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全球范围内的土壤石油污染日益严重,依靠微生物对污染物的代谢降解作用进行环境修复的微生物修复技术脱颖而出,凭借其成本低廉无二次污染的优点,迅速发展成为最具广阔应用前景的环境修复技术。但是目前微生物修复技术存在着诸多问题,如缺乏高效石油降解菌株,菌群构建不合理,修复工艺不完善等,制约着其实际修复应用。本实验以大庆油田石油污染土壤为研究对象,运用T-rflp技术分析微生物群落生态多样性,筛选高效石油降解菌株,并通过对原油降解组分的分析以合理构建降解菌群,进行石油污染土壤修复研究,以评估菌群的实际修复效果。主要研究结果如下:
(1)土壤微生物群落结构特征随着石油污染程度的升高而出现明显的规律性波动,T-RFLP图谱显示优势T-RFs片段数递减,总体优势T-RFs为:198bp、185bp、133 bp、121 bp等。MDS排序与CLUSTER聚类分析显示,含油量在4975 mg·kg-1(B组)及以上的土壤已形成比较稳定的微生物群落。
(2)选取大庆油区含油量在4975mg·kg-1左右的土壤进行石油降解菌株的筛选,从中分离获得10株具有较高石油降解能力的菌株,分别编号为W1~W10。石油降解率最高为W-7的25.28%;选取降解率最高的5株菌,对其原油降解产物进行GC-MS分析,确定菌株各自的碳链降解组分范围,其中W-3的碳链降解范围为C21~C32,W-2对C16、C15和C20组分降解明显,W-5的碳链降解范围C12~C17,而W-7对短碳链的降解更具优势,四株菌碳链降解范围具有明显互补性,故选取W-2、W-3、W-5和W-7构建石油降解菌群。
(3)在上述10株石油降解菌的基础上,通过驯化培养与筛选,得到一株可以多环芳烃萘为唯一碳源的菌株W-8,经形态、生理生化以及16S rDNA测序分析,初步鉴定为沙雷氏菌属。其最适生长条件为35℃,pH7.5。该菌对盐及萘有较好的耐受性,当培养基盐质量浓度为30 g·L-1,底物萘质量浓度为100 mg·L-1时,培养3d后,其萘降解率仍可达到80.9%。当萘浓度为800 mg·L-1时,仍具有一定的降解作用,降解率为15.8%。通过对菌株降解原油前后组分的GC-MS分析,以及检测其降解多种底物后的吸光度,得出该菌能利用苯酚、甲苯、苯甲酸、1-萘酚、丙酮、辛烷生长,对原油中组分C20~C23、C33~C36的直链烃有较好的降解效果。经UV-Vis扫描其降解中间产物,初步判断其萘降解生物途径为邻苯二酚途径,萘首先被其降解生成水杨酸,而后转化为邻苯二酚,开环并生成一系列小分子物质,最后进入三羧酸循环。
(4)对所构建的降解菌群进行条件优化,确定了最佳接菌比例为1∶1∶1∶1,最佳氮源为NH4NO3,最佳磷源为KH2PO4。菌群生长的最适温度为30℃,其生长环境中性偏酸。经优化,菌群的原油降解率达到49.28%,降解产物的GC-MS分析图谱显示,菌群各菌株协同互补,原油各组分碳链峰高明显降低。菌群的污染修复模拟实验显示,土壤中的N、P等营养成分是限制菌群降解效果的主要因素。