赣南典型稀土矿区"三氮"污染地下水中微生物的分子生态学及原位生物修复机理研究

The ammonia, nitrite and nitrate pollution has become one of the most serious problems in the shallow groundwater of rare earth mining area in Gannan. This project intends to research the mechanisms of microbial molecular ecology under the ammonia, nitrite and nitrate pollution groundwater in Longnan typical Yttrium-rich mine by using the combined method which include field sampling, investigation and laboratory simulation test, and to analysis the microbial biodiversity and community structure, aiming to investigate the molecular mechanisms of microbial population responses to nitrogen pollution stress. Then, to study the kinetic process of the nitrogen natural attenuation using biostimulants and isotopic trace, aiming to reveal the relationship between indigenous bacteria and the processes of the nitrogen natural attenuation. Finally, to study the kinetic process of nitrogen degradation by bioaugmentation, aiming to explore the competitive relationship between indoor acclimated bacteria and indigenous bacteria in the in-situ bioremediation. Based on the above studies, this project is expected to clarify the mechanism of microbial molecular ecology and the in-situ bioremediation in the ammonia, nitrite and nitrate pollution groundwater of typical mining area of rare earth in Gannan. The results of this project can not only provide an important theoretical and practical value to improve the remediation effect by using the principle of microbial remediation in the shallow groundwater of rare earth mining area, but also made a powerful contribution to sustain rare-earth development in Gannan.

"三氮"污染已成为赣南稀土矿区浅层地下水中最严重的问题之一。本研究以赣州龙南县典型稀土钇矿区地下水为研究对象，运用野外采样、调查与室内模拟试验相结合的方法，对"三氮"污染地下水中微生物的分子生态学机制进行深入的研究，分析污染地下水中微生物种群的丰度及分布特征，并探讨微生物群落适应氮污染的分子机制；同时利用生物激活剂并结合同位素示踪法开展地下水中"三氮"的自然衰减动力学过程研究，揭示地下水中土著微生物与"三氮"自然衰减的关系；最后通过研究微生物强化解氮的动力学过程，探讨原位生物修复过程中室内驯化菌和土著菌之间的竞争关系。通过以上研究，可望阐明"三氮"地下水中微生物的分子生物学特征以及污染地下水原位生物修复的过程与机理。研究成果不仅能为有效运用微生物修复原理提高稀土矿区地下水修复效果提供重要的理论和实践价值，还能为赣南稀土产业的可持续性发展作出有力贡献。

本研究以赣州龙南县典型稀土钇矿区地下水为研究对象，运用野外采样、调查与室内模拟试验相结合的方法，研究“三氮”污染地下水系统微生物的分子生态学以及原位生物修复过程与机理，开展了以下研究工作。（1）调查了赣州龙南县足洞稀土矿区水文地质情况及地下水氮污染情况，发现足洞矿区地下水中“三氮”均超出了正常水平，氮污染非常严重。（2）分析了矿区氮污染土壤和地下水中的微生物群落特征和环境因子的相关性。结果表明，氮污染土壤和地下水中存在一定丰度的生物量，包括细菌、真菌、氨氧化菌等，随着采样点不同微生物丰度存在着一定的差异性；土壤和地下水中微生物群落保持良好的多样性，个别物种保持一定的优势度，优势物种包括Firmicutes、Actinobacteria、Pseudomonas等，地下水中检测到nirK and nirS基因丰度，其中nirS的丰度nirK高。环境因子相关分析结果表明，土壤与地下水中的微生物空间分布均与TOC、DO及氨氮呈明显的相关性；（3）研究了强化自然生物原位修复氮污染地下水的修复效果及微生物群落结构。激活剂筛选结果表明，无机激活剂Na2CO3、甲醇培养初期的降氮效果比有机激活剂葡萄糖、乳糖好，然而随着培养时间延长有机激活剂表现出更好的效果，培养液中细菌OD600值及微生物水解酶活性更高；室内模拟实验结果表明，自然条件下（未激活）氮的去除要远低于激活剂强化组，而且微生物群落结构发生了较大的变化，优势物种相对丰度和生物量均得到明显的提高。（4）从矿区土壤中分离出了耐钇、耐硫酸铵及耐铝等微生物菌种，并对其耐性特征进行了研究，揭示了不同耐性微生物的生理生化特征。（5）在室内模拟研究了强化人工生物修复技术-投菌法原位修复氮污染地下水效果及微生物群落结构与功能。研究结果表明曝气和投菌均能提高氨氮的转化效果，不同环境样本中微生物表现出分散或聚集的分布情况，人工曝气和驯化菌添加的实验组与自然条件组有显著分离，且两两间差异明显，微生物种群分布与DO、NaN3和驯化菌（Bio）呈明显的正相关性。