油田污水对荒漠植物生长影响及其生态利用

Effects of Oilfield Wastewater on Desert Plant Seedling Growth and Ecological Utilization

摘要: 油田污水生态利用对改良西北地区盐碱化土壤、保持水土和降低污水外排环境影响有重要意义。由于油田污水成分复杂，基于某油田污水组成探究了芨芨草、梭梭、盐地碱蓬和沙棘在盐分、石油烃和化学需氧量(chemical oxygen demand, COD)等主要特征污染物暴露下的耐受程度和生长状况。实验结果表明，不同荒漠植物幼苗在0.3~5.6 g/L盐胁迫下生长未受明显抑制，碱蓬抗盐能力最强；稠油主要通过对根部的毒害作用抑制幼苗生长；作为油田污水COD的重要组分，有机化学药剂抑制植物生长且对碱蓬抑制最显著。不同荒漠植物幼苗表现不同耐受能力，但均可耐受远高于石油烃和COD排放限值的暴露水平，为荒漠地区的油田污水生态利用提供科学依据。

Abstract: The ecological utilization of oilfield wastewater can help improve saline and alkaline soil, conserve soil and water, and reduce environmental impacts of wastewater in northwest China. Based on chemical compositions of an oilfield wastewater, this study investigated effects of salinity, petroleum hydrocarbon and chemical oxygen demand (COD) on seedling growth and survival of desert plants, including Achnatherum splendens, Haloxylon ammodendron, Suaeda salsa and Hippophae rhamnoides. The growth of plant seedlings was less influenced under salinity stress of 0.3~5.6 g/L, and Suaeda salsa exhibited strongest salinity tolerance. The toxicity of petroleum hydrocarbons to roots largely accounted for the inhibition of seedling growth. Suaeda salsa seedlings were most sensitive to exposure of organic chemicals. Results showed these desert plant seedlings can tolerate exposure levels of petroleum hydrocarbons and COD much higher than emission limits, providing scientific support for ecological utilization of oilfield wastewater in desert areas.

1. 引言

石油开采、运输和加工等环节产生大量油田污水，2018年全球石油化工行业的废水日产生量约为650万立方米[1]。随着油田开采年限和开采方式改变，油田污水外排量呈上升趋势。油田外排污水化学成分复杂，石油类和化学需氧量(chemical oxygen demand, COD)是主要特征污染物，而地层水成分和软化处理工艺导致污水矿化度达上万mg/L及以上[2] [3]。

我国西北地区贮藏丰富石油资源，是重要石油开采地区。该地区土壤荒漠化、盐碱化和水土流失等问题突出，生态环境脆弱。在水分稀缺的西北地区，合理利用油田污水增加植被覆盖度，建设特色生态系统，对于改良盐碱化土壤、保持水土、防风固沙和降低油田污水排放的生态风险有重要意义。其中，微咸水灌溉和盐生植物栽种可缓解土壤盐碱程度，改善土壤结构和质量[4]-[6]。另外，盐地碱蓬和高羊茅等盐生植物已用于石油污染盐碱土修复[7]-[10]。植物可通过植物挥发、植物提取和生物降解去除有机污染物[11] [12]；植物根系分泌物可降解石油烃等污染物，并促进微生物的降解能力[13] [14]；植物还可通过植物固定和根际过滤等净化污染水体[15] [16]。人工湿地及生态田已用于油田污水和污泥中稠油及其他污染物去除[1] [17]-[19]。

发展油田污水生态利用对于改善西北地区的生态环境有重要意义，但需控制好污染物排放水平，避免给生态环境带来不利影响。植物毒性是污水生态利用首要考虑的问题。目前，鲜少工作探究荒漠植物对油田污水中不同污染物的耐受程度，荒漠地区油田污水生态利用缺乏科学依据。植物幼苗对外界环境胁迫敏感[20]，且幼苗的耐受能力将影响植物后续生长。因此，本研究基于某油田污水的组成，选取我国西北盐碱化和荒漠化地区生存的芨芨草(Achnatherum splendens)、梭梭(Haloxylon ammodendron)、盐地碱蓬(Suaeda salsa)和沙棘(Hippophae rhamnoides)，探究油田污水中主要特征污染物(盐分、石油烃和COD)对幼苗生长的影响及植物耐受能力，为荒漠地区开展油田污水生态利用提供数据支撑。

2. 实验部分

2.1. 材料、试剂和仪器

75%乙醇：分析纯；NaCl：分析纯；NaHCO₃：分析纯；Na₂SO₄：优级纯；KCl：分析纯。

PRX-600C人工气候箱：宁波赛福实验仪器有限公司；ME104电子天平：梅特勒托利多。

2.2. 实验方法

2.2.1. 植物培养

本研究选择饱满的植物种子用75%乙醇消毒和浸种，再用水培和砂培方式催芽，待植物发芽1~2周后，将长势一致的幼苗移栽至盛有1/2 Hoagland’s营养液的400 mL玻璃瓶进行缓苗处理，用海绵固定幼苗，玻璃瓶采用铝箔纸包裹避光。待植物幼苗长势稳定后开展后续暴露实验。植物培养和暴露实验均在人工气候室内进行(光照：14 h，27℃；黑暗：10 h，25℃)。

2.2.2. 荒漠植物幼苗的水培暴露实验

本研究分别设置7个浓度的盐分、石油烃和COD溶液进行2周水培暴露实验，每个处理含10株幼苗，每隔4~5天更换暴露溶液。暴露结束后，记录幼苗存活数量、鲜重、根部长度和地上部分长度，并计算根冠比。盐胁迫溶液依据某油田污水中无机盐组成(摩尔浓度比值：NaCl:NaHCO₃:Na₂SO₄:KCl = 104:10:3:1)配制，以1/2 Hoagland’s营养液为对照(0 g/L)，设置1.85、3.71、5.56、7.42、14.8和37.1 g/L暴露组。其中，3.71 g/L暴露组与该油田压裂返排液中盐分组成和浓度一致。石油烃暴露采用该油田采集的稠油进行，将一定质量稠油加入到1/2 Hoagland’s营养液，由于预实验中低浓度石油烃对植物生长无明显影响，为考察幼苗对石油烃的耐受能力，本研究石油烃暴露浓度为0、0.3、0.6、1.2、2.4、4.8和7.2 g/L。石油烃暴露组未添加其他溶剂，暴露液面有上浮油。COD暴露组依据某油田稠油污水的有机化学药剂组成(反相破乳剂、正相破乳剂和聚丙烯酰胺)配制成储备液，配制0、0.15、0.3、0.6、1.2、2.4和4.8 g/L的COD溶液进行暴露，其中0.15 g/L与该油田污水COD浓度一致。

2.2.3. 数据处理

本研究采用PASW statistics 18和Origin 2016进行数据分析。采用单因素ANOVA和Duncan’s multiple range test对多组数据的均值进行比较；采用probit回归计算污染物的半致死浓度。

3. 结果与讨论

3.1. 油田污水中盐分对植物幼苗生长的影响

盐分是植物的主要环境胁迫，油田污水中高浓度的盐离子是影响其生态利用的重要因素。受油气田地层水成分和采出水软化处理等影响，油田污水含大量无机离子。由于不同种类盐分对植物的毒害作用不同，因此本研究基于油田污水中无机离子组成配制盐胁迫溶液。在2周盐胁迫后，最高盐胁迫暴露组(37.1 g/L)的芨芨草、梭梭和沙棘全部死亡，盐地碱蓬的死亡率为70%；在14.8 g/L盐胁迫下，芨芨草和梭梭死亡率为50%，沙棘死亡率为80%，盐地碱蓬全部存活。芨芨草、梭梭、盐地碱蓬和沙棘的盐胁迫半致死浓度分别为12.8、12.6、31.9和9.3 g/L。在高浓度盐胁迫下，植物幼苗在1天内即倒伏，植物的生长和存活率受到明显影响。溶液中可溶盐含量过高，会影响根系对水分的吸收，造成生理干旱；另外，植物对不同离子吸收不均衡会导致单盐毒害、离子失衡、营养失调、氧化胁迫和代谢紊乱，进而影响植物正常生长[21]。

盐胁迫下存活幼苗的生长指标统计结果如图1所示。结果表明，在0~5.6 g/L盐胁迫下，4种荒漠植物存活幼苗的生长状态未受到明显影响；随盐浓度增加，植物幼苗生长受不同程度抑制。在1.9~14.8 g/L盐胁迫下，梭梭幼苗的各项生长指标与对照组无显著差异，这与以往报道梭梭在种子萌发和幼苗生长初期可较好适应盐胁迫一致[22]。在7.4和14.8 g/L盐胁迫下，芨芨草和沙棘的一些生长指标与对照组有显著差异(p < 0.05)；另外，沙棘的根冠比变化不明显，芨芨草的根冠比在7.4和14.8 g/L盐胁迫下明显增加。以往研究也发现芨芨草根冠比随盐胁迫浓度增加[23]，表明盐胁迫对芨芨草地上部分生长的抑制更明显[24]。而盐地碱蓬在37.1 g/L盐胁迫下才受到明显抑制作用。

以上结果表明不同荒漠植物对油田污水中盐分的耐受程度呈现明显差异。真盐生植物盐地碱蓬抗盐能力最强，这与其叶片肉质化和根系的聚盐/拒盐响应机制有关[25]。另外，芨芨草、梭梭和沙棘也是西北干旱地区的典型植物，可通过泌盐、渗透调节、离子区隔化等策略耐受盐碱环境和干旱胁迫。其中，芨芨草可通过体内盐分运输和盐腺外排降低地上部分钠离子浓度[26]。沙棘通过累积有机酸类物质维持胞内离子平衡，抵抗盐碱胁迫[27]。梭梭可能通过调节胞内钠离子浓度耐受盐碱胁迫[22]。此外，盐生植物可以改善盐碱土质量，提高土壤质量和肥力[6] [28]。

Figure 1. Growth parameters of (a) Achnatherum splendens, (b) Haloxylon ammodendron, (c) Suaeda salsa, and (d) Hippophae rhamnoides under different salinity stress

图1. 不同盐胁迫下(a) 芨芨草、(b) 梭梭、(c) 盐地碱蓬和(d) 沙棘的生长指标

3.2. 油田污水中石油烃对植物幼苗生长的影响

油田污水含烷烃、环烷烃、芳香烃和环烷芳烃等特征污染物，其中多环芳烃具有高毒害作用且难以降解。这些化合物可以溶解态、乳化态和分散态存在，稠油污水中含油量可达g/L以上[29]。为评估荒漠植物幼苗对石油烃的耐受能力，本研究采用某油田的稠油样品进行暴露实验，水面可观察到明显的上浮油。

在暴露两周后，梭梭、盐地碱蓬和沙棘幼苗的死亡率均不高于20%；芨芨草在2.4和4.8 g/L暴露下全部存活，在1.2和7.2 g/L下死亡率分别为40%和50%。植物幼苗生长结果如图2所示，沙棘的生长受石油烃的抑制作用更明显，在0.3~7.2 g/L下沙棘幼苗的植株重量、根长和地上部分长度受不同程度抑制，根冠比也降低。以往报道石油烃对植物生长，特别是根系生物量有明显抑制，并显著改变根系形貌[13] [30] [31]。不同来源和性质的石油烃对植物的毒害作用有较大差异[32]。本研究在植物根部可观察到明显的石油烃包裹，推测沙棘幼苗对石油烃更为敏感，可能由于其根部伸长较短(对照组根长：6.57 ± 1.54 cm；根部重量：0.0116 ± 0.0054 g)且直径更粗，因而附着更多石油烃阻碍生长。对于四种植物幼苗，仅芨芨草在1.2和7.2 g/L下死亡率较高，我们推测这是因为幼苗根部的石油烃阻碍植物根部的吸收和呼吸作用。

Figure 2. Growth parameters of (a) Achnatherum splendens, (b) Haloxylon ammodendron, (c) Suaeda salsa, and (d) Hippophae rhamnoides after exposure to different concentrations of petroleum hydrocarbon solutions

图2. 不同石油烃暴露下(a) 芨芨草，(b) 梭梭，(c) 盐地碱蓬和(d) 沙棘的生长指标

3.3. 油田污水中COD对植物幼苗生长的影响

油田污水中COD主要包括石油烃和有机化学药剂，一些环节废水中COD可达上万mg/L。在石油开采和处理中使用的有机化学添加剂(如驱油剂、破乳剂、絮凝剂等)可生化性差，难以被降解，增加污水处理难度。本研究采用某油田的反相破乳剂、正相破乳剂和聚丙烯酰胺等有机化学药剂配制COD溶液开展暴露实验，芨芨草、梭梭、盐地碱蓬和沙棘的COD胁迫半数致死浓度分别4.7、3.9、1.1和2.0 g/L。植物幼苗生长指标的结果(图3)表明COD暴露可抑制幼苗生长，其中盐地碱蓬和芨芨草受COD影响更为明显。在不同质量浓度COD暴露下，盐地碱蓬的各项生长指标均低于对照组(p < 0.05)，芨芨草的根部长度和地上部分长度也呈现降低趋势。另外，多组COD暴露下芨芨草、梭梭、沙棘和碱蓬的根冠比显著高于对照组(p < 0.05)，表明该COD溶液对幼苗地上部分的抑制更为显著，死亡幼苗的叶片呈白色或黄色。这些有机化学药剂对荒漠植物幼苗的明显毒害作用可能来自化学药剂本身、残留杂质或混合后的反应产物。COD对盐地碱蓬的抑制作用最明显的原因可能是由于这些有机化学药剂对荒漠植物幼苗的明显毒害作用可能来自化学药剂本身、残留杂质或混合后的反应产物。破乳剂主要由表面活性剂组成，其通过改变油水界面膜性质实现破乳[33]。高浓度表面活性剂(如十二烷基磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、聚山梨酸酯和直链烷基苯磺酸钠)主要通过以下机制干扰植物的正常生理功能[34] [35]。首先，表面活性剂可改变蛋白质二级结构，干扰必需离子的吸收与代谢，进而影响蛋白质的稳定性和功能；其次，表面活性剂影响植物细胞壁成分，导致果胶质增加、纤维素降低、木质素上升，从而诱导细胞壁产生抗性反应；此外，表面活性剂通过改变细胞膜中不饱和脂肪酸与酯类的比例影响细胞膜的流动性，干扰其结构和功能稳定性；表面活性剂胁迫也会导致细胞膜产生活性氧，尽管植物可通过抗氧化物质清除活性氧，但当

Figure 3. Growth parameters of (a) Achnatherum splendens, (b) Haloxylon ammodendron, (c) Suaeda salsa, and (d) Hippophae rhamnoides after exposure to different concentrations of COD solutions

图3. 不同COD溶液暴露下(a) 芨芨草，(b) 梭梭，(c) 盐地碱蓬和(d) 沙棘的生长指标

表面活性剂浓度过高时，活性氧超出植物清除能力，对植物细胞造成损害[34] [35]。其中，聚丙烯酰胺是油田开采的重要驱油剂，也是土壤改良剂，用于干旱和盐碱地等土壤中，对植物生长有一定促进作用，但是聚丙烯酰胺种类、用量和方式是关键因素[36]。

3.4. 油田污水生态利用探究

在水分稀缺的西北地区，采用油田污水进行生态利用是兼顾社会效益、经济效益和生态效益的重要举措。芨芨草、梭梭、盐地碱蓬和沙棘是生存在西北盐碱化和荒漠化地区的典型植物，对于干旱生态系统有重要意义。《污水综合排放标准》(GB8978-1996)、《陆上油气开发HSE导则》和《陆上石油天然气开采工业污染物排放标准(二次征求意见稿)》的石油类排放限值为5~30 mg/L，石油化工工业COD排放限值为60~500 mg/L。尽管4种植物对污染物的反应性存在差异，但均可耐受高于排放限值的石油类和COD水平，并可以缓解土壤盐碱化和降低污染物环境影响。

采用荒漠植物开展油田污水生态利用具有以下优势：首先，可缓解水资源短缺，增加植被覆盖，利于水土保持；可降低土壤盐碱度，提高土壤质量和肥力，改善土壤盐碱化和荒漠化；植物吸收和降解污染物可进一步降低油田污水的环境影响。为实现油田污水的有效生态利用，后续需探究不同污染物的联合作用，考察不同来源组成油田污水的生态影响，并结合当地气候、土壤性质和水文条件开展实地研究。

4. 结论

1) 盐分、石油烃和COD等油田污水主要特征污染物在高浓度下对植物幼苗生长表现出不同程度抑制作用。

2) 4种荒漠植物幼苗的盐胁迫和COD半致死浓度范围为9.3~31.9 g/L和1.1~4.7 g/L。其中，盐地碱蓬对盐胁迫的耐受最高，其次为芨芨草和梭梭。COD暴露下盐地碱蓬的耐受能力最弱。高浓度石油烃可通过影响植物根部吸收和呼吸作用等阻碍沙棘和芨芨草生长。

3) 4种荒漠植物可耐受明显高于排放限值的石油类和COD水平，可用于荒漠地区石油污水的生态利用，将有助于缓解土壤盐碱化，降低污水排放的环境影响。

NOTES

^*通讯作者。