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生物修复技术在石油污染治理中的应用研究进展

北极星环境修复网  来源:《现代化工》2021年第12期  作者:樊鑫 刘璐  2022/1/6 13:15:05  我要投稿  

北极星环境修复网讯:生物修复技术在石油污染治理中的应用研究进展

摘要:通过研究不同类型生物修复技术的修复原理和应用特点,对比在土壤石油污染和海洋石油污染环境中的修复效果,旨在更好地了解生物修复技术,并对今后的研究重点进行展望。

1 石油污染

石油工业的快速发展,一方面大力推动了世界经济的进步,而另一方面,石油污染也成为世界关注的环境问题。全球每年约有800万t的石油污染物通过不同形式进入生态环境,我国每年有约60万t石油污染物,这些污染物给海洋、土壤、河流和地下水等生态环境造成巨大污染。现今石油污染主要体现在2方面:一是土壤的石油污染,二是海洋的石油污染。

1.1 土壤石油污染

土壤石油污染多出现在油田附近土壤中,油田各处产生的落地原油、油砂、岩屑、泥浆等固体废弃物等会危害土壤安全。石油进入土壤后会改变土壤的理化特性,如堵塞土壤的孔隙结构,使土壤的透水性降低。石油中大量的反应基与土壤中的无机氮、无机磷结合,限制硝化作用和脱磷酸作用,从而减少土壤中有效氮、磷含量,导致土壤有机质的碳氮比(C/N)和碳磷比(C/P)的变化,导致土壤微生物的生存环境的恶化,降低土壤活性;另外,石油中卤代烃、苯系物和多环芳烃等致畸、致癌、致突变的物质进入土壤后,能够富集在植物和动物体内,在食用了这些受石油污染的生物后,人类和动物的健康会受到威胁。根据《全国土壤污染状况调查公报》统计,我国土壤中多环芳烃点位超标率超过1.4%。在胜利、大庆油田百米范围内的土壤石油烃总量大多超过临界值(500 mg/kg),而在辽河油田重度污染区内,这一数值更是达到10 000 mg/kg,石油污染已经成为我国最严重的土壤问题之一。

1.2 海洋石油污染

海洋石油污染的主要来源为海底溢油、海上井喷事故和运输事故造成的溢油,后者属于人类活动引起的突发性溢油,对环境影响最为严重。据统计,每年海上油井井喷事故和运输事故造成的溢油高达2.2×107 t。溢油污染的危害主要体现在2方面,首先是溢油会迅速扩散形成油膜,影响海气交换和植物的光合作用,导致水体严重缺氧,威胁海洋生物生存,同时,油污附着在海洋生物上,对生物呼吸、捕食、繁殖等行为产生影响;二是石油中多环芳烃等有毒物质会导致海洋生物中毒和死亡,研究显示,当海水中石油浓度在0.1~1.0 mg/m3时,鱼类早期发育和鱼卵生长均会受到影响,而人类在食用了富集有毒物质的海洋生物后,健康也会受到威胁。我国海上溢油事故频发,1973—2006年间,我国共发生海上船舶溢油事故2 635起,其中50t以上的重大船舶溢油事故69起,总溢油量超过3.7万t。全国海洋环境监测显示,我国近海有5.6万km2海域的含油量超过Ⅰ、Ⅱ类海水水质标准,污染形势日益严重。随着社会的发展,人类对石油及其制品需求不断增长,在石油的开采、运输、装卸以及利用过程中溢油事故频繁发生,为降低石油污染对生态环境的破坏,除了加强对石油开采和运输的管理外,对石油污染的治理以及污染受损地区和海域生态功能修复的研究越发受到关注。根据处理方法的不同,石油污染治理分为物理修复、化学修复和生物修复,其中,生物修复是通过生物代谢降低石油污染,代谢产物为水、二氧化碳等稳定、无害的物质,因此,相比于其他2种方法,虽然生物修复研究历史较短,但是却拥有广阔的应用前景。

2 生物修复技术

生物修复是指利用生物,特别是微生物催化降解环境污染物,减小或最终消除环境污染的受控或自发过程,是在微生物降解基础上发展起来的新兴的环保技术。相比于传统的化学修复和物理修复,生物修复具有投资小、操作简单、不易产生二次污染等优点。20世纪80年代末,生物修复技术首次成功应用于Exxon Vadez油轮石油泄露事故中,短期内清除了溢油污染,取得了明显成效。生物修复技术按照修复主体的不同可分为微生物修复、植物修复和动物修复。微生物修复在海洋石油污染和土壤石油污染中均有广泛应用,是研究最多的生物修复技术,目前已发现共200多种,归属100余属的微生物能够有效降解石油,包含了细菌、真菌、霉菌和藻类等微生物类群。植物修复和动物修复主要应用于土壤石油污染中,利用植物和动物对石油的吸收、分解、吸附或其他作用来去除石油。尽管生物修复技术主体不同,实施场地也有所差异,但是微生物在石油生物修复过程中不可或缺。此外,生物修复必须遵循3个原则:

①使用适合的修复生物,即指具有生理和代谢能力并能降解石油污染物的生物。许多情况下,生物地点就有降解生物,特别是微生物存在,若不足,则可选择加入外源生物;

②在适合的地点,是指要有污染物和适合的生物相接触的地点;

③有适合的环境条件,相比于化学修复和物理修复,生物修复更易受外界环境影响,如石油污染浓度,当石油浓度过高时生物无法存活,需要经过预处理后方可进行生物修复;外界理化因子,如温度、盐度和pH等也会影响生物生长、繁殖,因此需要通过控制或改变环境条件,使生物的代谢和生长活动处于最佳状态。

2.1 微生物修复

在长期受石油污染的环境中,如海底溢油区域和油田附近土壤中,会形成一些专以石油为碳源的微生物群,这些微生物能够分解代谢石油,且数量是未受污染地区的若干倍,通过驯化或诱导后,这些自然的微生物群可以用来治理石油污染,微生物修复技术由此发展而来。研究证明,微生物通过生物氧化过程分解石油,但是由于微生物种类的多样性以及石油化合物化学结构的复杂性,生化降解的途径非常复杂,不同的微生物对各石油组分的利用方式和降解产物也不相同,主要包括3种途径:

①将石油烃分解为CO2和H2O;

②将石油烃转化为微生物的蛋白质、核酸氨基酸和多糖等生命物质;

③将石油烃转化为醇、苯酚、醛、脂肪酸等物质。一般来说,微生物对饱和烃,特别是饱和烃中的直链烷烃的降解能力最强;其次为二环和三环的芳香烃,而环数为5个及以上的芳香烃难以被微生物降解;胶质和沥青最难被微生物降解。石油污染区域中,降油微生物的种类和数量会有明显的上升,跟石油污染的程度呈正相关,表明石油污染能够促进降油微生物的增殖。但是,在自然条件下,石油的微生物降解速度较慢,因此需要用一些强化措施来加速这一进程。常用的强化措施包括生物强化和生物刺激。

2.1.1 生物强化

生物强化指在石油污染区域投加外来的降油微生物,此类微生物通常是经过筛选而来,具有高效的石油去除能力。大量研究表明,添加外源降油微生物能够提高石油的降解速率,如Li等从渤海湾中分离出5株高效石油降解菌TCOB1~TCOB5,并将TCOB4和TCOB5联合应用于石油污染浓度为2%(w/v)的盐水修复中去,1周后水体的石油降解率达到51.87%,比空白组土著微生物高出数倍。Hassanshahian等从波斯湾受石油污染的水体和底质中分离出18种降油细菌,15 d试验结果显示,其中3株对于萘的降解率超过80%,远高于空白组的6.72%。慕庆峰等从大庆油田油污地中筛选获得了16株石油烃降解优势菌,并用其中2株DPF2和DPF4进行联合试验,结果显示,60 d对石油污染强度为10和20土壤的降解率分别达到94.12%和90.17%。但是,也有研究结果表明,添加外源细菌对石油降解效率并没有明显提升,甚至比原先效果更差,如何云馨的研究结果显示,添加外源降油细菌后,受污土壤中饱和烃和芳香烃的去除效果分别比空白组降低了4.60%和26.19%;造成这一现象的原因可能有2个,一是外源细菌与土著微生物存在竞争关系,相互抑制生长,降低了微生物活性;二是相比于实验室条件,现场修复受外界环境,如温度、盐度、风、浪、捕食等影响较大,这些可能对外源细菌生长、繁殖产生影响。因此,在现实微生物修复处理中,要因地制宜,选择合适的外源细菌进行修复。

2.1.2 生物刺激

生物刺激是指向石油污染区域添加营养盐或表面活性剂等来促进微生物降解石油。在石油污染区域中,石油烃往往是微生物唯一的碳源,易导致微生物生长缓慢,通过外加碳源能够促进微生物生长,提高石油降解效率。如兰贵红等以玉米淀粉作为微生物外来碳源,修复质量比为2.3%的土壤石油污染,40 d的石油降解率达到67.25%,效果显著。另外,石油污染会造成区域碳含量急剧增加,从而使氮、磷等营养元素成为微生物生长的限制因子,特别是在海洋环境中,氮、磷浓度原本就较低,添加限制级营养元素能明显提高微生物数量,促进石油降解。杨茜等研究证明,添加氮磷营养盐的处理组8周的石油烃降解率能到达59.7%,远高于其他组;Zhao等的研究也表明,在3%的石油污染底质修复过程中,添加氮磷营养盐后,微生物活性和石油去除效率均有明显提升;虽然添加营养元素能够有效提升微生物的石油降解效率,但是还需要评估对生态环境的影响,如在土壤中加入过多肥料会影响植物和农作物生长,还会污染地下水;而在海洋等水域环境中,添加过量的氮、磷营养元素,会导致水体富营养化,诱发赤潮,形成二次污染。表面活性剂能够分散石油烃组分,使得微生物和石油充分接触,从而提高石油降解效率,常见的表面活性剂有非离子表面活性剂、生物表面活性剂和化学表面活性剂等。越来越多的研究发现,添加表面活性剂能够促进微生物生长、繁殖,提高石油降解效率。Moldes等从戊糖乳杆菌(Lactobacillus pentosus)中提取生物表面活性剂,并应用于辛烷值浓度为700、7 000 mg/kg的污染土壤中,30 d的去除效率均达到76%,分别是空白组的63.3、3.2倍。生物表面活性剂来源于生物,因此应用过程中不会产生二次污染,是一种既高效又安全的生物刺激方法,应用前景广阔,缺点是价格相对较高。值得注意的是,在使用表面活性剂时,需要测试对微生物的影响,有研究证实表面活性剂对微生物有一定的毒性,会抑制细菌的生长。生物强化和生物刺激对石油降解效率的提高,不同研究的结论不尽相同,张秀霞等研究证明,生物强化,即外接微生物的接种量是影响土壤石油降解的最重要因素,氮、磷营养元素影响较大,表面活性剂次之;也有研究显示,加入表明活性剂和氮、磷营养物质的处理效果要比投加外源细菌好。这可能是因为,由于环境修复的不同,各处理的效果受影响的程度存在差异。而在现实微生物修复过程中,生物强化和生物刺激往往是同时进行的,二者结合石油去除效果更好。

2.2 植物修复

植物修复技术兴起于20世纪50年代,主要应用于土壤污染的修复中,具有成本低、环境影响小、能使地表长期稳定等特点,同时能改善土壤理化性质,消除污染土壤周围的大气和水体中的污染物,有利于改善生态环境。植物的修复能力取决于所选择植物的生物量、遗传特性、根系发育状况和年龄等因素,根系发达的植物能更有效地吸附和降解有机物质。理想的修复植物应当具有污染耐受性强、生长快、生物量大等特点。植物对石油的去除可分为3种途径:①植物直接吸收、分解和利用石油化合物,通过木质化、矿化等作用将其转化为自身组分或是CO2、H2O。②根际修复机制,一方面植物释放有机酸、乙醇和蛋白质等根系分泌物,促进根区微生物生长、繁殖;另一方面微生物也有助于植物生长,从而提高石油去除效率,该途径是植物修复中石油降解的主要方式。③植物的矿化作用,即通过改变土壤的物理、化学性质,促进石油降解。因此,植物修复本质上是一种土壤-植物-微生物共同作用的复合修复系统。大量的植物能够参与到石油污染的修复中去,如黑麦草、紫花苜蓿、牵牛花、高羊茅、翅碱蓬、凤仙花、芦苇和大豆等均能有效提高石油去除率。Cai等发现凤仙花对10 000 mg/kg以下石油烃浓度土壤有很好的耐受性,种植后根际细菌和真菌迅速增殖,对5 000、10 000 mg/kg石油烃污染土壤的平均去除率分别达到65.03%、55.50%,是自然条件下的2倍。Zhang等利用牵牛花修复质量分数0.5%污染的石油土壤,127 d的石油去除率为67.42%,比空白组高31.81%,且饱和烃去除率达到了82.52%,修复效果明显。相比于单独的植物修复,建立植物-微生物的联合修复体系能够更加有效去除石油污染,植物的代谢分泌物质能够促进根际微生物的生长,而微生物的存在可以提高植物对外界污染的抵抗力。刘永军等建立黑麦草-不动杆菌联合体系修复土壤石油污染,效果显著,体系中60 d的微生物脱氢酶活性达到637.73 μg/(g·d),是单独加黑麦草处理组的3.52倍,150 d的石油去除率达到53.08%,是单独加黑麦草处理组的1.23倍;张丽等通过中试研究,发现碱蓬-降解菌的联合修复体系能够更加有效促进石油烃降解菌的繁殖和生长,修复期间细菌平均值达到7.2×105个/g,2个月的石油烃降解率达到47.3%,高于单独加碱蓬处理组的36.1%。不同的植物对石油污染的去除效果存在差异,这与植物的总生物量、生长速率和根系发育情况有关。研究发现,相同环境条件下,牵牛花的石油烃降解效率要高于紫茉莉,这一方面是因为牵牛花的生物量较大,另一方面是牵牛花根基分泌物更能刺激微生物生长。丁正等比较了狗牙根、黑麦草、高羊茅的石油修复效果,发现石油去除效率与植物的茎鲜重和总鲜重呈正相关关系,生物量较大的高羊茅和黑麦草的石油降解率明显高于生物量较小的狗牙根;董亚明等研究也证实了芦苇、沙枣和柽柳的石油去除效率高低依次为芦苇>沙枣>柽柳。另外,在植物修复的不同阶段,石油的降解速率也有所不同,一般认为修复前期降解速率较快,越到后期降解速率越慢,这可能是因为后期残留的都是难以降解的成分,导致微生物数量和活性降低。

2.3 动物修复

研究发现,某些动物可提高土壤通气效果,促进需氧微生物的繁殖,也可促进石油烃与微生物的充分接触,同时自身还能够富集和代谢石油类污染物,从而可以应用于石油污染修复之中。相比于微生物和植物修复方法,能够应用于石油污染修复的动物种类相对较少,现在研究较多的是利用蚯蚓、沙蚕和线虫等修复土壤石油类污染。Ramadass等将体重为0.31~0.39 g,生长状况良好的蚯蚓应用于南澳大利亚受机油污染土壤中,发现一定浓度的石油烃组分能够在蚯蚓体内富集,并刺激蚯蚓的生长,同时对10 g/kg的机油污染土壤石油烃去除效果最好,28 d降解率超过60%,比空白组高3倍。Tian等发现,双齿围沙蚕可以通过生物扰动作用,增强沉积物再悬浮过程,将沉积物中石油烃组分带到水体中降解,从而降低石油烃含量。蔡富才等研究也表明,双齿围沙蚕在短期内能够对芘有明显的富集作用。

2.4 微生物-植物-动物联合修复

越来越多的研究表明,相比于单一的修复生物,建立微生物-植物-动物的联合生物修复体系能够更加有效地降解石油,动物的生物扰动可以增加土壤中的氧气和孔隙率,为植物和微生物提供更加适合的生长条件,同时植物的根际作用也能刺激微生物生长,提高石油降解效率。He等建立了恶臭假单胞菌+翅碱蓬+沙蚕的联合生物修复体系降解土壤石油,结果表明,相比于翅碱蓬、翅碱蓬+微生物等处理方法,翅碱蓬+微生物+沙蚕处理组对石油烃和多环芳烃的去除率有显著提高。此外,沙蚕还能够改善土壤的pH,增强土壤酶活性。

2.5 生物电化学修复

生物电化学修复是一种新型的生态修复技术,融合了生物学、电化学和化学等多门学科,原理是利用微生物催化氧化有机污染物。相比于传统的生物修复技术,生物电化学修复将生物修复和能源再生结合,不但能够有效去除石油污染,而且在修复污染的同时可以产生可观的生物能。研究表明,利用微生物燃料电池(MFCs)等技术能够有效去除环境石油污染:郭璇等利用MFCs处理油田含油废水,结果表明,水体石油含量去除率达到(81.8±3.0)%,同时能够有效利用石油废水中的碳源产电。Adelaja等研究发现MFCs的石油污染去除效果受盐度和温度的影响,60 d的试验结果显示,当盐度为1%,石油烃降解率达到91.6%,温度为40℃时,石油烃降解率达到97.1%。Li等利用生物电化学技术修复土壤石油污染,发现加入沙子能够增加土壤空隙率,从而有效提高土壤中氧气和质子转移,135 d的试验表明,相比于对照组,添加沙子后石油烃降解率提高了268%。

3 问题与展望

生物修复技术以成本低、见效快和不易二次污染等优势被越来越多地应用于石油污染的修复中。目前,国内外的研究主要集中于微生物修复技术,对植物修复、动物修复特别是联合修复体系还需要进一步进行研究。另外,微生物修复虽然优势明显,但是也有一定的局限性,一般来说,生物修复技术在低浓度石油污染环境中修复效果较好,高浓度石油则不利于修复生物的生长、繁殖,此时就需要先用物理修复或化学修复进行预处理,降低石油浓度后进行生物修复,一方面可以提高生物修复效率,另一方面也可以回收石油,适当挽回经济损失。此外,不同的修复生物对诸如温度、盐度和pH等环境因素的要求也不尽相同,在进行生物修复时,需要因地制宜,选择合适的生物进行修复,这样才能取得更好的修复效果。


原标题:生物修复技术在石油污染治理中的应用研究进展

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