1 引言
近年來, 隨著社會經濟的快速發展及人們對環境質量要求的不斷提升, 地下 水污 染逐漸受到廣泛關注.通過對中國東部平原地下水污染調查評價發現, 該區域地下水中“三氮”普遍呈面狀污染特征, 重(類)金屬呈點污染特征, 尤以鉛、砷污染較嚴重, 有毒有害有機污染呈現“檢出率高、超標率低”的特征, 其中有機污染物中揮發性有機污染物對地下水質量影響較大, 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)開始受到廣泛關注.對于地下水中氯代烴類污染物(TCE、PCE)的修復, 由于其難生物降解性而常通過零價鐵滲透感應格柵(ZVI PRB)化學還原脫氯的方法, 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境中pH的升.對于地下水中BTEX污染物的修復, 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存在于地下水中并構成不同類型的污染羽, 如由氯代烴和BTEX構成的混合污染羽.將零價鐵滲透反應格柵和生物降解格柵聯用, 利用氯代烴的易還原脫氯的性質先通過零價鐵滲透反應格柵去除氯代烴, 后利用BTEX易生物降解的性質通過生物降解格柵去除BTEX, 可以有效去除由這兩種性質迥異的污染物形成的混合污染羽.但是, 在聯合零價鐵滲透反應格柵-生物降解格柵運行過程中, 零價鐵滲透反應格柵后的強堿性pH環境(pH>9)、氯代烴脫氯還原中間產物(cis-1, 2-DCE)的積累和可能出現的TCE穿透均可能對生物降解格柵中BTEX的生物降解產生影響.針對上述問題, 本文以苯或甲苯為研究對象, 采用批試驗方法, 以粒狀鐵化學還原TCE后的出水環境為基礎, 從長期受石油原油污染的土壤中分離和培養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
實驗用地下水取自中國地質大學(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, 經常搖動.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(有機碳含量為48.53 g·kg-1, 碳氮比為112.3), 用于實驗過程中苯或甲苯生物降解菌的培養.
2.2 主要儀器和試劑
Agilent 6890N/5975氣相色譜-質譜儀;HP-5 MS毛細管色譜柱(30 m×0. 25 mm×0.25μm, 美國安捷倫公司);G1888型頂空自動進樣器(美國安捷倫公司).PB-10型精密pH計(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型智能生化培養箱(寧波海曙試驗儀器廠).
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%(北京普萊克斯實用氣體有限公司).
2.3 微生物的培養和馴化
在2個500 mL廣口瓶(培養瓶)中加入300 g石油污染土壤, 注入地下水至近滿后, 吹N2 1 h(保證培養瓶中DO < 1.0 mg·L-1)用橡膠塞密封.在避光、23℃培養箱中培養5～7 d后, 分別取300 mL上層清液至2個1 L具聚四氟乙烯內墊螺旋蓋棕色瓶(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℃培養箱中培養5~7 d后, 轉移出約500 mL的菌液并補充入新鮮地下水, 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, 以培養和馴化可以厭氧生物降解苯或甲苯的微生物.在培養馴化過程中, 加入只有苯或甲苯的揮發控制樣.
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移300 mL菌液至1 L具聚四氟乙烯內墊螺旋蓋棕色瓶(試驗瓶)中并補充入新鮮地下水, 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, 進行cis-1, 2-DCE和TCE對苯厭氧生物降解的影響實驗.實驗過程中, 加入只有苯、甲苯、TCE和cis-1, 2-DCE的揮發控制, 所有實驗均設計1個平行樣, 且試驗誤差 < 10%, 后續“結果與討論”圖中不再標注誤差線.
(2)甲苯
待甲苯厭氧生物降解菌液馴化好后, 按照上述苯實驗步驟繼續進行實驗.
2.4.2 pH=10.5時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溶液調節初始pH為10.5, 按照1.4.1節所述方法再進行實驗.
2.5 分析方法
苯、甲苯cis-1, 2-DCE和TCE采用頂空-氣相色譜-質譜法測定.頂空瓶區溫度85℃, 定量環loop溫度95℃;傳輸線溫度150℃;進樣時間1. 00 min.氣相色譜進樣口溫度150℃;分流進樣, 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.數據采集為選擇離子監測(SIM)方式.外標法定量.苯和甲苯校準曲線范圍：0.1~5 mg·L-1, 檢出限：1μg·L-1.cis-1, 2-DCE和TCE校準曲線范圍：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, 壓蓋密封后及時分析.不能及時分析的樣品于4℃保存.
2.6 苯或甲苯厭氧生物降解半衰期和滯后系數的計算
Mehrdad等(2008)報道稱BTEX的生物降解符合準一級降解動力學方程(式(1)), 因此可通過式(2)計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為降解時間, kb為苯或甲苯生物降解速率常數;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弱, 按式(3)所示計算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(IC).
(3)
式中, t′1/2為無cis-1, 2-DCE和TCE時苯或甲苯的生物降解半衰期, t″1/2為有cis-1, 2-DCE和TCE時苯或甲苯的生物降解半衰期.當IC>1時, 表示cis-1, ?2-DCE?和TCE的存在會抑制苯或甲苯的生物降解;當IC < 1時, 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
實驗過程中, 假設運行過程中零價鐵滲透反應格柵后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境質量標準(GB/T 14848—1993)中尚無對cis-1, ?2-DCE?的要求, 但在地表水環境質量標準(GB 3838—2002)中規定地表水中cis-1, 2-DCE的濃度不能超過50μg·L-1, 且零價鐵滲透反應格柵后cis-1, 2-DCE的濃度也均未超過50μg·L-1.因此, 本實驗中cis-1, ?2-DCE?的濃度設定為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, 當pH由7.9增加至10.5時, pH對苯生物降解的滯后系數(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產酸過程, 堿性pH更有利于其降解中間產物和終產物的轉化, 進而促進生物降解.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, TCE 100和500μg·L-1對苯生物降解的滯后系數(IC)分別為4.5和3.2, 而當pH升高至10.5時, 這一數值分別為3.0和4.2.在pH=7.9和pH=10.5時, cis-1, 2-DCE 100μg·L-1對苯生物降解的滯后系數(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生抑制作用, 但是TCE的抑制作用要強于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(所有實驗均設計1個平行樣, 且試驗誤差 < 10%)
表 1 pH 7.9或10.5時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, 當pH由7.9增加至10.5時, pH對甲苯生物降解的滯后系數(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, 都是一個產酸過程, 堿性pH更有利于其降解中間產物和終產物的轉化, 進而促進生物降解.
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(所有實驗均設計1個平行樣, 且試驗誤差 < 10%)
表 2 pH 7.9或10.5時TCE和cis-1, 2-DCE對甲苯厭氧生物降解的影響
在pH=7.9時, TCE 100和500μg·L-1對甲苯生物降解的滯后系數(IC)分別為1.1和4.3, 當pH升高至10.5時, 這一數值分別為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(IC)在pH=7.9和pH=10.5時分別為0.7和1.5.由此說明, 不同pH環境下TCE均會對甲苯的生物降解產生抑制作用, 且抑制作用隨著TCE濃度的增加而增加.然而, pH=7.9時cis-1, 2-DCE的加入卻有利于甲苯的生物降解, 但隨著pH的增加又轉變為抑制, 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生抑制作用(除pH=7.9, cis-1, 2-DCE=100μg·L-1時的甲苯), 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, cis-1, 2-DCE的加入有利于甲苯的厭氧生物降解, 但隨著pH的增加又轉變為抑制.
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.
