我國(guó)地下水污染現(xiàn)狀及微生物修復(fù)

1、我國(guó)地下水污染現(xiàn)狀及微生物修復(fù)彭麗杰 王繼華（哈爾濱師范大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 黑龍江 哈爾濱 150025）摘 要：由于我國(guó)人口的增長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，作為淡水資源組成之一的地下水資源遭到了嚴(yán)重的污染，地下水污染的治理迫在眉睫，因此，結(jié)合我國(guó)的實(shí)際情況探討了微生物修復(fù)技術(shù)及其對(duì)地下水污染的修復(fù)。關(guān)鍵詞：地下水；污染；微生物修復(fù)0 引言 地下水是相對(duì)于地表水而言的，是處于地表以下的水，它與地表水一起共同組成地球上的淡水資源，具有很高的生態(tài)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。作為一種可以用于蓄水的介質(zhì)和一種改善水質(zhì)的手段，地下水的生態(tài)價(jià)值主要體現(xiàn)在它具有良好的調(diào)蓄功能，可以平衡豐枯年水資源的利用。它跟地表水一樣，也始

2、終處于不停流動(dòng)的狀態(tài)。大約有10%到20%的雨水流入地下水系；反過(guò)來(lái)，從全球的角度來(lái)看，地下水為江河提供了總流量的大約30%，它對(duì)江河起著穩(wěn)定作用，使雨季和旱季的落差減小到最小程度1。同時(shí)，它也是一種供水的水源地，因其具有水質(zhì)優(yōu)良和便于開(kāi)采的特點(diǎn)，可以成為滿(mǎn)足特定需求的獨(dú)立水源，也可以作為一種正規(guī)的補(bǔ)充水源。在很多地區(qū)，它往往與地表水結(jié)合在一起，共同滿(mǎn)足特定的水量和水質(zhì)要求，從而成為一種可用于生活、農(nóng)業(yè)和工業(yè)的穩(wěn)定水源。 自然界存在著豐富的微生物種群，這些微生物雖然個(gè)體微小，但在環(huán)境污染凈化中卻扮演著不容忽視的重要作用。微生物由于自身的生理特性，可以通過(guò)自發(fā)的或人為的遺傳、變異等生物過(guò)程適應(yīng)環(huán)

3、境的變化，使之能以各種污染物尤其是有機(jī)污染物為營(yíng)養(yǎng)源，通過(guò)吸收、代謝等一系列反應(yīng)，將環(huán)境中的污染物轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定無(wú)害的無(wú)機(jī)物。因而，在生物圈中微生物充當(dāng)著分解者的角色。微生物不僅是地球生態(tài)系統(tǒng)中最重要的分解者，也是開(kāi)發(fā)潛力最大的、人類(lèi)最寶貴的資源庫(kù)。在污染物的降解轉(zhuǎn)化、資源的再生利用、無(wú)公害產(chǎn)品的生產(chǎn)開(kāi)發(fā)、生態(tài)環(huán)境的建設(shè)保護(hù)等方面微生物都發(fā)揮重要作用。當(dāng)今人類(lèi)所面臨的諸如環(huán)境污染、資源短缺、生態(tài)破壞、健康受害等許多重要問(wèn)題，都有可能從微生物資源的開(kāi)發(fā)研究中尋找到解決的辦法，生物技術(shù)對(duì)人類(lèi)社會(huì)的持續(xù)發(fā)展將產(chǎn)生重要影響。1我國(guó)地下水污染現(xiàn)狀我國(guó)水資源總量為28124億立方米，而多年平均地下水資源量為8

4、186.43億立方米，其中平原區(qū)地下水資源量為1934.15立方米，而且分布極不均勻，南方多，北方少，并且平原區(qū)地下水資源量主要分布在北方，山丘區(qū)地下水資源量主要分布在南方。隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展和人口繼續(xù)增加，城市開(kāi)發(fā)利用地下水日益廣泛，迄今地下水已經(jīng)成為我國(guó)城市和工農(nóng)業(yè)用水的主要水源，全國(guó)目前有三分之二的城市以地下水作為主要的供水水源，約有四分之一的農(nóng)田灌溉靠地下水。地下水開(kāi)采總量超過(guò)1000億立方米，約占全國(guó)用水總量的15%-20%2。地下水污染程度分為污染嚴(yán)重、污染中等和污染較輕三級(jí)，反映的地下水污染組分包括硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、氨氮、鉛、砷、汞、鉻、氰化物、揮發(fā)性酚、石油類(lèi)、高錳酸鹽指

5、數(shù)等指標(biāo)。東北地區(qū)重工業(yè)和油田開(kāi)發(fā)區(qū)地下水污染嚴(yán)重。松嫩平原的主要污染物為亞硝酸鹽氮、氨氮、石油類(lèi)等；遼河平原硝酸鹽氮、氨氮、揮發(fā)性酚、石油類(lèi)等污染普遍。華北地區(qū)地下水污染普遍呈加重趨勢(shì)。華北地區(qū)人類(lèi)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)強(qiáng)烈，從城市到鄉(xiāng)村地下黑龍江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(C2007-24)；黑龍江省普通高等學(xué)校青年學(xué)術(shù)骨干支持計(jì)劃項(xiàng)目*通訊作者：王繼華（1972），女，博士，副教授，主要研究方向：環(huán)境微生物學(xué)。水污染比較普遍，主要污染組分有硝酸鹽氮、氰化物、鐵、錳、石油類(lèi)等。此外，該區(qū)地下水總硬度和礦化度超標(biāo)嚴(yán)重，大部分城市和地區(qū)的總硬度超標(biāo)。西北地區(qū)地下水受人類(lèi)活動(dòng)影響相對(duì)較小污染較輕。內(nèi)陸盆地地區(qū)的主要污

6、染組分為硝酸鹽氮；黃河中游、黃土高原地區(qū)的主要污染物有硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、鉻、鉛等，以點(diǎn)狀、線(xiàn)狀分布于城市和工礦企業(yè)周邊地區(qū)。南方地區(qū)地下水局部污染嚴(yán)重。西南地區(qū)的主要污染指標(biāo)有亞硝酸鹽氮、氨氮、鐵、錳、揮發(fā)性酚等，污染組分呈點(diǎn)狀分布于城鎮(zhèn)、鄉(xiāng)村居民點(diǎn)，污染程度較低，范圍較小。中南地區(qū)主要污染指標(biāo)有亞硝酸鹽氮、氨氮、汞、砷等，污染程度低。東南地區(qū)主要污染指標(biāo)有硝酸鹽氮、氨氮、汞、鉻、錳等，地下水總體污染輕微，但城市及工礦區(qū)局部地域污染較重。3地下水污染的途徑和危害3.1地下水污染的途徑3.1.1 工業(yè)廢水和污水由于地表水和地下水有密切聯(lián)系，很多地表水是地下水主要補(bǔ)給來(lái)源，因此地表水體受到污染

7、極易導(dǎo)致地下水的污染。特別是河流由于流動(dòng)大，對(duì)于地下水的影響也較大，因此在土層滲透條件較好的情況下，往往較短時(shí)間內(nèi)可以使大面積的地下水受到污染3。我國(guó)地下水主要的污染源就是工業(yè)廢水和生活污水的排放，其中工業(yè)廢水的污染占首要地位，主要表現(xiàn)在氰、砷、汞、鉻等有害物質(zhì)的污染。這些污廢水只在個(gè)別地區(qū)有少量是經(jīng)過(guò)處理后排放的，而絕大部分是未經(jīng)處理以各種方式排放，直接或間接地污染著城市及其下游地區(qū)的地下水。地下水中“三氮”和硬度指標(biāo)呈加重趨勢(shì)，致使綜合超標(biāo)狀況逐漸加重。著名泉城濟(jì)南市，曾經(jīng)就是因?yàn)閲?yán)重污染的護(hù)城河水通過(guò)干涸泉口進(jìn)入含水層，使巖溶水質(zhì)惡化，導(dǎo)致細(xì)菌數(shù)超標(biāo)和鉻含量劇增3。3.1.2污水灌溉及長(zhǎng)

8、期使用農(nóng)藥和化肥農(nóng)田使用氮肥，會(huì)有相當(dāng)于氮肥施用量的12.5%-45%的氮從土壤中流失，下滲并污染地下水體。3.1.3鹽水入侵沿海地區(qū)的地下水與海洋有水力的聯(lián)系，過(guò)量開(kāi)采這些地區(qū)的地下水，往往會(huì)造成海洋咸水向沿海淡水層區(qū)域方向的移動(dòng)，即“鹽水入侵”。3.2 地下水污染的危害據(jù)最精確的估計(jì)，全世界每年大約有2.5億人新患上經(jīng)水傳染的疾病，其中大約1000萬(wàn)人死于非命每三年相當(dāng)于一個(gè)加拿大1。人們飲用被硝酸鹽污染的地下水后可以導(dǎo)致癌癥，還可能引起高鐵（變性）血紅蛋白癥，而導(dǎo)致患者死亡4。甲荃汞（水俁?。㈡k、砷、氰化物、農(nóng)藥、多氯聯(lián)苯等，可引起人體中毒。鉛、鋇、氟也可對(duì)人體造成危害。這些急性和慢性

9、中毒，是水污染對(duì)人體健康危害的主要方面。人畜糞便等生物性污染物污染水體，可能引起細(xì)菌性腸道傳染病，如傷寒、痢疾、腸炎、霍亂等。腸道內(nèi)常見(jiàn)病毒如脊髓灰質(zhì)炎病毒、傳染性肝炎病毒等，都可通過(guò)水污染引起相應(yīng)的傳染病。某些寄生蟲(chóng)病如阿米巴痢疾、血吸蟲(chóng)病等，以及由鉤端螺旋體引起的鉤端螺旋體病等，也可通過(guò)水傳染。由于地下水的平均循環(huán)時(shí)間很長(zhǎng)，在接近水位地方的往往是一年左右，而在深處蓄水層的循環(huán)時(shí)間可以長(zhǎng)達(dá)數(shù)千年，所以一旦被污染，很難被清除，當(dāng)然更無(wú)法被有效利用。但是水資源作為工業(yè)的血液和農(nóng)業(yè)的命脈，支撐著人類(lèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，如果可用地下水資源受到嚴(yán)重的污染，會(huì)導(dǎo)致可供水源的缺乏，嚴(yán)重制約城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)

10、的進(jìn)步。4 微生物修復(fù)微生物修復(fù)技術(shù)是20世紀(jì)80年代以來(lái)出現(xiàn)和發(fā)展的治理環(huán)境污染的微生物工程技術(shù)。它以微生物的代謝活動(dòng)為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)有毒有害物質(zhì)進(jìn)行降解和轉(zhuǎn)化，修復(fù)受破壞的生態(tài)平衡以達(dá)到治理環(huán)境的目的。微生物修復(fù)的關(guān)鍵是能針對(duì)處理體系中的污染物找到相應(yīng)的高效降解菌株。在水污染治理中，高效菌株既可以從長(zhǎng)期污染的水體或廢水生物裝置中篩選、分離、富集培養(yǎng)得到，也可以通過(guò)誘變、原生質(zhì)體融合、基因工程等技術(shù)來(lái)構(gòu)建。因其可以施行原位治理，并以其技術(shù)可行和成本相對(duì)低廉而已被人們普遍接受5 ，具有廣泛的發(fā)展前景。4.1微生物修復(fù)技術(shù)治理污染問(wèn)題的特點(diǎn)科技的發(fā)展也充分證明微生物修復(fù)技術(shù)是環(huán)境保護(hù)的理想武器，這

11、一技術(shù)在解決環(huán)境問(wèn)題過(guò)程中所顯示的獨(dú)特功能和顯著優(yōu)越性充分體現(xiàn)在它是一個(gè)純生態(tài)過(guò)程。微生物修復(fù)技術(shù)在處理環(huán)境污染物方面具有速度快、消耗低、效率高、成本低、反應(yīng)條件溫和等顯著優(yōu)點(diǎn)。隨著生物技術(shù)研究的進(jìn)展和人們對(duì)環(huán)境問(wèn)題認(rèn)識(shí)的深入，人們已越來(lái)越意識(shí)到，現(xiàn)代生物技術(shù)的發(fā)展，為從根本上解決環(huán)境問(wèn)題提供了無(wú)限的希望。目前微生物修復(fù)技術(shù)已是環(huán)境保護(hù)中應(yīng)用最廣的、最為重要的單項(xiàng)技術(shù)，其在水污染控制、大氣污染治理、有毒有害物質(zhì)的降解、清潔可再生能源的開(kāi)發(fā)、廢物資源化、環(huán)境監(jiān)測(cè)、污染環(huán)境的修復(fù)和污染嚴(yán)重的工業(yè)企業(yè)的清潔生產(chǎn)等環(huán)境保護(hù)的各個(gè)方面，發(fā)揮著極為重要的作用。應(yīng)用微生物技術(shù)處理污染物時(shí)，最終產(chǎn)物大都是無(wú)毒

12、無(wú)害的、穩(wěn)定的物質(zhì)，如二氧化碳、水和氮?dú)?。利用微生物方法處理污染物避免了污染物的多次轉(zhuǎn)移，因此它是一種消除污染安全而徹底的方法。特別是現(xiàn)代微生物技術(shù)的發(fā)展，使微生物處理具有更高的效率，更低的成本和更好的專(zhuān)一性，為微生物修復(fù)技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用展示了更為廣闊的前景。4.2 微生物修復(fù)技術(shù)生物修復(fù)技術(shù)可分為原位生物修復(fù)和異位生物修復(fù)兩種。原位生物修復(fù)是指對(duì)受污染的介質(zhì)（土壤、水體）不作搬運(yùn)或輸送，而在原位污染地進(jìn)行的生物修復(fù)處理，修復(fù)過(guò)程主要依賴(lài)于被污染地自身微生物的自然降解能力和人為創(chuàng)造的合適降解條件；異位生物修復(fù)是指將被污染介質(zhì)（土壤、水體）搬動(dòng)和輸送到它處進(jìn)行生物修復(fù)處理。但這里的搬動(dòng)和輸

13、送是低限度的，而且更強(qiáng)調(diào)人為調(diào)控和創(chuàng)造更加優(yōu)化的降解環(huán)境。我們主要介紹原位生物修復(fù)技術(shù)。原位生物修復(fù).1生物通氣法這是一種強(qiáng)迫氧化生物降解法，用于修復(fù)地下水上部受揮發(fā)性有機(jī)物污染的透氣層土壤。它是在污染的土壤上打至少兩口井，安裝鼓風(fēng)機(jī)和抽真空機(jī)，將空氣強(qiáng)排入土壤中，然后抽出，土壤中的揮發(fā)性有機(jī)物也隨之去除6。這種處理系統(tǒng)要求污染土壤具有多孔結(jié)構(gòu)以利于微生物的快速生長(zhǎng)。另外，污染物是揮發(fā)性的，這才適于通過(guò)真空抽提加以去除7。.2生物注射法將空氣加壓后注射到污染地下水的下部，氣流加速地下水和土壤中有機(jī)物的揮發(fā)和降解，它和生物通氣法都是在廣泛應(yīng)用的土壤氣提法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的8。.3生物培養(yǎng)法定期地

14、向污染環(huán)境中投加H2O2和營(yíng)養(yǎng)，以滿(mǎn)足污染環(huán)境中已經(jīng)存在的降解菌的需要，使微生物把污染環(huán)境中的污染物徹底礦化成CO2和H2O。.4投菌法直接向污染的環(huán)境中接入外源的污染降解菌，同時(shí)提供這些細(xì)菌生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)。.5農(nóng)耕法對(duì)污染土壤進(jìn)行耕耙處理，在處理進(jìn)程中施入肥料，進(jìn)行灌溉，加入石灰，使其有充足的營(yíng)養(yǎng)、水分和適宜的PH值，從而盡可能地為微生物降解提供一個(gè)良好的環(huán)境，保證污染物降解在土壤的各個(gè)層次上都能發(fā)生9。5 生物修復(fù)技術(shù)在污染治理中的應(yīng)用近年來(lái)研究人員把煤的物理選煤技術(shù)之一的浮選法和微生物處理相結(jié)合，即把煤粉碎成微粒與水混合，并將微生物加入溶液中，讓微生物附著在黃鐵礦表面，使其表面變成親水性

15、，能溶于水。在浮選中其難以附著在氣泡上，下沉至底部，從而把煤和黃鐵礦分開(kāi)。由于它僅處理黃鐵礦的表面，因此脫硫時(shí)間只需數(shù)分鐘即可，從而大幅度縮短了處理時(shí)間，可脫除無(wú)機(jī)硫約70%。另外，該法在把煤中的黃鐵礦脫硫時(shí)，灰分也可同時(shí)沉底，所以也具有脫去灰分的優(yōu)點(diǎn)。 我國(guó)造紙行業(yè)年排放廢水量達(dá)40億噸，占全國(guó)工業(yè)廢水排放量的1/6，其中有機(jī)污染物(以BOD計(jì))達(dá)170萬(wàn)噸，約占全國(guó)工業(yè)廢水中有機(jī)污染物總量的1/4。在用植物材料進(jìn)行化學(xué)制漿與化學(xué)漂白過(guò)程中，含有大量木質(zhì)素、半纖維素和有害物質(zhì)的廢液被傾倒入江河湖泊中，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染和生態(tài)破壞。造紙工業(yè)中的制漿和漂白工序是污染物產(chǎn)生的主要工序。磨木漿的能量

16、消耗很大，而且成品紙的強(qiáng)度等質(zhì)量性能不如硫酸鹽漿，因而限制了這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展。利用微生物與微生物酶類(lèi)進(jìn)行微生物制漿與微生物漂白具有很大的優(yōu)勢(shì)和潛力，因?yàn)槲⑸飿O易生長(zhǎng)繁殖，酶催化反應(yīng)具有高度專(zhuān)一性，反應(yīng)條件溫和，并且高效無(wú)污染。把過(guò)氧化氫作為氧源注入到受污染地下水中，過(guò)氧化氫分解以后產(chǎn)生氧以供給微生物生長(zhǎng)。過(guò)氧化氫常常要與催化劑一起注入，催化劑用以控制過(guò)氧化氫的分解速度，使之與微生物的耗氧速度相一致，從而縮短處理時(shí)間。最近，10，該技術(shù)能有效地降解地下水污染物中廣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謝作用。因?yàn)門(mén)CE和PCE均不能作為微生物的生長(zhǎng)

17、基質(zhì)，所以需要為微生物提供另外的碳源，微生物利用提供的碳源生長(zhǎng)，然后去降解TCE和PCE等污染物。6 展望地下水不僅是一種寶貴的自然資源，還是環(huán)境構(gòu)成的基本要素。它是自然界水循環(huán)的重要組成部分，是人類(lèi)賴(lài)以生存和社會(huì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，與人類(lèi)活動(dòng)和生存息息相關(guān)。當(dāng)前人類(lèi)開(kāi)發(fā)利用地下水資源，一方面滿(mǎn)足了自身物質(zhì)文明的需要，另一方面又在改變和破壞自然環(huán)境的平衡。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，地下水污染問(wèn)題將日益嚴(yán)重。不僅嚴(yán)重影響國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，而且危及人類(lèi)自身的生存。與此同時(shí)，地下水與其周?chē)橘|(zhì)的物理化學(xué)作用過(guò)程十分復(fù)雜，其進(jìn)程往往十分隱蔽和緩慢，以上不良環(huán)境問(wèn)題，既不容易及早發(fā)現(xiàn)，又難以在較短時(shí)間內(nèi)治理奏效。為此，

18、怎樣合理開(kāi)發(fā)利用和保護(hù)地下水資源，是當(dāng)前人們所關(guān)注的社會(huì)問(wèn)題。我國(guó)的微生物修復(fù)技術(shù)處于剛剛起步階段。在其大規(guī)模應(yīng)用之前，還有一系列具體問(wèn)題需要解決。例如，在利用微生物進(jìn)行地下水環(huán)境凈化過(guò)程中，由于微生物的生長(zhǎng)、死亡及代謝產(chǎn)物會(huì)造成含水層滲透性降低甚至堵塞。再如，經(jīng)過(guò)微生物脫氮作用，地下水中氮的含量降低了，但水中細(xì)菌的含量能否滿(mǎn)足用戶(hù)用水要求呢？這些問(wèn)題一旦得到解決，微生物治理地下水污染技術(shù)就會(huì)被廣泛應(yīng)用，從而產(chǎn)生客觀的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。參考文獻(xiàn)1（加拿大）馬克.德維利耶（de villiers）著。嚴(yán)維明譯。水迫在眉睫的生存危機(jī)M。上海：上海譯文出版社，2001，17，5455。2王婭。建設(shè)

19、可持續(xù)發(fā)展的城市“2002城市環(huán)境管理與可持續(xù)發(fā)展”J。中國(guó)環(huán)境報(bào)，2002，5-8。3陳夢(mèng)熊，馬鳳山著。中國(guó)地下水資源與環(huán)境M。北京：地震出版社，2002，337338。4王琪等編著。城市環(huán)境問(wèn)題M。貴陽(yáng)：貴陽(yáng)科技出版社，2001，102。5Mohammed N iaz，A llayla R I，N akh la G F，et al。State- of - art review of bio remediat ion studiesJ。EnvironSci Health，1997，A 31 (7)：1547- 1574。6Fredtickson J K，Bolton H，Brockmon F

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