-
高污染的石油烃泄漏点往往含有残留产物和非水相液体,将石油烃连续释放到地下水中,成为地下水污染源[1]。物理和化学修复技术是如今较为常见的修复方法。如物理法中,Yang等[2]使用吸油栏、吸油材料和撇油器等设备封堵地下水体油污的污染扩散。在最优条件下,采用上述物理方法处理石油烃污染地下水,最大回收率为30%上下。化学修复技术方面,经张兴等[3]研究发现,在地下水渗流中,高铁酸钾完全氧化分解低浓度石油烃类有机物效果较好。这些方法通常有较高的操作和维护费用,较高的能源消耗,并可能出现二次污染问题。
由于石油产品的主要成分在不同的环境条件下通常是可生物降解的,因此原位生物修复是一种经济有效的方法[4]。同时,使用微生物的方法处理石油污染物,具有去除效果好、成本低廉、无二次污染的优点,是较为理想的处理手段[5-6]。如Sathishkumar等[7]从石油污染土壤土著微生物中筛出57株石油烃降解菌,其中降解能力较强的4株单菌为IOS1-7、BPS2-6、HPS2-5和BPS1-8,分别属于芽胞杆菌属、棒状杆菌属和假单胞菌属。总体来说,如今国内大量的微生物修复石油烃的研究取得了不少的成果,但是主要集中在修复土壤石油烃的方面。而土壤环境相较地下水环境存在较大的差异性,主要由于地下水具有一定的特异性,如水温,pH以及其流动性等,土壤研究中筛选出的菌种很难适用于地下水中石油烃的降解。因此去研究一种用于地下水石油烃修复的微生物材料是十分具有意义的。
微生物处理法是如今高浓度石油烃地下水治理研究中较为常见的处理方法,处理效果高效并且无二次污染。但生物法在地下水环境中同时存在很多的局限性,如在水体环境中微生物为游离状态,导致部分局部浓度低、菌体易流失。此外,地下水的流动性也让微生物材料不易回收利用,难以进行后续监测以及重复利用。因此,微生物固定化技术成为了地下水生物修复法中研究的热点。为了解决这些问题,使用微生物固定化培养基的技术已经成为日本和欧洲等发达国家的替代技术。自20世纪60年代末以来,微生物固定化培养基开始应用于生物膜理论,人们一直在对微生物固定化技术进行研究,以达到稳定处理地下水中有机物的目的。主要由于微生物固定化技术可使地下水中修复区域的微生物保持所需的密度;同时减少微生物的流失,提高其耐毒害能力;并且可以保护微生物的活性不受水体环境的影响,从而增强降解微生物适应环境的能力,加快反应速度[8]。
在我国如今地下水处理的形式中,固定化微生物技术在处理水污染中有其特有的优势,主要体现在降解多组分的复杂有机污染物上[9-10]。近年来,生物炭应用于固定化微生物的制备受到越来越多的关注。主要因为生物炭来源广泛成本低廉,可以充分实现资源的再利用。从生物炭本身作为吸附材料性能来看,其具有空隙小、比表面积高和体表官能团丰富的特点,具有良好的吸附功能。可以为石油烃降解提供场地,同时微生物也能负载其中。其次,生物炭的物理吸附和微生物降解可同时存在并相互作用,对多种有机物具有清除吸附效果且去除率高。
本研究在地下水中筛选出土著高效石油降解菌,选用玉米生物炭为载体材料,采用吸附法固定石油烃复合降解菌。以柴油模拟石油烃C10—C40组分作为降解底物,研究地下水pH、固定化菌群投加量、石油烃浓度以及微生物固定化时间对地下水中石油烃降解率的影响。使用软件Design-Expert进行响应面法分析,通过4种环境因素的正交实验,分析不同环境因子对石油烃降解的影响程度,最终确定材料的最佳降解环境条件。
生物炭固定化复合菌群修复石油烃污染地下水
Remediation of petroleum hydrocarbon contaminated groundwater by biochar immobilized bacterial consortia
-
摘要: 随着能源工业化的高速发展,如今地下水石油烃污染趋势日益严重。本实验以柴油模拟地下水环境中石油烃C10—C40成分,筛选出两株可以高效降解地下水石油烃的菌株,分别为赖氨酸芽孢杆菌属(Lysinibacillus)和杆菌属(Bacillus)。利用微生物固定化技术,把其制成了一种稳定性较高的基于吸附-降解功能为一体的石油烃降解材料。扫描电镜结果显示,该微生物固定化材料具有较为出色的吸附能力;降解动力学实验表明该材料降解石油烃符合二级动力学模型。采用单因素实验结合响应面法设计正交实验探索该材料最佳环境条件,结果表明,生物炭固定化石油烃降解菌在地下水中使用的最佳条件为:pH值6.93、石油烃初始浓度2803.17 mg·L−1、固定化时间为26.96 h,固定化菌群投加量3.62 g,经过7 d后石油烃降解率可达70.51%。该微生物固定化材料能够较好的适应地下水高浓度石油烃环境,并且显著降低石油烃浓度,研究可对地下水石油烃的修复提供重要的参考依据。Abstract: With the rapid development of energy industrialization, groundwater has been seriously contaminated by petroleum hydrocarbon. In this study, the C10—C40 components of petroleum hydrocarbons in the groundwater were simulated by diesel to screen two strains of efficient petroleum hydrocarbon-degrading bacteria, that is, Lysinibacillus and Bacillus. Then, the petroleum hydrocarbon degradation material with high stability of adsorption and degradation was prepared using microbial immobilization technology. Scanning electron microscopy results indicated that this material had excellent adsorption capacity. The degradation kinetics experiment showed that the degradation of petroleum hydrocarbon followed the second-order kinetic model. Single-factor experiments combined with the response surface method were used to design the orthogonal experiment to explore the optimal conditions for the degradation of this material. By controlling the pH being 6.93, initial concentration of petroleum hydrocarbon being 2803.17 mg·L−1, immobilization time being 26.96 h, and the immobilized microorganisms inoculum being 3.62 g, the best degradation rate of 70.51% was obtained after 7 days. In conclusion, the microbial immobilization material can adapt to the high concentration of petroleum hydrocarbons in groundwater, and significantly reduce the concentration of petroleum hydrocarbons. Our study provides important references for the remediation of petroleum hydrocarbons in groundwater.
-
表 1 固定化菌群石油烃降解动力学模型
Table 1. Kinetic model of petroleum hydrocarbon degradation by immobilized bacteria
反应动力学模型Kinetic model 反应速率方程Reaction rate equation K R2 零级 C=-130.8t+1787.134 −130.8 0.882 一级 lnC=-0.10042t+7.5153 −0.10042 0.925 二级 1/C=7.49×10-5t+5.32×10−5 7.49×10−5 0.963 表 2 固定化菌群实验设计的因素与水平
Table 2. Factors and levels of experimental design of immobilized bacteria
因素
FactorpH 固定化时间/h
Immobilization timeTPH浓度/(mg·L−1)
Concentration投加量/%
Dosage(A) (B) (C) (D) 等级
Level6 12 2000 2 7 24 3000 3 8 36 4000 4 表 3 固定化复合菌石油烃降解实验数据方差分析
Table 3. Variance analysis of the experimental data of petroleum hydrocarbon degradation of immobilized composite bacteria
项目
Project平方和
Square自由度
Degree of freedom均方差
Mean Square Error显著系数
Significance CoefficientModel 1488.23 14 106.30 < 0.0001 A 26.02 1 26.02 0.0290 B 18.93 1 18.93 0.0570 C 0.0456 1 0.0456 0.9203 D 41.44 1 41.44 0.0083 AB 4.43 1 4.43 0.3325 AC 25.00 1 25.00 0.0318 AD 0.2116 1 0.2116 0.8295 BC 2.39 1 2.39 0.4734 BD 7.26 1 7.26 0.2196 CD 1.22 1 1.22 0.6065 A² 1341.82 1 1341.82 < 0.0001 B² 79.93 1 79.93 0.0008 C² 17.53 1 17.53 0.0657 D² 21.34 1 21.34 0.0448 残差 61.57 14 4.40 失拟项 61.52 10 6.15 < 0.0001 净误差 0.0479 4 0.0120 总离差 1549.79 28 -
[1] 于艺彬, 杨四福, 侯愷. 近10年地下水中重金属与石油烃污染物修复研究进展 [J]. 江西化工, 2020(4): 64-69. doi: 10.3969/j.issn.1008-3103.2020.04.021 YU Y B, YANG S H, HOU K. Research Progress on remediation of heavy metals and petroleum hydrocarbons in groundwater in recent 10 years [J]. Jiangxi Chemical Industry, 2020(4): 64-69(in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1008-3103.2020.04.021
[2] YANG D, CHEN S. Use of a novel biopellet to treat total petroleum hydrocarbon contaminated groundwater [J]. Water, 2020, 12(9): 2512. doi: 10.3390/w12092512 [3] 张兴, 杨敏, 柯佳闻, 等. 地下水渗流中高铁酸钾氧化去除石油烃类污染物的试验研究[J]. 广东化工, 2020, 47(9): 159-162. ZHANG X, YANG M, KE J W , et al. Test study on removal of petroleum hydrocarbon contaminants by oxidation of potassium ferrate in groundwater seepage[J]. 2020, 47(9): 159-162(in Chinese).
[4] 张小梅, 孔萌, 邢献杰, 等. 双效工程菌BBb对炼化油泥中总石油烃的降解特性 [J]. 环境化学, 2021, 40(7): 2255-2264. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2020031503 ZHANG X M, KONG M, XING SHAO JIE, et al. Degradation characteristics of total petroleum hydrocarbons in refinery sludge by the dual-acting engineering bacterium BBb [J]. Environmental Chemistry, 2021, 40(7): 2255-2264(in Chinese). doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2020031503
[5] MCGUIRE J T, COZZARELLI I M, BEKINS B A, et al. Toxicity assessment of groundwater contaminated by petroleum hydrocarbons at a well-characterized, aged, crude oil release site. [J]. Environmental science & technology, 2018, 52(21): 12172-12178. [6] 朱超飞, 杨文龙, 董亮, 等. 土壤中的石油类化合物(C10—C40)的快速测定[J]. 环境化学, 2019, 38(1): 224-227. ZHU C F, YANG W L, DONG L, et al. The rapid method to analyze petroleum hydrocarbons (C10—C40) in soil[J]. Environmental Chemistry, 2019, 38(1): 224-227(in Chinese).
[7] SHARMASARKAR S, JAYNES W F, VANCE G F. BTEX sorption by montmorillonite organo-clays: TMPA, Adam, HDTMA [J]. Water, Air, and Soil Pollution, 2000, 119(1/2/3/4): 257-273. doi: 10.1023/A:1005167524630 [8] 韩嘉碧, 吴慧芳, 庄子孟, 等. 固定化微生物技术用于废水处理的研究进展[J]. 江西化工, 2020(4): 50-51. HAN J B, WU H F, ZHUANG Z M , et al. Research progress of immobilized microorganism technology in wastewater treatment[J]. 2020(4): 50-51(in Chinese).
[9] 张小雄. 固定化微生物技术在富营养化水体修复中的应用[J]. 化工管理, 2020(29): 21-22. ZHANG X X. Application of immobilized microorganism technology in eutrophic water remediation [J]. Chemical Enterprise Management, 2020(29): 21-22(in Chinese).
[10] 张鸿郭, 熊静芳, 李猛, 等. 固定化硫酸盐还原菌处理含铊废水效果及其解毒机制[J]. 环境化学, 2017, 36(3): 591-597. ZHANG H G, XIONG J F, LI M, et al. Effect and detoxification mechanism for treating wastewater containing thallium by immobilized sulfate reducing bacteria[J]. Environmental Chemistry, 2017, 36(3): 591-597(in Chinese).
[11] 杨励君. 石油烃测定方法和标准使用建议 [J]. 江西科学, 2019, 37(4): 501-503. doi: 10.13990/j.issn1001-3679.2019.04.006 YANG L J. Suggestions for the method and standard use of petroleum hydrocarbon determination [J]. Jiangxi Science, 2019, 37(4): 501-503(in Chinese). doi: 10.13990/j.issn1001-3679.2019.04.006
[12] 杨慧敏, 曾礼兰, 贺富强, 等. 响应面法优化超压肠杆菌利用黄水生产微生物絮凝剂[J]. 中国酿造, 2020, 39(2): 78-83. YANG H M, ZENG L L, HE F Q, et al. Optimization of microbial flocculant production by Enterobact nimipressualis with Huangshui by response surface methodology[J]. China Brewing, 2020, 39(2): 78-83(in Chinese).
[13] 邵栓, 党晓伟, 李慧娟, 等. 响应面法优化微生物除臭效果的研究[J]. 中国畜牧兽医, 2020, 47(8): 2684-2693. SHAO S, DANG X W, LI H J, et al. Study on optimizing the effectiveness of microbial deodorization by response surface methodology[J]. China Animal Husbandry & Veterinary Medicine, 2020, 47(8): 2684-2693(in Chinese).
[14] PARTHIPAN P, PREETHAM E, MACHUCA L L, et al. Biosurfactant and degradative enzymes mediated crude oil degradation by bacterium Bacillus subtilis A1[J]. Frontiers in Microbiology, 2017. [15] 钟磊, 卿晋武, 陈红云, 等. 微生物修复石油烃土壤污染技术研究进展 [J]. 生物工程学报, 2021: 1-17. doi: 10.13345/j.cjb.210115 ZHONG L, QING J J, CHEN H Y, et al. Progress in microbial bioremediation of petroleum-hydrocarbon-contaminated soil [J]. Chinese journal of biotechnology, 2021: 1-17(in Chinese). doi: 10.13345/j.cjb.210115
[16] 任静, 沈佳敏, 张磊, 等. 生物炭固定化多环芳烃高效降解菌剂的制备及稳定性[J]. 环境科学学报, 2020, 40(12): 4517-4523. REN J, SHEN J M, ZHANG L, et al. Preparation and stability of biochar for the immobilization of polycyclic aromatic hydrocarbons degradating-bacteria[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2020, 40(12): 4517-4523(in Chinese).
[17] 白鹭, 吴春英, 谷风. 固定化微生物对石油污染土壤修复条件优化研究 [J]. 有色金属(冶炼部分), 2021(3): 51-56. BAI L, WU C Y, GU F. Study on optimizing of immobilized microorganisms on remediation conditions of petroleum-contaminated soil [J]. Nonferrous Metals(Extractive Metallurgy), 2021(3): 51-56(in Chinese).
[18] 李敏, 李婷婷, 彭湃, 等. 石油烃降解菌降解性能及其对含油土壤的修复 [J]. 辽宁化工, 2021, 50(2): 127-130. doi: 10.3969/j.issn.1004-0935.2021.02.001 LI M, LI T T, PENG P, et al. Degradation performance of petroleum hydrocarbon degrading bacteria and its remediation of oil-bearing soil [J]. Liaoning Chemical Industry, 2021, 50(2): 127-130(in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1004-0935.2021.02.001
[19] 李琦. 鼠李糖脂强化石油污染土壤植物—微生物联合修复研究[D]. 西安: 西安建筑科技大学, 2011. LI Q. The effect of rhamnolipid on phytoremediation and microbial remediation of petroleum contaminated soil[D]. Xi'an: Xi'an University of Architecture and Technology, 2011(in Chinese).
[20] 张利军. 微生物渗透性反应墙原位修复石油烃污染地下水研究[D]. 兰州: 兰州理工大学, 2016. ZHANG L J. The Study on the petroleum hydrocarbon contaminates the groundwater renovation by the permeable reactive barrier of microorganisms[D]. Lanzhou: Lanzhou University of Technology, 2016(in Chinese).
[21] 张秀霞, 单宝来, 张剑杰, 等. 降解菌HJ-1降解石油动力学[J]. 中国石油大学学报(自然科学版), 2009, 33(5): 140-143. ZHANG X X, SHAN B L, ZHANG J J, et al. Kinetics on strain HJ-1 degrading petroleum[J]. Journal of China University of Petroleum (Edition of Natural Science), 2009, 33(5): 140-143(in Chinese).
[22] KRISHNA K K, KERYN L S, PAWEL P S, et al. A complementary approach to identifying and assessing the remediation potential of hydrocarbonoclastic bacteria [J]. Journal of Microbiological Methods, 2012, 88(3): 348-355. doi: 10.1016/j.mimet.2011.12.006 [23] 栾庆祥, 赵杨, 周欣, 等. 单因素试验结合响应面分析法优化杜仲最佳提取工艺 [J]. 药物分析杂志, 2013, 33(5): 859-865. doi: 10.16155/j.0254-1793.2013.05.002 [24] LUAN Q X, ZHAO Y, ZHOU X, et al. Optimization on extraction technology for Eucommia ulmoides by single-factor experiment combined with response surface methodology [J]. Chinese Journal of Pharmaceutical Analysis, 2013, 33(5): 859-865. [25] 赵颖, 王亚旻, 卫皇曌, 等. 响应面法优化污泥炭催化湿式过氧化氢氧化降解间甲酚模拟废水 [J]. 环境化学, 2016, 35(3): 516-525. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2016.03.2015100801 ZHAO Y, WANG Y M, WEI H Z, et al. Optimization of m-cresol degradation by sludge-derived carbon in catalytic wet peroxide oxidation using response surface methodology [J]. Environmental Chemistry, 2016, 35(3): 516-525(in Chinese). doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2016.03.2015100801