饱和多孔介质中表面活性剂影响疏水性有机物生物可利用性的行为机制研究

In this project the effect of surfactants on aggregation, distribution and biodegradation of some typical hydrophobic organic compounds (HOCs) in saturated porous media will be studied, with the objective to clarify the mechanism how surfactants change the availability of HOCs in subsurface. The contents of the project are as follows: ① Co-aggregation behavior of low-concentration surfactants and HOCs in simulated groundwater solution and the bioavailability of the surfactant-solubilized HOCs. The sub-contents include self-aggregation of the surfactants, co-aggregation of the surfactants and the HOCs, and microbial uptake of the HOCs in the co-aggregates. ② Effect of surfactants on distribution of HOCs in the tri-phase system of saturated aquifer porous media with HOC non-aqueous phase liquids and the consequent bioavailability of the HOCs. The sub-contents include adsorption and partition behavior of the surfactants in the porous media and its effect on aggregation and distribution of the organic phase, as well as transport, distribution, growth and contaminant-transformation behavior of the degrading bacteria in the porous media subjected to the effect of the surfactants. ③ Distribution and bioavailability of HOCs in simulated saturated aquifer undergoing the injection of surfactants (amplified lab-scale experiment). The sub-contents include the effect of surfactants on distribution of the HOCs in the 3-Dimension flow field in a saturated aquifer flow cell, and the related bacterial growth and HOCs degradation behaviors. This project research is expected to substantiate the theoretical backgrounds for application of surfactants in bioremediation of HOCs-contaminated aquifers.

本项目将研究几类表面活性剂作用下饱和多孔介质中一些典型疏水性有机物的聚集、分布以及生物降解行为，以求系统阐明表面活性剂影响有机物生物可利用性的作用机制。主要内容包括：① 模拟地下水溶液中低浓度表面活性剂与疏水性有机物的共聚集行为及增溶污染物的生物可利用性。包括低浓度表面活性剂的自聚集行为、与有机物的共聚集行为及增溶有机物的摄取。② 饱和含水层多孔介质三相体系中表面活性剂对有机物的分布及其生物可利用性的影响。包括表面活性剂在介质中的分配及其对有机相聚集与分布行为的影响；表面活性剂作用下降解菌在介质中的传输、分布、生长和有机物的降解过程。③ 表面活性剂作用下模拟饱和含水层中有机物的分布及其生物可利用性（放大实验）。包括表面活性剂对模拟饱和含水层三维流场中有机物分布的影响及其对应的降解菌生长与有机物降解行为。该研究有望为表面活性剂应用于有机污染含水层的生物修复实践提供理论依据。

表面活性剂作为一种提高地下水污染物去除效率的助剂在有机污染地下水修复中已得到了广泛应用，但它影响疏水性有机污染物生物降解的作用机理没有完全阐明。在此背景下，本项目开展了饱和多孔介质中表面活性剂影响疏水性有机物生物可利用性的行为机制研究，完成的主要研究内容包括：（1）表面活性剂的自聚集行为、对疏水性有机物的增溶特性及机制、以及对多孔介质中疏水性有机物的增溶行为；（2）低浓度鼠李糖脂改变菌体表面疏水性的作用及其机理、对菌体在不同性质表面吸附的影响以及对菌体在不同多孔介质中迁移的影响；（3）表面活性剂增溶作用下的烷烃的生物可利用性及其规律、多孔介质中表面活性剂改变疏水性有机物生物可利用性行为特征。本项目的研究成果表明鼠李糖脂在低于临界胶束浓度下也有聚集体的形成，而且其受到溶液pH和表面活性剂浓度的影响。鼠李糖脂、SDBS、Triton-X 100三种表面活性剂在浓度低于CMC时可以对烷烃产生增溶，而且增溶效率要高于在高浓度下的增溶效率，在增溶方式为与烷烃形成粒径随浓度变化的球形聚集体。一维和二维流场实验结果表明，在浓度低于CMC时，鼠李糖脂、SDBS、Triton X-100对于玻璃珠和石英砂多孔介质中的十二烷均有增溶作用，而鼠李糖脂对十二烷的增溶效果要明显优于其他两种化学表面活性剂和乙醇。低浓度鼠李糖脂对铜绿假单胞菌在多孔介质（玻璃珠、石英砂和砂质土壤）中迁移的影响研究表明，鼠李糖脂可以通过降低菌体表面疏水性，从而减小沉积速率系数而增强菌体的传输。对SDBS、Triton X-100、鼠李糖脂等表面活性剂增溶作用下正十六烷的生物降解过程的研究结果表明，对于完全增溶态的正十六烷，由于聚集体表面表面活性剂层的阻隔作用，增溶聚集体内部的正十六烷相对于非增溶态的正十六烷生物可利用性是降低的。若表面活性剂本身能够被菌体所降解或者表面活性剂是由该菌种产生（具有相容性），则这种阻隔作用可以被缓解或转为促进作用。这些研究提供的知识或信息对于表面活性剂应用于含水层NAPL污染源修复具有重要的意义。