地下水微生物学研究进展综述

论文摘要：综述了地下含水层系统中微生物作用。引用研究实例论述了微生物作用不但可以改变地下水化学组分，而且还可以改变含水层的水力性质。微生物作用对地下水系统的影响程度主要受微生物代谢速度､水文地质条件､含水层岩性等多种因素控制。地下水系统中电子供体与电子受体间的丰度关系是影响微生物代谢速度的主要因素。在未污染的含水层中，电子供体的可用性限制了微生物的新陈代谢，而在人类活动污染的含水层中，微生物的新陈代谢受电子受体的可用性的限制。利用微生物作用可以降解地下水系统中氯代化溶剂､烃类､硝酸盐､有毒金属等多种化学污染物。并对今后的发展方向进行了探讨。 　　

　　1 引 言 　　

　　地下水系统具备了微生物生长发育所需的营养､水分､酸碱度､渗透压和温度等条件，为微生物提供了良好的生存场所。微生物(主要指各种细菌菌群，如异养菌､自养菌､好氧菌､厌氧菌等)成为地下水生态系统中主要生命组分，是地下水演化过程的重要影响因子，在地下水系统的能量转换､物质循环､营养输送､信息贮存以及元素形态的转化､聚集和迁移中微生物都起着极其重要的媒介作用。地下水化学性质的演变中微生物的控制和改造是其主要因素之一。

　　地下水系统是一个复杂综合体，包括了地下水流经的介质，地下水中各种物理化学成分和地表的天然通道等。加之人类对地下水的开发利用活动已经并将继续改变地下水环境，如地下水的污染､过量的开采以及其它流体矿产的开发等都对地下水系统的天然环境产生影响。环境因素的变化相应地也影响了地下水中生物的生存条件，导致微生物的形态､生理､遗传特性的改变，促使各类微生物不断演替。地下水系统中各种环境因素又是制约微生物生长､繁殖的重要因素。

　　地下水微生物学是地下水科学与微生物学紧密结合而形成的一门新兴学科，它将地下水视为一个有生命的系统加以研究，主要研究与认知微生物生命过程与地下水化学密切相关的科学问题，是研究微生物活动与地下水环境相互关系的科学，也就是探索微生物直接参与地下水化学形成演化过程的微生物地球化学作用，是地下水科学研究的前沿领域。　　

　　2 微生物作用改变地下水化学组成 　　

　　早在1900年人们就发现未受污染时含有高浓度硫酸盐的地下水，受石油污染后却常常缺少溶解性硫酸盐。1917年Rogers首次提出这是硫酸盐还原菌新陈代谢的作用所致。这个假设在从受石油污染的水中分离出硫酸盐还原菌时得到证实。在以后的几十年里，很多学者对地下水化学组成的微生物影响作用进行研究后认为，微生物对地下水化学组成具有重要影响作用(Chapelle 2000)。如，钟佐燊(2001)研究认为，在石油烃污染的地下含水层中，如果发生了生物降解反应，则其水文地球化学标志是：水中溶解氧很微，NO-3和SO2- 4明显降低，Fe2+ 和HCO-3升高，出现HS-或H2S 和CH4。

　　地下水系统中电子供体与电子受体间的丰度关系是影响微生物代谢速度的主要因素。在未污染的含水层中，电子供体的可用性限制了微生物的新陈代谢，溶解性无机碳沿着含水层流动路径慢慢聚积，可用的电子受体依照溶解氧>硝酸盐>三价铁>硫酸盐>二氧化碳(甲烷生成)的次序不断被消耗。在人类活动污染的含水层中，常存在过剩的可用有机碳，电子受体的可用性限制微生物的新陈代谢。

　　美国南卡罗莱纳州Black Creek含水层是区域地下水化学类型变化受电子供体限制的很好例子。McMahon等(McMahon 1991a1991b，Chapelle 1990)对该系统进行详细研究后，描述了微生物作用对含水层地下水化学组成的影响。该水文地质单元，水流从补给区向下游150 km到排泄区，溶解性无机碳浓度从不到1 mM/L 增加到超过12 mM/L。由微生物代谢作用产生的溶解性无机碳促进了含水层中碳酸盐的溶解，根据公式：CaCO3 (碳酸盐)+CO2 (微生物)→Ca2+ +2HCO-3计算得出，大约一半的溶解性无机碳来自微生物代谢作用(约6 mM)，有研究表明该地区地下水补给大约需要用15万a，由此推出，微生物代谢作用产生溶解性无机碳的速率约为10-4 mM/L•a。因此，尽管沿地下水流溶解性无机碳浓度增加很大，但微生物代谢速度很低(Chapelle 1990)。其主要原因是，含水层中可代谢的有机碳含量低。McMahon(1992)研究认为，Black Creek含水层中有机碳含量只占沉积物干重的0.1±1.0%。由于低速率的微生物代谢作用，系统中可用电子受体的量(O2､Fe3+､硫酸盐和CO2)相对有机碳来说是丰富的。

　　当地下水系统中可用有机碳的含量很高时，可用电子受体缺乏会限制微生物代谢作用。电子受体受限的含水层包括泥炭含水层(普遍在北半球)，石油储存地，和由人类活动引起化学污染的含水层。1979年美国明尼苏达州管道爆裂泄漏大约10万加仑的原油到一个冰水沉积含水层。泄漏时，由于与大气快速交换，以及含水层天然有机碳含量低，地下水呈饱和溶解氧状态(约10 mg/L)。随着可代谢碳的突然流入，油积聚在水面，氧被迅速消耗，并形成三价铁还原条件。泄漏后5年，在油透镜体附近含水层中氢氧化铁被耗尽，甲烷生成成为一个重要作用。这个受原油泄漏污染的浅层含水层是电子受体受限含水层最好例证之一(Baedecker 1993)。

　　由于原油泄漏电子供体过剩，在最接近污染源的Bemidji含水层，其水化学特征主要为甲烷生成环境，其次为硫酸盐还原，铁还原，和低溶解氧环境。该含水层与Black Creek 含水层的情况完全相反，Black Creek 含水层甲烷生成的地方远离补给区。而Bemidji含水层的硫酸盐相对较少，硫酸盐还原不是主要的作用。这种氧化还原作用的次序是电子受体受限的地下水系统的特征，常见于受石油烃污染的地下水系统。　　

　　3 微生物作用改变含水层水力性质 　　

　　微生物作用除影响地下水化学组分以外，也影响地下水系统的物理性质。地质学家很早就知道在非孔隙岩中，次生孔隙能提高含水层的水力性质，还可以积聚石油。人们通过大量的同位素和质量平衡研究得出，有机物的去碳酸基和其它无机作用不能解释许多系统中的次生孔隙现象(Lundergard 1986)。由于大多数含水层系统中存在大量具有活性的不同微生物种群，微生物代谢作用引起人们的关注，大量研究表明微生物作用能引起硅酸盐和碳酸盐岩中次生孔隙产生(Bennett 1987，Chapelle 1988)。地下水中硫酸盐在有脱硫细菌参与和有机质存在的条件下发生还原反应而产生H2S(Na2SO4+2H2O+2C→2NaHCO3+H2S)，这个反应有溶解硫酸盐的作用，反应产生的H2S 溶于水中也具有溶解碳酸盐等矿物的能力(李义军 2002)。

　　微生物作用除显著改变了Black Creek 含水层水化学组分外，也改变了这个含水层的水力性质。沿水流路径的岩心资料显示了一个显著的岩性变化。在补给区，不存在次生晶粒间的方解石胶结物。在补给区和排泄区的中间区域，南卡罗莱纳州莱克市常见方解石胶结物。在排泄区附近，南卡罗莱纳州莱克市Myrtle 海滩，50%的厚层含水层被晶粒间的方解石胶结。McMahon等研究了微生物作用引起Black Creek含水层孔隙的填充现象。该研究表明，Black Creek含水层的砂中含有机碳少，而相邻的狭窄的层中含有丰富的有机碳。隔水层有机碳的发酵使有机酸在隔水层孔隙水中积聚。有机酸扩散到Black Creek含水层，进而氧化为二氧化碳，引起大量的碳从隔水层迁移到含水层。二氧化碳同含水层物质反应产生碳酸盐和重碳酸盐。这个作用导致部分含水层次生孔隙产生。然而，当碳酸盐和重碳酸盐在溶液中积聚､运移，地下水的方解石变得过饱和时，就会在含水层的其它部位沉淀下来。由于丰富的晶粒间的方解石胶结物填充了含水层系统的主要孔隙，Black Creek含水层孔隙性减少，透水性降低，以至不能满足当地用水需求。

　　有实验表明，二氧化碳和有机酸的产物能增加矿物的溶解，引起次生孔隙性和渗透性的发展。而碳酸盐､铁和硫酸盐微生物产物能引起方解石或黄铁矿的沉淀，降低地下水系统的原生孔隙性和渗透性。也就是说，微生物既能破坏(Lundergard 1986)也能提高(Hiebert 199 McMahon 1995)含水层沉积物孔隙性。

　　4 污染修复中的微生物作用 　　

　　现代社会产生了大量的化学产品，许多有毒有害的物质被人类有意或无意地投放到地下水系统中，地下水受到严重污染，地下水质量日益恶化。近年来，生物降解技术以其可在污染现场进行修复､可在难以处理的地方进行修复､在生物修复时不影响场地内正常生产､对污染地的干扰或破坏小､处理后的产物无二次污染､降解过程快､费用低等诸多优点受到世界各国环境科学界的广泛关注，激发了人们对污染修复中微生物作用的研究兴趣。

　　对污染地下水进行原位生物修复时，好氧微生物通过将有机化合物氧化成二氧化碳而获取能量，其中氧为电子受体，当地下存在氧时，好氧微生物可将有机污染物氧化成二氧化碳，从而使污染地下水净化。厌氧微生物也能将有机化合物氧化成二氧化碳，但其作用过程中的电子受体不是氧，而是以硝酸盐､硫酸盐或Fe3+等氧化物作为电子受体。由于许多受污染的地下水环境中缺乏氧，好氧微生物在代谢过程中很快将氧耗尽，此时，好氧微生物将无法对污染物进一步降解。厌氧微生物不同的代谢能力，在污染地下水修复方面显示了巨大的潜力。最新研究表明，厌氧微生物可有效降解地下水中烃类､氯化溶剂､硝酸盐以及铀､铬､锝､钴､硒有毒金属和准金属等污染物。

　　在1973年，人们首次发现了浅层地下水中的土著微生物对石油的降解能力，不久，生物降解被用于提高汽油污染的含水层的净化。自那以后，人们开始使用生物降解地下水系统中各种常见化学污染物，包括氯代化溶剂。

地下水中石油烃的污染主要来自汽油及其它石油产品的地下储罐的渗漏。其主要污染组分为苯､甲苯､乙苯和二甲苯。生物降解石油烃的实质是在微生物参于下的氧化还原反应。该反应中电子供体烃给出电子，好氧菌仅利用氧作为电子受体，而厌氧菌则可利用NO-3､Fe3+､SO2-4和CO2 作为电子受体。美国密执按州使用原位生物修复技术，成功修复了由于地下储油罐漏油受到严重污染的包气带及含水层。其方法是：在污染区，首先注入未污染地下水42 d，第43 d开始注入含NO-3的地下水，到第112 d基本清除了污染物。结果表明： 地下水中，苯从0.76 mg/L降至小于0.001 mg/L ，甲苯从4.5 mg/L 降至小于0.001 mg/L；包气带土壤中，苯从0.84 mg/kg降至0.017 mg/kg ，甲苯从33 mg/kg 降至0.103 6 mg/kg(钟佐燊 2001)。

　　多环芳烃具有毒性，对人类健康造成的危害大，尤其是高分子多环芳烃的致突变与致癌特性。多环芳烃生物降解研究日益受到了人们的重视。近年来人们对微生物降解多环芳烃的作用､机理进行了广泛的研究，研究结果表明，对可降解多环芳烃的微生物有红球菌属( Rhodococ2cus) ､假单胞菌属( Pseudomonas ) ､分枝杆菌( My2cobacterium) ､芽孢杆菌属( Bacill us ) ､黄杆菌属( Flavobacterium) ､气单胞菌属( Aeromonas ) ､拜叶林克氏菌属( Beijernckia ) ､棒状杆菌属( Corynebacterium) ､蓝细菌( Cyanobacteria) ､微球菌属( Micrococcus ) ､诺卡氏菌属( Nocardia) 和弧菌属( V Ibrio)等(温洪宇 2005)。利用微生物去除地下水中的多环芳烃不会造成二次污染，费用低，易操作，是去除多环芳烃的最佳方法。

　　饮用水中过量的硝酸盐能够引起婴幼狼高铁血红蛋白血症，我国许多地区浅层地下水已普遍受到硝酸盐不同程度的污染。张胜(2005)对地下水硝酸盐污染的微生物修复技术进行了研究。通过两年多的室内和野外原位的大量试验研究，优选出反硝化菌液和增强地下水中微生物反硝化作用的营养碳源乙醇､乙酸钠，利用乙酸钠作为营养碳源在野外试验井进行原位微生物脱氮试验，对地下水中NO-3的去除率可达98%。研究结果得出，利用优选反硝化菌液和乙酸钠营养碳源对地下水硝酸盐污染修复效果好，在大面积土体和地下水污染原位修复技术实施是可行的､有效的，它不仅可以在原位有效地修复土壤､包气带的硝态氮污染，而且还可以增加土壤的肥力及氮肥的利用率，无负面作用，对修复污染､保护地下水资源和农作物增产都具有重要意义。　　

　　5 影响微生物作用的地下水环境因素　　

　　微生物作用对地下水系统的影响程度主要受微生物代谢速度，水文地质条件，含水层的岩性等多种因素的控制。

　　张宗祜，任福弘等(2006)为研究氮素的生物化学循环问题，通过对河北正定野外试验场贯穿包气带的18.5 m的钻孔剖面土样的水理性质､地球化学成分､有机质含量的测试和微生物的培养鉴定，发现包气带土体的各类细菌在整个包气带均有分布，但随着岩性､物理化学条件的变化，而显现出不同的细菌含量，特别是在几个层次上出现细菌含量高的活化层。它的出现充分说明了细菌在包气带中分布，不是受深度变化所控制，而是受其环境条件所制约，如含水量､营养元素､土体岩性等。这一研究成果为今后深入研究地下水系统中微生物的作用奠定了良好的基础。

　　McMahon(2001)研究了含水层和弱透水层交界面上的几个重要生物地球化学反应，包括氧还原､反硝化作用和Fe3+､SO 2-4和 CO2还原(甲烷生成)。研究表明，一些地方，生物地球化学反应发生在交界面的弱透水层面，电子受体从含水层运移到电子供体丰富的弱透水层里。另一些地方，生物地球化学反应发生在交界面的含水层一方，电子供体(有时是电子受体)从弱透水层运移到电子受体或微生物丰富的含水层里。影响含水层/弱透水交界面发生生物地球化学反应范围的因素有，交界面两边电子受体和电子供体的丰度和可溶性，电子受体和电子供体反应和越过界面的速度。

　　6 展 望　　

　　地下水沉积物无菌取样方法的发展完善和微生物综合评价方法的建立，使微生物代谢作用对地下水地球化学的影响被广泛认识。随着当今社会科学技术的不断进步，地下水微生物地球化学的研究技术也日益得到提高和改进。首先，人们可以利用电子显微镜､能普､电子探针､离子探针､质子探针来观察和分析细胞内部的结构､成分。第二，微生物生态学研究的新技术被用于地下水微生物研究中。如，人们在研究污染或未污染含水层生物群落组成研究中开始使用磷脂脂肪酸分析方法(PLFA)，该方法是基于生物化学手段的一种微生物生态学研究新技术，它具有对细胞生理活性没有特殊的要求，对样品保存时间要求不高､不需要进行微生物培养等优点。它能提供微生物群落生物量及其时､空变化､群落结构和功能等多种微生物信息，是一种快捷､可靠的分析方法。.再如，人们通过基因工程，在DNA的分子水平上动手术，使某种细胞结构的基因转到另一种细胞中去，而使之具有新的遗传性状。

随着我国环境科学界对地下水微生物作用研究的日益关注，我国地下水微生物地球化学､微生物工程学､微生物环境工程学将会作为重点发展学科被大力扶持，地下水微生物的基础研究应得到优先发展，尤其是在地下水环境中微生物的种类､形态､分布特征､营养和生长的一般规律，微生物的代谢､演替和调控，微生物的基因及其所携带的遗传信息表达等研究方面，从基础研究中寻找提高地质微生物地球化学作用的研究途径和方法。地下水微生物研究将进一步与地质学､微生物学､环境生态学､环境微生态学､环境地质学､水文地质学､生物化学等基础科学的研究交叉与合作，对基础科学的发展提供动力和应用的验证方法。

作者：李政红　张翠云　张　胜　殷密英　马琳娜　郭秀红《南水北调与水利科技》

　　参考文献：

　　[1] 李义军.浅述次生孔隙的成因[J].西北地质，200 35 (1)：65-69.

　　[2] 温洪宇，廖银章，李旭东.微生物降解多环芳烃的研究进展[J].微生物学杂志，2005，25 (6)：73-75.

　　[3] 张胜，张翠云，等，地质微生物地球化学作用的意义与展望[J].地质通报，2005，24(10～11)：1027-1031. 　　    [4] 张宗祜，张光辉，任福弘，等.区域地下水演化过程及其与相邻层圈的相互作用[M].北京，地质出版社，2006.

　　[5] 钟佐燊.地下水有机污染控制及就地恢复技术研究进展二[J].水文地质工程地质，200 (4)：26-31.

　　[6] Bennett P C，Siegel D I.Increased solubility of quartz in water due to complexation by dissolved organic compounds[J].Nature，1987，326：684-687.

　　[7] Baedecker M J，Cozzarelli I M，Siegel D I，Crude oil in a shallow sand and gravel aquifer： 3.Biogeochemical reactions and mass balance modeling in anoxic groundwater[J].Appl Geochem，199 8：569-586.

　　[8] Chapelle F H，Morris J T，McMahon P B.Bacterial metabolism and the del-13 _C composition of ground water，Floridan aquifer，South Carolina[J].Geology，1988，16：117-121.

　　[9] Chapelle F H，Lovley D R.Rates of bacterial metabolism in deep coastal-plain aquifers[J].Appl Environ Microbiol，1990，56：1865-1874.

　　[10] Chapelle F H.The significance of microbial processes in hydrogeology and geochemistry[J].Hydrogeology Journal，2000，8：41-46.

　　[11] Lundergard P D，Land L S.Carbon dioxide and organic acids： their role in porosity enhancement and cementation，Paleogene of the Texas Gulf Coast.In： Gautier DL (ed) Roles of organic matter in sediment diagenesis.Society of Economic Paleontologists and Mineralogists，Spec Publ 38，Tulsa，1986，129-146.

　　[12] Hiebert F K，ennett P B.Microbial control of silicate weathering in organic-rich ground water[J].Science，199 258：278-281.

　　[13] McMahon P B，Chapelle F H.Microbial production of organic acids in aquitard sediments and its role in aquifer geochemistry[J].Nature ，1991a，349：233-235.

　　[14] McMahon，P B，Chapelle F H.Geochemistry of dissolved inorganic carbon in a coastal-plain aquifer.2.Modeling carbon sources，sinks，and d13C evolution[J].J Hydrol，1991b，127：109-135.

　　[15] McMahon P B，Chapelle F H，Falls W F.The role of microbial processes in linking sandstone diagenesis with organic-rich clays[J].J Sediment Petrol，199 62(1)：1-10.

　　[16] McMahon P B，Vroblesky D A，Bradley P M.Evidence for enhanced mineral dissolution in organic-acid-rich shallow ground water.Ground Water ，1995，33：207-216.

[17] Mcmahon P B.Aquifer/aquitard interfaces： mixing zones that enhance biogeochemical reactions[J].Hydrogeology journal，200 9：34-43.