船舶溢油后海岸带生物的修复模拟

樊鑫,池连宝,刘璐*

1.山东交通学院船舶与港口工程学院,山东 威海 264200;2.中国科学院海洋研究所,山东 青岛 266071

0 引言

随航运业的蓬勃发展,船舶溢油事故时有发生,海上石油运输导致的溢油事故对海洋生态环境造成的影响最为恶劣。统计显示,因运输事故和海上油井井喷事故,包括船舶与石油设施间的碰撞事故、船舶搁浅事故、油轮与其他船舶间的碰撞事故等,全球每年造成的溢油高达2 200万t[1]。1989-03-24,Exxon Valdez号油轮在美国阿拉斯加州威廉王子湾水域触礁引发溢油事故,导致5万t原油流入威廉王子湾,对海洋环境造成严重污染[2]。我国也是海上船舶溢油事故频发的国家,溢油污染对海洋渔业、旅游业及生态环境造成巨大损害。如2018-01-06,巴拿马籍油船“桑吉”因碰撞造成所载13.6万t凝析油泄漏并爆燃,近2000 t燃料油溢出[3]。石油包含数千种不同的碳氢化合物,例如正构烷烃、多环芳烃和树脂等[4],成分极其复杂,化学性质稳定,不易自然降解。石油成分中还包含多种毒性物质,如多环芳烃有致突变性和致癌性[5]。一旦发生海上溢油事故,石油污染物随洋流、季风和船舶运动等向外扩展,侵入海岸带区域,并在潮汐和波浪的作用下黏附在沙子和鹅卵石上[6],例如1978 年Amoco Cadiz 触礁泄漏22.3万t石油,严重污染了法国布列塔尼半岛附件的海岸线[7]。研究表明,石油可渗透到潮平沉积物中,甚至可渗透到海平面以下4 m的地方。处理石油的材料可能无法到达沉积物底部的污染层,去除石油的难度较大[8]。若无有效的清除措施,石油污染物可能在沿海地区停留100 a甚至更长时间,对沉积环境、生物多样性和人类健康造成不可逆转的破坏。因此,解决近海沉积物石油污染问题具有重要的现实意义。

处理近海沉积物石油污染可采用物理处理法、化学处理法、燃烧法和生物修复法等。生物修复是指采用生物催化降解环境污染物,减小或最终消除环境污染的受控或自发过程,是在微生物降解基础上发展起来的新兴环保技术。与传统的化学修复和物理修复相比,生物修复投资小,操作简单,不易产生二次污染[9]。海岸带沉积物石油污染修复研究始于20世纪70年代,研究证明多种生物可提高沉积物中石油的去除效率。如Euliss等[10]研究发现莎草、柳枝稷和甘草可有效去除港口沉积物中的原油,经过1 a的修复处理,总石油烃的去除率为70%。Moubasher等[11]利用八角子及其根际微生物对油污土壤进行生物修复试验,5个月后总石油烃的去除率为31.2%～57.7%。李彤等[12]研究证明,加入蚯蚓后,经过60 d的修复试验,紫茉莉、香凤仙和西伯利亚鸢尾等3种植物的石油去除率分别提高9.39%、9.08%、6.52%。Tian等[13]发现,双齿围沙蚕可通过生物扰动作用增强沉积物再悬浮过程,将沉积物中的石油烃组分带到水体中降解。

微生物强化是石油污染生物修复技术的关键方法,目前已发现超过200种细菌、真菌和酵母菌可降解石油烃[1]。恶臭假单胞菌和游海假单胞菌已被证实能有效去除石油烃。Zheng等[14]从墨西哥北巴拉塔里亚湾的互花米草根部分离出恶臭假单胞菌,并测试其降解石油的能力(石油烃与沉积物的体积比为1%),结果显示,试验25 d后水中总石油烃的去除率为61.01%。恶臭假单胞菌还能不同程度地降解萘、菲、丙二烯和苯并[a]芘[15]。Wang等[16]发现,在柴油与培养液的体积比为1 mL/L的柴油培养基中添加游海假单胞菌,15 d后柴油的去除率为40%。恶臭假单胞菌和游海假单胞菌降解石油的能力显著。但上述研究多采用单一生物降解石油,总石油烃的去除率较低,修复时间较长。

本文采用改进的盆栽试验设计模拟海岸带溢油生物修复过程。以石油降解菌、近岸大型优势底栖动物多毛类双齿围沙蚕(Nereissuccinea)和盐沼先锋植物翅碱蓬(Suaedaheteroptera)为修复主体,分析不同生物修复组合对海岸带石油污染的适用性和应用效果,以期为生物联合处理石油污染沉积物提供技术依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验原材料

修复试验所用土壤采自辽宁省金州沿海滩涂,总有机碳、总氮、总磷与土体的质量比分别为6.02、0.38、0.42 mg/g。干燥后经筛孔直径为0.425 mm的分样筛(40目)筛选,去除碎石和杂质后备用。

修复试验所用石油为低黏度高蜡中质石油,其理化性质如表1所示[17]。

表1 低黏度高蜡中质石油的理化性质

1.2 生物修复主体

双齿围沙蚕是河口和湿地沉积环境中的主要优势多毛类动物,以沉积物中的营养为生,环境适应性强、耐污染。试验用双齿围沙蚕每只质量为1.5～2.5 g,完整个体,采自山东乳山。

翅碱蓬是广泛分布于滨海湿地的一年生草本植物,对石油、重金属等环境污染有一定的耐受性。试验用翅碱蓬采自辽宁金州海岸带。

试验用石油降解菌为恶臭假单胞菌(Pseudomonasputida)和游海假单胞菌(Peudoalteromonashaloplanktis)混合剂。

1.3 试验设计

设计沉积物中石油的质量比为1 500 mg/kg,设置石油降解菌组(A组)、沙蚕-石油降解菌组(B组)、翅碱蓬-石油降解菌组(C组)和沙蚕-翅碱蓬-石油降解菌组(D组)等4种生物修复处理组,并设置空白组对照。每个处理组进行3次重复试验。

准备4个海岸带石油污染修复试验箱,每个试验箱由上箱体和下箱体组成,如图1所示。上箱体尺寸为0.45 m×0.31 m×0.20 m,下箱体尺寸为0.60 m×0.40 m×0.15 m。每个试验箱的上箱体底部有若干用于储存和释放海水的网格渗水孔,上箱体内装10 kg土壤,厚约10 cm。各试验箱内石油降解菌初始菌落1.0×107,每个试验箱放置25条双齿围沙蚕,种植25株翅碱蓬。所有试验箱随机置于温室内,自然光照,温度为25～35 ℃,相对湿度为60%～70%。进行修复试验60 d,每天早、晚将适量海水倒入上箱体,模拟海岸带水位变化,并收集下箱体底部渗出的海水,重新倒入上箱体内,以保证测试结果准确。

图1 海岸带石油污染修复试验箱示意图

1.4 样品采集与测定

分别在修复试验开始时、15、30、45、60 d采集沉积物样品,测定总石油烃与沉积物的质量比。用直径为0.6 cm的PVC管以X形布点法采集5个沉积物样品,混合均匀后置于背阴通风的环境中自然风干后待测。

采用荧光分光光度法测定沉积物中总石油烃与沉积物的质量比[15]。准确称取1.0 g干燥沉淀物置于50 mL离心管中,加入6 mL二氯甲烷,在30 ℃下超声提取2次,每次15 min。在离心机中以转速为4000 r/min运行10 min,将上清液稀释至定容后,采用荧光分光光度计测定总石油烃质量,荧光分光光度计的设定参数为:激发波长Ex=310 nm,发射波长Em=360 nm。

总石油烃去除率

E=(P0-Pt)/P0× 100%,

式中:P0为总石油烃与沉积物的初始质量比,Pt为修复试验td后总石油烃与沉积物的质量比。

2 结果与讨论

2.1 不同生物修复组对总石油烃的去除率

在修复试验各阶段,5个修复处理组总石油烃与沉积物的质量比及总石油烃的去除率变化如表2所示。

表2 修复试验各阶段5个修复处理组总石油烃与沉积物的质量比和总石油烃的去除率

由表2可知:各修复处理组总石油烃与沉积物的质量比随修复试验时间的增大明显下降,而总石油烃的去除率明显上升。4个生物处理组的石油去除效果在整个试验过程中均显著优于空白组(显著性水平P<0.05),D组的总石油烃去除率在修复试验各阶段均最高。进行修复试验60 d后,4个生物修复组的总石油烃去除率依次为27.3%、36.7%、38.3%、44.5%,显著高于空白组的10.7%(P<0.05)。结果证实双齿围沙蚕、翅碱蓬、恶臭假单胞菌和游海假单胞菌混合剂3种生物修复主体均可加速石油污染物的降解。

B、C、D组的总石油烃去除率均比A组高,表明多种生物联合修复效果优于单一降解细菌。这可能有两方面原因:一方面,翅碱蓬根系可释放如氨基酸、糖和酶等有机化合物,增强细菌种群和活性,即根际效应[18],植物-细菌联合修复被石油污染的沉积物,对总石油烃的去除效果优于单一生物修复;另一方面,双齿围沙蚕引起的干扰或生物通气过程可改善沉积物的生活条件,促进细菌和植物的生长,也可增加细菌对石油烃的生物利用度[19-20]。

翅碱蓬根系分泌物、微生物活动和双齿围沙蚕的生物扰动为沉积物中石油烃的降解提供有利条件。双齿围沙蚕和蚯蚓可有效提高土壤中石油的去除率[13,21-22]。

2.2 各试验阶段总石油烃的去除速率

总石油烃的日平均去除速率

v=Ei/t,

式中:Ei为不同阶段总石油烃去除率,%;t为各阶段时间。

不同修复试验阶段总石油烃的日平均去除速率如表3所示。由表3可知:4个生物修复组总石油烃的日平均去除速率显著高于空白组(P<0.05)。除36～45 d阶段外,在其他修复阶段,D组总石油烃的日平均去除速率最高,D组在修复试验的4个阶段总石油烃的日平均去除速率分别为1.08%、1.20%、0.39%、0.29%。

表3 各生物修复组不同阶段总石油烃去除速率

各生物修复组总石油烃的日平均去除速率在修复试验前30 d增大,超过30 d后减小,各生物修复组总石油烃的最大日平均去除速率出现在修复试验16～30 d阶段。这可能是因为在修复试验开始时,每种生物修复主体须适应新环境;在修复试验后期,营养物质,如氮和磷的消耗限制了微生物的生长。由生物刺激原理可知,养分含量较高的土壤更能维持微生物的生长,营养增强的生物修复过程可提高石油烃的生物去除率[1]。经试验表明,将土壤中氮、磷的含量增大10倍,在进行修复试验时,总石油烃的去除速率在修复试验前期增大,修复试验后期保持稳定,未见明显下降。

3 结论

以双齿围沙蚕、翅碱蓬、恶臭假单胞菌和游海假单胞菌混合剂为修复主体,在试验室条件下,模拟海上溢油后海岸带石油污染生物修复过程,进行为期60 d的修复试验。试验结果表明,生物修复联合体的总石油烃去除能力明显优于空白处理组。双齿围沙蚕的生物扰动作用与翅碱蓬的根际作用相互促进,为微生物提供良好的生长环境。在各生物组修复处理中,修复试验早期阶段总石油烃的去除速率最高。双齿围沙蚕、翅碱蓬、恶臭假单胞菌和游海假单胞菌混合剂的联合修复组合对沉积物石油烃有较强的去除能力,可推广至海岸带石油污染生物修复工作中。