石油烃污染地下水修复生物反应墙中微生物群落结构演替与环境因子间的响应机制

The object of this study is the microbial community which plays a key role in in-situ bioremediation processes. The technologies of PCR-DGGE, BIOLOG, and FDA-MPN will be applied to address the spatial and temporal evolution of microbial community during the bioremediation of petroleum polluted groundwater by bio-wall technology through the point of view of microbial 16S rDNA, metabolism diversity, the magnitude of functional microbial, and the degradation activity. Meanwhile, the response mechanisms will be studied between the evolution of microbial community and environmental factors, such as pollutant concentration, electron acceptors, and nutrient supply. Finally, maintain strategies will be proposed for the effective operation of bio-wall. The research achievement will provide theoretical basis and methods for the effective operation of domestic field demonstration project. Moreover, there are significant practical meanings and wide application for in-situ bioremediation of shallow groundwater polluted by petroleum in oilfield and petroleum and chemical region.

本项目以原位生物修复主体- - "微生物群落"为研究对象，利用PCR-DGGE、Biolog、FDA-MPN技术，从微生物16S rDNA 基因、代谢功能多样性、功能微生物数量及降解活性等角度，研究生物反应墙修复石油烃污染地下水过程中微生物群落结构的时间与空间演替规律，以及微生物群落结构演替与污染物浓度、电子受体及营养源供给等环境因子之间的响应机制，最终提出生物反应墙有效运行的微生物学调控策略。研究成果可为国内示范场地工程有效运行提供理论依据及方法，对于国内油田及石油化工地区浅层地下水石油烃污染的原位生物修复具有重要实际意义和广泛应用前景。

功能菌群是决定原位生物修复反应墙成功运行的关键因素，国内外对于原位生物反应墙修复过程中微生物群落结构演替规律研究甚少，特别是功能菌群结构与环境因子间影响机制尚不清晰。本项目利用微生物宏基因组高通量分类测序技术，采用物种分类和多样性分析手段，研究了泥炭生物反应墙修复过程中微生物群落结构演替规律及与污染物浓度、电子受体（氧）、营养源（N、P）等环境因子间的响应机制。研究表明：反应墙内不同空间微生物群落结构变化显著；与污染源距离越近，反应墙内微生物群落种群数量、丰富度越高，多样性越低，功能菌群和优势功能菌属丰度越高，功能菌群数量越多。反应墙内微生物群落结构随着运行时间变化显著；反应墙内功能菌群与非功能菌群共存，随着运行时间的延长，微生物群落物种数量、丰富度、多样性显著增大，功能菌群丰度、数量逐渐降低，非功能菌群丰度逐渐增大，两者相互演替最终达到平衡。污染物浓度显著影响反应墙内微生物群落结构、多样性和功能菌群数量；污染物高浓度下的响应表现为：生物反应墙内微生物群落物种数量、丰富度增大，多样性降低，非功能菌群丰度降低，功能菌群丰度显著增大，并占主导优势，功能菌群数量增大。电子受体（氧）供给浓度对反应墙内微生物群落结构、多样性具有一定影响，显著影响功能菌群数量；电子受体高浓度下的响应表现为：生物反应墙前端的微生物群落的物种数量、丰富度增大，功能菌群丰度增大，功能菌群数量显著增大。外加营养源（N、P）对反应墙内微生物群落结构、多样性和功能菌群数量影响较小；反应墙填充介质草本泥炭含有的N、P营养元素，在修复过程中可以持续对功能微生物提供营养物质。项目首次从微生物宏基因角度剖析了微生物群落结构的演替规律及与环境因子间的响应机制，项目研究成果对于生物反应墙修复科学研究、实际场地工程运行具有重要指导意义。