石油原油在水中的微生物降解

张双翼

(上海城市水资源开发利用国家工程研究中心有限公司， 上海 200082)

石油原油的意外泄漏危害着水体水质，给水生态系统带来严重的不良影响[1-2]。对于下游地区的水源地，探索有效去除原油污染物的方法至关重要。化学分散剂被广泛应用于清理机械处理无法触及的漏油区域[3]，可将原油分散成细小的油滴悬浮在水体中，促进原油在水中的去除[4-5]。相较于物理分散(例如机械搅拌)，化学分散(添加分散剂)能更有效地提高原油油滴分散在水体中的稳定性，防止其重新结合后上浮到水体表面，降低微生物降解速度[6]。除了化学分散剂，补充营养剂也能有效促进微生物的活动，提高微生物降解原油的速度[7]。笔者通过微生态实验，比较了在有氧的状况下物理分散和化学分散对微生物降解水中石油原油的影响，同时评估了营养剂对微生物降解效果的促进作用。

1 试验材料与方法

1.1 原油与水的混合液

向底部设有采样口的2个瓶子中分别加入4 L水样，在采用磁力搅拌机搅拌的过程中，分别缓慢加入20 mL石油原油。提高搅拌速度至水流漩涡触及瓶子底部，使气泡回荡在水样中，以保证水样与原油之间充分搅拌。对于化学分散组，将2 mL分散剂缓缓加入处于搅拌状态的水油混合液中；物理分散组则保持水油混合液的搅拌，不加入任何化学分散剂。将2组水油混合液持续搅拌16 h后，静置30 min，采集水样并检测。

1.2 微生态试验

有氧生物降解原油过程中的主要指标，包括原油去除率、氧气消耗量和CO2产生量，都通过密封的呼吸循环微生态系统测得。用NaOH溶液吸收系统中微生物降解原油所产生的CO2，并通过用硫酸滴定至pH值为8.3计算总量。微生态系统的侧边连接1个带有刻度的氧气针管，当系统因为氧气消耗而发生气压变化时，针管可以补充氧气，并可从刻度上读取消耗的氧气量。

每个实验条件下，都进行3个平行样本并取平均值。共设置了54个微生态实验系统，包括24个化学分散组(12组加营养剂+12组不加营养剂)，24个物理分散组(12组加营养剂+12组不加营养剂)，以及3个化学分散控制组和3个物理分散控制组(见表1)。每个微生态系统中加入100 mL相应的水油混合液。营养剂投加量为100 mg NO3-N/L以及10 mg PO4-P/L。控制组加入0.5%的叠氮化钠(NaN3)，灭活水样中的微生物，与其他组别进行对比。所有的微生态系统被置于15±0.5 ℃的培养箱中，在摇床上以140 r/min的转速摇摆，在稳定的微生物降解温度下，确保原油与水样的混合。

表1 微生态系统的设置Tab.1 Setup of the microcosms

1.3 原油浓度的测定

每种组别的3个平行密封样品分别在培养0，14，28和42 d后打开，并测定水样中的原油浓度。通过液液萃取，用二氯甲烷(DCM)在分液漏斗中将原油从水样分离到1个24 mL的玻璃样品瓶中，并对收集到的油样进行称重。

2 结果与讨论

2.1 微生态系统中原油浓度的变化

物理分散的有营养组原油初始浓度(第0 d)为0.020±0.003 g/L，无营养组的初始浓度为0.017±0.001 g/L。化学分散组的原油初始浓度比物理分散组高10倍左右：有营养组为0.304±0.095 g/L，无营养组为0.298±0.042 g/L。总体上，物理分散组的原油初始浓度无论是投加营养与否均低于化学分散组。这说明，化学分散剂能更稳定地将原油分散成细小的油滴并悬浮在水样中，而不是结合成大颗粒上浮回到水样的表面，削弱微生物的降解作用。

从图1中看出，无论是否投加营养剂，物理分散组的原油浓度在整个培养过程中基本没有变化，最终的原油浓度与物理控制组基本一致。说明在物理分散组中由于原油分散不理想，未发生微生物降解。

另一方面，培养14 d后，添加营养剂的化学分散组对原油的去除率为24%，未加营养剂的去除率在14%左右。此后一直到42 d，无论投加营养剂与否，化学分散组都未发现更多的微生物降解。营养剂的投加促进了微生物的生长，使原油的微生物降解效果进一步提高，将原油去除率提高了近2倍。

图1 各个组别中原油浓度的变化Fig.1 Variation of oil concentration in each group

第42 d后打开的化学控制组中，原油浓度与初始浓度相同，没有变化，经过灭活的微生态系统未发生任何微生物降解。这也说明在其他化学分散组中，微生物降解是去除水样中原油的可行方法，直接使原油浓度降低。

2.2 氧气的消耗量

微生物对原油的降解与其呼吸循环有密切的关系，因此监测微生态系统中的氧气消耗量也可以从另一方面反映微生物降解原油的程度。从图2可以看出，与原油去除率的趋势相同，投加营养液后的化学分散组消耗了最多的氧气，明显高出其它组别。2个物理分散组经过42 d培养后，氧气消耗量小于15 mg。对于化学分散组，投加营养剂的试验组氧气消耗量累计为42.24 mg，而不投加营养剂的组别则只有11.71 mg。较高的氧气消耗量支持了微生物的生长，也促进了原油的去除。

图2 微生态系统中氧气的消耗量Fig.2 Consumption of oxygen in the microcosms

2.3 二氧化碳的产生量

试验中发现，二氧化碳产生量的变化趋势和氧气消耗量一致，如图3所示。物理分散组中产生的CO2很少，培养42 d后只有0.44 mg。在投加了营养剂的化学分散组中，CO2产生量在前14 d快速增长到3.7 mg，并在42 d时上升到16.34 mg。在未投加营养剂的化学分散组中，42 d时的CO2产生量为0.74 mg。与其他组别比较，投加了营养剂的化学分散组持续、大量地消耗了氧气并产生二氧化碳，有效地去除了水样中24%的原油。

图3 微生态系统中二氧化碳产生量Fig.3 Production of carbon dioxide in the microcosms

3 结语

① 化学分散剂能将水中泄漏的原油分散成小的油滴并稳定悬浮在水样中，提高了油滴的稳定性，促进微生物对原油的有效降解。

② 在化学分散后投加营养剂有助于微生物的生长，进一步促进其对原油的降解效果，将原油的去除率从未投加营养剂时的14%提升至24%。

③ 化学分散和营养剂投加，促进了水样中微生物的呼吸循环，第42 d的氧气消耗量为42.24 mg，是其他组别的4倍，二氧化碳产生量大约是其他组的20倍。

④ 在化学分散剂与原油体积比为1 ∶10并联合投加营养剂的情况下，采用微生物降解能有效去除水中泄漏原油。