浅层石油污染地下水原位生物强化修复过程中微生物系统的响应机理——以东北某石油污染场地为例

Biodegradation function is the key to determine success of in suit bioremediation of petroleum-contaminated groundwater. Currently contaminated area microorganism researches of in-situ bioremediation on petroleum-contaminated groundwater are mainly concentrated on the structure diversity of microbial community, the culturable microorganisms in laboratory and degradation effect of microorganism deduced by monitoring geochemical indicators, etc, but lacking of deeply understanding to microorganisms. The objective of this proposal is to explore the response mechanism of microbic system in the bioaugment remediation process of shallow petroleum-polluted groundwater with case study in a typical petroleum-contaminated groundwater site in northeast China. Comparison study of prior to and post bio-remediation will be conducted in order to investigate the composition, structure, existing forms of microbial system and the behavior characteristics of efficient degradation bacteria in the petroleum-polluted groundwater by depth-specific sampling，the modern molecular biotechnologies such as PCR-DGGE，MALDI-TOF MS, MALDI BioTyper, Three-Dimensional Fluorescent Spectroscopy, Trace Cell Tester etc and the traditional biotechnology methods.It is of significance to understand the response mechanism between microbial system and environmental constrains, the determination of dominant responsive microorganisms and environment factors and the division of responsive domains in the shallow petroleum-contaminated groundwater,which would be helpful to put forward efficient control measures to make enrichment and development on the response mechanism of microbic system in the bio-remediation process of petroleum-polluted groundwater.

生物降解功能是决定原位生物修复石油污染地下水成败的关键，目前关于石油污染地下水原位生物修复污染场地微生物的研究，主要集中在微生物群落结构多样性、可培养降解菌及水化学作用推测微生物降解作用等方面，缺少对微生物的深入了解。为此，本项目围绕探索浅层石油污染地下水原位生物强化修复中微生物系统响应机理为目标，选择东北某石油污染场地地下水为研究对象，分层采集环境样品，联合利用PCR-DGGE、MALDI-TOF MS、MALDI BioTyper、三维荧光光谱、痕量细胞仪等现代分子生物学技术，结合传统生物学技术对比研究原位生物强化修复前后石油污染地下水中微生物系统组成、结构、存在形式及有效降解菌变化特征；揭示微生物系统同各种环境要素之间的响应机理，确定主要响应微生物和环境要素，划分石油污染地下水中有效微生物响应功能区，提出有效微生物系统调控措施，丰富和发展石油污染地下水生物修复过程微生物系统作用机理。

原位微生物修复是解决石油污染地下水问题的重要途径。自然生物修复往往因为地下水环境低温、寡氧、寡营养等特点，使得土著微生物生长代谢缓慢，致使修复时间长、见效较慢。目前，关于石油污染地下水原位修复研究，主要集中在自然衰减过程中水环境物理化学指标的监测、评价、预测及采用投加电子受体/供体强化修复效果等方面，而关于结合石油污染场地地下水环境，深入开展污染物总量与水化学要素、微生物种群、代谢酶等的研究甚少，特别是在微污染情况下，采用可培养的土著降解菌原位投加强化修复的研究未见报道。本课题在综合分析已有研究成果基础上，对石油微污染地下水环境要素：总石油烃、pH值、Eh、EC、DO、Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、NO3-、HCO3-、Fe3+、Fe2+、过氧化氢酶（CAT）活性、过氧化物酶（HRP）活性、邻苯二酚1，2双加氧酶（C12O）活性、邻苯二酚2，3双加氧酶（C23O）活性、DNA总量、微生物种群等进行野外监测及分析，在此基础上，利用可培养土著石油烃降解菌，扩大培养后，采用单井和多井投加降解菌的模式，原位强化修复石油微污染地下水，揭示石油污染场地TPH与以上水环境要素和微生物之间的作用机制，并在基础上，提出原位微生物强化修复石油微污染地下水的调控及修复方法。主要研究进展和取得的研究成果：1、在已有研究工作基础上，进一步对污染场地进行了调查与分析，确定污染场地污染特征呈现石油微污染状态。场地内TPH含量总体上逐渐降低，场地污染源附近TPH含量较高，沿着地下水流向，污染物浓度逐渐降低，总体上含量略高0.05mg/L，处于微污染状态，下降趋势不明显。在此基础上，布设污染场地监测井群，进行样品的定期采集和后续分析。2、通过定期采样分析获得污染场地地下水中环境要素数据，确定功能酶的环境背景值，采用SPSS因子分析法，分析出自然衰减过程中水环境要素时空变化规律，确定了主要影响因子，并分析出了环境要素的时空上变化规律。3、采用实验室已有的可培养土著石油烃降解菌（苯、萘、烷烃类），发酵扩大培养后，采用单井或多井微生物强化修复投加模式，有效的修复了石油污染地下水，并分析出了相关环境要素变化和响应规律。4、总结课题以上研究成果，提出石油污染地下水原位微生物强化调控和修复方法，为石油类微污染地下水原位微生物控制和修复提供重要的科学依据。