季节性冻土区冻融作用下包气带中石油烃的微生物降解机制研究
作者单位：吉林大学
学位级别：硕士
导师姓名：吕航
授予年度：2023年
主 题：季节性冻土区 冻融期 冻融作用 石油烃 微生物降解 降解途径 电子受体
摘 要：随着对石油的需求日益增加,其开采过程不断因泄露等事故导致对生物具有“致癌、致畸、致突变等毒害性的石油烃进入地下水土环境。包气带作为石油烃向含水层运移的必经地带,其土壤微生物利用氧气、离子受体对石油烃的降解作用是石油烃进入含水层之前自然衰减净化的关键。然而,我国大部分油田广泛分布于北方的季节性冻土区,每年特殊的季节性冻融作用会改变土壤微生物自身活性和其相关的温度、氧化还原条件等环境因素,使得冻土区微生物的降解过程更加复杂。目前国内外还缺乏冻融作用下包气带土壤微生物的降解过程及其影响因素的研究,尤其是冻土区微生物的降解过程对于冻融作用的响应机制更是有待探索。基于此,论文依托国家自然科学基金项目,以东北松原市石油污染场地为典型研究区,通过季节性冻土区场地实验和日尺度冻融循环实验,综合分析季节性冻融和室内日尺度冻融作用下环境指标、污染物含量、营养盐和电子受体、微生物群落结构的响应规律和相互作用关系,剖析了不同冻融过程中微生物对石油烃的降解特征,揭示了微生物群落丰度和结构在季节性冻融作用和日尺度冻融循环下的演变规律,重点研究了冻融温度、频次、含水率等不同条件对微生物降解机制的影响规律,最后刻画了季节性冻土区包气带微生物在冻融期对石油烃的降解机制,并通过添加人工强化菌的对比研究获得了其对冻融期微生物降解作用的强化机理。通过论文研究,取得如下主要结论和认识:1.场地原土微生物主要由放线菌门的节细菌属、酸杆菌门的GP4、GP6、GP16等厌氧菌属组成,具备可观的反硝化作用以及相对缓慢的硫酸盐还原作用,但厌氧途径对于石油烃衰减的效果短期内不显著。原土中好氧菌类在一开始无明显丰度,在常温下添加石油烃后以迅速增长的变形菌门的溶杆菌属、不动杆菌属为主要好氧菌进行显著的好氧降解,降解速率约0.01mg/g/day。且菌群种类在常温条件下不断衍生,多样性显著增加。2.冻结的强度对于土壤优势好氧菌的种类起到决定性的选择作用,季节性冻融条件使得原土中优势好氧菌的种类变成了适应低温环境的放线菌门的红球菌属、诺卡氏菌属,厌氧菌的种类不受影响。在冻融前期未冻结时由于高丰度的厌氧菌具有明显的反硝化和硫酸盐还原作用;主要冻结期抑制了离子受体可利用性,以冻融前期增长起来的好氧菌在-10～0℃气温阶段的好氧降解为主,-10℃以下的长期低温则会使得好氧菌和厌氧菌停滞生长活动失去降解能力;到融化期时,好氧降解、反硝化及硫酸盐还原能力都会逐渐恢复并提升。整个冻融期石油烃降解速率约0.004mg/g/day,季节性冻融条件抑制了微生物的耗氧、反硝化、硫酸盐还原作用,同时抑制了原土菌群多样性的增加。3.不同冻融温度条件未显著影响原土菌群的种类,主要通过影响微生物的生长活动状态、冻融过程中电子受体及营养物质的可利用性控制着微生物的降解活动。低温冻结过程会显著抑制微生物的生长及对氧气和离子受体的利用,而融化过程可以逐渐恢复其生长活动。过低温-15℃的冻结会使得包气带微生物失去所有降解途径,-15℃冻结和5℃融化的日尺度冻融循环下无法短期内恢复微生物的生长活动和降解能力,但当融化温度提高至15℃后微生物耗氧、反硝化、硫酸盐还原的降解途径都较快恢复。4.人工添加的降解菌属于变形菌门的不动杆菌属,在常温下添加后大幅提高了原土中的好氧降解效果,在场地实验期的降解量提升了约6倍,同时严重抑制了原土中的其他菌类和厌氧降解途径,但在常温下随着氧气快速消耗人工降解菌丰度逐渐降低。但冻融作用明显抑制了人工降解菌的好氧强化作用和硫酸盐还原作用,冻融期降解能力仅较原土提升了2倍,其在冻融期对原土菌群的强化机制体现在,提前并提高了其冻融前期入冬冻融阶段的好氧降解能力。5.含水率条件对于冻融作用下的微生物菌群演变影响较小,主要可能通过冻融导致的水分迁移影响了微生物可利用的电子受体含量、营养物质,从而影响了降解效果。冻融循环的频次会促进微生物降解途径的恢复,在冻融循环中微生物的硫酸盐还原最先恢复,反硝化能力次之,好氧降解能力需要更长时间。同时,冻融循环的温差显著影响了微生物对氧气、离子受体的利用以及石油烃的降解效果,较高的冻结和融化强度更有利于微生物的好氧或厌氧降解效果。
同方学位论文库