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：由于我國人口的增長、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)合我國的實(shí)際情況探討了微生物修地下水是相對于地表水而言的，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；反過來，從全球的角度來看，地下水為江河提供了總流量的大約30%,它對源地，因其具有水質(zhì)優(yōu)良和便于開采的特點(diǎn)，可以成為滿足特定需求的獨(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，共同滿足特定的水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，可以通過自發(fā)的或人為的遺傳、變異等生物過程適應(yīng)環(huán)境的變化，使之能以各種污染物尤其是有機(jī)污染物為營養(yǎng)源，通過吸收、代謝等一系列反應(yīng)，將環(huán)境中的污染物轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定無害的無機(jī)物。因而，在生物圈微生物不僅是地球生態(tài)系統(tǒng)中最重要的分解者，也是開發(fā)潛力最大的、人類最寶貴的資源庫。在污染物的降解轉(zhuǎn)化、資源的再生利用、無公害產(chǎn)品的生產(chǎn)開發(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題，都有可能從微生物資源的開發(fā)研究中尋找到解決的辦法，1我國地下水污染現(xiàn)狀我國水資源總量為28124億立方米，而多年平均地下水資源量為8186.43億立方米，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。隨著國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展和人口繼續(xù)增加，城市開發(fā)利用地下水日益廣泛，迄今地下水已經(jīng)成為我國城約有四分之一的農(nóng)田灌溉靠地下水。地下水開采總量超過1000億立方米，約占全國用水總量的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，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、高錳酸東北地區(qū)重工業(yè)和油田開發(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、石油類等；遼河平原硝酸鹽氮、氨氮、揮發(fā)性酚、石油類等污染普華北地區(qū)地下水污染普遍呈加重趨勢。華北地區(qū)人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)強(qiáng)烈，從城市到鄉(xiāng)村地下*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、石油類等。此外，該區(qū)地西北地區(qū)地下水受人類活動(dòng)影響相對較小污染較輕。內(nèi)陸盆地地區(qū)的主要污染組分為硝酸鹽氮；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，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3地下水污染的途徑和危害3.1地下水污染的途徑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)給來源，因此地表水體受到污染極易導(dǎo)致地下水的污染。特別是河流由于流動(dòng)大，對于地下水的影響也較大，因此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，致使名泉城濟(jì)南市，曾經(jīng)就是因?yàn)閲?yán)重污染的護(hù)城河水通過干涸泉口進(jìn)入含水層，使巖溶水質(zhì)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，下滲并污染沿海地區(qū)的地下水與海洋有水力的聯(lián)系，過量開采這些地區(qū)的地下水，往往會(huì)造成海據(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(水俁病)、鎘、砷、氰化物、農(nóng)藥、多氯聯(lián)苯等，可引起人體中毒。鉛、鋇、氟也可對人體造成危害。這些急性和慢性中毒，是水污染對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)常見病毒如脊髓灰質(zhì)炎病毒、傳染性肝炎病毒等，都可通過水污染引起相應(yīng)的傳染病。某些寄生蟲病如阿米巴痢疾、血吸蟲病等，以及由鉤端螺旋體引起的鉤由于地下水的平均循環(huán)時(shí)間很長，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)間可以長達(dá)數(shù)千年，所以一旦被污染，很難被清除，當(dāng)然更無法被有效利用。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)的進(jìn)步。微生物修復(fù)技術(shù)是20世紀(jì)80年代以來出現(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)，通過對有毒有害物質(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，也可以通過誘變、原生質(zhì)體融合、基因工程等技術(shù)來構(gòu)建。因其可以施行原位治理，并以其技術(shù)可行和成本相對低廉而已被人們普遍接受[5],具有廣4.1微生物修復(fù)技術(shù)治理污染問題的特點(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，這一技術(shù)在解決環(huán)境問題過程中所顯示的獨(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)展和人們對環(huán)境問題認(rèn)識的深入，人們已越來越意識到，現(xiàn)代生物技術(shù)的發(fā)展，為從根本上解決環(huán)境問題提供了無限的希望。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發(fā)、廢物資源化、環(huán)境監(jiān)測、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)揮若極為重要的作用。應(yīng)用微生物技術(shù)處理污染物時(shí)，最終產(chǎn)物大都是無毒無害的、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)過程主要依賴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，構(gòu)以利于微生物的快速生長。另外，污染物是揮發(fā)性的，這才適于通過真空抽提加以去除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)菌生長所需的營養(yǎng)。對污染土壤進(jìn)行耕粑處理，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5生物修復(fù)技術(shù)在污染治理中的應(yīng)用近年來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，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。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，從而可脫除無機(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，所以也我國造紙行業(yè)年排放廢水量達(dá)40億噸，占全國工業(yè)廢水排放量的1/6,其中有機(jī)污染物(以BOD計(jì))達(dá)170萬噸，約占全國工業(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進(jìn)行微生物制漿與微生物漂白具有很大的優(yōu)勢和潛力，因?yàn)槲⑸飿O易生長繁殖，酶催化反應(yīng)具有高度專一性，反應(yīng)條件溫和，并且高效無污染。把過氧化氫作為氧源注入到受污染地下水中，過氧化氫分解以后產(chǎn)生氧以供給微生物生長。過氧化氫常常要與催化劑一起注入，催化劑用以控制過氧化氫的分解速度，使之與長基質(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，然后去降解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，是人類賴以生存和社會(huì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，與人類活動(dòng)和生存息息相關(guān)。當(dāng)壞自然環(huán)境的平衡。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，地下水污染問題將日益嚴(yán)重。不僅嚴(yán)重影響國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，而且危及人類自身的生存。與此同時(shí)，地下水與其周圍介質(zhì)的物理化學(xué)作用過程十分復(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，怎樣合理開發(fā)利用和保護(hù)地下水資源，是當(dāng)前人們所關(guān)我國的微生物修復(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)境凈化過程中，由于微生物的生長、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)菌的含量能否滿足用戶用水要求呢?這些問題一旦得到解決，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。[1](加拿大)馬克.德維利耶(devilliers)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，2001,17,54-55。[2]王姬。建設(shè)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]。中國環(huán)境報(bào)，[3]陳夢熊，馬鳳山著。中國地下水資源與環(huán)境[M]。北京：地震出版社，2002,337-338。[4]王琪等編著。城市環(huán)境問題[M]。貴陽：貴陽科技出版社，2001,102。