现代化工

现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (8) : 36-39. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.08.007

技术进展

石油污染土壤生物修复技术研发与应用进展

肖瀚 ¹^,² ,
余红 ¹^,²^,^* ,
臧永歌 ¹^,²

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Progress on research and application upon bio-remediation of petroleum-contaminated soil

Han XIAO ¹^,² ,
Hong YU ¹^,²^,^* ,
Yong-ge ZANG ¹^,²

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摘要

概述了国内外关于微生物修复技术、植物修复技术以及植物—微生物联合修复技术的研究和应用概况与进展,总结了存在的问题并展望了未来研究和应用方向,旨在为石油污染土壤植物—微生物联合修复技术的高质量发展及绿色低碳应用提供重要参考。

Abstract

This review focuses on the global progress on research and application upon microbial remediation,phytoremediation,and microbial coupling with phytoremediation technologies,summarizes the existing problems,and prospects the research and application directions in the future,aiming at providing an important reference for high-quality development and green low-carbon application of coupled microbial-phytoremediation technique in petroleum-contaminated soil.

关键词

石油污染物 / 联合修复 / 植物修复 / 微生物修复 / 土壤

Key words

petroleum pollutants / combined remediation / phytoremediation / microbial remediation / soil

Author summay

肖瀚(1989-),男,博士,副研究员,主要从事污染土壤和地下水修复研究,hxiao0716@163.com。

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肖瀚,余红,臧永歌. 石油污染土壤生物修复技术研发与应用进展[J]. , 2025, 45(8): 36-39 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.08.007

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石油污染土壤主要分布在油井和输油管道以及计量站、接转站、联合站等油田地面工程设施附近,石油污染物在土壤中的迁移包括横向迁移和纵向迁移,横向迁移污染物90%以上分布在污染源周边 0~40 m范围内(一般不超过150 m),纵向迁移污染物大部分集中在土壤表层0~10 cm深度(一般不超过70 cm)^[1]。石油污染物可以改变土壤理化性质、减少氮磷含量、破坏元素平衡以及降低土壤活性和透水性,其中卤代烃、苯系物和多环芳烃等致癌致畸污染物在土壤中的富集和迁移严重威胁人类健康^[2]。

常用的土壤污染修复技术主要包括传统的物理修复技术、化学修复技术以及新兴的生物修复技术,相较于物理和化学修复技术,生物修复技术具有修复成本低、操作便捷、修复效果好、修复效率高、适用范围广、不易产生二次污染等优点,研发和应用前景广阔^[3]。目前,石油污染场地应用较为广泛的生物修复技术主要有微生物修复技术、植物修复技术和微生物-植物联合修复技术,微生物修复技术的修复原理是利用真菌、细菌、霉菌和藻类等降解石油污染物,植物修复技术的修复原理是利用植物根系吸收和转化石油污染物,相较于单一的微生物修复技术和植物修复技术,微生物-植物联合修复技术石油污染物去除效果更为明显,其与传统的物理修复技术和化学修复技术的联用和协同增效,已成为国内外石油污染场地多技术组合协同低成本高效修复领域研发和应用的热点^[4-5]。

1 微生物修复技术

不同种类微生物降解石油污染物的方式以及产物不同,可用于石油污染物降解的微生物种类有100余属、200余种,部分微生物可将石油污染物降解为二氧化碳和水,部分微生物可将石油污染物转化为醇、醛、酸或酚类,部分微生物可将石油污染物转化为蛋白质、氨基酸、多糖、核酸等^[6]。

微生物修复技术重点关注土著微生物中高效菌株的筛选和驯化、外源营养物质及生物表面活性剂的合理添加以及外界环境条件(如温度、pH、湿度等)的优化^[7]。微生物修复技术分为原位修复技术和异位修复技术,原位修复技术在中度和重度污染区注入微生物制剂、土壤改良剂、营养盐、氧源,对于直链烷烃的降解效果较好,但是对于多环芳烃的降解具有较大局限性,相较于原位修复技术,异位修复技术(主要包括生物反应器法、生物堆法和预制床法)对于多环芳烃的降解速度较快、降解效率较高^[8]。微生物修复技术的适用范围为土壤中石油污染物浓度3 000~7 000 mg/kg,主要利用不动杆菌属、产碱杆菌属、节杆菌属等微生物进行降解,影响微生物降解石油污染物的主要因素包括pH、温度和盐度,pH约为7.5、温度30~40℃时降解速率最快,而盐度越高降解速率越慢^[9]。另外,微生物降解速率与石油污染物的组成有关,直链烷烃>支链烷烃>低分子质量烷基芳烃>单环芳烃>环烷烃>多环芳烃>胶质>沥青^[10]。此外,微生物降解速率与菌属多样性以及营养物有关,当菌属多样性较高,且大量存在具有可降解高分子石油烃能力的微生物,同时营养物质(无机、有机或吸附类土壤改良剂等)按照最优比例添加,同时通过外加碳源促进微生物生长,则石油污染土壤修复效果较好^[11]。

目前,我国已有大量微生物修复技术的应用案例:李素玉等^[12]通过冻融模拟试验,筛选适用于辽河油田污染土壤原位修复的优势微生物菌株,发现石油降解细菌假单胞菌属B3号菌株在37℃、7 d时间内的降解率最高(30.2%),石油降解真菌木霉属F3号菌株在28℃、7 d时间内降解率最高(47.2%);杨茜等^[13]利用生物刺激法和投菌法修复陕北子长石油污染土壤,发现修复效果由好到差的顺序依次为:生物刺激法(土著菌加入氮磷营养物)>生物强化法(投加外源降解菌)>土著菌修复法;王娣等^[14]发现降解菌群的接种可以改变土壤菌群结构,可以明显降低土壤菌群的alpha多样性,表明微生物修复技术的修复效果不仅取决于优势菌的特定降解能力,也和土壤中不同菌群的协同代谢作用有关;张秀霞等^[15]以城市污水处理厂堆肥污泥为原料,通过热解方法制备含有丰富氮磷营养物的污泥生物炭,石油污染物降解率最高可达到58.8%;曾献春等^[16]采集新疆克拉玛依油田受污染程度不同的土壤样品,发现中度和重度污染区可降解苯并(a)芘的微生物类群种类和数量都较多,表明土著微生物能够利用污染物促进生长并将其转化为无害物质;韩慧龙等^[17]采用真菌-细菌微生物制剂对中原油田不同类型石油污染土壤进行原位修复小试和中试,发现真菌-细菌微生物制剂对石油烃的降解能力高于土著微生物,且生长活性高,在土壤中能够抵御土著微生物的竞争作用,通过实施真菌-细菌生物强化修复,污染土壤均基本恢复耕种能力。

目前,微生物修复技术在实际污染场地开展修复时,现场环境条件(pH、温度、湿度、营养物等)与实验室条件有较大差异,修复效果存在较大不确定性,因此现有微生物修复技术多应用于低浓度石油污染土壤的修复,而适用于高浓度石油污染土壤修复的微生物修复技术仍处于试验研究阶段^[18]。

2 植物修复技术

植物修复技术利用植物(芦苇、碱蓬、紫花苜蓿、凤眼莲、狗牙根、互花米草、黑麦草、玉米草、香蒲、大豆、凤仙花、牵牛花、高羊茅等)生长过程中对石油污染物的积累和吸收、新陈代谢过程中对石油污染物的转化,以及根系与根茎的共生关系增加微生物活性对石油污染物的降解实现石油污染土壤的修复^[19]。可用于修复的植物分布广泛且抗污能力强,在筛选时需充分考虑其适用范围(如紫花苜蓿在石油污染物含量从10 g/kg提高至20 g/kg时,去除率可从60%降至20%),且需慎重考虑引进外来物种,需充分评估外来植物物种生态风险后决定^[20]。

目前,我国已有大量植物修复技术的应用案例:秦玉广等^[7]发现黄河入海口滨海湿地植物修复可有效去除土壤中的石油污染物,且收割的芦苇纤维素和木质素含量高,造纸效果好,表明植物修复不仅利于黄河入海口三角洲退化生态系统的有效恢复,营造较好的生态效应和景观效应,还可以获取较为可观的经济效益;李先梅等^[21]选取4种牧草植物开展70 d盆栽试验,设置6组不同浓度的石油污染水平,发现墨西哥玉米草和苏丹草的生长情况受石油污染影响较小,成活率和石油污染物去除率比黑麦草和紫花苜蓿高,表明墨西哥玉米草和苏丹草更适用于华北油田石油污染土壤的植物修复;陈明珠等^[22]通过盆栽试验开展新疆克拉玛依油田当地18种野生和种植植物对石油污染土壤的修复效果研究,发现紫花苜蓿、鸭茅、黑麦草对石油污染土壤具有较好的耐受性,对石油烃的降解率分别达到55.24%、60.63%、59.67%;邓振山等^[23]通过盆栽试验研究豆科植物对石油污染土壤的修复能力,发现原油浓度1~10 g/kg对大豆根系生长具有一定的促进作用,而原油浓度超过10 g/kg会对大豆生长具有一定的抑制作用,且抑制作用随原油浓度的增大而增强;张筝^[24]通过盆栽试验研究狗牙根对中原油田污染土壤的修复效果,发现狗牙根对原油浓度不高于45 g/kg的土壤环境具有较强的适应性,且原油浓度为25 g/kg时去除率最高(61.12%);王亚男等^[25]采用温室盆栽方式研究野生花卉鸢尾对大港油田石油烃污染土壤的修复能力,发现鸢尾对石油烃浓度不高于40 000 mg/kg的土壤环境具有较强的耐受性,当土壤石油烃含量分别为10 000、20 000、40 000 mg/kg时,去除率分别可达到42.1%、33.1%、31.2%。

相较于微生物修复技术,植物修复技术的研发深度和应用广泛度相对较弱,不同地区土著植物生长偏好、植物修复能力的关键影响因素及去除机理掌握程度不够。根据不同区域不同石油污染水平筛选合适的土著修复植物,在提升污染物去除能力的同时降低修复成本、提高经济效益、提升景观效应,是植物修复技术的未来发展方向。

3 植物—微生物联合修复技术

植物可以为微生物的生存提供场所和促进生长的营养物(植物根际微生物的活性、结构、多样性和丰度受植物根系代谢分泌物的影响较大),微生物可以提高植物对石油污染物的耐受性并促进植物生长,植物-微生物联合修复技术通过植物和微生物的协同作用治理土壤石油污染,其理论基础是植物和微生物的种间协作或共生关系,技术关键是选择合适的植物-微生物共生体系。前人研究表明,金盏菊与石油降解菌联用时,多种酶(如土壤脲酶等)的活性均有所增加,土壤根际微环境得到有效改善;紫花苜蓿根系的SOD酶可以有效促进根际微生物群落的建立;高羊茅与多环芳烃专性降解菌联用可以显著提高多环芳烃的降解效率^[26]。刘永军等^[27]发现,相较于黑麦草的石油污染物去除率,黑麦草和不动杆菌联用可提高10%;张丽等^[28]发现,相较于碱蓬的石油污染物去除率,碱蓬和降解菌联用可提高36.1%。雒晓芳等^[29]研究了紫花苜蓿、冰草、冬小麦与降解菌联用对石油污染土壤的修复效果,发现紫花苜蓿-降解菌联用可将石油污染物去除率提高至86.5%,显著高于冰草-降解菌和冬小麦-降解菌的修复效果。陈立等^[30]选择中原油田某油井场旁石油污染场地,开展微生物修复技术、植物修复技术、植物-微生物联合修复技术修复对比研究,发现100 d后石油烃去除率分别达到57.34%、43.50%、67.38%,表明植物-微生物联合修复效果最佳。

相较于传统的微生物修复技术和植物修复技术,植物-微生物联合修复技术具有明显优势。目前,针对不同石油污染水平去除效果好、能长期持续使用的植物-微生物联合修复技术的瓶颈问题主要在于不同种类植物和微生物的降解机制差异,如何实现石油污染土壤植物和微生物修复的协同增效和低投入高产出,是植物-微生物联合修复技术的研究热点。

微生物修复技术、植物修复技术、植物-微生物联合修复技术的特点和优缺点详见表1。

4 展望

由于实际污染场地土壤的异质性、污染程度的复杂性、污染物种类的多样性以及环境条件的变异性,作为单一修复技术的微生物修复技术和植物修复技术在有限时间内往往难以取得较好的修复效果,而植物-微生物联合修复技术可以克服单一修复技术的局限性,是未来研发和应用的重点方向。目前,植物-微生物联合修复技术的研发和应用多处于理论研究以及实验室尺度小试或中试层面,因实际场地现场环境与实验室环境差异较大,在污染场地尚未大范围开展大规模应用。为将实验室研究成果有效转化到实际现场应用,下一步建议重点围绕以下3个方面开展工作。

(1)重点关注高效石油降解微生物菌群的筛选、驯化和培养工作,培育出适应极端条件(污染物浓度高、污染物种类复杂、高温/低温、高湿/低湿、好氧/厌氧、高盐等)的菌株,深入研究植株在极端条件(温度、pH、水量、盐度等剧烈变化)下对石油污染物的代谢机制,大幅度提高菌株和植株的环境耐受力和修复效率。

(2)大力加强植物和微生物协同修复机理研究,充分发挥单一修复技术的优势和特点,识别影响修复效果的关键因素,通过人工智能和机器学习方法和技术相结合的方式建立修复效果与关键影响因素之间的定量关系,实现修复过程中的协同增效与精准调控。

(3)完善修复技术组合体系的构建,针对实际场地污染程度开展分区修复,重度污染区以有效阻断污染物迁移和大量去除污染物为修复目标,中度和轻度污染区以有效控制污染物迁移和降低污染物浓度为修复目标,明确联合修复技术的适用范围,根据场地情况和污染状况选取最优联合修复技术,实现石油污染土壤的低成本、高效、绿色、低碳修复。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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