摘 要
在日本千叶县千仓受三氯乙烯（ TCE）的污染，首先，一缕缕的TCE遍布在第一含水层，然后到第二含水层。抽水和治理减少了污染物，经过8年的抽水和治理，可能由于转化厌氧脱氯微生物的作用，污染物转化为顺-二氯乙烯（c-DCE ）只存在于第二含水层。初步调查显示，该地区的一个独特的特点是第三含水层的地下水含有高浓度的磷酸盐以及甲烷，可能是因为有一个气田区在附近。另一方面，受污染的第二含水层的地下水中比第三含水层包含更多的氧气和硝酸盐。在这项研究中，是利用一个低成本的可行性的原位生物修复，它是利用其中包含自然溶解的甲烷的地下水的第三含水层，来刺激甲烷氧化细菌分解污染物的研究。在体外实验中显示，来自第二和第三含水层的地下水的混合物刺激了甲烷氧化菌的生长，加快了 c-DCE的分解。第三含水层的地下水被引入到第二含水层进行原位修复。因此，这两个含水层的水混合被认为是形成甲烷氧化菌生长的有利条件，因此符合成本效益的去除c-DCE是有期望的。研究中发现，污染场地中未受污染的富含甲烷的含水层被成功地利用来提高污染物的降解。甲烷氧化菌的数量和甲烷吸收的动力学参数也在此过程中进行了评价。
关键字：地下水，顺-二氯乙烯，甲烷氧化菌，原位生物修复
一、背景介绍
地下水有机污染物中，有相当数量的挥发性有机物，由于它们渗透力强，危害性大，并且不容易及时准确的检测，因此，受到国内外相关研究的广泛重视。挥发性有机物（Volatile Organic Compounds，VOC）是地下水中一种危害性较大的有机物，对其定量的测定已成为环境部门评价地下水污染程度的重要指标。按化学成分分类，常见的有卤化烃，苯系物和卤化苯。地下水中挥发性有机物，其共同点是沸点在50℃-260℃,室温下饱和蒸汽压133.3Pa，常温以蒸汽形式存在于空气中。地下水中的这些挥发性有机物，主要来源于工厂废弃物的污染，有机氯代类农药以及城市人口的生活垃圾，也有些来源于石油及化工厂产品的泄露。这些污染物可以致癌变，致畸性，诱发多种潜在的病变。当前地下水中的挥发性有机卤化烃污染是一个主要的全球环境问题，作为一个替代传统的补救技术，生物修复已经成为一个潜在的直接的较低成本的高效降解污染物的技术。甲烷氧化菌（ methanotroph ）是降解挥发性有机卤烃的最关键的一个生物体。利用甲烷氧化菌的生物土壤测试已应用于被TCE污染的地区。
在日本的千叶县千仓受到TCE的污染，经过调查研究该地区的岩石层包含三个含水层和两个弱透水层。首先，TCE扩散的第一含水层和第二含水层，进过抽取和治理已经减少了污染是污染物可能由于转化厌氧脱氯微生物的作用仅以TCE的衍生物顺-二氯乙烯（c-DCE）存在于第二含水层。对该地区深入调查发现该地区地下水一个独特的特征，其第三含水层中含有很高的甲烷浓度，可能是因为在附近有油田存在。另一方面，第二含水层有比第三含水层浓度高的氧和硝酸盐浓度。因此，这两个含水层的混合被认为是甲烷氧化菌的理想培养条件，因而经济的去除c-DCE的方法是有希望的。
二、实验方法
2.1 化学分析
地下水用120毫升的棕色VOA瓶收集一式三份，用于实验室测量其中溶解的甲烷和c-DCE。六毫升水与空气移除和替换，将小瓶放入水浴在50 ℃保持40分钟。之后用顶空发处理。（利用挥发性有机物常压下易气化的性质，前处理通常使用顶空法。顶空法又有静态顶空法和动态顶空法之分。静态顶空法灵敏度低，而动态顶空法灵敏度好，样品中的挥发物质分离和萃取的较充分，应用较多）。
2.2 微生物分析
甲烷氧化菌使用硝酸矿物盐的液体培养基是最有可能列举数字的技术。Quadruple，6倍稀释，准备在6×8的多孔板中培养，在空气中甲烷量为20％室温下培养40天。可溶性甲烷单加氧酶使用无铜网管媒介MPN（即最近似数法，也称为最大可能数法）技术进行表征。作为媒介使用的试剂不含有铜杂质。铜浓度在与本地区的沉积物样品的媒介接种计算时不到30pM。这些值远远没到抑制sMMO表达的阈值浓度（0.25μM） 。
地下水中细菌种群中的甲烷吸收率计量如下。1升地下水中的细菌细胞采用0.2毫米孔径的过滤器收集每个样品，该过滤器迅速的被空气干燥并转移到36 mL的用聚四氟乙烯隔垫和铝帽密封的样品瓶中。甲烷的浓度被用注射器修正到理想的浓度，样品瓶保存在20℃下。上层的空气被用气密性的注射器多次抽取，并在一定的气相色谱条件下进行分析。第一阶段甲烷的吸收速率常数（K）是以一种非线性的回归计算的。动力学参数测定时（Vmax：最大的酶的速率和Km：不同的米氏常数），使用到9个甲烷的浓度（从大气到20400 ppmv即百万分体积比的气体阶段）。甲烷吸收速率常数k和最初的甲烷浓度使用计算机程序的米氏模型进行了非线性拟合，并估计了其Vmax和Km。
2.3 体外实验
来自第二水层的地下水与相同体积的第三层地下水相混合（这混合水被指定为 2+3层，下同）在温度为20℃时保存在上限为2升的培养瓶。作为比较，来自第一层的包含较少甲烷但是与第三层相比含有较多的氧的地下水（这混合水被指定为1+2，下同）被用来作为控制水来衡量物理稀释的作用和氧气的供应虽然它不是生物控制。在每个抽样天里，必要数量的培养瓶被打开来做分析。溶解的甲烷和C - DCE的浓度（一式三份） ，甲烷数量在第0日， 6日和12日进行测定。在510ppmv甲烷体积的条件下，甲烷（一式三份）潜在的吸收速率对1+2在第0,3,5,7和14天进行测定，对2+3在第0、3、5、7和第9天测定。动力学常数（Vmax和Km）（只对2+3）在第0、3、6、10、12天测定。
2.4 原位试验
在2000年的8月到11月间进行原位试验。第三含水层的地下水用于实施c-DCE的生物修复而从第一含水层的地下水被用作控制水，这些水通过一个直径15厘米的注入井被注入到受污染的第二含水层中。注射用的水首先贮存在一个250升得罐中并通过一根管子从罐中进行注射，一个循环泵被安装用来使贯穿筛选的8米厚的含水层中的注射井中的水混合均匀。水从上部井泵经循环泵重新注入筛选的部分中通过一每50厘米就有直径1厘米的孔的过氯乙烯管。当水被注入时循环泵开始运行，此后，每天两次。在事前要确认混合水没有显著的气体通过这个循环。一个直径10厘米的监测井被安装在注射井下梯度2米处。天然地下水的速度，用氯化钠的示踪器进行衡量是每天18厘米。虽然地下水流的方向是以前估计的污染区的地下水位的轮廓，但监测井可能不是直接位于注入井的地下水水流的方向。因此，在监测井下游2米处另外设一个抽提井用来重定向从注入井注入的地下水的流向稍后的监测井。在提取率达到每天20升，地下水的流速估计为每天40厘米。
实验的第一阶段首先每17天中有3天注入200升从第一含水层中提取的控制水（含有比第三含水层低的甲烷）。在实验的第二阶段，来自第三含水层的地下水每3天注入200升。开始试验后，注入井中的甲烷的消耗率逐渐上升。因此，经过25天的实验，水以1000升/每天的速度注入以保证注入井中高浓度的甲烷浓度，同时继续从已经启动的抽提井中提取水。这样持续8天。在原位试验的最后8天，控制水再以1000升/每天注入同时从抽提井中提取。
三、实验结论
利用现场富含甲烷的另一水层，被污染水层的c-DCE的降解成功的被增强。当前，抽取和治理是最常见的治理TCE（或它的衍生物，如DCE(s)）污染的技术。当某一地区的地下水中富含甲烷但地理条件受限制时，额外注入这种水可以增加治理的效果并且缩短治理的时间。