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土壤植物修复技术:盐渍化土壤石油污染修复技术

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近年来,随着人们对石油产品需求不断增加,石 油开采正在从内陆向沿海地区转移,由于沿海地区盐渍化土壤分布广泛,在石油开采、运输、加工过程中, 会不可避免造成盐渍化土壤石油污染。以黄河三角 洲为例,盐渍化土地面积占土地总面积的63%,其中高于0.8%的重度盐渍化土地约占1/4。依据采油井污染范围约在1 000~2000m2估计,该地区石油污染盐渍化土壤面积在2000 hm2以上。加上近年来滨海油溢事故频发,石油污染物随着潮汐进入到滩涂,盐渍化土壤污染面积不断增加。石油组成成分复杂,主要有烷烃、环烷烃、芳香烃、沥青质及含氮、硫化合物等,其中多环芳香烃具有强烈的“三致”效应,可以通过食物链等途径进入人体,威胁人类健康。同时,石油污染能够导致土壤性质发生变化,引起碳氮磷等比例失调,保水性能大大降低,致使本已脆弱的盐渍化土壤生态系统受到破坏。盐溃化土壤石油污染问题成为当前正在面临的一重要生态环境问题。


1 土壤石油污染修复技术

多年来,土壤石油污染问题一直是国内外研究的热点,但大多数研究都是针对非盐渍化土壤,忽略了盐渍化土壤石油污染问题。随着土壤盐渍化程度增加,石油类污染物消减速度显著降低,持久性明显增强,研究发现当土壤盐度由40dSm-1上升为200dSm-1时,石油在不同类型土壤中矿化速率降低了20%~44%m, 土壤中NaCl达0.23%时,微生物生长速率降低了 90%'污染物去除难度加大。同时,土壤含盐量对土壤微生物群落功能基因多样性也能产生极其显著的影响气可见,盐渍化使石油污染土壤系统变得更加复杂,修复难度增加。

目前石油污染土壤修复技术主要有三大类:物理修复技术、化学修复技术和生物修复技术。物理修复是根据土壤和污染物的性质,将污染物与环境进行隔离,以阻止其扩散,主要包括焚烧法、隔离法和客土法等m,其处理成本较高,容易造成二次污染。化学修复是利用污染物与氧化剂、改良剂等发生化学反应,从而将其从土壤中去除,主要包括萃取法、化学氧 化法、土壤洗涤法等,其工序复杂、费用较高,且易带来一些新的土壤生态问题生物修复是利用植物、微生物的降解、转化及吸收作用,移除土壤中的石油类污染物,主要包括微生物修复、植物修复及植物-微生物联合修复等。与其他修复技术相比,生物修复成本低、条件温和、无二次污染,已经成为治理石油污染土壤最具潜力的技术之1989年,美国阿拉斯加海域大面积石油污染成功生物修复被认为是生物修复发展的里程碑。

2 盐渍化土壤石油污染修复策略及途径

2.1 盐渍化土壤石油污染微生物修复技术

自然界中广泛存在着能降解石油烃的微生物,目前已经发现100多个属、200多个种这些微生物能利用石油作为其生长的碳源和能源。但非耐盐微生物不适合在高盐环境中进行污染修复,因此,开展石油污染盐渍化土壤修复首先应筛选出高效耐盐的降解菌株。具有耐盐特性的大肠杆菌变异体,其耐盐机制是通过增加细胞膜内K+和膜外表多糖的含量来维持细胞渗透压平衡,在NaCl含量7.5%的条件下,其总石油烃降解效率是普通菌株的2.5倍。向4株能够利用原油中不同组分的混合菌中植入耐盐基因片段后,混合菌对高盐环境 表现出显著耐受性,5 d后,0.7 mol/L NaCl条件下石油组分中脂肪烃全部降解。选用4种具有耐盐特性的微生物(枯草芽孢杆菌、荧光假单单菌、粪链 球菌、热带假丝酵母菌作为生物强化菌剂,在小试模拟系统中修复石油污染盐碱土壤,结果表明:生物强化处理修复效果更加显著,总石油烃和多环芳烃降解率分别达到50.8%和69.2%,显著高于未添加菌剂的处理,其降解率分别为40.5%和61.2%。利用耐盐微生物降解盐渍化土壤中的石油污染物,修复效果往往不稳定,微生,群落之间的竞争,外界条件包括温度、湿度、pH、土壤性质、营养物质等因素都会对修复效果产生影响。

2.2 盐渍化土壤石油污染植物修复技术

据统计,约有1%的陆生植物能够在盐渍化土壤中生长,这为石油污染盐渍化土壤植物修复提供了丰富的资源_。根系分泌物可以作为营养源促进土壤微生物生长,从而提高石油的降解效率,耐盐植物盐节木能够在石油污染的阿拉伯湾高盐岸边自然生长,根际微生物数量是无植被地区的14~38倍。利用碱蓬、 补血草、中亚滨藜和芦苇4种盐生植物对石油污染盐渍化土壤进行修复,植物种植后石油降解速率明显加快,碱蓬、中亚滨藜根际土壤石油烃降解效率达96.5%,对石油组份进行分析,发现种植植物后大分子石油组分消减速度提高更快。引入盐生植物是加快污染土壤修复进程的重要途径,但不同植物对石油污染物的耐性不同,修复效应差别很大,且土壤条件、石油组分等因素都会影响植物修复效果。因此,利用盐生(耐勘植物修复石油污染盐溃化土壤, 一要筛选耐盐、高效的修复植物,二要研究修复植物利用策略和途径,以充分发挥其修复潜能。

2.2.1 耐盐修复植物的选择

—般认为,耐盐修复植物应具备的条件有:污染物耐受能力强,生物量较高;根系发达,可以穿透较深的土层,耐受低氧环境,在实验室内以发芽率为基础研究21个科50种植物对煤油的耐受性,并将其分为强耐受、较耐受和不耐受3个等级。研究发现:植物的耐受性具有种特异性,豆科、 十字花科、菊科、禾本科植物对煤油耐受性依次降低; 单子叶植物主要表现为强耐受和较耐受性,双子叶植 物在每个耐受等级中均有分布;与栽培植物相比,野生植物对煤油刺激更加敏感。以生物量和叶绿素为指标研究不同浓度石油对圆叶当归的影响,发现其光合作用系统对石油组分有强大的耐受性,结果显示:其对石油的耐受极限为60 g/kg,当石油含量低于30 g/kg时,石油对植物生长具有刺激作用,加之其生物量较大且中空根系结构可以改善土壤供氧条件,圆叶当归可成功应用于石油污染土壤修复。在温室中用柴油污染的盐沼沉积物模拟湿地环境,从植物茎密度、株高和生物量三方面研究盐碱条件下不同浓度柴油污染物和灯芯草之间的关 系:灯芯草在沿海湿地对柴油的耐受极限为160~320 mg/g,浓度为40mg/g时,总石油烃剩余量明显低于对照组,多环芳烃和烷烃的浓度分别为对照组的3%和 15%。

2.2.2 耐盐修复植物的利用方法

调节土壤中营养物质含量,提高土壤肥力,是提高石油类污染物降解效率的有效途径。实验表明,向栽种狼尾草的土壤中加入氮、磷等营养元素后,土壤中烃降解菌数量显著增加,石油烃降解速率明显加快宋玉芳等M通过盆栽实验,以污染水平、有机肥含量等为调控因子,探讨生物修复矿物油和难降解有机物污染土壤的可行性。研究发现,施用有机肥可使种植水稻和苜蓿的土壤中多环芳烃降解率提高,水稻根际土著细菌数量与有机肥量呈正相关。在利用堆肥和植物联合修复黄河三角洲石油污染土壤时发现,当堆肥/污染土壤体积比为2/1,C/N比为 15/1时,总石油烃的降解效率最高;在堆肥的基础上进行植物修复,碱蓬对总石油烃的降解效率达40%以上。可见,施肥对于解烃菌活性及耐盐植物修复效率的提高具有重要作用。

不同种植方式会影响植物修复潜能。研究发现, 几种植物混种能显著提高植物修复能力。在比较4种植物C黑麦草、苜蓿、高羊茅、油菜)单一种植和混种降解菲、芘能力时发现:混合种植土壤中菲、芘的降解率分别为98.3%~99.2%和88.1%~95.7%,明 显高于单一种植(菲、芘的降解率分别为97.0%~98.0% 和79.8%~86.0分,原因是植物不同的根系类型和分泌模式之间相互影响,改变了根系生理特性,刺激根系 分泌物的产生和根际微生物的生长,提高了污染物的生物有效性,同时还可以改良土壤物理结构,使水分、 营养物质和微生物等更快更深入的扩散渗透。有些学者也得出了相反的结论,发现在人工培养箱和室外2种条件下,单一种植的草本植物较混合种植,土壤中石油烃降解效率要高,植物混种会阻碍土壤污染物的降解,原因可能是有些植物促生微生物的石油降解能力较差關;此外,不同植物之间的种间竞争也会对降解效率产生影响。

植物和微生物联合修复会加速石油污染物的分解。在研究盐沼植物海三棱薦草对石油污染滩涂中微生物影响时发现,植物存在情况下,微生物数量比无植物存在时提高1~2个数量级;混合菌能适应更恶劣的环境,可承受的pH低至6, 土壤脱氢酶的活性提高2~3倍。利用筛选出的耐盐菌和盐生植物联合修复石油污染盐碱土壤,发现同时添加菌剂和种植碱蓬的修复体系中,不仅土壤养分(总磷、速效氮、速效磷)含量最高,土壤中石油烃污染物降解率也最高,达34.5%,为对照体系的3.8倍。原因是微生物-植物在石油污染物降解方面具有协同作用,改善了土壤微生态环境,提高了污染物的生物可利用性,进而提高其生物降解效率。

3 结论与展望

盐渍化石油污染土壤,生态系统脆弱,修复难度大,利用盐生(耐盐)植物来进行洽理是一条有效途径。由于多年来人们将注意力集中在非盐渍化土壤石 油污染问题的研究,对盐渍化土壤污染问题关注较 少j目关的研究十分缺乏,具有高效石油修复能力的耐盐植物报道很少,关于耐盐植物修复石油污染土壤 的机制也缺乏深入系统的了解。盐渍化石油污染土壤 修复的理论亟待深入研究,为高效修复技术体系构建 提供指导和依据。


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