随着城市化和社会经济的高速发展,污染物的泄漏导致地下水的严重污染,特别是有机污染普遍存在,对人类饮用水安全构成了严重的威胁。苯胺是现代农业、医药和化工产品的常用原料,应用范围非常广泛,对地下水的污染比较普遍。由于苯胺对人体具有毒性、致癌、致突变性和在环境中的持久性,苯胺污染地下水的防治受到了人们的普遍关注。在苯胺污染地下水修复方法中,物理修复技术能耗及处理成本高,化学修复技术则易对环境造成二次污染,而原位生物修复技术由于其相对经济、有效和环境友好且易和多种修复手段联合应用等特点,具有明显优势。其中,生物强化可通过向地下环境中注入外源降解菌,达到缩短修复时间、提高修复效率的目的。但是,实际修复中往往由于外源降解菌在投加到场地后活性和数量大幅度降低,导致生物强化失败。所以,外源降解菌在地下环境中的存活和迁移对生物强化至关重要。本论文通过研究含水层中的降解菌存活、降解菌迁移和生物强化修复效率三者之间的关系,为实际生物强化原位修复苯胺污染地下水提供理论基础。通过之前的研究表明,Pseudomonas migulae AN-1是一株适冷、高效的苯胺降解菌,其在低温下的降解性能已经清楚,降解条件也被优化,但AN-1在地下环境中的存活、迁移和对苯胺污染含水层的修复效能尚未明确。本论文研究了AN-1在含水层中存活和迁移的相关性能;构建了一种新的绿色荧光蛋白(Green fluorescent protein,GFP)标记结合光投射技术的方法体系,直观并实时监测了降解菌在模拟含水层中的迁移,首次实现了无扰动同时捕捉游离菌和附着菌的迁移动态,揭示了降解菌在含水层中的迁移机制,对明确修复范围及强化调控生物修复具有重要的指导意义;运用皂素对降解菌在含水层中的迁移进行强化,通过研究AN-1—液体—固体介质三者的表面热力学性质、界面表面能、吉布斯自由能和DLVO相互作用能,进一步阐明了皂素强化迁移的机理,为强化生物修复和缓解生物堵塞在理论和技术上奠定了基础;考察并验证了AN-1在模拟苯胺污染含水层中的存活、迁移和修复效能,建立了一套较为完整的原位生物修复苯胺污染地下水技术体系,对实际修复具有重要参考价值。通过上述研究,本论文主要得出以下结论:⑴AN-1在含水层中存活和迁移的相关特性AN-1可适应苯胺浓度的变化,自动调节自身的细胞膜通透性、疏水性和自聚集性。AN-1具有附着成膜能力,且AN-1形成的生物膜也具有较好的苯胺降解及抗苯胺冲击性能。地下水中的Ca2+和SO42-(≥5 m M)对AN-1成膜有促进作用,Fe2+有抑制作用。⑵AN-1在含水层中的迁移机制采用GFP标记结合光透射技术,无扰动同时捕捉了模拟含水层中游离菌和附着菌的迁移动态,直观并定量的揭示了AN-1在含水层中的迁移机制,即降解菌在含水层中的迁移受自身生物特性和地下水对流、弥散的共同作用,为生物因素和水文地质因素共同影响。(1)降解菌迁移速度:AN-1迁移速度比地下水流速快,且含水层介质粒径越小,对AN-1迁移速度促进越大,AN-1迁移越快。(2)降解菌迁移能力:含水层介质粒径越大、地下水流速越快、地下水中离子强度越小、溶解性有机质越多,AN-1在饱和多孔介质中的质量回收率就越大,沉积速率系数越小,越易在含水层中迁移。其中,相同离子强度、相同阴离子,二价阳离子比一价阳离子对AN-1迁移的抑制作用大;相同离子强度、相同阳离子,二价阴离子比一价阴离子对AN-1迁移的抑制作用小。(3)降解菌迁移动态:对于菌羽的初始形状,菌羽在中砂中沿注入井形成一条窄带,在粗砂中于注入井下半部形成一个椭球;对于菌羽的面积,与时间呈线性关系,而且在相同降解菌注入量、相同时间内、相同地下水流速条件下,中砂中的面积大于粗砂;对于菌羽的范围,从注入井至降解菌羽锋面,可形成连续的微生物带,包括游离菌羽区域和后方的附着菌区域,对明确修复范围及强化调控生物修复具有重要的指导意义。⑶AN-1在含水层中迁移的强化皂素对AN-1无毒害作用。当0.1%、0.3%或0.5%皂素存在时,AN-1对苯胺的降解速率比无皂素时略高,生物量略大。确立了0.1%为皂素冲洗溶液的最佳浓度,该浓度下AN-1—液体—固体介质三者构成体系的界面表面能最小、吉布斯自由能最大、细菌截留量最小。采用0.1%皂素溶液冲洗的方法(不用皂素对AN-1进行预处理,直接注入含水层,再用0.1%皂素溶液进行冲洗),是强化AN-1在含水层中迁移最经济、最有效的方式。该技术方法可使AN-1在含水层中发生有效的二次迁移,进一步扩大潜在的生物强化修复范围。离子不影响皂素对AN-1的促迁移作用。当皂素与离子共存时,与离子单独存在相比,皂素显著提高了AN-1与介质颗粒之间的能量壁垒,基本消除了离子对AN-1迁移的抑制作用,促进了AN-1在饱和多孔介质中的迁移。⑷AN-1修复模拟苯胺污染含水层在模拟苯胺污染含水层中,AN-1能够较好的存活,表现出良好的降解性能,并可维护土著微生物群落结构,使种群适应苯胺的冲击。从注入井至降解菌羽锋面,可形成连续的微生物反应带,有效的修复范围包括游离菌羽区域和后方的降解菌附着区域。当降解菌在污染含水层中注入时,降解菌会大量附着生长并聚集在注入井的附近,虽然该区域对苯胺的降解速率较大,为主要降解区域,但可能会形成潜在的生物堵塞。降解菌聚集区域会随水流缓慢向下游运移、扩大,并伴随游离细胞的不断剥落、随水流向下游迁移。AN-1对模拟苯胺污染含水层具有良好的生物强化修复效能。本论文的主要创新体现在:构建了一种新的GFP标记结合光投射技术的方法体系,直观并实时监测了降解菌在模拟含水层中迁移,实现了无扰动同时捕捉游离菌和附着菌的迁移动态,首次直观的揭示了生物强化的有效修复范围;建立了一种新的运用皂素强化降解菌在含水层中迁移的技术方法,具有相对经济、有效且环境友好的特点,并阐明了其强化机理;首次验证了高效苯胺降解菌Pseudomonas migulae AN-1在模拟苯胺污染含水层中的存活、迁移和修复效能,系统且全面的研究了含水层中降解菌存活、降解菌迁移和生物强化修复效率三者之间的内在关系。综上所述,本论文为实际生物强化原位修复苯胺污染地下水奠定了理论基础,对实际工程应用具有重要的指导意义。