土壤和地下水石油污染的生物治理

1、第21卷第2期重慶環(huán)境科學(xué)1999年4月土壤和地下水石油污染的生物治理李文利王忠彥胡永松(四川大學(xué)生物工程系, 成都610064摘要概述了石油生物降解速率的主要影響因素:烴類的組成與狀態(tài)、烴類降解微生物、溫度與pH 值、O 2和營養(yǎng)。介紹了土壤和地下水石油污染的兩種生物治理方法:菌種法和營養(yǎng)物法, 認為該法具有安全、經(jīng)濟、高效、無二次污染、不需大型設(shè)備、操作簡單等優(yōu)點, 但也具有一定的局限性。關(guān)鍵詞土壤地下水石油污染生物治理當今世界石油工業(yè)飛速發(fā)展, 在石油勘探與開采, 儲運與煉制過程中, 由于操作不當或事故泄漏等原因, 常會有石油外溢或排放, 造成嚴重的環(huán)境污染1。目前這已成為世界各國普遍關(guān)

2、注的問題, 進行廣泛研究, 取得了一定進展2, 生物技術(shù)治理污染具有安全、經(jīng)濟、高效、無二次污染、不需大型設(shè)備, 操作簡單等優(yōu)點。尤其是對于機械裝置無法清除的較薄油膜和限制使用化學(xué)藥品時, 更顯示出其優(yōu)越性3-5。J . . , (C 122C 在石油烴類的生物降解過程中, 微生物生活于水相中而作用于油水界面, 所以烴類的可溶性直接影響其生物降解速率16。當濃度非常低時, 烴類是可溶的, 但是大多數(shù)溢出的原油遠遠超過其可溶限度。另外, 擴散的程序也部分決定了烴類降解微生物菌群可用的石油表面積。1. 2烴類降解微生物。1石油生物降解速率的影響因素環(huán)境中石油烴類的生物降解速率取決于烴類的組成與狀態(tài)

3、、降解烴類的微生物菌群以及各種影響微生物生長的因素6-7。1. 1烴類的組成與狀態(tài)石油烴類的化學(xué)組分有四類:飽和烴, 芳香烴, 氮硫氧(N SO 化合物及瀝青質(zhì), 各類烴類生物降解的難易不同。許多研究已證明, 微生物能夠降解石油中的飽和烴和輕質(zhì)芳香烴組分, 而其中的高分子重質(zhì)芳香烴, 樹脂和瀝青質(zhì)則難以降解6。一般認為直鏈烷烴最易降解8, 由于“空間效應(yīng)”支鏈烷烴(加姥鮫烷和植烷 比直鏈烷烴難以降解9, 但也有人認為輕芳香烴比直鏈烷烴更易降解10。多環(huán)芳烴比單環(huán)或雙環(huán)芳烴以及非取代烴類難降解。有趣的是, 降解多環(huán)芳烴的酶是由低分子芳烴(如萘 而并非由底物本身誘導(dǎo)產(chǎn)生的11, 這一發(fā)現(xiàn)可能解釋為

4、何這些化合物難以被微生物降12解。M . A . H eitkam p 等分離出了降解四環(huán)芳烴的分枝桿菌。K . V enkates w aran 等13分離出一株以樹脂作為唯一碳源的假單胞菌。J . B ertrand 等14發(fā)現(xiàn)曾經(jīng)被收稿日期:19980922最先與烴類的接觸的微生物菌群對于決定烴類降解的速率非常重要6。它們能夠適應(yīng)環(huán)境, 然后進行選擇性富集并發(fā)和遺傳改變, 從而導(dǎo)致烴類降解細菌所占比例及編碼降解烴類基因的質(zhì)粒數(shù)量增加。在未受石油污染的環(huán)境中, 微生物菌群通常含有不到1%的烴類降解微生物, 而在石油污染的環(huán)境中, 烴類降解微生物所占比例則為110%。1. 3溫度與pH 值溫

5、度通過影響石油的物理性質(zhì)和化學(xué)組成來影響其生物降解速率和微生物的烴類代謝速率716。在低溫下, 石油粘度增加, 短鏈有毒烷烴的揮發(fā)作用減弱而水溶性增加, 于是便延遲了生物降解作用的起始。烴類生物降解速率通常隨溫度的降低而減弱, 這主要是由于酶活力的降低即Q 10效應(yīng)。在高溫下, 由于酶活力增加, 降解速率加快。烴類生物降解的最佳溫度為3040, 高于此限烴類毒性將增加, 從而抑制降解。研究表明, 當pH 為7. 07. 8時烴類的生物降解速率最快, 可以通過添加酸堿或酸堿緩沖液的方法將7. 8范圍內(nèi)17。pH 控制在7. 01. 4O 2烴類生物降解過程實質(zhì)上是烴類的氧化過程。理論上降解時的需

6、氧量約為烴類重量的3. 5倍(即氧化每克烴類約需3. 5g 的溶解氧 。土壤中O 2的可獲得性, 沉積物和蓄水層經(jīng)常限制并依賴于土壤的種類以及漬水與否18。無氧條件下, 石油烴類的微生物降解也發(fā)生, 但是, 速率很低, 生態(tài)意義不大19。20R . J . O n w edd 等認為土壤深度的增加可能會阻礙土壤中氣體與水發(fā)的擴散, 進而降低土壤中的氧分壓而影響石油的降解。土壤濕度也是一項影響石油烴類降解速率的重要因素, 土壤干燥或濕度太大都會抑制降解速率, 因為濕度太大, 水分便填充了土壤的空隙, 從而降低了降解時所需O 2的量21。另外, 通過耕作一方面能夠使烴類均勻分布于土壤中, 另一方面

7、可以使土壤通氣, 從而促進石油污染物的生物降解21。1. 5營養(yǎng)一種烴類降解菌可降解一種或少數(shù)幾種石油烴類。將不同烴類降解菌混合培養(yǎng)形成混合菌群, 便可降解多種烴類。B . L al 25研究發(fā)現(xiàn)將A cinetobacter cal 2coaceticu s S 30和A . O do ran s P 20混合培養(yǎng)可以顯著提高單獨培養(yǎng)時的石油降解速率。B altic General26Ivestm en t 公司的一項專利為利用混合菌群(A zo 2tobacter vinelandii 21、P seudom onas sp . 9、P seu 2dom onas sp . 19、P se

8、udom onas sp . 31和A cinetobacter calcoaceticu s 23 來促進石油烴類的生物降解。引入高效除油菌可迅速提高微生物的數(shù)量, 進而可能提高石油烴類的生物降解速率。但是由于微生物不是在污染現(xiàn)場培育的, 現(xiàn)場治理能力可能不如在實驗室強, , C N P =10010S . 23M c M illen 等解能力, 發(fā)現(xiàn)當添加肥料的C N P =10051. 7并為緩慢釋放形式時, 效果最佳, 并且得出結(jié)論:營養(yǎng)比例對烴類生物降解速率的影響既可以是正向的也可以是負向的。降解的微生物, 然而微生物生長代謝的條件(O 2和氮源、磷源 卻是限制性的。通過耕作, 強制

9、通氣和H 2O 2處理能夠克服低濃度O 2對物生降解速率的限制作用27。魏德洲和秦煜民28采用生物泥漿法在國內(nèi)首次系統(tǒng)地研究了H 2O 2對土壤中烴類污染物微生物降解過程的促進作用, 他們認為促進機理其一是H 2O 2的直接氧化作用, 其二是H 2O 2對烴類生物降解的促進作用。添加硝酸鹽可以刺激甲苯和二甲苯的生物降解, 然而研究表明, 在缺氧條件下, 苯降解時不能以硝酸鹽作為電子受體29-30。R . L . R aym ond 等31發(fā)現(xiàn)添加(N H 4 2SO 4、N aH 2PO 4、N a 2H PO 4并強制通氣, 能顯著降低除去地下水中溢出汽油所需時間。A . H ess 等32

10、通過注入氧化劑(O 2, NO 3 和營養(yǎng)物來促進柴油的生物降解并分離出了5種能利用甲苯的球菌(T 2, T 3, T 4, T 6, T 10 和9種能利用甲苯和m 2二甲苯的桿菌(M 3-M 7, M 9-M 12 。33J . J . Kuko r 等研究了缺氧的石油污染的水中的三株假單胞菌分離菌(W 31, PK 01和CF 215 對甲苯2土壤和地下水石油污染的生物治理環(huán)境和微生物是石油烴類降解的限制因素, 克服這些限制因素便可有效地清除污染物, 使土壤和地下水得以凈化。常用的生物治理方法可分為兩種:一種是菌種法, 即引入高效除油菌; 另一種是營養(yǎng)物法, 即通過改善土壤和地下水的環(huán)境

11、, 排除降解石油烴類微生物繁殖的不利因素, 在其中培育出大量的優(yōu)勢菌群。2. 1菌種法這種方法主要有兩種方式:超級細菌法和混合菌群法。2. 1. 1超級細菌法微生物對一些石油組分的降解是由染色體外的遺傳物質(zhì)質(zhì)粒所控制的。因此采用遺傳學(xué)方法將降解不同組分的質(zhì)粒整合到一個細胞內(nèi), 便可構(gòu)建成“超級細菌”。70年代, Chak rabarty 等24將三個降解不同烴類的質(zhì)粒轉(zhuǎn)移到銅綠假單胞菌, 所得菌株可同時降解直鏈烷烴, 輕質(zhì)芳烴和重質(zhì)工離烴。他們還將降解辛烷的質(zhì)粒從食油假單胞菌轉(zhuǎn)移到另外一些假單胞菌種中。若質(zhì)粒保持穩(wěn)定, 降解能力便可傳給子細胞。2. 1. 2混合菌群法的降解情況, 并與其他甲苯

12、降解菌進行了比較。這三株在缺氧條件下, 有硝酸鹽作為電子受體時, 能夠以甲苯作為碳源生長。他們檢測了降解甲苯關(guān)鍵酶鄰苯二酚2, 3-雙加氧酶(C 23O 的動力學(xué)參數(shù)Km t 和Vm ax , 并分析了PK 01中編碼C 23O 的核苷酸序列和相應(yīng)的氨基酸序列, 結(jié)果表明:該酶屬于C 23O s 的亞家族中的一個新群, tubE 為編碼PK 01中C 23O 的基因, 調(diào)控tubE 表達的關(guān)鍵序列為Peudom onas aerugi 2no sa PAO 中AN R 結(jié)合位點的同源序列。R . L , D erek 等34研究發(fā)現(xiàn)在石油污染水中的缺氧沉積物中, 螯合到ED TA , N 2甲

13、基亞氨基二乙酸, 乙醇基甘氨酸, 腐植酸和磷酸鹽上的Fe 3+可以促進苯的氧化與Fe 3+的還原作用相偶聯(lián)。D . R . L ovley 36研究發(fā)現(xiàn), 在適宜環(huán)境中B T EX (苯, 甲苯, 乙苯和二乙苯 能夠以Fe 3+, 硫酸鹽或硝酸鹽作為電子受體在缺氧條件下被降解, 但難度相當大, 其代謝機制有待于進一步研究。營養(yǎng)物法不需向污染現(xiàn)場引入微生物, 費用較低。但是污染物的濃度太高或太低都可能對降解不利, 且有利于微生物繁殖的條件難以控制。10Fedo rak . R . M . &Westlake , D . W . S . , M icrobial degradati on

14、of aro 2m atics and saturates in P rudhoe Bay crude o il as determ ined by . , 1981, 27:glass cap illary gas ch rom atography , Can . J . M icrobi o l 43244311H eitkamp , M . A . , Fedo rak , P . M . , et al . , Pyrene degradati on by aM ycrobacterium sp. Identificati on of ring oxidati on and ring

15、fissi on . Environ . M icrobi o l . , 1984, 54:25562565p riducts , A pp l12H eitkamp , M . A . &Cerniglia . C . E . , Po lycyclic arom atic degradati onby a M ycrobacterium sp . in m icrocs m s containing sedi m ent and w a 2. Environ . M icrobi o l . , 1989, 55:ter from a p ristine eco system ,

16、 A pp l 1668197313V enkates w aran , K . &H arayam a , S . , Sequential enrichm ent of m i 2crobial populati ons exh ibiting enhanced bi odegradati on of crude o il , . , 1995, 41:767775Can . J . M icrobi o l14Bertrand . J . , R am beloarisoa E . , et , M icrobial bi odegradati on of. L ett . ,

17、o il sea w culture , B i o techno l 572J . . , A nalytical study of A sthart , F . , et alil asphaltenes bi odegradati on , Chemo sphere , 1985, 14:14133展望隨著石油工業(yè)的發(fā)展, 石油污染將會日趨嚴重。在分子生物學(xué)已成為生命科學(xué)前沿的今天, 科學(xué)工作者應(yīng)加強對生物降解烴類過程的研究, 將基因工程應(yīng)用于生物治理方面, 以培育出更多更好的菌株油的目的, , 從而避免造成生態(tài)系統(tǒng)的失衡。然而, 生物治理技術(shù)具有一定的局限性。當污染物濃度太大, 營養(yǎng)和

18、氧氣供應(yīng)不足時, 微生物生長就會受到抑制, 這便將阻礙烴類的生物降解過程。所以, 生物治理技術(shù)應(yīng)該與其它技術(shù)結(jié)合起來綜合使用, 以便取得更好的效果。142216H ahn , W . J . , et al . , B i o logical T reatm ent of Petro leum O ilySludges , SPE 23997, 199217D ibble, J. , et al . , Effect of environm ental Param eters on the. Environ . M icrobi o l . , 1979, 729bi odegradati o

19、n of o ily sludges , A pp l73918W ard , D . , A tlas , R . M . et al . , M icrobial bi odegradati on and thechem ical evo luti on of Amoco Candiz o il pullo tants , Am bi o , 1980, 9:27728319A tlas , R . M . M icrobial hydrocarbon degradati on 2bi o irem ediati on of156o il sp ills , J . Chem . T ec

20、h . B i o techno l , 1991, 52:1494參考文獻1B i odgett , W . C . &J r . , W ater 2so luble m utagen p roducti on during the. , 1997, 60(1 :28bi o rem ediati on of o ilcontam inated so il , FLA . SC I20V on w edd , R . J . , M o squera , J . F . , et al . , Bacterial bi odegradati on ofpetro leumhydro

21、carbonsingroundw ater , insituangm entedbi odegradati on w ith enrichm ent iso lates in Califo rnia , W ater Sic .362Paw l, T. K . &Edw ard, J. C. , H ydrocarbon Contam inated So ils and503T echno l , 1988, 20:50121Zi . , O il 2based drill cuttings treated by land 2m m erm an . P . K . , et al25

22、3Ground W ater , L ew is Publishers , I N C . 1991:1873N elson , E . C . ; W alter , M . V . et al . , Enhanving bi odegradati on ofpetro leum hydrocarbons w ith guanidinium fatty acids , ENV I RON . . T ECHNOL . , 1996, 30(7 :24062411SC I4Bally , D . ; A sano , T . et al . , Bacterial conso rtia fo

23、 r crude o il rem edia 2. T ECHNOL . , 1996, 34(10 :187193ti on , WA T ER SC I5U niversity of A k ron , N utrient m edium fo r the bi o rem ediati on of. , U S Patent 5508194, U S po lycyclic hydrocarbon 2contam inated so il . , 1996C I6L eahy . j . G . &Co l w el , R . R . , M icrobial degradat

24、i on of hydrocarbons. R ev . , 1990, 54:305315in the environm ent , M icrobi o l7A tlas , R . M . , M icrobial degradati on of petro leum hydrocarbons :an. R ev . , 1981, 45:180209environm ental perspective . M icrobi o l8A tlas , R . M . (ed . , Petro leum M icrobi o logy , M ac m illan Pubish ingC

25、o . , N ew Yo rk , 1984, 6929李希明等1微生物降解含油廢水. 重慶環(huán)境科學(xué), 1998, 20(1 :161984farm ing , O il and Gas Joum al , 1991, 8122P ritchard , P . H . &Co sta , C . F . , EPA s A laska o il sp ill bi odegrada 2. T ech . , 1991, 25:372379ti on p ro ject , Env . Sci23M c M illen , S . J . , et al . , B i o treat

26、m ent of exp lo rati on and p roducti onw astes, SPE27135, 199424D . E . 帕諾夫等著, 裴德祿等譯. 石油天然氣工業(yè)企業(yè)的環(huán)境保護,北京:石油工業(yè)出版社, 199225L al , B . , &Khanna , S . , D egradati on of crude o il by A cinetobactercalcoaceticus and A icaligenes O do rans , J . A PPL . BA CT ER I OL , 1996, 81(4 :35536226BAL T I C G

27、EN ERAL I NV ESTM EN T COR PORA T I ON . M ethod ofdecontam inati on of a hydrocarbon 2po lluted environm ent by the use of bacterial compo siti ons , U S Patent 5494580, 199627M o rgan , P . &W atk inson . R . J . , H ydrocarbon degradati on in so ils. , 1989, 8:305and m etheds fo r bi o treatm

28、 ent , C rit . R ev . B i o techno l 333(下轉(zhuǎn)第44頁441技術(shù)資料, 懸浮填料曝氣工藝文獻重慶環(huán)境科學(xué)21卷5Eberhard L a m ann und H ans R ei m ann , D er E insatz von offenpo ri 2gen Schaum stoff als T araegerm aterial bei der bi o logischen A bw ass 2er 2R einigung ,2M . M o rper , etc . , I mp rovem ent of existing w astew ater

29、 treatm entp lants efficiencies w ithout enlargem ent of tankage by app licati on ofR2. T ech . , V o l . the L I N POR p rocess CA SE STUD IES , W at . Sci134Chem . 2Ing . 2T ech . , 59(1987 N r . 2, S . 132R6P . S . Go llam , etc . , T h ree years of full 2scale CA PTOR p rocess op 222, NO . 7 8,

30、pp . 207215, 19903D . W artchow , N itrificati on and D enitrificati on in com bined activated. T ech . , V o l . 22, N o . 7 8, pp 199206, 1990sludge system s , W at . Sci4H. degaard, etc . , A N ew M oving Bed B i ofil m R eacto r 2app licati ons. T ech . , V o l . 29, N o. 1011, pp. 157165, and r

31、esults, W at . Sci 1994. T ech . , V o l . 29, N o . 10erati on at M oundsville WW T P . W at . Sci 11, pp . 175181, 19447B. R usten, etc . ,M oving Bed B i ofil m R eacto rs and Chem ical P reci p i 2tati on fo r h igh efficiency treatm ent of w astew ater from s m all com 2. T ech . , V o l . 35,

32、N o. 6, pp. 7179, 1997m unities,W at . SciA New K i nd of Pak i ng i n Con tact Ox ida tion Process ofW a stewa ter Trea t m en t Floa ti ng Pack i ngL iu X iang , Gao T (Environm en t Engineering In stitu te of , Abstract T he ex ternal and in ternal on a ing in con tact ox idati on p rocess of w a

33、stew ater treatm en t w in b i o logical con tact ox idati on p rocess of w astew ater treatm en t w ere the i m its functi on w as pu t fo rw ard .Key words W pack ing , B i o logical treatm en t . (上接第37頁28魏德洲, 秦煜民, H 2O 2在石油污染土壤微生物治理過程中的作用,32H ess , A , Zarda , B . , et al . , In situ analysis of

34、 denitrifying to luene 2and m xylene 2degrading bacteria in a diesel fuel 2contam inated labo 2. Environ . M icrobi o l . , 1997, 63(6 :2136rato ry aquifer co lum n , A pp l中國環(huán)境科學(xué), 1997, 17(5 :42943129A nid , P . J . ; A lvarez , P . J . J . , et al . , B i odegradati on of monoarom atichydrocarbons

35、 in aquifer co lum ns am ended w ith hydrogen peroxide214133Kuker , J . J . &O lsen . R . H . , Catecho l 2, 32di oxgenases functi onal in. Environ . M icrobi o l . , oxygen 2li m ited (hypoxic environm ents , A pp l 1996, 62(5 :1728174034L ovley , D . R . , W oodw ard , J . C . &Chapelle ,

36、F . H . , R ap id anaerobic. En 2benzene oxidati on w ith a varety of chelated Fe ( fo rm s , A pp l . , 1996, 62(1 :288291viron . M icrobi o l35L ovley, D. R , Po tential fo r anaerobic bi o rem ediati on of BT EX in. &B i o tech 2petro leum 2contam inated aqifers, J. Industrial M icrobi o l . , 1997, 18(223 :7581no l691and nitrate . W ater R es . , 1993, 27:68530F lyvb