污染地下水系统的生物治理：利用厌氧微生物进行补救

        污染地下水系统是一种最难净化的环境系统。在所有生物作用过程中，最古老的要属在无氧情况下微生物的新陈代谢，这种作用过程在解决污染地下水这一现代问题方面，初步显示出巨大的潜力。

        由于需要抽出和处理大量污染水，常常无法消除污染水。再者，在抽取污染水之后，污染物仍会从沉积物中不断淋滤出来，并污染更多的地下水。

        要想在原地处理污染地下水，可以在地下设置反应屏蔽层，用来去除地下水中的污染物。但是，这种做法只对处理有限的浅部污染区才可行，而且经济合算。地下天然生存的微生物也可使污染物降解、解毒或固定，这种作用过程称作原位生物治理。

        直到最近，对原位生物治理的实际应用主要集中在喜氧微生物上，这类微生物通过将有机化合物氧化成二氧化碳而获取能量，其中氧作为电子受体，当地下存在氧时，喜氧微生物可将有机污染物氧化成二氧化碳，从而使污染地下水净化。

        然而，这种方法效果有限，尤其是因为氧对喜氧微生物是不可或缺的，但它在许多污染的地下环境中是缺乏的。溶解在地下水中的氧的数量少，而且由上覆不饱和土壤通过扩散供氧的速率低。在受到石油或从回填土地中淋滤出的物质等有机污染物污染的地下环境中，喜氧细菌会自动将这些污染物氧化成二氧化碳，在这一作用过程中消耗掉已有的溶解氧。通常，含水层污染最严重的部分很快将氧耗尽；氧只见于污染物流的边缘上。

        由于许多受污染的地下环境中缺乏氧，引起人们对厌氧微生物原位生物治理潜力的兴趣，这些微生物生长在无氧条件下。厌氧微生物还可将有机化合物氧化成二氧化碳，但利用的是硝酸盐、硫酸盐或Fe3＋氧化物等电子受体，而不是氧。

        厌氧微生物不同的新陈代谢能力，体现出对抗地下水污染的潜在效力。在地下缺氧环境中，烃类污染物的天然降解程度大大高于原先的想象。例如，在地下石油污染方面，苯常常是最受关注的污染物，因为它可溶于水、有毒并且可能致癌。最新研究表明，从地下提取的厌氧微生物可使苯降解。在某些污染含水层中，曾经观测到天然大量去除缺氧带内苯及其他芳香烃的现象。

        在某些情况下，利用厌氧和喜氧微生物进行天然降解，可限制污染扩散；如果威胁不到重要的水源，就可能不必进行进一步治理了。如果污染物天然降解速率太慢，则增高硫酸盐或硝酸盐含量可加快厌氧微生物对污染物的降解速率。这与更常见的将氧加入地下以增强喜氧微生物活动性的做法是相似的。

        加氧在技术上有困难，而且费用很高，因为氧的溶解度低，并可与缺氧地下水中的还原组分（如二价铁）发生反应。因此，加入足够氧以有效刺激喜氧微生物常常是困难的。硫酸盐和硝酸盐等电子受体没有这些限制因素，因为它们溶解度高，而且不会被非生物作用过程所消耗。在受到苯严重污染并无法通过加氧来净化的地下环境中，加入硫酸盐很容易去除苯。

        另一个生物治理问题是受到氯化溶剂污染的地下环境。在含水层常见的条件下，喜氧微生物通常无法降解氯化污染物，如全氯乙烯（PCE）和三氯乙烯（TCE）。在浅而有氧的含水层中持续保存有这些溶剂，除非由于存在像石油这类共同污染物导致缺氧条件的发育。

        某些厌氧微生物可利用这些化合物作为电子受体，使有机化合物或氢发生缺氧氧化，从而使PCE  和TCE  降解。在理想条件下，这种还原作用可从污染物中去除氯原子，作为最终产品生成乙烯；氯是以氯化物的形式释放的。因此，对PCE  和TCE  污染，可通过向地下加入有机化合物来治理。所加入的有机物发生有氧降解，导致形成缺氧条件因此，脱氯的厌氧微生物可利用所加入的有妇L  物使污染物脱氯，从而去除其毒性。

        硝酸盐污染是由于使用化肥或使废物进入地下而造成的，对这种污染可用类似的方式来处理。具有脱硝酸盐作用的地下微生物，可使所加入的有机物或氢发生氧化，将硝酸盐还原成无害的氮分子。

        有毒金属和准金属常常可溶于水，因此在有氧地下水中是活动的。然而，在缺氧条件下，微生物可将它们还原成不可溶形式，从而从地下水中沉淀下来。这样可将这些金属和准金属固化，限制它们扩散和对水资源的威胁。可用这种方式固定的元素包括铀、铬、锡、钻和硒。

        虽然这些用于原位生物治理的无氧策略很有前景，但是在能够将它们中任何一种用于常规工作之前，还要开展大量研究工作。业已通过为数有限的野外研究对在缺氧条件下进行原位天然或受激生物治理进行过评价。这些野外研究表明，厌氧微生物作用过程虽然在某些情况下是有效的，但是在其他情况下却是无效的。即便在同一含水层的不同带内也能观察到这种效果上的差异。尚未搞清的是，这种效果上的差异反映的是厌氧微生物分布不均还是控制它们活动性的环境因素不同。

        要回答这些问题，我们需要知道哪些微生物可在原位发生生物治理反应。结合Fe3  ＋还原、还原脱氯和受激金属还原，对烃类进行的原位生物治理研究表明，与含水层中这些作用过程有关的厌氧微生物，与实验室为在纯培养液中进行这些生物治理反应的微生物密切相关。

        这些纯培养液的基因组是可以获得的。因此，应当确定哪些基因与所研究的生物治理反应有关，哪些基因可以使微生物在地下环境中茁壮成长。甚至可以培养出引起其他原位生物治理作用过程的厌氧微生物。

        一旦解读出其基因的功能，即可真正开始对原位厌氧微生物治理进行研究。借助最近研制出的克隆大段环境DNA  的方法，确定与地下生命密切相关的厌氧微生物基因的功能将成为可能。对地下样品中mRNA（信使核糖核酸）显示的测定结果表明，利用环境样品进行与当前利用纯培养液开展的分析相类似的整个基因组显示分析是可以做到的。

        结合适当的地球化学和水文学研究，这一信息有助于了解与原位生物治理有关的厌氧微生物的活动性。这将加深对自然去毒速率的了解，并促进制定加速治理地下水的合理战略。

        （张秋明摘译自Science,2001  )   (责任编辑：泉水)

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