三氯乙烯污染地下水矿物-微生物联合修复机制

Microbial degradation of pollutants can provide a safe and economic in-situ groundwater remediation technology. In this project, tourmaline, a mineral possessing a spontaneous electric polarization will be utilized to enhance the in situ bioremediation of chlorinated organic pollutant in groundwater. This material can provide electron donor, electric field stimulation and reducing environment favorable for biological dechlorination due to its special multiple environmental functional properties (form spontaneous electric field, produce hydrogen, decrease redox potential, change water structure and properties and so on). This study will provide a new way for the application of spontaneously generated hydrogen and spontaneous electric field of mineral in biological groundwater treatment processes. The enhanced dechlorinating rate, intermediate and end products of trichloroethylene by different kinds, sizes and amounts of tourmaline will be investigated. Using molecular biology techniques, we can identify the biological effects of tourmaline through analysis of microbial community structure, cells proliferation and gene expression. Then, we will explore the promotion mechanisms of tourmaline on dechlorinating bacteria activity and dechlorination function, reveal the correlation of biological effects and properties of tourmaline, and realize the control of strengthening function.

以自然系统中的微生物净化污染的地下水生态系统可提供最为安全和经济的原位修复方式。本项目利用天然矿物材料电气石自发电极性产生的特殊多重环境功能属性：形成自发电场、电解产氢、降低氧化还原电位、活化水等同时为生物还原脱氯提供电子供体、电场刺激和还原环境等强化途径，研究其协同脱氯菌（Dehalococcoides spp.）降解地下水中典型氯代有机污染物三氯乙烯（TCE）的性能和机理，建立电气石自发供氢协同自发场助增强的新型生物修复技术。探讨不同种类、粒径和用量的电气石强化修复效果，TCE的生物转化规律及中间、最终降解产物，从群落结构、细胞增殖和基因表达的角度研究电气石对脱氯菌群的生物效应，阐明其提高生物活性、强化脱氯功能的机制，揭示生物效应与电气石特性之间的规律关系，实现强化功能的有效调控。

本项目以Dehalococcoides spp.为主体的脱氯混合菌群为研究对象，将自然系统的重要组成部分矿物作为环境微生物强化介质材料，利用电气石的天然电场及其附加环境功能，实现三氯乙烯（TCE）污染生物修复过程的自发供氢和功能增强。运用分子生物学技术手段从群落结构、细胞增殖和解码基因的角度研究电气石对脱氯菌群产生的生物效应，阐明其提高生物活性、强化脱氯功能的机制。得到的主要研究结果如下：.1、铁、镁、锂三种电气石都可以增大水体的电导率，降低氧化还原电位，并使水体pH值趋向于中性，其中铁电气石的影响最显著。电气石的上述特性可能为脱氯菌提供良好的生存环境，以促进其生长繁殖和新陈代谢。.2、脱卤拟球菌群对TCE的降解是一个逐步还原脱氯的过程，能将TCE完全转化为无毒产物乙烯，从氯乙烯（VC）向乙烯的转化是其速度限制步骤，氢气是其最终电子供体，对TCE的降解速率和程度具有重要影响。.3、铁电气石对TCE的生物降解表现出明显的强化促进作用，但不会对降解路径产生影响。其电解产生的氢气能够为脱氯菌提供电子供体。5 g·L-1的铁电气石能将TCE（20 mg/L）和其降解产生的中间产物二氯乙烯（DCE）完全去除的时间分别缩短30% 和80%，显著加快限速步骤，在444 h以内将VC完全转化。多次使用后电气石仍然可以促进脱氯菌对cis-DCE的去除。电气石改变水体性能的间接作用仅能对TCE生物降解的第一步产生促进作用，而静电场的直接作用能加快TCE降解的各个步骤。电气石对生物的电性强化作用源于其特殊的晶体结构。 .4、电气石对脱氯菌群的物种多样性没有显著影响，对菌群中的大多数菌种，尤其是功能菌产乙烯脱卤拟球菌的细胞增殖能产生促进作用，这种促进作用随电气石浓度的增加而增强，但浓度增加的过高（达到10 g·L-1）后对某些菌种的促进作用降低。电气石影响了编码TCE还原脱氯过程中最重要的两个还原脱卤素酶的tceA基因和vcrA基因表达水平，从而增强了产乙烯脱卤拟球菌对TCE及中间产物的降解能力。.本项目采用的强化介质材料可持续、稳定、安全的提供微生物共代谢基质，同时创建理想的脱氯环境，提高生物活性，但其本身并不消耗，经济优势显著。这种新型的生物强化方式很可能极大的促进地下水原位修复技术的发展，对于突破传统资源利用方式的局限具有重要的意义。