基于CSIA和PCR两种新型环境分子诊断技术评价TCE污染地下水的生物降解效能

The chlorinated alkenes are one of the most common organic pollutants detected in contaminated groundwater. Monitored natural attenuation (MNA), as well as enhanced natural attenuation (ENA) obtain much attention among numerous of remediation techniques and are widely used in remediation of contaminated sites due to their low-cost. However, microbiological degradation is the only known natural attenuation pathway which pollutants can be transformed and breaked up. Therefore, evaluating the microbial degradation efficiency in this process is crucial. In this project, TCE was selected as the target pollutant to evaluate the in situ microbial degradation efficiency of the TCE contaminated groundwater by combining two new environmental molecular diagnostic techniques, CSIA and PCR. Changes of stable carbon and chlorine isotope ratio, microbial community structure and variation, functional microbial, copy numbers of functional gene and activity of functional microbial will be analyzed in the processes of degradation of TCE and its metabolic intermediates. The relationships between the different hydrogeological condition , environment condition, exogenous activating factor and microbial action will be revealed. New dynamics model of substrate consuming also will be established to forecast the biodegradation law of the TCE contaminated site. Correlative achievements acquired above can be a potential theory and method basis for the evaluation and management of bioremediation of TCE contaminated site.

氯代烯烃类污染物是污染地下水中检出率最高的污染物之一。在众多修复技术中，自然衰减及强化自然衰减技术以其经济费用低的独特优势被应用于不同污染场地的修复中。在自然衰减的各种作用中，只有微生物降解作用可将污染物彻底转化和去除。因此对该过程中微生物降解效能的评价是至关重要的。本项目以三氯乙烯（TCE）为研究对象，结合化合物特殊稳定同位素分析（CSIA）和聚合酶链式反应(PCR)这两种新型环境分子诊断技术，对TCE污染地下水生物降解效能进行评价。探讨在不同条件下，三氯乙烯及其代谢产物在降解过程中，碳、氯稳定同位素比变化规律，微生物群落结构演变规律，功能微生物密度、功能基因拷贝数、功能微生物活性变化规律。从而揭示不同水文地质条件、环境条件、外源激活因子与微生物作用之间的耦合关系。通过新型基质消耗动力学模型的建立，预测TCE污染场地生物降解规律。为TCE污染场地生物修复评价、过程管理提供理论和方法依据。

三氯乙烯是污染地下水的生物厌氧还原脱氯修复是众多技术中成本较低且对环境友好的修复技术。本项目以一组驯化培养的能将TCE完全脱氯降解为ETH的混菌为研究对象，在分析其降解特性及分子生物学特性的此基础上，进一步研究了其在不利环境胁迫条件下的适应性，并运用碳-特定化合物同位素比值分析技术研究了该混菌在降解含氯乙烯过程中的13C稳定同位素分馏规律，最后通过室内模拟研究了生物激活以及生物强化方式原位修复TCE污染地下水的效果。.该菌降解特性及分子生物学特性进行研究后发现，该菌能利用甲醇、乳酸钠，氢气（+乳酸盐）等不同的基质作为电子供体将TCE还原脱氯为对环境无害的终产物ETH。此外，该菌能降解所有类型的含氯乙烯。.为分析非脱氯菌可能起到的作用以及与功能菌的关系，我们进一步对该混菌在不利环境胁迫条件下的适应性进行了研究。结果表明，混菌在培养基中钴胺素缺乏的条件下仍然能够彻底还原TCE至ETH。氧气的加入使混菌降解TCE速率受到抑制，但随着氧气的消耗，脱氯反应被重新启动且最终转化产物中有ETH的生成；可逆性实验表明暴露氧气的混菌重新正常培养可以恢复到与正常条件相似的水平。混菌中的脱氯菌负责转化TCE至终产物ETH，而其他共存的非脱氯菌虽然未参与直接还原脱氯，但对维持体系的相对稳定扮演着重要的作用，因此在复杂不利胁迫环境下，混菌相比于单菌具有更强的稳定性和适应性。.通过对该混菌的13C稳定同位素分馏规律进行研究发现：混菌在降解TCE及cis-1,2-DCE过程中均产生碳稳定同位素分馏效应。标准培养条件下混菌对TCE及cis-1,2-DCE的碳同位素富集因子分别为-7.24±0.59‰和-14.60 ±1.71‰。培养条件、群落组成等因素的改变不会造成该混菌碳同位素富集因子的变化，表明该混菌的碳同位素富集因子具有一定的特异性及稳定性。.最后通过室内模拟研究了生物激活以及生物强化方式原位修复TCE污染地下水的效果。结果表明，33周的模拟修复中，生物激活对TCE的还原脱氯起到的效果不显著。生物强化方式从第19周开始在水流下游监测井中检测到脱氯产物cis-1,2-DCE，VC和ETH。.