环境工程学报, 12(10): 2899-2909

DOI 10.12030/j.cjee.201803142    中图分类号  X53   文献标识码  A


于加瑞,陈丽华,李海玲,等. 改性秸秆吸附微生物对土壤中石油烃降解及演化特征的影响[J]. 环境工程学报,2018,12(10):2899–2909.
YU Jiarui, CHEN Lihua, LI Hailing, et al. Biological degradation and transformation characteristics of total petroleum hydrocarbon in soil by oil-degradation bacteria adsorbed on a modified corn stalk[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering,2018,12(10):2899-2909.
改性秸秆吸附微生物对土壤中石油烃降解及演化特征的影响
于 加瑞 1, 陈 丽华 1,*, 李 海玲 2, 雒 晓芳 2, 张 文博 1 , 王 满刚 2
1. 西北民族大学化工学院,兰州 730030
2. 西北民族大学实验中心,兰州 730030
第一作者:于加瑞(1994—),男,硕士研究生,研究方向:土壤石油污染机理与修复。E-mail:1140871281@qq.com
*
通信作者,E-mail: clh@xbmu.edu.cn
收稿日期: 2018-03-19; 录用日期: 2018-06-10
基金项目: 国家民委中青年英才人才项目(民委发2016[57]号文件);甘肃省科技计划项目(17JR5RA285);中央高校基本科研项目(31920180126)

摘  要 

以甲基丙烯酸丁酯-苯乙烯改性玉米秸秆(BMGS)为载体吸附微生物对油污土壤进行了模拟降解实验,研究BMGS作为菌剂载体对油污土壤的降解效果,同时利用GC-MS指纹图谱深入分析TPH(total petroleum hydrocarbon)的重要组分——正构烷烃的降解演化规律和特性。结果表明:BMGS具有较高吸油能力(10.3 g·g−1),大于原秸秆(RMS)5.7 g·g−1;在3%含油量的油污土壤中,加入用BMGS吸附的菌剂的降解半衰期(14.8 d)均短于空白与用原秸秆(RMS)吸附的半衰期(36.1 d和33.0 d)。降解演化特性表明,2种秸秆RMS与BMGS材料对正构烷烃降解的促进作用依次提高,主峰碳数均出现前移,且BMGS的效果更为明显。加入BMGS后有利于菌剂降解较难降解的偶碳数正构烷烃和类异戊二烯烷烃,并且在降解前、后期,对低、高碳数正构烷烃的降解优势完成增效作用,高碳数正构烷烃平均降解率达到91.25%,较好地解释BMGS吸附菌剂后可以缩短降解TPH半衰期及提高降解率的原因。
Biological degradation and transformation characteristics of total petroleum hydrocarbon in soil by oil-degradation bacteria adsorbed on a modified corn stalk
YU Jiarui 1, CHEN Lihua 1,*, LI Hailing 2, LUO Xiaofang 2, ZHANG Wenbo 1 , WANG Mangang 2
1. School of Chemical Engineering, Northwest Minzu University, Lanzhou 730030, China
2. Experimental Center, Northwest Minzu University, Lanzhou 730030, China
*
Corresponding author,E-mail: clh@xbmu.edu.cn

Abstract  

Oil-degradation bacteria adsorbed on modified corn stalk with methyl butyl acrylate and styrene modified corn stalk (BMGS) were used to study degradation effects on oil-contaminated soil, that was based on a carrier BMGS in process of simulated experiment. At the same time, the degradation and transformation laws of normal alkanes of important components of TPH (total petroleum hydrocarbon) were studied through analysis of GC-MS fingerprint. The degradation effect shows that BMGS has high oil absorption capacity (10.3 g·g−1), more than the original straw (RMS) 5.7 g·g−1. In the 3% oil-contaminated soil, the half-life (14.84 d) of the bacteria degradation adsorbed on BMGS shortens than the half-life (36.1 d and 33.01 d) adsorbed with the original straw (RMS). The degradation transformation characteristics show that the degradation effect on normal alkanes with two kinds of RMS and BMGS straw material increases in order and the main peak carbon shows a forward movement, and the effect of BMGS is better obviously. It is helpful to degrade even carbon number normal alkanes and isoprenoid alkanes difficultly degradation with BMGS, and respectively in the pre and post of degradation, low and high carbon number alkanes is respectively used to important carbon source, the degradation rate of high carbon number alkanes reaches 91.25%, all above can explain satisfactorily the results of shortening half-life and increasing the rate of degradation dealt with oil-degradation bacteria adsorbed on BMGS.
近年来,随着石油产品需求不断提高,石油及其产品通过多种途径进入环境,不仅造成资源的浪费,而且还对土壤和水体造成严重的污染[1],因此,寻求高效治理油污土壤的方法迫在眉睫。目前,治理石油污染土壤的修复技术主要有物理修复、化学修复及生物修复等。在实际应用中,物理修复与化学修复都具有一定的局限性,部分情况下不宜使用[2]。生物修复因修复时间长、受环境因素干扰较大、污染物初始浓度较低等限制其推广应用,但因其绿色无二次污染、低耗能、不破坏土壤结构、可原位降解污染物等优点,已逐渐成为修复有机污染土壤的新兴技术[3]
油污土壤中的石油组分十分复杂,单一的菌种只能降解少数特定的烃类或者只能降解到某一阶段,而将具有不同酶活力的菌株进行混合投加,利用生物的协同作用,对油污土壤的降解效果明显高于投加单种菌株[4-6]。然而,受土壤颗粒性质及介质条件的影响,TPH进入土壤后,与土壤颗粒相互作用,吸附在土壤颗粒内部,使其生物有效性下降,进而影响微生物菌剂对TPH的降解。因此,增加微生物菌剂与石油污染物的接触面积是提高油污土壤降解率的关键因素。
固定化技术是利用一定的技术手段使微生物固定生长,使微生物高度密集并保持生物活性功能,对石油等难生物降解的污染物有很强的处理能力[7]。目前,制备简单的吸附法是使用最广泛的固定化方法。吸附法的重点在于探索有效的吸附剂。农业废弃物秸秆作为一种吸附剂,因具有生物降解、可再生、生物相容性和无毒的性质,而得到越来越多的关注[8]。邵娟等[9]、童乐等[10]利用秸秆做载体固定混合菌剂降解原油,发现其降解率较单纯投加菌液或菌液与秸秆简单混合有明显提高。因此,固定化微生物在修复油污土壤中具有很强的应用前景。
菌体的疏水性被认为是生物修复中的一个决定性因素,是影响细菌吸收和疏水性物质降解的重要因素[11]。因此,在固定化菌剂时必须考虑到菌体的疏水性,使菌剂在载体上能够与石油污染物充分的接触,这就要求载体必须具有一定的亲油性能,并且还要保持原本的亲水性能。张秀霞等[12]利用酸性氧化改性秸秆作为微生物菌剂载体生物修复油污土壤,因其酸处理不利于吸附疏水性的石油类物质,同时破坏了秸秆本身的多孔结构,导致降解率没有明显的提高(由40.6%提升到42.9%)。这就说明在载体改性时要考虑接枝亲油官能团,使载体具有一定的吸油性能,并且不能破坏载体本身对菌剂的固定化能力。朱超飞等[13]利用甲基丙烯酸丁酯与苯乙烯对玉米秸秆进行改性,发现改性后玉米秸秆吸油性能明显提升。因此,本研究以甲基丙烯酸丁酯与苯乙烯改性秸秆材料为载体,在前期实验室筛选、分离的菌种基础上,研究改性玉米秸秆作为菌剂载体对油污土壤的降解效果,同时利用GC-MS指纹图谱深入分析TPH的重要组分——正构烷烃的降解演化特性,以期为微生物菌剂高效修复油污土壤提供理论与技术支持。

1 材料与方法

1.1 实验材料

1.1.1 供试材料

实验中所用的玉米秸秆取自榆中校区附近的农田,土壤来自榆中校区花园。玉米秸秆用自来水和去离子水洗干净晒干粉碎,过40目筛后烘箱烘至恒重备用,土壤自然晾干后过60目筛备用。

1.1.2 混合菌剂

所用的菌种为实验室前期筛选分离备用的6株菌,分别为X1、X2、D4、A1、A2和A3。其中X1、X2菌株属于假单胞菌(Pseudomonas)菌属,D4菌株属于不动杆菌(Acinetobacter)菌属,A1、A2、A3菌株属于芽孢杆菌(Bacillus sp)菌属。将6株菌进行三级扩大培养制成菌液,按照等体积比混合制成混合菌液。利用稀释涂布平板法检测混合菌液菌落活性数,达到1×1010 cfu·mL−1后,按照液固比1:1.25将制备好的混合菌液均匀地喷洒在秸秆上,利用吸附作用将菌液固定在秸秆上,然后在培养箱中培养24 h,使菌落活性数达到1×1010 cfu·g−1后,得到固定化微生物菌剂。

1.1.3 仪器

Satellite 5000红外光谱仪(美国热电);X pert PRO-X射线衍射仪(荷兰帕纳克公司);KRQ-400P智能型人工气候箱(上海齐欣科学仪器有限公司);TU-1901双光束紫外可见分光光度计(北京普析通用仪器有限责任公司);S.SW-CJ-2F净化工作台(上海跃进医疗器械厂);6890N/5973N气相色谱-四级杆质谱联用仪(美国安捷伦公司)。

1.2 实验设计

1.2.1 改性玉米秸秆的合成

为叙述方便,玉米秸秆原料用RMS表示,甲基丙烯酸丁酯和苯乙烯联合改性材料用BMGS表示。
BMGS的制备:将30 g粉状玉米秸秆、300 mL去离子水加入具有搅拌机和冷凝管的500 mL四口瓶中,将四口瓶置入恒温水浴锅中。通入氮气10 min后,在一定温度下加入一定量的硝酸铈铵、苯乙烯、甲基丙烯酸丁酯和N,N-亚甲基双丙烯酰胺进行反应。反应结束后,趁热抽滤,用去离子水与乙醇(98%)洗涤数次,放入真空干燥箱中烘干。烘干后的材料用甲苯进行索氏提取,除去反应过程中生产的均聚物,干燥后备用[13-14]

1.2.2 吸油性能实验

在室温20 ℃下,将装有吸油材料的小网放入含有标准油的鱼缸中,记录RMS和BMGS的用量分别为1、5、10 g时在不同时间下的吸油量。

1.2.3 降解性能实验

将处理好的土样分别装入5个花盆中,设置空白组、对照组、实验组1、实验组2和实验组3,每组实验设置一个平行组。空白组在1 kg土壤中加入3%的标准油和40 mL菌液;对照组在空白组的基础上加入50 g RMS吸附的菌剂;实验组1在空白组的基础上将含油量调整为1.5%,并加入50 g BMGS吸附的菌剂;实验组2在空白组的基础上加入50 g BMGS吸附的菌剂:实验组3在空白组的基础上将含油量调整为5%并加入50 g BMGS吸附的菌剂。具体添加情况见表1
表1 降解实验设计
Table 1 Experimental design of degradation
表1 降解实验设计
Table 1 Experimental design of degradation
处理组
土样/g
标准油/g
RMS/g
BMGS/g
菌液/mL
空白组
1 000
30
0
0
40
对照组
1 000
30
50
0
40
实验组1
1 000
15
0
50
40
实验组2
1 000
30
0
50
40
实验组3
1 000
50
0
50
40
将配置好的样品依次放入智能型人工气候箱中培养,调节人工气候箱的温度为25 ℃,湿度50%,光照4级。人工气候箱链接超声波加湿器,定期向加湿器加蒸馏水,保持人工气候箱的湿度为50%。花盆中的土壤每天加一次水保持含水率为30%。每天翻土一次保持油水均匀混合,土壤透气疏松。

1.3 分析方法

1.3.1 材料吸油量的测定

在不同时间下将含有吸油材料的小网垂直取出,静止滴淌5 min后称重。实验数据相同条件下重复3次,取平均值计算。材料吸油量用单位材料在一定时间内的吸油质量来表示,计算公式如下:
qt = (m2m1m0)/m1
(1)
式中:qt为某时刻的单位材料吸油量,g·g−1m0为空白小网的质量,g;m1为所用吸油材料的质量,g;m2为某时刻吸油后网和吸油材料的质量,g[13]

1.3.2 土壤残油量的测定

土壤中残油量的测定采用紫外分光光度法。利用索氏提取法提取土壤中残油,利用紫外分光光度计测出226 nm处相应的吸光度,计算土壤中残油量[4]。利用紫外分光度法测得标准油的工作曲线,计算公式如下:
y = 0.018 9x + 0.017 2  R2=0.998 0
(2)
为方便计算,将其转化为1 000 g土壤中残油量与有效吸光度之间的关系式:
D = 66.14A − 1.13
(3)
式中:A为从已定容的250 mL容量瓶中取1 mL定容到50 mL容量瓶的有效吸光度;D为1 000 g土壤中所含的残油量,g。

1.3.3 正构烷烃组分GC-MS检测

取降解后的土壤样品10 g,进行索氏提取。取提取液5 mL,经无水硫酸钠脱水,0.22 μm耐有机溶剂滤膜过滤后,取2 mL氮气吹干,正己烷1 mL重新溶解后,利用GC-MS检测分析降解后石油中各系列化合物的质量。积分各系列化合物的峰面积换算成相对百分含量,利用加入内标物(44-氘代二十一烷)的绝对含量计算出各系列化合物的绝对残留量。石油混合物组分中分子质量相同的物质比较多,但每个物质的结构不同,在GC-MS离子源中,每个分子被电子流轰击打成碎片时,由于结构不同而出现各自的特征碎片离子,利用物质的特征碎片值可以从总离子流图中将同系列物质提取出来(正构烷烃的碎片离子为57、71、85等)。因此,可以在GC-MS图谱解析时从总离子流图中提取正构烷烃物质。
分析条件:气化温度260 ℃;载气He;柱温200 ℃;柱SE-30(50 m);质谱条件:电子能量70 eV,质量范围(相对分子质量)40~450。
石油烃中正构烷烃物质的降解率R计算公式如下:
R = (M0Mi)/Mi
(4)
式中:M0为空白组中各物质的质量,μg;Mi为第7天与第21天的残油中各系列物质的质量,μg [15]

1.3.4 生物演化参数分析

烷烃主峰碳和w(∑C21−)/w(∑C22+)2个参数反映了烷烃遭受细菌作用时高碳数烷烃向低碳数烷烃转化的趋势。主峰碳前移越多,则表明细菌降解高碳数烷烃能力越强。w(∑C21−)/w(∑C22+)是C21之前正构烷烃总和与C22之后正构烷烃总和的比值,该参数越大,则表明细菌降解高碳数烷烃的能力越强。OEP值是高碳数正构烷烃的奇/偶碳数质量比,OEP=(C25+6×C27+C29)/4×(C26+C28),该值反映了细菌降解高碳数奇偶碳数正构烷烃的能力,值越小,降解奇数碳烷烃的能力越强,反之则降解偶数碳烷烃的能力越强。姥植比w(Pr)/w(Ph)是利用类异戊二烯烃中常见的Pr(姥鲛烷)与Ph(植烷)的比值,反映样品有机质氧化还原程度的参数[16]

1.3.5 材料的表征方法

采用美国热电Satellite 5000红外光谱仪,检测秸秆化学结构的变化。分别取少量原秸秆RMS和改性秸秆BMGS在红外光谱仪上进行检测,扫描范围400~4 000 cm−1,扫描步长为2 cm−1,最终得到红外吸收光谱图,分析秸秆官能团的变化。采用荷兰帕纳克公司X pert PRO-X射线衍射仪,测量秸秆的结晶度。分别取少量原秸秆RMS和改性秸秆BMGS,在X射线衍射仪上对2种样品进行X射线衍射,得到强度随衍射角变化的X射线衍射谱图,从而分析秸秆结构的变化。

2 结果与讨论

2.1 改性材料的表征

2.1.1 红外光谱分析

RMS和BMGS的红外光谱见图1。在RMS光谱图中,3 400 cm−1处是由羟基中氢键的特征振动引起的,峰值1 380 cm−1是由O-H的弯曲振动造成的,2 923.84 cm−1和893.24 cm−1是由CH2和CH3中C-H的不对称与对称的伸缩振动引起的。峰值1 730 cm−1与半纤维素中羧基官能团相关。而峰值1 628.37 cm−1和1 597.03 cm−1是因为材料吸收水分的弯曲振动引起的。由于对称的CH2官能团的弯曲振动而出现了1 383.60 cm−1这一峰值,1 350.13 cm−1峰值是C-H键的弯曲振动造成的。峰值1 121.58 cm−1是因为纤维素中β(1→4)-乙酰基的C-O-C的反对称的架桥伸缩振动而出现的。峰值893.24 cm−1是因为纤维素环状基体中C-H糖苷键的扭曲振动和羟基的弯曲振动而出现的。因此得出RMS的主要成分是纤维素、半纤维素和木质素[17]。BMGS与RMS相比出现了新的吸收峰,在2 376.16 cm−1和2 334.52 cm−12处明显的特征吸收峰是由苯环的振动引起的,在1 733 cm−1和1 066 cm−1处的吸收峰属于甲基丙烯酸丁酯中C=O键和C-O-C键的伸缩振动,特征吸收峰1 546 cm−1为苯环中C=C骨架伸缩振动,617.79 cm−1是苯环外C-H键的扭曲振动造成的。766 cm−1是苯环中C-H键的面外弯曲振动造成的。BMGS在3 401 cm−1处缔合的羟基的振动吸收峰有所减弱,说明羟基位没有完全发生接枝反应,反应后材料依然保持着纤维素本身的特性。
图1 RMS与BMGS的红外光谱图
Fig. 1 FT-IR spectra of RMS and BMGS
图1 RMS与BMGS的红外光谱图
Fig. 1 FT-IR spectra of RMS and BMGS
Cjee 201803142 t1

2.1.2 X-射线衍射分析

图2可以看出,玉米秸秆改性前后XRD衍射图有明显变化。从XRD图证实接枝共聚反应成功,但整体晶胞结构未发生明显改变。根据I22.5°I16.8°所对应的峰的强度,以及结晶度公式(5)计算出原秸秆的结晶度为0.403,BMGS的结晶度为0.273。
X 射线结晶指数 = I 22.5 I 16.8 I 22.5
(5)
可以看出改性后的材料比原秸秆的结晶度降低。BMGS结晶度降低,是由于无定形共聚物的形成,增加了材料表面的粗糙度,结果有利于表面接枝的亲油官能团吸附更多的油[18]
图2 RMS和BMGS的X-射线衍射图
Fig. 2 XRD patterns of RMS and BMGS
图2 RMS和BMGS的X-射线衍射图
Fig. 2 XRD patterns of RMS and BMGS
Cjee 201803142 t2

2.2 吸油性能

材料吸油量随时间的变化结果见图3
图3 RMS和BMGS的吸附动力学特性
Fig. 3 Dynamic sorption characteristics of RMS and BMGS
图3 RMS和BMGS的吸附动力学特性
Fig. 3 Dynamic sorption characteristics of RMS and BMGS
Cjee 201803142 t3
图3可知,RMS的吸油量与其材料用量无关,其吸油量在5 min就达到了吸油平衡,其吸油量平均为5.7 g·g−1。BMGS的吸油量和达到平衡时间与材料用量有关。材料用量为1 g时,达到平衡的时间快(20 min),但其吸油量仅为8.6 g·g−1;材料用量为5 g与10 g时,达到平衡的时间慢(30 min),但可以提高其吸油量,最高可达10.3 g·g−1。改性后的玉米秸秆吸油量大幅度提高,这是因为接枝共聚反应增强了材料的亲油性和空间网状结构,使秸秆可以吸附更多的油。

2.3 降解动力学

将实验的吸光度值代入残油量与吸光度的关系式(3),计算不同天数的残油量。经分析,发现其符合一级动力学方程[19],将一级动力学方程取负对数得:
ln P = k t + ln P 0
(6)
式中:lnP为任意时刻的残油量; ln P 0 为第0天的残油量;k为降解系数,代表微生物的降解速度。利用残油量随时间的变化关系拟合出图4,得到k值,利用式T1/2 = ln 2/k便可计算出每组的半衰期。
图4 土壤残油量随时间的变化
Fig. 4 Change of amount of soil residual oil varies with time
图4 土壤残油量随时间的变化
Fig. 4 Change of amount of soil residual oil varies with time
Cjee 201803142 t4
表2中空白组和对照组的半衰期可知,加入RMS后略微缩短菌剂对油污土壤的半衰期,微生物可以利用秸秆作为能源物质来生长,微生物数量较空白组增多,提高了对油污土壤的降解效率。对比对照组与实验组2,加入改性材料BMGS的半衰期比加入RMS缩短了18.17 d,这是由于RMS的亲油性太弱,在油污土壤中不能提高菌剂与石油的接触面积。而改性后的BMGS接上了甲基丙烯酸丁酯-苯乙烯,碳链延长,降低了接口张力,增强了BMGS的亲油性,而秸秆本身具有亲水性,改性后的秸秆BMGS具有部分修饰后的表面亲油基团,这种表面乳化活性改善了石油烃在秸秆中的溶解性和分散程度,在增加微生物与油珠接触的表面积的同时,促进疏水性石油烃在秸秆中的传递速率,从而提高微生物利用度,加快了微生物对TPH的降解[11]。同时改性后的BMGS材料性质发生了变化,不容易被土壤腐蚀,可以长效发挥作用,这也从另一方面促进了微生物对TPH的降解。从实验组1、2、3可知,环境条件相似时土壤所受油污染的程度越高,油污土壤的降解半衰期越长[20]
表2 TPH在不同条件下降解动力学参数
Table 2 TPH degradation dynamics parameters in different condition
表2 TPH在不同条件下降解动力学参数
Table 2 TPH degradation dynamics parameters in different condition
处理组别
标准油/g
材料
k
R2
T1/2/d
空白组
30
0.019 2
0.978
36.10
对照组
30
RMS
0.021 0
0.975
33.01
实验组1
15
BMGS
0.065 4
0.982
10.60
实验组2
30
BMGS
0.046 7
0.983
14.84
实验组3
50
BMGS
0.035 5
0.921
19.52

2.4 正构烷烃降解规律

原油主要成分是饱和烃,其总离子流见图5。饱和烃中最主要组分是烷烃C12~C35,包括正构烷烃系列、异构烷烃系列以及类异戊二烯烷烃系列——降姥鲛烷、姥鲛烷和植烷,它们占到饱和烃馏分的94.6%。
图5 饱和烃的GC/MS总离子流
Fig. 5 Total ion GC/MS chromatogram of saturated hydrocarbon
图5 饱和烃的GC/MS总离子流
Fig. 5 Total ion GC/MS chromatogram of saturated hydrocarbon
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对降解后石油烃进行GC-MS检测,其总离子流见图6。根据前期的研究成果与降解7 d与21 d的GC-MS图分析可知,空白组在降解过程中主峰碳由C19前移到C14、RMS从C31前移到C21、BMGS从C27前移到C19,说明标准油在降解过程中,主峰碳发生前移,并且后期高碳数正构烷烃降解明显[21]
图6 RMS、BMGS固定菌剂作用7 d、21 d后GC/MS总离子流
Fig. 6 Total ion GC/MS chromatogram of RMS, BMGS adsorption microorganism action 7 d, 21 d
图6 RMS、BMGS固定菌剂作用7 d、21 d后GC/MS总离子流
Fig. 6 Total ion GC/MS chromatogram of RMS, BMGS adsorption microorganism action 7 d, 21 d
Cjee 201803142 t6

2.4.1 正构烷烃降解规律分析

加入不同的秸秆材料吸附的菌剂对石油烃作用7 d和21 d后,正构烷烃碳数均分布为C14~C35。利用GC-MS数据计算得出不同材料作用7 d和21 d后的正构烷烃降解率。从图7可以看出,加入RMS和BMGS后不改变菌剂对不同碳数正构烷烃的先后规律,均是7 d利用低碳数正构烷烃为主,21 d时利用高碳数正构烷烃为主。并且可以看出相同时间大部分碳数中虚线(即加入BMGS)高于实线(即加入RMS),说明加入BMGS菌剂的降解率明显高于加入RMS菌剂的降解率。
图7 不同材料吸附下对正构烷烃的降解率
Fig. 7 Degradation rate of n-alkanes by different material
图7 不同材料吸附下对正构烷烃的降解率
Fig. 7 Degradation rate of n-alkanes by different material
Cjee 201803142 t7
表3可以看出,空白组的降解率均低于加入RMS与BMGS,这与降解动力学研究结果相符。在7 d时,RMS在低碳数烷烃的平均降解率为61.72%,低于BMGS的70.03%,也低于21 d时的70.26%。从高碳数烷烃的平均降解率中可以看出,7 d时加入BMGS后就可以提高对高碳数烷烃的降解,21 d时高碳数烷烃的平均降解率达到了91.25%,高于加入RMS时21 d的平均降解率77.49%。并且在相同时间大部分碳数范围内加入BMGS的降解率均比加入RMS的降解率大,这说明了加入BMGS后可以明显缩短微生物对油污土壤降解的半衰期。
表3 不同材料对不同碳数段正构烷烃的平均降解率
Table 3 Degradation rate of different carbon number n-alkanes by different material %
表3 不同材料对不同碳数段正构烷烃的平均降解率
Table 3 Degradation rate of different carbon number n-alkanes by different material %
材料
C14~C20
C21~C30
C31~C39
7 d
21 d
7 d
21 d
7 d
21 d
无(空白组)
40.29
51.25
21.02
36.03
5.11
56.16
RMS
61.74
70.26
49.96
68.02
−35.06
77.49
BMGS
70.03
76.68
40.47
68.68
28.25
91.25

2.4.2 生物演化分析

加入不同的秸秆材料会影响菌剂对石油中不同烃类的降解能力。利用生物演化参数揭示在不同的秸秆材料中菌剂对正构烷烃的降解演化内在机理有重要作用。
表4可以看出,空白组在加入RMS与加入BMGS后的OEP值均随时间延长变小,这是由于有机质经受强烈的细菌或热作用时均会发生烷烃系列的奇数碳相对丰度下降和偶数碳相对丰度升高的变化,因而OEP值会逐渐降低[22]。对照不同的材料在同一时间下的OEP值,可以看出BMGS>RMGS>空白组,这说明加入秸秆材料后菌剂会提高降解偶数碳烷烃的速率,并且加入BMGS后降解速率更快。在7 d时,微生物降解正构烷烃的优势为低碳数正构烷烃,空白组、RMS、BMGS的参数w(ΣC21−)/w(ΣC22+)值0.890>0.642>0.499,即加入BMGS后高碳数优势最为明显,说明加入BMGS后在7 d时降解的低碳数正构烷烃的量高于空白组与RMS,因此得出7 d时加入BMGS的降解速率最大。在21 d时,由于易降解的低碳数正构烷烃含量已经相对匮乏,微生物降解正构烷烃的优势已经从低碳数转变为高碳数,空白组、RMS、BMGS的参数w(ΣC21−)/w(ΣC22+)值0.643<0.836<0.861,即在21 d时,加入BMGS后低碳数优势最为明显,说明21 d时加入BMGS后消耗高碳数正构烷烃的量最多,即降解率最大。这说明了在整个降解过程中,加入BMGS可以提高菌剂对正构烷烃的降解效率。从表4可以看出,7 d时3组姥植比分别是0.769、0.698和0.438,均小于21 d时的0.786、0.791和0.447。这说明7 d到21 d降解的过程中使类异戊二烯烷烃发生了去甲基反应,部分植烷分子脱去了一个甲基转化为姥鲛烷,即混合菌剂具有降解类异戊二烯烷烃的能力[23]w(Pr)/w(C17)和w(Ph)/w(C18)是姥鲛烷(Pr)与相邻的C17烷烃以及植烷(Ph)与其相邻的C18烷烃的相关性参数,该值越大,说明原油生物降解时烷烃的降解速率越高。从表4可以看出,除7 d时加入RMS的w(Pr)/w(C17)值与加入BMGS的值略相当外,其BMGS的值均大于RMS的值,这说明了加入BMGS后较RMS可以提高正构烷烃的降解速率。
表4 正构烷烃生物演化参数值
Table 4 Evolution parameter of n-alkanes biological
表4 正构烷烃生物演化参数值
Table 4 Evolution parameter of n-alkanes biological
材料
烷烃主峰
OEP
w(ΣC21−)/w(ΣC22+)
w(Pr)/w(Ph)
w(Pr)/w(C17)
w(Ph)/w(C18)
7 d
21 d
7 d
21 d
7 d
21 d
7 d
21 d
7 d
21 d
7 d
21 d
无(空白组)
nC19
nC14
0.950
0.724
0.890
0.643
0.769
0.786
0.423
0.516
0.539
0.253
RMS
nC31
nC21
1.093
0.942
0.642
0.836
0.698
0.791
0.255
0.478
0.306
0.346
BMGS
nC27
nC19
1.379
1.039
0.499
0.861
0.438
0.447
0.339
0.452
0.435
0.490

3 结论

1)玉米秸秆RMS通过接枝共聚与甲基丙烯酸丁酯、苯乙烯成功合成改性材料BMGS。并且利用红外光谱和XRD的表征手段得出甲基丙烯丁酯和苯乙烯被接枝到玉米秸秆纤维素的表面,且改性后的材料更适宜原油的吸附。
2)根据吸油量实验得出改性后的玉米秸秆吸油量和吸油效率大大提高, BMGS为10.3 g·g−1,原秸秆RMS仅为5.7 g·g−1
3)根据降解动力学研究可知,油污土壤加入BMGS后可以大幅度缩短降解半衰期。加入BMGS后的半衰期比加入RMS的半衰期少18.17 d,这与改性秸秆BMGS的结构有十分密切的关系。在土壤中加入固定量BMGS和不同浓度的标准油,其生物降解半衰期分别为10.60、14.84和19.52 d,表明在一定污染范围内,环境条件相似时土壤所受油污染的程度越高,油污土壤的降解半衰期越长。
4)通过正构烷烃降解特性分析可知,改性秸秆BMGS吸附菌剂后可以提高菌剂对油滴接触的表面积,增加疏水性污染物在水相中的传递速率,从而提高生物利用度,缩短油污土壤的降解半衰期。改性BMGS固定化菌剂对TPH的降解表现出,7 d时降解低碳数正构烷烃为优势、21 d时降解高碳数烷烃为优势的特性,其高碳数正构烷烃的平均降解率达91.25%;通过生物演化参数OEP、姥植比对比可知,BMGS吸附菌剂后有利于菌剂降解难降解的偶碳数正构烷烃和类异戊二烯烷烃物质,从深层次揭示改性秸秆吸附微生物后显著提高降解率的原因。

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