第29卷 第1期 长春科技大学学报 V ol.29 N o.1
1999年1月 JOURNAL OF CHANGCHUN UNIVERSIT Y OF S CIENCE AND TE CHNOLOGY Jan.1999
加强反硝化条件下地下水中常见有机污染物苯和甲苯微生物降解研究¹ 吴玉成 钟佐焱
木 陈 亮
摘要 利用实验室含水层物质微环境实验，对地下水中常见有机污染物苯和甲苯在厌氧反硝化条件下的微生物降解进行了研究。通过10种方案实验结果的分析对比，所得重要结论如下：在加强了的反硝化条件下，微生物利用NO -3作为电子受体降解苯和甲苯；降解苯和甲苯的反硝化细菌来自于含水层物质；微生物所需的宏量营养由苯、甲苯和硝酸盐提供，痕量元素来自于含水层物质；环境的酸碱条件对微生物降解具有重要影响,pH 值过高或过低均抑制微生物降解作用的产生。
关键词 地下水有机污染 苯 甲苯 反硝化条件 微生物降解中图分类号 X 523
第一作者简介 吴玉成 男 34岁 副教授 水文地质专业
¹ 国家自然科学基金资助项目(No.49472155)收稿日期 199806
0 前 言
石油及各种燃料油的溢漏与泄漏，以及地下储
油设施(罐)的渗漏导致地下水遭受芳香烃污染在全球范围内日渐严重，其中以苯和甲苯等为代表的单环芳香烃污染物最受人们关注，因为它们均是石油及各种燃料油中水溶性最好的化合物，构成了地下水中最为常见的有机污染物。地下水受芳香烃污染对人们的健康构成了严重的威胁。业已证明，苯对人具有致癌作用[1～4]，苯和甲苯百万分之一致癌概率质量浓度分别为0.67L g /L 和1L g /L [5]
。
因此，关于地下水遭受芳香烃污染及其治理已成为水文地质学者和环境学者研究的热点问题之一，其中如何去除污染物、恢复含水层是最受关注的重点。
地下水有机污染自70年代中后期才开始引起人们的普遍重视，目前尚无成熟且经济有效的治理
方法。在以往治理地下水有机污染的工作中，抽出处理方法(pump and treat method )被普遍采用，但这种方法不仅耗时，而且费用极其昂贵，即使在欧美等发达国家也有越来越多的人提出指责。因此，自80年代以来，人们一直在努力寻求和探索治理地下水有机污染更为经济有效的技术。生物治理(bioreme-diatio n)技术就是其中的一种，尽管这种技术目前尚不十分成熟，但它是利用地下环境中的微生物对有机污染物的一种破坏技术，可以施行原位治理，并以其技术可行和成本相对低廉而已被人们普遍接
受[5～6]，具有广泛的发展前景。
深入研究和掌握地下环境中有机污染物的微生物降解是开发地下水有机污染生物治理技术的先决
条件，从而吸引了无数学者投入研究。
许多芳香烃污染物在好氧条件下可获得迅速降解，这是众多学者研究取得的共识，但是，若想通过好氧微生物降解去除地下水有机污染物，必须始终使含水层维持好氧环境才行。遗憾的是氧在地下水中的溶解能力仅为8～10mg /L ，致使很难经济有效且均匀地向含水层
连续供氧，从而大大地限制了好氧微生物降解在治理地下水有机污染中的应用。厌氧条件下的微生物降解不需要氧，事实上，地下水有机污染羽中多处于
厌氧状态，所以，研究厌氧条件下的有机污染物的微生物降解更有意义。
反硝化条件下有机污染物的微生物降解是反硝化细菌在厌氧条件下，利用有机污染物作为自身生
长繁殖的碳源与能源，以硝酸根(NO3-)作为电子受体，将有机污染物降解为无害产物如CO 2和H 2O 等的过程。在过去近20年的时间里，国外特别是欧美等国家的许多学者在这方面开展了大量的研究和
探讨
[7～11]
，而国内在这方面的研究尚未见报道。本研究利用含水层物质，通过室内模拟实验，在加强反硝化条件下对地下水中常见有机污染物苯和甲苯的微生物降解性及其影响因素进行了研究，旨在为开
发地下水有机污染生物治理技术提供科学依据。
1 含水层物质微环境实验药用复合膜
1.1 实验物质及微环境的形成
含水层物质取自北京西郊永定河冲积扇地面以下2m处。实验所用苯、甲苯和硝酸钾等化学药品均为北
京化工厂生产的分析纯。实验用水为中国地质大学(北京)自备井地下水。
微环境采用70m L具塞磨口三角瓶，瓶中加入湿含水层岩样20g。为模拟含水层污染羽中的厌氧环境，首先采用高纯氮气通过曝气技术制备厌氧基液，并将装有含水层岩样的微环境置于厌氧箱中进行充分曝气，最后在厌氧箱中形成微环境。
1.2 实验方案
反硝化菌生长繁殖过程中，以有机碳作为碳源和能源，以NO-3作为电子受体。依据反硝化条件下有机污染物微生物降解定量关系式[4]，根据加入苯和甲苯的量确定出所加苯和甲苯全部降解对NO-3的理论需求量，同时考虑若干要素设计10种实验方案(表1)。在不同方案中分别加入足量(理论需求量)NO-3、半量NO-3和不加NO-3进行实验。方案7的微环境中加入HgCl2，用于无菌控制。
表1 含水层物质微环境实验方案一览表型采
Table1 Schemes of aquif er material microcosm experiment
微环境要 素制卡机
实 验 方 案12345678910
无含水层岩样<<
有含水层岩样<<<<<<<<
实验用蒸馏水<<
实验用地下水<<<<<<<<；加入苯<<<<<<<<<
加入甲苯<<<<<<<<<
加足量NO-3<<<<<<<<
加半量NO-3<
不加NO-3<
加HgC l2<
工位管理系统pH>10<
pH<4<
抗氧化剂386
1.3 苯和甲苯微生物降解的监测
按所制定的10种方案共制备10组100个微环境，将这些微环境置于(15±2)℃的环境中避光保存。通过定时检测微环境中苯、甲苯和NO-3的质量浓度变化判断微生物降解是否发生，每进行一次检测，牺牲一批微环境，照此实验共持续64.4d。对苯和甲苯采用气相谱检测，利用硝酸根电极法测定NO-3。
2 实验结果与讨论
2.1 在加强的反硝化条件下苯和甲苯的降解
实验结果(表2)显示，在方案3、5和6中，苯的去除率分别为85%、60%和82%，甲苯的去除率分别为94%、52%和86%，同时NO-3在三种方案中的去除率均为99%，实验过程中，苯和甲苯的去除与NO-3的去除具有一致的对应关系(见图1»½¾)。这说明实验中发生了反硝化作用，反硝化细菌利用苯和甲苯中的有机碳作为自己生长繁殖的碳源与能源，使其得以降解去除。方案7的实验结果从相反的角度说明了这一问题，在方案7中，苯、甲苯和NO-3的去除率要低得多，这是因为微环境中加入的Hg-Cl2几乎杀死了反硝化细菌，反硝化作用无从发生，所以苯、甲苯和NO-3几乎不被去除(图1¿)。而在方案10中，未加入苯和甲苯，结果NO-3始终不被去除(图1b k)，其原因是缺少有机碳源，反硝化菌无法生长繁殖，所以，反硝化作用不发生。在方案4中，尽管有苯和甲苯作为微生物生长繁殖的碳源与能源，但由于NO-3质量浓度很低(仅11.2m g/L，为地下水背景值)，无足够的电子受体，反硝化作用也无
法进行，故苯和甲苯不被去除(图1¼)。
tpe薄膜苯和甲苯在方案5中的去除率明显低于方案3和6中的去除率，其原因是在方案5中所加入的NO-3只相当于理论需求量的一半，当NO-3被耗尽以后，反硝化作用无法继续进行下去，故有苯和甲苯只去除60%和52%的实验结果。然而，通过对比可以发现一个很有趣的现象，在方案5中，降解发生的滞后期要比在方案6中的短(见图1½¾)，究其原因可能是反硝化菌长期生长在NO-3质量浓度低的环境中，对于相对低的N O-3质量浓度更易于适应的缘故。
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第1期 吴玉成等：加强反硝化条件下地下水中常见有机污染物苯和甲苯微生物降解研究
表2 苯、甲苯和NO -3在各方案中去除百分率一览表(Q B /(mg ・L
-1
)Table .2 Percent depletion of benzene and toluene in individual scheme
实验方案苯甲 苯NO -3初值终值去除率/%
初值终值去除率/%
初值终值去除率/%
138.4935.50842.6737.6112443.9369.217239.5638.80243.5345.000443.9352.620338.49 5.598542.67 2.594443.9 4.499442.1539.75649.9543.791211.20.992530.9212.386032.7815.8452189.90.899639.56 6.908243.53 5.9886443.9 2.899736.2524.573237.6730.2420443.9414.37832.1125.042237.4331.3916443.9414.37925.14
20.42
19
28.03
23.62
16
464.8386.61710
404.9
386.6
4
图1 各实验方案苯、甲苯和NO -3随时间变化情况
Fig .1 Benzene ,toluene and nitrate vresus time in individual experiment scheme
图中¹～Á左坐标轴代表苯和甲苯，右坐标轴代表NO -3，质量浓度单位为mg /L;¹～b
k 横坐标轴表示时间，单位为d 50
长 春 科 技 大 学 学 报 1999年
2.2 反硝化菌源对苯、甲苯生物降解的影响
实验结果显示，苯、甲苯和NO-3在方案1、2中几乎不被去除(见图1¹º)，而在方案3和6中均得以去除。方案1与3相比及方案2与6相比，只是存在微环境中加与未加含水层岩样的区别，其它条件完全相同，但方案1、2中不发生反硝化作用，方案3和6中却发生反硝化作用，由此可以推断，降解苯和甲苯的反硝化细菌来自于含水层物质。
2.3 营养物及环境条件对微生物降解的影响
方案3采用蒸馏水配制基液，方案6采用地下水配制基液，在这两个方案中，除在基液中加入苯、甲苯和NO-3外，并未加入其它营养物质，实验均产生了反硝化作用。从而说明，反硝化细菌所需要的宏量营养如碳、氢、氧、氮等来自所加入的苯、甲苯和硝酸盐，至于微生物所需要的其它痕量元素如锰、铁、铜等由含水层物质提供。
发生在地下环境中的微生物降解作用严格受各种环境条件控制和影响，在研究中，特别对环境酸碱条件的影响进行了实验研究。结果表明，方案8和方案9中苯、甲苯和NO-3几乎不被去除(图1ÀÁ)，说明环境的pH过高或过低均抑制微生物降解作用的进行。所以，进行野外研究时，深入研究各种环境条件尤为重要，对于因各种污染造成pH过高或过低的场地施行生物治理研究时，需考虑加入适量缓冲物质调节pH值，以利于微生物降解进行。
3 结 论
(1)在加强的反硝化条件下，微生物可以通过利用NO-3作为电子受体降解苯和甲苯。在遭受芳香烃污染的含水层中，地下水污染羽中的苯和甲苯之所以长期存在与缺少足够的电子受体不无关系。
(2)通过对各种方案实验结果分析对比证明，降解苯和甲苯的反硝化细菌存在于含水层物质中。
(3)环境的酸碱条件对微生物降解有重大影响, pH值过高或过低均抑制微生物降解作用的产生。
(4)微生物所需要的宏量营养由有机污染物苯、甲苯和NO-3提供，痕量元素来自于含水层物质。
地下环境中缺少足够的电子受体是芳香烃污染物在地下水中长期存在的重要原因之一，我们通过模拟含水层有机污染羽中的厌氧条件所做的含水层物质微环境实验显示，含水层物质中存在的反硝化菌在加强的反硝化条件下可以降解苯和甲苯，这表明，可以通过向遭受芳香烃污染的含水层加入硝酸盐，加强地下环境中的反硝化作用去除地下水中的芳香烃污染物。当然，微生物降解作用是一个非常复杂的过程，在实际应用之前，还有许多问题如降解途径、终端产物等有待于进一步研究。
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A STUDY ON 3-D NUMERICAL SIMULATION FOR SEISMICALLY
DANGEROUS AREAS AND ANALYSIS OF SEISMIC
DANGER IN THREE GORGES AND ITS VICINITY
Hu Dao gong, Wu Shur en, Wang Lianjie, Chen Qingx uan, Tan Cheng xuan
(Institute o f Geome chanics ,M GM R ,B eij ing 100081)
Xu Ruichun, M ei Ying tang
(S urv ey I nstitute o f Thr ee Gor ges ,the Yangtz e R iv er W ater Conser v anc y Commission )
Abstract On the basis of on-site stress data m easur ed in T hr ee Gorges,distribution state of elastic strain energ y is quantitativ ely presented by 3-D finite element method .The relatio nship betw een elastic strain energy and seismicity is discussed.Com bining the co mpr ehensive analysis of earthquake magni-tude and seism icity period as w ell as seismic m ig ratory reg ular ity ,seism ic danger in the future is also discussed .
Key words 3-D numerica sim ulation ,seismic danger ,Three -Gor ges of Yang tze river
(上接第51页)
MICROBIRAL DEGRADATION OF BENZENE AND TOLUENE UNDER ENHANCED DENITRIFYING CONDITION
W u Yucheng, Zhong Zuoshen, Chen Liang
(China Univ ersity of G eoscie nces ,B eij ing 100083)
Abstract The biodeg radatio n of benzene and toluene w as studied by aquifer m aterial micr oco sm ex -periment in labo rato ry under enhanced denitr ifying conditio ns .Based on the analyses and co ntrast o f the exper im ent results,the follo w ing im portant conclusio ns were obtained.M icro organi
sm s can utilize ni-tr ate as electro n acceptor to degrade benzene and to luene under enhanced denitrify ing conditions.The denitrifer s com e fr om the aquifer material.T he macro -nutrient micr oorg anism needs are pro vided by the benzene ,toluene and nitrate and the trace elem ents come from aquifer m aterial ;Environmental co ndi-tio ns have g reat effect on biodegradation of benzene and to luene and either too high or too low pH values can inhibit the biodeg radation str ong ly.
Key words g roundw ater or ganic po llution ,benzene ,to luene ,denitrify ing condition ,microbial degr adatio n
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第1期 胡道功等：长江三峡及邻区地震危险区的三维数值模拟与地震危险性分析
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