生物方法修复被石油污染的土壤

环境工程微生物报告（设计）题目：生物修复石油污染土壤院系：专业：姓名：指导教师：完成日期：学号：介绍了国内外在修复石油污染土壤方面的生物修复工艺：原位生物修复和异位生物修复。

通过筛选高效降解菌治理受石油污染的土壤，并通过实验确定其降解特性。

指出生物修复方法作为一种费用低、效果好、对环境影响低、无二次污染的方法，是今后治理石油对土壤污染的最可行的方法。

关键词：石油污染；土壤；生物修复；降解菌石油是非常宝贵的燃料、润滑剂和化工原料。

与煤相比，它具有价格低廉，常温下为液体而易于开采、运输、使用，含杂质少、污染低等优点，因而得到广泛的应用。

世界发达国家在能源消费中，石油均占60%以上，而中国大约为20% 。

石油在开采、炼制、贮运、使用等过程中，原油和各种石油制品进入环境而造成污染，这已成为一种普遍的现象，并在生态环境和社会环境方面造成一定的影响。

据估计全世界每年约有1×109 t石油及其产品通过各种途径进入地下水、地表水及土壤中，其中我国有60多万t。

据2007年掌握的资料，我国部分石油化工区土壤残油高达10000 mg/kg，是临界值(200 mg/kg)的50多倍，每年新污染土壤1×108 kg。

石油烃类大量溢出，应当尽可能予以回收，但有的情况下回收很困难，即使尽力回收，仍会残留一部分，对环境（土壤、地面和地下水）造成污染。

其进入土壤后，会破坏土壤结构，土壤中的石油侵蚀土层，使之盐碱化、沥青化、板结化，使土壤的透水性降低、透水量下降，影响植物生长，被污染的土壤还可对地表水和地下含水层造成二次污染；许多研究表明，一些石油烃类成分在粮食中积累，影响粮食的品质，并通过食物链，进入动物体内，对哺乳类动物及人类有致癌、致畸、致突变的“三致”作用，被荷兰Ir F A M DeHan及奥地利W M Stidiani等科学家比喻为“化学定时炸弹(Chemical Time．Bomb)”。

因此，维持土壤的安全性至关重要，已成为目前国际上环境科学研究的热点之一。

存在于土壤环境中的天然微生物种群对石油烃的降解作用是石油烃和其他烃类污染物从土壤环境中消除的基本途径之一。

微生物利用生物自我调控机制以及对污染物的综合净化功能处理土壤中的石油烃类污染物，使它们在生物的新陈代谢过程中得到较为彻底的转化和降解，而且最终产物是CO2和水，不会产生二次污染，是应用前景最为乐观的土壤石油污染物处理方法。

一、生物修复技术生物修复是指人为作用下利用微生物促进有毒、有害物质降解的技术。

它的基本概念是：利用活的有机体去打破污染有毒害作用的大分子结构，使其成为较简单的无害的形式，并可以直接或间接地被植物或动物吸收。

90年代以来，生物修复技术被认为是最有生命力的土壤清洁技术。

生物处理土壤石油具有费用低，处理效果好，对环境影响小，无二次污染，可以就地处理，避免技术过程的二次污染，节约处理费用，不破坏植物生长所需土壤的环境等优点，越来越受到各个国家的欢迎，其处理技术也多种多样，主要有原位修复和异位修复法。

1.1 原位生物修复原位生物修复技术产生于20世纪70年代中期，80年代以来得到广泛研究与应用。

它是指对受污染的土壤不作搬运或输送而在原位污染地进行的，并向污染区域投放氮、磷营养物质或供养，促进土壤中依靠有机物作为碳源的微生物的生长繁殖，或接种经驯化培养的高效微生物，利用其代谢作用达到消耗石油烃的生物修复处理。

原位修复主要包括原位地耕法和土壤气相抽提法。

1.2 异位修复异位生物修复是将受污染的土壤、沉积物移离原地，在异地用生物的、工程的手段进行处理，使污染物降解而使污染的土壤恢复到原有的功能。

异位修复主要包括土壤耕作法、生物堆放法、堆肥法和生物反应器。

二、微生物降解土壤石油污染的影响因素2.1 环境因素生物反应同样遵循一般生化规律，即温度越高反应速率越快。

考虑到充分发挥生物酶的降解活性和石油类污染物的溶解度和挥发特性。

有研究得出最佳降解温度为≤30℃，温度过高，石油烃的膜毒性增大，En活力也会受到影响。

含水量也是影响石油降解的主要因素之一。

加水后土壤表面会形成水膜，切断或减少了石油化合物与土壤颗粒间的联系、吸附，增加了微生物与石油的接触产生油水界面，在油水界面中微生物数量最多也最活跃。

另外，微生物的细胞活性和新陈代谢过程需要水来维持，但含水量过高又会防碍空气的通透性与氧的供应。

综合来看含水量以50%为佳。

同大多数微生物相同，能降解石油类物质的土壤微生物生长繁殖的适宜pH值为6-8，所以，为了维持土壤中酶系处于较活跃的状态，可向石油污染土壤中添加pH值合适的酸碱缓冲液调整土层的pH值，来控制石油降解速度。

微生物对石油的降解过程随石油烃类的不同而不同，但其起始反应却很相似，即在加氧酶的催化作用下，将O2组入基质中，形成一种含氧的中间产物。

而在无氧条件下，石油烃类微生物降解速率很低，意义不大。

微生物对石油的降解理论上需O2量约为烃类质量的3.5 倍。

调整微生物的各种必需营养元素的数量、形式和比例，才能使降解过程得以顺利进行。

这些元素包括N、P、K、Na、S、Ca、Mg、Fe、Mn、Zn和Cu；另几种厌氧菌必需的微量元素包括Ni、Co和S。

石油污染的土壤中C源较为丰富，而N、P相对缺乏。

可被生物利用的速效氮磷含量仅占土壤总氮、总磷的5%.左右。

因此适时适量施用氮、磷肥料可以加快石油污染物的降解。

盐度会影响微生物的数量，降低石油污染物的降解速率。

郑义平等试验结果表明，石油烃降解菌在盐浓度15%以下，生长旺盛，数量多；盐浓度15%—25%有较多菌量，但已明显减少；在盐浓度30%.以上几乎无细菌生长。

2.2 生物因素土壤中微生物区系构成和数量组成是影响石油烃降解速率的直接因素。

不同的石油降解菌对于石油中不同组分具有不同的降解能力。

据报道，多数石油降解菌只能利用一种或几种烃类。

最先与烃类接触的微生物菌群对于决定烃类降解的速率非常重要。

它们能够尽快适应环境，进行选择性富集还可以通过遗传改变使降解菌编码降解烃类基因的质粒数量增加，提高生物降解率。

2.3 石油烃状况石油烃是由上千种化学性质不同的化合物组成的复杂混合物。

相同条件下，微生物对不同类型石油烃的降解能力是不同的。

各类石油烃被微生物降解的相对能力如下：饱和烃>芳香烃>胶质和沥青。

石油烃的物理状态对其微生物降解有直接影响，而且烃类的可溶性以及分散程度直接影响微生物能接触到的石油烃的表面积。

油的分散能促进微生物对石油烃的降解。

但在土壤中由于油的疏水性、土壤胶体对油的吸附性或不能溶解到土壤有机质中等原因，微生物不能与之充分接触，影响了降解效果。

石油的浓度会影响微生物的活性与毒性。

当向土壤中添加油泥使土壤中烃浓度达到1.25%—5%时，土壤的呼吸强度增大，当烃浓度达到10%时，土壤的呼吸强度不再增大，当烃浓度达到15%时，土壤的呼吸强度下降。

高浓度的石油污染物对微生物有毒害作用，而少量的石油污染物相反会刺激嗜油微生物的生长。

三、高效降解菌的筛选及其降解特性以陕北长庆油田为例，以石油污染土壤为菌源，以原油为惟一碳源，进行驯化后，反复筛选、分离得到高效降解石油的优势菌，对其进行鉴定，选出其中三种降解率最的三株菌作为研究对象，进行深入研究，并对影响其降解性能的营养和环境条件进行试验研究。

3.1 pH值对菌体生长和降油的影响配制原油量600 mg／L、初始pH值分别为3、5、7、9、11的降油培养基，各加入相同浓度的菌悬液2mL，进行降油试验．结果见表1。

由表1可以看出，三株优势菌株在初始pH值为7时对原油降解率最高。

在pH 值低于7时，降油率明显下降，pH值为3时菌的生长量最少，油的去除效果最差。

但受pH值影响的程度有所不同，其中pH值对GX2的影响最为明显，在初始pH值为3时，原油降解率仅为11.3％；而在初始pH值为7时，降解率高达72.9％，是pH 值为3时的6.5倍。

从降油率和菌体量变化趋势可以看出，降油能力的大小和菌体数量有着密切的关系。

表1 pH对菌体生长和降解率的影响3.2 营养物质对菌体性能影响的研究3.2.1 不同N源对茵体生长的影响选择NH4NO3、(NH4)2SO4、KNO3和CO(NH2)24种比较有代表性的盐类。

在降油培养基其他成分不变的情况下，改变N源，但N元素含量保持不变。

加入相同浓度的菌悬液2 mL，进行细菌生长量研究。

试验结果如图1所示。

由图1可见，在无机氮源中，细菌对氮利用效果顺序为：H4NO3>(NH4)2SO4>NaNO3。

分析其原因为，细菌利用硝酸钠为氮源时，由于硝酸根被利用，会使环境中的pH值升高；以硫酸铵为氮源时，由于氨离子被利用，又会使环境中pH值降低。

而以硝酸铵为氮源，对环境pH值不造成大的影响。

虽然细菌对有机氮的利用也较好，但考虑到有机氮同时作为碳源，将优先于石油烃被利用，会妨碍石油烃的降解。

对于研究的三株优势菌NH4NO3为最佳氮源。

图1 不同N源对菌株生长的影响3.2.2 N、P比对降解的影响氮、磷营养物质的缺乏直接限制了优势菌株的生长，从而限制了石油烃的降解，但添加过量反而有抑制作用，因而存在一个经济合理的添加量及添加比例。

在原降油培养基中控制PO43--P为177 mg／L，改变N元素的含量分别为175、350、700、1400、2800 mg／L和5600 mg／L．结果见图2。

由图2可以看出，在P含量一定的条件下，添加不同量的N元素，石油降解速率不同．其中N含量在350一700 mg／L之间，石油降解率最高，按质量计算的N、P元素之比为2：1—4：1．进一步提高N：P，石油降解率呈下降趋势，这是由于N元素过量，对生物有一定的抑制作用，从而导致了除油率的降低。

图2 不同N元素含量对石油降解的影响3.2.3 油的质量浓度对降油的影响在原油初始质量浓度分别为200 mg／L、600 mg／L、1000 mg／L、1500 mg／L、3000 mg／L的降油培养基中，加入相同浓度的菌悬液2 mL，进行降油试验，结果如图3。

由图3可见，在原油浓度小于1500 mg／L，GXl、GX3的降油率随石油浓度的提高而略有增加，基本维持在60％左右．超过1500 mg／L时，降油率下降较快，几乎下降了20％。

而GX2在原油浓度超过1 000 mg／L，降油率就开始急剧下降。

这说明三株菌株在原油浓度较低条件下降油能力更强，不同菌株耐油程度不同。

图3 油的质量浓度对降油的影响由上述知道，三株优势菌在较宽的pH值范围内均具有良好的降解效果，实际生物修复过程中可不必调节酸碱度。

氮磷营养盐对石油降解率影响显著，三株优势菌以NH4NO3为最佳氮源，且在N：P为2：1—4：1范围时除油率最高。

适宜的石油烃含量有利于微生物对石油污染物的降解，过高会抑制生物活性。