反硝化条件下微生物降解地下水中的苯和甲苯吴玉成

中国环境科学1999,19(6):505一509ChinaEnvironrnentalSeienee反硝化条件下微生物降解地下水中的苯和甲苯吴玉成`,钟佐巢2,张建立2(l.中国科学院大气物理研究所,北京10008;02.中国地质大学环境科学系,北京100083)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表明,在强化反硝化条件下,微生物利用No3一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;微生物所需要的宏量营养由苯、甲苯和硝酸盐提供,而微生物所需要的其他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(PH10)或过低(PH4)均抑制微生物降解过程的进行.这些结论对研究地下水有机污染及其生物治理具有一定的理论和实际指导意义.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:xl31注文献标识码:A文章编号:10(旧-6923(1999)06一0505刁5Microbialdegradaitonofbenzeneandtolueneingroundwaterunderenhanceddeintrifyingcondiiton.WUYu-eheng,,zHoNozuo一xinZ,zHANGJian一112(l.InsittuteofAtmospheirehPysics,ChineseAeademyofseienees,Beijing100080,China:2.DePartlnentofEnvironmentalSeienee,ChinaUlllversityofGeoseienees,Beijing100083,China).曰王inanEviornmenatlSeienee.1999,19(6):505一509Abstraet:Thebiodegradationofbenzeneandtoluenewassutdiedbyaquifermaetiral而eorcosmexpeirmentinlaboratoyrunderenhaneeddeniitrfyingeoniditons.BasedonhteanalysesandeontrastofhteexPeirmentersults,htefollowingilllPortantconelusionsweerobtianed.MieroogranismseanutilizenitraetaseleetronaceePotrtodegradebenzeneandtolueneunderehnaneeddeniitrfyingeondiitons:htedeniitrferseomeformhteaquifermaetiria:themacro一nultrent面eorogranismsneeded15Providedbyhtebenzene,tolueneandintrateandhtetraceelementseomeofrmtheaquifermateiria:enviornmentaleondiitonshvaegreateffeetonbiodegradiatonofbenzeneandtofueneandhtePHinhibitsbiodegradationstronglywhenit15toohigh(PH10)ortoolow(PH4).Keyowrds:groundwaterograniePollution;benzene;toluene;deniitrfyingeondiiton;而erobialdegradiaton石油及各种燃料油的溢洒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,其中苯和甲苯等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.受芳香烃污染,地下水对人们的健康构成了严重地威胁,苯对人体具有致癌作用卜41,苯和甲苯百万分之一致癌概率含量分别为.067、1林g几l5[.因此,关于地下水遭受芳香烃污染及其治理己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(uPmPand·etratmehtde)被普遍采用,但这种方法不仅耗时而且费用极其昂贵,因此,自80年代以来,人们一直在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b(ioermeidiaton)技术就是其中的一种,尽管这种技术目前尚不十分成熟,但它是利用地下水环境中的微生物降解有机污染物的一种技术,可以施行原位治理,并以其技术可行和成本相对低廉收稿日期:基金项目:1999一02一10国家自然科学基金资助项目(49772159)中国环境科学19卷而被人们普遍接受[5,e],具有广泛的发展前景.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(N03一)作为电子受体,将有机污染物降解为无害产物如co:和HZo等的过程.在近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件12],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.含水层物质微环境实验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Zm处.实验所用苯、甲苯和硝酸钾等均为北京化工厂生产的分析纯.实验用水为地质大学(北京)自备井地下水.微环境采用70m工具塞磨口三角瓶,瓶中加入湿含水层岩样209.为模拟含水层污染羽状体中的厌氧环境,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N03一作为电子受体.依据反硝化条件下有机污染物微生物降解定量关系式[’l,根据加入苯和甲苯的量确定出所加苯和甲苯全部降解对NO3一的理论需求量,同时考虑若干要素设计了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)NO3一、半量NO3一和不加N03一进行实验.在方案7的微环境中加入Hg02,用于无菌控制.表1含水层物质微环境实验方案lbble1Sehemesofaquifermaetiral面eoreosmexPeirment实验方案微环境要素无岩样有岩样蒸馏水地下水加入苯加入甲苯足量半量不加N03一N03一N03-力口HgelZpH10pH料10vv、v1.3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士2℃的环境中避光保存.通过定时检测微环境中苯、甲苯和N03-的浓度变化判断微生物降解是否发生,每进行一次检测,用掉一批微环境,照此实验共持续6.44d.对苯和甲苯采用气相色谱检测,利用硝酸根电极法测定NO,-6期吴玉成等:反硝化条件下微生物降解地下水中的苯和甲苯507表2各方案中苯、甲苯、No3一的去除百分率(%)飞妞ble2PecrentdePletionofbenzeneandotlueneinindiviudalseheme(%)实验方案苯初值终值(去除率初值(m甲苯终值(:去除率初值(m终值(去除率门了0八,2gC,77内241120少OJ90夕1`12094125286201616OCZ8566082322219384939.5638,4942.1530乡23956362532.1125.1435.5038一805一5939.7512.386.9024.5725.(又20.4242.6743.5342.6749.9532.7843,5337.6737.4328.0337.6T45.002.543.7915.845.9830.2431.3923.62443.9443.9443月11.2189.9443.9443.9443.94648404.9369.2352.64.40.90.82.8l04143414.3386.6386.612,,4ù勺670八95004003002001000nnón00ē匕sd占,dn七150040030020010000nnCù八口OSA占q曰O乙1010203040506070010203040506070oo5伽绷绷明nnénUn一n一5通ōnJC乙,上nUnU0onnU一lln八UsOd`q曰n山110000八én八lJǎbs连占3n乙11;;;认菇:::500400300200100000洛洛洲资……5040302010001020304050607050040030020010005004003002001000八曰n0CCUCé5连Q曰n乙1160的40302010010203040506070n甘0nn人UóUn八UnUon目5dq口néJ.上nUnǎUùUOnó0OCénù5迁占qJ八乙1.1óU入入入\\\罕~///饭饭.泽扭幸:二毒月〕〕八dó11nonù八曰尸OA占八dQù11010203040506070010203040506070(9)(IQ)图1各实验方案苯、甲苯和N03一随时间变化iFg.lBenzene,tolueneandintrateversusitmeinindividualexPeirmentseheme图1中各图(1o除外)左纵坐标表示苯和甲苯浓度;右纵坐标为NO3一浓度(gm几;)横坐标表示时间(d)2结果与讨论2.1在强化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、6中,苯的去除率分别为85%,6O%,82%,甲苯的去除率分别为94%,52%,86%,同时N03一在3个方案中的去除率均为99%.实验过程中,苯和甲苯的去中国环境科学19卷除与NO3一的去除具有一致的对应关系,见图1中(3),(5),(6).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N03一的去除率要低得多,这是因为微环境中加入的Hgcl: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No3一几乎不被去除,见图1中(7).而在方案10中,未加入苯和甲苯,结果NO3一始终不被去除见图1中(10),其原因是缺少有机碳源,反硝化菌无法生长繁殖,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犷含量很低(仅n.Zmg几,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,见图1中(4).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中加入的Nq一仅相当于理论需求量的一半,当NO3-被耗尽以后,反硝化作用无法继续进行,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,在方案5中,降解发生的滞后期要比在方案6中的短,见图1中(5),(6),究其原因可能是反硝化菌长期生长在低N03一浓度的环境中,对于相对低的NO3一浓度更易于适应的缘故.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No3一在方案1,2中几乎不被去除,见图1中(l),(2),而在方案3和6中均得以去除.方案1与方案3相比及方案2与方案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和方案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