天津平原区加油站地下水石油烃污染特征及其生物降解机理研究

doi:10.13745/j.esf.sf.2022.1.41

地学前缘 ›› 2022, Vol. 29 ›› Issue (3): 227-238.DOI: 10.13745/j.esf.sf.2022.1.41

天津平原区加油站地下水石油烃污染特征及其生物降解机理研究

刘学娜¹^,²(), 李海明¹^,²^,^*(), 李梦娣¹^,², 章卫华³, 肖瀚¹^,²

1.天津科技大学滨海地下水利用与保护实验室, 天津 300457
2.海洋化学资源与食品技术教育部重点实验室, 天津 300457
3.中山大学广东省环境污染控制与修复技术重点实验室, 广东广州 510275

收稿日期:2022-01-30 修回日期:2022-02-08 出版日期:2022-05-25 发布日期:2022-04-28
通讯作者: 李海明
作者简介:刘学娜(1995—),女,硕士,主要从事地下水污染机理研究。E-mail: lxnida1025@163.com
基金资助:
国家自然科学基金项目(42072288);广东省环境污染控制与修复技术重点实验室开放基金项目(2020K0002)

Pollution characteristics and biodegradation mechanism of petroleum hydrocarbons in gas station groundwater in the Tianjin Plain

LIU Xuena¹^,²(), LI Haiming¹^,²^,^*(), LI Mengdi¹^,², ZHANG Weihua³, XIAO Han¹^,²

1. Laboratory of Coastal Groundwater Utilization & Protection, Tianjin University of Science & Technology, Tianjin 300457, China
2. Key Laboratory of Marine Resource Chemistry and Food Technology (TUST), Ministry of Education, Tianjin 300457, China
3. Guangdong Provincial Key Laboratory of Environmental Pollution Control and Remediation Technology, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China

Received:2022-01-30 Revised:2022-02-08 Online:2022-05-25 Published:2022-04-28
Contact: LI Haiming

摘要/Abstract

摘要：

加油站地下水中石油烃污染是较为普遍的现象,本文对研究区位于不同水文地质条件的加油站地下水进行取样分析,分析加油站地下水中石油烃的污染特征和地下水化学类型特征,并运用因子分析、相关性分析和多元回归分析揭示加油站地下水中石油烃潜在的生物降解机制。研究结果表明,地下水化学类型主要可划分为Cl-Na型、HCO₃-Na型、HCO₃-Ca型和SO₄-Na型4类。加油站地下水中石油烃的检出率为85.71%,检出浓度为0.020.35 mg/L。因子分析结果表明影响地下水化学组成的因素主要以水-岩相互作用和石油烃的生物降解为主。TPH与地下水化学指标间的相关关系表明:TPH与K⁺、Na⁺、Cl^-、Mn、Mg²⁺、 $SO 4 2 -$ 呈现负相关的关系,与pH值、 $HCO 3 -$ 、 $NO 3 -$ 、 $NO 2 -$ 、Ca²⁺、Fe不存在显著的相关关系。加油站地下水环境中可能存在嗜盐或耐盐微生物,导致随着盐度的升高,总石油烃(total petroleum hydrocarbon,TPH)生物降解率加快,TPH浓度呈现出降低的趋势。微生物利用电子受体( $SO 4 2 -$ 、Mn、 $NO 3 -$ 、Fe)降解TPH的过程中,电子受体的贡献率为:铁还原(64.88%)>锰还原(24.86%)>硫酸根还原(5.78%)>硝酸盐还原(4.46%),即加油站地下水中铁锰还原菌的石油烃生物降解为优势反应。

关键词: 加油站, 地下水, 石油烃, 生物降解

Abstract:

Petroleum hydrocarbon pollution in gas station groundwater is a common phenomenon. This study sought to sample and analyze gas station groundwater under various hydrogeological conditions to determine the pollution characteristics of petroleum hydrocarbon in gas station groundwater and the characteristics of groundwater chemical types. Factor analysis, correlation analysis, and multiple regression analysis were used to reveal the potential biodegradation mechanism of petroleum hydrocarbon in gas station groundwater. According to the results, groundwater chemicals can be mainly divided into four types: Cl-Na, HCO₃-Na, HCO₃-Ca, and SO₄-Na types. The detection rate of petroleum hydrocarbons in the groundwater was 85.71%, and the detection concentration range was 0.02-0.35 mg/L. Factor analysis revealed that the main factors affecting the chemical composition of groundwater were water-rock interaction and biodegradation of petroleum hydrocarbons. The correlation between TPH and groundwater chemical indexes showed that the total petroleum hydrocarbon (TPH) was negatively correlated with K⁺, Na⁺, Cl^-, Mn, Mg²⁺, and $SO 4 2 -$ , but not significantly correlated with pH, $HCO 3 -$ , $NO 3 -$ , $NO 2 -$ , Ca²⁺, and Fe. Halophilic or salt-tolerant microorganisms might also be present in the gas station groundwater environment, which accelerates the TPH biodegradation rate as TPH concentration decreases with increasing salinity. In the microorganism degradation of TPH using electron acceptors ( $SO 4 2 -$ , Mn, $NO 3 -$ , Fe), the contribution percentage of electron acceptors were ranked as iron reduction (64.88%) >manganese reduction (24.86%) >sulfate reduction (5.78%) >nitrate reduction (4.46%). Thus, the biodegradation of petroleum hydrocarbons by Fe-Mg-reducing bacteria in gas station groundwater is the dominant reaction.

Key words: gas station, groundwater, petroleum hydrocarbon, biodegradation

中图分类号:

X523

刘学娜, 李海明, 李梦娣, 章卫华, 肖瀚. 天津平原区加油站地下水石油烃污染特征及其生物降解机理研究[J]. 地学前缘, 2022, 29(3): 227-238.

LIU Xuena, LI Haiming, LI Mengdi, ZHANG Weihua, XIAO Han. Pollution characteristics and biodegradation mechanism of petroleum hydrocarbons in gas station groundwater in the Tianjin Plain[J]. Earth Science Frontiers, 2022, 29(3): 227-238.

图/表 10

图1 天津滨海平原区加油站采样点图和地下水流场图(引自文献[19])

Fig.1 Schematic map showing the location of gas station sampling sites and groundwater flow field in the Tianjin coastal plain area. Adapted from [19].

图2 天津滨海平原区TPH空间分布图

Fig.2 Spatial distribution of TPH concentrations in the Tianjin coastal plain area

表1 研究区加油站地下水水化学指标的统计特征

Table 1 Statistics of gas station groundwater hydrochemical indexes for the study area

组分及参数	样本量	极大值	极小值	均值	标准差	变异系数/%
TDS	84	2.30×10⁴	656.00	4 376.54	5 289.01	120.85
K⁺	84	149.00	0.59	24.46	37.78	154.46
Na⁺	84	6.98×10³	50.30	1 184.35	1 568.53	132.44
Ca²⁺	84	929.00	18.20	158.20	141.47	89.42
Mg²⁺	84	939.00	7.24	174.91	188.50	107.77
$HCO 3 -$	84	1.89×10³	87.00	688.45	267.73	38.89
Cl^-	84	1.20×10⁴	35.00	1 930.96	2 988.43	154.76
$SO 4 2 -$	84	1.44×10³	33.00	399.99	337.47	84.37
$CO 3 2 -$	84	ND	ND
$NO 3 -$	84	148.00	ND	9.61	19.74	205.36
$NO 2 -$	84	5.57	ND	0.18	0.61	344.54
Mn	84	8.02	ND	0.70	1.32	187.17
Fe	84	2.54	ND	0.19	0.53	271.73
pH值	84	8.73	6.80	7.43	0.34	4.56

表1 研究区加油站地下水水化学指标的统计特征

Table 1 Statistics of gas station groundwater hydrochemical indexes for the study area

组分及参数	样本量	极大值	极小值	均值	标准差	变异系数/%
TDS	84	2.30×10⁴	656.00	4 376.54	5 289.01	120.85
K⁺	84	149.00	0.59	24.46	37.78	154.46
Na⁺	84	6.98×10³	50.30	1 184.35	1 568.53	132.44
Ca²⁺	84	929.00	18.20	158.20	141.47	89.42
Mg²⁺	84	939.00	7.24	174.91	188.50	107.77
$HCO 3 -$	84	1.89×10³	87.00	688.45	267.73	38.89
Cl^-	84	1.20×10⁴	35.00	1 930.96	2 988.43	154.76
$SO 4 2 -$	84	1.44×10³	33.00	399.99	337.47	84.37
$CO 3 2 -$	84	ND	ND
$NO 3 -$	84	148.00	ND	9.61	19.74	205.36
$NO 2 -$	84	5.57	ND	0.18	0.61	344.54
Mn	84	8.02	ND	0.70	1.32	187.17
Fe	84	2.54	ND	0.19	0.53	271.73
pH值	84	8.73	6.80	7.43	0.34	4.56

图3 研究区加油站地下水化学类型

Fig.3 Gas station groundwater chemical types in the study area

图4 研究区加油站地下水化学类型空间分布图

Fig.4 Spatial distribution of gas station groundwater chemical types in the study area

表2 地下水化学因子载荷

Table 2 Main factor loadings of groundwater hydrochemical indexes

水化学指标	各主因子载荷
水化学指标	F1	F2	F3	F4
Na⁺	0.98	0.04	0.09	0.06
Cl^-	0.96	-0.02	0.17	0.04
K⁺	0.94	-0.04	-0.17	0.09
Mg²⁺	0.89	0.02	0.31	0.08
Mn	0.80	-0.12	0.02	-0.08
Fe	-0.03	0.90	-0.13	0.02
TPH	-0.36	0.72	0.16	-0.08
$HCO 3 -$	0.17	0.72	-0.09	-0.12
Ca²⁺	0.36	-0.07	0.80	0.11
pH	0.10	0.05	-0.79	0.15
$SO 4 2 -$	0.31	-0.03	0.36	0.34
$NO 3 -$	-0.06	-0.05	0.15	0.82
$NO 2 -$	0.08	-0.10	-0.28	0.73
特征值	4.57	1.88	1.72	1.39
方差贡献率/%	35.16	14.49	13.18	10.72
累积方差贡献率/%	35.16	49.65	62.83	73.55

表2 地下水化学因子载荷

Table 2 Main factor loadings of groundwater hydrochemical indexes

水化学指标	各主因子载荷
水化学指标	F1	F2	F3	F4
Na⁺	0.98	0.04	0.09	0.06
Cl^-	0.96	-0.02	0.17	0.04
K⁺	0.94	-0.04	-0.17	0.09
Mg²⁺	0.89	0.02	0.31	0.08
Mn	0.80	-0.12	0.02	-0.08
Fe	-0.03	0.90	-0.13	0.02
TPH	-0.36	0.72	0.16	-0.08
$HCO 3 -$	0.17	0.72	-0.09	-0.12
Ca²⁺	0.36	-0.07	0.80	0.11
pH	0.10	0.05	-0.79	0.15
$SO 4 2 -$	0.31	-0.03	0.36	0.34
$NO 3 -$	-0.06	-0.05	0.15	0.82
$NO 2 -$	0.08	-0.10	-0.28	0.73
特征值	4.57	1.88	1.72	1.39
方差贡献率/%	35.16	14.49	13.18	10.72
累积方差贡献率/%	35.16	49.65	62.83	73.55

表3 TPH的生物降解反应过程

Table 3 Biodegradation kinetics of TPH in the presence of 4 electron acceptors used in this study

电子受体	生物降解反应		自由能/(kJ·mol^-1)	反应顺序
$NO 3 -$	5CH₂O+4 $N O 3 -$ →2N₂+4 $H C O 3 -$ +CO₂+3H₂O	(3)	-448	1st
Mn⁴⁺	CH₂O+3CO₂+2MnO₂+H₂O→Mn2+4 $H C O 3 -$	(5)	-349	2nd
Fe³⁺	CH₂O+7CO₂+4Fe(OH)₃→Fe2++8 $H C O 3 -$ +3H₂O	(4)	-114	3rd
$SO 4 2 -$	2CH₂O+ $S O 4 2 -$ →H₂S+2 $H C O 3 -$	(6)	-77	4th

表3 TPH的生物降解反应过程

Table 3 Biodegradation kinetics of TPH in the presence of 4 electron acceptors used in this study

电子受体	生物降解反应		自由能/(kJ·mol^-1)	反应顺序
$NO 3 -$	5CH₂O+4 $N O 3 -$ →2N₂+4 $H C O 3 -$ +CO₂+3H₂O	(3)	-448	1st
Mn⁴⁺	CH₂O+3CO₂+2MnO₂+H₂O→Mn2+4 $H C O 3 -$	(5)	-349	2nd
Fe³⁺	CH₂O+7CO₂+4Fe(OH)₃→Fe2++8 $H C O 3 -$ +3H₂O	(4)	-114	3rd
$SO 4 2 -$	2CH₂O+ $S O 4 2 -$ →H₂S+2 $H C O 3 -$	(6)	-77	4th

图5 研究区加油站地下水中TPH的共现网络图

Fig.5 Co-occurrence network diagram of TPH in groundwater of gas stations in the study area

图6 研究区加油站地下水中TPH与TDS的关系图

Fig.6 Relationship between TPH and TDS in gas station groundwater in the study area

图7 加油站地下水中TPH与Mn、 SO 4 2 -、 NO 3 -、Fe的关系图

Fig.7 Relationship between TPH and Mn, SO 4 2 -, NO 3 -, Fe in gas station groundwater

参考文献 38

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天津平原区加油站地下水石油烃污染特征及其生物降解机理研究

Pollution characteristics and biodegradation mechanism of petroleum hydrocarbons in gas station groundwater in the Tianjin Plain

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