监控自然衰减技术在氯代有机物污染场地的应用探究

摘要

氯代有机物因其高毒性、高富集性、高环境残留的特点及其“致癌、致畸、致突变”效应，已被美国环保局(EPA)列为优先控制污染物。氯代有机物污染场地的传统物理、化学、生物修复方式修复费用相对较高，对污染场地周边环境的影响较大。监控自然衰减(Monitored natural attenuation:MNA)是一种国际上应用较广的污染场地修复和管理技术，近年来在我国正逐渐被关注，其利用污染物自身的自然衰减作用达到修复目标，从而可降低修复成本，规避工程风险。本文主要通过设置微宇宙实验，研究探讨了氯代有机物在污染场地土壤和地下水中的自然衰减规律、生物降解特性及菌群结构动态变化;此外，将污染物1，2-二氯乙烷投加到土壤中进行了小试实验，进一步探究了氯代有机物的自然衰减规律。本研究的成果可为污染场地MNA修复的进一步研究开展与实施提供理论与技术支持。
　　对氯代有机物在3m、6m、9m深度土壤样品中的自然衰减趋势研究发现，在45天的短期培养时间内，氯代有机物呈现一定的自然衰减趋势，但是未发现显著的生物降解作用。实验过程中微宇宙环境的一些地球生物化学指标未发生明显的变化，如过氧化氢酶以及脱氢酶活性、脱氯产物(Cl-)、电子受体(NO3-、SO42-)、pH值、ORP等。但样品DGGE指纹图谱中优势条带的16SrDNA测序分析结果显示，在不同深度土层中都存在参与氯代有机物降解的功能菌群，如Dehalococcoides、uncultured Dehalobacter sp、uncultured betaproteobacterium等。
　　对氯代有机物在含水层土壤和地下水中的自然衰减能力研究发现，氯代有机物在120天的微宇宙实验过程中发生了自然衰减，其中生物降解起到主导作用。实验组中Cl-浓度的升高和NO3-浓度的降低，都进一步验证了生物降解过程的发生。体系中过氧化氢酶以及脱氢酶活性、pH值、ORP值等指标无明显变化。从微生物群落结构分析结果中发现，含水层土壤和地下水中均存在可参与氯代有机物降解的优势功能菌群，如uncultured deltaproteobacterium、Spirochaeta sp、Clostridiales等。
　　在人工污染土壤自然衰减研究中，通过140天的微宇宙实验，发现1，2-二氯乙烷有明显的自然衰减趋势，同时发生了生物降解作用，不同浓度梯度的实验组中的Cl-浓度都显著升高，电子受体(NO3-、SO42-)的浓度无明显的变化，可以推测1，2-二氯乙烷以其它离子（如Fe3+）为电子受体发生了生物降解或直接被微生物利用而不是发生了共代谢。不同浓度梯度实验组中的过氧化氢酶活性无明显变化，脱氢酶活性呈现明显的下降趋势，并且高浓度实验组的酶活低于中等浓度，可能外加的1，2-二氯乙烷影响了微生物活性。另外，pH值、ORP值的变化幅度都比较小，说明微宇宙环境比较稳定。进行微生物群落结构分析后发现，在不同浓度梯度土壤中都存在参与氯代有机物降解的功能菌群，如Pseudomonas、Geobacter、uncultured Candidatus Saccharibacteria bacterium等。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 前言

1．2 监控自然衰减(Monitored Natural Attenuation，MNA)简介

1．2．1 自然衰减

1．2．2 监控自然衰减

1．3 氯代有机物的自然衰减研究

1．3．1 氯代有机物的自然衰减途径

1．3．2 氯代有机物的生物降解途径

1．3．3 氯代有机物生物降解研究进展

1．4 PCR-DGGE技术在微生物多样性分析中的应用

1．5 研究内容及意义

1．5．1 研究内容

1．5．2 技术路线

1．5．3 目的及意义

第二章 实验材料及分析测试方法

2．1 实验材料、试剂及仪器

2．1．1 实验材料

2．1．2 实验试剂

2．1．3 实验仪器

2．2 测定指标及方法

2．2．1 理化性质测定

2．2．2 VOC测定

2．2．3 NO3-、SO42-、Cl-浓度的测定

2．2．4 过氧化氢酶和脱氢酶活性的测定

2．2．5 PCR-DGGE技术(聚合酶链式反应-变性梯度凝胶电泳)

第三章 氯代有机物在不同深度土层中的自然衰减能力及生物降解性能研究

3．1 实验设计

3．2 实验结果

3．2．1 挥发性氯代有机物浓度变化

3．2．2 不同深度土壤中酶活性研究

3．2．3 不同深度土壤中(Cl-、NO3-、SO42-)浓度的变化

3．2．4 不同深度土壤中pH、氧化还原电位的变化

3．2．5 PCR-DGGE技术分析不同深度土层的微生物群落结构

3．3 讨论

3．4 小结

第四章 氯代有机物在含水层土壤和地下水中的自然衰减能力及生物降解性能研究

4．1 实验设计

4．2 实验结果

4．2．1 挥发性氯代有机物浓度变化

4．2．2 含水层土壤和地下水中酶活性研究

4．2．3 含水层土壤和地下水中(Cl-、NO3-、SO42-)浓度的变化

4．2．4 含水层土壤和地下水中pH、氧化还原电位的变化

4．2．5 PCR-DGGE技术分析含水层土壤和地下水的微生物群落结构

4．3 讨论

4．4 小结

第五章 人工污染土壤自然衰减研究

5．1 实验设计

5．2 实验结果

5．2．1 不同浓度梯度土壤中1，2-二氯乙烷的浓度变化

5．2．2 不同浓度梯度土壤中酶活性研究

5．2．3 不同浓度梯度土壤中(Cl-、NO3-、SO42-)浓度的变化

5．2．4 不同浓度梯度土壤中pH、氧化还原电位的变化

5．2．5 PCR-DGGE技术分析不同浓度梯度土壤中的微生物群落结构

5．3 讨论

5．4 小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

在校期间发表论文情况