主讲人：刘五星 研究员
（2022年1月27日）
（刘五星，男，中国科学院南京土壤研究所，研究员，博士生导师，中国土壤学会土壤修复专业委员会主任，国家重点研发计划首席科学家。先后到日本国立农业环境技术研究所、澳大利亚拉筹伯大学从事合作研究。主要从事石油烃、多环芳烃等有机污染土壤的生物修复及微生物生态领域的研究工作。主持和参加了国家重点研发计划、国家自然科学基金（石化联合基金、面上项目、青年基金、中欧国际合作项目）、国家高技术研究发展计划（863计划）、国家科技支撑计划、环保公益性项目、中国科学院知识创新工程重要方向项目等多项课题。初步揭示了根际促生菌（PGPR）强化植物修复过程中的根系-微生物的相互作用机理，研发了接种兼具有产生物表面活性剂的PGPR强化石油污染土壤生物修复技术，并在国内多个油田率先开展了石油类污染土壤的预制床修复与堆肥修复工程。）
课程概要：
随着我国石油生产和消费量的快速增加，在其开采、炼制、贮运、使用过程中石油及各种石油产品进入环境而造成的污染问题日益严重。为满足快速增长的石油类污染场地修复需求、避免次生环境问题，发展绿色、可持续、环境友好的生物修复技术已成为该类场地修复治理的重要研发方向。结合国内外研究进展，主要围绕土壤石油污染特征及危害、具有高效石油烃降解能力的微生物菌剂和专性刺激作用的生物修复助剂研发、生物修复过程中微生物群落响应及调控、生物修复技术类型及影响修复效率的关键因子等方面展开。同时结合课题组多年来的修复工程案例，分析了针对不同类型石油污染场地的治理思路和技术选择，并对生物修复技术的规模化应用提出展望。
课程内容：
习惯上把未经加工处理的石油称为原油，是一种黑褐色并带有绿色荧光，具有特殊气味的粘稠性油状液体，为烷烃、环烷烃、芳香烃和烯烃等多种液态烃的混合物。成品油是石油蒸馏产品，是指汽油、煤油、柴油及其他符合国家产品质量标准、具有相同用途的乙醇汽油和生物柴油等替代燃料。总体来说，随着碳原子的增加，馏分的沸点增加。石油分为烃类化合物和非烃化合物，烃类化合物是指气态、液态和固态的烃类混合物，具有天然的产状，细分为：饱和烃和不饱和烃，其中饱和烃是石油的重要组分，其分子通式为CnH2n+2，不饱和烃指原油中不饱和烃主要是芳香烃。石油中的非烃类化合物主要有含硫化合物、含氧化物、含氮化合物等。
石油组分非常复杂，主要表现为因碳原子不同而差异，不同原油中PAHs的含量因种类不同而含量不同。不同类型石油污染场地关注污染物也表现不同，汽油污染物关注污染物为总石油烃、苯、甲苯、乙苯、二甲苯、铅和甲基叔丁基醚等污染因子；煤油/航空煤油关注污染物为总石油烃、苊烯、苊、苯、甲苯、乙苯、二甲苯、多环芳烃和甲基叔丁基醚等污染因子；柴油/轻质燃油和机油/润滑油污染物关注污染物为总石油烃、苊烯、苊、多环芳烃和甲基叔丁基醚等污染因子；重质燃油、原油污染物关注污染物为总石油烃、苊烯、苊和多环芳烃等污染因子。
总石油烃按照碳链结构不同，分为脂肪族化合物（6种）和芳香族化合物（7种），同类化合物的溶解度、蒸汽压、亨利常数、分配系数等物理性质接近。同时每一类石油馏分参考剂量与参考浓度不同，超标污染的危害作用也不同：低碳链的脂肪族馏分危害作用主要表现为肝肾中毒，中碳链的脂肪族馏分危害作用主要表现为肝脏血液疾病，高碳链脂肪族馏分危害作用主要表现为肝脏肉芽瘤；低碳链的芳香族馏分危害作用主要表现为肝肾中毒，中碳链的芳香族馏分危害作用主要表现为体重降低，高碳链芳香族馏分危害作用主要表现为肝脏中毒。
石油污染是指在石油的开采、炼制、贮运、使用过程中，原油和各种石油制品进入环境而造成的污染，污染来源主要为油田及炼油厂、加油站、石油类废水污灌、大气沉降等。全国土壤污染状况调查公报（2014）显示，我国采油区土壤点位超标率较高，主要污染物为石油烃和多环芳烃；除了石油污染土壤外，每年新增含油污泥（危险废物名录HW08）600万吨左右，历史存留油泥达1.5亿吨以上。
石油污染及危害主要表现在：石油可堵塞土壤孔隙、粘在植物根部形成粘膜造成大面积植物死亡，石油的有些成分如苯系物、多环芳烃具有致癌变、致突变、致畸变作用，EPA已将石油中的某些物质列为优先污染物，我国也将油泥列入国家危险废物名录（HW08）。
生物修复是指利用处理系统中的生物，主要是微生物的代谢活动来减少污染物的浓度或使其无害化的过程。生物修复具有不造成二次污染、费用低、原位降解污染物等优点。且相对于传统技术，生物修复是最经济的一种，其费用约为热处理费用的1/3～1/4。埃克森石油公司的油船在阿拉斯加威廉王子海湾发生了溢油事故，排放了3.8万吨原油，使数千公里海岸线布满了石油，对此地的海洋生态环境造成了大范围的严重影响。美国环保局采取种种办法试图尽快清除油污,但效果都不是太理想。后来，他们往油污中喷洒了一些亲油的营养物质，刺激石油降解的增长，使石油的分解速度提高了2～3倍。生物修复已成为国际上石油污染首选修复技术，从国际技术发展趋势来看，生物修复是针对石油污染土壤的首选技术具有绿色环保、费用低廉等优点，生物修复技术占比达到48%。典型降解历程依次为：烃-醇-醛/酮-脂肪酸-二氧化碳。
影响石油生物降解的因素主要表现为：化学物的特性（分子结构和溶解度）；土壤生物因素（微生物、植物等）和土壤环境条件（营养物质、pH、温度、水分、电子受体、土壤结构、颗粒大小）。分子结构对石油降解的影响表现在：C10～C24 的中等长度的链烃降解速度相当快，而更长链的烷烃则不易降解，当分子量超过500～600一般不能作为微生物的碳源；饱和烃的降解率最高，其次是低分子量的芳香族烃类化合物，高分子量的芳香族烃类化合物、胶质和沥青质则极难降解；不同烃类化合物的降解率排序为：直链烷烃> 分支烷烃> 低分子量芳香烃> 多环烷烃；取代基的位置和数量也影响烃的降解程度。营养物质对石油降解的影响表现在：降解石油细菌细胞的化学组成可以用C106、H180、O45、N16、P1表示，微生物降解过程的理论最佳方法具有确定的可生物利用的C、N、P最佳比；在油污土壤中，有机碳含量很高，碳已不是限制条件。土壤有效N、P含量相对较少。只有在C∶N∶P营养物质比例适合时，土壤微生物才能正常生长，土壤中除了必须包含N、P外，还需包含其他微量、宏量元素，并且这些元素要保持一定的浓度。石油降解菌能降解石油烃的微生物共有200 多种，其中最常见的降解细菌为假单胞菌属、节杆菌属、产碱杆菌属等；表活剂产生菌的石油类污染物疏水性强、生物有效性低，是限制其生物降解的主要因素之一，表活剂产生菌可提高石油类污染物的生物可利用性；植物根际促生菌（PGPR）可通过缓解逆境抑制、提供植物营养物质、产生植物生长调节物质等方式促进植物生长，提高根际微生物对石油的降解。
为研究微生物降解石油的机理，首先通过石油降解相关微生物的高通量筛选，试验方法主要步骤为：富集培养液或污染土壤-形成稀释液-污染物为底物培养，指示剂示潜在降解性-加标签测序-纯化-功能特性验证与筛选。相关微生物主要有：石油降解菌、生物表面活性剂产生菌（2种）、根际促生菌（PGPR）（3种）。通过试验结果得知，D5A对酸碱具有很强的耐受性，在固定的pH范围内可正常生长，D5A可产铁载体，能够促进植物生长，缓解环境对D5A的胁迫，使得其在极端环境下也能够发挥良好的促生效果。前期实验表明菌株D5A可以在pH4-10的条件下生长不受影响，D5A基因组中耐酸、耐碱、耐盐基因普遍存在。从而分离得到具有耐盐和耐酸碱能力的根际促生菌D5A。其次，开展微生物菌剂的制备与实验室修复研究，通过菌剂对污染物去除的影响，接种菌剂显著提高高分子量石油烃的去除率；菌剂对土壤微生物和多样性的影响表明石油的降解高度依赖于土壤中存在的石油降解菌和表面活性剂产生菌，而与细菌群落多样性无关。
石油污染土壤生物修复技术主要有：1）生物通风；2）土地耕作法；3）生物堆法；4）预制床修复。
生物通风修复技术是指在污染场地打竖井并安装鼓风机和抽真空机向污染区域供给空气或氧气。修复效率主要取决于生物通风效率，同时需要做好尾气的长效处理与运行。修复的重点在于共代谢微生物菌种选育及其高密度培养以及复杂多相介质微生物及营养添加物的强化传质技术。该技术主要适合于治理包气带汽油等挥发性较强的石油污染土壤的治理。
土耕法修复技术是指对石油污染的土壤进行翻耕，同时向土壤中添加肥料、表面活性剂等物质并定期灌溉。优势在于经济节能，设计简单易操作，修复范围广，可与其他异位修复技术结合使用；劣势在于修复场地较大，可能对空气和地下水带来二次污染，受气候条件的影响较大，对于污染浓度大，高分子难挥发的物质比较难处理。
生物堆修复技术是指将挖出的石油污染土壤与改良剂混合后，堆置于设置有渗出水收集与通气系统的处理区。易降解有机物在堆料中所占比例对生物堆处理效果有很大影响，主要是因为易降解有机物为微生物生长提供充足的碳源和能源，以维持堆料中微生物活性和必要的高温，从而富集高温微生物。
预制床修复技术是指将挖出的石油污染土壤置于预制床上进行修复处理。是土耕法修复技术的延续，土耕法最大的缺陷是污染物可能从处理区迁移，而预制床法是在防泄漏的平台上铺以石子、沙子，将受污染土壤以15 ~ 30 cm的厚度平铺其上，加入营养液和水分，必要时加入表面活性剂，定期翻动充氧以满足微生物生长之需。
拟修复的油泥的特点为油和脂的含量高，同时表现为粘稠，物理结构差，持水率非常低，内源性微生物缺乏，冬季气温低，碳含量高，而氮磷等营养元素缺乏，修复对策为添加调理剂改善物理结构，提高其持水性、透气性，添加外源菌剂和营养元素，搭建温室大棚改善气温。修复测试共分为4组：RCPG：油泥＋调理剂＋菌剂＋大棚；RCP：油泥＋调理剂＋黄沙＋菌剂；PS：油泥；CP：油泥＋黄沙＋调理剂；OS：对照。
通过监测修复过程中微生物变化：有机肥的加入以及短暂的堆肥处理使油泥中所测的细菌数量均有具有显著增加；在生物修复前期数量快速增加，但40d后细菌数量缓慢下降直到试验结束；不同处理中细菌数量由大到小依次为：RCPG>CP>RCP>PS>OS；对照处理（OS）中的细菌数量，在整个试验期间变化不大。生物修复过程中油泥中微生物群落AWCD变化是反应微生物群落活性的有效指数之一，说明经过修复处理增强了土壤微生物的活性。预制床修复中的RCPG修复模式下的的油泥基理化性质（持水率、有机质、水解氮、速效磷和速效钾）表现较好。
生物堆修复过程主要有：含油污泥和有机物料及菌剂的混匀，下一步进行堆肥处理，期间，通过强制通风和翻推，其次通过堆肥参数动态调控，重点监测“功能微生物”和“污染物组分”最后观测含油污泥生物堆处理工艺及相关参数。其中生物堆的建设包括：透气渗水层铺设、通风管道的铺设、修复菌剂生产以及生物堆体修复。通过安装传感器实现氧气、温度和湿度的动态监测。经过堆肥修复，取得较好的修复效果，污染土壤中油含量逐渐减低，满足修复目标值（GB36600土壤石油烃管制值），达到修复效果，通过对微生物的监测，15~45天后堆肥高温阶段厚壁菌门显著增加，高温菌和耐高温石油烃降解菌在高温阶段显著富集，能够促进石油烃的降解。
该案例针对我国西部某油田油含量偏高的近6万立方米的油泥场地开展生物修复，修复目标值为参照国家能源局标准，经过半年的修复显示污染物含量已低于当时预设的修复目标值。修复过程主要分为防渗膜的铺设、菌剂添加以及日常养护。
该案例为管道泄漏造成的，建议采用翻耕进行修复，修复过程中主要有施加修复菌剂和翻耕污染土壤。经过7个月的修复处理，土壤中所有检测点位油含量降低到预设目标值，达到了很好的修复效果，修复后植物能够正常生长。
修复过程中影响石油污染土壤生物修复的因素主要有石油堵塞土壤孔隙度，土壤中水分和氧气缺乏，相应的解决对策为施加秸秆等调理剂，增强其蓬松度和保水性；影响因素还有土壤中石油降解菌缺乏，相应的解决对策为外加菌剂；开展植物修复利用根系刺激微生物生长；影响因素还有北方气温较低，不利于土壤中微生物的生长，相应的解决对策为搭建温室大棚提高环境温度；采用堆肥修复；此外影响因素还有石油中存在难生物降解组分，会造成修复效率低下；相应的解决对策为利用芬顿试剂氧化难生物降解组分，补充氮磷等营养成分刺激微生物的生长与降解。
采取的监控自然衰减是指在污染场地中通过实施有计划的监测方案，依据场地自然发生的物理、化学及生物等作用，使得土壤和地下水中污染物的数量、毒性、移动性降低到风险可接受水平，除必要的场地控制和监测之外无需人为干预的污染场地修复技术。根据污染物是否被破坏而被去除可将自然衰减过程分为非破坏型自然衰减和破坏型自然衰减过程过程。非破坏性过程主要有：弥散、吸附作用、稀释左右以及挥发左右；破坏性过程主要有：生物降解和非生物反应。适合采取自然衰减修复的场地特点主要为收缩的污染羽和稳定的污染羽；自然衰减也可与速效修复和多种修复技术相结合。
该案例涉及场地含水层介质主要为砾石、细砂和黏土，主要污染物为TPHs和VOCs，泥浆状缓释氧高压打入含水层，通过强化自然衰减进一步降解溶解相的污染物，工程开展6个月，现场污染从可见的LNAPL减少至BTEX、TPHs和VOCs等指标达标。
营养盐缓释材料可针对性的刺激土著降解菌的生长，调节好氧微生物降解过程中的营养平衡，强化厌氧微生物代谢过程中的代谢通路。国外专家通过耦合生物炭与不同营养盐而普适于多种有机污染物的地下水处理材料，其通过生物炭的高效吸附作用富集有机污染物，并通过营养盐缓释定向刺激土著微生物以有效代谢污染物。北卡罗来纳州、伊利诺伊州、弗吉尼亚州等多处机场联合其他技术处理TPHs、氯代化合物、苯系物等多种有机污染物，取得了良好的去除效果。
课程总结：王枫、董璟琦、张红振