0 引 言
近10年来，我国页岩气开采进程不断加快。油基钻井液由于能解决页岩气开采钻井过程中坍塌、卡钻等复杂的井下事故，因此被广泛使用，但随之产生的废弃油基钻井液沉积物等环境污染问题也成为各大油气田企业的难题[1，2]。
目前国内废弃油基钻井液沉积物污染现场的处理方法主要有物理法、化学法和物化法。20世纪70年代中期，物理法和化学法处理废弃油基钻井液沉积物等污染物在我国得到普遍使用，但由于污染物只是简单被隔离或转移，处理效果不佳或者处理费用较高。为了更有效地处理废弃油基钻井液沉积物等含油污染物，各油气田企业通常会将物理法与化学法结合起来，形成物化法来处理废弃油基钻井液沉积物等含油污染物，但物化法经济效益不理想，且易造成二次污染[3]。工程菌是集多种微生物的降解性能于一身、能降解多种化合物的微生物，具有高效、环境适应性强、经济效益理想、不会造成二次污染等优点，工程菌降解研究近些年得到了快速发展，工程菌在处理含油废水与制药废水、富集废水中重金属，降解农药残留物等方面有了广泛的研究与应用。
因此，本研究选取国内各大油气田的主要污染物(废弃油基钻井液沉积物)作为处理目标，使用3种工程菌和2种植物进行工程菌-植物联合修复废弃油基钻井液沉积物的实验研究，以TPH(total petroleum hydrocarbon)和镉的降解率为考核指标，探索废弃油基钻井液沉积物更环境经济高效的处理方法，以拓展工程菌和植物在废弃油基钻井液等含油污染物处理的应用领域。
1 实验部分
1.1 污染土壤的采集
废弃油基钻井液沉积物取自西南石油局油田工程服务公司川东泥浆站，含水量较少，剔除杂物后pH值为8.3，TPH含量和重金属镉、铬、铅的含量分别为32857.52，10.464，73.084，44.553 mg/kg。其中TPH含量超过GB 4284—2018《农用污泥污染物控制标准》中3000 mg/kg的标准限值，镉含量超过GB 15618—2018《土壤环境质量 农用地土壤风险管控标准(试行)》中农用地土壤风险管制值4.0 mg/kg。
1.2 材料的选择和供试土壤的配制
供试土壤取自西南石油大学校内实训基地北200 m处的农田；供试植物为白皮松和东南景天(网上购买)； SQ-1、SQ-2工程菌采购于佛山碧沃丰生物科技股份有限公司；SQ-3工程菌采购于江西天意集团；废弃油基钻井液沉积物从西南石油局油田工程服务公司川东泥浆站取得，具有失水、无土壤特有的性质等特征，不适合植物的生长，需要添加一定的新土才能进行工程菌-植物联合修复实验。根据HJ 607—2011《废矿物油回收利用污染控制技术规范》，32887.52 mg/kg的TPH初始含量符合废弃物后期处理的原则[4]，根据测定的废弃油基钻井液沉积物的pH值、TPH含量和重金属镉含量，将清洁土壤与废弃油基钻井液沉积物按1∶1均匀混合制备实验土样约300 kg，混合后的土样添加具有降解石油烃、降低石油烃生物毒性的SQ-1工程菌0.2 mg/kg，降解石油及其衍生物等碳氢化合物的SQ-2工程菌0.1 mg/kg，分别加入0.1 mg/kg的NH4NO3固体粉末与0.1 mg/kg的KH2PO4作为氮源与磷源(均以水溶的方式均匀喷施搅拌于配制土壤中)。SQ-3工程菌能提高TPH等有机物去除效果，将在后续实验中使用。土样中含水率、pH值、TPH和镉含量等理化性质指标如表1所示。
表1 废弃油基钻井液沉积物土样理化性质
Table 1 Physico-chemical properties of waste oil-base drilling fluid sediment samples
废弃物含水率/%pHw(TPH)/(mg·kg-1)w(镉)/(mg·kg-1)油基钻井液沉积物21.767.616428.765.135
1.3 实验分组设计和实验操作
实验时间：2018年10月5日—2018年11月30日。实验期间温度波动区间：10～25 ℃。
温度监测：每天7:30、15:30、23:00 3个时间点用温度计对实验土壤进行温度监测并记录数据。
实验条件的变量为2种植物(白皮松和东南景天)，表面活性剂和能改良土壤孔质结构、加快TPH生物降解速率的SQ-3工程菌(5 mL·kg随水浇灌)，在西南石油大学3期普通农田进行栽种实验，设置7组实验，如表2所示。实验时间设置为56 d，实验条件均在分别于播种后7，21，28，35，42，49，56 d去除表面约1 cm的土壤，使用灭菌后的取土器采集植物根系中层的土壤样品。并称取20 g土壤样品于棕色螺旋盖聚四氟乙烯瓶中，去除砂砾、植物根系等杂物后，充分混合均匀，撒在干净、不吸收水分的玻璃板上，待TPH、Cd含量测定。
表2 实验条件设计
Table 2 Design of experimental conditions
样品号实验设计A实验土壤B实验土壤+种植白皮松C实验土壤+种植东南景天D实验土壤+表面活性剂+种植白皮松E实验土壤+表面活性剂+种植东南景天F实验土壤+SQ-3工程菌+种植白皮松G实验土壤+SQ-3工程菌+种植东南景天
1.4 样品的测定方法
含水率按照HJ 613—2011《土壤 干物质和水分的测定 重量法》进行测定；TPH含量按照《土壤 石油类的测定 红外光度法》(征求意见稿)测定后整理分析仪器扫描图获得；pH值按照《土壤理化分析》(中国科学院南京土壤研究所编)进行测定；总镉的含量按照GB/T 17138-1997《土壤质量 铜、锌的测定 火焰原子吸收分光光度法》。
1.5 数据分析方法
利用Microsoft Excel 2016对平均值和降解率等相关数据进行计算，采用Origin 8.5作图。
2 结果与分析
2.1 不同条件下TPH降解效果分析
2.1.1 白皮松和东南景天对降解TPH效果影响
首先考察白皮松和东南景天在实验土壤中对TPH的降解效果，结果如图1所示。可知：当种植白皮松进行TPH降解实验时，实验土壤中的TPH降解率呈现先较快增加后趋于缓慢增加的趋势，第56天时TPH降解率达到实验期间的最大值，为22.99%。当种植东南景天和不种植植物(对照)进行TPH降解实验时，TPH降解率均呈现先迅速提高后趋于稳定的趋势，降解到56 d时TPH降解率达到最大，分别为17.50%、13.77%。在21～56 d时，3种情况下的TPH降解率差异明显，种植植物的2组降解率高于不种植植物(对照)的降解率，说明种植植物能显著提高TPH的降解率。程国玲、崔芹芹[5-6]等研究表明，白皮松等植物根际释放的分泌物或酶类能有效促进工程菌及微生物等对土壤中TPH的降解，同样在21～56 d时，白皮松的降解效果优于东南景天，王凯[7]研究表明，东南景天吸附土壤中的重金属会导致对TPH的降解率相对较低。因此综合考虑，在单独种植植物的条件下确定本研究中最佳的TPH降解植物为白皮松。
—对照； 
—白皮松； 
—东南景天。
图1 白皮松和东南景天修复体系下的TPH降解率
Fig.1 TPH degradation rates under repair system of white bark pine and Sedum alfredii Hance
2.1.2 表面活性剂对白皮松和东南景天降解TPH的影响
王春霞、马强等[8-9] 发现，微生物代谢和TPH降解的过程中，表面活性剂可增溶洗脱吸附在土壤颗粒上的TPH等有机污染物，促进微生物和植物对TPH的降解吸附，同一种表面活性剂在不同植物条件下的降解效果存在差异。实验考察了添加表面活性剂对白皮松和东南景天降解TPH效果的影响(图2)。
由图2可知：当种植白皮松和不种植植物(对照)时，在0～14 d降解时间里，TPH的降解率随着时间的增加迅速提高，但从第14天开始，不种植植物(对照)的TPH降解率开始缓慢增长，后趋于稳定。当种植东南景天时， TPH降解率一直缓慢增长；在第56天时，种植白皮松、东南景天和不种植植物(对照)的TPH降解率达到最大值，分别为30.97%、18.66%和13.77%。
—对照； 
—表面活性剂+白皮松； 
—表面活性剂+东南景天。
图2 白皮松和东南景天在表面活性剂修复体系下的TPH降解率
Fig.2 TPH degradation rates of white bark pine and Sedum alfredii Hance under repair system of surface active agent
综合分析，添加表面活性剂对白皮松和东南景天降解TPH有较大影响，但添加表面活性剂对东南景天降解处理过程的影响较小。综合考虑降解时间和降解效果，在工程菌-植物联合修复废弃油基钻井液沉积物的实验中需要添加表面活性剂来提高降解能力。
2.1.3 SQ-3对白皮松和东南景天降解TPH效果的影响
李法云、屈撑囤等[3,10]研究发现，联用多种降解微生物对TPH的降解率高于单独使用时的降解率，微生物在白皮松等植物根系分泌的氨基酸作用下能促进TPH污染物的根际微生物降解。因此考察了SQ-3工程菌对白皮松和东南景天对TPH降解效果的影响，实验结果如图3所示。
—对照； —SQ-3工程菌剂+白皮松； —SQ-3工程菌+东南景天。
图3 白皮松和东南景天在SQ-3工程菌修复体系下的TPH降解率
Fig.3 TPH degradation rate of white bark pine and Sedum alfredii Hance under repair system of SQ-3 engineering bacterium
由图3可知：随着降解时间的增加，白皮松和东南景天对TPH的降解率均显著提高，而不添加SQ-3工程菌(对照)呈现迅速升高而后趋于稳定的现象，原因为SQ-3工程菌等微生物和植物根系的物协同作用促进了对实验土壤中TPH的降解，提高白皮松和东南景天对TPH的降解效果。
2.2 不同条件下镉去除效果分析
2.2.1 白皮松对去除镉的去除效果
在不种植植物(空白)、单独种植白皮松、种植白皮松添加表面活性剂、种植白皮松添加SQ-3工程菌的条件下，考察了白皮松在实验土壤中对重金属镉去除率的影响，实验结果如图4所示。
—对照； —白皮松； —表面活性剂+白皮松； 
—SQ-3工程菌+白皮松。
图4 白皮松在不同修复体系下的重金属的去除率
Fig.4 Cadmium removal rate of white bark pine under different repair systems
由图4可知：种植白皮松添加SQ-3工程菌的条件下镉去除率随着时间的增加显著提高，56 d时镉去除率达到最大值17.52%。当不种植植物(空白)、单独种植白皮松、种植白皮松添加表面活性剂时，重金属镉去除率均先显著提高之后趋于稳定，在第45天时，实验土壤中的镉去除率基本同时达到各自条件下的最大值，分别为1.67%、4.83%、8.84%。这是因为白皮松根系在无合适微生物的协同作用下，受到重金属镉逆境胁迫积累脯氨酸、可溶性蛋白、可溶性糖酸等一系列渗透调节物质，同时白皮松体内的SOD活性下降[11-12]，导致镉去除率逐渐稳定。综合分析，种植白皮松时添加SQ-3工程菌能很大程度上提高对镉的去除率。
2.2.2 东南景天对镉去除效果
东南景天的种植能有效减轻重金属的污染，且因其分布广泛，在重金属污染修复中使用较多。在石油污染的重金属修复中，东南景天在TPH的胁迫下生长受到抑制，可能会对东南景天降解重金属镉构成影响。故实验设置不种植东南景天(对照)、种植东南景天、添加表面活性剂种植东南景天、添加SQ-3工程菌种植东南景天4种条件，考察不同条件下东南景天对镉去除率的影响(图5)。
—对照； —东南景天； —表面活性剂+东南景天； —SQ-3工程菌+东南景天。
图5 东南景天在不同修复体系下的镉的去除率
Fig.5 Cadmium removal rate of Sedum alfredii Hance under different repair systems
由图5可知：除开对照组实验外，其他3个实验组不同条件下对镉的去除效果基本一致，即随着时间的增加，镉去除率显著上升。且随着时间的增加，在添加表面活性剂种植东南景天、添加SQ-3工程菌种植东南景天2种条件下的去除率差异不大。Long、张家伟、杨秀敏等[13-15]研究发现，工程菌等微生物能与东南景天根系形成菌根，延伸植物根系的同时改变植物根际圈的土壤环境，从而增加镉的有效态浓度，促进了东南景天对镉的吸收和迁移，而表面活性剂能络合土壤中重金属来增加其生物有效性，进而提高植物对重金属的吸收与累积作用。
3 结 论
1)添加表面活性剂、添加SQ-3工程菌均会显著提高白皮松、东南景天对废弃油基钻井液沉积物中TPH污染物的降解率，但白皮松对废弃油基钻井液沉积物中TPH的降解效果比东南景天更显著，当添加SQ-3工程菌种植白皮松时，TPH的降解率可达36.93%。
2)添加表面活性剂、添加SQ-3工程菌均会显著提高白皮松、东南景天对废弃油基钻井液沉积物中重金属镉的去除率，但东南景天对废弃油基钻井液沉积物中镉的去除率优于白皮松，当添加SQ-3工程菌种植东南景天时，镉的去除率达到21.21%。
3)添加SQ-3工程菌种植白皮松、添加SQ-3工程菌种植东南景天均能明显去除废弃油基钻井液沉积物中的TPH和镉，在废弃油基钻井液沉积物治理的工程应用中具有广阔的应用前景。
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