论文部分内容阅读
土壤石油污染对生态环境安全有重要影响,严重制约油田区的社会、经济和环境可持续发展。原位化学氧化(ISCO)与原位微生物修复(ISB)联合使用是修复石油污染土壤的主要手段之一。通过化学氧化能够降低污染物的毒性、增加其细菌可利用性,促进ISB过程;但化学氧化过程同时对土壤细菌具有一定的灭活作用,不利于ISB处理。针对石油污染土壤修复中ISCO对土壤细菌的“双重”作用,本文选用不同氧化剂(H2O2、Na2S2O8),研究了不同氧化剂剂量、投加方式(一次或分三次)、铁系催化剂活化等条件对石油污染土壤中总石油烃去除和细菌群落结构变化的影响,分析比较了反应期间的氧化剂剩余量、pH、溶解性有机碳(DOC)、总磷(TP)、溶解性总氮(TN)含量的变化,讨论了不同条件下TPH含量、氧化剂剩余量、DOC、TN、TP、pH等环境因子与细菌物种丰富度和群落结构变化之间的相关关系。主要研究结果如下:(1)Na2S2O8具有较好的持续有效性,分批次投加H2O2可以增加氧化剂的持续有效性和营养物质的释放,并且可以有效控制加入的H2O2的量,但在第4天也消耗完全。Na2S2O8作为氧化剂,在土壤中持续时间更长,低初始浓度Na2S2O8氧化石油污染土壤10天后,体系中仍有9.5 mM氧化剂剩余。氧化反应10天后,在Na2S2O8初始浓度为21 mM、63 mM、105 mM 的处理中,TPH 终去除率分别为 38.09%、46.20%、47.95%;较H2O2处理组中分别高出0.46%、12.41%和14.21%。H2O2在土壤中分解较快,对微生物的抑制作用较小,但同时对石油污染土壤中TPH的氧化去除率也较低,Na2S2O8对TPH的去除率相对较高,但由于氧化剂的持续存在对土壤微生物具有一定的抑制作用。(2)不同铁系催化剂活化Na2S2O8氧化修复石油污染土壤时,TPH降解率和Na2S2O8剩余量有相关关系。相对于柠檬酸亚铁和四氧化三铁,Fe0催化活化Na2S2O8氧化TPH的效果最好,反应10天后,在Na2S2O8初始浓度为21 mM、63 mM、105 mM的处理中,TPH终去除率分别达到53.39%、59.63%、64.71%。相对于未添加催化剂的处理组,TPH降解率显著增加。均相催化剂柠檬酸亚铁的添加更有利于土壤中氮元素的析出,也为后续细菌的生长提供了充足的氮源。(3)在H2O2体系中DOC浓度呈上升趋势,由于Na2S2O8相对于H2O2更能将油污土壤中大分子有机物逐渐氧化成小分子物质,所以在反应初期,Na2S2O8处理组中DOC增长率(54.88%)比H2O2处理组(20.88%)高出34%,但随着土壤中有机污染物的减少,Na2S2O8处理组中DOC浓度逐渐下降。分批次投加H2O2的体系中DOC的浓度均小于一次投加处理。土壤中总氮含量的变化幅度基本一致,CK组中TN含量呈先上升后下降的趋势,H2O2体系中TN含量在100~150mg·kg-1的范围内波动,而Na2S2O8处理组中TN含量呈上升趋势,分批次投加H2O2体系中TN浓度曲线呈先上升后下降的趋势。与H2O2氧化处理组相比,Na2S2O8处理组中pH值明显偏低,维持在pH 2~4之间,并且初始氧化剂浓度越高,pH越低。(4)Alpha多样性指数中Chaol,Shannon和ACE指数随氧化时间呈上升趋势,而各处理组之间的Simpson指数值差异不大。其中,分三次投加氧H2O2(HT),中等初始浓度Na2S2O8(PM)以及零价铁活化高浓度Na2S2O8(ZH)处理中,物种多样性最为丰富。Venn图反映出在低初始浓度的氧化处理组中细菌聚集更加丰富,化学氧化石油污染土壤对于细菌的石油污染环境产生了大量新的细菌种类。非均相催化剂(Fe0)活化Na2S2O8修复石油污染土壤后有利于土壤中细菌的恢复,并且氧化剂初始浓度越高,土壤中细菌数量越多。(5)物种丰度变化结果表明,化学氧化后土壤中的优势菌群发生变化,石油烃去除率的提高与土壤中烃类降解菌的增加有关。在氧化初期厚壁菌门(Firmicutes)占比较高,随着反应时间的增加,Firmicutes的丰度下降,各氧化处理组中变形菌门(Proteobacteria)的丰度都有所上升。在反应的第50天后,低浓度H2O2处理组中变形菌门占比为64.41%,显著高于其他H2O2处理组(CK:32.73%,高浓度H2O2:38.23%,分三次投加H2O2:29.56%)。Na2S2O8处理组中优势菌门相对丰度从大到小依次为变形菌门,厚壁菌门和拟杆菌门。厚壁菌门在土壤中抗逆性强,对化学氧化的抵抗性更好;随着氧化剂逐渐消耗,土壤中变形菌门丰度增加,可能是细菌降解石油烃类污染物质的主要贡献者。低浓度的氧化剂Na2S2O8更有利于放线菌门(Actinobacteria)的生长。随着反应时间的增加,在柠檬酸亚铁和Fe0活化低浓度Na2S2O8处理组(FL、ZL)中,厚壁菌门相对丰度呈上升趋势,刺激了细菌对石油烃的降解。在属水平上,不同氧化处理组中优势菌属均为芽孢杆菌属(Bacillus)和类芽孢杆菌属(Paenibacillus)。(6)反应体系细菌多样性水平与土壤的理化性质主要指标变化、总石油烃含量变化相关性分析结果表明,所有处理中TPH均是对群落结构影响最大的因素,且TPH含量相近的土壤拥有相似的物种组成结构。TP对Na2S2O8氧化处理土壤中细菌群落分布影响具有显著性,而对H2O2氧化处理土壤中细菌群落分布影响没有显著性。通过对不同化学氧化处理的VPA分析,各处理组中营养物质的变化对细菌群落分布差异的贡献程度更大。两种铁系催化剂(柠檬酸亚铁、Fe0)活化不同浓度Na2S2O8氧化石油污染土壤时,营养物质作为一组环境因子,其解释量为3 1.04%,较不同处理H2O2以及不同初始浓度Na2S2O8处理组分别高出6.68%和17.19%。本文研究结果揭示了采用不同化学氧化处理时石油污染土壤中总石油烃的降解、营养物质的变化、土壤细菌群落结构和多样性的变化规律,为原位化学氧化强化土壤土著微生物联合修复土壤石油污染提供了一定的研究基础。