垫土法植物修复石油污染土壤的试验研究

赵 敏,张海玲,杨 琴,冀仲伦,王京秀,张忠智,陈 荣,陈 啸

(1.中国石油长庆油田分公司油气工艺研究院,陕西西安710018;2.中国石油大学(北京)重质油国家重点实验室,北京102249;3.北京中科润石油技术服务有限公司,北京100000)

垫土法植物修复石油污染土壤的试验研究

赵 敏1,张海玲1,杨 琴1,冀仲伦1,王京秀2,张忠智2,陈 荣3,陈 啸3

(1.中国石油长庆油田分公司油气工艺研究院,陕西西安710018;2.中国石油大学(北京)重质油国家重点实验室,北京102249;3.北京中科润石油技术服务有限公司,北京100000)

进行了紫花苜蓿、白三叶、黑麦草和苇状羊茅在不同浓度石油污染土壤中的存活率实验、石油降解实验和在水培养条件下的根部生长观察实验,并采用垫土法对高浓度石油污染土壤进行了120 d的植物修复实验。结果表明,禾本类植物黑麦草和苇状羊茅比豆科类植物紫花苜蓿和白三叶更适于石油污染土壤的修复;垫土法可使植物种子发芽生根,增强了植物对石油污染的抗胁迫能力,但植物产生了大量高毒性的芳烃代谢产物,对根际微生物产生毒害,因而芳烃组分降解效率低;禾本类植物明显优于豆科类植物,在一定程度上更适合修复高浓度石油污染土壤。

垫土法;植物修复;石油污染土壤;石油降解

植物修复是利用植物来固定、修复、减少或复原被污染的土壤、沉积物、地表或地下水[1,2]。在油污场地栽种植物进行修复涉及到一个重要的因素,即植物必须能够存活。在种植前,发芽试验可用来判断植物是否能成功用于修复试验[3]。例如,Kruger等[4]测试了4种草类植物(苇状羊茅,多年生黑麦草,Reliant硬羊茅和拿骚肯塔基牧草)种子在每千克土含有220 mg多环芳烃和26 mg多氯联苯的土壤中的发芽率,结果表明苇状羊茅的发芽率最高;Wiltse等[5]发现苜蓿种子可以在原油含量高达5%(质量分数)的污染土壤中存活;Escalante-Espinosa等[6]报道当地一种草Cyperuslaxus Lam.能够在石油烃含量为20%～40%(质量分数)的污染土壤中生长;Pettersson等[7]通过交替设置柴油污染土壤与无污染土壤,研究了黑麦草的根系空间分布以及根部生物质变化,结果表明,在柴油污染土壤上垫上一层无污染土可以促进黑麦草的发芽与生根。

作者在此选择紫花苜蓿、白三叶、黑麦草和苇状羊茅4种植物,通过在不同浓度石油污染土壤中的存活率实验、石油降解实验和在水培养条件下的根部生长观察实验,筛选得到更适于石油污染土壤修复的植物,并采用垫土法考察了它们对高浓度石油污染土壤的植物修复效果。

1 实验

1.1 供试土壤与植物

实验用土壤分别取自长庆油田和堆肥处理过的石油污染土壤,含油量分别为8.25 g·kg-1(干土)和33.271 g·kg-1(干土)。

紫花苜蓿、白三叶、黑麦草和苇状羊茅。

1.2 试剂与仪器

所用试剂均为分析纯。

RQX-300B型智能型人工气候箱、OIL-420型红外测油仪、索氏抽提器、光学显微镜、MC1系列AC型电子天平、101-3AB型电热鼓风干燥箱、圆型塑料花盆(高15 cm、直径10 cm)。

1.3 方法

1.3.1 供试植物在不同浓度石油污染土壤中的存活率实验

采用质量稀释法[8,9]将长庆油田污染土样的含油量分别稀释到1 g·kg-1、2 g·kg-1、3 g·kg-1和4 g ·kg-14个浓度梯度。塑料花盆底均匀分布3个直径为2 cm的圆孔。各加入8 kg不同浓度石油污染的土壤,加水至土壤最大饱和持水量,放置5 d后分别种植4种供试植物(各取30粒种子),平行浇灌操作,室内培养。播种30 d后对其最终存活数进行统计。设置一盆无污染土壤种植对照样。

1.3.2 供试植物在不同浓度石油污染土壤中的石油降解实验

采用质量稀释法将长庆油田污染土样的含油量分别稀释到2 g·kg-1和4 g·kg-1两个浓度梯度,各取30粒4种供试植物种子种植于不同浓度石油污染的土壤中,平行浇灌操作,室外自然培养60 d。以20 d为周期,对植物根际土壤中可提取石油浓度进行测定,按梅花方式进行取样[10]。设置一盆无污染土壤种植对照样。

1.3.3 供试植物在水培养条件下的根部生长观察实验

取4种供试植物种子各30粒,放入培养皿中,加入50 m L水,并用标签笔标出水位高度,将培养皿放入智能人工气候箱。调节人工气候箱为:白天16 h,温度28℃,光照66%;夜间8 h,温度20℃,湿度60%。每天上午10点和下午4点用显微镜观察培养皿中供试植物种子的根部生长情况,并不断添水使培养皿中的水位维持不变。

1.3.4 垫土法植物修复高浓度石油污染土壤实验

将含油量为33.271 g·kg-1的土壤按1∶1的比例加水调成泥浆,搅拌均匀后40℃烘干。每个花盆盛放1 kg干土,高度为10 cm,在其上垫一层经过高温灭菌处理(121℃,1 h)的5 cm厚的无污染耕作土壤,保持含水率20%左右,在人工气候箱中放置平衡7 d后播种,每盆播种量为1 g,约400粒种子。调节人工气候箱为:白天16 h,温度24℃,光照强度6000 lx,湿度80%;夜间8 h,温度20℃,湿度80%。花盆用尼龙纱布垫上,取样时将整个纱布连土提起,用灭菌的不锈钢小勺从土墩侧面横向挖开约1 cm深再取内部土壤。每次从土表下5 cm和10 cm处分别采集等量土壤,混匀,存于低温冰箱待分析。

2 结果与讨论

2.1 供试植物在不同浓度石油污染土壤中的存活率(图1)

图 1 供试植物在不同浓度石油污染土壤中的存活率Fig.1 Survival amounts of the tested plants in different concentrations of oil-contaminated soil

由图1可知,当土壤中石油浓度相同时,4种植物种子的存活率各不相同,说明不同植物的存活率由于其自身物种的不同而存在明显的差别,其中禾本类植物黑麦草和苇状羊茅的存活率比豆科类植物紫花苜蓿和白三叶要高出约17%。4种植物存活率均与土壤中的石油浓度成反比,即污染土壤中的石油浓度越高,植物存活率越低。总体来说,禾本类植物苇状羊茅和黑麦草在污染土壤中的存活率明显高于豆科类植物紫花苜蓿和白三叶,说明其对石油的抗胁迫能力更强。

2.2 供试植物在不同浓度石油污染土壤中对石油的降解效果(图2)

图2 不同浓度石油污染土壤中可提取石油的浓度Fig.2 Concentration of extractable petroleum in different concentrations of oil-contaminated soil

由图2可知,4种植物紫花苜蓿、白三叶、黑麦草和苇状羊茅在石油浓度为2 g·kg-1的污染土壤中对石油的降解效果普遍要比石油浓度为4 g·kg-1的土壤好,降解率分别高出1.22%、4.67%、3.00%和3.05%,说明在不考虑修复植物物种差异的情况下,修复植物对石油污染物的降解效果与土壤中的石油浓度成反比,即石油污染浓度越高,降解效果越差,越不容易为植物及其根际环境所降解。

在两种不同浓度石油污染的土壤中,禾本类植物黑麦草和苇状羊茅对石油的降解效果均好于豆科类植物紫花苜蓿和白三叶:在石油浓度为2 g·kg-1的土壤中降解率平均高出4.95%;在石油浓度为4 g·kg-1的土壤中降解率平均高出4.87%。其次,在2种不同浓度石油污染的土壤中,植物物种间修复效果好坏的顺序均为:苇状羊茅＞黑麦草＞紫花苜蓿＞白三叶。研究表明,禾本类植物苇状羊茅和黑麦草比豆科类植物紫花苜蓿和白三叶在石油污染土壤植物修复过程中具有更大的修复应用潜力。

2.3 供试植物在水培养条件下的根部生长情况

豆科类植物根尖分裂作用如图3所示。4种植物在水培养条件下的根部生长显微照片如图4所示。

图3 豆科类植物根尖分裂作用Fig.3 Root division function of leguminosae

图4 供试植物根部生长状况显微照片Fig.4 Microscopic images of the tested plants roots

由图3和图4可知,豆科类植物紫花苜蓿和白三叶的根部在前期生长过程中,主要依靠根尖部分的分裂裂作用且几乎没有侧根,所需水分和营养物质主要通过根尖吸收;另外,豆科类植物本身生长迅速,对水分和营养的要求比较高,很容易萎蔫死亡。而在禾本类植物苇状羊茅和黑麦草的根部生长过程中,其主根和侧根同时生长,而且侧根系很发达。侧根发达可以为植物提供更大的根部有效面积,扩大植物根际降解环境的有效范围;而在侧根和主根同时生长的过程中,侧根可以对植物起到良好的固定作用,并具有吸收水分和营养物质的功能,在植物主根和根尖受到部分损害的情况下,侧根可以分担主根根尖吸收水分和营养物质的负荷,提高植物在石油污染土壤的存活能力,这对于植物在石油污染土壤的恶劣环境中的生长至关重要;另外,禾本类植物的生长速度比较慢,对水分和营养物质需求不是很高,这就更利于其在石油污染环境中存活,进一步说明禾本类植物比豆科类植物更适于石油污染土壤的修复。

2.4 垫土法修复高浓度石油污染土壤的效果

采用垫土法植物修复高浓度石油污染土壤的效果见表1。

表1 石油类污染物降解效果Tab.1 Degradation results of oil pollutants

垫土法可使黑麦草、紫花苜蓿及苇状羊茅发芽生根,并在实验初期长势旺盛。但根系基本一直在上层的无污染土层中,只有苇状羊茅的少量根系深入下层油土。到第120 d时,黑麦草与紫花苜蓿都枯死,苇状羊茅也只有少数草株存活。

由表1可知,经过120 d的降解后,种植有禾本类及豆科类植物的土壤中石油降解率都显著高于无种植土样。虽然后期除苇状羊茅外的植株都枯萎,但残根腐解提供的营养还是对微生物降解起到了一定作用。最终发现,经过120 d修复后,苇状羊茅根际土壤石油类污染物总去除率为19.3%,是最适合修复高浓度石油污染土壤的禾本类植物。

以120 d时苇状羊茅根际土壤提取出的石油进行气相色谱-质谱分析,并与初始时的谱图进行比较,结果见图5、图6,芳烃代谢中间产物的质谱见图7。

图5 苇状羊茅根际烷烃(m/z 85)质量色谱Fig.5 GC-MS Chromatograms for alkane hydrocarbons(m/z 85)in rhizosphere of tall fescue

图6 苇状羊茅根际芳烃质量色谱Fig.6 GC-MSChromatograms for aromatic hydrocarbons in rhizosphere of tall fescue

图7 芳烃代谢中间产物的MS图谱Fig.7 GC-MSSpectra for aromatic metabolic intermediate products

由图5可知,主要的烷烃,即十七烷到二十四烷都有不同程度的降解,其中2,6,10,14-四甲基十五烷由于存在支链,降解率稍低。气相色谱基线呈“鼓包”,表明样品中含有大量的UCM(Unresolved complex mixture)。由图6可知,芳烃色谱图中在实验开始时就已经检索不到原始态的芳香烃,这可能是堆肥处理之前土样中芳香烃含量就较低,经过堆肥处理后基本都转化为代谢产物了。大量的芳烃中间产物的存在,可能是导致这种污染土壤对植物具有较高毒性的原因。如保留时间为37.94 min、35.85 min和33.17min的谱峰对应的物质含量分别为3.32%、3.13%和1.05%。而且在修复120 d后,芳烃色谱图变化很小,这说明土壤中缺乏能够进一步代谢这些中间产物的微生物,或者是这类微生物不占优势,难以代谢这些中间产物,芳烃组分的降解效率低。虽然土壤中存在很多微生物能进行芳烃的初始代谢,但接下来的中间产物是需要多种微生物协同作用才能进一步代谢的。

3 结论

以紫花苜蓿、白三叶、黑麦草和苇状羊茅为供试植物进行了一系列的实验,并采用垫土法对高浓度石油污染土壤进行植物修复,研究表明:

(1)豆科类植物紫花苜蓿和白三叶具有发芽、生长速度快的特点,但对石油污染物的降解效果相对较差;而禾本类植物黑麦草和苇状羊茅的生长速度相对较缓慢,但对石油污染物的抗胁迫能力强,更容易生存,须根系发达,而且侧根和主根同时生长,更适于石油污染土壤的修复。

(2)采用垫土法能够增强植物对高浓度石油的抗胁迫性。

(3)总体而言,禾本类植物明显优于豆科类植物,在一定程度上更适合修复高浓度石油污染土壤。

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[10] 何燧源.环境污染物分析监测[M].北京:化学工业出版社,2001: 77-80.

Experimental Study on Phytoremediation of Oil-Contaminated Soil Using Filling Soil Method

ZHAO Min1,ZHANG Hai-ling1,YANG Qin1,JI Zhong-lun1,WANG Jing-xiu2, ZHANG Zhong-zhi2,CHEN Rong3,CHEN Xiao3
(1.Research Institute of Oil and Gas Technology,Changqing Oilfield Branch Company PetroChina, Xi'an 710018,China;2.the State Key Laboratory of Heavy Oil,China University of Petroleum, Beijing 102249,China;3.Beijing Greenoil Technology Services Co.,Ltd.,Beijing 100000,China)

In this paper,the survival test and oil-degradation test of alfalfa,white clover,ryegrass and tall fescue in different concentrations of oil-contaminated soil were carried out,and the root growth under water condition was also observed.Filling soil method was used to treat high concentration of oil-contaminated soil in 120 days of phytoremediation.The results showed that,ryegrass and tall fescue of gramineae were much better than alfalfa and white clover of leguminosae in application of remediation of oil-contaminated soil;filling soil method could make the tested plants germination root and increase the resistance to oil pollution,but plenty of highly toxic aromatic metabolites were produced,while there was a lack of microorganisms that degraded them, so the degradation efficiency of aromatic components was low.In a word,the gramineae plants were superior to the leguminosae plants obviously and suitable for remediation of high concentration of oil-contaminated soil to some extent.

filling soil method;phytoremediation;oil-contaminated soil;oil-degradation

X 53

A

1672-5425(2013)03-0090-05

10.3969/j.issn.1672-5425.2013.03.024

2013-01-03

赵敏(1983-),女,陕西西安人,硕士,工程师,研究方向:油气田环保技术;通讯作者:张忠智,教授,博士生导师,E-mail: bjzzzhang@163.com。