有机污染土壤-地下水系统中的微生物场及多场耦合研究

有机污染土壤-地下水系统中的微生物场及多场耦合研究

熊贵耀 ¹ ,  吴吉春 ^{, 1 , *} ,  杨蕴 ² ,  祝晓彬 ¹ ,  刘梦雯 ¹ ,  宋亚霖 ¹

1.南京大学 地球科学与工程学院 表生地球化学教育部重点实验室

2.河海大学 地球科学与工程学院

《地学前缘》

摘要

了解污染场地中微生物群落对有机污染物迁移转化的影响是高效修复治理有机污染场地的基础。自然界中的微生物以“场”的形式通过与水动力场、温度场、化学场等耦合作用,发挥其在维护生态稳定性及物质循环过程中的功能。微生物与有机物关联研究的文献计量分析结果显示,近年来关于微生物和有机物的研究主要集中在微生物群落结构、有机物的生物降解及有机物的迁移转化3个方面及一系列的关联研究中,而关于将微生物以“场”的形式定量刻画微生物在物质循环转化和维持生态稳定性方面作用的研究几乎没有。为此,本文通过研究给出了微生物场的定义,提出了有机污染场地中的微生物场概念模型和数学模型,分析了微生物场的主要影响因素及影响机制,构建了微生物场与水动力场、温度场、化学场之间耦合的本构模型。最后,对微生物场下一步的研究提出了展望。

0 引言

微生物广泛存在于自然界中,作为最丰富的生命形式之一参与各种生物地球化学过程,并在调节生态系统方面发挥着关键作用,例如养分循环、维持可持续的生物圈和生产力以及降解污染物 ^{[ 1⇓-3]} 。此外,微生物群落结构的模式和变化与整个生态系统的功能特征和生物地球化学的相互作用直接相关 ^{[ 4-5]} ,并且能够快速响应外界环境变化 ^{[ 6-7]} 。

对于有机污染场地,介质的理化性质在短期内发生剧烈的变化,微生物群落结构为适应新的环境会做出相应的改变。微生物群落对有机污染物在土壤-地下水系统中的迁移、转化和降解起着重要的作用。然而,目前的研究多集中在微生物群落结构对污染物及环境变化的响应、微生物的生长繁殖对介质空间结构的影响以及微生物对有机污染物的降解转化作用方面 ^{[ 8⇓-10]} 。以“场”的形式定量刻画微生物在物质循环转化和维持生态稳定性方面作用的研究尚未开展。

本文在污染场地中有机物迁移转化及影响因素综述、微生物相关研究计量分析的基础上,给出了微生物场的定义,提出了微生物场的概念模型和数学模型以定量刻画微生物场,探究了污染场地中微生物场的影响因素及影响机制,构建了微生物场与水动力场、温度场、化学场之间多场耦合的本构模型。

1 有机物迁移转化的微生物影响

在场地土壤-地下水系统中,有机污染物的迁移赋存形态多样且过程复杂,受多重因素的相互影响。主要因素包括有机物的理化性质、泄漏状态、介质的理化性质及空间变异性、水动力条件等。有机物的理化性质主要为密度、黏滞系数、溶解度及扩散系数等,影响着有机污染物的运移速率及空间展布 ^{[ 11⇓⇓-14]} 。泄漏状态包括有机物的泄漏总量和泄漏速率,主要影响有机物的污染范围、运移的路径及形态 ^{[ 15⇓⇓⇓-19]} 。介质的理化性质及空间变异性主要为介质结构类型、孔隙度、渗透率空间变异性、土壤含水量、土壤吸附作用、有机质含量、土壤温度等,影响着有机物运移路径、运移速率、运移形态、空间展布,以及在气相、吸附相、溶解相和自由相之间的分配比例等 ^{[ 20⇓⇓⇓-24]} 。水动力条件包括地下水流速率、水流模式、降水入渗等,主要影响有机物的侧向迁移和包气带中的有机物残留量 ^{[ 15,25⇓⇓-28]} 。除此之外,环境中的微生物通过降解转化有机物和改变介质的理化性质及空间变异性两个方面直接或间接地影响有机物的运移、转化及赋存状态。

自然界中的微生物分布广泛、数量庞大且种类多样,能够通过自然筛选快速适应外界环境变化。自然条件下存在多种能够降解转化常见有机物的微生物,为了探究微生物对有机物的降解转化作用,许多学者开展了相应的研究工作,比如Zhang等 ^{[ 29]}  研究了 Acinetobacter baumannii  和 Talaromyces  sp . 两种菌共同作用下对原油的降解,研究表明真菌对正构烷烃的降解能力更强,而细菌对芳香烃和支链烷烃等其他成分的降解能力更强。细菌和真菌在降解过程中依靠酶系统的差异实现协同作用,共培养模式在碱性土壤中具有巨大的生物修复潜力。Ahmad ^{[ 30]} 利用微生物群落对苯并咪唑类杀菌剂2-苯并咪唑氨基甲酸甲酯 (MBC)进行生物降解,结果表明黑曲霉和黄曲霉成功去除了水样中的MBC。Xiong等 ^{[ 31]}  研究了芽孢杆菌GZT对2,4,6-三溴苯酚(TBP)的生物降解作用,结果表明通过添加NaCl、腐殖酸、乳酸钠和丙酸钠,尤其是葡萄糖和酵母提取物等物质进行生物强化的芽孢杆菌GZT能够有效地降解2,4,6-三溴苯酚(TBP)。Wang等 ^{[ 32]} 介绍了能够降解磺胺甲恶唑 (Sulfamethoxazole)的微生物,讨论了温度、pH值、初始磺胺甲恶唑浓度和额外碳源等因素对磺胺甲恶唑生物降解的影响,并总结了磺胺甲恶唑降解的代谢途径。刘月涵等 ^{[ 33]} 则研究了有氧条件下腐殖酸对镰刀菌ZH-H2降解老化污染土壤中4环芳烃的影响,研究结果表明腐殖酸可以有效促进镰刀菌ZH-H2降解4环芳烃的速度和效率。赵倩云等 ^{[ 34]} 则研究了硫酸盐对老化土壤中多环芳烃厌氧降解的影响,研究结果表明,随着硫酸盐浓度的增加,多环芳烃的降解率逐渐增加。随着研究的深入,有机物生物降解的影响因素也被充分揭示,主要为温度 ^{[ 35⇓⇓-38]} 、电子受体 ^{[ 39⇓⇓-42]} 、盐度与压力 ^{[ 37,43-44]} 、基质与性质 ^{[ 42,45⇓-47]} 。通常情况下,对于常见的有机污染物,能够降解的微生物不止一种且降解的路径多样,例如,石油烃可以被细菌、酵母菌和真菌以有氧或无氧的方式进行降解 ^{[ 48-49]} 。

微生物除了直接降解转化有机物之外,还能通过改变介质的理化性质和空间变异性间接影响有机污染物的迁移。在土壤介质中,微生物通常附着在颗粒表面生长繁殖,生物体的堆积会直接导致介质的孔隙体积变小、孔隙的曲率增加,甚至会堵塞一部分孔隙从而形成封闭空间,降低了介质的有效孔隙度,增加了渗透率的空间变异性 ^{[ 50⇓⇓⇓⇓-55]} 。另外,微生物在包气带中的生长繁殖会消耗水分, 而微生物堵塞也会降低土壤含水率 ^{[ 56]} ;微生物的呼吸作用会释放热量从而提高土壤温度 ^{[ 57-58]} ;微生物的死亡体累积会提高介质中的有机质含量 ^{[ 59]} 。

在Web of Science数据库核心合集中精确检索2000年至今微生物与有机物的相关研究,经过筛选后得到相关性较高的研究性论文50 109篇。利用VOSviewer对检索的文献进行关键词共现网络化关联研究及可视化( 图1 )。在 图1 中,黄色代表微生物群落相关研究,包括微生物群落多样性研究、基因多样性研究和生态系统研究等;蓝色代表物质迁移与转化研究,包括运移载体、氮循环过程、反硝化过程和生物反应过程等;绿色代表有机物相关研究,包括有机物种类及特征研究和有机物的生物降解研究等;紫色代表不同场景的研究,包括含水层、地下水、污染场地、砂柱实验和数值模拟实验等;红色代表影响因素研究,包括微生物群落结构的影响因素研究、有机物运移的影响因素研究、物质循环与转化的影响因素研究和自然条件变化的影响因素研究等。根据图标的大小及密度可以得出,近年来关于微生物和有机物的研究主要集中在微生物群落结构、有机物的生物降解及有机物的迁移转化3个方面及一系列的关联研究方面,例如微生物对有机物迁移、转化及降解的影响和有机物影响下的微生物群落结构及多样性的变化。文献计量分析结果表明,在微生物与有机物的研究中没有任何关于微生物场的内容。而微生物场在自然界中是客观存在的,其作为生态系统中的重要一环参与维护生态稳定及物质循环,且与自然界中的温度场、化学场等其他作用的耦合是发挥微生物生态环境功能的主要途径。因此,为了更加全面准确地分析微生物在生态环境系统中的角色及功能性,有必要开展关于微生物场的理论和应用研究。

图1    有机物与微生物研究主题共现网络关联图

2 有机物污染区域的微生物场

2.1 微生物场的概念模型

微生物场为特定介质中受底物种类及浓度、电子受体、温度、盐度、压力、pH值等多重因素综合影响下的微生物群落结构及时空分布。在环境稳定的原始场地中,多重因素的共同影响使得场地中的微生物种类及数量呈现一定规律的稳定分布特征。当有机污染发生时,微生物场也随之改变。有机污染物通常从地表或浅层土壤中开始泄漏下渗,在重力的作用下在包气带迁移。下渗过程中,非水相自由态的有机物逐渐转化为气相、残留相及吸附相,并保持多相间的动态平衡。若泄漏量足够多,非水相自由态的有机物会逐渐向下迁移至饱水带中,转化为溶解相和吸附相,并在多相间相互转化。其中,相对密度小于1的轻非水相有机物(LNAPLs)会浮于地下水面上,而重非水相有机物(DNAPLs)则会继续向下迁移,最终在渗透系数较低的相对隔水底板上蓄积。包气带中的有机物在挥发-扩散的作用下形成一定厚度的浓度逐渐降低的有机污染羽,同时,浮于地下水面上的LNAPLs在地下水流的作用下发生侧向运移且缓慢溶解于地下水中;饱水带中的DNAPLs在对流-弥散的作用下形成有机污染羽,同时,在地下水流和低渗透介质层坡度的共同作用下发生侧向运移,并持续而缓慢地溶解于地下水中 ^{[ 12,23,60⇓-62]} 。

有机污染场地微生物场的概念模型见 图2 。有机物的泄漏与运移在对场地生态系统中的微生物产生毒性的同时也提供了大量的碳源与能量,当有机物的浓度超过阈值后会抑制微生物的活性及生长繁殖。因此,微生物会在一定浓度范围的有机污染羽中大量生长繁殖,并在此过程中将有机物降解。微生物场则会在有机污染区表现出微生物群落结构、数量及功能性与有机物浓度之间的量化联系。在未受有机物污染的包气带中,微生物主要以好氧微生物为主,大部分微生物吸附在颗粒表面,此时的微生物场为环境背景值。在受到有机物污染的包气带中,微生物数量明显增加,且主要分布在有机污染羽中。此时,随着有机物浓度对氧气的阻隔作用增强,微生物群落主要组成逐渐由好氧菌转变为兼性厌氧菌、厌氧菌。在饱水带中,微生物数量主要受深度及有机物浓度影响,随着深度的增加,微生物从好氧菌逐渐向兼性厌氧菌、厌氧菌转变,且微生物的数量也会逐渐下降。

图2    微生物场参与下的多场耦合概念模型

污染场地介质理化性质及生化反应强度变化概念模型见 图3 。土壤-地下水系统中的氧气含量随着深度的增加而降低,导致微生物随着深度的增加逐渐由好氧菌转化为兼性厌氧菌和厌氧菌。在一定深度内,夏季系统中的温度随着深度的增加逐渐降低,而冬季系统中的温度则随着深度的增加逐渐升高,最终温度维持在一个稳定的区间内,微生物则会在适宜的温度区间保持着较高的活性。微生物降解和转化强度随着有机物浓度的增加先上升后下降,而超过一定深度后,系统中的整体生存环境限制了微生物的活性,此时有机物的浓度不再是影响微生物降解转化的主要因素。非生物参与下的化学反应及转化主要发生在有机物浓度较高的地方,随着有机物浓度的增加,其反应强度逐渐升高。

图3    污染场地介质理化性质及生化反应强度变化概念模型(常规有机污染物)

2.2 微生物场的影响因素

有机污染场地中的微生物场受到多种因素的共同影响,主要的影响因素包括温度、基质及性质、电子受体、盐度和压力4类。

2.2.1 温度

温度是影响有机污染场地中微生物场状态和功能的主要因素之一,过高或者过低的温度都不利于微生物场功能的发挥。污染场地介质中的温度呈现一定的梯度变化,即以温度场的形式影响着污染场地中的微生物群落结构和功能 ^{[ 35]} 。通常情况下,温度场可以通过影响污染场地中微生物的生长繁殖、有机物的理化性质及赋存介质的理化性质直接或间接地影响微生物场的状态及结构 ^{[ 38]} 。对于有机物,温度升高会增加疏水性污染物的溶解度,降低黏度,提高扩散能力,从而提高有机污染物的微生物可降解性 ^{[ 63-64]} 。因此,对于低温下的有机物污染的土壤或地下水(例如极地地区的土壤或寒冷季节的土壤),有机物的黏度增加,溶解性降低,扩散能力减小,这些因素导致有机物的生物降解性降低 ^{[ 64-65]} 。温度会影响土壤含水量、土壤团聚体的稳定性以及介质结构,这些因素的改变会影响有机物的迁移及微生物的生长分布。过高或者过低的温度都会降低微生物的生长繁殖及功能强度,从而直接影响微生物场的分布特征及功能状态。

2.2.2 基质及性质

在污染场地中,微生物的群落结构会根据有机物的种类及浓度发生演化,从而形成污染场地场景下特定的微生物场。大部分有机物对生物体都有一定的毒性,当有机物浓度超过一定范围时,会逐渐抑制微生物的活性及生长繁殖能力。因此,在有机物浓度较高的区域,微生物的数量较少,几乎不存在生物降解活动。为此,Admon等 ^{[ 66]} 研究了石油烃的浓度对微生物活动的影响,结果表明较高的石油烃浓度对微生物的影响是致命的,石油烃可限制微生物降解的潜力。然而,场地中的有机物浓度较低时也会限制微生物降解,这主要是由于没有足够的碳源支撑微生物的生长繁殖及活动 ^{[ 63]} 。因此,在有机污染场地中,污染羽外围的有机物浓度适中,能够在不毒害微生物的前提下为微生物的生长繁殖提供充足的碳源。此过程中,有机污染物含量随着微生物利用和降解逐渐降低。除了浓度,有机物的生物降解性还取决于其组成 ^{[ 67]} 。通常,生物降解率随着烃的分子量和化学结构复杂性的降低而增加 ^{[ 35,68]} 。例如,碳氢化合物的生物降解性可以排列为:直链烷烃>支链烷烃>低分子量烷基芳烃>单芳烃>环烷烃>多芳烃>>沥青质 ^{[ 42]} 。此外,有机物和污染场地的物理化学性质对于有机污染场地的微生物修复过程至关重要,这些因素能够影响任何场景下微生物场的结构、类型和功能强度 ^{[ 47,66]} 。

2.2.3 电子受体

电子受体是微生物生长繁殖和降解活动中的必需物质。氧气是最常见的电子受体,随着介质层深度的增加,氧气含量逐渐降低,而地下水面以下,氧气则以溶解氧的形式少量存在于地下水中。对于氧气含量较少甚至是无氧的区域,微生物则利用替代电子受体进行生命活动,例如硫酸盐、硝酸盐、铁 (III)、锰 (IV) 或二氧化碳 ^{[ 40-41,69⇓-71]} 。在污染场地中,进行有氧呼吸的微生物将氧气作为电子受体,以此来增加生物降解活性,从而强化对有机物的微生物降解能力 ^{[ 39]} 。有机污染物的运移与赋存会降低土壤透气性,从而限制微生物的生长繁殖及生物降解活动 ^{[ 40]} 。随着有机物的垂向运移,介质中的氧气含量逐渐降低,此时进行有氧呼吸的微生物量逐渐减少,而进行无氧呼吸的微生物则逐渐占据微生物群落的主体。因此,在有机污染场地中,电子受体影响下的微生物场具有显著的空间变异特征,即随着介质层深度的增加,微生物的种类逐渐由好氧菌转变为兼性厌氧菌,最终以厌氧菌为主。微生物的数量及活动强度则受电子受体含量的控制。

2.2.4 盐度和压力

较高的盐度和压力会影响生态系统中的微生物结构和功能,阻碍微生物生长繁殖及其代谢 ^{[ 37,72]} 。盐分通过限制微生物对水分的利用,导致微生物细胞内部离子浓度升高,而高离子浓度会降低酶活性甚至破坏细胞内稳态 ^{[ 73]} ,从而影响微生物多样性、群落结构、生物降解能力及物质循环强度 ^{[ 74⇓⇓⇓-78]} 。高压作用会使微生物的细胞形态、细胞膜、芽孢、生化反应及遗传机制等发生一系列的变化,从而影响微生物的活性及功能。有关盐度和压力对有机污染物生物降解影响的研究工作开展已久 ^{[ 43-44,67,79]} 。其中,Atlas ^{[ 67]} 指出盐度和压力是典型生态系统的特定特征,例如盐湖或深海,它们代表可能被有机物污染的特定环境。Minai-Tehrani 等 ^{[ 79]} 通过4个月的对比实验,结果发现在没有添加NaCl的原油污染土壤样品中,微生物降解率达到41%,而在添加50 g/L NaCl的污染土壤样品中,相同时间内微生物降解率只有12%。Schwarz等 ^{[ 80-81]} 使用深海沉积物细菌的混合培养物在高压(49.5 MPa或50 MPa)和大气温度(4 ℃)下对十四烷、十六烷和混合烃底物进行生物降解实验,结果显示,在高压环境下微生物对碳氢化合物污染物的降解速率非常缓慢。

2.3 微生物场参与下的多场耦合

自然界中的微生物场不同于水动力场、温度场和化学场,非特定情况下,系统内的微生物无论是群落结构还是生物量都不会呈现出连续的梯度变化趋势。即使在同一系统中相邻较近的两个点位,其微生物群落结构及生物量也会存在较大差异,但这种差异的背后一定存在某种内在联系,即主要影响因素。例如有机污染场地中,有机污染羽中的微生物在充足的碳源与能量供应下会快速生长繁殖,并在有机污染物的筛选作用下,微生物的群落结构会发生变化。此时,有机污染羽中的微生物群落结构与生物量与非污染羽部分的微生物差异很大,而有机物的浓度即为主要影响因素。因此,微生物群落结构与生物量差异背后的影响机制可以成为构建微生物场数学模型的路径,即多影响因素集成的微生物场数学方程。如下所示:

上式中:B为微生物含量,包括吸附态微生物(B _s )和自由态微生物(B _ns ),(kg-生物)量/(kg-液体);Y为生产系数,(kg-生物量)/(kg-基质);μ _{max ,B} 为生物量最大比底物利用率,(kg-基质)/(kg-生物量);I _R ,I _NR 分别为竞争性和非竞争性抑制因子;f _T 、f _CW 分别为温度、水相饱和度的抑制因子;C为底物浓度,(kg-基质)/(kg-液体);K _C 为底物半饱和常数,(kg-基质)/(kg-液体);I _H 为毒性作用产生的卤烷抑制因子,(kg-溶质)/(kg-液体);E为EA浓度,(kg-EA)/(kg-液体);K _EA 为EA半饱和常数,(kg-EA)/(kg-液体);I _B 为生物质生长抑制因子; δ 为一级生物量死亡率常数, s ^-1 ;K _R , K _NR  分别为竞争性和非竞争性的半饱和常数,(kg-基质)/(kg-液体);K _Bio 为生物量抑制常数,(kg-生物量)/(kg-液体);K _H 为Haldane 抑制常数,(kg-基质)/(kg-液体);D _xx , D _yy , D _zz 分别为水动力弥散系数D在3个坐标轴上的分量, m ² /s;v _x ,v _y ,v _z 分别为间隙微生物速度v在3个坐标轴上的分量,m/s;f _s 代表吸附态微生物由于生长繁殖死亡引起的生物量的变化;f _ns 代表自由态微生物由于生长繁殖死亡引起的生物量的变化。

(2)微生物场与水动力场、温度场、化学场之间的耦合。

图4    多场耦合的本构模型

式(7)中:f _g 为有机物浓度与生物量之间的量化方程;φ为有机物浓度影响下的单位生物量的有机物降解系数。对于微生物场与化学场之间的耦合,有机物为微生物生长繁殖提供碳源与能量,有机物浓度过高时会对微生物产生毒性从而抑制微生物的活性及生长繁殖。有机物浓度过低时无法为微生物的生长繁殖提供足够的碳源,从而抑制微生物量的增加。微生物生长繁殖会降解相关有机物,从而降低有机物的浓度。

多场耦合条件下,土壤-地下水系统中微生物的生物量受地下水流速及污染物种类、浓度影响(控制微生物的数量及群落结构),温度则影响微生物的活跃性。地下水流速受到有机物、微生物代谢产物的堵塞影响,温度则通过气压影响流速。污染物的迁移分布受微生物降解、地下水流速的影响,温度则通过弥散影响有机物的分布。温度受微生物生长及有机物降解转化过程中吸放热的影响,地下水流速则通过水循环影响温度的空间分布。

3 结论及展望

有机物污染日益成为一个全球性的环境问题,而修复有机污染场地则是一个紧迫的现实问题。更好地理解场地尺度的微生物对有机物迁移转化的影响具有重要的生态学及环境学意义,这是由于自然环境中存在能够降解各类有机物的微生物群落,并且表现良好。自然环境中的微生物通常是以“场”的形式对有机物迁移转化发挥作用,然而目前关于微生物场及其作用(包括微生物场的形成机制及功能性机制)的了解有限,导致微生物在场地污染修复中的潜力没能得到充分的挖掘。通过现有研究可以得出,微生物场可以被视为有机污染物修复与管控策略的关键组成部分。

在将微生物场成功应用于实际场地应用研究之前,需要开展一些必要的基础研究,如:

(1)构建精确的微生物场概念模型和数学模型;

(2)通过室内外实验研究微生物场的影响因素与影响机制;

(3)在微生物场的理论体系中,按照不同场景对微生物场进行精确调控,并研发不同场景下的多场耦合模型;

(4)开发微生物场参与下的多场耦合模拟软件,并应用于场地尺度的微生物相关模拟;

(5)利用微生物场的相关理论实现实际场地的微生物修复与管控。

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