近年來, 隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及人們對環(huán)境質(zhì)量要求的不斷提升, 地下 水污 染逐漸受到廣泛關(guān)注.通過對中國東部平原地下水污染調(diào)查評價發(fā)現(xiàn), 該區(qū)域地下水中“三氮”普遍呈面狀污染特征, 重金屬呈點(diǎn)污染特征, 尤以鉛、砷污染較嚴(yán)重, 有毒有害有機(jī)污染呈現(xiàn)“檢出率高、超標(biāo)率低”的特征, 其中有機(jī)污染物中揮發(fā)性有機(jī)污染物對地下水質(zhì)量影響較大, 主要檢出的污染物包括苯系物和氯代烴等.
作為地下水中主要存在的苯系物和氯代烴類污染物, 苯、甲苯、乙苯和二甲苯以及三氯乙烯和四氯乙烯開始受到廣泛關(guān)注.對于地下水中氯代烴類污染物的修復(fù), 由于其難生物降解性而常通過零價鐵滲透感應(yīng)格柵化學(xué)還原脫氯的方法, 將TC
E、PCE逐級還原為二氯乙烯和氯乙烯, 并最終還原為乙烯或乙烷, 但在此過程中也常伴隨著地下水環(huán)境中pH的升.對于地下水中BTEX污染物的修復(fù), 由于其易生物降解性而常通過生物降解格柵的方法將BTEX最終降解為CO2, 并伴隨有兒茶酚、苯甲酸等中間產(chǎn)物的生成.
然而, 地下水感染中常常是幾種不同類型的污染物同時存在于地下水中并構(gòu)成不同類型的污染羽, 如由氯代烴和BTEX構(gòu)成的混合污染羽.將零價鐵滲透反應(yīng)格柵和生物降解格柵聯(lián)用, 利用氯代烴的易還原脫氯的性質(zhì)先通過零價鐵滲透反應(yīng)格柵去除氯代烴, 后利用BTEX易生物降解的性質(zhì)通過生物降解格柵去除BTEX, 可以有效去除由這兩種性質(zhì)迥異的污染物形成的混合污染羽.但是, 在聯(lián)合零價鐵滲透反應(yīng)格柵-生物降解格柵運(yùn)行過程中, 零價鐵滲透反應(yīng)格柵后的強(qiáng)堿性pH環(huán)境、氯代烴脫氯還原中間產(chǎn)物的積累和可能（maybe)出現(xiàn)的TCE穿透均可能對生物降解格柵中BTEX的生物降解產(chǎn)生影響(influence).針對上述問題(Emerson), 本文以苯或甲苯為研究對象, 采用批試驗(yàn)方法, 以粒狀鐵化學(xué)還原TCE后的出水環(huán)境為基礎(chǔ), 從長期受石油原油污染的土壤中分離和培養(yǎng)降解苯或甲苯的微生物, 研究不同pH條件下TCE和cis-1, 2-DCE對苯或甲苯厭氧生物降解的影響.
2 材料與方法
2.1 地下水和石油污染土壤
實(shí)驗(yàn)用地下水取自中國地質(zhì)大學(xué)自備井, 其中K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Fe3+、Cl-、NO3-和SO42-的濃度分別為1.92、18.01、73.96、33.3、0.21、47.29、9.12和69.78 mg·L-1.地下水使用前用N2曝氣至溶解氧<1.0 mg·L-1后加入粒狀鐵密封備用, 經(jīng)常搖動.本文中如未特別說明, 地下水均指此類.
石油污染土壤取自遼寧某油田包氣帶土壤, 用于實(shí)驗(yàn)（experiment)過程中苯或甲苯生物降解菌的培養(yǎng).
2.2 主要儀器和試劑
Agilent 6890N/5975氣相色譜-質(zhì)譜儀;HP-5 MS毛細(xì)管色譜柱;G1888型頂空自動進(jìn)樣器.PB-10型精密pH計.HQ-30d型溶解氧測定儀.SPX-250型智能(intelligence)生化培養(yǎng)箱.
苯、甲苯、三氯乙烯、疊氮鈉、氫氧(Oxygen)化鈉, 分析純, 購于北京化學(xué)試劑公司, 用地下水配制成一定濃度溶液備用.順式1, 2-二氯乙烯溶液的制備：在4 L棕色瓶中加入500 g粒狀鐵, 加地下水至近滿, 加入一定濃度TCE, 用橡膠塞和封口膜密封, 定期測試cis-1, 2-DCE濃度備用.高純N2、He：99.999%.
2.3 微生物(Micro-Organism)的培養(yǎng)和馴化
在2個500 mL廣口瓶中加入300 g石油污染土壤, 注入地下水至近滿后, 吹N2 1 h用橡膠塞密封.在避光、23℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)5～7 d后, 分別取300 mL上層清液至2個1 L具聚四氟乙烯(fluoroethylene)內(nèi)墊螺旋蓋棕色瓶中, 吹N2 1 h后分別加入約200μg·L-1的苯或甲苯.在避光、23℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)5~7 d后, 轉(zhuǎn)移出約500 mL的菌液并補(bǔ)充入新鮮地下水, 吹N2 1 h后再分別加入約500μg·L-1的苯或甲苯.此后, 照此方法分別逐步提高苯或甲苯的濃度至4 mg·L-1, 以培養(yǎng)和馴化可以厭氧生物降解苯或甲苯的微生物.在培養(yǎng)馴化過程中, 加入只有苯或甲苯的揮發(fā)控制樣.
2.4 TCE和cis-1, 2-dichloroethene對苯或甲苯厭氧生物降解的影響2.4.1 pH=7.9時TCE和cis-1, 2-dichloroethene對苯或甲苯厭氧生物降解的影響
苯
待苯厭氧生物降解菌液馴化好后, 從同批次馴化瓶中轉(zhuǎn)移300 mL菌液至1 L具聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene)內(nèi)墊螺旋蓋棕色瓶中并補(bǔ)充入新鮮地下水, 吹N2 1 h后加入苯, 并分別加入約100μg·L-1的cis-1, 2-DCE和100、500μg·L-1的TCE, 進(jìn)行cis-1, 2-DCE和TCE對苯厭氧生物降解的影響實(shí)驗(yàn)（experiment).實(shí)驗(yàn)過程(guò chéng)中, 加入只有苯、甲苯、TCE和cis-1, 2-DCE的揮發(fā)控制, 所有實(shí)驗(yàn)均設(shè)計1個平行樣, 且試驗(yàn)偏差 < 10%, 后續(xù)“結(jié)果與討論”圖中不再標(biāo)注誤差線.
甲苯
待甲苯厭氧生物降解菌液馴化好后, 按照上述苯實(shí)驗(yàn)（experiment)步驟繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn).
2.4.2 pH=10.5時TCE和cis-1, 2-dichloroethene對苯或甲苯厭氧生物降解的影響
另取苯或甲基苯(methylbenzene)厭氧(Oxygen)生物降解菌液, 用NaOH溶液調(diào)節(jié)初始pH為10.5, 按照1.4.1節(jié)所述方法再進(jìn)行實(shí)驗(yàn).
2.5 分析方法
苯、甲苯cis-1, 2-DCE和TCE采用頂空-氣相色譜-質(zhì)譜法測定.頂空瓶區(qū)溫度85℃, 定量環(huán)loop溫度95℃;傳輸線溫度150℃;進(jìn)樣時間
1. 00 min.氣相色譜進(jìn)樣口溫度150℃;分流進(jìn)樣, 分流比1∶1;升溫程序：初始40℃保持5 min, 以10℃·min-1升至200℃保持3 min.數(shù)據(jù)采集為選擇離子監(jiān)測方式.外標(biāo)法定量.苯和甲苯校準(zhǔn)曲線范圍：0.1~5 mg·L-1, 檢出限：1μg·L-1.cis-1, 2-DCE和TCE校準(zhǔn)曲線范圍：10~1000μg·L-1, 檢出限：10μg·L-1.
樣品制備：在10 mL頂空瓶中預(yù)先加入10 g·L-1的NaN3溶液1.0 mL, 取樣4.0 mL于頂空瓶中, 壓蓋密封后及時分析.不能及時分析的樣品于4℃保存.
2.6 苯或甲苯厭氧生物降解半衰期和滯后系數(shù)的計算
Mehrdad等報道稱BTEX的生物降解符合準(zhǔn)一級降解動力學(xué)方程, 因此可通過式計算苯或甲苯厭氧生物降解半衰期：
式中, C為苯或甲苯的濃度, t為降解時間, kb為苯或甲苯生物降解速率常數(shù);t1/2為苯或甲苯生物降解半衰期.
在本文中, 為表示cis-1, 2-DCE和TCE對苯或甲苯厭氧生物降解影響的強(qiáng)弱, 按式所示計算cis-1, 2-DCE和TCE對苯或甲苯厭氧生物降解半衰期的滯后系數(shù).
式中, t′1/2為無cis-1, 2-DCE和TCE時苯或甲苯的生物降解半衰期, t″1/2為有cis-1, 2-DCE和TCE時苯或甲苯的生物降解半衰期.當(dāng)IC>1時, 表示cis-1, 2-DCE和TCE的存在會抑制苯或甲苯的生物降解;當(dāng)IC < 1時, 表示cis-1, 2-DCE和TCE的存在有利于苯或甲苯的生物降解.
3 結(jié)果與討論
3.1 不同pH條件下TCE和cis-1, 2-dichloroethene對苯厭氧生物降解的影響
實(shí)驗(yàn)過程中, 假設(shè)運(yùn)行過程中零價鐵滲透反應(yīng)格柵后TCE的穿透濃度為100和500μg·L-1, 研究TCE對苯或甲苯厭氧生物降解的影響.對于cis-1, 2-DCE對苯或甲苯的影響, 由于在我國地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中尚無對cis-1, 2-DCE的要求, 但在地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定地表水中cis-1, 2-DCE的濃度不能超過50μg·L-1, 且零價鐵滲透反應(yīng)格柵后cis-1, 2-DCE的濃度也均未超過50μg·L-1.因此, 本實(shí)驗(yàn)中cis-1, 2-DCE的濃度設(shè)定為100μg·L-1.
不同pH條件下, TCE和cis-1, 2-DCE對苯厭氧生物降解的影響如圖 1和表 1所示.未加入TCE和cis-1, 2-DCE時, 當(dāng)pH由7.9增加至10.5時, pH對苯生物降解的滯后系數(shù)為0.9, 這說明堿性pH有利于苯的厭氧生物降解.這是由于苯的厭氧生物降解過程是一個產(chǎn)酸過程, 堿性pH更有利于其降解中間產(chǎn)物和終產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化, 進(jìn)而促進(jìn)生物降解.不同pH條件下加入TCE或cis-1, 2-DCE后, 微生物對苯的生物降解效率均受到不同程度的抑制.在pH=7.9時, TCE 100和500μg·L-1對苯生物降解的滯后系數(shù)分別為4.5和3.2, 而當(dāng)pH升高至10.5時, 這一數(shù)值分別為3.0和4.2.在pH=7.9和pH=10.5時, cis-1, 2-DCE 100μg·L-1對苯生物降解的滯后系數(shù)均為1.1.由此說明, TCE和cis-1, 2-DCE均會對苯的生物降解產(chǎn)生抑制作用, 但是TCE的抑制作用要強(qiáng)于cis-1, 2-DCE, 且濃度>100μg·L-1的TCE對苯生物降解的抑制沒有明顯差異.
圖 1同pH條件下TCE和cis-1, 2-DCE對苯厭氧生物降解的影響
表 1 pH 7.9或10.5時TCE和cis-1, 2-DCE對苯厭氧生物降解的影響
3.2 不同pH條件下TCE和cis-1, 2-dichloroethene對甲苯厭氧生物降解的影響
不同pH條件下, TCE和cis-1, 2-DCE對甲苯厭氧生物降解的影響如圖 2和表 2所示.未加入TCE和cis-1, 2-DCE時, 當(dāng)pH由7.9增加至10.5時, pH對甲苯生物降解的滯后系數(shù)為0.2~0.5, 這說明堿性pH同樣有利于甲苯的厭氧生物降解.這是由于甲苯的厭氧生物降解過程與苯一致, 都是一個產(chǎn)酸過程, 堿性pH更有利于其降解中間產(chǎn)物和終產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化, 進(jìn)而促進(jìn)生物降解.
圖 2不同pH條件下TCE和cis-1, 2-DCE對甲苯厭氧生物降解的影響
表 2 pH 7.9或10.5時TCE和cis-1, 2-DCE對甲苯厭氧生物降解的影響
在pH=7.9時, TCE 100和500μg·L-1對甲苯生物降解的滯后系數(shù)分別為1.1和4.3, 當(dāng)pH升高至10.5時, 這一數(shù)值分別為1.4和3.6, 而cis-1, 2-DCE 100μg·L-1對甲苯生物降解的滯后系數(shù)在pH=7.9和pH=10.5時分別為0.7和1.5.由此說明, 不同pH環(huán)境下TCE均會對甲苯的生物降解產(chǎn)生抑制作用, 且抑制作用隨著TCE濃度的增加而增加.然而, pH=7.9時cis-1, 2-DCE的加入?yún)s有利于甲苯的生物降解, 但隨著pH的增加又轉(zhuǎn)變?yōu)橐种? 且cis-1, 2-DCE的抑制作用同樣始終弱于TCE.
從降解前后TCE和cis-1, 2-DCE的濃度變化可以看出, 苯或甲苯降解前后反應(yīng)瓶中TCE濃度的最大化減少始終 < 27%, 而cis-1, 2-DCE濃度的減少卻>60%.這說明在苯或甲苯厭氧生物降解過程中, 可能存在cis-1, 2-DCE與苯或甲苯的共代謝生物降解.而且, 從cis-1, 2-DCE對苯或甲苯不同的抑制作用來看, 甲苯更有利于cis-1, 2-DCE的共代謝降解.具體參見污水寶商城資料或
4 結(jié)論
1)堿性pH有利于苯或甲苯的厭氧(Oxygen)生物降解.
2)不同pH下, TCE或cis-1, 2-DCE均會對苯或甲苯的厭氧生物降解產(chǎn)生抑制作用, 且cis-1, 2-DCE的抑制作用始終弱于TCE.
3)TCE為100和500μg·L-1對苯厭氧生物降解作用的抑制效果沒有明顯差異, 而TCE對甲苯厭氧生物降解的抑制作用卻隨著TCE濃度的增加而增加.
4)pH=7.9時, cis-1, 2-DCE的加入有利于甲苯的厭氧生物降解, 但隨著pH的增加又轉(zhuǎn)變?yōu)橐种?
5)在苯（化學(xué)式：C6H6） 或甲基苯(methylbenzene)厭氧生物降解過程中, 可能存在cis-1, 2-DCE與苯或甲苯的共代謝生物降解, 且甲苯更有利于cis-1, 2-DCE的共代謝降解.
