饱和多孔介质中固定化厌氧菌群分区生物修复三氯乙烯与甲苯共污染的技术研究

本研究针对地下水中三氯乙烯(TCE)与甲苯共污染修复难题，通过固定化厌氧菌群构建分区生物反应屏障(PRB)，实现TCE的完全脱氯(91.2%)和甲苯的高效氧化(78.98%)，突破传统修复中电子竞争与毒性抑制瓶颈，为复杂污染场地的原位修复提供创新解决方案。

　　

地下水中的三氯乙烯(TCE)和甲苯就像一对"难兄难弟"——前者是工业清洗剂的主要成分，后者是石油化工的常见副产物。这对组合在全球75%以上的污染场地中"联袂出演"，却给环境修复专家出了道难题：TCE需要厌氧环境通过还原脱氯(Organohalide Respiration)变成无害的乙烯，而甲苯降解却依赖硝酸盐还原等氧化过程。更麻烦的是，它们的代谢路径会互相"使绊子"：脱氯中间产物会毒害甲苯降解菌，而硝酸盐还原过程又抢走本应用于脱氯的电子。这种"相爱相杀"的关系让传统修复技术束手无策。

为了解决这个困局，江苏省级土壤与地下水污染防治工程技术研究中心的研究团队在《Water Research》发表创新成果。他们巧妙运用流体力学分区原理，将固定化的功能菌群像"特战队"一样部署在不同区域：上游布置TCE脱氯菌(Dehalococcoides spp.)，下游安排甲苯降解菌(Azoarcus-Aromatoleum spp.)，中间用物理屏障隔开。这种"分而治之"的策略既避免了微生物间的直接冲突，又利用地下水的自然流动实现污染物接力处理。

研究采用三大关键技术：1) 从污染场地富集获得高效脱氯(141.7±57.5 μmol/(L·d))和甲苯降解(317.6±1.3 μmol/(L·d))的厌氧菌群；2) 海藻酸钠-聚乙烯醇(SA-PVA)固定化技术保持菌群活性；3) 构建模拟地下水系统的砂柱反应器，通过示踪实验优化水力停留时间(HRT)。

主要研究结果

Characterization of anaerobic TCE-dechlorinating and toluene-degrading enrichment cultures
16S rRNA测序揭示脱氯过程由Dehalococcoides主导(2.5±1.3×10⁸ copies/μmol Cl^-释放)，甲苯降解则由Azoarcus-Aromatoleum完成(1.3±0.2×10⁹ copies/μmol甲苯消耗)。固定化菌群在单一污染时保持与游离细胞相当的降解效率。

Immobilization mitigates co-contaminant inhibition
共污染条件下，固定化基质显著缓解反硝化中间产物对脱氯的抑制，使TCE完全脱氯率比游离体系提高3.2倍。qPCR证实固定化使Dehalococcoides丰度维持在10⁷ copies/mL以上。

Zoned bioremediation in PRB simulation
在547 μM高浓度污染下，分区PRB在17天内实现上游91.2% TCE脱氯和下游78.98%甲苯降解。当TCE负荷降至169 μM且HRT>48小时时，可完全转化为乙烯。

讨论与展望
这项研究开创性地将流体力学分区与微生物固定化技术结合，破解了传统修复中"顾此失彼"的困境。固定化基质不仅保护菌群免受毒性中间产物伤害，还通过空间隔离实现代谢路径优化。虽然甲苯降解效率仍有提升空间（受上游脱氯中间产物影响），但该策略已展现出工程化应用的巨大潜力。未来可通过优化菌群配比和反应器设计，进一步推动这项技术在实际污染场地的落地，为全球地下水复合污染治理提供"中国方案"。