摘要
苯胺是工业生产中重要的化工原料，具有致癌、致畸、致突变的“三致”作用，对地下水造成严重污染。原位微生物降解是最具发展前景的地下水中有机污染物修复技术，具有效果好、能耗低、环境友好等特点。但地下含水层介质往往呈现不同渗透性地层交错分布的非均质特性，影响着功能微生物的迁移与分布，因而影响地下水污染的修复效果。目前，对于非均质地层及其界面对降解菌迁移的作用机制、地下环境条件对微生物迁移的影响、以及共存污染物对降解菌迁移的影响等，尚缺乏深入、系统的研究，缺乏对功能微生物在含水层迁移机制的认识。因此，研究非均质含水层中苯胺降解菌的迁移机制及原位生物修复效果，对于地下水苯胺污染原位生物修复技术的改进具有重要意义，苯胺降解菌在非均质含水层中的迁移机制研究，对于其它类似降解菌也具有普遍意义。 本文选择苯胺降解菌 Pseudomonas migulae AN-1（自然界中广泛存在的假单胞菌）作为目标微生物，系统研究其在不同环境因素影响下的迁移机制。首先研究AN-1在含水层迁移过程中对苯胺的趋化能力；研究不同粒径介质对AN-1的吸附/解吸特性；分析苯胺共存时，不同环境因素对AN-1迁移的影响范围及作用机理；研究 AN-1 在含低渗透透镜体的非均质含水层中的迁移机制及影响因素，利用绿色荧光蛋白标记结合光透射技术，实时监测AN-1的分布，直观展现AN-1迁移过程；最后评估AN-1原位生物修复苯胺污染非均质含水层的修复效果。主要研究成果如下： 1. AN-1 在含水层迁移过程中对苯胺的趋化能力 （1）AN-1能有效降解苯胺并对苯胺有趋化性。AN-1对苯胺的趋化性与苯胺浓度相关，在低苯胺浓度（≤100 mg/L）条件下，AN-1 对苯胺呈正趋化，主动向苯胺迁移；当苯胺浓度大于 250 mg/L 时，AN-1 向苯胺迁移的速度降低。 （2）AN-1 对苯胺的趋化性受温度和 pH 的影响。6℃条件下，AN-1 的趋化性受到抑制；当温度升高，AN-1由趋化性引起的迁移速度加快。AN-1对苯胺的趋化性具有一定的pH（6-8区间）耐受性，pH分别为5和9时，AN-1的趋化性受到抑制。 2. AN-1 在不同介质中的迁移能力及影响因素 （1）AN-1在不同介质颗粒上的解吸存在滞后现象。AN-1在不同粒径介质上的吸附/解吸过程可用线性方程进行描述，滞后系数（HI）均大于0，并随介质粒径减小而增大，在吸附过程中存在不可逆吸附。 （2）苯胺共存时降低了AN-1的迁移能力。苯胺共存时，AN-1迁移速度减小，穿透率降低，滞留量和沉积速率系数（kd）增加，引起AN-1迁移行为变化的是AN-1对接近介质表面苯胺的趋化性；苯胺的影响程度随地下水流速减小而增加。 3. AN-1 在含低渗透透镜体的非均质含水层的迁移机制 （1）当含水层中存在低渗透透镜体时，降解菌出现绕流，部分降解菌聚集在低渗透透镜体表面。水流速度增大，流体剪切力增强，促进降解菌的绕流，降低了降解菌在低渗透透镜体表面的聚集。流速越大，低渗透透镜体界面处生物量能达到的最大值越小。 （2）当渗透系数比（R）在一个数量级，降解菌可以进入透镜体；当 R 大于一个数量级，绕流和透镜体界面的吸附、截滤起主要作用，降解菌进入透镜体的生物量降低；当R大于两个数量级，降解菌无法进入低渗透透镜体。 （3）苯胺共存时，AN-1在介质上的附着量增加。苯胺存在条件下，促进AN-1生长繁殖和成膜，模拟含水层中附着量增加了35倍。 4. AN-1 对苯胺污染的非均质含水层的修复效果 在污染源持续污染情况下，AN-1可有效修复背景介质和透镜体L1（R=10）中苯胺污染，对 150 mg/L 苯胺的修复率达到 95.16%。当污染源耗竭后，透镜体L2（R=250）出现反向扩散现象，降解菌在低渗透透镜体的阻滞作用和对苯胺的趋化作用下聚集在低渗透透镜体表面，可持续降解苯胺。 本论文的主要创新体现在： （1）利用绿色荧光蛋白标记结合光透射技术，直观展现了降解菌在含低渗透透镜体的非均质含水层的迁移路径，揭示了降解菌在非均质介质中的迁移机制。在高渗透区，微生物迁移的主要机制是对流-弥散。在低渗透透镜体中，微生物的迁移除了水动力作用外，还包括低渗透介质内部的阻滞作用以及界面的吸附和截滤作用。当 R 达到350时，降解菌聚集在透镜体表面，无法进入低渗透透镜体。这一发现为预测功能微生物在非均质含水层的迁移提供了依据。 （2）发现了苯胺共存时降解菌在含水层中迁移的机理。在苯胺共存条件下，吸附在介质表面的苯胺形成了从固相到液相的浓度梯度，AN-1在趋化作用下，向介质表面迁移，延长停留时间，促进了降解菌的滞留。以往对含水层中微生物的迁移机制研究多集中于对流-弥散、介质对微生物的吸附/解吸和过滤方面，很少研究趋化性引起的微生物在含水层中迁移的变化，本文完善了降解菌在含水层中迁移的理论研究，对于明确降解菌在含水层的迁移机制具有实际意义。 （3）提出了原位生物修复非均质含水层苯胺污染的新方法。在高渗透区域修复完成后，利用低渗透透镜体的阻滞作用和降解菌的趋化性，降解菌聚集在低渗透透镜体表面，低渗透地层中反向扩散的污染物被微生物降解，选择具有趋化性的降解菌能够克服污染物反向扩散给修复过程带来的拖尾和反弹问题，对提升非均质含水层原位修复技术的效率具有重要的实际意义。
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