1 引言
近年來, 隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及人們對環(huán)境質(zhì)量要求的不斷提升, 地下 水污 染逐漸受到廣泛關(guān)注.通過對中國東部平原地下水污染調(diào)查評價(jià)發(fā)現(xiàn), 該區(qū)域地下水中“三氮”普遍呈面狀污染特征, 重(類)金屬呈點(diǎn)污染特征, 尤以鉛、砷污染較嚴(yán)重, 有毒有害有機(jī)污染呈現(xiàn)“檢出率高、超標(biāo)率低”的特征, 其中有機(jī)污染物中揮發(fā)性有機(jī)污染物對地下水質(zhì)量影響較大, 主要檢出的污染物包括苯系物和氯代烴等.
作為地下水中主要存在的苯系物和氯代烴類污染物, 苯、甲苯、乙苯和二甲苯(BTEX)以及三氯乙烯(TCE)和四氯乙烯(PCE)開始受到廣泛關(guān)注.對于地下水中氯代烴類污染物(TCE、PCE)的修復(fù), 由于其難生物降解性而常通過零價(jià)鐵滲透感應(yīng)格柵(ZVI PRB)化學(xué)還原脫氯的方法, 將TCE、PCE逐級還原為二氯乙烯(DCE)和氯乙烯(VC), 并比較終還原為乙烯或乙烷, 但在此過程中也常伴隨著地下水環(huán)境中pH的升.對于地下水中BTEX污染物的修復(fù), 由于其易生物降解性而常通過生物降解格柵的方法將BTEX比較終降解為CO2, 并伴隨有兒茶酚、苯甲酸等中間產(chǎn)物的生成.
然而, 地下水污染中常常是幾種不同類型的污染物同時(shí)存在于地下水中并構(gòu)成不同類型的污染羽, 如由氯代烴和BTEX構(gòu)成的混合污染羽.將零價(jià)鐵滲透反應(yīng)格柵和生物降解格柵聯(lián)用, 利用氯代烴的易還原脫氯的性質(zhì)先通過零價(jià)鐵滲透反應(yīng)格柵去除氯代烴, 后利用BTEX易生物降解的性質(zhì)通過生物降解格柵去除BTEX, 可以有效去除由這兩種性質(zhì)迥異的污染物形成的混合污染羽.但是, 在聯(lián)合零價(jià)鐵滲透反應(yīng)格柵-生物降解格柵運(yùn)行過程中, 零價(jià)鐵滲透反應(yīng)格柵后的強(qiáng)堿性pH環(huán)境(pH>9)、氯代烴脫氯還原中間產(chǎn)物(cis-1, 2-DCE)的積累和可能出現(xiàn)的TCE穿透均可能對生物降解格柵中BTEX的生物降解產(chǎn)生影響.針對上述問題, 本文以苯或甲苯為研究對象, 采用批試驗(yàn)方法, 以粒狀鐵化學(xué)還原TCE后的出水環(huán)境為基礎(chǔ), 從長期受石油原油污染的土壤中分離和培養(yǎng)降解苯或甲苯的微生物, 研究不同pH條件下TCE和cis-1, 2-DCE對苯或甲苯厭氧生物降解的影響.
2 材料與方法
2.1 地下水和石油污染土壤
實(shí)驗(yàn)用地下水取自中國地質(zhì)大學(xué)(北京)自備井, 其中K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Fe3+、Cl-、NO3-和SO42-的濃度分別為1.92、18.01、73.96、33.3、0.21、47.29、9.12和69.78 mg·L-1.地下水使用前用N2曝氣至溶解氧(DO)<1.0 mg·L-1后加入粒狀鐵密封備用, 經(jīng)常搖動(dòng).本文中如未特別說明, 地下水均指此類.
石油污染土壤取自遼寧某油田包氣帶土壤(有機(jī)碳含量為48.53 g·kg-1, 碳氮比為112.3), 用于實(shí)驗(yàn)過程中苯或甲苯生物降解菌的培養(yǎng).
2.2 主要儀器和試劑
Agilent 6890N/5975氣相色譜-質(zhì)譜儀;HP-5 MS毛細(xì)管色譜柱(30 m×0. 25 mm×0.25μm, 美國安捷倫公司);G1888型頂空自動(dòng)進(jìn)樣器(美國安捷倫公司).PB-10型精密pH計(jì)(德國賽多利斯公司).HQ-30d型溶解氧測定儀(美國哈希公司).SPX-250型智能生化培養(yǎng)箱(寧波海曙試驗(yàn)儀器廠).
苯、甲苯、三氯乙烯(TCE)、疊氮鈉(NaN3)、氫氧化鈉(NaOH), 分析純, 購于北京化學(xué)試劑公司, 用地下水配制成一定濃度溶液備用.順式1, 2-二氯乙烯(cis-1, 2-DCE)溶液的制備：在4 L棕色瓶中加入500 g粒狀鐵, 加地下水至近滿, 加入一定濃度TCE, 用橡膠塞和封口膜密封, 定期測試cis-1, ?2-DCE?濃度備用.高純N2、He：99.999%(北京普萊克斯實(shí)用氣體有限公司).
2.3 微生物的培養(yǎng)和馴化
在2個(gè)500 mL廣口瓶(培養(yǎng)瓶)中加入300 g石油污染土壤, 注入地下水至近滿后, 吹N2 1 h(保證培養(yǎng)瓶中DO < 1.0 mg·L-1)用橡膠塞密封.在避光、23℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)5～7 d后, 分別取300 mL上層清液至2個(gè)1 L具聚四氟乙烯內(nèi)墊螺旋蓋棕色瓶(馴化瓶)中, 吹N2 1 h后(保證馴化瓶中DO < 1.0 mg·L-1)分別加入約200μg·L-1的苯或甲苯.在避光、23℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)5~7 d后, 轉(zhuǎn)移出約500 mL的菌液并補(bǔ)充入新鮮地下水, 吹N2 1 h后(保證馴化瓶中DO < 1.0 mg·L-1)再分別加入約500μg·L-1的苯或甲苯.此后, 照此方法分別逐步提高苯或甲苯的濃度至4 mg·L-1, 以培養(yǎng)和馴化可以厭氧生物降解苯或甲苯的微生物.在培養(yǎng)馴化過程中, 加入只有苯或甲苯的揮發(fā)控制樣.
2.4 TCE和cis-1, 2-dichloroethene對苯或甲苯厭氧生物降解的影響2.4.1 pH=7.9時(shí)TCE和cis-1, 2-dichloroethene對苯或甲苯厭氧生物降解的影響
(1)苯
待苯厭氧生物降解菌液馴化好后, 從同批次馴化瓶中轉(zhuǎn)移300 mL菌液至1 L具聚四氟乙烯內(nèi)墊螺旋蓋棕色瓶(試驗(yàn)瓶)中并補(bǔ)充入新鮮地下水, 吹N2 1 h后(保證馴化瓶中DO < 1.0 mg·L-1)加入苯, 并分別加入約100μg·L-1的cis-1, 2-DCE和100、500μg·L-1的TCE, 進(jìn)行cis-1, 2-DCE和TCE對苯厭氧生物降解的影響實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)過程中, 加入只有苯、甲苯、TCE和cis-1, 2-DCE的揮發(fā)控制, 所有實(shí)驗(yàn)均設(shè)計(jì)1個(gè)平行樣, 且試驗(yàn)誤差 < 10%, 后續(xù)“結(jié)果與討論”圖中不再標(biāo)注誤差線.
(2)甲苯
待甲苯厭氧生物降解菌液馴化好后, 按照上述苯實(shí)驗(yàn)步驟繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn).
2.4.2 pH=10.5時(shí)TCE和cis-1, 2-dichloroethene對苯或甲苯厭氧生物降解的影響
另取苯或甲苯厭氧生物降解菌液, 用NaOH溶液調(diào)節(jié)初始pH為10.5, 按照1.4.1節(jié)所述方法再進(jìn)行實(shí)驗(yàn).
2.5 分析方法
苯、甲苯cis-1, 2-DCE和TCE采用頂空-氣相色譜-質(zhì)譜法測定.頂空瓶區(qū)溫度85℃, 定量環(huán)loop溫度95℃;傳輸線溫度150℃;進(jìn)樣時(shí)間1. 00 min.氣相色譜進(jìn)樣口溫度150℃;分流進(jìn)樣, 分流比1∶1;升溫程序：初始40℃保持5 min, 以10℃·min-1升至200℃保持3 min.數(shù)據(jù)采集為選擇離子監(jiān)測(SIM)方式.外標(biāo)法定量.苯和甲苯校準(zhǔn)曲線范圍：0.1~5 mg·L-1, 檢出限：1μg·L-1.cis-1, 2-DCE和TCE校準(zhǔn)曲線范圍：10~1000μg·L-1, 檢出限：10μg·L-1.
樣品制備：在10 mL頂空瓶中預(yù)先加入10 g·L-1的NaN3溶液1.0 mL, 取樣4.0 mL于頂空瓶中, 壓蓋密封后及時(shí)分析.不能及時(shí)分析的樣品于4℃保存.
2.6 苯或甲苯厭氧生物降解半衰期和滯后系數(shù)的計(jì)算
Mehrdad等(2008)報(bào)道稱BTEX的生物降解符合準(zhǔn)一級降解動(dòng)力學(xué)方程(式(1)), 因此可通過式(2)計(jì)算苯或甲苯厭氧生物降解半衰期：
(1)
(2)
式中, C為苯或甲苯的濃度, t為降解時(shí)間, kb為苯或甲苯生物降解速率常數(shù);t1/2為苯或甲苯生物降解半衰期.
在本文中, 為表示cis-1, 2-DCE和TCE對苯或甲苯厭氧生物降解影響的強(qiáng)弱, 按式(3)所示計(jì)算cis-1, 2-DCE和TCE對苯或甲苯厭氧生物降解半衰期的滯后系數(shù)(IC).
(3)
式中, t′1/2為無cis-1, 2-DCE和TCE時(shí)苯或甲苯的生物降解半衰期, t″1/2為有cis-1, 2-DCE和TCE時(shí)苯或甲苯的生物降解半衰期.當(dāng)IC>1時(shí), 表示cis-1, ?2-DCE?和TCE的存在會抑制苯或甲苯的生物降解;當(dāng)IC < 1時(shí), 表示cis-1, 2-DCE和TCE的存在有利于苯或甲苯的生物降解.
3 結(jié)果與討論
3.1 不同pH條件下TCE和cis-1, 2-dichloroethene對苯厭氧生物降解的影響
實(shí)驗(yàn)過程中, 假設(shè)運(yùn)行過程中零價(jià)鐵滲透反應(yīng)格柵后TCE的穿透濃度為100和500μg·L-1, 研究TCE對苯或甲苯厭氧生物降解的影響.對于cis-1, ?2-DCE?對苯或甲苯的影響, 由于在我國地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 14848—1993)中尚無對cis-1, ?2-DCE?的要求, 但在地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 3838—2002)中規(guī)定地表水中cis-1, 2-DCE的濃度不能超過50μg·L-1, 且零價(jià)鐵滲透反應(yīng)格柵后cis-1, 2-DCE的濃度也均未超過50μg·L-1.因此, 本實(shí)驗(yàn)中cis-1, ?2-DCE?的濃度設(shè)定為100μg·L-1.
不同pH條件下(pH=7.9和10.5), TCE和cis-1, 2-DCE對苯厭氧生物降解的影響如圖 1和表 1所示.未加入TCE和cis-1, 2-DCE時(shí), 當(dāng)pH由7.9增加至10.5時(shí), pH對苯生物降解的滯后系數(shù)(IC)為0.9, 這說明堿性pH有利于苯的厭氧生物降解.這是由于苯的厭氧生物降解過程是一個(gè)產(chǎn)酸過程, 堿性pH更有利于其降解中間產(chǎn)物和終產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化, 進(jìn)而促進(jìn)生物降解.不同pH條件下加入TCE或cis-1, ?2-DCE?后, 微生物對苯的生物降解效率均受到不同程度的抑制.在pH=7.9時(shí), TCE 100和500μg·L-1對苯生物降解的滯后系數(shù)(IC)分別為4.5和3.2, 而當(dāng)pH升高至10.5時(shí), 這一數(shù)值分別為3.0和4.2.在pH=7.9和pH=10.5時(shí), cis-1, 2-DCE 100μg·L-1對苯生物降解的滯后系數(shù)(IC)均為1.1.由此說明, TCE和cis-1, 2-DCE均會對苯的生物降解產(chǎn)生抑制作用, 但是TCE的抑制作用要強(qiáng)于cis-1, 2-DCE, 且濃度>100μg·L-1的TCE對苯生物降解的抑制沒有明顯差異.
圖 1同pH條件下TCE和cis-1, 2-DCE對苯厭氧生物降解的影響(所有實(shí)驗(yàn)均設(shè)計(jì)1個(gè)平行樣, 且試驗(yàn)誤差 < 10%)
表 1 pH 7.9或10.5時(shí)TCE和cis-1, 2-DCE對苯厭氧生物降解的影響
3.2 不同pH條件下TCE和cis-1, 2-dichloroethene對甲苯厭氧生物降解的影響
不同pH條件下(pH=7.9和10.5), TCE和cis-1, 2-DCE對甲苯厭氧生物降解的影響如圖 2和表 2所示.未加入TCE和cis-1, 2-DCE時(shí), 當(dāng)pH由7.9增加至10.5時(shí), pH對甲苯生物降解的滯后系數(shù)(IC)為0.2~0.5, 這說明堿性pH同樣有利于甲苯的厭氧生物降解.這是由于甲苯的厭氧生物降解過程與苯一致, 都是一個(gè)產(chǎn)酸過程, 堿性pH更有利于其降解中間產(chǎn)物和終產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化, 進(jìn)而促進(jìn)生物降解.
圖 2不同pH條件下TCE和cis-1, 2-DCE對甲苯厭氧生物降解的影響(所有實(shí)驗(yàn)均設(shè)計(jì)1個(gè)平行樣, 且試驗(yàn)誤差 < 10%)
表 2 pH 7.9或10.5時(shí)TCE和cis-1, 2-DCE對甲苯厭氧生物降解的影響
在pH=7.9時(shí), TCE 100和500μg·L-1對甲苯生物降解的滯后系數(shù)(IC)分別為1.1和4.3, 當(dāng)pH升高至10.5時(shí), 這一數(shù)值分別為1.4和3.6, 而cis-1, 2-DCE 100μg·L-1對甲苯生物降解的滯后系數(shù)(IC)在pH=7.9和pH=10.5時(shí)分別為0.7和1.5.由此說明, 不同pH環(huán)境下TCE均會對甲苯的生物降解產(chǎn)生抑制作用, 且抑制作用隨著TCE濃度的增加而增加.然而, pH=7.9時(shí)cis-1, 2-DCE的加入?yún)s有利于甲苯的生物降解, 但隨著pH的增加又轉(zhuǎn)變?yōu)橐种? 且cis-1, 2-DCE的抑制作用同樣始終弱于TCE.
從降解前后TCE和cis-1, 2-DCE的濃度變化可以看出, 苯或甲苯降解前后反應(yīng)瓶中TCE濃度的減少始終 < 27%, 而cis-1, 2-DCE濃度的減少卻>60%(控制樣中TCE和cis-1, 2-DCE的減少量分別為22%和34%).這說明在苯或甲苯厭氧生物降解過程中, 可能存在cis-1, 2-DCE與苯或甲苯的共代謝生物降解.而且, 從cis-1, 2-DCE對苯或甲苯不同的抑制作用來看, 甲苯更有利于cis-1, 2-DCE的共代謝降解.
4 結(jié)論
1)堿性pH有利于苯或甲苯的厭氧生物降解.
2)不同pH下, TCE或cis-1, 2-DCE均會對苯或甲苯的厭氧生物降解產(chǎn)生抑制作用(除pH=7.9, cis-1, 2-DCE=100μg·L-1時(shí)的甲苯), 且cis-1, 2-DCE的抑制作用始終弱于TCE.
3)TCE為100和500μg·L-1對苯厭氧生物降解作用的抑制效果沒有明顯差異, 而TCE對甲苯厭氧生物降解的抑制作用卻隨著TCE濃度的增加而增加.
4)pH=7.9時(shí), cis-1, 2-DCE的加入有利于甲苯的厭氧生物降解, 但隨著pH的增加又轉(zhuǎn)變?yōu)橐种?
5)在苯或甲苯厭氧生物降解過程中, 可能存在cis-1, 2-DCE與苯或甲苯的共代謝生物降解, 且甲苯更有利于cis-1, 2-DCE的共代謝降解.
