摘　要：在石油污染土壤兩端插入石墨電極，施加24 V直流電壓，使電極之間土壤電勢降達到1 V/cm。添加實驗室篩選的高效石油降解菌，研究電動-微生物聯合修復對石油污染土壤pH、土壤溫度、有機碳含量、有效氮、有效磷、有效鉀等指標的影響。結果表明，石油濃度為2%的模擬污染土壤經過電動微生物聯合技術處理后，最佳降解率達到67.5%。有效N、有效P、有效K分別平均提高為原來的1.5、1.4和1.2倍。外加電動修復可以使土壤pH、溫度保持在一個相對恒定的變化范圍內，為微生物的生命活動提供了一個穩定的環境，提高石油降解率。

　　關鍵詞：電動-微生物修復;高效石油降解菌;石油

　　石油是石油污染場地土壤中的一種典型的持久性有機污染物(persistent organic pollutants，POPs)，含有難以生物降解的多環芳烴類“三致”污染物。多環芳烴在降解時還產生大量有毒中間產物，污染土壤和地下水，最終進入食物鏈[1-4]，可能導致生物突變。幾十年來，生物修復法被認為是無害化、理想化的修復方法，它既不改變土壤的內在性質，也不會在修復過程中產生二次污染，還具有成本相對低廉、永久性消除污染物及公眾積極接受等優點[5-7]，但其修復周期長、效率低的缺點是限制其技術實際工程應用的重要因素。

　　電動力學修復是一種清理重金屬或有機污染土壤的創新技術，包括低功率直流電場對受污染土壤的控制應用。該技術依賴于電遷移、電滲透和電泳3種過程，現已經被用于去除土壤中的重金屬和有機污染物[3，8-9]。Hassan等[3]概述了重金屬、有機化合物和其他危險品的電動力學修復方法，但將其用于清除有機污染，如五戊烷、苯酚、五氯酚、木酚油、苯、甲苯和多環芳香芳烴(polycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs)的石油污染土壤的研究并不多。

　　石油降解菌可以利用石油作為碳源來維持自身的生長和代謝。有輔助電場時，可以提供持續的熱量，以增強高效石油降解細菌的作用。有機物和細菌在土壤中的緩慢運動傳統上是應用電動力學修復來實現，利用電梯度驅動土壤基質石油、土壤的營養物質和細菌細胞運動，并協同優化這些因素提高了修復石油污染土壤的效率[10-12]。本研究通過建立一套電動-微生物聯合修復技術，提高石油污染土壤中有機污染物的降解效率，強化生物修復效果，實現對有機污染土壤的快速修復目標。

　　1材料與方法

　　1.1 實驗材料

　　1.1.1 污染物

　　以大慶油田南2區第1聯合站采集的石油作為實驗對象，樣品的物理化學性質。

　　1.1.2 土壤處理

　　原土樣來自沈陽生態實驗站深度0～20 cm的頂土層。原有土壤的基本表征。為評價修復效果，采用人工配制的含油量均一的模擬含油土壤進行實驗。將已經處理的土壤與一定比例的石油均勻混合配制成含油量為2%的石油污染土壤。將石油污染土壤在土壤室內自然風干放置7 d，再取一定量于土壤室內分別進行不同處理。處理時間為100 d，每隔20 d采一次樣。采樣點距離陽極分別為0、4、8、12、16、20、24 cm，采樣深度為10 cm。土壤含水率約為25%。

　　1.1.3 微生物和緩沖液的組成

　　將石油降解菌混合培養作為實驗用菌劑，在150 r/min、30℃的搖床培養基上培養，在指數生長期階段離心收獲培養菌劑，在去離子水中進行重懸，得到1.2×1010CFU·mL–1的高濃度的菌懸液。將選定的優勢菌種噴灑加入土壤中，含菌量為108CFU·mL–1，用量為0.01 mL·g–1土壤。加入一定量磷酸二氫鉀溶液、硝酸銨溶液為細菌復合物提供營養，提高土壤的電導率并控制pH 6.5～7.0。在陰極儲層中使用磷酸二氫鉀(1 mol/L KH2PO4)溶液，在陽極儲層中使用硝酸銨(1 mol/L NH4NO3)溶液。

　　1.2 儀器設備

　　本研究采用了2組電動-微生物實驗室裝置。第1組裝置用于優化測試的極性反轉間隔，它由1個土壤電池、2個電極單元、1對由石墨制成的圓柱形電極、1個電極控制系統、1個電流和電壓實時監測系統和1個電源組成。土壤單元由長方形的有機玻璃制成，內部尺寸長26 cm，寬11 cm，高10 cm，使用2支長10 cm，直徑0.5 cm的柱形石墨電極來產生1個不均勻的電場，該電極控制裝置能夠每24 h切換1次電場的極性。在土壤中插入電子溫度計，自動記錄溫度并將數據傳輸到電腦監控系統。該監控系統可在線監測電流和電壓，并將數據存儲在電腦中供以便后續分析。電源采用恒定直流電，其源漏極電壓為1 V。裝置的電勢梯度為1 V/cm。第2組裝置除電極不轉換外與第1組裝置一致。

　　1.3 分析方法

　　1.3.1 土壤pH分析方法土壤pH使用pH計(PHS-3C，上海儀電公司)測定。

　　1.3.2 土壤有效氮、有效磷、有效鉀和總有機碳的測定土壤的有效氮的測定方法是將土樣經堿解后使用Multi N/C3000分析儀(Analytik Jena AG，Germany)測定;有效磷經碳酸氫鈉提取后(Olsen法)采用鉬銻抗比色法測定;有效鉀經醋酸銨提取后采用火焰分光光度法測定;總有機碳使用Multi N/C3000分析儀(Analytik Jena AG，Germany)測量。每個指標均重復測試3次[13]。

　　1.3.3 土壤樣品中石油濃度的測定土壤中石油降解率采用紅外測油儀測定。每次準確稱取土樣10 g，置于50 mL的離心管中，加入30 mL三氯甲烷，加蓋，輕輕振搖1 min，放置過夜。次日，將離心管置于55℃水浴中熱浸1 h(開始時注意打開蓋放2次氣)，離心，取上清液置于燒杯中。此土樣繼續用上述步驟處理2次(僅將水浴加熱時間改為30 min)，每次取上清液繼續加入上述燒杯。然后把燒杯放在通風櫥中，通風濃縮至干，此即氯仿濃縮物[14]。最后把此濃縮物用四氯化碳定容，用紅外測油儀測其油含量。

　　2結果與討論

　　2.1 土壤pH的變化

　　土壤酸堿度一般用pH表示，是影響土壤營養元素相互轉化和有效性的重要因素。pH大小影響土壤中營養物質的可利用程度和對污染物的降解效率[15]。土壤的起始pH為6.5。以實驗2和實驗6為例，實驗24 h后的距離陽極不同位置的土壤pH變化結果。實驗2土壤pH變化范圍是3.5～12.7，pH變化幅度較大。外加電場在電極之間形成了一個電解池，土壤中的水分子在電場作用下發生了電解反應，陽極產生了大量的H+，使pH下降，陽極周圍區域呈現酸性;陰極產生大量的OH–，使pH升高，陰極周圍區域呈現堿性[16]。在陽極、陰極附近區域分別形成較強的酸性帶和堿性帶，極端的環境抑制了土壤微生物的生長，不利于石油污染物的降解。

　　6號土壤陽極和陰極附近區域土壤pH分別為5.5和7.3，其余位置的pH在6.2～6.4之間變化，整體要比土壤起始pH稍低，這可能是因為電解過程使得整體土壤的pH呈下降趨勢[17]。6號土壤pH接近中性，大部分變化范圍在微生物適生變化范圍之內(微生物適生pH范圍為6.0～7.5)[8]。從結果可以看出，通過電極切換，有效地避免了在某一端電極周圍形成的強酸性區域或強堿性區域，將土壤pH控制在適于微生物生長的范圍內，相對于電極不切換的土壤環境，電極切換給微生物提供了一個良好的、穩定的生存環境，可以有效提高微生物對石油的利用效率。

　　2.2 土壤溫度的變化

　　土壤維持一個恒定、適宜的溫度，對微生物的生命活動有著重要的意義。在20～45℃條件下，微生物的生長速度較快，生命活動旺盛[18]，微生物的活性增強有利于去除土壤中存在的石油等有害物質[19]。對實驗3、實驗4和實驗7的溫度變化進行24 h監測，每4 h記錄一次 。

　　溫度變化范圍為12.4～23.2℃，最大溫差達到10.8℃。實驗4和實驗7土壤溫度變化范圍不大，實驗4土壤最高溫度30.3℃出現在16 h時，最低溫度29.4℃出現在4 h時，24 h內溫差為0.9℃。實驗7土壤的最高溫度31.2℃出現在12 h時，最低溫度出現在4 h時，24 h內的溫差為1.8℃。實驗3 在24 h內溫度變化顯著，溫差超過10℃，土壤環境變化相對較大。

　　實驗4溫差較小，平均溫度為29.9℃，比實驗3的平均溫度高12.3℃，受外界溫度影響小，溫度波動變化在1℃以內，土壤環境相對穩定，為土壤中的微生物提供了一個良好的生存環境。實驗7在12 h出現一次溫度升高，在圖3中可以看到1個較小的溫度的波動峰。這可能是由于12 h時進行電極切換，持續的單向電流突然改變方向，土壤中的各種帶電顆粒表面電荷轉變方向，釋放能量，增加了土壤溫度�？傮w來看，微生物處于20～45℃之間，且波動范圍較小的溫度環境更適宜微生物生存，由此也會提供更好的降解能效。

　　實驗4和實驗7的平均溫度均是實驗3平均溫度的1.7倍以上，其原因可能是由于外加電場的一部分電能轉化為熱能釋放到土壤當中，持續的電流維持著土壤溫度。土壤的pH也與溫度有關，恒定的溫度有利于土壤的pH的穩定。這些條件都為微生物降解土壤中的石油提供了一個適宜的環境，加大了降解效率。實驗4和實驗7的降解率高于實驗3的，也驗證了這一觀點。

　　2.3 土壤有機碳含量的變化

　　石油等大分子的碳氫化合物經過高效石油降解菌的作用，能夠被分解成小分子碳氫化合物等簡單的有機物[20-21]。這些有機物對石油等疏水有機污染物在環境中的的分配、遷移和生物有效性均起到控制作用。同時土壤溶液中存在的土壤有機化合物可以影響石油等多環芳烴在土壤表面的吸附。

　　這一現象應該歸因于在電場作用下推動帶有負電的微生物向電勢高的區域遷移，在陽極附近聚集了大量的微生物;同時外加電場在陽極處發生強烈的氧化還原反應，刺激微生物加速新陳代謝，加大碳源的消耗。有機碳在土壤中多以膠體形式存在，帶有大量的負電荷，在電場作用下，通過電泳的移動方式向陽極遷移。這也為陽極區域的微生物提供了碳源。同時在遷移過程中有機碳吸附大量的水分和陽離子，其吸水率比黏粒要大幾倍甚至幾十倍，它能降低黏性土壤的黏性，同時改變土壤孔隙狀況和水、氣比例，有利于土壤中微生物的呼吸和營養物質在土壤中的傳遞。

　　同一位點修復過程中有機碳消耗速率也不同。最初20天的有機碳平均消耗為總量的6.2%，隨著修復時間的延長消耗速率逐漸降低，60天后有機碳平均消耗降低到僅為總量的1.6%。實驗7各位點的有機碳含量表現為兩極少，中間多。切換電極使得電極兩端輪流處于陽極狀態，陽極附近氧化還原反應較強，電子交換頻率較快，刺激微生物的生命活性增強，新陳代謝加速，消耗有機碳的速度較快，能夠加速高效降解菌對石油的降解。20 d內消耗有機碳最多達到總量的9.3%，平均消耗有機碳相當于總量的7.2%。隨著修復時間的延長，有機碳的消耗速度，呈先快后慢，修復60 d后，有機碳的消耗速度降低。在今后的實驗中，可以考慮添加一些外來營養物作為碳源。

　　3結　語

　　電動-微生物聯合修復技術有很好的石油污染土壤修復效果。每24 h切換一次電極，有效地中和了陽極和陰極產生的H+和OH–，為高效降解菌提供了一個相對穩定的生存環境，提高了石油的降解率。定期切換電極使土壤中的營養物質非定向遷移，分散到土壤的各個部分，能夠最大程度為較多微生物提供營養源，延長其生命周期，加速其繁殖速度，有利于提高石油降解率。外加電場一定程度上提高了土壤有效N、P、K的含量，為微生物提供了生存必需的營養元素，促進了微生物的修復效果。在電動-微生物耦合修復技術基礎上添加微生物所需的營養物質，提高了微生物活性，同時也強化了電動修復的效果。最佳石油降解率達到67.5%。

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　　作者：李婷婷， 吳　迪， 辛　亮， 王恩彪， 趙紫鈺， 彭　湃