關(guān)于生物修復(fù)技術(shù)在治理石油污染應(yīng)用的探討

劉超

國家石油天然氣管網(wǎng)集團(tuán)華北公司，中國·天津 300384

1 引言

在中國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的背景下，能源的需求量越來越大。據(jù)世界能源機(jī)構(gòu)（IEA）的數(shù)據(jù)顯示，2020年中國的石油消費(fèi)量達(dá)到4.5 億噸。與此同時(shí)，中國的油田也在逐步開發(fā)更多的石油，煉化企業(yè)、管道運(yùn)輸企業(yè)及銷售終端在產(chǎn)銷運(yùn)環(huán)節(jié)中，均有石油污染的風(fēng)險(xiǎn)。這些石油不僅會(huì)污染土壤，同時(shí)還會(huì)污染到地下水、河流、湖泊和海洋等，對(duì)環(huán)境造成巨大的影響。其中，濕地土壤是人類和其他生物活動(dòng)的重要介質(zhì)，同時(shí)也是各種污染物重要的源和匯。石油類污染物會(huì)改變濕地土壤的物理化學(xué)性質(zhì)，對(duì)土壤結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生影響，尤其是其中的多環(huán)芳烴類物質(zhì)，會(huì)影響其肝、腎等器官的正常功能，甚至導(dǎo)致癌變?；诖?，對(duì)于濕地土壤中石油類污染物的降解，減輕石油污染土壤問題迫在眉睫，成為中國和國際環(huán)境保護(hù)工作的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

2 濕地石油污染現(xiàn)狀及其危害

濕地對(duì)大氣有很大的影響，濕地物種多樣，物產(chǎn)較一般生態(tài)系統(tǒng)更豐富。濕地區(qū)別于其他生態(tài)系統(tǒng)，有著獨(dú)特的特征，其土壤鹽堿化十分嚴(yán)重，但土壤營養(yǎng)水平較高，淺層土壤中的有機(jī)物含量在50g/kg 以上。隨著土壤深度的增加，土壤的有機(jī)物含量也逐漸減少。淺層土壤的pH 值平均為中性，土壤表面黏粒含量較高，通透性較弱，但保水性較強(qiáng)。隨著深度的增加，土壤的黏粒含量在減少。石油會(huì)堵塞土壤的空隙，導(dǎo)致土壤通透性和含水量降低。細(xì)菌降解石油會(huì)產(chǎn)生有毒金屬元素，破壞其本身的平衡，隨著食物鏈危害到動(dòng)物和人類的生命健康。微生物種類也有很大變化，正常土壤中，石油降解菌類的微生物所占比例微乎其微，但在石油污染的土壤中達(dá)到近乎100%，這造成了植物根系易因長期處于水分含量較高的情況而死亡或腐爛，一旦石油附著植物根系，就會(huì)造成植物因缺水缺氧吸收不到營養(yǎng)而死亡。

隨著中國對(duì)環(huán)境的重視及“土十條”的發(fā)布，中國對(duì)土壤污染的治理問題非常重視，同時(shí)不斷落實(shí)土壤污染治理相關(guān)工作。對(duì)于國際土壤污染的治理方法主要有三種：物理方法、化學(xué)方法和生物方法（生物修復(fù)）。物理方法和化學(xué)方法這兩種方法都能產(chǎn)生一些實(shí)際效果，但也存在著許多明顯的缺陷，如負(fù)處理、高成本和嚴(yán)重的二次污染?，F(xiàn)在一般僅作為生物修復(fù)方法的輔助手段。土壤生物修復(fù)技術(shù)的原理是利用某些特有的生物將土壤中的油類產(chǎn)品分解或轉(zhuǎn)化為對(duì)環(huán)境無污染的簡單化合物（一般為水和二氧化碳）的過程。生物修復(fù)技術(shù)具有處理效果好、費(fèi)用低、環(huán)境友好、無二次污染及應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，是迄今為止治理石油污染的主流方法。

3 石油污染濕地土壤的生物修復(fù)

生物修復(fù)技術(shù)的主要原理是利用生物的新陳代謝活動(dòng)將石油等有害物質(zhì)轉(zhuǎn)化為二氧化碳、有機(jī)物和水，對(duì)土壤沒有破壞力，不會(huì)造成二次污染。生物修復(fù)技術(shù)可分為微生物修復(fù)、植物修復(fù)及二者相結(jié)合。通過生物對(duì)有機(jī)污染物及氮、磷營養(yǎng)物質(zhì)的同化作用將低濃度污染物進(jìn)行富集轉(zhuǎn)化，達(dá)到治理污染的目的。常見技術(shù)包括固定化細(xì)菌技術(shù)、河道內(nèi)曝氣結(jié)合高效微生物處理修復(fù)技術(shù)、生態(tài)浮床技術(shù)、卵石床生物膜技術(shù)、穩(wěn)定塘技術(shù)、生物過濾技術(shù)、土地處理技術(shù)、人工濕地技術(shù)等。

3.1 微生物修復(fù)技術(shù)

微生物技術(shù)是應(yīng)用范圍最廣、綠色環(huán)保高效、可徹底修復(fù)石油污染的技術(shù)。隨著研究的不斷深入，已由最初的細(xì)菌修復(fù)拓展到真菌修復(fù)，適用于石油質(zhì)量濃度在3000 ～7000mg/kg 的污染土壤的修復(fù)。

3.1.1 微生物治理石油污染

石油污染治理一般采用提取土著微生物，以降解能力、耐鹽堿為標(biāo)準(zhǔn)，挑選出高效耐鹽堿的石油降解菌，如微球菌屬、醋酸細(xì)菌屬、黑曲霉和?，F(xiàn)青霉等。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，真菌的石油降解率在20%以上，細(xì)菌為15%以上。由于石油成分極其復(fù)雜，一種降解菌很難達(dá)到理想的降解效果，一般添加外源微生物來促進(jìn)修復(fù)石油污染土壤的過程，尋找一些對(duì)環(huán)境無害的外源菌株。利用兩株烷烴降解菌和芳香烴降解菌構(gòu)成復(fù)合菌系，其石油的降解率達(dá)到了51.2%。除上述方法以外，還有研究者利用產(chǎn)表面活性菌株、真菌和細(xì)菌協(xié)同作用，可對(duì)石油降解菌降解石油起到輔助作用。

3.1.2 影響微生物修復(fù)效果的土壤因素類型

土壤一般可分為砂土、壤土和黏土，其中黏土的吸附力最高。土壤中的黏土含量越多，說明土壤的吸附力越強(qiáng)，微生物治理難度越大。由于很多修復(fù)土壤的微生物菌株都為需氧型微生物，一旦缺少氧氣可能會(huì)導(dǎo)致微生物新陳代謝減弱甚至死亡，進(jìn)而影響降解石油的效果。土壤含水量對(duì)微生物修復(fù)效果有一定影響，但是在濕地中影響不大，低溫有利于延長微生物菌種的保存時(shí)間，但它降低了微生物的降解活動(dòng)，使得小鏈烷烴變得更加黏稠不易降解。高溫則使長鏈烴類可以從微生物中浮現(xiàn)出來，但影響了微生物的酶活性。石油降解菌一般都適合在中性土壤中存活，但被石油污染的濕地土壤多數(shù)為鹽堿地。

3.2 植物修復(fù)技術(shù)

植物修復(fù)濕地中的石油污染一般是靠萃取、固定或者通過根部吸收過濾等手段來清除石油烴類、重金屬物質(zhì)和其他有害物質(zhì)。濕地中含水量較高，所以必須選擇耐澇的植物。修復(fù)后的植物一般都含有有害物質(zhì)且不能被利用，所以農(nóng)產(chǎn)品植物或經(jīng)濟(jì)作物不可取。通過栽種適于濕地生長的植物，利用其根基的吸附作用與植物—微生物聯(lián)合修復(fù)作用，進(jìn)一步降低石油烴含量，最終達(dá)到土壤可以利用的目的。一般采用濕地的生長植物，如蘆葦在中國大慶濕地中基本到處可見。生長蘆葦?shù)臐竦貙?duì)不同含量的石油都具有明顯的修復(fù)作用，含有石油的蘆葦還可以用于復(fù)耕或者造紙，避免隨著食物鏈傳播。目前發(fā)現(xiàn)的對(duì)石油降解能力比較好的有楊樹和紫花苜蓿等植物，經(jīng)中國某實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，針對(duì)不同土壤選出降解率最高的植物，在濕地中蘆葦?shù)慕到饴矢哌_(dá)78.5%。

3.3 生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)

聯(lián)合修復(fù)手段主要是微生物－植物修復(fù)技術(shù)。微生物可以附著在植物根部給植物提供碳和水等營養(yǎng)物。在進(jìn)行聯(lián)合修復(fù)時(shí)，植物和微生物對(duì)修復(fù)效果有著顯著的影響，但目前在中國濕地治理方面的研究相對(duì)較少。

4 實(shí)驗(yàn)基本步驟

4.1 實(shí)驗(yàn)材料

①供試土壤：取自中國某油田周圍區(qū)塊的土壤。

②菌種來源：從環(huán)境中篩選出高效的菌劑再通過富集、馴化、篩選、分離得到實(shí)驗(yàn)所需要的細(xì)菌，在實(shí)驗(yàn)中選取4份菌種，分別命名為X1、X2、Y1 與Y2。

4.2 實(shí)驗(yàn)方法

①含油率的測(cè)定：重量法。

②油污降解率的測(cè)定：菌劑對(duì)不同土樣含油率的測(cè)定取兩份不同的土樣分別命名為Z 與T，其中Z 土樣的含鹽率為0.27%，含水率為7.43%，土壤含油率為5.6%；T 土樣含鹽率為0.23%，含水率2.93%，土壤含油率為3.9%，分別對(duì)兩份土樣進(jìn)行4 種不同菌劑的培養(yǎng)，測(cè)定其含油率，檢測(cè)菌劑對(duì)不同土壤修復(fù)的能力。

4.3 結(jié)果與分析

不同菌種對(duì)土壤油污降解結(jié)果如下：

對(duì)于加入菌種的土壤的除油率顯著提高，經(jīng)過120d 處理后，對(duì)照的降解率僅為54.25%，而X1 菌劑的除油率為84.57%；X2 菌劑的除油率為90.9%，Y1 號(hào)菌劑的除油率為90.45%；Y2 號(hào)菌劑的除油率為88.05%。四種菌劑的降解率均能達(dá)到80%以上，都高于對(duì)照參數(shù)；其中X2 降解率最高為90.9%，與對(duì)照比，X2 降解率提高了67.6%，X2 處理的降解效果顯著，說明添加微生物減輕了石油污染，保護(hù)了土壤環(huán)境。

4.4 菌種對(duì)不同含油量土樣的降解結(jié)果

①經(jīng)過培養(yǎng)處理，Z 土樣的含油率均有所降低，對(duì)照的含油率為3.96%，一號(hào)菌劑的含油率為3.52%，二號(hào)菌劑的含油率降低到2.49%，三號(hào)菌劑的含油率為2.71%，四號(hào)菌劑的含油率為3.32%。與對(duì)照比，二號(hào)菌劑的含油率降低最多，說明二號(hào)菌劑對(duì)該土壤的修復(fù)效果尤為顯著。

②經(jīng)過培養(yǎng)處理，T 土樣的含油率均有所降低，對(duì)照的含油率為3.77%，一號(hào)菌劑的含油率為2.76%，二號(hào)菌劑的含油率降低到3.02%。三號(hào)菌劑的含油率為3.56%，四號(hào)菌劑的含油率為3.31%。與對(duì)照比，一號(hào)菌劑的含油率降低最多，說明一號(hào)菌劑對(duì)該土壤的修復(fù)效果尤為顯著。綜上所述，不同成分的土壤需要不同的菌種來處理，這也就是影響菌種處理含油土壤的因素，但其實(shí)影響微生物降解的因素有很多，要結(jié)合這些因素，選出最好的條件對(duì)受石油污染的土壤進(jìn)行修復(fù)。

5 展望

生物修復(fù)具有費(fèi)用低、處理效果好、對(duì)環(huán)境影響低、無二次污染、不破壞植物生長所需要的土壤環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，其在污染土壤修復(fù)方面具有廣闊的應(yīng)用空間。因此，許多研究者已經(jīng)對(duì)各種影響微生物修復(fù)效果的因素進(jìn)行了較全面地探討和分析，提出了各種提高微生物降解效率的有效措施，各項(xiàng)研究和措施對(duì)生物修復(fù)技術(shù)具有很高的理論指導(dǎo)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。實(shí)際上，石油污染土壤的生物修復(fù)是一個(gè)很復(fù)雜且周期較長的過程，目前對(duì)于其中許多的降解機(jī)理和過程還未完全明確。由于環(huán)境介質(zhì)的復(fù)雜性和相關(guān)性，該領(lǐng)域的研究還需要進(jìn)一步的拓展和深入，所以在石油污染土壤的修復(fù)技術(shù)的選用過程中，需要考慮技術(shù)成本和時(shí)間成本，綜合各方面的因素選出適合污染地域的修復(fù)技術(shù)，以達(dá)到人與自然環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

基于以濕地為代表的特殊地理環(huán)境，微生物修復(fù)技術(shù)是較為有效的，同時(shí)可以緩慢地修復(fù)整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)，應(yīng)通過基因工程等技術(shù)使微生物和植物修復(fù)技術(shù)更加適應(yīng)石油污染土壤的修復(fù)，縮短降解時(shí)間，從而更加高效地降解石油，達(dá)到修復(fù)環(huán)境，提高環(huán)境保護(hù)的目的。