氮磷营养盐对微生物降解作用的影响.pdf

第5 2 卷第4 期 2 00 0 年1 1 月 有色金属 N N F E R R O U SM E T A L S V 0 1 ．5 2 ．N o ．4 N o v e m b e r20 0 0 氮磷营养盐对微生物降解作用的影响 李秀艳，魏德洲，何良菊，郑龙熙 东北大学资源与土木工程学院，沈阳1 1 0 0 0 6 摘要研究了N 、P 营养盐对土壤石油污染物微生物降解作用的影响。结果表明，添加N 、P 营养物质对土壤中石油烃的微 生物降解有明显的促进作用。按质量计算的N 、P 元素的添加比在5 1 ～7 1 之间比较适宜。微生物对N 源的供给更敏感，其中 无机N 源比有机N 源更好，硝酸盐形式的N 比铵态N 更有利于微生物的降解。合理添加营养盐主要是促进了微生物的生长繁 殖，同时改变了体系的p H 值，从而有利于微生物的降解作用。 关键词石油污染土壤；微生物降解；N 、P 营养盐 中图分类号x 5 3 r 、文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 0 0 4 0 2 3 7 0 3 目前石油污染土壤的治理方法主要有物理的、 化学的和生物的3 种方法。始于2 0 年前的生物治 理技术虽然尚不成熟，但由于其处理费用低，无二次 污染等特点，被认为具有广阔的应用前景，有待大力 发展。 微生物对石油污染物的降解作用受很多因素的 影响微生物的种类和活性、微生物的数量、p H 值、 营养物质的供给情况、氧的供给情况等等。营养物 质是微生物进行新陈代谢和一切生命活动赖以正常 进行的物质基础。微生物细胞的化学组成和营养类 型决定了细胞的营养需求。微生物细胞的化学组成 主要是碳、氢、氧、氮和各种矿质元素。石油污染物 提供的主要是碳、氢元素，土壤中氧、氮、磷的缺乏最 可能成为微生物降解石油的限制因素。已有的研究 表明，添加营养物质的效果因盐而异，但很少有人比 较过各种类型盐的具体使用效果，因此进行这方面 的探索具有实际意义。 1实验材料和方法 试验用土样采自辽河油田高升采油场和茨榆坨 采油场油井附近表面约2 0 c m 厚的土层，取回后在 实验室经碎散、除杂、混匀、密封储存以备试验使用。 采用重量法测定土壤中石油污染物的含量。经分 析，土壤样品中石油污染物的质量分数为1 ．5 0 ％左 右，远远超过临界值0 ．0 5 ％和安全水平0 ．0 3 ％。除 油微生物采用经长期驯化培养的优势混合菌种。 基金项目辽宁省自然科学基金资助项目 编号9 6 2 1 6 1 作者简介李秀艳 1 9 6 5 一 ，女，博士研究生 2 实验结果和讨论 2 ．1营养物质供给对微生物降解过程的强化作用 1 营养物质用量与配比的确定。首先在容量 为2 5 0 m i 。的三角瓶中加入1 5 9 土样 其中的石油污 染物质量分数为1 ．6 8 ％ ，然后加水至1 5 0 m L ，补加 营养物 N H 4 2 S 0 4 N 源 和K H 2 P 0 4 P 源 ，补加量 分别为0 ．8 5 、0 ．1 3 9 L - 。。同时做未加营养物的空 白对照。试验中不接种外来细菌，所有降解活性均 来自污染土壤中的固有微生物群。每隔一定时间取 样进行含油量分析。试验结果如图1 所示。 永 姗 震 畿 01 02 03 0 处理时间／d 图1 除油率与时间的关系 1 补加N 、P 源2 未补加N 、P 源 图1 表明，补加N 、P 明显地促进了土壤中石油 污染物的微生物降解程度。N 、P 营养物质的缺乏 可能是影响石油降解菌生长繁殖的主要原因。但是 N 、P 营养物质的过量添加可能具有反作用，因而存 在一个合理的添加量和添加比例。我们通过下面的 试验进行了探索。试验在摇瓶中进行，2 5 0 m L 三角 瓶装液量1 5 0 m I 。，生物泥浆浓度为1 0 ％。以N a N O ， 作氮源，K H 2 P 0 4 为磷源。接种经长期驯化后的微 生物混合菌，接种量1 5 0 。在2 5 - - 2 8 ℃恒温振荡培 万方数据 2 3 8 有色金属第5 2 卷 养。士壤原样中石油污染物的质量分数为1 ．4 0 ％， 处理1 6 d 后分析含油量。试验结果如图2 、3 所示。 从图中可以看出，N 、P 元素浓度分别为8 5 m g m I 。_ 。、1 5 m g m I ．- 1 时，土壤残余油量最低，即生物 降解率最高。当营养液添加量明显少于以上值时表 现出营养缺乏。直接限制了石油污染物的生物降解。 图2 表明，过量添加N 营养物抑制了微生物对石油 污染物的降解。图3 表明，P 过量添加对除油效果 无明显影响，只是存在一个较经济合理的添加量范 围。相比之下，微生物对N 的供给更敏感。图4 也 清楚地表明了这一点，同时说明N 、P 同时添加效果 是最好的。按质量计算的N 、P 元素的添加比例N P 为5 ．6 7 1 ，因此在5 1 ～7 1 之间比较适宜。 g S 稞 贮 墓 烬 岳 臻 刊 誉 褂 霆 畿 i ．1 0 蠢L o s 蠢1 ．0 0 蜓o ．9 5 02 04 06 0 P 元素／m g L 。 图3P 对生物降解的影响 I I 一1 _ 空白P NN 、P 图4 营养物质对除油率的影响 本试验中营养物质是一次性加入，处理时间是 1 6 天，N 、P 源有一个最合适的添加量。实际上在生 物降解过程中，营养物质的需要与处理时间、微生物 活性等多种因素相关，在实践中可以采取多种控制 方式，各营养物按比例均匀加入，使其达到并保持最 佳浓度。 2 不同N 源的筛选与比较。土壤中由于缺乏 N 、P 源而限制了石油降解细菌的生长繁殖及对石 油烃的降解，需要从外部补充N 源、P 源，而微生物 对N 源的供给十分敏感，因此有必要作一些比较和 筛选。 本试验对 N H 4 2 S 0 4 、N H 4 N 0 3 、N a N 0 3 、C O N H 扎4 种有代表性的盐类进行了比较。每个土 样1 5 9 ，加水至1 5 0 m I 。，按1 5 0 接种微生物。补加 P 源相同，9 ．8 7 9 L ～K H 2 P 0 4 各2 m I 。，然后分4 组 补加不同的N 源，并作平行样和空白对照，土壤原 样中石油污染物的质量分数为1 ．4 5 ％，处理2 0 d 后 分析残余油量，试验结果如图5 所示。 01 0 02 0 03 0 04 0 0 N 元素／m g L 一1 图5 不同N 源对生物降解的影响 1 尿素2 ￡硫酸铵 3 硝酸铵4 硝酸钠 总的来看，在添加适量的情况下，4 种N 源对石 油烃的微生物降解均有明显的促进作用，但N a N O ， 为N 源残余油量最低，降解效果最好。其次是 N H 4 2 S 0 4 、N H 4 N 0 3 、C O N H 2 2 ，最高与最低除油 率之间相差约7 ％。 2 ．2 各种营养物质改善除油效果的机理探讨 34567891 0 p t t 图6 活菌数与溶液初始p H 值的关系 适宜的p H 值是微生物生长的一个重要条件， 不同环境中的微生物具有不同的p H 值要求。为探 讨除油细菌适宜的p H 值范围，将浓度为1 0 ％的土 壤溶液的初始p H 值分别调整为4 ．2 0 、5 ．1 6 、7 ．8 5 、 8 ．1 5 、8 ．9 0 、9 ．8 8 ，接种，振荡培养3 6 h 后，用稀释平 权法测定溶液中的活菌数。试验结果如图6 所示。 } 8 ∞ 坫 ∞ 惦 ∞ ％ 1 l l l l l O l | 6 ＼ 籁求村峰g霹襟螺爨博d】鲜刊 加 塘 m 惦 ∞ l j 6 ＼ 鞴求斛蟮盆S碟螺景烬 8 7 6 5 4 3 2 巅靛g簌橱挈}岳甓鲦1毗坩 弘∞拍∞坫m 5 0 万方数据 、鼍 第4 期李秀艳等氮磷营养盐对微生物降解作用的影响2 3 9 图中表明，体系p H 值在5 ．0 ～8 ．3 之间时，p H 值对 细菌活性影响不大，而最佳p H 范围是7 ．0 ～8 ．3 0 ， 即中性和偏碱性p H 值更适合本试验条件下微生物 的生长。 鉴于不同营养源对石油烃生物降解的不同影 响，我们分别对其降解过程中p H 值的变化进行了 跟踪测定。测定的各体系中N 、P 元素浓度分别为 1 7 0 、3 0 m g L - 1 图7 。 时间／d 图7 生物降解过程中体系p H 值变化 1 空白缺氧2 硝酸钠3 硝酸铵 4 硫酸铵5 尿素 从图中可以看出，营养盐对体系的p H 值有着 直接影响。图中的曲线表明，在只添加P 而不添加 N 的情况下，体系p H 值一直稳定在8 ．0 附近。这 一方面是因为K H 2 P 0 4 本身对体系的p H 值有一定 的缓冲作用，同时说明P 的代谢对体系的p H 值无 明显影响。体系p H 值的变化主要来自N 和石油烃 代谢产物的影响。铵盐和硝酸盐被利用后引起的 p H 值变化为【1 ，引 N H 4 2 S 0 4 2 N H 4 S 0 4 Z ．一 2 N H 3 2 H s 0 4 2 一 N a N 0 3 4 H 2 一N H 3 2 H 2 0 N a O H N H 3 被菌体作为N 源而利用，溶液酸度则升高 N I - 1 4 2 s 0 4 情况 或下降 N a N 0 3 情况 。4 种 N 源相比较，添加N a N 0 3 时体系p H 值最稳定，而 且图1 所示的试验结果已表明N a N O ，为N 源时微 生物对石油污染物的去除率最高，说明N a N O ，不仅 可以作为N 源被微生物利用，同时对稳定和调节降 解过程中体系的p H 值有着积极作用。而其他3 种 N 源无此作用，这也是他们作为N 源时除油率偏低 的原因之一。体系p H 值的波动对微生物生长和除 油效果产生重要影响，主要是由于 2 - 4 】 1 p H 值的 改变会引起微生物表面电荷的改变，进而影响它们对 营养物质的吸收； 2 p H 值的改变会影响培养基中有 机化合物的电离，从而改变它们进入微生物细胞的难 易程度。 3 p H 值的改变会影响酶的活性，进而影响 微生物细胞内的生物化学过程的正常进行。 3结论 1 N 、P 营养物质的缺乏是影响土壤中石油污 染物生物降解的一个主要原因。相比较而言，微生 物对N 源的供给更敏感，但同时添加N 、P 营养盐才 能取得更好的降解效果。按质量计算的N 、P 浓度 分别为8 5 、1 5 m g I 。。1 左右，添加比例在5 1 ～7 1 之间比较适宜。 2 以 N H 4 2 S 0 4 、N I - h N 0 3 、N a N 0 3 、 C O N H 2 2 分别作为无机N 源 包括铵盐和硝酸盐 和有机N 源的代表，考察了它们的使用效果。试验 结果表明，在添加适量的情况下，4 种N 源对石油烃 的微生物降解均有明显的促进作用。而且无机N 源比有机N 源效果更好，硝酸盐形式的N 比铵态N 更有利。合理添加营养盐促进了微生物的生长繁 殖，同时改变了体系的p H 值，有利于降解过程的进 行。有机N 源同时又作为C 源优先于石油烃而被 利用，在一定程度上妨碍了石油烃的降解，因而不宜 大量使用。 3 仅仅接种细菌而不添加N 、P 营养盐对降解 过程几乎不能起到强化作用，在添加营养盐的基础 上接种经驯化培养的高效微生物也具有较大的促进 作用。 参考文献 陈世和，陈建华，王士芬编著．微生物生理学原理，上海同济大学出版社，1 9 9 2 俞俊棠，唐孝宣主编．生物工艺学 上下册 ．上海华东化工学院出版社，1 9 9 1 H ．G 施莱杰著，陆卫平等译．普通微生物学，上海上海复旦大学出版社，1 9 9 0 魏德洲．资源微生物技术．北京冶金工业出版社，1 9 9 6 0 O O O 0 8 7 6 5 4 万方数据