功能微生物作用下重金属-多环芳烃复合污染物在地下水中的共迁移机制

In-situ bioremediation of groundwater contamination is economically efficient and environmentally friendly, and has wide application prospects. Knowledge on the contaminants transport under the action of microorganisms is vital for successful application of this treatment. Considering the current research status of bioremediation of combined pollution of heavy metals (HMs) and PAHs in groundwater in China, combined with laboratory experiments and numerical simulation, the main purpose of this project is to systematically study the cotransport mechanisms of HMs-PAHs under the action of functional microorganisms (FMs) in groundwater, clarify the mechanisms of physical-chemical-biological interaction among HMs/PAHs/FMs using multiple technologies like Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), Transmission electron microscope (TEM) and radioactive trace technique. Numerical models are further established to realize the dynamic numerical simulation and prediction of the whole cotransport of HMs-PAHs. This research results will provide scientific basis for the scientific formulation of in-situ bioremediation of groundwater contamination and the environmental risk assessment after application.

经济高效、环境友好的污染地下水原位微生物修复技术具有广阔的应用前景。弄清楚功能微生物作用下污染物在地下水中的动态分布对该项技术的成功实施至关重要。针对当前我国地下水中重金属-多环芳烃（PAHs）复合污染的研究和防治现状，本项目选取地下水中典型重金属和PAHs为目标污染物，综合利用透射电镜、红外光谱分析和稳定同位素示踪等多种现代仪器分析表征手段，物理模拟实验和数值模拟研究相结合，系统研究功能微生物作用下重金属-PAHs复合污染物在地下水中的共迁移过程，揭示重金属、PAHs和功能微生物之间的物理-化学-生物学作用机理，构建基于机理和过程的数值模型，实现对功能微生物作用下重金属-PAHs复合污染物在地下水中共迁移全过程的动态模拟预测，研究结果可为污染地下水原位生物修复措施的科学制定和施用后的环境风险评估提供理论依据。

经济高效、环境友好的污染地下水原位微生物修复技术具有广阔的应用前景。弄清楚功能微生物作用下污染物在地下水中的动态分布对该项技术的成功实施至关重要。项目选取地下水中典型重金属和多环芳烃（PAHs）为目标污染物，物理模拟实验和数值模拟研究相结合，系统研究了功能微生物作用下重金属和PAHs污染物在地下水环境中的共迁移行为。研究成果如下：1）发现降解菌产生的生物表面活性物质是促进降解的重要原因，腐植酸的存在有效提高了降解菌效率和降解菌群的多样性，揭示了微生物群落结构和功能基因组动态变化与有机污染物生物降解过程的响应关系。降解菌同时具有良好重金属耐受性，存在多种重金属吸附机制；2）阐明了功能微生物作用下重金属和多环芳烃污染物在地下水中的共迁移机制，发现其受介质物理因素、地下水流速和水化学因素以及生物因素的协同控制。移动性相对较强的功能微生物通过疏水作用、静电作用和离子交换等作用，促进低浓度重金属和多环芳烃以微生物结合态的形式在地下水中运移，而对较高浓度重金属的迁移则表现出显著抑制效应。功能微生物还能够使得原先滞留在介质中的重金属主要以微生物结合态的形式再次迁移，增加地下水环境风险。功能微生物作用下，溶解性有机质（DOM）的存在促进了重金属和多环芳烃的运移；3）揭示了堵塞、阻塞、静电作用和离子架桥等控制微生物在多孔介质中运移的主要作用机制；借助原子力显微镜超微结构成像技术，直接证实了纳米级介质表面粗糙度可导致微生物在不利沉积条件下仍能产生显著滞留。功能微生物-固相介质-污染物之间的吸附作用、竞争吸附、静电作用、疏水作用、离子架桥、介质表面粗糙度和化学非均质性等是影响重金属和多环芳烃污染物在地下水中迁移行为的主要机制。上述研究成果可为预测功能微生物作用下重金属和多环芳烃在地下水中的运移行为提供理论支撑，为污染地下水原位生物修复技术的应用及施用后环境风险的评估提供科学依据。