植物与微生物对石油污染土壤修复的影响.pdf

1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 植物与微生物对石油污染土壤修复的影响 刘继朝 1 ,崔岩山 2 ,张燕平 3 ,邹树增 4 1. 中国地质科学院,北京 100037;2.中国科学院研究生院,北京 100049; 3.河南省地质调查院,河南 郑州 450001; 4.桂林工学院,广西 桂林 541004 摘要为了研究生物对石油污染土壤的修复效果,在从石油污染土壤中筛选石油降解微生物的基础上,采用盆栽 试验,进一步研究了4种植物和筛选到的微生物对石油污染土壤修复的影响。选择中原油田地区的原油和潮土, 采取人工污染方法,设计石油污染水平为15 gkg- 1。试验设置3类处理,即单独添加微生物、 单独种植植物分 别为向日葵、 狗牙根、 棉花、 高丹草、 微生物分别与4种植物向日葵、 狗牙根、 棉花、 高丹草组合。结果表明在 石油污染土壤中单独添加石油降解微生物, 120 d时,石油降解率达到6710;向日葵、 狗牙根、 棉花、 高丹草对土 壤中石油降解也具有一定效果, 120 d时,石油降解率分别达到38123、36157、40167、38167;添加微生物和 种植植物联合对石油降解能力大小顺序为棉花微生物向日葵微生物狗牙根微生物高丹草微生 物。其中,棉花与微生物联合修复120 d可以使污染土壤石油降解率达到85167 ,在各种处理中对污染土壤中石 油的降解效果最好。 关键词石油污染;土壤;植物;微生物;生物修复 中图分类号 X17; X53 文献标识码A 文章编号 1673 - 48312009 02 - 0080 - 04 Effect of Plants and M icroorgan ism s on Remediation of Petroleum Contam inated Soil1LIU Ji2chao1, CU I Yan2 shan2, ZHANG Yan2ping3, ZOUShu2zeng4 1 1Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037,China; 21Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 31Henan Institute of Geological Survey, Zhengzhou 450001, China; 41Guilin University of Technology, Guilin 541004, China AbstractIn order to study bioremediation of petroleum contaminated soil, petroleum contaminated soils were collected from the Zhongyuan Oil Field and microorganis ms that degradate petroleum were screened from the soil1Then, samples of contamination2free Fluvo2aquic soilwere collected from the same area andmixedwith 15 gkg- 1petroleum for pot experi2 ment to study effects of the microorganisims and plants on remediation of the petroleum contaminated soil1The experi ment was designed to have three treatments,1 adding microorganisms,2 growing plants, and 3 growing plants plus adding microorganisms1Results show that in Treatment1, the degradation rate ofpetroleum was6710 after 120 days; in Treatment 2, it was 38123 , 36157 , 40167 and 38167 , respectively, with sunflower, cotton, bermuda grass, and sudan grass; and in Treatment 3 cotton microorganisms it reached as high as 851671 Key words petroleum contaminated;soil; plant; microorganism;bioremediation 20世纪80年代以来,土壤的石油类污染成为 世界各国普遍关注的环境问题。目前,通过生物修 复技术改良石油污染土壤,被认为是最有生命力、 最具代表性的技术 [1 - 2 ]。孙东平等[3]的研究结果显 示,从油污土壤中筛选的高效石油降解菌,对石油污 染物的降解效果显著;欧阳威等 [4 ]的研究结果显 示,高羊茅Festuca arundinacea对于提高微生物菌 剂强化分解石油有一定的促进作用;李方敏等 [5 ]研 究表明玉米草适合在石油污染土壤上种植;蔺昕 等 [6 ]研究认为植物的吸收和代谢对多环芳烃 PAHs的降解起很大作用。 本研究以从石油污染 土壤中筛选与富集的土著微生物和前期筛选出的适 应石油污染土壤环境的向日葵Helianthus anuus、 棉花Gossypium hirsutum 、 高丹草Sorghum sudane2 se 、 狗牙根Cynodon dactylon为对象,通过盆栽试 验研究微生物、 植物、 植物与微生物组合对石油污染 土壤的修复效果,为开展石油污染土壤的生物修复 工作提供技术支持。 基金项 目河 南 省 人 民 政 府 与 中 国 地 质 调 查 局 合 作 项 目 200414200006 ;河南省国土资源厅基金 收稿日期 2008 - 12 - 03 生态与农村环境学报 2009, 25 2 80 - 83 Journal of Ecology and Rural Environment 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 1 材料与方法 111 试验材料 供试土壤取自中原油田周围的农田,属潮土类, 有机质2213 gkg - 1 ,碱解氮26316 mgkg - 1 ,有效 磷3613 mgkg - 1 ,有效钾5913 mgkg - 1 , pH 718。 用于筛选与富集石油降解菌的石油污染土壤取自中 原油田废弃采油井场。石油降解菌筛选培养基组分 为原油10 000 mgL - 1 , NH4NO3300 mgL - 1 , KH2PO4200 mgL - 1 , MgSO4100 mgL - 1 , FeCl3 100 mgL - 1。无菌土壤浸出液 1 L。供试植物向日 葵、 棉花、 高丹草、 狗牙根购自市场。 112 试验方法 11211 石油降解菌的筛选与富集 石油降解菌的筛选与富集参照文献[7 - 9 ]介 绍的方法进行。将5 g石油污染土壤加入装有100 mL石油降解菌筛选培养基的250 mL锥形瓶中,放 入恒温振荡培养箱,在30℃、160 rmin - 1条件下培 养10 d。培养液明显浑浊,取培养液25 mL加入装 有75 mL培养基的250 mL锥形瓶中,加入4 g石油 作为微生物生长的碳源,同上述培养条件连续转接 富集培养6次获得石油降解微生物后,扩大培养备 用。试验筛选出的微生物主要为细菌和真菌。 11212 石油污染土壤的修复 试验设计石油污染水平为15 gkg - 1。先将过 2 mm孔径筛的土壤与石油充分混匀后,在规格为深 20 cm 直径26 cm容器内每盆装入4 kg 以干土 计 , 土壤与原油混匀时不使用任何有机溶剂。静 置3 d,使油、 土充分混合达到稳定状态后进行修复 试验。试验中,微生物修复指将1 000 mL微生物培 养液完全混合在同一个容器的土壤中;植物修复指 在容器中分别播种棉花种子50粒、 向日葵种子50 粒、 高丹草种子50粒、 狗牙根种子100粒;植物与微 生物联合修复指在完全混合了1 000 mL微生物培 养液的容器中分别播种棉花种子50粒、 向日葵种子 50粒、 高丹草种子50粒、 狗牙根种子100粒。试验 中棉花、 向日葵、 高丹草出苗7 d后,每盆保留8株, 出苗14 d后,每盆定苗4株;对狗牙根不做剔苗处 理。设置空白试验组作为对照。试验在410月进 行,自然条件下生长,保持土壤含水量在25左右, 定期测定各盆土壤中石油含量。每个处理重复 3次。 113 分析方法 石油含量的测定采用重量法 [10 ]。 2 结果与分析 211 微生物对石油污染土壤的修复效果 微生物对石油污染物代谢的生理过程一般通过 接触并吸附石油、 分泌胞外酶、 石油污染物的吸收及 胞内代谢完成。它降解石油的关键是氧化酶对石油 的氧化 [11 ]。真菌和细菌主要通过胞外酶和胞内酶 如单/双加氧酶等的作用完成对石油污染物的氧 化代谢。微生物对石油污染土壤的修复效果见 图1。 图1 微生物对石油污染土壤的修复效果 Fig11 Effect of m icrobes remedyi ng petroleum2contam inated soils 由图1可以看出,前15 d污染土壤石油含量迅 速减少,对照与添加微生物处理的石油降解率相差 不大,此后对照石油降解率增加很少,而添加微生物 处理石油降解率增加显著, 90 d后石油降解率增加 变缓, 120 d时降解率达到6710 ,而对照仅为 2514 ,前者约为后者的216倍。分析认为,对照污 染土壤石油降解率主要由自然条件下低分子量石油 烃的挥发及土壤的物理吸附作用导致的检出率损失 等形成 [3 ] ; 90 d后添加微生物处理污染土壤石油降 解率增加变缓主要是由于石油中易被微生物所利用 的组分逐渐消耗所致。由此可见,添加的微生物对 石油具有降解作用。 212 植物对石油污染土壤的修复效果 根际 rhizosphere或根圈指植物根系及其影响 所及的范围 [6] ,它作为土壤圈中一个重要微生态系 统,愈来愈受到重视 [12 ] ,植物根际有着特殊的物理 和化学性质,与无根系的土壤有很大区别。试验过 18 第2期 刘继朝等植物与微生物对石油污染土壤修复的影响 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 程中分别采集4种供试植物不同生长阶段的根际 土,其石油降解率测定结果见表1。 表1 4种植物对石油污染土壤的修复效果 Table 1 Phytoremediation effects of the four plants 修复时间/ d 石油降解率/ 向日葵狗牙根棉花高丹草 15231930121 231500146 241000110 231900126 30251100126 241470159 251670142 241930131 60281230135 271070125 291100135 271900170 90311870151 311200153 331030157 321030145 120381230140 361570125 401671110 381670132 由表1可知,在供试植物作用下,污染土壤石油 降解率随修复时间的增加而缓慢提高。种植向日 葵、 狗牙根、 棉花、 高丹草120 d时,石油降解率分别 达到38123、36157、40167、38167 ,对比图1 中对照污染土壤的石油降解率可知,供试植物对石 油污染土壤有一定的修复效果。分析认为,污染土 壤石油降解较慢与石油水溶性较差,植物可直接利 用程度低及植被覆盖影响石油快速挥发有关。 120 d后, 4种供试植物的根系均布满整个容 器,污染土壤石油降解率也比较接近,但4种植物地 上部分生物量相差较大,棉花、 向日葵、 高丹草和狗 牙根地上部分鲜重分别为62418、66512、19214和 9312 g。分析认为,植物对石油的降解主要受根系 作用控制,生物量的大小与土壤石油污染物降解率 相关性不强,也就是说生物量小的植物对土壤石油 污染物的去除作用不一定小。 植物修复功能主要体现在植物根系的吸收、 转 化作用及分解有机污染物的作用 [13] ,而且植物修复 的效率受多种环境因素的影响 [14 ]。一般来说 ,修复 石油污染土壤的植物具有强大的根系,生长旺盛,能 够穿透较深的土层,给微生物活动提供较大的根表 面积 [15 ] ,则修复效果较好。试验中容器相对较小, 4 种供试植物的根系在试验时间段内都能密布整个容 器形成根系网,在一定程度上掩盖了不同植物之间 对土壤石油污染物去除能力的差异性。 213 植物与微生物联合对石油污染土壤的修复 效果 4种植物分别与微生物联合对石油污染土壤的 修复效果见表2。由表2可知, 4种组合对土壤中石 油污染物都有明显的降解作用,受不同组合生物生 长及分泌物差异的影响, 120 d时其对石油降解能 力大小顺序为棉花微生物向日葵微生物狗 牙根微生物高丹草微生物。对比分析修复 120 d时植物与微生物联合修复与分别单独修复的 土壤中石油降解率图1、 表 1 可知, 4种组合处理 污染土壤石油降解率均大于微生物或植物单独处理 的石油降解率,棉花微生物是修复石油污染土壤 的最佳组合。 表2 植物与微生物联合对石油污染土壤的修复效果 Table 2 Remediation effects of m icrobes i n symbiosis sepa2 rately with four plants 修复时间/ d 不同组合对石油的降解率/ 向日葵 微生物 狗牙根 微生物 棉花 微生物 高丹草 微生物 15261430140 271000126 271400146 261570121 30351500110 341870135 381330115 371070138 60531770138 511600144 581430175 541630123 90671171115 651501141 741331126 651331115 120781230193 741570187 851670178 721671164 根际植物与微生物的相互作用是复杂的,在某 些情况下是互惠的,这种相互作用是促进根际污染 物降解的重要原因 [16 ]。对比单独处理与联合处理 的试验结果图1、 表 1 可知,联合修复前期污染土 壤石油降解率与微生物单独修复效果大致相同,随 着植物的生长,联合修复污染土壤石油降解率逐渐 高于单一修复的石油降解率,说明供试植物可以与 所添加的微生物共生,通过植物根系分泌物、 微生物 胞外酶及它们生长发育过程中的其他产物共同为石 油污染物的降解提供适宜的微环境。 3 结论 1对照与添加微生物处理污染土壤石油降解 率分别为2514和6710 ,表明微生物修复石油污 染土壤的作用明显,同时也说明中原油田土壤石油 污染环境中存在能够降解石油的微生物群,并可以 通过人工驯化对石油污染土壤进行修复。 2种植向日葵、 狗牙根、 棉花、 高丹草对石油 污染土壤有一定的修复效果。由于试验所用容器较 小,供试植物根系布满容器,造成污染土壤石油降解 率随修复时间的增加而缓慢提高,且4种植物对石 油的降解率较为接近,说明环境因素影响了不同植 物对石油污染物去除能力差异的反映。下一步研究 应设计不同植物对石油污染土壤修复效果的田间试 验以进一步查明其修复能力。 28 生 态 与 农 村 环 境 学 报 第25卷 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 3植物与微生物联合修复污染土壤的石油降 解率均大于微生物或植物单独修复污染土壤的石油 降解率,试验中构建的4种植物与微生物联合修复 能力大小顺序为棉花微生物向日葵微生物 狗牙根微生物高丹草微生物,因此棉花微 生物组合是最具有进一步研究价值的植物-微生物 联合修复组合。 参考文献 [1] CARRAWAY J W, DOYLE J R1Innovative RemedialAction at a Wood2Treating Superfund Site[J ]1Tappi Journal, 1991, 74 7 113 - 1181 [2] 孙清,陆秀君,梁成华 1土壤的石油污染研究进展[J ]1沈阳农 业大学学报, 2002, 335 390 - 3931 [3] 孙东平,胡凌燕,周伶俐,等 1高效石油降解微生物堆制法处 理油污土壤[J ]1环境科学与技术, 2007, 306 86 - 891 [4] 欧阳威,刘红,于勇勇,等 1高羊茅对微生物强化修复石油污 染土壤影响的研究[ J ]1环境污染治理技术与设备, 2006, 7 1 94 - 971 [5] 李方敏,姚金龙,王琼山 1修复石油污染土壤的植物筛选[J ]1 中国农学通报, 2006, 229 429 - 4311 [6] 蔺昕,李培军,台培东 1石油污染土壤植物-微生物修复研究 进展[J ]1生态学杂志, 2006, 251 93 - 1001 [7] 刘鹏,李大平,王晓梅,等 1石油污染土壤的生物修复技术研 究[J ]1化工环保, 2006, 262 91 - 941 [8 ] 张海荣,李培军,孙铁珩,等 1四种石油污染土壤生物修复技 术研究[J ]1农业环境保护,2001,20 2 78 - 801 [9 ] 何翊,吴海,魏薇 1石油污染土壤菌剂修复技术研究[J ]1土 壤, 2005, 37 3 338 - 3401 [10]谢重阁 1环境中石油污染物的分析技术[M ]1北京中国环境 科学出版社, 1987 82 - 831 [11]刘国良,苏幼明,顾书敏,等 1石油污染土壤生物修复研究新 进展[J ]1化学与生物工程,2008, 25 8 84 - 881 [12] WEI S H, ZHOU Q X, ZHANG K S,et al1Roles of Rhizosphere in Remediation of Contaminated Soils and Its Mechanis ms[ J ]1 Chinese Journal ofApplied Ecology, 2003, 141 143 - 1471 [13]李云辉,文荣联,莫测辉 1土壤有机污染的植物修复研究进展 [J ]1广东农业科学, 2007 12 96 - 981 [14]范淑秀,李培军,何娜,等 1多环芳烃污染土壤的植物修复研 究进展[J ]1农业环境科学学报, 2007, 26 6 2007 - 20131 [15 ] GUNTHER T , DORNBERGER U , FR ITSCHE W1Effects of Ryegrass on Biodegradation of Hydrocarbons in Soil[J ]1Chemo2 sphere, 1996, 332 203 - 2151 [16] MACEK T, MACKOVM, KΛJ1Exploitation of Plants for the Removal ofOrganics in Environmental Remediation[J ]1Biotech2 nologyAdvances, 2000, 181 23 - 341 作者简介刘继朝1972 , 男,河南封丘人,博士生,主要 研究方向为生态地质环境治理。E2mail zgddljc1261com 环境保护部“ 土壤污染治理和生态修复项目申报工作研讨会 ” 在南京召开 为做好土壤污染防治与生态修复项目申报工作,环境保护部生态司于2009年3月67日在江苏省南京市举办了土壤污 染治理和生态修复项目申报工作研讨会。来自山西、 内蒙古、 辽宁、 江苏、 浙江等17个省、 自治区、 直辖市环保局厅的负责 同志和技术骨干出席了会议。环境保护部南京环境科学研究所污染场地评估与修复中心承办本次会议。会议会场设在环境 保护部南京环境科学研究所内报告厅,环境保护部南京环境科学研究所高振宁所长应邀出席会议并致辞。 会议邀请环境保护部南京环境科学研究所林玉锁研究员作了“ 土壤污染防治项目申报技术要点 ” 的报告,介绍了农田土 壤污染防治项目申报要点和污染场地综合整治示范项目进展情况。中国科学院南京土壤研究所骆永明研究员作了“ 污染土 壤修复技术研究现状与趋势 ” 的报告,中国科学院沈阳应用生态研究所郭书海研究员作了“ 低浓度石油污染土壤植物-微生 物联合修复 ” 的报告,中国科学院地理科学与资源研究所陈同斌研究员介绍了“ 土壤污染治理和生态修复工程案例 ”,环境保 护部规划财务司房志处长作了“ 中央环保资金的来源使用和申报渠道 ” 的报告,中国环境科学研究院周友亚副研究员介绍了 “ 污染土壤修复技术筛选及修复案例 ” 。环境保护部生态司张山岭处长组织参会代表进行了研讨并作总结讲话。参会代表现 场考察了环境保护部南京环境科学研究所污染土壤治理和生态修复示范工程。 会议为各地在项目筛选立项和申报材料的规范编写等方面提供了技术指导。会议组织和安排得到了参会代表的一致 好评。 王国庆 38 第2期 刘继朝等植物与微生物对石油污染土壤修复的影响