运城盆地浅层高氟地下咸水系统中氟的环境生物地球化学研究

Drinking of high fluoride groundwater causes serious endemic fluorosis world wildely. Many studies have been done on high fluoride groundwater, but few on that with indigenous microorganisms. In this proposal, Yuncheng Basin is choosen as the study area. The study focus on the hydrogeochemistry of shallow high fluoride saline groundwater, high fluoride with low TDS and low fluoride groundwater, and the microbial diversity of indigenous microorganisms, and the effect of microbial activities on fluorine transform and enrichment. The study will further our understanding of microbial activities on high fluoride groundwater, and the remediation of high fluoride saline groundwater.

饮用高氟地下水引发的地方性氟中毒是世界性的环境地质问题。尽管高氟地下水的研究已经取得了大量的成果，但针对高氟地下咸水系统中氟与环境微生物作用的环境生物地球化学研究仍极其匮乏，有些尚是空白。本项目拟以运城盆地为研究区，在系统对比研究浅层高氟咸水、高氟淡水和低氟水环境地球化学特征及土著微生物多样性的基础上，研究土著微生物与氟的相互作用，揭示土著微生物参与地下水系统中氟转化-富集的作用形式和机理。研究成果对认识微生物活动参与下的高氟地下咸水形成机理具有重要的科学意义，对进一步利用微生物技术改良和修复高氟地下咸水具有重要的实际应用价值。

本项目以运城盆地为研究区，以高氟地下水系统及原生微生物群落为研究对象，开展了微生物参与下的高氟地下水水文地球化学过程研究工作，取得了一系列原创性研究成果。（1）系统地开展了运城盆地高氟地下水赋存规律研究，以运城盆地为例，提出了我国北方高氟地下水形成机制及主要成因模式。即，1）热液型高氟水；2） 水动力-离子交换型高氟水；3）溶滤-蒸发浓缩型高氟水；4）咸水侵蚀型高氟水；5）人类活动输入型高氟水。（2）对比研究了浅层高氟咸水、高氟淡水和低氟水，提出运城盆地高氟地下咸水的形成主要受控于蒸发作用、盐效应、蒸发盐和白云岩的溶解作用，论证了水文地质-水文地球化学过程是控制区域高氟地下水形成的关键因素。人类活动是原生高氟水之外，新的地下水氟污染源，且在高氟咸水区具有显著的人类活动氟污染效应。（3）通过对研究区高氟地下水和沉积物中微生物群落结构及多样性特征分析研究，发现高氟地下水系统中的微生物群落多样性程度好，TOC、氟浓度和pH值是影响微生物群的关键环境因子，并且氟浓度升高对地下水中微生物群落和其多样性具有抑制性。（4）采用微宇宙培养试验、沉积物地球化学分析和地球化学模拟手段，发现微生物积极地参与了沉积物中氟的释出过程，进一步的研究表明，微生物作用下沉积物中氟释出的机制为：在微生物与矿物接触的局部微环境中，微生物产酸形成了较低的pH值环境，引发了沉积物矿物中氟的溶解性释出。（5）对不同类型沉积物的对比培养实验研究揭示了，微生物参与下沉积物中氟的释出作用主要发生于碳酸岩（以固溶体形式存在的共生氟）以及Al-Mn氢氧化物（结合态氟）。不同岩性沉积物释放氟的特征也不同，粘土类沉积物的氟释放量较大，亚沙土次之，粉砂和细砂的氟释放量最小。综上所述，课题系统地开展了运城盆地高氟地下水的富集成因机制研究，发现和探索了微生物参与地下水氟富集的作用机制，研究成果对深刻理解地下水-沉积物系统中氟的环境生物-地球化学循环，制定科学的高氟地下水防治策略具有重要的科学意义。