石油—重金屬復(fù)合污染土壤的微生物修復(fù)

摘要：以鹽堿土為供試土壤，分別加入5個(gè)濃度的重金屬Cd2+（2.5，5，10，15，20 mg/kg）或Ni（25，50，100，150，200 mg/kg），分別添加2 000 mg/kg石油烴，將加入石油降解菌的試驗(yàn)組與不加菌的對(duì)照組進(jìn)行對(duì)比，研究石油-重金屬復(fù)合污染土壤微生物修復(fù)過程中重金屬有效態(tài)和形態(tài)的變化規(guī)律。結(jié)果表明，石油-重金屬復(fù)合污染鹽堿土的微生物修復(fù)過程中，土壤中有效態(tài)Cd2+、Ni隨培養(yǎng)時(shí)間增長(zhǎng)，有效態(tài)含量呈起伏變化，且土壤中有效態(tài)Cd2+與Ni的變化規(guī)律存在明顯不同。培養(yǎng)60 d后，土壤中Cd2+的可氧化態(tài)含量均下降，可還原態(tài)含量均略有增加，低濃度時(shí)弱酸提取態(tài)Cd2+含量降低，殘?jiān)鼞B(tài)Cd2+含量增加，高濃度時(shí)變化趨勢(shì)相反。培養(yǎng)60 d后，Ni的弱酸提取態(tài)、可還原態(tài)、可氧化態(tài)3種形態(tài)總量呈下降趨勢(shì)，殘?jiān)鼞B(tài)Ni含量則增加，Ni的形態(tài)分布由不穩(wěn)定向穩(wěn)定方向遷移，活性降低。

關(guān)鍵詞：重金屬有效態(tài)；形態(tài)分布；微生物修復(fù)；復(fù)合污染；鹽堿土

中圖分類號(hào)：X53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2013）12-2767-04

Microbial Remediation of Petroleum-Heavy Metals Contaminated Soil

CHEN Xue-lan，CHENG Jie-min，GAO Xian-wen，YANG Lu

（College of Population， Resources and Environment， Shandong Normal University， Jinan 250014， China.）

Abstract： The contaminated saline-alkali soil was prepared by adding appropriate concentrations of CdCl2（2.5，5，10，15，20 mg/kg） and NiCl2（25，50，100，150，200 mg/kg） firstly. After the metal-treated soil was incubated for two months， 2 000 mg/kg of petroleum was added. Test group of adding petroleum degrading sgtains and test group without such strains were compared， the change pattern of availability and form of heavy metals during microbial rernediation process in petroleum-heavy metals comtarminated soil. The results indicated that the availability of soil Cd and Ni both had a tendency of alternately fluctuanting change with the elapsing of time. But， their change law was proved significantly different. The content of oxidizable Cd decreased while the content of reducible Cd increased after 60 days of cultivation. At low concentrations of soil Cd2+， the content of acetic acid extractable Cd decreased while the content of residual Cd increased. However， it showed a contrary tendency at high concentrations of Cd2+. The total amount of the acetic acid extractable， oxidizable and reducible Ni all decreased while the content of residual Ni increased after cultivation for 60 days. As a result， the form distribution of Ni tended from the stable to the unstable state with the reduction of active Ni.

Key words： availabiliy of heavy metals； species distribution； microbial remediation； composite pollution； saline-alkali soil

長(zhǎng)期以來，環(huán)境工作者僅限于單一污染物在自然環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化、歸趨及生態(tài)效應(yīng)的研究[1]。隨著工業(yè)的快速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新，人們逐漸認(rèn)識(shí)到環(huán)境污染物多具有伴生性和綜合性[2，3]，即不同污染物之間會(huì)產(chǎn)生聯(lián)合作用，形成復(fù)合污染。國(guó)外研究結(jié)果表明，石油中可檢測(cè)出Ni、V、Fe等56種微量金屬元素，石油勘探和開采、原油泄漏等原因會(huì)導(dǎo)致大量重金屬進(jìn)入土壤環(huán)境，土壤石油污染可能會(huì)伴生土壤重金屬污染[4-6]。Chukwujindu[7]研究發(fā)現(xiàn)，在尼日利亞尼日爾河三角洲石油污染土壤上可檢測(cè)到大量重金屬Zn、Cu、Pb、Cd、Ni、Cr、Mn。邵濤等[8]對(duì)江蘇某油區(qū)已開采多年的未耕土壤研究表明石油污染土壤中總As、Pb、Cr等都有不同程度的污染。因此，油田區(qū)石油-重金屬復(fù)合污染土壤的研究及修復(fù)，已成為亟待解決的問題。

由于成本低、易操作、作用持久等，微生物修復(fù)石油污染土壤已成為研究和應(yīng)用熱點(diǎn)[9-12]。眾所周知，石油烴在土壤中的代謝中間產(chǎn)物是很復(fù)雜的，而現(xiàn)有的文獻(xiàn)報(bào)道，有機(jī)物對(duì)重金屬環(huán)境行為的影響十分復(fù)雜，高分子有機(jī)物通過絡(luò)合或螯合、吸附、截留等作用， 鈍化土壤中重金屬；低分子有機(jī)物通過螯合、絡(luò)合作用活化土壤中重金屬，重金屬以不同形態(tài)存在關(guān)系到在石油-重金屬復(fù)合污染土壤修復(fù)過程中微生物的降解效率以及是否需要增加輔助工程解決重金屬污染等問題，因此石油-重金屬復(fù)合污染土壤修復(fù)過程中就必須考慮重金屬有效態(tài)及形態(tài)的變化。針對(duì)石油-重金屬復(fù)合污染土壤修復(fù)過程中可能產(chǎn)生的次生污染問題展開研究，通過培養(yǎng)試驗(yàn)研究了石油-重金屬復(fù)合污染土壤微生物修復(fù)過程中重金屬Cd、Ni的有效態(tài)和形態(tài)變化，為復(fù)合污染土壤的修復(fù)提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤與供試材料

供試土壤采自山東省東營(yíng)市孤島油區(qū)的鹽堿土，主要采集0～20 cm的表層土壤，經(jīng)風(fēng)干磨細(xì)過20目篩備用，土壤基本理化性質(zhì)見表1。土壤基本理化性質(zhì)按常規(guī)方法測(cè)定[13]。

添加石油烴為原油，含水率為60%。

供試微生物由山東省科學(xué)院提供的耐鹽堿并可降解石油的枯草芽孢桿菌和多食鞘氨醇桿菌。

1.2 研究方法

稱取0.5 kg過20目篩風(fēng)干土樣于塑料盆中，選取Cd、Ni兩種重金屬，分別配置含Cd濃度為 0、2.5、5.0、10.0、15.0、20.0 mg/kg和 Ni 濃度為0、25、50、100、150、200 mg/kg的模擬污染土，在室內(nèi)培養(yǎng)兩個(gè)月后，備用。因需考慮土著微生物對(duì)石油降解和重金屬行為變化的影響，每個(gè)處理再設(shè)加菌與不加菌對(duì)照。將石油烴溶解后加入土壤并充分混合，使石油烴濃度達(dá)到2 000 mg/kg，每缽施氮、磷、鉀作基肥，試驗(yàn)組同時(shí)施加40 g/kg濃度的石油降解菌劑。保持土壤含水率在50%～70%范圍內(nèi)[14]，以60 d為周期，每隔15 d采樣測(cè)定重金屬有效態(tài)的含量，并在起始及結(jié)束時(shí)測(cè)定土壤重金屬形態(tài)，分析重金屬形態(tài)變化特征。

1.3 分析方法

土壤中Cd、Ni有效態(tài)分析：DTPA（pH 7.3，液土比2∶1）浸提，原子吸收分光光度法測(cè)定重金屬含量[15]。

土壤中Cd、Ni形態(tài)分析：采用歐洲共同體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)局提出的BCR法[16]，弱酸提取態(tài)用0.11 mol/L的醋酸提?。豢蛇€原態(tài)用0.1 mol/L的鹽酸羥胺（HNO3酸化，pH 2）提?。豢裳趸瘧B(tài)用8.8 mol/L的雙氧水（HNO3酸化，pH 2）水浴氧化，然后用1 mol/L的醋酸銨（HNO3酸化，pH 2）提??；殘?jiān)鼞B(tài)用10 mL HF+1 mL HClO4消煮，方法同全量測(cè)定[13]。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤中重金屬有效態(tài)含量變化

由表2可知，不論加降解菌與否，土壤中有效態(tài)Cd含量隨培養(yǎng)時(shí)間呈跌宕起伏變化，各處理組沒有呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性，但幾乎所有的處理組均在培養(yǎng)60 d時(shí)，土壤有效態(tài)Cd含量達(dá)到最大值。這可能一是土壤中Cd對(duì)微生物新陳代謝產(chǎn)生影響的同時(shí)，微生物也能夠通過產(chǎn)生胞外聚合物、代謝產(chǎn)生有機(jī)酸等改變土壤中Cd的生物有效性；二是微生物菌體對(duì)重金屬有一定的吸收作用。這種跌宕起伏的曲線，可能和土壤中微生物生長(zhǎng)曲線有一定的關(guān)系，此外，這里所研究的土壤為石油-重金屬復(fù)合污染鹽堿土，隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加，微生物對(duì)石油降解率增加，石油降解的中間產(chǎn)物可能會(huì)對(duì)重金屬有一定的鰲合作用，也影響著土壤中Cd的生物有效性[17，18]。

從表2還可以看出，幾乎所有添加降解菌的處理各培養(yǎng)時(shí)間土壤中有效態(tài)Cd含量均低于相應(yīng)不加降解菌的處理?？梢赃M(jìn)一步說明微生物對(duì)土壤中重金屬有一定的固持作用。當(dāng)添加Cd濃度為20 mg/kg時(shí)，培養(yǎng)45 d后，添加降解菌的處理土壤中有效態(tài)Cd含量高于相應(yīng)不加降解菌的處理，原因可能是微生物在高重金屬濃度下失去活性。

由表3可知，不論加降解菌與否，土壤中重金屬有效態(tài)Ni含量均隨時(shí)間有較大的起伏。土壤中Ni的添加量50、100、200 mg/kg處理組在培養(yǎng)的前15 d隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)土壤中有效態(tài)Ni含量呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)；隨后土壤中有效態(tài)Ni含量明顯降低，至30 d時(shí)達(dá)到較低水平；在45 d時(shí)土壤中有效態(tài)Ni含量略微增加或穩(wěn)定不變；隨后，土壤中有效態(tài)Ni濃度明顯下降，在培養(yǎng)60 d時(shí)達(dá)到最低水平；當(dāng)土壤中Ni的添加量在≤25 mg/kg時(shí)，土壤中有效態(tài)Ni的含量沒有呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性。

值得注意的是，除添加Ni濃度≤25 mg/kg的土樣外，其余處理各培養(yǎng)時(shí)間土壤中有效態(tài)Ni含量添加降解菌的均高于相應(yīng)不加降解菌。看來微生物對(duì)土壤中Cd和Ni形態(tài)的影響機(jī)理不同，相關(guān)影響機(jī)理有待進(jìn)一步研究。

2.2 土壤中重金屬形態(tài)分布變化

圖1描述了加菌與不加菌培養(yǎng)60 d后重金屬Cd形態(tài)的變化。經(jīng)過60 d培養(yǎng)試驗(yàn)后，不同處理土壤中Cd形態(tài)分布發(fā)生了明顯的變化。但添加菌與不添加菌處理對(duì)土壤中Cd形態(tài)分布的影響沒有明顯差異。不論添加菌與否，土壤中Cd的可氧化態(tài)含量均下降，可還原態(tài)含量均略有增加。當(dāng)土壤中Cd的添加量低于5.0 mg/kg時(shí)，與未培養(yǎng)土壤相比，無論添加菌與否，培養(yǎng)60 d土壤Cd的弱酸提取態(tài)含量普遍呈下降趨勢(shì)，殘?jiān)鼞B(tài)含量均呈上升趨勢(shì)；當(dāng)土壤中Cd的添加量為5.0 mg/kg時(shí)，與未培養(yǎng)土壤相比，無論加菌與否，培養(yǎng)60 d土壤Cd的弱酸提取態(tài)含量和殘?jiān)鼞B(tài)含量均增加；當(dāng)土壤中Cd的添加量高于10.0 mg/kg時(shí)，與未培養(yǎng)土壤相比，無論添加菌與否，培養(yǎng)60 d土壤Cd的弱酸提取態(tài)含量均增加，殘?jiān)鼞B(tài)含量普遍下降。土壤重金屬形態(tài)與重金屬在土壤中的遷移性、可給性、活性及污染土壤修復(fù)有密切關(guān)系。弱酸提取態(tài)重金屬與土壤結(jié)合較弱，最易被釋放，有較大的可移動(dòng)性[19]；Fe/Mn氧化物結(jié)合態(tài)即可還原態(tài)在還原條件下易溶解釋放[20]；有機(jī)物及硫化物結(jié)合態(tài)即可氧化態(tài)在氧化環(huán)境下易溶解釋放；殘?jiān)鼞B(tài)屬于不溶態(tài)重金屬，它只有通過化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化成可溶態(tài)物質(zhì)才對(duì)生物產(chǎn)生影響[19]。因此，應(yīng)該尤其重視高濃度Cd和石油復(fù)合污染土壤的研究，防止因Cd的活化而造成的二次污染問題。

不論添加菌與否，培養(yǎng)60 d后土壤中Ni形態(tài)分布均發(fā)生了顯著變化（圖2）。土壤中Ni可氧化態(tài)含量均下降，各處理組中其余形態(tài)分布并未呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性。與Cd不同的是，添加降解菌對(duì)土壤Ni形態(tài)分布產(chǎn)生了顯著影響。添加降解菌的土壤中Ni的弱酸提取態(tài)含量均減少，且低于相應(yīng)不添加菌的處理；殘?jiān)鼞B(tài)含量均升高，且普遍高于相應(yīng)不加菌的處理（未添加Ni處理除外）。降解菌的添加對(duì)土壤Ni可還原態(tài)和可氧化態(tài)含量的影響沒有明顯的規(guī)律性。值得注意的是，石油-重金屬復(fù)合污染土壤微生物修復(fù)過程中，Ni的弱酸提取態(tài)、可還原態(tài)、可氧化態(tài)3種形態(tài)總量呈下降趨勢(shì)，Ni的形態(tài)分布由不穩(wěn)定向穩(wěn)定方向遷移，降低了重金屬 Ni的活性。這與DTPA提取態(tài)Ni含量在培養(yǎng)60 d時(shí)達(dá)到最低水平是相符的。

3 結(jié)論

1）在石油-重金屬復(fù)合污染土壤微生物修復(fù)過程中，土壤中有效態(tài)Cd和Ni含量均隨培養(yǎng)時(shí)間呈跌宕起伏變化，但土壤中有效態(tài)Cd與Ni的變化規(guī)律存在明顯不同。另外，除個(gè)別土樣外，絕大多數(shù)添加降解菌的處理各培養(yǎng)時(shí)間土壤中有效態(tài)Cd含量均低于相應(yīng)不加降解菌的處理；Ni的變化正好與此相反。

2）在微生物修復(fù)石油-重金屬復(fù)合污染土壤過程中，重金屬Cd、Ni的存在形態(tài)均發(fā)生了顯著變化。但加菌與不加菌處理對(duì)土壤中Cd形態(tài)分布的影響沒有明顯差異，說明土著微生物與外源降解菌對(duì)Cd形態(tài)分布影響機(jī)理相差不大。在添加外源Ni的處理中，添加降解菌的土壤中Ni的弱酸提取態(tài)含量均減少，且低于相應(yīng)不加菌的處理；殘?jiān)鼞B(tài)含量均升高，且普遍高于相應(yīng)不加菌的處理。降解菌的添加對(duì)土壤Ni可還原態(tài)和可氧化態(tài)含量的影響沒有明顯的規(guī)律性。

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