CN112745855B - 一种石油污染土壤微生物修复过程中的增效剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及石油烃类污染土壤微生物修复领域，公开了一种石油污染土壤微生物修复过程中的增效剂及其制备方法，该增效剂中含有各自独立保存或者混合保存的以下组分：非离子表面活性剂、两性表面活性剂和水；其中，所述非离子表面活性剂选自式(I)所示结构的化合物和式(II)所示结构的化合物中的至少一种，本发明提供的增效剂具有显著的生物友好性，能够显著提高微生物对复杂有机质的利用速度，调控功能微生物的生长。
Figure DDA0002252685340000011

Description

一种石油污染土壤微生物修复过程中的增效剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及石油烃类污染土壤微生物修复领域，具体涉及一种石油污染土壤微生物修复过程中的增效剂及其制备方法。
背景技术
土壤污染是一个世界性的问题，石油烃对土壤的污染是土壤污染的一个重要类型。
石油钻井、采油、运输、加工过程中，由于输油管线腐蚀等原因导致原油泄漏、落地原油对土壤污染危害较大，由于石油烃类降解速度缓慢、其中含有的芳香烃具有一定的毒性，会对环境造成较大的影响。
对污染土壤的修复技术越来越多的受到人们的关注。目前修复技术有物理修复、生物修复和化学修复等。一些石油污染土壤修复工作已经进入到工业实施阶段。
微生物修复石油类污染土壤是一种重要的方法，然而其存在速率低、周期长等局限性。
原油污染多属于疏水性有机污染物，提高污染物溶于水中的含量能够提高石油烃降解菌的降解效率。文献中报道许多石油烃降解菌在降解中能产生生物表面活性剂，对污染物起到增溶和乳化的作用，但效率较低，通过外加表面活性剂促进其降解过程是一种可行方法，外源表面活性剂的加入可以增加微生物细胞和污染土壤的接触率，使得污染物能够更加有效地进行分解。向微生物修复体系中投加表面活性剂也有一定的要求，必须易于生物降解，对土壤的理化性质没有危害，并且能够促进污染土壤中的石油类污染物降解。
CN109652084A公开了一种石油烃污染土壤微生物耦合降解剂及其使用方法。降解微生物为不动杆菌；耦合降解剂由十二磺基苯磺酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚、异构十三醇聚氧乙烯醚和水组成，各组分的重量百分比分别为十二磺基苯磺酸钠2.5-3％、脂肪醇聚氧乙烯醚1.8-2.4％、异构十三醇聚氧乙烯醚4.8-5.2％，余量为水。该技术可以在3个月时间将石油烃的降解率达到74％，比微生物单独修复提高了18％。
CN102453678A公开了一种适用于修复石油污染盐碱土壤的微生物复合菌剂及其制备方法。该复合菌剂由复合微生物菌液、营养物质和表面活性剂3种成分组成，三者重量比为30-200:1-2:0.2-0.5。复合微生物菌液是由石油烃降解菌，巨大芽孢杆菌、假单胞菌和木糖氧化无色杆菌所组成。表面活性剂是由Triton-X100和十二烷基磺酸钠组成。该现有技术制备的微生物复合菌剂对盐碱土壤中的石油污染具有较高的去除效率，20天测定烷烃含量降低47-53％，芳香烃含量降低36-46％。
添加表面活性剂是强化微生物利用有机营养的有效手段，但市售的表面活性剂发挥作用的临界胶束浓度(CMC)较高，会对微生物产生毒害作用，因此，开发能够与微生物相容且低浓度条件下协同增效的新型表面活性剂，对微生物修复土壤技术具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种能够与微生物复合以用于修复石油污染土壤的生物友好型增效剂，以期提高微生物降解石油烃的速率和效率。
为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种石油污染土壤微生物修复过程中的增效剂，该增效剂中含有各自独立保存或者混合保存的以下组分：
非离子表面活性剂、两性表面活性剂和水；
其中，所述非离子表面活性剂选自式(I)所示结构的化合物和式(II)所示结构的化合物中的至少一种，
Figure GDA0003401737880000031
在所述式(I)所示结构的化合物和式(II)所示结构的化合物中，m为选自1-50的任意整数，n为选自2-8的任意整数，R1为C4-C20的烷基，R2为聚醚，且形成所述聚醚的单体为环氧乙烷和/或环氧丙烷，所述聚醚的聚合度为5-100。
本发明第二方面提供一种制备如上所述的增效剂的方法，该方法包括：将非离子表面活性剂和两性表面活性剂与水接触。
本发明提供的石油污染土壤微生物修复过程中的增效剂具有显著的生物友好性，对微生物生长具有增殖作用，能够显著提高微生物对复杂有机质的利用速度，调控功能微生物的生长，特别是对于具有嗜烃功能的芽孢杆菌属微生物的生长具有促进作用。
附图说明
图1是测试例1中不同增效剂对内源微生物生长情况评价示意图。
具体实施方式
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
如前所述，本发明第一方面提供了一种石油污染土壤微生物修复过程中的增效剂，该增效剂中含有各自独立保存或者混合保存的以下组分：
非离子表面活性剂、两性表面活性剂和水；
其中，所述非离子表面活性剂选自式(I)所示结构的化合物和式(II)所示结构的化合物中的至少一种，
Figure GDA0003401737880000041
Figure GDA0003401737880000051
在所述式(I)所示结构的化合物和式(II)所示结构的化合物中，m为选自1-50的任意整数，n为选自2-8的任意整数，R1为C4-C20的烷基，R2为聚醚，且形成所述聚醚的单体为环氧乙烷和/或环氧丙烷，所述聚醚的聚合度为5-100。本发明的所述聚合度的获得方法可以采用本领域内常规使用的各种方法获得，例如可以参见CN105505365A实施例，具体地，还可以通过蒸气压渗透法测得该分子的分子量，再根据制备过程中中间产物的结构以及分子量，进行反推计算。
以下对本发明中涉及的部分术语进行解释：
“C4-C20的烷基”表示碳原子总数为4-20的烷基，包括直链烷基、支链烷基或者环烷基，例如可以为碳原子总数为4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20的直链烷基、支链烷基或者环烷基。
“C8-C12的烷基”表示碳原子总数为8-12的烷基，包括直链烷基、支链烷基或者环烷基，例如可以为碳原子总数为8、9、10、11、12的直链烷基、支链烷基或者环烷基。
根据本发明，优选地，所述非离子表面活性剂的作用是将石油从土壤表面剥离，本发明通过研究发现，本发明提供的所述非离子表面活性剂的临界胶束浓度很低，生物相容性好，在较低浓度下即可促使石油从土壤表面剥离；而所述两性表面活性剂的作用是将剥离的石油分散进入水相中。在二者协同作用下，使得石油和微生物更好的接触，从而加快微生物降解石油烃的速率，促进微生物对土壤的修复。
本发明的发明人惊奇的发现，本发明提供的增效剂具有显著的生物友好性，对微生物生长具有增殖作用，能够提高微生物对复杂有机质的利用速度，调控功能微生物生长，特别是对具有嗜烃功能的芽孢杆菌属微生物的生长具有促进作用。
根据本发明一种优选实施方式，在所述式(I)所示结构的化合物和式(II)所示结构的化合物中，m为选自2-10的任意整数，n为选自2-5的任意整数，R1为C8-C12的烷基，R2为聚醚，且形成所述聚醚的单体为环氧乙烷和/或环氧丙烷，所述聚醚的聚合度为7-20。在该优选实施方式下，更有利于促使石油从土壤表面剥离，从而有利于加快微生物降解石油烃的速率。
在本发明中，具有所述式(I)所示结构的化合物和式(II)所示结构的非离子表面活性剂可以商购得到，也可以自行制备得到。例如，本发明的具有所述式(I)所示结构的化合物和式(II)所示结构的非离子表面活性剂可以采用CN105505365A中提供的制备方法制备获得，本文将该现有技术全文以引用的方式并入本文中。
本发明中，可以通过氢谱、碳谱和质谱等检测手段来确定制备非离子型表面活性剂过程中的中间产物和非离子型表面活性剂的结构式。
在一种优选情况下，所述两性表面活性剂为甜菜碱。在该种优选情况下的增效剂更有利于促进污染土壤中的石油类污染物降解。
优选地，所述两性表面活性剂选自烷基二甲基羧基甜菜碱、烷基羟磺甜菜碱、椰子酰胺甜菜碱中的至少一种或几种，且所述两性表面活性剂中的所述烷基的链长为8-20碳原子。所述烷基的链长为8-20碳原子表示该烷基上碳原子总数为8-20，包括直链烷基、支链烷基或者环烷基，例如可以为碳原子总数为8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20的直链烷基、支链烷基或者环烷基。
优选地，所述两性表面活性剂选自十二烷基二甲基羧基甜菜碱、椰子酰胺甜菜碱、十四烷基二甲基羧基甜菜碱、十八烷基羟磺基甜菜碱中的至少一种或几种。
根据本发明一种优选实施方式，所述非离子表面活性剂选自以下化合物中的至少一种：
化合物1：式(I)所示结构的化合物，其中，m为5，n为2，R1为C9H19，R2为聚环氧乙烷，聚合度为10；
化合物2：式(I)所示结构的化合物，其中，m为10，n为2，R1为C12H25，R2为聚环氧乙烷，聚合度为20；
化合物3：式(I)所示结构的化合物，其中，m为2，n为4，R1为C8H17，R2为聚环氧乙烷，聚合度为7；
化合物4：式(II)所示结构的化合物，其中，m为7，n为3，R1为C9H19，R2为聚环氧乙烷，聚合度为9；
所述两性表面活性剂选自十二烷基二甲基羧基甜菜碱、椰子酰胺甜菜碱、十四烷基二甲基羧基甜菜碱、十八烷基羟磺基甜菜碱中的至少一种。
在该种优选实施方式下，在所述非离子表面活性剂和所述两性表面活性剂的协同作用下，有利于使得石油和微生物更好的接触，从而加快微生物降解石油烃的速率。
优选情况下，所述非离子表面活性剂和所述两性表面活性剂的用量重量比为1:0.5-2；更优选为1:1-1.5。
根据一种特别优选的具体实施方式，所述水的用量使得在将所述增效剂用于石油污染土壤微生物修复过程中时，所述非离子表面活性剂的起始浓度为0.0003-0.01重量％，所述两性表面活性剂的起始浓度为0.0005-0.01重量％；
根据一种更优选的具体实施方式，所述水的用量使得在将所述增效剂用于石油污染土壤微生物修复过程中时，所述非离子表面活性剂的起始浓度为0.0008-0.005重量％，所述两性表面活性剂的起始浓度为0.001-0.006重量％；在该种优选情况下，所述增效剂更有利于石油和微生物的接触，从而加快微生物降解石油烃的速率。
在本发明中，鉴于运输成本等原因，对所述增效剂中的水可以在增效剂被使用之前临时添加，对水的用量，本发明优选是所述水的用量使得在将所述增效剂用于石油污染土壤微生物修复过程中时，所述非离子表面活性剂和所述两性表面活性剂的起始浓度在前述范围内即可。
如前所述，本发明第二方面提供了一种制备如上所述的增效剂的方法，该方法包括：将非离子表面活性剂和两性表面活性剂与水接触。
优选地，所述接触在搅拌条件下进行，所述搅拌的速率为100-300rpm。
本发明对所述搅拌没有特别的限定，可以为本领域的常规选择。优选采用磁力搅拌机。
根据本发明，所述水可以是各种硬度的水，通常使用的自来水、井水、蒸馏水、纯化水和去离子水均可使用，也可以是总离子浓度不大于50000mg/L，其中，钙镁离子浓度不大于2000mg/L的矿化水。所述水的用量没有特别的限定，可以根据实际情况进行添加，只要使所述增效剂中所述非离子表面活性剂和所述两性表面活性剂满足上述含量即可。
优选地，所述接触的条件包括：温度为10-40℃，时间为1-60min。
以下将通过实例对本发明进行详细描述。下述实例中所涉及的仪器、试剂、材料等，若无特别说明，均为现有技术中已有的常规仪器、试剂、材料等，可通过正规商业途径获得。下述实例中所涉及的实验方法，检测方法等，若无特别说明，均为现有技术中已有的常规实验方法，检测方法等。
以下实例中，曲拉通X-100为购买自北京伊诺凯科技有限公司；
在没有特别说明的情况下，以下室温均表示25±1℃。
实施例1
采用CN105505365A的制备例1中相同的方法制备化合物1。
同样地，采用CN105505365A的制备例1中相似的方法制备化合物2、化合物3和化合物4。
实施例2-7
将非离子表面活性剂、两性表面活性剂和水均匀混合。所述混合条件包括：在室温和转速为250rpm磁力搅拌条件下，将非离子表面活性剂和两性表面活性剂加入水中，搅拌10min至充分混合均匀，分别得到增效剂S-1至S-6。各增效剂的配方列于表1。
对比例1
按照与实施例2相同的步骤，不同的是，将非离子表面活性剂替换为相同重量的曲拉通X-100，得到增效剂D-1。增效剂的配方列于表1。
对比例2
按照与实施例2相同的步骤，不同的是，不添加两性表面活性剂，得到增效剂D-2。增效剂的配方列于表1。
对比例3
按照与实施例2相同的步骤，不同的是，不添加非离子表面活性剂，得到增效剂D-3。增效剂的配方列于表1。
对比例4
对比例4为空白对照，也即增效剂为水，命名本对比例的增效剂为增效剂D-4。增效剂的配方列于表1。
测试例1
本测试例用于评价上述部分实例的增效剂的生物相容性：
取胜利油田沾3区块产出液，加入常规激活剂体系(组成为玉米浆3300mg/L-硝酸钠2000mg/L-磷酸氢二钠3100mg/L)，以该区块产出液和水以体积比为1：1混合，得到混合液；然后将形成本发明的增效剂的非离子表面活性剂、两性表面活性剂和水添加至所得混合液中，以形成待测样品，非离子表面活性剂、两性表面活性剂和水的用量使得所述待测样品中的非离子表面活性剂和两性表面活性剂的浓度分别如表1的各实例中所列的浓度所示。并且，将待测样品置于30℃恒温摇床内进行培养，培养天数为14天，然后利用显微镜对菌浓进行检测，以评价增效剂对内源微生物生长的影响。结果列于图1中。
通过图1可知，本发明的实施例2-7中的增效剂表现出较好的生物相容性，体系的菌浓均高于对比例4(图中的空白组)，说明本发明的增效剂对内源微生物的生长具有一定的促进作用。对比例1采用传统表面活性剂曲拉通X-100替换了本发明的非离子表面活性剂，然而，其体系菌浓低于空白，说明其对内源微生物的生长具有一定的抑制作用。
此外，通过上述体系中微生物群落组成情况评价，分析了加入表面活性剂前后的生物群落结构变化。表3中示例性地列举了采用实施例7的增效剂对内源微生物生长的影响的结果。通过对比可知，加入本发明的增效剂后所激活的群落结构中，普遍芽孢杆菌属中地芽孢杆菌和好氧芽孢杆菌所占比例明显上升。
测试例2
本测试例用于评价实例中的增效剂对石油污染土壤微生物降解率的影响：
其中，含油土壤样品I的制备方法包括：取未污染土壤进行粉碎，在150℃恒温箱中干燥6h，然后采用分选筛取200目干燥后的土壤。将过筛土壤与河南油田原油放置于80℃恒温箱中恒温8h，取98g烘干的土壤，加入原油2g(密度0.90g/mL)，在80℃条件下混合均匀。将混有原油的土壤放置在50℃恒温箱中老化一周，制成含油土壤样品I(含油质量分数ω为2％)；
石油降解菌：采用BDB系列生物降解菌，购自南洋东华公司；
采用重量法测定土壤中残余石油量：称取10g通过200目筛孔的经石油降解菌降解后的土壤样品II，用氯仿热浸3次，将滤液加入已称重的烧杯中，在55℃的水浴中风干，再将烧杯移入65℃的烘箱中加热4h，干燥后冷却30min，再次称重，烧杯增加的重量即为土壤中的残余油量m；
石油降解率的计算公式：
η＝(10ω-m)/(10ω)*100％。
采用生物泥浆法(非原位生物修复技术的一种)来评价增效剂对石油污染土壤微生物降解的影响，具体步骤包括：
(1)分别将实例中得到的增效剂与制备得到的含油土壤样品I按照质量比10:1配制成悬浮液，放入恒温空气浴振荡器中进行试验。温度设定为30℃，振荡混合时间为60min；
(2)取步骤(1)中的泥浆悬浮液150mL，加入5g市售BDB系列生物降解菌(菌数测定为5×108个/g)，放置在250mL锥形瓶中，在转速为120r/min、温度为30℃下，保持30天后进行灭菌处理，然后风干，得到石油降解菌降解后的土壤II，分析土壤II中残余的石油量。各实例的石油降解率测定的结果列于表2。
表1
Figure GDA0003401737880000121
表2
实例 石油降解率(％)
实施例2 85.4
实施例3 82.6
实施例4 78.5
实施例5 76.8
实施例6 72.2
实施例7 70.9
对比例1 55.4
对比例2 57.3
对比例3 53.8
对比例4 36.4
表3
Figure GDA0003401737880000122
Figure GDA0003401737880000131
通过上述数据可知，根据本发明提供的增效剂在协同微生物修复石油污染土壤时，30天后石油降解率最高达到85.4％，相比单独采用微生物修复的石油降解率(对比例4)提高了49.0％，显著加快了石油降解率，效果显著。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种石油污染土壤BDB系列生物降解菌修复过程中的增效剂，其特征在于，该增效剂中含有各自独立保存或者混合保存的以下组分：
非离子表面活性剂、两性表面活性剂和水；
其中，所述非离子表面活性剂选自式(I)所示结构的化合物，
Figure FDA0003754984130000011
所述水的用量使得在将所述增效剂用于石油污染土壤微生物修复过程中时，所述非离子表面活性剂的起始浓度为0.0003-0.01重量％，所述两性表面活性剂的起始浓度为0.0005-0.01重量％；
在所述式(I)所示结构的化合物中，m为选自2-10的任意整数，n为选自2-5的任意整数，R1为C8-C12的烷基，R2为聚醚，且形成所述聚醚的单体为环氧乙烷，所述聚醚的聚合度为7-20；
所述两性表面活性剂选自椰子酰胺甜菜碱、十四烷基二甲基羧基甜菜碱、十八烷基羟磺基甜菜碱中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的增效剂，其中，所述非离子表面活性剂选自以下化合物中的至少一种：
化合物1：式(I)所示结构的化合物，其中，m为5，n为2，R1为C9H19，R2为聚环氧乙烷，聚合度为10；
化合物2：式(I)所示结构的化合物，其中，m为10，n为2，R1为C12H25，R2为聚环氧乙烷，聚合度为20；
化合物3：式(I)所示结构的化合物，其中，m为2，n为4，R1为C8H17，R2为聚环氧乙烷，聚合度为7；
所述两性表面活性剂选自椰子酰胺甜菜碱、十四烷基二甲基羧基甜菜碱、十八烷基羟磺基甜菜碱中的至少一种。
3.根据权利要求1或2所述的增效剂，其中，所述非离子表面活性剂和所述两性表面活性剂的用量重量比为1:0.5-2。
4.根据权利要求3所述的增效剂，其中，所述非离子表面活性剂和所述两性表面活性剂的用量重量比为1:1-1.5。
5.根据权利要求1或2所述的增效剂，其中，所述水的用量使得在将所述增效剂用于石油污染土壤微生物修复过程中时，所述非离子表面活性剂的起始浓度为0.0008-0.005重量％，所述两性表面活性剂的起始浓度为0.001-0.006重量％。
6.一种制备权利要求1-5中任意一项所述的增效剂的方法，其特征在于，该方法包括：将非离子表面活性剂和两性表面活性剂与水接触。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述接触在搅拌条件下进行，所述搅拌的速率为100-300rpm。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其中，所述接触的条件包括：温度为10-40℃，时间为1-60min。
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