地下水中高氯酸盐的化学还原强化生物修复机理研究

Perchlorate, which is a toxic inorganic complex anion with low molecular weight, is a widespread contaminant in surface waters and groundwater of many countries. It becomes the more recalcitrant environmental contamination problems because it is known to impact thyroid function by replacing iodine intake due to its molecular size similar with iodine. Perchlorate in groundwater is resistant to biotransformation under aerobic conditions for lacking proper carbon sources. Thus, we will study the removal of perchlorate in groundwater combining chemical reduction with biogradation process to stimulate aborigines by supplying different inorganic electron donors under autotrophic conditions without carbon sources supplement. This project mainly focuses on the three aspects: (1) the enhanced perchlorate bioremediation processes by adding different electron donors such as granular iron, sulfur, hydrogen gas and nano-iron, especially that of nano-iron, to address the biodegradation mechanism of nano-iron bielectron-donor system and its toxic effects on aborigines, (2) the key factors affecting perchlorate-reducing bacteria biostimulation, especially environmental conditions (e.g. pH, temperature) and other hydrochemical parameters, to insight the mechanism of chemical reduction and enhanced bioremediation of perchlorate in groundwater, (3) the illustration of the microbic ecological characteristics and functional enzyme characteristics under different reduction conditions, to understand perchlorate biotransformation in molecular ecology and enzymology fields.

高氯酸盐是一种小分子量、有毒的无机络阴离子，研究表明环境中普遍存在着高氯酸盐，由于其分子大小与碘离子相似而干扰人体甲状腺的正常功能，因此其环境污染问题引起了广泛的关注。地下水中的高氯酸盐由于缺乏合适的碳源而很难衰减，本研究将以地下水中的高氯酸盐为研究对象，在不添加任何碳源的自养条件下，利用添加各种无机供体强化土著微生物的手段，把化学还原和生物去除联合应用。主要研究高氯酸盐在粒状铁、单质硫、氢气、纳米铁作为电子供体条件下的生物修复机理，尤其是纳米铁双电子供体系统的作用机理和纳米铁的微生物毒性作用，探索高氯酸盐还原菌强化的关键因素，特别是环境因素（pH、温度）和水化学参数对反应系统的影响，获得地下水中高氯酸盐化学还原和强化生物修复的机制，探索各种还原条件下微生物去除高氯酸盐的微生物生态特征和功能酶的特征，从分子生态学和酶学的角度去理解地下水中高氯酸盐的生物去除。

高氯酸盐是一种小分子量、有毒的无机络阴离子，由于其在环境中存在的广泛性和毒性而备受关注。高氯酸盐的去除是一个还原过程，本研究针对不同的电子供体和影响因素进行去除实验研究。结果表明，有机碳源、氢气、粒状铁和单质硫均可以作为电子供体去除地下水中的高氯酸盐，其去除过程为生物去除过程；溶解氧(DO:dissolved oxygen)相对于高氯酸盐而言是一个较强的电子受体，微生物会优先利用DO；硝酸根离子与高氯酸根离子共存时，硝酸根浓度越高，高氯酸根的降解速率逐渐降低，无论电子供体是有机还是无机的，只有当硝酸根浓度小于2mg/L时，高氯酸根才开始有比较明显的降解；通过构建实时定量PCR分析体系：pcrA基因（编码高氯酸盐还原酶）代表高氯酸盐降解菌, cld基因（编码亚氯酸盐歧化酶）代表亚氯酸盐还原菌，16S rRNA基因代表反应体系内总的细菌，nirS基因（编码亚硝酸盐还原酶）代表参与脱氮作用的反硝化细菌，用以上四个基因联合表征不同的电子供体存在及不同反应时间内降解体系中降解菌的丰度。研究发现降解体系中pcrA基因是制约高氯酸盐开始降解的关键因素，pcrA基因的拷贝数增加到一定丰度时，即启动高氯酸盐的降解过程，cld基因的丰度决定了后期转化速率的快慢；由于高氯酸盐的选择压力，在高氯酸盐的生物修复过程在添加了额外电子供体后，反应体系内菌种多样性显著降低，Azospira成为丰度最高的优势菌种，Azospira降解菌的存在及丰度对于高氯酸盐的降解具有决定性作用，可作为高氯酸盐降解可能性的依据之一。