生物炭固定化微生物修复石油烃污染研究进展

闫首龙,李 爽,陈 曦,马会强

(辽宁石油化工大学环境与安全工程学院,辽宁 抚顺 113001)

石油作为重要能源被广泛使用,随之而来的石油烃污染对土壤和水体环境造成严重危害[1]。生物炭固定化微生物技术通过物理或化学方法将微生物固定于生物炭材料上,从而保持微生物活性,提高微生物密度[2],是一种有前景的石油烃污染修复方法,具有处理效率较高、效果稳定、无二次污染等优点[3]。生物炭固定化微生物对石油烃污染有较好的修复效果,归因于固定化微生物的生物降解与生物炭吸附的协同作用,生物炭吸附可以增强污染物从污染环境向固定化微生物群落的传质,并丰富固定化微生物形成生物膜,通过新陈代谢氧化分解污染物[4-5]。在此,作者在介绍优势降解微生物、生物炭载体、微生物固定化方法及生物炭固定化微生物技术修复石油烃污染的影响因素的基础上,对近年来国内外生物炭固定化微生物技术修复石油烃污染的应用进展进行总结,并对未来发展方向进行展望,旨为生物炭固定化微生物技术修复水及土壤中石油烃污染研究提供参考。

1 优势降解微生物

用于固定化的微生物主要包括细菌、真菌、藻类等。针对不同的目标污染物及污染环境,筛选优势降解微生物尤为重要,但存在筛选难度大、富集率低和菌体易脱落等问题[6]。Song等[7]从焦化厂的石油烃污染土壤中分离出鞘氨醇单胞菌PJ2,以生物炭为载体将其固定化,发现固定化鞘氨醇单胞菌PJ2可以有效修复和改良多环芳烃污染盐渍土。刘志敏等[8]以海藻酸钠和壳聚糖为复合载体,对从渤海湾石油勘探船废油中分离出的海洋石油烃降解菌Acinetobactersp.Tust-DM21进行固定化,发现其对石油烃的降解效率较游离菌大幅升高。姜义等[9]从大庆油田的石油污染土壤中分离出6株耐高温石油烃降解菌,发现在石油浓度为0.5%、pH值为7、温度为52～80 ℃、接种量为2 mL、氮源为硫酸铵的最佳条件下,菌株BacilluslicheniformisWY2对总石油烃的降解率约52%。Mohn等[10]在极寒地区土壤修复试验中,通过接种耐冷微生物,石油烃降解率可达80%以上。Wang等[11]发现在低盐环境(0.1%NaCl)下,嗜盐基团cy-1对菲的降解没有显著影响;而在高盐环境(5%NaCl)下,菲在5 d内可以完全降解。因此,要根据不同的污染环境,选择合适的优势降解微生物。

2 生物炭载体

微生物固定化载体需具有成本低、环保、机械强度高和使用寿命长等特点,且能为固定化微生物提供足够的空间,并增强底物与固定化微生物之间的相互作用[12-13]。生物炭通常由生物质原料[14-15]在相对较低的热解温度(<700 ℃)及有限氧气或无氧条件下制备[16]。生物炭具有疏松多孔、比表面积大等特点,其作为载体固定化微生物具有极大的应用潜力。生物炭的多孔结构可以为微生物的生长繁殖提供空间,同时也可提供少量的营养物质来抵抗外界环境因素对微生物生长的影响[17-18]。研究表明,生物炭的物理结构通常取决于碳化温度,因为热解过程中释放的挥发物有助于形成孔隙[19-20],从而使比表面积增大。陈钰等[21]研究了裂解温度(300～800 ℃)对生物炭制备的影响,发现在550 ℃时,由于有机物大量挥发,生物炭具有高度疏水性和组织良好的碳层。但过高的温度会破坏生物炭孔壁结构,导致总官能团减少[22-23]。熊武芳[24]采用鸡粪、稻壳等生物质,在相同条件下制备生物炭吸附剂,结果显示,稻壳生物炭具有较低的灰分含量和较少的含氧官能团,稳定性更强,对萘的去除效果更好。

3 微生物固定化方法

目前,常用的微生物固定化方法主要有吸附法、包埋法、交联法、共价键结合法[25]。其中吸附法与包埋法被广泛应用于生物炭固定化微生物修复石油烃污染。

3.1 吸附法

吸附法是通过生物炭表面吸附、孔隙填充[26]、静电相互作用[27]实现对微生物的固定化,具有成本低、操作简单、对微生物活性影响小、不需添加化学试剂等优点。但微生物与生物炭之间的相互作用较弱且不稳定,导致微生物易脱落[28],造成二次污染。Zhou等[29]利用玉米秸秆生物炭固定化产生物表面活性剂弧菌LQ2,用于处理海洋柴油污染,发现柴油残留量从169.2 mg降至8.91 mg,降解率达94.7%,优于生物炭(35.2%)和游离菌(54.4%)的降解效果。Wang等[30]采用腐殖酸改性生物炭通过吸附法固定微生物,发现其对污染物的降解效率显著提高。改性生物炭为微生物的固定化提供了新思路。

3.2 包埋法

包埋法是将微生物截留在聚合物载体网格中,外部环境的小分子底物和产物可以自由进出载体生物炭,而微生物不会泄漏[31]。包埋法对微生物毒性低,颗粒强度高,适用范围广。目前,常采用海藻酸钠和聚乙烯醇作为微生物固定化的包埋剂。Chen等[32]以植物残渣制成的生物炭为载体、海藻酸钠为包埋剂固定化恶臭假单胞菌B1和本土细菌B2,用于处理1.0 mg·L-1菲和0.1 mg·L-1芘,菲和芘的降解率分别升至92%～100%和96%～100%。Lu等[33]以水稻生物炭(RS500)和海藻酸盐为复合物,通过凝胶包埋法固定化铜绿假单胞菌,用于处理水中3.5 mg·L-1苊,研究发现,添加非离子表面活性剂TX100可以促进生物炭对多环芳烃的吸附和铜绿假单胞菌对多环芳烃的降解;在最佳条件下,包埋铜绿假单胞菌的海藻酸生物炭对苊的降解率为50.6%。然而,在包埋过程中微生物细胞的活性可能会受到损害,当固定化微生物细胞密度高或降解大分子污染物时,传质阻力的增加会影响微生物的物质交换,使传质效率下降[34],导致载体不能继续使用。

4 生物炭固定化微生物技术修复石油烃污染的影响因素

4.1 菌炭投加比

生物炭含量过高,会对微生物细胞产生一定的潜在毒性,导致单位生物炭吸附的微生物过少,影响石油烃污染的修复效果;生物炭含量过低,则会导致单位生物炭吸附的微生物过多,由于吸附位点有限,生物炭表面微生物能够接触并利用的污染物随之减少,进而影响石油烃污染的修复效果[35-36]。因此,合适的菌炭投加比对石油烃污染的修复非常重要。

4.2 pH值

pH值对微生物的影响较为复杂,会通过影响细胞活性影响微生物的生长繁殖和新陈代谢,不同微生物生长的适宜pH值范围也不相同[37]。在生物炭体系中,pH值会影响生物炭表面电荷的迁移率,从而影响污染物与生物炭载体之间的相互作用[38]。

4.3 温度

微生物的活性和生物炭的性能也受环境温度的影响。研究发现,温度(10～50 ℃)升高有利于石油烃污染的修复。可能是由于,温度升高改善了固定化微生物的传质,有利于石油烃污染物在生物炭中的迁移和固定化微生物的酶降解[33]。当温度高于30 ℃时,游离菌细胞内的酶失活,导致游离菌代谢能力降低,生长受到抑制;而固定化微生物对污染物仍有很好的去除效果,主要是由于,生物炭载体为微生物提供了相对稳定的微环境[39]。Zhu等[40]研究了生物炭固定化沙雷菌N80对噻吩磺隆的去除效果,发现其最适作用温度为25～35 ℃,略高于游离菌。

4.4 石油烃初始浓度

一定浓度的石油烃可以促进固定化微生物对石油烃的降解,这是因为,微生物可以利用石油烃作为碳源和能源;但当石油烃浓度超出一定限值时,会对微生物产生毒害作用[41],导致总生物吸附量和去除效率降低[42]。因此,合适的石油烃初始浓度更有利于石油烃污染的修复。Chen等[28]利用改性竹炭固定化威尼斯不动杆菌对柴油进行降解,当柴油初始浓度为100～400 mg·L-1时,固定化威尼斯不动杆菌对柴油的降解率随初始浓度增加明显提高;当柴油初始浓度为400 mg·L-1时,固定化威尼斯不动杆菌在48 h内对柴油降解率达到了94%,远高于相同浓度下游离菌的降解率,这可能是因为,改性竹炭载体为威尼斯不动杆菌提供了相对稳定的微环境和营养,减轻了外部环境对威尼斯不动杆菌的干扰。

5 生物炭固定化微生物技术修复石油烃污染的应用

石油烃具有低溶解度、非极性和疏水性,广泛存在于环境中。目前,已有很有研究者将生物炭固定化微生物技术应用于石油烃污染的修复。Ren等[43]利用玉米棒生物炭固定化分枝杆菌修复石油污染土壤,发现,固定化分枝杆菌对土壤中石油烃的降解效率明显提高,60 d内对石油烃的降解率为70.10%。Qiao等[44]利用磁性悬浮生物炭凝胶球固定化细菌,研究了其对石油烃的降解效果,结果表明,固定化细菌对芘、苯并[a]芘和茚并[1,2,3-cd]芘的降解率分别为89.8%、66.9%和78.2%。目前,生物炭固定化微生物对石油烃污染的修复研究大多是实验室研究,实际应用较少。国内外利用生物炭固定化微生物修复石油烃污染的研究案例见表1。

表1 生物炭固定化微生物修复石油烃污染的研究案例Tab.1 Case study on bioremediation of petroleum hydrocarbon pollution by biochar immobilized microorganisms

6 展望

生物炭固定化微生物技术在石油烃污染修复领域具有广阔的应用前景,但仍面临如下挑战:(1)针对实际污染环境的复杂性,开发性价比高、性质稳定、无毒、孔隙率高、比表面积大的生物炭,筛选高效、稳定的优势菌种;(2)目前,吸附法和包埋法是主要的微生物固定化方法,其它方法研究还相当缺乏,可开发新型微生物固定化方法,以进一步提高修复效率;(3)今后可在生物炭协同微生物与石油烃污染相互作用机制方面进行研究,探究生物炭与微生物的协同作用机制及对石油烃污染的降解机制,提高对石油烃污染的降解效率。