1 引 言

地下水系統(tǒng)具備了微生物生長發(fā)育所需的營養(yǎng)、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(xì)菌菌群，如異養(yǎng)菌、自養(yǎng)菌、好氧菌、厭氧菌等)成為地下水生態(tài)系統(tǒng)中主要生命組分，是地下水演化過程的重要影響因子，在地下水系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換、物質(zhì)循環(huán)、營養(yǎng)輸送、信息貯存以及元素形態(tài)的轉(zhuǎn)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(xué)性質(zhì)的演變中微生物的控制和改造是其主要因素之一。

地下水系統(tǒng)是一個復(fù)雜綜合體，包括了地下水流經(jīng)的介質(zhì)，地下水中各種物理化學(xué)成分和地表的天然通道等。加之人類對地下水的開發(fā)利用活動已經(jīng)并將繼續(xù)改變地下水環(huán)境，如地下水的污染、過量的開采以及其它流體礦產(chǎn)的開發(fā)等都對地下水系統(tǒng)的天然環(huán)境產(chǎn)生影響。環(huán)境因素的變化相應(yīng)地也影響了地下水中生物的生存條件，導(dǎo)致微生物的形態(tài)、生理、遺傳特性的改變，促使各類微生物不斷演替。地下水系統(tǒng)中各種環(huán)境因素又是制約微生物生長、繁殖的重要因素。

地下水微生物學(xué)是地下水科學(xué)與微生物學(xué)緊密結(jié)合而形成的一門新興學(xué)科，它將地下水視為一個有生命的系統(tǒng)加以研究，主要研究與認(rèn)知微生物生命過程與地下水化學(xué)密切相關(guān)的科學(xué)問題，是研究微生物活動與地下水環(huán)境相互關(guān)系的科學(xué)，也就是探索微生物直接參與地下水化學(xué)形成演化過程的微生物地球化學(xué)作用，是地下水科學(xué)研究的前沿領(lǐng)域。

2 微生物作用改變地下水化學(xué)組成

早在1900年人們就發(fā)現(xiàn)未受污染時含有高濃度硫酸鹽的地下水，受石油污染后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(shè)在從受石油污染的水中分離出硫酸鹽還原菌時得到證實。在以后的幾十年里，很多學(xué)者對地下水化學(xué)組成的微生物影響作用進(jìn)行研究后認(rèn)為，微生物對地下水化學(xué)組成具有重要影響作用(Chapelle 2000)。如，鐘佐燊(2001)研究認(rèn)為，在石油烴污染的地下含水層中，如果發(fā)生了生物降解反應(yīng)，則其水文地球化學(xué)標(biāo)志是：水中溶解氧很微，NO-3和SO2- 4明顯降低，F(xiàn)e2+ 和HCO-3升高，出現(xiàn)HS-或H2S 和CH4。

地下水系統(tǒng)中電子供體與電子受體間的豐度關(guān)系是影響微生物代謝速度的主要因素。在未污染的含水層中，電子供體的可用性限制了微生物的新陳代謝，溶解性無機(jī)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。在人類活動污染的含水層中，常存在過剩的可用有機(jī)碳，電子受體的可用性限制微生物的新陳代謝。

美國南卡羅萊納州Black Creek含水層是區(qū)域地下水化學(xué)類型變化受電子供體限制的很好例子。McMahon等(McMahon 1991a1991b，Chapelle 1990)對該系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)研究后，描述了微生物作用對含水層地下水化學(xué)組成的影響。該水文地質(zhì)單元，水流從補(bǔ)給區(qū)向下游150 km到排泄區(qū)，溶解性無機(jī)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(chǎn)生的溶解性無機(jī)碳促進(jìn)了含水層中碳酸鹽的溶解，根據(jù)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(jī)碳來自微生物代謝作用(約6 mM)，有研究表明該地區(qū)地下水補(bǔ)給大約需要用15萬a，由此推出，微生物代謝作用產(chǎn)生溶解性無機(jī)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(jī)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(jī)碳含量低。McMahon(1992)研究認(rèn)為，Black Creek含水層中有機(jī)碳含量只占沉積物干重的0.1±1.0%。由于低速率的微生物代謝作用，系統(tǒng)中可用電子受體的量(O2、Fe3+、硫酸鹽和CO2)相對有機(jī)碳來說是豐富的。

當(dāng)?shù)叵滤到y(tǒng)中可用有機(jī)碳的含量很高時，可用電子受體缺乏會限制微生物代謝作用。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(xué)污染的含水層。1979年美國明尼蘇達(dá)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，由于與大氣快速交換，以及含水層天然有機(jī)碳含量低，地下水呈飽和溶解氧狀態(tài)(約10 mg/L)。隨著可代謝碳的突然流入，油積聚在水面，氧被迅速消耗，并形成三價鐵還原條件。泄漏后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。這個受原油泄漏污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)。

由于原油泄漏電子供體過剩，在最接近污染源的Bemidji含水層，其水化學(xué)特征主要為甲烷生成環(huán)境，其次為硫酸鹽還原，鐵還原，和低溶解氧環(huán)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(yuǎn)離補(bǔ)給區(qū)。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系統(tǒng)的特征，常見于受石油烴污染的地下水系統(tǒng)。

3 微生物作用改變含水層水力性質(zhì)

微生物作用除影響地下水化學(xué)組分以外，也影響地下水系統(tǒng)的物理性質(zhì)。地質(zhì)學(xué)家很早就知道在非孔隙巖中，次生孔隙能提高含水層的水力性質(zhì) ，還可以積聚石油。人們通過大量的同位素和質(zhì)量平衡研究得出，有機(jī)物的去碳酸基和其它無機(jī)作用不能解釋許多系統(tǒng)中的次生孔隙現(xiàn)象(Lundergard 1986)。由于大多數(shù)含水層系統(tǒng)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(guān)注，大量研究表明微生物作用能引起硅酸鹽和碳酸鹽巖中次生孔隙產(chǎn)生(Bennett 1987，Chapelle 1988)。地下水中硫酸鹽在有脫硫細(xì)菌參與和有機(jī)質(zhì)存在的條件下發(fā)生還原反應(yīng)而產(chǎn)生H2S(Na2SO4+2H2O+2C→2NaHCO3+H2S)，這個反應(yīng)有溶解硫酸鹽的作用，反應(yīng)產(chǎn)生的H2S 溶于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(xué)組分外，也改變了這個含水層的水力性質(zhì)。沿水流路徑的巖心資料顯示了一個顯著的巖性變化。在補(bǔ)給區(qū)，不存在次生晶粒間的方解石膠結(jié)物。在補(bǔ)給區(qū)和排泄區(qū)的中間區(qū)域，南卡羅萊納州萊克市常見方解石膠結(jié)物。在排泄區(qū)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(jié)。McMahon等研究了微生物作用引起B(yǎng)lack Creek含水層孔隙的填充現(xiàn)象。該研究表明，Black Creek含水層的砂中含有機(jī)碳少，而相鄰的狹窄的層中含有豐富的有機(jī)碳。隔水層有機(jī)碳的發(fā)酵使有機(jī)酸在隔水層孔隙水中積聚。有機(jī)酸擴(kuò)散到Black Creek含水層，進(jìn)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(zhì)反應(yīng)產(chǎn)生碳酸鹽和重碳酸鹽。這個作用導(dǎo)致部分含水層次生孔隙產(chǎn)生。然而，當(dāng)碳酸鹽和重碳酸鹽在溶液中積聚、運(yùn)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淀下來。由于豐富的晶粒間的方解石膠結(jié)物填充了含水層系統(tǒng)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(dāng)?shù)赜盟枨蟆?/p>

有實驗表明，二氧化碳和有機(jī)酸的產(chǎn)物能增加礦物的溶解，引起次生孔隙性和滲透性的發(fā)展。而碳酸鹽、鐵和硫酸鹽微生物產(chǎn)物能引起方解石或黃鐵礦的沉淀，降低地下水系統(tǒng)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 污染修復(fù)中的微生物作用

現(xiàn)代社會產(chǎn)生了大量的化學(xué)產(chǎn)品，許多有毒有害的物質(zhì)被人類有意或無意地投放到地下水系統(tǒng)中，地下水受到嚴(yán)重污染，地下水質(zhì)量日益惡化。近年來，生物降解技術(shù)以其可在污染現(xiàn)場進(jìn)行修復(fù)、可在難以處理的地方進(jìn)行修復(fù)、在生物修復(fù)時不影響場地內(nèi)正常生產(chǎn)、對污染地的干擾或破壞小、處理后的產(chǎn)物無二次污染、降解過程快、費用低等諸多優(yōu)點受到世界各國環(huán)境科學(xué)界的廣泛關(guān)注，激發(fā)了人們對污染修復(fù)中微生物作用的研究興趣。

對污染地下水進(jìn)行原位生物修復(fù)時，好氧微生物通過將有機(jī)化合物氧化成二氧化碳而獲取能量，其中氧為電子受體，當(dāng)?shù)叵麓嬖谘鯐r，好氧微生物可將有機(jī)污染物氧化成二氧化碳，從而使污染地下水凈化。厭氧微生物也能將有機(jī)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。由于許多受污染的地下水環(huán)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污染物進(jìn)一步降解。厭氧微生物不同的代謝能力，在污染地下水修復(fù)方面顯示了巨大的潛力。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(zhǔn)金屬等污染物。

在1973年，人們首次發(fā)現(xiàn)了淺層地下水中的土著微生物對石油的降解能力，不久，生物降解被用于提高汽油污染的含水層的凈化。自那以后，人們開始使用生物降解地下水系統(tǒng)中各種常見化學(xué)污染物，包括氯代化溶劑。

地下水中石油烴的污染主要來自汽油及其它石油產(chǎn)品的地下儲罐的滲漏。其主要污染組分為苯、甲苯、乙苯和二甲苯。生物降解石油烴的實質(zhì)是在微生物參于下的氧化還原反應(yīng)。該反應(yīng)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(zhí)按州使用原位生物修復(fù)技術(shù)，成功修復(fù)了由于地下儲油罐漏油受到嚴(yán)重污染的包氣帶及含水層。其方法是：在污染區(qū)，首先注入未污染地下水42 d，第43 d開始注入含NO-3的地下水，到第112 d基本清除了污染物。結(jié)果表明： 地下水中，苯從0.76 mg/L降至小于0.001 mg/L ，甲苯從4.5 mg/L 降至小于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(鐘佐燊 2001)。

多環(huán)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(huán)芳烴的致突變與致癌特性。多環(huán)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(huán)芳烴的作用、機(jī)理進(jìn)行了廣泛的研究，研究結(jié)果表明，對可降解多環(huán)芳烴的微生物有紅球菌屬( Rhodococ2cus) 、假單胞菌屬( Pseudomonas ) 、分枝桿菌( My2cobacterium) 、芽孢桿菌屬( Bacill us ) 、黃桿菌屬( Flavobacterium) 、氣單胞菌屬( Aeromonas ) 、拜葉林克氏菌屬( Beijernckia ) 、棒狀桿菌屬( Corynebacterium) 、藍(lán)細(xì)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(huán)芳烴不會造成二次污染，費用低，易操作，是去除多環(huán)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癥，我國許多地區(qū)淺層地下水已普遍受到硝酸鹽不同程度的污染。張勝(2005)對地下水硝酸鹽污染的微生物修復(fù)技術(shù)進(jìn)行了研究。通過兩年多的室內(nèi)和野外原位的大量試驗研究，優(yōu)選出反硝化菌液和增強(qiáng)地下水中微生物反硝化作用的營養(yǎng)碳源乙醇、乙酸鈉，利用乙酸鈉作為營養(yǎng)碳源在野外試驗井進(jìn)行原位微生物脫氮試驗，對地下水中NO-3的去除率可達(dá)98%。研究結(jié)果得出，利用優(yōu)選反硝化菌液和乙酸鈉營養(yǎng)碳源對地下水硝酸鹽污染修復(fù)效果好，在大面積土體和地下水污染原位修復(fù)技術(shù)實施是可行的、有效的，它不僅可以在原位有效地修復(fù)土壤、包氣帶的硝態(tài)氮污染，而且還可以增加土壤的肥力及氮肥的利用率，無負(fù)面作用，對修復(fù)污染、保護(hù)地下水資源和農(nóng)作物增產(chǎn)都具有重要意義。

5 影響微生物作用的地下水環(huán)境因素

微生物作用對地下水系統(tǒng)的影響程度主要受微生物代謝速度，水文地質(zhì)條件，含水層的巖性等多種因素的控制。

張宗祜，任福弘等(2006)為研究氮素的生物化學(xué)循環(huán)問題，通過對河北正定野外試驗場貫穿包氣帶的18.5 m的鉆孔剖面土樣的水理性質(zhì)、地球化學(xué)成分、有機(jī)質(zhì)含量的測試和微生物的培養(yǎng)鑒定，發(fā)現(xiàn)包氣帶土體的各類細(xì)菌在整個包氣帶均有分布，但隨著巖性、物理化學(xué)條件的變化，而顯現(xiàn)出不同的細(xì)菌含量，特別是在幾個層次上出現(xiàn)細(xì)菌含量高的活化層。它的出現(xiàn)充分說明了細(xì)菌在包氣帶中分布，不是受深度變化所控制，而是受其環(huán)境條件所制約，如含水量、營養(yǎng)元素、土體巖性等。這一研究成果為今后深入研究地下水系統(tǒng)中微生物的作用奠定了良好的基礎(chǔ)。

McMahon(2001)研究了含水層和弱透水層交界面上的幾個重要生物地球化學(xué)反應(yīng)，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(xué)反應(yīng)發(fā)生在交界面的弱透水層面，電子受體從含水層運(yùn)移到電子供體豐富的弱透水層里。另一些地方，生物地球化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在交界面的含水層一方，電子供體(有時是電子受體)從弱透水層運(yùn)移到電子受體或微生物豐富的含水層里。影響含水層/弱透水交界面發(fā)生生物地球化學(xué)反應(yīng)范圍的因素有，交界面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(yīng)和越過界面的速度。

6 展 望

地下水沉積物無菌取樣方法的發(fā)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(xué)的影響被廣泛認(rèn)識。隨著當(dāng)今社會科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，地下水微生物地球化學(xué)的研究技術(shù)也日益得到提高和改進(jìn)。首先，人們可以利用電子顯微鏡、能普、電子探針、離子探針、質(zhì)子探針來觀察和分析細(xì)胞內(nèi)部的結(jié)構(gòu)、成分。第二，微生物生態(tài)學(xué)研究的新技術(shù)被用于地下水微生物研究中。如，人們在研究污染或未污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)，該方法是基于生物化學(xué)手段的一種微生物生態(tài)學(xué)研究新技術(shù)，它具有對細(xì)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(jìn)行微生物培養(yǎng)等優(yōu)點。它能提供微生物群落生物量及其時、空變化、群落結(jié)構(gòu)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(shù)，使某種細(xì)胞結(jié)構(gòu)的基因轉(zhuǎn)到另一種細(xì)胞中去，而使之具有新的遺傳性狀。

隨著我國環(huán)境科學(xué)界對地下水微生物作用研究的日益關(guān)注，我國地下水微生物地球化學(xué)、微生物工程學(xué)、微生物環(huán)境工程學(xué)將會作為重點發(fā)展學(xué)科被大力扶持，地下水微生物的基礎(chǔ)研究應(yīng)得到優(yōu)先發(fā)展，尤其是在地下水環(huán)境中微生物的種類、形態(tài)、分布特征、營養(yǎng)和生長的一般規(guī)律，微生物的代謝、演替和調(diào)控，微生物的基因及其所攜帶的遺傳信息表達(dá)等研究方面，從基礎(chǔ)研究中尋找提高地質(zhì)微生物地球化學(xué)作用的研究途徑和方法。地下水微生物研究將進(jìn)一步與地質(zhì)學(xué)、微生物學(xué)、環(huán)境生態(tài)學(xué)、環(huán)境微生態(tài)學(xué)、環(huán)境地質(zhì)學(xué)、水文地質(zhì)學(xué)、生物化學(xué)等基礎(chǔ)科學(xué)的研究交叉與合作，對基礎(chǔ)科學(xué)的發(fā)展提供動力和應(yīng)用的驗證方法。

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