铵进入石油污染包气带氮素形态的转化机制研究

The bioremediation of vadose zone contaminated by oil has become one of the research focus all over the world. The nutrition elements, such as nitrogen and phosphorus, are essential additives in the process of remediation. Ammonium, as the main nitrogen source for microbial metabolism, whose transformation in the polluted vadose zone is related to the degradation efficiency of petroleum hydrocarbons by microorganisms. What’s more, the improper addition of ammonium will bring collateral contamination to the groundwater. Because of the complexity of oil polluted vadose zone and the diversity of microorganisms that participated in, there are few research on the nitrogen conversion mechanism after ammonium seeping into the oil polluted vadose zone. During the study, the vadose zone of a petroleum contaminated sites in Zhongyuan oilfield will be chosen as the research object, quantitative PCR technology, high-throughput sequencing-macro genome technology and other molecular biology means will be used to study the microbial community structure, nitrogen transformation, hydrocarbon degradation and other related functional genes both in the upper aerobic soil and lower anaerobic environment soil. Combined with isotope tracer technique and the DNA-based stable isotope probing technology, the nitrogen transformation will be caught and the coupled analysis of microbial species composition and its physiological function will be done. The column simulation experiment will be done on the last for the comprehensive research, the microbial population structure and function vertical changes and their relationships will be analyzed. From this study, we looking forward to reveal the biogeochemistry mechanism of the nitrogen in oil polluted vadose zone, which will provide theoretical guidance for oil remediation.

石油污染包气带的生物修复是国内外研究热点，氮磷等营养元素是修复过程中的必要添加物。铵作为微生物的主要氮源，其在石油污染包气带中的迁移转化直接关系到修复微生物对石油烃的降解效率，并且铵的不当添加会造成地下水的二次污染。由于石油污染包气带的复杂性及参与微生物的多样性，人们对铵进入石油污染包气带氮素形态的转化机制研究甚少。本项目以中原油田某石油污染场地包气带为研究对象，采用定量PCR技术、高通量宏基因组测序技术等分子生物学手段，分别对包气带上层好氧土壤环境和下层厌氧土壤环境的微生物群落结构、氮转化与烃降解等相关功能基因进行研究，结合稳定同位素技术及同位素核酸探针技术，对氮素转化进行示踪，并对微生物物群落组成及其生理功能进行耦合分析；最后进行柱模拟实验综合研究，分析微生物种群结构和功能在垂向上的变化及其关系，以期能够揭示氮素在石油污染包气带中的转化机理，为环保高效修复方案的制定提供理论基础。

石油污染包气带的生物修复是国内外研究热点，氮磷等营养元素是修复过程中的必要添加物。铵作为微生物的主要氮源，其在石油污染包气带中的迁移转化直接关系到修复微生物对石油烃的降解效率，并且铵的不当添加会造成地下水的二次污染。由于石油污染包气带的复杂性及参与微生物的多样性，人们对铵进入石油污染包气带氮素形态的转化机制研究甚少。本项目以中原油田某石油污染场地包气带为研究对象，采用定量PCR技术、高通量宏基因组测序技术等分子生物学手段，对包气带上层好氧土壤环境，进行野外场地和室内添加铵的修复实验，对下层厌氧土壤环境也进行类似的室内模拟实验。在实验过程中，对微生物群落结构、氮转化与烃降解等相关功能基因进行了分析研究，结合稳定同位素技术对氮素转化进行示踪，对微生物物群落组成及其生理功能进行了耦合分析。结果显示，无论在好氧还是厌氧环境中，铵的添加都会刺激石油烃降解微生物的生长。不仅如此，铵的添加也促进了氮循环相关微生物的生长。而某些参与氮循环的微生物也参加了石油烃的降解。因此，氮循环和石油烃降解是一个相互促进的过程。在好氧环境中，石油降解基因中的烷烃单加氧酶基因AlkB和烷烃降解菌属Alkanindiges，对铵的添加异常敏感。在厌氧环境中，菌属Alkanindiges对铵仍有响应，但响应程度较小，而厌氧消解功能微生物（anaerobic digester metagenome）随着铵变化发生较为明显的变化。在厌氧环境中，铵和硝酸盐能够作为氮源而能被微生物同化利用，在反应的初期（20天内），铵和硝酸盐浓度减半，而并无观察到明显的反硝化作用（产生氮气和氧化亚氮）。该现象明显不同于未污染土壤，其机理有待进一步研究。最后在石油污染场地，不同位置和污染程度下的包气带进行调查，分析了微生物种群结构和功能在垂向上的变化及其关系，发现在场地的污染土壤中有大量的石油降解菌，氮素是场地石油降解的限制性因素。综合以上研究，初步揭示氮素在石油污染包气带中的转化机理，为环保高效修复方案的制定提供理论基础。