污染地下水系統(tǒng)是一種最難凈化的環(huán)境系統(tǒng)。在所有生物作用過(guò)程中,，最古老的要屬在無(wú)氧情況下微生物的新陳代謝,，這種作用過(guò)程在解決污染地下水這一現(xiàn)代問(wèn)題方面，初步顯示出巨大的潛力,。
由于需要抽出和處理大量污染水,，常常無(wú)法消除污染水。再者,，在抽取污染水之后,，污染物仍會(huì)從沉積物中不斷淋濾出來(lái)，并污染更多的地下水,。
要想在原地處理污染地下水,，可以在地下設(shè)置反應(yīng)屏蔽層，用來(lái)去除地下水中的污染物,。但是,，這種做法只對(duì)處理有限的淺部污染區(qū)才可行，而且經(jīng)濟(jì)合算,。地下天然生存的微生物也可使污染物降解,、解毒或固定，這種作用過(guò)程稱作原位生物治理,。
直到最近,，對(duì)原位生物治理的實(shí)際應(yīng)用主要集中在喜氧微生物上，這類微生物通過(guò)將有機(jī)化合物氧化成二氧化碳而獲取能量,，其中氧作為電子受體,，當(dāng)?shù)叵麓嬖谘鯐r(shí)，喜氧微生物可將有機(jī)污染物氧化成二氧化碳,，從而使污染地下水凈化,。
然而，這種方法效果有限,，尤其是因?yàn)檠鯇?duì)喜氧微生物是不可或缺的,，但它在許多污染的地下環(huán)境中是缺乏的,。溶解在地下水中的氧的數(shù)量少，而且由上覆不飽和土壤通過(guò)擴(kuò)散供氧的速率低,。在受到石油或從回填土地中淋濾出的物質(zhì)等有機(jī)污染物污染的地下環(huán)境中,，喜氧細(xì)菌會(huì)自動(dòng)將這些污染物氧化成二氧化碳，在這一作用過(guò)程中消耗掉已有的溶解氧,。通常,，含水層污染最嚴(yán)重的部分很快將氧耗盡；氧只見(jiàn)于污染物流的邊緣上,。
由于許多受污染的地下環(huán)境中缺乏氧,，引起人們對(duì)厭氧微生物原位生物治理潛力的興趣，這些微生物生長(zhǎng)在無(wú)氧條件下,。厭氧微生物還可將有機(jī)化合物氧化成二氧化碳,，但利用的是硝酸鹽、硫酸鹽或Fe3＋氧化物等電子受體,，而不是氧,。
厭氧微生物不同的新陳代謝能力，體現(xiàn)出對(duì)抗地下水污染的潛在效力,。在地下缺氧環(huán)境中,，烴類污染物的天然降解程度大大高于原先的想象。例如,，在地下石油污染方面，苯常常是最受關(guān)注的污染物,，因?yàn)樗扇苡谒?、有毒并且可能致癌。最新研究表明,，從地下提取的厭氧微生物可使苯降解,。在某些污染含水層中，曾?jīng)觀測(cè)到天然大量去除缺氧帶內(nèi)苯及其他芳香烴的現(xiàn)象,。
在某些情況下,，利用厭氧和喜氧微生物進(jìn)行天然降解，可限制污染擴(kuò)散,；如果威脅不到重要的水源,，就可能不必進(jìn)行進(jìn)一步治理了。如果污染物天然降解速率太慢,，則增高硫酸鹽或硝酸鹽含量可加快厭氧微生物對(duì)污染物的降解速率,。這與更常見(jiàn)的將氧加入地下以增強(qiáng)喜氧微生物活動(dòng)性的做法是相似的。
加氧在技術(shù)上有困難,，而且費(fèi)用很高,，因?yàn)檠醯娜芙舛鹊?，并可與缺氧地下水中的還原組分（如二價(jià)鐵）發(fā)生反應(yīng)。因此,，加入足夠氧以有效刺激喜氧微生物常常是困難的,。硫酸鹽和硝酸鹽等電子受體沒(méi)有這些限制因素，因?yàn)樗鼈內(nèi)芙舛雀?，而且不?huì)被非生物作用過(guò)程所消耗,。在受到苯嚴(yán)重污染并無(wú)法通過(guò)加氧來(lái)凈化的地下環(huán)境中，加入硫酸鹽很容易去除苯,。
另一個(gè)生物治理問(wèn)題是受到氯化溶劑污染的地下環(huán)境,。在含水層常見(jiàn)的條件下，喜氧微生物通常無(wú)法降解氯化污染物,，如全氯乙烯（PCE）和三氯乙烯（TCE）,。在淺而有氧的含水層中持續(xù)保存有這些溶劑，除非由于存在像石油這類共同污染物導(dǎo)致缺氧條件的發(fā)育,。
某些厭氧微生物可利用這些化合物作為電子受體,，使有機(jī)化合物或氫發(fā)生缺氧氧化，從而使PCE 和TCE 降解,。在理想條件下,，這種還原作用可從污染物中去除氯原子，作為最終產(chǎn)品生成乙烯,；氯是以氯化物的形式釋放的,。因此，對(duì)PCE 和TCE 污染,，可通過(guò)向地下加入有機(jī)化合物來(lái)治理,。所加入的有機(jī)物發(fā)生有氧降解，導(dǎo)致形成缺氧條件因此,，脫氯的厭氧微生物可利用所加入的有婦L 物使污染物脫氯,，從而去除其毒性。
硝酸鹽污染是由于使用化肥或使廢物進(jìn)入地下而造成的,，對(duì)這種污染可用類似的方式來(lái)處理,。具有脫硝酸鹽作用的地下微生物，可使所加入的有機(jī)物或氫發(fā)生氧化,，將硝酸鹽還原成無(wú)害的氮分子,。
有毒金屬和準(zhǔn)金屬常常可溶于水,，因此在有氧地下水中是活動(dòng)的,。然而，在缺氧條件下,，微生物可將它們還原成不可溶形式,，從而從地下水中沉淀下來(lái),。這樣可將這些金屬和準(zhǔn)金屬固化，限制它們擴(kuò)散和對(duì)水資源的威脅,?？捎眠@種方式固定的元素包括鈾、鉻,、錫,、鉆和硒。
雖然這些用于原位生物治理的無(wú)氧策略很有前景,，但是在能夠?qū)⑺鼈冎腥魏我环N用于常規(guī)工作之前,，還要開展大量研究工作。業(yè)已通過(guò)為數(shù)有限的野外研究對(duì)在缺氧條件下進(jìn)行原位天然或受激生物治理進(jìn)行過(guò)評(píng)價(jià),。這些野外研究表明,，厭氧微生物作用過(guò)程雖然在某些情況下是有效的，但是在其他情況下卻是無(wú)效的,。即便在同一含水層的不同帶內(nèi)也能觀察到這種效果上的差異,。尚未搞清的是，這種效果上的差異反映的是厭氧微生物分布不均還是控制它們活動(dòng)性的環(huán)境因素不同,。
要回答這些問(wèn)題,，我們需要知道哪些微生物可在原位發(fā)生生物治理反應(yīng)。結(jié)合Fe3 ＋還原,、還原脫氯和受激金屬還原,，對(duì)烴類進(jìn)行的原位生物治理研究表明，與含水層中這些作用過(guò)程有關(guān)的厭氧微生物,，與實(shí)驗(yàn)室為在純培養(yǎng)液中進(jìn)行這些生物治理反應(yīng)的微生物密切相關(guān),。
這些純培養(yǎng)液的基因組是可以獲得的。因此,，應(yīng)當(dāng)確定哪些基因與所研究的生物治理反應(yīng)有關(guān)，哪些基因可以使微生物在地下環(huán)境中茁壯成長(zhǎng),。甚至可以培養(yǎng)出引起其他原位生物治理作用過(guò)程的厭氧微生物,。
一旦解讀出其基因的功能，即可真正開始對(duì)原位厭氧微生物治理進(jìn)行研究,。借助最近研制出的克隆大段環(huán)境DNA 的方法,，確定與地下生命密切相關(guān)的厭氧微生物基因的功能將成為可能。對(duì)地下樣品中mRNA（信使核糖核酸）顯示的測(cè)定結(jié)果表明,，利用環(huán)境樣品進(jìn)行與當(dāng)前利用純培養(yǎng)液開展的分析相類似的整個(gè)基因組顯示分析是可以做到的,。
結(jié)合適當(dāng)?shù)牡厍蚧瘜W(xué)和水文學(xué)研究，這一信息有助于了解與原位生物治理有關(guān)的厭氧微生物的活動(dòng)性,。這將加深對(duì)自然去毒速率的了解,，并促進(jìn)制定加速治理地下水的合理戰(zhàn)略,。
（張秋明摘譯自Science,2001 )
