論文摘要：綜述了地下含水層係統中微生物作用。引用研究實例論述了微生物作用不但可以改變地下水化學組分，而且還可以改變含水層的水力性質。微生物作用對地下水係統的影響程度主要受微生物代謝速度､水文地質條件､含水層岩性等多種因素控製。地下水係統中電子供體與電子受體間的豐度關係是影響微生物代謝速度的主要因素。在未汙染的含水層中，電子供體的可用性限製了微生物的新陳代謝，而在人類活動汙染的含水層中，微生物的新陳代謝受電子受體的可用性的限製。利用微生物作用可以降解地下水係統中氯代化溶劑､烴類､硝酸鹽､有毒金屬等多種化學汙染物。並對今後的發展方向進行了探討。
1 引 言
地下水係統具備了微生物生長發育所需的營養､水分､酸堿度､滲透壓和溫度等條件，為微生物提供了良好的生存場所。微生物(主要指各種細菌菌群，如異養菌､自養菌､好氧菌､厭氧菌等)成為地下水生態係統中主要生命組分，是地下水演化過程的重要影響因子，在地下水係統的能量轉換､物質循環､營養輸送､信息貯存以及元素形態的轉化､聚集和遷移中微生物都起著極其重要的媒介作用。地下水化學性質的演變中微生物的控製和改造是其主要因素之一。
地下水係統是一個複雜綜合體，包括了地下水流經的介質，地下水中各種物理化學成分和地表的天然通道等。加之人類對地下水的開發利用活動已經並將繼續改變地下水環境，如地下水的汙染､過量的開采以及其它流體礦產的開發等都對地下水係統的天然環境產生影響。環境因素的變化相應地也影響了地下水中生物的生存條件，導致微生物的形態､生理､遺傳特性的改變，促使各類微生物不斷演替。地下水係統中各種環境因素又是製約微生物生長､繁殖的重要因素。
地下水微生物學是地下水科學與微生物學緊密結合而形成的一門新興學科，它將地下水視為一個有生命的係統加以研究，主要研究與認知微生物生命過程與地下水化學密切相關的科學問題，是研究微生物活動與地下水環境相互關係的科學，也就是探索微生物直接參與地下水化學形成演化過程的微生物地球化學作用，是地下水科學研究的前沿領域。
2 微生物作用改變地下水化學組成
早在1900年人們就發現未受汙染時含有高濃度硫酸鹽的地下水，受石油汙染後卻常常缺少溶解性硫酸鹽。1917年Rogers首次提出這是硫酸鹽還原菌新陳代謝的作用所致。這個假設在從受石油汙染的水中分離出硫酸鹽還原菌時得到證實。在以後的幾十年裏，很多學者對地下水化學組成的微生物影響作用進行研究後認為，微生物對地下水化學組成具有重要影響作用(Chapelle 2000)。如，鍾佐燊(2001)研究認為，在石油烴汙染的地下含水層中，如果發生了生物降解反應，則其水文地球化學標誌是：水中溶解氧很微，NO-3和SO2- 4明顯降低，Fe2+ 和HCO-3升高，出現HS-或H2S 和CH4。
地下水係統中電子供體與電子受體間的豐度關係是影響微生物代謝速度的主要因素。在未汙染的含水層中，電子供體的可用性限製了微生物的新陳代謝，溶解性無機碳沿著含水層流動路徑慢慢聚積，可用的電子受體依照溶解氧>硝酸鹽>三價鐵>硫酸鹽>二氧化碳(甲烷生成)的次序不斷被消耗。在人類活動汙染的含水層中，常存在過剩的可用有機碳，電子受體的可用性限製微生物的新陳代謝。
美國南卡羅萊納州Black Creek含水層是區域地下水化學類型變化受電子供體限製的很好例子。McMahon等(McMahon 1991a1991b，Chapelle 1990)對該係統進行詳細研究後，描述了微生物作用對含水層地下水化學組成的影響。該水文地質單元，水流從補給區向下遊150 km到排泄區，溶解性無機碳濃度從不到1 mM/L 增加到超過12 mM/L。由微生物代謝作用產生的溶解性無機碳促進了含水層中碳酸鹽的溶解，根據公式：CaCO3 (碳酸鹽)+CO2 (微生物)→Ca2+ +2HCO-3計算得出，大約一半的溶解性無機碳來自微生物代謝作用(約6 mM)，有研究表明該地區地下水補給大約需要用15萬a，由此推出，微生物代謝作用產生溶解性無機碳的速率約為10-4 mM/L•a。因此，盡管沿地下水流溶解性無機碳濃度增加很大，但微生物代謝速度很低(Chapelle 1990)。其主要原因是，含水層中可代謝的有機碳含量低。McMahon(1992)研究認為，Black Creek含水層中有機碳含量隻占沉積物幹重的0.1±1.0%。由於低速率的微生物代謝作用，係統中可用電子受體的量(O2､Fe3+､硫酸鹽和CO2)相對有機碳來說是豐富的。
當地下水係統中可用有機碳的含量很高時，可用電子受體缺乏會限製微生物代謝作用。電子受體受限的含水層包括泥炭含水層(普遍在北半球)，石油儲存地，和由人類活動引起化學汙染的含水層。1979年美國明尼蘇達州管道爆裂泄漏大約10萬加侖的原油到一個冰水沉積含水層。泄漏時，由於與大氣快速交換，以及含水層天然有機碳含量低，地下水呈飽和溶解氧狀態(約10 mg/L)。隨著可代謝碳的突然流入，油積聚在水麵，氧被迅速消耗，並形成三價鐵還原條件。泄漏後5年，在油透鏡體附近含水層中氫氧化鐵被耗盡，甲烷生成成為一個重要作用。這個受原油泄漏汙染的淺層含水層是電子受體受限含水層最好例證之一(Baedecker 1993)。
由於原油泄漏電子供體過剩，在最接近汙染源的Bemidji含水層，其水化學特征主要為甲烷生成環境，其次為硫酸鹽還原，鐵還原，和低溶解氧環境。該含水層與Black Creek 含水層的情況完全相反，Black Creek 含水層甲烷生成的地方遠離補給區。而Bemidji含水層的硫酸鹽相對較少，硫酸鹽還原不是主要的作用。這種氧化還原作用的次序是電子受體受限的地下水係統的特征，常見於受石油烴汙染的地下水係統。
3 微生物作用改變含水層水力性質
微生物作用除影響地下水化學組分以外，也影響地下水係統的物理性質。地質學家很早就知道在非孔隙岩中，次生孔隙能提高含水層的水力性質，還可以積聚石油。人們通過大量的同位素和質量平衡研究得出，有機物的去碳酸基和其它無機作用不能解釋許多係統中的次生孔隙現象(Lundergard 1986)。由於大多數含水層係統中存在大量具有活性的不同微生物種群，微生物代謝作用引起人們的關注，大量研究表明微生物作用能引起矽酸鹽和碳酸鹽岩中次生孔隙產生(Bennett 1987，Chapelle 1988)。地下水中硫酸鹽在有脫硫細菌參與和有機質存在的條件下發生還原反應而產生H2S(Na2SO4+2H2O+2C→2NaHCO3+H2S)，這個反應有溶解硫酸鹽的作用，反應產生的H2S 溶於水中也具有溶解碳酸鹽等礦物的能力(李義軍 2002)。
微生物作用除顯著改變了Black Creek 含水層水化學組分外，也改變了這個含水層的水力性質。沿水流路徑的岩心資料顯示了一個顯著的岩性變化。在補給區，不存在次生晶粒間的方解石膠結物。在補給區和排泄區的中間區域，南卡羅萊納州萊克市常見方解石膠結物。在排泄區附近，南卡羅萊納州萊克市Myrtle 海灘，50%的厚層含水層被晶粒間的方解石膠結。McMahon等研究了微生物作用引起Black Creek含水層孔隙的填充現象。該研究表明，Black Creek含水層的砂中含有機碳少，而相鄰的狹窄的層中含有豐富的有機碳。隔水層有機碳的發酵使有機酸在隔水層孔隙水中積聚。有機酸擴散到Black Creek含水層，進而氧化為二氧化碳，引起大量的碳從隔水層遷移到含水層。二氧化碳同含水層物質反應產生碳酸鹽和重碳酸鹽。這個作用導致部分含水層次生孔隙產生。然而，當碳酸鹽和重碳酸鹽在溶液中積聚､運移，地下水的方解石變得過飽和時，就會在含水層的其它部位沉澱下來。由於豐富的晶粒間的方解石膠結物填充了含水層係統的主要孔隙，Black Creek含水層孔隙性減少，透水性降低，以至不能滿足當地用水需求。
有實驗表明，二氧化碳和有機酸的產物能增加礦物的溶解，引起次生孔隙性和滲透性的發展。而碳酸鹽､鐵和硫酸鹽微生物產物能引起方解石或黃鐵礦的沉澱，降低地下水係統的原生孔隙性和滲透性。也就是說，微生物既能破壞(Lundergard 1986)也能提高(Hiebert 199 McMahon 1995)含水層沉積物孔隙性。
4 汙染修複中的微生物作用
現代社會產生了大量的化學產品，許多有毒有害的物質被人類有意或無意地投放到地下水係統中，地下水受到嚴重汙染，地下水質量日益惡化。近年來，生物降解技術以其可在汙染現場進行修複､可在難以處理的地方進行修複､在生物修複時不影響場地內正常生產､對汙染地的幹擾或破壞小､處理後的產物無二次汙染､降解過程快､費用低等諸多優點受到世界各國環境科學界的廣泛關注，激發了人們對汙染修複中微生物作用的研究興趣。
對汙染地下水進行原位生物修複時，好氧微生物通過將有機化合物氧化成二氧化碳而獲取能量，其中氧為電子受體，當地下存在氧時，好氧微生物可將有機汙染物氧化成二氧化碳，從而使汙染地下水淨化。厭氧微生物也能將有機化合物氧化成二氧化碳，但其作用過程中的電子受體不是氧，而是以硝酸鹽､硫酸鹽或Fe3+等氧化物作為電子受體。由於許多受汙染的地下水環境中缺乏氧，好氧微生物在代謝過程中很快將氧耗盡，此時，好氧微生物將無法對汙染物進一步降解。厭氧微生物不同的代謝能力，在汙染地下水修複方麵顯示了巨大的潛力。最新研究表明，厭氧微生物可有效降解地下水中烴類､氯化溶劑､硝酸鹽以及鈾､鉻､锝､鈷､硒有毒金屬和準金屬等汙染物。
在1973年，人們首次發現了淺層地下水中的土著微生物對石油的降解能力，不久，生物降解被用於提高汽油汙染的含水層的淨化。自那以後，人們開始使用生物降解地下水係統中各種常見化學汙染物，包括氯代化溶劑。
地下水中石油烴的汙染主要來自汽油及其它石油產品的地下儲罐的滲漏。其主要汙染組分為苯､甲苯､乙苯和二甲苯。生物降解石油烴的實質是在微生物參於下的氧化還原反應。該反應中電子供體烴給出電子，好氧菌僅利用氧作為電子受體，而厭氧菌則可利用NO-3､Fe3+､SO2-4和CO2 作為電子受體。美國密執按州使用原位生物修複技術，成功修複了由於地下儲油罐漏油受到嚴重汙染的包氣帶及含水層。其方法是：在汙染區，首先注入未汙染地下水42 d，第43 d開始注入含NO-3的地下水，到第112 d基本清除了汙染物。結果表明： 地下水中，苯從0.76 mg/L降至小於0.001 mg/L ，甲苯從4.5 mg/L 降至小於0.001 mg/L；包氣帶土壤中，苯從0.84 mg/kg降至0.017 mg/kg ，甲苯從33 mg/kg 降至0.103 6 mg/kg(鍾佐燊 2001)。
多環芳烴具有毒性，對人類健康造成的危害大，尤其是高分子多環芳烴的致突變與致癌特性。多環芳烴生物降解研究日益受到了人們的重視。近年來人們對微生物降解多環芳烴的作用､機理進行了廣泛的研究，研究結果表明，對可降解多環芳烴的微生物有紅球菌屬( Rhodococ2cus) ､假單胞菌屬( Pseudomonas ) ､分枝杆菌( My2cobacterium) ､芽孢杆菌屬( Bacill us ) ､黃杆菌屬( Flavobacterium) ､氣單胞菌屬( Aeromonas ) ､拜葉林克氏菌屬( Beijernckia ) ､棒狀杆菌屬( Corynebacterium) ､藍細菌( Cyanobacteria) ､微球菌屬( Micrococcus ) ､諾卡氏菌屬( Nocardia) 和弧菌屬( V Ibrio)等(溫洪宇 2005)。利用微生物去除地下水中的多環芳烴不會造成二次汙染，費用低，易操作，是去除多環芳烴的最佳方法。
飲用水中過量的硝酸鹽能夠引起嬰幼狼高鐵血紅蛋白血症，我國許多地區淺層地下水已普遍受到硝酸鹽不同程度的汙染。張勝(2005)對地下水硝酸鹽汙染的微生物修複技術進行了研究。通過兩年多的室內和野外原位的大量試驗研究，優選出反硝化菌液和增強地下水中微生物反硝化作用的營養碳源乙醇､乙酸鈉，利用乙酸鈉作為營養碳源在野外試驗井進行原位微生物脫氮試驗，對地下水中NO-3的去除率可達98%。研究結果得出，利用優選反硝化菌液和乙酸鈉營養碳源對地下水硝酸鹽汙染修複效果好，在大麵積土體和地下水汙染原位修複技術實施是可行的､有效的，它不僅可以在原位有效地修複土壤､包氣帶的硝態氮汙染，而且還可以增加土壤的肥力及氮肥的利用率，無負麵作用，對修複汙染､保護地下水資源和農作物增產都具有重要意義。
5 影響微生物作用的地下水環境因素
微生物作用對地下水係統的影響程度主要受微生物代謝速度，水文地質條件，含水層的岩性等多種因素的控製。
張宗祜，任福弘等(2006)為研究氮素的生物化學循環問題，通過對河北正定野外試驗場貫穿包氣帶的18.5 m的鑽孔剖麵土樣的水理性質､地球化學成分､有機質含量的測試和微生物的培養鑒定，發現包氣帶土體的各類細菌在整個包氣帶均有分布，但隨著岩性､物理化學條件的變化，而顯現出不同的細菌含量，特別是在幾個層次上出現細菌含量高的活化層。它的出現充分說明了細菌在包氣帶中分布，不是受深度變化所控製，而是受其環境條件所製約，如含水量､營養元素､土體岩性等。這一研究成果為今後深入研究地下水係統中微生物的作用奠定了良好的基礎。
McMahon(2001)研究了含水層和弱透水層交界麵上的幾個重要生物地球化學反應，包括氧還原､反硝化作用和Fe3+､SO 2-4和 CO2還原(甲烷生成)。研究表明，一些地方，生物地球化學反應發生在交界麵的弱透水層麵，電子受體從含水層運移到電子供體豐富的弱透水層裏。另一些地方，生物地球化學反應發生在交界麵的含水層一方，電子供體(有時是電子受體)從弱透水層運移到電子受體或微生物豐富的含水層裏。影響含水層/弱透水交界麵發生生物地球化學反應範圍的因素有，交界麵兩邊電子受體和電子供體的豐度和可溶性，電子受體和電子供體反應和越過界麵的速度。
6 展 望
地下水沉積物無菌取樣方法的發展完善和微生物綜合評價方法的建立，使微生物代謝作用對地下水地球化學的影響被廣泛認識。隨著當今社會科學技術的不斷進步，地下水微生物地球化學的研究技術也日益得到提高和改進。首先，人們可以利用電子顯微鏡､能普､電子探針､離子探針､質子探針來觀察和分析細胞內部的結構､成分。第二，微生物生態學研究的新技術被用於地下水微生物研究中。如，人們在研究汙染或未汙染含水層生物群落組成研究中開始使用磷脂脂肪酸分析方法(PLFA)，該方法是基於生物化學手段的一種微生物生態學研究新技術，它具有對細胞生理活性沒有特殊的要求，對樣品保存時間要求不高､不需要進行微生物培養等優點。它能提供微生物群落生物量及其時､空變化､群落結構和功能等多種微生物信息，是一種快捷､可靠的分析方法。.再如，人們通過基因工程，在DNA的分子水平上動手術，使某種細胞結構的基因轉到另一種細胞中去，而使之具有新的遺傳性狀。
隨著我國環境科學界對地下水微生物作用研究的日益關注，我國地下水微生物地球化學､微生物工程學､微生物環境工程學將會作為重點發展學科被大力扶持，地下水微生物的基礎研究應得到優先發展，尤其是在地下水環境中微生物的種類､形態､分布特征､營養和生長的一般規律，微生物的代謝､演替和調控，微生物的基因及其所攜帶的遺傳信息表達等研究方麵，從基礎研究中尋找提高地質微生物地球化學作用的研究途徑和方法。地下水微生物研究將進一步與地質學､微生物學､環境生態學､環境微生態學､環境地質學､水文地質學､生物化學等基礎科學的研究交叉與合作，對基礎科學的發展提供動力和應用的驗證方法。
作者：李政紅 張翠雲 張 勝 殷密英 馬琳娜 郭秀紅《南水北調與水利科技》
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