地下水苯系物微生物降解及其碳同位素标记

张 敏，王森杰，陈素云，李喜青，李元杰

(1.中国地质科学院水文地质环境地质研究所，河北 石家庄 050061；2.北京市市政四建设工程有限责任公司，北京 100176；3.北京市勘察设计研究院有限公司，北京 100038；4.北京大学城市与环境学院，北京 100871；5. 中国人民大学环境学院，北京 100872)

地下水苯系物微生物降解及其碳同位素标记

张 敏1，王森杰2，陈素云3，李喜青4，李元杰5

(1.中国地质科学院水文地质环境地质研究所，河北 石家庄 050061；2.北京市市政四建设工程有限责任公司，北京 100176；3.北京市勘察设计研究院有限公司，北京 100038；4.北京大学城市与环境学院，北京 100871；5. 中国人民大学环境学院，北京 100872)

微生物降解是地下水中有机物自然衰减评估的关键，单体稳定同位素是一种有效的评估方法。在对某油罐泄露场地地下水流场识别的基础上，刻画不同地下水中污染物、微生物及电子受体特征，发现随着与污染源水力联系的减弱，污染物浓度明显减小，微生物群落结构和电子受体氧化还原作用类型与源相似的程度也逐渐减弱，呈现出“污染源-下游源区-下游污染羽-上游源区-侧翼污染羽”的空间变化规律。甲苯、间/对二甲苯碳的同位素标记结果发现，降解程度“侧翼污染羽﹥下游污染羽﹥下游源区”，与电子受体表征降解量的排序相反；该场地微生物降解符合一般化学反应“勒沙特列原理”：污染物浓度越高，降解量越大，但降解程度相对减小。

单体稳定同位素分析；苯系物；自然衰减；微生物降解

石油开采、运输、加工、存储等环节泄露引起污染问题普遍存在，苯系物(BTEX)是石油类污染物的重要组成成分和主要危害物质。其一旦进入地下水，主动修复难[1]，对人体健康危害大[2]。

自然衰减是国内外较为推崇的BTEX修复方法[3～6]，其核心任务是识别含水层中污染物在对流-弥散、吸附、挥发、降解等作用下的衰减。其中，对流-弥散、吸附、挥发为非降解作用，在该作用下，污染物结构不发生变化，污染物相态分配、分布范围等物理性质发生改变；降解作用主要指微生物利用污染物作为代谢物质，使污染物结构、含量等化学性质发生改变，该作用是彻底去除污染物，决定自然衰减修复成功与否的关键[7～8]。

以往自然衰减中常用的监测微生物降解作用的方法有污染物浓度、电子受体和微生物分析[3～8]。近些年，单体稳定同位素分析(CSIA，Compound Specific Isotope Analysis)已成为自然衰减微生物降解监测，特别是有机物微生物降解监测的另一重要方法[9]。其应用的理论基础是稳定同位素瑞利分馏模型，在地下水中有机物生物降解伴随轻重同位素分馏，符合稳定同位素动力学分馏瑞利方程，其他非生物降解作用往往可忽略同位素分馏，则通过测试每种有机物同位素值变化，即可识别单个物质的微生物降解。目前，该技术被认为是提供地下水有机物降解直接证据的唯一方法[10]。

本文以华北平原某石油泄露场地为研究对象，在地下水流场和典型苯系物(BTEX)(甲苯、乙苯、间/对二甲苯、邻二甲苯)分布特征识别基础上，划分了不同污染区域；以微生物和电子受体分析，划分了微生物降解类型；二者结合，揭示了场地地下水有机物微生物降解机理；最后，以甲苯、间/对二甲苯碳稳定同位素分析，对降解机理进行了标记，该研究可为有机污染场地修复提供技术方法支持和理论科学依据。

1 场地概况

场地为某化工厂搬迁遗留，污染历史40多年。场地污染来源于厂区内油罐泄露，污染物主要为石油类。目前，油罐泄露区地表污染源已移除，为进一步调查、监测、修复场地污染，厂区内目前布设了各类地下水井数十余口，2016年间断开展了抽出-处理地下水修复工作。厂区所在地区地层岩性以砂砾石和砂层为主，颗粒较粗，包气带无明显黏土层，含水层补给径流条件较好，该区地下水天然流向由西北向东南；针对厂区调查研究显示，污染目标含水层为潜水含水层，地下水埋深在25 m左右，地下水近期主流向为自西向东。为详细研究主要污染区苯系物微生物降解机理，以泄露区及其周边约0.16 km2为研究区(图1)。

图1 泄露区、监测井位置及流场示意图Fig.1 Schematics of leakage area and monitoring well location and flow field

抽出-处理前，测定场地20口井的石油类代表污染物单环芳烃类(包括：苯、甲苯、乙苯、间/对-二甲苯、苯乙烯、邻-二甲苯、正-丙苯、1,3,5-三甲基苯、1,2,4-三甲基、苯、萘)显示：以毒性较大的苯为代表，其最大超标倍数达2 110倍(标准1 μg/L)，污染严重；污染物主要集中在MW7为代表的泄露区，污染由西向东展布，与近期地下水流场方向吻合(图2)；上游，污染边缘离泄露区边缘距离约在500 m以内，下游和侧翼边缘未查明。

图2 抽水-处理前研究区污染物分布(以单环芳烃总量计)Fig.2 Distribution of contamination in study area before pump-and-treat (monocyclic aromatic hydrocarbons)

2 采样井布置、样品采集测试与结果

表1 样品测试结果

3 结果分析

3.1 污染物分布规律

甲苯、乙苯、间/对二甲苯、邻二甲苯均显示(图3)，污染分布形状与抽水-处理前单环芳烃相似，污染物浓度相当(数量级均在105μg/L))，可代表场地污染现状和历史。

从具体井来看(表1)，甲苯、间/对二甲苯、邻二甲苯均在PM4浓度最高，MW7次之；乙苯在MW7浓度最高；总体看，MW7(21 529.00 μg/L)和PM4(28 551.00 μg/L)总浓度(甲苯、乙苯、间/对二甲苯、邻二甲苯加和，下同)基本相当，同视为污染源的MW3污染物总浓度(2 455.08 μg/L)明显低于MW7和PM4，但由于其历史位于油罐泄露区，并且微生物降解是长期历史作用结果，因此，本次研究仍将其视为地下水污染源。下游污染源区MW17，紧邻污染源(50 m以内)，总浓度(17 031.00 μg/L)几乎与污染源井相当；下游污染羽MW6、MW10，距离污染源较远(100 m以上)，总浓度(9 697.00，2 107.95 μg/L)与污染源及下游源区井浓度已不在一个数量级，其中，MW10稍偏侧翼，污染物浓度相对MW6偏低；上游源区PM7、OTAW4，虽紧邻污染源(50 m以内)，但总浓度(481.64，161.3 μg/L)相对于距离较远下游污染羽，又降低了一个数量级；侧翼污染羽MW5、MW4和MW13，距离较远(100 m以上)，总浓度更低(152.41，17.43，8.32 μg/L)，依MW5、MW4、MW13数量级递减，更具体细化位置关系，相对MW4和MW13，MW5偏属下游，相对MW13，MW4更接近污染源。即“污染源-下游源区-下游污染羽-上游源区-侧翼污染羽”浓度明显减小。距离相当，污染物浓度“下游﹥侧翼﹥上游”，水力作用主导污染物分布。

图3 典型污染物分布图Fig.3 Distribution of typical pollutants(a)—甲苯； (b)—乙苯； (c)—间/对二甲苯； (d)—邻二甲苯

3.2 微生物群落结构特征

微生物代谢时，一些有机污染物作为食物源提供能量和提供细胞生长所需的碳源[12]，微生物群落结构与有机污染物浓度、组成密切相关[13～16]。聚类分析发现(图4)，微生物形成了以地下水污染源MW7、PM4为中心辐射的微生物群落结构。

图4 微生物群落结构聚类分析Fig.4 Cluster analysis of microbial community

MW3与MW7、PM4微生物最相似，三井同属泄露区。其它井，相似程度依次为：下游源区(MW17)，下游污染羽(MW6、MW10)，上游源区(PM7、OTAW4)，侧翼(MW5)，侧翼(MW4、MW13，相对于MW5更处于上游)，即“污染源-下游源区-下游污染羽-上游源区-侧翼污染羽”微生物群落结构相似性依次减弱。

该微生物相似关系与污染物分布规律一致，含水层已形成以污染源为中心，体系化降解有机污染物的微生物群落。

3.3 电子受体氧化还原作用分区

图5 不同电子受体降解分区Fig.5 Degradation division base on different electron acceptors

位置井DONO-3Mn2+Fe2+SO2-4HCO-3MW7ⅡⅠⅡⅡⅡⅡ污染源PM4ⅠⅠⅡⅡⅡⅡMW3ⅡⅠⅡⅡⅠⅡ下游源区MW17ⅠⅠⅡⅠⅠⅡ下游污染羽MW6ⅢⅡⅠⅠⅢⅠMW10ⅡⅡⅡⅠⅡⅠ上游源区PM7ⅠⅠⅡⅡⅠⅢOTAW4ⅠⅠⅡⅡⅡⅢMW5ⅢⅢⅠⅢⅡⅠ侧翼污染羽MW4ⅢⅢⅡⅢⅢⅠMW13ⅢⅡⅡⅡⅠⅠ

3.4 微生物降解机理

以上现象是地下水流场作用下，有机污染物、微生物、电子受体三方面共同作用结果。地下水流动是微生物降解分区的原因，水动力使污染物在各方向分布不均，微生物生境(碳源)在不同区域出现差异，形成了以污染源为中心辐射的微生物生态系统，不同区域消耗电子受体的能力不同，从而产生了不同区域的氧化还原作用类型。

3.5 降解机理的碳同位素标记

场地地下水样品中δ13C最小值的采样点(降解程度最小)可视为污染源井，甲苯和间/对二甲苯在MW7、PM4的δ13C值分别为-33.0‰、-33.1‰和-40.0‰、-38.1‰(表1)。根据美国EPA的2‰为降解显著标准[9]，该两井的δ13C值差异极小(甲苯：0.1‰、间/对二甲苯：1.9‰)，均可视为地下水δ13C最小值，则MW7、PM4均可视为污染源，这印证了浓度分析结果，MW7、PM4为污染源中心。其他井与污染源井甲苯和间/对二甲苯的最大差异达6.6‰、11.5‰，明显大于降解显著标准2‰，该直接证据说明至少甲苯和间/对二甲苯发生了显著的降解。

以同位素比值δ13C为降解指标，13C越贫(偏负)，说明污染物浓度变化受对流-弥散、吸附等非生物降解作用影响越大，越富集(偏正)，则受生物降解作用影响越大。此处降解表征的并非微生物降解量，而是微生物降解量与污染物总量之比，表征的是微生物降解程度[9]。

如图6所示，以污染源为起点，典型污染物甲苯、间/对二甲苯的δ13C均值由小到大排序为：污染源(-32.0‰、-39.1‰)、下游源区(-31.8‰、-36.0‰)、下游污染羽(-28.5‰、-31.3‰)、侧翼污染羽(-27.2‰、-29.3‰)(上游源区PM7、OTAW4数据未能检出)。污染源由于没有时间尺度的对照数据，无法以同位素比值衡量污染源降解作用。其它区域降解程度：“侧翼污染羽﹥下游污染羽﹥下游源区”，原因为：下游污染羽﹥下游源区，显而易见，沿着地下水流动路径污染物逐渐降解，13C富集；“侧翼污染羽﹥下游污染羽”则是因为侧翼污染羽与污染源无明显水力联系，污染物主要是在极其缓慢的弥散作用下迁移至侧翼污染羽，历时较长，微生物降解作用充分，而下游受对流作用影响，污染物迁移较快，微生物降解作用相对较短，侧翼13C富集大于下游。可见，微生物降解作用分区与地下水流场密切相关。

图6 典型污染物碳同位素δ13C分布图Fig.6 Distribution of typical pollutants of carbon-isotope δ13C

4 讨论

以电子受体和单体碳同位素分析结果看似矛盾，甲苯、间/对二甲苯碳同位素显示，降解程度“侧翼污染羽﹥下游污染羽﹥下游源区”，但以电子受体分析发现降解量却恰好相反。原因为：微生物降解作用本质上为与一般化学反应相同[28]，符合化学反应“勒沙特列原理”[29]，地下水微生物降解可视为相对封闭的化学反应平衡系统，污染物高浓度区相对低浓度区，可视为向反应体系添加了反应物，平衡向正反应方向移动，平衡的移动使得增加的反应物浓度又会逐步减少，即微生物降解量增大；但这种减弱无法消除增加反应物浓度对这种反应物本身影响，与低浓度区域平衡体系中污染物浓度比仍增加，即高浓度区降解程度小于低浓度区。

5 结论

在识别地下水污染源和流场前提下，以各井与污染源位置关系，研究区分为污染源、下游源区、下游污染羽、上游源区、侧翼污染羽，地下水典型苯系物(甲苯、乙苯、间/对二甲苯、邻二甲苯)、微生物、电子受体在各区均呈现统一变化规律，提供了场地发生微生物降解的间接证据；污染物甲苯、间/对二甲苯同位素提供的降解直接证据，则标记了显著微生物降解作用的发生。以上结合，揭示了地下水中污染物在微生物降解和对流-弥散非生物作用下迁移转化的机制。具体如下：

(1)在流场作用下，地下水中形成了以油罐泄露区为污染源中心，沿流场方向自西向东展布的BTEX污染羽，污染物浓度“污染源-下游源区-下游污染羽-上游源区-侧翼污染羽”明显减小。

(2)地下水中已形成趋向于污染物分布的“污染源-下游源区-下游污染羽-上游源区-侧翼污染羽”微生物群落结构。

(4)甲苯、间对二甲苯碳同位素提供降解直接证据显示，降解程度“侧翼污染羽﹥下游污染羽﹥下游源区”，地下水流场是场地地下水微生物降解分区的动力成因。

致谢：感谢北京市勘察设计研究院有限公司王峰高级工程师(教授级)、陈素云高级工程师在场地调查和资料搜集方面给予的帮助!

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Biodegradation of BTEX in groundwater and its carbon isotope identification

ZHANG Min1, WANG Senjie2, CHEN Suyun3, LI Xiqing4, LI Yuanjie5

(1.InstituteofHydrogeologyandEnvironmentalGeology，ChineseAcademyofGeologicalSciences，Shijiazhuang，Hebei050061，China; 2.BeijingNo.4MunicipalConstructionEngineeringCo.Ltd,Beijing100176,China;3.BGIEngineeringConsultantsLTD,Beijing100038,China; 4.CollegeofUrbanandEnvironmentalSciences,PekingUniversity，Beijing100871，China；5.SchoolofEnvironment&NaturalResources,RenminUniversityofChina,Beijing100872，China)

Compound Specific Isotope Analysis is an effective method to identify biodegradation of contaminants， which is the key for Monitored Natural Attenuation (MNA) of contaminated sites. In this work, the groundwater flow at a site contaminated by oil tank leakage was determined. Contaminants, microbial community structure, and electron acceptors in various zones at the site were characterized to elucidate biodegradation of benzene, toluene, ethyl benzene, xylene (BTEX). It was found that contaminant concentrations decreased in the following order: source zone, downstream source zone, plume downstream of the source zone, zone upstream of the source, and side plume. Similarities in the microbial community structure and in electron donors decreased in the same order. These observations can be explained by the decreasing hydraulic connection between different zones. Compound specific isotope analysis of toluene, xylene indicated that the extent of biodegradation decreased in the order of side plume, plume downstream of the source zone and downstream source zone. This order in extent of degradation in different zones was opposite to the order of degradation capacity derived based on consumption of electron acceptors, indicating that biodegradation at the site followed the Le Chatelier’s principle in accordance with general law of chemical reaction. This principle is that the higher the concentration of pollutants, the greater the amount of degradation, but the extent of degradation is relatively reduced.

compound specific isotope analysis; BTEX; natural attenuation; biodegradation

10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.2017.02.20

2016-10-08;

2017-01-12

中国地质科学院基本科研业务费专项经费资助(SK201604，YYWF201519，SK201614)；河北省自然科学基金资助项目(D2016504021)

张敏(1981-)，男，博士，高级工程师，主要从事单体稳定同位素自然衰减监测研究。E-mail: minzhang205@live.cn

陈宗宇(1963-)，男，博士，研究员，主要从事同位素水文地质学研究。E-mail:chenzy88@hotmail.com

X523

A

1000-3665(2017)02-0129-08