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油污沙释放油生成MOS的特性及其影响因素研究

    更新时间:2018-02-06 10:52:43 

陈亚冉  邓瑞杰  郝树廷  韩璐

摘 要:海洋石油雪(MOS)在油污沙滩的生物修复中发挥重要作用。采用模拟实验,研究了MOS的形成及海水盐度、混合能量对其生成的影响。结果表明MOS有茸状、纤维状、网状和树枝状几种形态, MOS絮体的沉降速率和胞外聚合物透明颗粒(TEP)含量都随盐度及混合能量的增加呈先增后减的趋势,盐度为35‰或混合能量为160 r/min时絮体存在最大沉降速率和最大TEP含量。

关键词:油污沙释放油;MOS;盐度;混合能量

海上溢油随波浪、潮汐等作用迁移至沿岸海滩,造成沙滩污染。开放的海洋系统中,在局部海浪或湍流等自然条件作用下,滩体中的夹藏油存在天然的释放过程,并可与悬浮颗粒物(SPM)、海洋生物及其分泌物等聚集形成海洋石油雪(MOS),加速石油的生物降解及在海洋的迁移[1-2]。在该自然修复过程中,油组分与悬浮物质等的凝结作用实质是在阴离子介质中,油滴中极性化合物与SPM之间的相互作用[3]。因此海水盐度、混合能量等可能影响MOS的生成。本研究采用模拟实验,研究了油污沙释放油与颗粒物生成MOS的特性及其影响因素。

1 材料与方法

1.1 油污沙的制备与表征

准确称取10 g光照风化15 d的轻质原油,经石油醚溶解加入到经水洗、酸洗灭菌后的1 000 g原沙中。置于无菌操作台做通风及灭菌处理,并不断搅拌至石油醚全部挥发。油污沙含油量采用GB 17378.4—2007中紫外分光光度法测定,初始含油量为8.102 7 mg/g。

1.2 微生物驯化及菌悬液制备

天然石油污染海水取自青岛大港六号码頭,对其中的微生物菌群进行驯化富集培养。人工海水培养基及微量元素混合液参照文献[4]。采用光密度法,在600 nm波长处测定微生物菌液浓度并作微生物生长曲线。选取对数生长期的培养液制备菌悬液[5]。

1.3 分析方法

用相机记录生成MOS的表观形态,其明场及荧光形态使用OLYMPUS IX71 倒置紫外荧光显微镜观察;MOS沉降速率采用物理沉降方式,在50 mL比色管中进行,根据公式V=H/t(V为沉降速度,H为比色管高度,t为沉降时间)计算所得;TEP含量采用先染色后显微镜下分析计算的半定量测定方法,计算结果用相同视野范围内直径大于50 μm的TEP平均数量和平均总表面积表示[6]。大的总表面积具有大的TEP含量。

1.4 实验过程

1.4.1 天然MOS的生成 参考天然滩体环境研究MOS生成。配制pH为8,盐度为35‰的人工海水,各100 mL分装于250 mL锥形瓶内,一式三份,高压蒸汽灭菌。添加2 g油污沙、10 mL菌悬液。置于恒温,160 r/min摇床。观察MOS的直观形态,并以照片形式记录。实验进行至第5天时进行MOS明场和荧光形态观察。

1.4.2 盐度的影响 配制盐度分别为20‰、25‰、30‰、35‰、40‰、45‰的人工海水,分装,灭菌。加入2 g油污沙、10 mL菌悬液。置于恒温,160 r/min摇床。实验进行至第5天时进行沉降速率及TEP含量的测定。

1.4.3 混合能量的影响 人工海水(35‰)分装,灭菌,加入2 g油污沙、10 mL菌悬液,置于恒温摇床。调节振荡器转速为120 r/min,140 r/min,160 r/min,180 r/min,200 r/min。第5天时取样测定。

2 结果与讨论

2.1 天然MOS的生成

2.1.1 MOS直观形态 锥形瓶置于摇床1天,观察到有MOS絮体生成。随时间推移MOS生成量增多,形态也多种多样,总体上可分为如图1中四种形态。

图1 MOS不同形态(a茸状b纤维状c网状d树枝状)

MOS絮体四种形态:图1 a茸状,呈羽毛状的白色絮体,边缘类似于茸毛,称茸状MOS。直径在微米级到毫米级之间;b纤维状,由一些丝状细菌形成的丝状物或是网状黏性结构捕获油滴等其他黏性物质而形成,结构较茸状紧实,称纤维状MOS;c网状,比茸状和纤维状MOS稀疏,由一些极细的丝状黏性物质胶连着,呈分散结构的絮体,称网状MOS。其细丝结构易碎,直径不会太大,一般在微米至毫米级,少数厘米级;d树枝状,由三种不同形态絮体黏合在一起形成的MOS。既有直径仅为微米级也有直径可达3厘米以上的,一般厘米级较多。其形态类似盘曲的树枝,称树枝状MOS。随培养时间增加、溶液中微生物量及其他一些杂质的增多,茸状MOS会黏附一些物质使自身由白色茸状渐变成乳白色、灰色/黑色纤维状。同时受水动力等其他因素的影响,其他絮体之间会发生形变,最常见的为纤维状、网状和树枝状之间的转变。

2.1.2 MOS形态观察 石油尤其是其多环芳烃类化合物在紫外灯照射下显荧光,用紫外荧光显微镜可专门用于石油的探测,针对MOS明场及荧光形态的观察如图2,标有a、b、c、d的为明场,未标注的为荧光。

图2 四种MOS明场和荧光形态(a茸状b纤维状c网状d树枝状)

从图2中可以看出,明场下茸状MOS、网状MOS、树枝状MOS结构都较纤维状MOS松散,且明场下荧光性也较弱,则捕获的石油量少;图a茸状MOS的细丝较多,每根细丝上都黏附石油;图b纤维状MOS紧实的结构除包裹较多的石油外,可能还含有较多的胞外聚合物等其他有机物质;图c网状结构的MOS较稀疏、轻薄、易碎,但有时能捕获较大的油滴或油块;图d树枝状MOS,形态极不规则,既有单枝状也有多枝状,一般多枝状较其他三种MOS絮体大。则就捕油率而言,生成的纤维状MOS越多越好。

2.2 MOS沉降速率与影响因素

在影响因素研究过程中发现,盐度及混合能量对MOS形态影响不大,但影响MOS的沉降速率及TEP含量。

2.2.1 盐度对沉降速率影响 MOS絮体生成的初期,多悬浮在水面或水体中。实验进行至第3~4天,絮体开始沉降,且不同因素下絮体沉降速率不同。从图3(a)可以看出,MOS沉降速率随盐度增加呈先增后减的趋势。当盐度为35‰时,存在最大沉降速率0.52 cm/s。当海水盐度为20‰时,絮体沉降速率最小为0.26 cm/s,是盐度为35‰时沉降速率的一半。

一定范围的盐度是石油和黏土矿物相互作用的先决条件,溶解盐具有胶体絮凝能力,可以通过电解作用絮凝黏土颗粒,油膜吸附在这些黏土颗粒上生成自发缔合胶体或胶体电解质,有利于结构紧密絮体的生成[7]。如果海洋环境的盐度低于该盐度范围,油与黏土矿物难以凝胶絮凝生成MOS絮体。则在较低的盐度(20‰)环境中生成的絮体量较少且絮体结构蓬松、沉降性能较差。

盐度影响MOS生成的另一个机制是双电层理论。溶解油黏附在颗粒物表面形成双电层结构,水相中溶解的电解质可减小界面水相一侧的双电层厚度、降低Zeta电势、减小液珠间的静电排斥作用,促进油珠的絮凝、聚并[8],生成粒径较大且结构紧实的MOS絮体,沉降速率大。所以在一定盐度范围(20‰~35‰)内,随海水盐度增加,在达到某一盐度阈值(约35‰)之前,海水中的离子浓度相应升高,油和矿物颗粒的双电层厚度随着盐度的增加会被压缩,颗粒表面的排斥能力降低,促进了颗粒间的吸引力;一旦盐度高于阈值35‰,双电层厚度低于某一阈值,进一步增加盐度对MOS生成的影响较小,可以忽略不计[9-10]。同时持续增大的盐度还可能影响微生物酶活性,减弱絮体的生成,使沉降速率减小。

图3 盐度(a)及混合能量(b)对沉降速率的影响

2.2.2 混合能量对沉降速率影响 从图3(b)可知,随混合能量的增大,絮体沉降速率出现先缓慢增大后急剧下降的趋势,摇床转速为160 r/min时,沉降速率存在最大值0.50 cm/s;当转速为200 r/min时,絮体沉降速率仅为0.12 cm/s。因變量为转速,生成的MOS多为形态结构相同的絮体,则絮体沉降速率与絮体大小呈正相关,较大的絮体沉降速率越大。

混合能量可以通过产生剪切力影响海洋悬浮物质的迁移、转化及其他物理化学过程。一定范围内(120~160 r/min),石油可以被分解成小液滴、悬浮油、溶解乳状油,油滴尺寸随混合能量的增加而减小,增强油和悬浮物之间的碰撞;同时较大的混合能量也能提高絮体的捕油效率,加速絮体生成过程[11-12]。所以随转速由120 r/min增加至160 r/min,生成的絮体体积不断增大,沉降速率增大;但当转速为180 r/min时,较大混合能量大的剪切力有破碎或褶皱片状聚集体的倾向,同时MOS絮体本身具有瞬时性和易碎性。当转速大于180 r/min,混合能量剪切力大于絮体本身的范德华力、黏合力时,就会破坏MOS絮体结构,使其分解成很小的絮体,沉降速率骤减。

轻质原油和低密度黏液的存在使絮体存在初始浮力,但随絮体中微生物活动及风化等作用,致使絮体结构、密度等发生变化,絮体开始向海底沉降[13]。同时在絮体下沉过程中,较强的波浪作用还可以促进一些MOS絮体向远洋海域的扩散,达到稀释污染物的目的,影响石油的迁移转化及最终归宿[14]。促进更多滩体夹藏油的释放及MOS生成。所以盐度为35‰、混合能量为160 r/min时,在一定程度上有利于絮体的沉降、扩散,油污沙石油的释放及油的生物降解。

2.3 TEP含量与影响因素

2.3.1 盐度对TEP含量影响 TEP是海洋生物分泌的胞外聚合物的部分糖性成分,是MOS的重要基质[15]。TEP含量(面积/数量)可用以MOS絮体生成量的评价,尤其TEP大的平均总表面积对应大的MOS絮体。不同条件下生成的MOS絮体TEP含量不同。形态相同的MOS絮体,其TEP包含量也有所不同。

从图4(a)可以看出,海水盐度在25‰~40‰之间时,絮体中TEP数量和面积均变化不大,数量在16~28之间,面积在(1.6~2.3)×108 μm2之间。但当盐度为20‰和40‰时TEP数量和面积都明显减少;TEP数量和面积并非呈直线正相关,即多的TEP数量并不代表大的TEP面积。如盐度为25‰和40‰时TEP数量均为16,而TEP面积却分别为1.6×108 μm2和1.9×108 μm2;盐度为35‰的TEP数量较30‰时少,但TEP面积却较大,这说明35‰时生成的絮体平均直径较30‰时大。

盐度影响MOS生成的理论除溶解盐胶体性质及双电层结构外,还包括微生物活性。TEP的含量与微生物代谢活性密切相关,较低(20‰)或较高(45‰)的盐度可能影响微生物的生理活动,减少黏性胞外聚合物的分泌,形成较少且较小的絮体;盐度还可能改变了微生物的多样性,影响反应系统的生物活性。王子超等曾就研究表明盐度低于30‰时序批式生物反应器系统中微生物多样性指数随盐度增加而增加,盐度高于40‰时微生物多样性指数逐渐降低[16]。

图4 盐度(a)及混合能量(b)对TEP含量的影响

2.3.2 混合能量对TEP含量影响 从图4(b)可以看出,转速为160 r/min时,平均TEP数量最多,为16个;且平均总表面积最大,为1.8×108 μm2,即主要成分为TEP的MOS絮体的量最多。转速为120 r/min时,TEP数量仅为3个,是转速为200 r/min时的一半;但TEP面积却是200 r/min时的1.6倍,表明120 r/min生成絮体的平均粒径较200 r/min的大。适当的波浪强度(160 r/min)可以通过产生速度剪切力来分散和运输其湍流中的溢油,增强其分散效果,加速与TEP凝聚形成较大的絮体[2]。过低的盐度不利于絮体生成,而过高盐度会破坏微生物活性及絮体结构,所以TEP量都不大。

TEP不仅对海洋生物本身具有保护作用,其两亲性质可以促进絮体的凝聚,并且其表面活性还可以增大石油的水溶性及生物可利用性。MOS中TEP的含量越多,越有利于石油的最终降解[17-18]。所以盐度为35‰、混合能量为160 r/min时有利于TEP的产生、MOS絮体的生成、油污沙释放油的生物降解。

3 结论

MOS可分为茸状、纤维状、网状和树枝状;不同形态的MOS絮体石油捕获量不同,荧光性有强有弱;纤维状MOS荧光性最强,捕油量相对较大。

盐度为35‰时,直径大于50 μm的TEP平均数量为17,平均总表面积2.3×108 μm2最大;混合能量为160 r/min时,TEP平均数量最大,为18,平均总表面积1.8×108 μm2最大。

盐度值为35‰时,MOS的最大沉降速率为0.52 cm/s;混合能量为160 r/min时,MOS的最大沉降速率为0.50 cm/s。

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