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1、1地下水微生物学研究进展综述作者：李政红 张翠云 张 胜 殷密英 马琳娜 郭秀红论文关键词：微生物作用 地球化学 水力性质 生物修复 论文摘要：综述了地下含水层系统中微生物作用。引用研究实例论述了微生物作用不但可以改变地下水化学组分，而且还可以改变含水层的水力性质。微生物作用对地下水系统的影响程度主要受微生物代谢速度水文地质条件含水层岩性等多种因素控制。地下水系统中电子供体与电子受体间的丰度关系是影响微生物代谢速度的主要因素。在未污染的含水层中，电子供体的可用性限制了微生物的新陈代谢，而在人类活动污染的含水层中，微生物的新陈代谢受电子受体的可用性的限制。利用微生物作用可以降解地下水系统中氯代化
2、溶剂烃类硝酸盐有毒金属等多种化学污染物。并对今后的发展方向进行了探讨。 1 引 言 地下水系统具备了微生物生长发育所需的营养水分酸碱度渗透压和温度等条件，为微生物提供了良好的生存场所。微生物(主要指各种细菌菌群，如异养菌自养菌好氧菌厌氧菌等)成为地下水生态系统中主要生命组分，是地下水演化过程的重要影响因子，在地下水系统的能量转换物质循环营养输送信息贮存以及元素形态的转化聚集和迁移中微生物都起着极其重要的媒介作用。地下水化学性质的演变中微生物的控制和改造是其主要因素之一。 地下水系统是一个复杂综合体，包括了地下水流经的介质，地下水中各种物理2化学成分和地表的天然通道等。加之人类对地下水的开发利用
3、活动已经并将继续改变地下水环境，如地下水的污染过量的开采以及其它流体矿产的开发等都对地下水系统的天然环境产生影响。环境因素的变化相应地也影响了地下水中生物的生存条件，导致微生物的形态生理遗传特性的改变，促使各类微生物不断演替。地下水系统中各种环境因素又是制约微生物生长繁殖的重要因素。 地下水微生物学是地下水科学与微生物学紧密结合而形成的一门新兴学科，它将地下水视为一个有生命的系统加以研究，主要研究与认知微生物生命过程与地下水化学密切相关的科学问题，是研究微生物活动与地下水环境相互关系的科学，也就是探索微生物直接参与地下水化学形成演化过程的微生物地球化学作用，是地下水科学研究的前沿领域。 2 微
4、生物作用改变地下水化学组成 早在 1900 年人们就发现未受污染时含有高浓度硫酸盐的地下水，受石油污染后却常常缺少溶解性硫酸盐。1917 年 Rogers 首次提出这是硫酸盐还原菌新陈代谢的作用所致。这个假设在从受石油污染的水中分离出硫酸盐还原菌时得到证实。在以后的几十年里，很多学者对地下水化学组成的微生物影响作用进行研究后认为，微生物对地下水化学组成具有重要影响作用(Chapelle 2000)。如，钟佐燊(2001)研究认为，在石油烃污染的地下含水层中，如果发生了生物降解反应，则其水文地球化学标志是：水中溶解氧很微，NO-3 和 SO2- 4 明显降低，Fe2+ 和 HCO-3 升高，出现
5、 HS-或 H2S 和 CH4。 地下水系统中电子供体与电子受体间的丰度关系是影响微生物代谢速度的主要因素。在未污染的含水层中，电子供体的可用性限制了微生物的新陈代谢，溶解3性无机碳沿着含水层流动路径慢慢聚积，可用的电子受体依照溶解氧硝酸盐三价铁硫酸盐二氧化碳(甲烷生成)的次序不断被消耗。在人类活动污染的含水层中，常存在过剩的可用有机碳，电子受体的可用性限制微生物的新陈代谢。 美国南卡罗莱纳州 Black Creek 含水层是区域地下水化学类型变化受电子供体限制的很好例子。McMahon 等(McMahon 1991a1991b，Chapelle 1990)对该系统进行详细研究后，描述了微生物
6、作用对含水层地下水化学组成的影响。该水文地质单元，水流从补给区向下游 150 km 到排泄区，溶解性无机碳浓度从不到 1 mM/L 增加到超过 12 mM/L。由微生物代谢作用产生的溶解性无机碳促进了含水层中碳酸盐的溶解，根据公式：CaCO3 (碳酸盐)+CO2 (微生物)Ca2+ +2HCO-3计算得出，大约一半的溶解性无机碳来自微生物代谢作用(约 6 mM)，有研究表明该地区地下水补给大约需要用 15 万 a，由此推出，微生物代谢作用产生溶解性无机碳的速率约为 10-4 mM/La。因此，尽管沿地下水流溶解性无机碳浓度增加很大，但微生物代谢速度很低(Chapelle 1990)。其主要原因
7、是，含水层中可代谢的有机碳含量低。McMahon(1992)研究认为，Black Creek 含水层中有机碳含量只占沉积物干重的 0.11.0%。由于低速率的微生物代谢作用，系统中可用电子受体的量(O2Fe3+硫酸盐和 CO2)相对有机碳来说是丰富的。当地下水系统中可用有机碳的含量很高时，可用电子受体缺乏会限制微生物代谢作用。电子受体受限的含水层包括泥炭含水层(普遍在北半球)，石油储存地，和由人类活动引起化学污染的含水层。1979 年美国明尼苏达州管道爆裂泄漏大约 10 万加仑的原油到一个冰水沉积含水层。泄漏时，由于与大气快速交换，以及含水层天然有机碳含量低，地下水呈饱和溶解氧状态(约 10
8、mg/L)。随着可代谢碳4的突然流入，油积聚在水面，氧被迅速消耗，并形成三价铁还原条件。泄漏后 5 年，在油透镜体附近含水层中氢氧化铁被耗尽，甲烷生成成为一个重要作用。这个受原油泄漏污染的浅层含水层是电子受体受限含水层最好例证之一(Baedecker 1993)。由于原油泄漏电子供体过剩，在最接近污染源的 Bemidji 含水层，其水化学特征主要为甲烷生成环境，其次为硫酸盐还原，铁还原，和低溶解氧环境。该含水层与 Black Creek 含水层的情况完全相反，Black Creek 含水层甲烷生成的地方远离补给区。而 Bemidji 含水层的硫酸盐相对较少，硫酸盐还原不是主要的作用。这种氧化还
9、原作用的次序是电子受体受限的地下水系统的特征，常见于受石油烃污染的地下水系统。 3 微生物作用改变含水层水力性质 微生物作用除影响地下水化学组分以外，也影响地下水系统的物理性质。地质学家很早就知道在非孔隙岩中，次生孔隙能提高含水层的水力性质 ，还可以积聚石油。人们通过大量的同位素和质量平衡研究得出，有机物的去碳酸基和其它无机作用不能解释许多系统中的次生孔隙现象(Lundergard 1986)。由于大多数含水层系统中存在大量具有活性的不同微生物种群，微生物代谢作用引起人们的关注，大量研究表明微生物作用能引起硅酸盐和碳酸盐岩中次生孔隙产生(Bennett 1987，Chapelle 1988)。
10、地下水中硫酸盐在有脱硫细菌参与和有机质存在的条件下发生还原反应而产生 H2S(Na2SO4+2H2O+2C2NaHCO3+H2S)，这个反应有溶解硫酸盐的作用，反应产生的 H2S 溶于水中也具有溶解碳酸盐等矿物的能力(李义军 2002)。 微生物作用除显著改变了 Black Creek 含水层水化学组分外，也改变了这个含5水层的水力性质。沿水流路径的岩心资料显示了一个显著的岩性变化。在补给区，不存在次生晶粒间的方解石胶结物。在补给区和排泄区的中间区域，南卡罗莱纳州莱克市常见方解石胶结物。在排泄区附近，南卡罗莱纳州莱克市 Myrtle 海滩，50%的厚层含水层被晶粒间的方解石胶结。McMahon
11、 等研究了微生物作用引起Black Creek 含水层孔隙的填充现象。该研究表明，Black Creek 含水层的砂中含有机碳少，而相邻的狭窄的层中含有丰富的有机碳。隔水层有机碳的发酵使有机酸在隔水层孔隙水中积聚。有机酸扩散到 Black Creek 含水层，进而氧化为二氧化碳，引起大量的碳从隔水层迁移到含水层。二氧化碳同含水层物质反应产生碳酸盐和重碳酸盐。这个作用导致部分含水层次生孔隙产生。然而，当碳酸盐和重碳酸盐在溶液中积聚运移，地下水的方解石变得过饱和时，就会在含水层的其它部位沉淀下来。由于丰富的晶粒间的方解石胶结物填充了含水层系统的主要孔隙，Black Creek 含水层孔隙性减少，透
12、水性降低，以至不能满足当地用水需求。 有实验表明，二氧化碳和有机酸的产物能增加矿物的溶解，引起次生孔隙性和渗透性的发展。而碳酸盐铁和硫酸盐微生物产物能引起方解石或黄铁矿的沉淀，降低地下水系统的原生孔隙性和渗透性。也就是说，微生物既能破坏(Lundergard 1986)也能提高(Hiebert 199 McMahon 1995)含水层沉积物孔隙性。4 污染修复中的微生物作用 现代社会产生了大量的化学产品，许多有毒有害的物质被人类有意或无意地投放到地下水系统中，地下水受到严重污染，地下水质量日益恶化。近年来，生物降解技术以其可在污染现场进行修复可在难以处理的地方进行修复在生物修复时不影响场地内正
13、常生产对污染地的干扰或破坏小处理后的产物无二次污染降解过程快费用低等诸6多优点受到世界各国环境科学界的广泛关注，激发了人们对污染修复中微生物作用的研究兴趣。 对污染地下水进行原位生物修复时，好氧微生物通过将有机化合物氧化成二氧化碳而获取能量，其中氧为电子受体，当地下存在氧时，好氧微生物可将有机污染物氧化成二氧化碳，从而使污染地下水净化。厌氧微生物也能将有机化合物氧化成二氧化碳，但其作用过程中的电子受体不是氧，而是以硝酸盐硫酸盐或 Fe3+等氧化物作为电子受体。由于许多受污染的地下水环境中缺乏氧，好氧微生物在代谢过程中很快将氧耗尽，此时，好氧微生物将无法对污染物进一步降解。厌氧微生物不同的代谢能
14、力，在污染地下水修复方面显示了巨大的潜力。最新研究表明，厌氧微生物可有效降解地下水中烃类氯化溶剂硝酸盐以及铀铬锝钴硒有毒金属和准金属等污染物。 在 1973 年，人们首次发现了浅层地下水中的土著微生物对石油的降解能力，不久，生物降解被用于提高汽油污染的含水层的净化。自那以后，人们开始使用生物降解地下水系统中各种常见化学污染物，包括氯代化溶剂。 地下水中石油烃的污染主要来自汽油及其它石油产品的地下储罐的渗漏。其主要污染组分为苯甲苯乙苯和二甲苯。生物降解石油烃的实质是在微生物参于下的氧化还原反应。该反应中电子供体烃给出电子，好氧菌仅利用氧作为电子受体，而厌氧菌则可利用 NO-3Fe3+SO2-4
15、和 CO2 作为电子受体。美国密执按州使用原位生物修复技术，成功修复了由于地下储油罐漏油受到严重污染的包气带及含水层。其方法是：在污染区，首先注入未污染地下水 42 d，第 43 d 开始注入含 NO-3 的地下水，到第 112 d 基本清除了污染物。结果表明： 地下水中，苯从 0.76 mg/L 降至小于 0.001 mg/L ，甲苯从 4.5 mg/L 降至小于70.001 mg/L；包气带土壤中，苯从 0.84 mg/kg 降至 0.017 mg/kg ，甲苯从 33 mg/kg 降至 0.103 6 mg/kg(钟佐燊 2001)。 多环芳烃具有毒性，对人类健康造成的危害大，尤其是高分
16、子多环芳烃的致突变与致癌特性。多环芳烃生物降解研究日益受到了人们的重视。近年来人们对微生物降解多环芳烃的作用机理进行了广泛的研究，研究结果表明，对可降解多环芳烃的微生物有红球菌属( Rhodococ2cus) 假单胞菌属( Pseudomonas ) 分枝杆菌( My2cobacterium) 芽孢杆菌属( Bacill us ) 黄杆菌属( Flavobacterium) 气单胞菌属( Aeromonas ) 拜叶林克氏菌属( Beijernckia ) 棒状杆菌属( Corynebacterium) 蓝细菌( Cyanobacteria) 微球菌属( Micrococcus ) 诺卡氏菌属( Nocardia) 和弧菌属( V Ibrio)等(温洪宇 2005)。利用微生物去除地下水中的多环芳烃不会造成二次污染，费用低，易操作，是去除多环芳烃的最佳方法。 饮用水中过量的硝酸盐能够引起婴幼狼高铁血红蛋白血症，我国许多地区浅层地下水已普遍受到硝酸盐不同程度的污染。张胜(2005)对地下水硝酸盐污染的微生物修复技术进行了研究。通过两年多的室内和野外原位的大量试验研究，优
