外加電場對原油微生物修復油污土壤的影響

蔡言紅,張琪雯,柴曉蝶,趙元壽,孫先鋒

(1.西安工程大學 環境與化學工程學院,陜西 西安 710048;2.長慶油田分公司 第四采油廠,陜西 榆林 710021)

0 引 言

近年來,陜北地區大量開采石油資源,為國家和地方帶來巨大經濟效益的同時也產生了一些石油污染問題。據統計,陜北地區石油污染面積約708.16萬m2[1-3],修復油污土壤刻不容緩。微生物法因其發展潛力大、產生污染小、修復效果佳等優點受到各界廣泛關注[4-6]。外加電場耦合微生物處理技術被認為是最具研究前景的微生物修復土壤的技術之一。張振新[7]研究表明電場能夠激活或加強某種酶的活性,促進酶化反應的進行,提高微生物處理能力和細胞繁殖速率,促進微生物生長和繁殖。范瑞娟等[8]提出,施以電場,降解菌活性和污染物的礦化率均得到了加強,石油降解菌的數量和石油去除率均得到了提升。文獻[9]通過實驗得出,施加電場刺激后,能夠快速增加微生物的數量,維持微生物的競爭力和新陳代謝速度,加速污染物的去除。

本模擬實驗將外加電場作為一種強化微生物降解油污的手段,應用于油污土壤修復。即通過施加電場,加快微生物的新陳代謝,提高微生物修復油污土壤的能力;同時提高污染物轉化反應速率[9],使油污土壤得到深度修復,解決單純微生物處理效率低、修復時間長等問題。

1 實 驗

1.1 材料

1.1.1 儀器 Alpha-1900系列紫外可見分光光度計(上海譜元儀器有限責任公司);LYZ-111搖床(天津泰斯特儀器有限公司);JT-OIL460紅外測油儀(天津市精拓儀器科技有限公司)。

1.1.2 油污土壤樣品 采自陜北長慶油田某井場內,其理化性質為pH 8.08,含水率8.67%,有機質7.33%,含油率5.25%。

1.1.3 實驗用菌 由實驗室保存的高效降解石油微生物菌種SA-1和SA-2。(文后所出現的降解菌均指SA-1和SA-2混合菌株)。

1.1.4 實驗裝置 方形槽式室內含油土壤處理模擬系統,槽長寬高分別為36 cm,20 cm,24 cm,底層鋪有約10 cm厚的油污土壤;電極選用高純石墨電極；含油土壤處理模擬系統上層覆蓋PVC膜,并設置通孔;電控系統為恒流穩壓電源,可以提供0～220 V連續可調節電壓的直流電。實驗開始前,對含油土壤處理模擬系統進行75%酒精擦拭和30 min紫外燈照射滅菌處理,整個實驗過程在無菌實驗室中進行。

圖 1 方形槽式室內含油土壤處理模擬系統Fig.1 Simulation system for indoor oily soil treatment with square trough

1.2 方法

1.2.1 混合菌液制備 將2株分離純化的石油降解菌接種到已滅菌的牛肉膏蛋白胨液體培養基中,在35 ℃下,轉速180 r/min搖床振蕩培養24 h,進行菌種活化[10-11]。分別將SA-1和SA-2按照10%總投加量接種稀釋制成菌液,然后按照一定比例將二者的菌液混合配制1 L,接種到液體培養基中備用。

1.2.2 混合菌株生長和分布的測定 電場強度的選擇在很大程度上會影響電場耦合石油降解菌的降油效果,本實驗在文獻[12-15]的基礎上進行了電場強度作用范圍的優化研究。將按照一定比例制備的1 L混合菌液倒入方形槽式室內含油土壤處理模擬系統中,并外加不同電場強度0 V/m,100 V/m,120 V/m,140 V/m,160 V/m置于轉速180 r/min恒溫搖床中。以0 V/m為對比,培養溫度為35 ℃,50 h后,以未接種的牛肉膏蛋白胨培養基為參比,在波長為600 nm下,采用紫外可見分光光度計測定光密度(OD)[14]。電場陰陽兩極間距40 cm,從陽極端起間隔5 cm 取樣,菌群數量分布及遷移特征均采用涂布平板分離培養,并采用平皿計數法[16],每8 h定期檢測石油降解菌分布。每組設3個平行試樣。

1.2.3 電場耦合混合菌株對油污土壤降解率的測定 實驗采用室內模擬系統,施加最佳電場,按照混合菌液與油污土壤樣品體積比1.5∶10加入含油土壤處理模擬系統中,加入適量蒸餾水,使含水率保持在50%左右,攪拌均勻;采用間歇式通電,每天作用8 h,分為2個時段,每個時段作用4 h;連續處理50 d后取樣檢測油污土壤含油率。含油量采用紅外測油儀進行測定,計算石油的降解率,以不加電場(0 V/m)為對照。各項數據分別平行測定3次,取其平均值。

2 結果與討論

2.1 電場強度對混合菌株生長的影響

2.1.1 降解菌在電場作用下的生長變化 混合降解菌株(SA-1和SA-2)在梯度電場作用下的生長曲線如圖2所示。

圖 2 不同電場作用下混合降解菌株生長曲線Fig.2 Growth curve of mixed degradation strain under different electric field

如圖2所示,混合菌對不同電場強度的敏感程度有一定的差異,生長促進趨勢先增后減,但其生長曲線基本都符合對數期到穩定期的過程。以電場強度為0 V/m為對照,可以得出,在電場強度為100 V/m,120 V/m,降解菌數量增加,說明電場有助于降解菌生長繁殖。電場促進降解菌生長代謝程度大小依次為120 V/m>100 V/m。當電場強度為140 V/m時,降解菌的生長繁殖幾乎不受電場影響,其生長曲線與不加電場的生長曲線基本保持一致。160 V/m時，降解菌數量減少，生長受阻。相比之下,電場強度為120 V/m時,降解菌生長和代謝速率最快,電場對降解菌生長的促進作用最明顯。因此,降解菌在120 V/m時,數量增加,生長繁殖加快,相對于其他4個電場強度而言,120 V/m是降解菌生長和繁殖的最佳電場強度。

2.1.2 混合菌株在電場作用下遷移特征 張燦燦等[10]提到,電場處理可以激發細菌的可培養性,使得細菌數量增加到原來的3倍?；旌暇?SA-1和SA-2)在梯度電場作用下數量增加變化趨勢如圖3所示。

圖 3 不同電場作用下混合菌遷移曲線Fig.3 Mixed bacteria migration curve under different electric field

不同電場強度對石油降解菌行為影響是不同的。從圖3可以看出,降解菌數量經歷的變化趨勢規律為兩邊低,中間高。在0 V/m下,降解菌整體數量處于較低水平,并且在電場中不同位置沒有產生定向的運動。在電場強度為100 V/m，120 V/m下,降解菌數量急劇增加。100 V/m時,混合菌數最高達到3.890×106cfu·g-1；120 V/m時,最高達到7.140×106cfu·g-1。電場強化降解菌數量變化依次為120 V/m>100 V/m。當電場強度為140 V/m時,降解菌的數量幾乎不受電場影響,其數量與不加電場的降解菌數量基本保持一致。而160 V/m時降解菌數量開始下降。相比之下,電場強度為120 V/m時,降解菌數量增加得最多,速度增長得最快,電場對降解菌的促進作用最明顯。因此,120 V/m是降解菌的最佳作用電場。

2.2 電場強化微生物處理油污土壤效果分析

將電場耦合降解菌技術用于實際油污土壤樣品處理中。以電場強度0 V/m為對照,土壤中油污降解效果如圖4所示。從圖4可以看出,在電場強度120 V/m下,土壤樣品石油降解率分別為75.8%,72.4%,90.2%。0 V/m時,降解率分別為60.8%,58.6%,78.2%,降解率分別提高了15.0%,13.8%,12%?？梢?適當電場可以提高石油降解菌降解油污能力,電場耦合降解菌降解石油效果顯著。石油降解菌細胞的等電點在2～5之間,而長慶油田油井附近的土壤屬于弱堿性,微生物在該條件下會帶負電荷。在外加電場的作用下,微生物細胞表面的原有電位差發生了改變,破壞了微生物細胞內外離子濃度的平衡,促使營養物質可以順利進入到細胞體內,從而促進了微生物的生長與新陳代謝。油污土壤樣品分析結果顯示，電場耦合降解菌降解石油是一項高效、可行的技術。

圖 4 電場對土壤油污降解效果影響Fig.4 Effect of electric field on soil oil pollution degradation

2.3 油污土壤樣品處理方法對比

為了進一步考察電場強化石油降解菌作用對油污土壤的修復特性,以陜北長慶油田某井場油污土壤為實驗樣品，進行相關對比實驗。實驗設計為:1#:不加降解菌,不加電場;2#:不加降解菌,加電場;3#:加降解菌,不加電場;4#:加降解菌,加電場。降解菌為實驗保存的2株混合降解菌;按照模擬實驗優化最佳電場強度120 V/m。對1#，2#，3#，4#試樣處理后的石油降解率如圖5所示。

圖 5 不同方法對土壤油污降解效率影響Fig.5 Effect of different methods on soil oil pollution degradation rate

從圖5可以看出,土壤樣品經過不同方法處理后,含油率均有不同程度的下降。1#是土壤中本身所含油污的土著微生物作用下完成降解的,隨著時間的變化降解率分別是18.9%，24.3%，28.3%，29.1%，27.7%。土著微生物降解能力有限,降油率最高僅為29.1%。2#是在電場作用(電遷移、電滲析、電泳)和土壤本身所含油的土著微生物共同作用下完成降解的,電場可能刺激了土著微生物的活性,在一定基礎上提高了石油降解率,降油率最高45.6%。3#是2株實驗室保存的降解菌株與土壤中本身所含有的其他土著微生物共同作用下完成降解的,降油率最高為70.6%。降油率分別提高了41.5%，25.0%。4#是電場混合降解菌降解土壤中油污,降油率最高達到了90.2%。相比1#，2#，3#,降油率分別提高了61.1%，44.5%，19.5%,降油效果十分顯著。隨著時間的變化,不同方法下降油率大小依次為4#>3#>2#>1#。由圖5分析可得,1#，2#及3#的處理方法也促進了石油的降解,但是三者降解效果均不如4#,在充分結合2株菌株的降解優勢下施加電場,油污土壤降解率得到很大提高。電場強化微生物修復油污土壤效果顯著,具有廣泛應用前景。

3 結 論

(1) 將模擬實驗菌種施加不同電場強度,通過降解菌生長趨勢和數量變化,優化電場強度為120 V/m。

(2) 以電場強度0 V/m為對照,電場強度為120 V/m時,電場耦合石油降解菌技術應用到實際樣品分析和檢測中,油污土壤樣品降解率最高達到90.2%,表明電場通過促進石油降解菌生長和繁殖可以提高石油降解率。

(3) 電場耦合石油降解菌的油污去除率,比單一電場、單純微生物處理的降油率分別提高了44.5%，19.5%,處理效率得到很大提高,縮短了石油污染土壤修復時間。因此,電場耦合石油降解菌技術作為一種高效、實用土壤油污降解技術,具有廣泛的應用前景。