受污染地下水区域中水文地球化学、污染物及微生物群落的时空共同演化

《Biochemical Engineering Journal》：Spatiotemporal Co-evolution of Hydrogeochemistry, Pollutants, and Microbial Communities in Contaminated Groundwater Sites

本研究以南方某历史化工厂区为对象，系统监测地下水水文地质参数及微生物群落结构，揭示苯与邻甲酚自然衰减机制。结果表明，铁还原及微生物驱动降解显著降低污染物浓度，δ13C同位素富集证实生物降解，且不同深度微生物多样性差异与水文地质条件相关。

　　

陈俊|郑伟|张一音|陈青|丁海达|隋玉欣|史健|顾晓敏

中国南通市，水污染控制重点实验室，226019

摘要

目前，关于历史污染化学场地中复杂有机化合物自然降解的系统性跨学科研究仍然相对有限。本研究聚焦于一个遗留化学工业场地中苯和邻甲苯的共污染问题。通过系统监测地下水中的水文地球化学参数和微生物群落结构，我们确定了这些污染物自然衰减的关键机制。研究结果发现了受污染地下水中发生的地球化学变化，包括Fe2?浓度的波动、硫酸盐的持续消耗以及HCO??浓度的显著增加。这些迹象表明存在微生物驱动的降解过程，如铁的还原。此外，苯和邻甲苯中13C（> +2‰）的富集为它们的原位生物降解提供了直接证据。微生物分析表明，含水层的深度影响了生态过滤作用，导致微生物的丰富度和多样性随深度增加而减少。在污染压力下，能够降解污染物的细菌（如假单胞菌和不动杆菌）变得更加丰富。在所有三个检测深度中，变形菌始终是主要的微生物群体。在不同深度的不同监测点观察到了不同的微生物群落，显示出从6米处的有氧条件到15米处的兼性厌氧条件，再到40米处的专性厌氧条件的转变。

引言

地下水被广泛认为是水资源的重要组成部分，是家庭、工业和农业用水的重要来源[1]、[2]。然而，随着工业化的不断推进，地下水污染问题日益严重，威胁到了中国的可持续社会经济发展和生态进步[3]。在有机化学领域，苯和邻甲苯因其独特的分子结构和广泛的应用价值而成为关键研究对象[4]。这些有机化合物在各个行业中都有广泛应用，常用于染料、农药、药品和其他化学品的生产[4]、[5]。它们的生产、储存和不当处理导致了前工业区土壤和地下水的广泛污染[6]、[7]，对环境和人类健康构成了严重威胁。值得注意的是，短期接触苯和邻甲苯会损害人体神经系统，而长期接触会增加患癌症的风险，对人类健康和生态系统构成重大危害[8]、[9]、[10]。

为了将地下水污染物浓度降至监管标准以下，采取系统有效的修复措施至关重要。在此背景下，为应对日益复杂的地下水污染问题，越来越多的研究致力于开发和应用污染场地修复技术。这些努力旨在通过各种物理、化学和生物方法消除污染源并恢复含水层功能。近年来，已采用多种物理、化学和生物技术进行地下水修复，包括抽水处理、化学氧化和生物修复[11]。然而，这些技术存在固有的局限性。抽水处理可能效率低下且容易引起浓度反弹；化学氧化可能产生有毒副产物并对原生环境产生负面影响。相比之下，受监控的自然衰减（MNA）因其环境兼容性、简单性和成本效益而受到广泛关注。自然衰减是指在受控、可验证的条件下，依靠自然发生的物理、化学和生物过程（如稀释、吸附和降解）来降低污染物浓度和毒性的修复策略[12]。MNA是一种基于这一原理的被动方法，依靠土壤和地下水中的自然过程有效减少污染物质量和浓度[13]、[14]。其中，微生物驱动的生物降解尤为重要，因为它可以将污染物转化为无害物质[15]、[16]。

在污染场地中，污染物通常以复杂混合物的形式存在。各种成分之间的相互作用会大大增加微生物群落结构的复杂性[17]、[18]。共存污染物与微生物群落之间的这种相互作用是场地特定生物地球化学过程的关键部分。此外，不断变化的环境条件（受空间和季节影响）通过改变水文地球化学参数，持续影响微生物群落的组成和代谢活动[19]。大量研究表明，由空间差异驱动的水文地球化学条件的异质性直接影响地下水系统中污染物的降解途径和速率，使得场地清理变得更加困难[20]。因此，系统分析不同深度和尺度下地下水微生物群落、水文地球化学因素和污染物之间的关系对于理解污染物迁移和转化机制至关重要。然而，目前对自然衰减过程及其调控机制的认识主要基于实验室模拟。要在实地准确评估自然衰减（NA）过程，需要采用综合方法，因为依赖单一方法无法全面了解实际情况[21]。在这些方法中，化合物特异性同位素分析（CSIA）常用于检测NA过程中的污染物降解。通过检测特定有机化合物的同位素组成变化，可以确认微生物降解的发生。例如，二氯苯浓度的降低以及δ13C的富集直接证明了原位微生物分解[22]。因此，结合水文地球化学、微生物生态学和同位素地球化学的见解，系统评估受多种有机物质污染场地的自然衰减过程，可以提供宝贵的科学见解。这种多技术方法为污染区域的精准修复和风险管理提供了坚实的理论基础。尽管如此，关于遗留化学工业场地中复杂有机化合物自然衰减的跨学科研究仍然相对较少[18]、[23]。这一差距突显了在该领域开展创新研究的紧迫性和学术重要性。

本研究聚焦于江苏省南部一家化学企业搬迁后的遗留场地。在该场地，已依次实施了垂直和水平隔离屏障，以减缓地下水污染物的迁移。选择苯和邻甲苯作为目标污染物，研究其在地下水中的自然衰减过程，以阐明微生物群落组成、水文地球化学因素和污染物在时空变化条件下的相互作用。本研究的主要目标是：1）分析水文地球化学条件，并描述苯和邻甲苯在空间和时间梯度上的自然衰减模式；2）描述时空变化条件下的微生物群落组成，并识别关键的降解微生物。本研究希望为历史化学工业场地中复杂有机化合物的自然降解过程提供参考。

研究地点

研究区域位于江苏省南部的一个前化学工厂所在地，该工厂曾生产多种化学物质，包括二酮烯、2-氰吡啶、双乙酰酮、吡唑酮、乙酰乙酸和丁内酯。作为典型的化学工业工厂，长期的研究和生产活动导致该场地土壤和地下水受到严重污染。在开始地下水监测和采样之前，已实施了垂直和水平的工程隔离措施

水文地球化学条件及目标污染物的时空演变

地下水的水文地球化学环境是控制污染物迁移、分布和微生物代谢活动的关键因素[24]。为了获得有机污染物微生物降解的地球化学证据，本研究系统监测了关键指标，包括电导率（EC）、亚铁（Fe2?）、硫酸盐（SO?2?）、碳酸氢盐（HCO??）和pH值，以阐明地下水系统中的主要氧化还原过程。图2展示了

结论与意义

本研究结合了水文地球化学、微生物生态学和同位素分析等多学科方法，阐明了水文地球化学条件、微生物群落和污染物之间的相互关系。研究结果有望为在该场地应用和优化基于自然衰减的修复策略提供科学依据。研究证实，这些污染物的自然衰减是一个由地球化学过程驱动的综合性过程

未引用参考文献

[50]

CRediT作者贡献声明

史健：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，资源提供，项目管理。隋玉欣：方法学研究，调查。丁海达：方法学研究，调查。郑伟：撰写 – 审稿与编辑，监督，方法学研究，资金筹集。陈俊：撰写 – 原稿，可视化，验证，方法学研究，概念构思。陈青：验证，方法学研究，调查。张一音：方法学研究，调查，形式分析，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了中国深地科学技术重大项目（项目编号2024ZD1003503）、江苏省基础研究计划（项目编号BK20250943）、南通市自然科学基金（项目编号JC2024041）以及南通市水污染控制重点实验室的支持。