氮、硝態(tài)氮和有效磷則均無(wú)顯著相關(guān)。有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)與除飽和烴之外的石油組分以及總氮、總磷均為顯著正相關(guān)。淀粉酶活性與石油烴及其組分之間均為負(fù)相關(guān)，其中與飽和烴為顯著負(fù)相關(guān)。過(guò)氧化氫酶與石油烴及其組分均為正相關(guān)，其中與飽和烴和芳香烴為顯著正相關(guān)。脂肪酶與芳香烴為顯著正相關(guān)，表明底泥中微生物的降解代謝活動(dòng)以飽和烴和芳香烴為主。