地下水位波动带石油烃污染微生态变化特征与生物修复机制研究

The widespread of petroleum contaminated land and oil spill make it a great threaten to human health and ecosystems. In many cases, petroleum hydrocarbons enter groundwater via unsaturated zone and undergo transformation, during which environmental conditions and hydrogeological structure play important roles in natural attenuation of petroleum contaminants, especially due to the fluctuation of groundwater table, an oxic/anoxic zone forms which is particular niche for microbial community structure and hydrocarbons biodegradation. The microcosm simulating system and molecular biotechnology as metagenomics, fluorescence qPCR and FISH will be applied to investigate (1) the distribution and variation of degradation microorganisms at the interface of soil-water-oil, (2) the factors limiting biodegradation of petroleum hydrocarbons within the groundwater fluctuation zone, (3) variations of microbial community and function gene at the interface. The research outcomes will be helpful for enhancing bioremediation of petroleum hydrocarbon contaminated soil and groundwater.

广泛存在的石油污染场地和频发的石油泄露事故对人类健康和生态系统造成了严重的威胁。石油污染物通过包气带和地下水进行大尺度迁移，地下微环境条件是制约其自然修复能力的重要因素。在地下水位波动变化过程中，包气带-地下水界面形成了独特的好氧/厌氧交替环境，对微生物群落结构和石油烃降解能力产生了显著影响。本研究针对包气带-地下水界面的复杂环境，利用宏基因组学、荧光定量聚合酶链式反应和原位荧光杂交等现代分子生物学技术手段，探索地下水位变化过程中波动带微生物群落结构和功能基因的时空变化机制。通过构建“包气带-地下水界面微宇宙”模拟系统，在分子（细胞）和生态（群落）水平揭示石油烃污染物在包气带-地下水系统中迁移转化和生物降解的限制性因素，识别石油烃降解功能微生物在土-水-油微界面的赋存状态，探索石油烃降解微生物群落和降解功能基因多样性的演化，为石油污染场地生物修复能力的强化提供理论支持。

本项目基于典型石油污染场地微生物群落结构与功能空间分布及其影响因素的调查结果，建立了地下水位波动带微宇宙试验体系，分析了烷烃污染浓度和含水率/含氧量变化对微生物群落结构和生态功能的影响。在此基础上，构建了“包气带-波动带-饱和带”连续体室内模拟系统，模拟了自然波动和降雨入渗情景下地下水位波动过程中的石油烷烃污染，研究了连续体内不同带烷烃污染物的赋存及其降解功能的变化。.（1）石油污染场地调查结果表明：研究区地下水和土壤均受到不同程度的石油污染。污染土壤样品的优势菌群主要包括Proteobacteria（变形菌门）、Actinobacteria（放线菌门）、Bacteroidetes（拟杆菌门）、Chloroflexi（绿弯菌门）、Firmicutes（厚壁菌门）和Acidobacteria（酸杆菌门）。石油烃污染物组成与浓度分布差异导致不同取样点的优势菌种不同，其中，烷烃污染浓度对其自身降解起到重要作用。.（2）地下水位波动带微宇宙试验结果表明：初始烷烃浓度越高，烷烃降解效率及降解速率越低，初始浓度差异会导致烷烃各组分降解规律不同。含水率/含氧量条件的转换在不同程度上改变了微生物群落结构，影响了烷烃降解基因的表达，有利于烷烃的降解。.（3）“包气带-波动带-饱和带”连续体模拟试验结果表明：地下水位波动过程增大了烷烃污染物迁移扩散的幅度，改变了波动带含水率/含氧量。两种情景下地下水位波动过程中各带优势菌科相对丰度和三种烷烃单加氧酶基因（alk_A、alk_R和alk_P）拷贝数发生不同的变化，但alk_P始终占有优势，是发挥主导作用的功能基因。地下水位波动过程各带烷烃降解功能的变化，可归因于各功能基因及其关联微生物的数量对环境条件和烷烃污染物赋存的响应。.因此，本项目提出了将“包气带”、“波动带”和“饱和带”作为一个连续体的研究思路，实现了地下水位波动过程“包气带-波动带-饱和带”连续体内不同带的微生态特征变化和石油烃生物修复机制研究。研究结果可为地下水位波动环境下土壤-地下水石油烃污染自然衰减和生物修复技术研发提供理论依据。