地下水污染现状及微生物修复

我国地下水污染现状及微生物修复彭丽杰王继华*（哈尔滨师范大学生命科学与技术学院黑龙江哈尔滨150025）摘要：由于我国人口的增长、经济的发展，作为淡水资源组成之一的地下水资源遭到了严重的污染，地下水污染的治理迫在眉睫，因此，结合我国的实际情况探讨了微生物修复技术及其对地下水污染的修复。关键词：地下水；污染；微生物修复0引言地下水是相对于地表水而言的，是处于地表以下的水，它与地表水一起共同组成地球上的淡水资源，具有很高的生态价值和经济价值。作为一种可以用于蓄水的介质和一种改善水质的手段，地下水的生态价值主要体现在它具有良好的调蓄功能，可以平衡丰枯年水资源的利用。它跟地表水一样，也始终处于不停流动的状态。大约有10%到20%的雨水流入地下水系；反过来，从全球的角度来看，地下水为江河提供了总流量的大约30%，它对江河起着稳定作用，使雨季和旱季的落差减小到最小程度[1]。同时，它也是一种供水的水源地，因其具有水质优良和便于开采的特点，可以成为满足特定需求的独立水源，也可以作为一种正规的补充水源。在很多地区，它往往与地表水结合在一起，共同满足特定的水量和水质要求，从而成为一种可用于生活、农业和工业的稳定水源。自然界存在着丰富的微生物种群，这些微生物虽然个体微小，但在环境污染净化中却扮演着不容忽视的重要作用。微生物由于自身的生理特性，可以通过自发的或人为的遗传、变异等生物过程适应环境的变化，使之能以各种污染物尤其是有机污染物为营养源，通过吸收、代谢等一系列反应，将环境中的污染物转化为稳定无害的无机物。因而，在生物圈中微生物充当着分解者的角色。微生物不仅是地球生态系统中最重要的分解者，也是开发潜力最大的、人类最宝贵的资源库。在污染物的降解转化、资源的再生利用、无公害产品的生产开发、生态环境的建设保护等方面微生物都发挥重要作用。当今人类所面临的诸如环境污染、资源短缺、生态破坏、健康受害等许多重要问题，都有可能从微生物资源的开发研究中寻找到解决的办法，生物技术对人类社会的持续发展将产生重要影响。1我国地下水污染现状我国水资源总量为28124亿立方米，而多年平均地下水资源量为8186.43亿立方米，其中平原区地下水资源量为1934.15立方米，而且分布极不均匀，南方多，北方少，并且平原区地下水资源量主要分布在北方，山丘区地下水资源量主要分布在南方。随着国家经济建设发展和人口继续增加，城市开发利用地下水日益广泛，迄今地下水已经成为我国城市和工农业用水的主要水源，全国目前有三分之二的城市以地下水作为主要的供水水源，约有四分之一的农田灌溉靠地下水。地下水开采总量超过1000亿立方米，约占全国用水总量的15%--20%[2]。地下水污染程度分为污染严重、污染中等和污染较轻三级，反映的地下水污染组分包括硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、氨氮、铅、砷、汞、铬、氰化物、挥发性酚、石油类、高锰酸盐指数等指标。东北地区重工业和油田开发区地下水污染严重。松嫩平原的主要污染物为亚硝酸盐氮、氨氮、石油类等；辽河平原硝酸盐氮、氨氮、挥发性酚、石油类等污染普遍。华北地区地下水污染普遍呈加重趋势。华北地区人类经济活动强烈，从城市到乡村地下黑龙江省自然科学基金项目(C2007-24)；黑龙江省普通高等学校青年学术骨干支持计划项目*通讯作者：王继华（1972-），女，博士，副教授，主要研究方向：环境微生物学。TelE-mail：wanghua333@水污染比较普遍，主要污染组分有硝酸盐氮、氰化物、铁、锰、石油类等。此外，该区地下水总硬度和矿化度超标严重，大部分城市和地区的总硬度超标。西北地区地下水受人类活动影响相对较小污染较轻。内陆盆地地区的主要污染组分为硝酸盐氮；黄河中游、黄土高原地区的主要污染物有硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、铬、铅等，以点状、线状分布于城市和工矿企业周边地区。南方地区地下水局部污染严重。西南地区的主要污染指标有亚硝酸盐氮、氨氮、铁、锰、挥发性酚等，污染组分呈点状分布于城镇、乡村居民点，污染程度较低，范围较小。中南地区主要污染指标有亚硝酸盐氮、氨氮、汞、砷等，污染程度低。东南地区主要污染指标有硝酸盐氮、氨氮、汞、铬、锰等，地下水总体污染轻微，但城市及工矿区局部地域污染较重。3地下水污染的途径和危害3.1地下水污染的途径3.1.1工业废水和污水由于地表水和地下水有密切联系，很多地表水是地下水主要补给来源，因此地表水体受到污染极易导致地下水的污染。特别是河流由于流动大，对于地下水的影响也较大，因此在土层渗透条件较好的情况下，往往较短时间内可以使大面积的地下水受到污染[3]。我国地下水主要的污染源就是工业废水和生活污水的排放，其中工业废水的污染占首要地位，主要表现在氰、砷、汞、铬等有害物质的污染。这些污废水只在个别地区有少量是经过处理后排放的，而绝大部分是未经处理以各种方式排放，直接或间接地污染着城市及其下游地区的地下水。地下水中"三氮"和硬度指标呈加重趋势，致使综合超标状况逐渐加重。著名泉城济南市，曾经就是因为严重污染的护城河水通过干涸泉口进入含水层，使岩溶水质恶化，导致细菌数超标和铬含量剧增[3]。3.1.2污水灌溉及长期使用农药和化肥农田使用氮肥，会有相当于氮肥施用量的12.5%--45%的氮从土壤中流失，下渗并污染地下水体。3.1.3盐水入侵沿海地区的地下水与海洋有水力的联系，过量开采这些地区的地下水，往往会造成海洋咸水向沿海淡水层区域方向的移动，即"盐水入侵"。3.2地下水污染的危害据最精确的估计，全世界每年大约有2.5亿人新患上经水传染的疾病，其中大约1000万人死于非命-每三年相当于一个加拿大[1]。人们饮用被硝酸盐污染的地下水后可以导致癌症，还可能引起高铁（变性）血红蛋白症，而导致患者死亡[4]。甲荃汞（水俣病）、镉、砷、氰化物、农药、多氯联苯等，可引起人体中毒。铅、钡、氟也可对人体造成危害。这些急性和慢性中毒，是水污染对人体健康危害的主要方面。人畜粪便等生物性污染物污染水体，可能引起细菌性肠道传染病，如伤寒、痢疾、肠炎、霍乱等。肠道内常见病毒如脊髓灰质炎病毒、传染性肝炎病毒等，都可通过水污染引起相应的传染病。某些寄生虫病如阿米巴痢疾、血吸虫病等，以及由钩端螺旋体引起的钩端螺旋体病等，也可通过水传染。由于地下水的平均循环时间很长，在接近水位地方的往往是一年左右，而在深处蓄水层的循环时间可以长达数千年，所以一旦被污染，很难被清除，当然更无法被有效利用。但是水资源作为工业的血液和农业的命脉，支撑着人类社会经济的发展，如果可用地下水资源受到严重的污染，会导致可供水源的缺乏，严重制约城市经济的发展和社会的进步。4微生物修复微生物修复技术是20世纪80年代以来出现和发展的治理环境污染的微生物工程技术。它以微生物的代谢活动为基础，通过对有毒有害物质进行降解和转化，修复受破坏的生态平衡以达到治理环境的目的。微生物修复的关键是能针对处理体系中的污染物找到相应的高效降解菌株。在水污染治理中，高效菌株既可以从长期污染的水体或废水生物装置中筛选、分离、富集培养得到，也可以通过诱变、原生质体融合、基因工程等技术来构建。因其可以施行原位治理，并以其技术可行和成本相对低廉而已被人们普遍接受[5]，具有广泛的发展前景。4.1微生物修复技术治理污染问题的特点科技的发展也充分证明微生物修复技术是环境保护的理想武器，这一技术在解决环境问题过程中所显示的独特功能和显著优越性充分体现在它是一个纯生态过程。微生物修复技术在处理环境污染物方面具有速度快、消耗低、效率高、成本低、反应条件温和等显著优点。随着生物技术研究的进展和人们对环境问题认识的深入，人们已越来越意识到，现代生物技术的发展，为从根本上解决环境问题提供了无限的希望。目前微生物修复技术已是环境保护中应用最广的、最为重要的单项技术，其在水污染控制、大气污染治理、有毒有害物质的降解、清洁可再生能源的开发、废物资源化、环境监测、污染环境的修复和污染严重的工业企业的清洁生产等环境保护的各个方面，发挥着极为重要的作用。应用微生物技术处理污染物时，最终产物大都是无毒无害的、稳定的物质，如二氧化碳、水和氮气。利用微生物方法处理污染物避免了污染物的多次转移，因此它是一种消除污染安全而彻底的方法。特别是现代微生物技术的发展，使微生物处理具有更高的效率，更低的成本和更好的专一性，为微生物修复技术在环境保护中的应用展示了更为广阔的前景。4.2微生物修复技术生物修复技术可分为原位生物修复和异位生物修复两种。原位生物修复是指对受污染的介质（土壤、水体）不作搬运或输送，而在原位污染地进行的生物修复处理，修复过程主要依赖于被污染地自身微生物的自然降解能力和人为创造的合适降解条件；异位生物修复是指将被污染介质（土壤、水体）搬动和输送到它处进行生物修复处理。但这里的搬动和输送是低限度的，而且更强调人为调控和创造更加优化的降解环境。我们主要介绍原位生物修复技术。4.2.1原位生物修复生物通气法这是一种强迫氧化生物降解法，用于修复地下水上部受挥发性有机物污染的透气层土壤。它是在污染的土壤上打至少两口井，安装鼓风机和抽真空机，将空气强排入土壤中，然后抽出，土壤中的挥发性有机物也随之去除[6]。这种处理系统要求污染土壤具有多孔结构以利于微生物的快速生长。另外，污染物是挥发性的，这才适于通过真空抽提加以去除[7]。生物注射法将空气加压后注射到污染地下水的下部，气流加速地下水和土壤中有机物的挥发和降解，它和生物通气法都是在广泛应用的土壤气提法的基础上发展起来的[8]。生物培养法定期地向污染环境中投加H2O2和营养，以满足污染环境中已经存在的降解菌的需要，使微生物把污染环境中的污染物彻底矿化成CO2和H2O。投菌法直接向污染的环境中接入外源的污染降解菌，同时提供这些细菌生长所需的营养。农耕法对污染土壤进行耕耙处理，在处理进程中施入肥料，进行灌溉，加入石灰，使其有充足的营养、水分和适宜的PH值，从而尽可能地为微生物降解提供一个良好的环境，保证污染物降解在土壤的各个层次上都能发生[9]。5生物修复技术在污染治理中的应用近年来研究人员把煤的物理选煤技术之一的浮选法和微生物处理相结合，即把煤粉碎成微粒与水混合，并将微生物加入溶液中，让微生物附着在黄铁矿表面，使其表面变成亲水性，能溶于水。在浮选中其难以附着在气泡上，下沉至底部，从而把煤和黄铁矿分开。由于它仅处理黄铁矿的表面，因此脱硫时间只需数分钟即可，从而大幅度缩短了处理时间，可脱除无机硫约70%。另外，该法在把煤中的黄铁矿脱硫时，灰分也可同时沉底，所以也具有脱去灰分的优点。我国造纸行业年排放废水量达40亿吨，占全国工业废水排放量的1/6，其中有机污染物(以BOD计)达170万吨，约占全国工业废水中有机污染物总量的1/4。在用植物材料进行化学制浆与化学漂白过程中，含有大量木质素、半纤维素和有害物质的废液被倾倒入江河湖泊中，造成严重的环境污染和生态破坏。造纸工业中的制浆和漂白工序是污染物产生的主要工序。磨木浆的能量消耗很大，而且成品纸的强度等质量性能不如硫酸盐浆，因而限制了这项技术的发展。利用微生物与微生物酶类进行微生物制浆与微生物漂白具有很大的优势和潜力，因为微生物极易生长繁殖，酶催化反应具有高度专一性，反应条件温和，并且高效无污染。把过氧化氢作为氧源注入到受污染地下水中，过氧化氢分解以后产生氧以供给微生物生长。过氧化氢常常要与催化剂一起注入，催化剂用以控制过氧化氢的分解速度，使之与微生物的耗氧速度相一致，从而缩短处理时间。最近，台湾学者C.M.Kao和S.E.Lei又提出了一种叫泥炭生物屏障的原位生物修复技术[10]，该技术能有效地降解地下水污染物中广泛存在的氯化污染物如三氯乙烯(TCE)和四氯乙烯(PCE)等。其原理是利用微生物的共代谢作用。因为TCE和PCE均不能作为微生物的生长基质，所以需要为微生物提供另外的碳源，微生物利用提供的碳源生长，然后去降解TCE和PCE等污染物。6展望地下水不仅是一种宝贵的自然资源，还是环境构成的基本要素。它是自然界水循环的重要组成部分，是人类赖以生存和社会发展的重要基础，与人类活动和生存息息相关。当前人类开发利用地下水资源，一方面满足了自身物质文明的需要，另一方面又在改变和破坏自然环境的平衡。随着生产的发展，地下水污染问题将日益严重。不仅严重影响国民经济的发展，而且危及人类自身的生存。与此同时，地下水与其周围介质的物理化学作用过程十分复杂，其进程往往十分隐蔽和缓慢，以上不良环境问题，既不容易及早发现，又难以在较短时间内治理奏效。为此，怎样合理开发利用和保护地下水资源，是当前人们所关注的社会问题。我国的微生物修复技术处于刚刚起步阶段。在其大规模应用之前，还有一系列具体问题需要解决。例如，在利用微生物进行地下水环境净化过程中，由于微生物的生长、死亡及代谢产物会造成含水层渗透性降低甚至堵塞。再如，经过微生物脱氮作用，地下水中氮的含量降低了，但水中细菌的含量能否满足用户用水要求呢？这些问题一旦得到解决，微生物治理地下水污染技术就会被广泛应用，从而产生客观的社会效益和经济效益。参考文献[1]（加拿大）马克.德维利耶（devilliers）著。严维明译。水--迫在眉睫的生存危机[M]。上海：上海译文出版社，2001，17，54-55。[2]王娅。建设可持续发展的城市-"2002城市环境管理与可持续发展"[J]。中国环境报，2002，5-8。[3]陈梦熊，马凤山著。中国地下水资源与环境[M]。北京：地震出版社，2002，337-338。[4]王琪等编著。城市环境问题[M]。贵阳：贵阳科技出版社，2001，102。[5]MohammedNiaz，AllaylaRI，NakhlaGF，etal。State-of-artreviewofbioremediationstudies[J]。EnvironSciHealth，1997，A31(7)：1547-1574。[6]FredticksonJK，BoltonH，BrockmonFJ。in-situandcn-situbioremediation.EnvironmentalScienceTechnology[J]。1993，27(9)：1711-1716。[7]AutryAR,EILIsGM.Bioremediation:Aneffectireremedialalternatireforpetroleumhydrocarbon-contaminatedsoiI[J]。EnrironPrag，1992，11(4)：318-323。[8]MaodonaldJA，BE。Performancestandardsforinsitubioremediation[J]。EnrironSciTechnol，1993，26(9)：476-481。[9]林力。生物整治技术进展[J]。环境科学，1997，18（3）：67-71。[10]KaoCM，LeiSE。UsingaPeatBiobarriertoRemediatePCE/TCEContaminatedAquifer[J]。WatRes，2000，34(3)：835-845。CurrentSituationofGroundwaterPollutioninChinaandRemediationbyMicroorganismPeng