地下微生物生態

地下微生物生態是生態系統的重要組成部份，它與平常所說的生態不同。它是指處於地面以下的微生物，如真菌、細菌以及動植物等相互聯繫、相互作用，形成一個生態系統。它們之間憑藉著相互依存關係，完成了地球上一些重要的循環，促進了整個生態系統的豐富多樣性。

基本介紹

• 中文名：地下微生物生態
• 外文名：Undergroundmicrobial ecology
• 適用領域：地下微生物
• 套用學科：物理化學水文地質學
• 組成：真菌、細菌以及動植物
• 意義：促進整個生態系統的豐富多樣性

釋義

地下是一個多變的微生物庫，各種微生物之間相互聯繫、相互作用，構成了一個比較複雜的生態環境。據相關資料記載，在原始的地下水系統中，每克乾土中含微生物10〜10個（Ghiorse和Wilson, 1988)。一般來講，相對於從土壤帶和不飽和帶中發現的微生物而言，這些生物群落的密度很小。當補給的地下水流經土壤時，有機物濃度的下降導致微生物群落大小出現了變化。地下微生物生態是一個重要的研究方向，它也在潛移默化的影響人類的生活。

土壤和淺層沉積物中含有大量的微生物。在過去20年，實驗室和野外研究顯示，地下水系統中的微生物能降解許多有機化合物，包括汽油、煤油、柴油、航空燃料、氯代乙烯、氯代乙烷、氯代甲烷、氯苯及許多其他化合物。儘管人們現在認識到了地下微生物的普遍性和重要性，但對根圍以下的地下微生物生態和生理的研究，仍處於起步階段。儘管還沒有完全了解，但在認識許多不同種類的、能在地下發生的、以微生物為媒介的污染物遷移作用方面，已經取得了重要進展。

微生物降解機制

在地下水系統中，生物降解機制可能是非常重要的，這取決於污染物的類型和地下水地球化學特徵。從已有的野外證據看，內在生物修復作用是控制許多有機溶質的歸宿和遷移的主要作用過程。Norris(1994)指出，99%的地區存在各種各樣的能降解石油類碳氫化合物的微生物群落。在內在生物修復過程中，有機污染物被地下環境中土著的微生物所降解。經過氧化還原反應，溶解污染物最終轉化成無毒的副產物，如二氧化碳、氯化物、甲烷和水。在某些情況下，這些轉化過程的中間產物可能比原始化合物更有危害性；當然，這些中間產物也可能很容易就被降解掉了。由於土著的微生物能很好地適應它們生長環境的物理和化學條件，因此，它們與人工引入到地下以促進生物降解的微生物相比，有獨特的優勢。有機化合物的生物降解導致了污染物濃度(和數量)的降低，同時也減慢了與地下水滲流速度有關的污染物前鋒的遷移速度。王焰新主編,地下水污染與防治,高等教育出版社,2007.1,第309頁

有機化合物能否發生內在生物修復，很大程度上取決於這些化合物的化學相。一般認為，在地下水中，只有溶解或被吸附了的有機化合物才能進行生物降解，並且只有這些化合物是可生物降解的、對完成生物降解過程有用的其他化合物(如溶解氧、硝酸鹽等)存在時，才會發生生物降解。以NAPL形式存在的有機化合物被認為是對生物降解作用無用的，這一方面是由於它們對生物降解有毒性效應，另一方面是由於在NAPL中不存在生物降解所必需的其他反應物(如氧、硝酸鹽等)。遷移速度的限制也使得NAPL的短期生物降解作用可忽略不計。換句話說，水相化合物進行生物降解的條件要比NAPL進行生物降解的條件好得多。因此，化學物質的內在生物降解作用主要發生在水相之中。而對於不易從NAPL溶出的極難溶的化合物，極長時間尺度(如幾萬年)的生物降解作用可能才是重要的。

空間分布特徵

一些研究結果顯示，微生物的豐度甚至在地下幾百米也沒有隨深度而消減，但在垂直方向和水平方向上可能有很大的空間變化。例如，在美國能源部深部探測計畫 (Deep Probe Project)的鑽孔中，Levine和Ghiorse( 1990)發現細菌豐度與水力傳導性之間具有很明顯的相關性，在砂質沉積物中比在黏土沉積物中的細菌更豐富。在淺層環境中也觀察到相似的分布，因為對生物體移動時經歷過濾作用，這種分布格局可能反映了微生物在細顆粒沉積物中最初拓殖時具有更大難度。另外，穿過滲透性較高的水流通量較大，可得的溶解有機物可能多得多。Fredrickson等（1990）發現，即使是鄰近的對照樣，細菌利用不同有機物的能力也呈明顯的多樣性。數據顯示，即使在同一個地質單元內，細菌在種群和生物水平上都具有很大的多樣性。

生物作用下污染物的歸宿

野外和實驗室研究表明，可溶性有機化合物進入地下水中，就會與地下微生物發生一系列的複雜反應，從而導致各種不同的微生物群體的形成。促使這些群體形成的動力是化合物的類型，這些類型不同的化合物可被不同的微生物群體所利用，以獲得它們生長的能量。有機體，例如人類和大多數微生物，從與生理相關的氧化和還原反應中獲得生長和活動的能量。在這些生長促發的反應中，電子從被稱為“電子供體”的一類化合物轉移到被稱為“電子受體”的另一類化合物上，並釋放出能量。這個過程使電子供體發生氧化反應、電子受體發生還原反應。電子供體是那些以相對還原態存在的化合物，包括自然有機物質、石油類碳氫化合物(主要是BTCX)、低氯代乙烯、乙烷、甲烷及氯代苯、溶解氫等。電子受體是那些以相對氧化態存在的單質或化合物，包括溶解氧、硝酸鹽、鐵[Fe(Ⅲ)]、氫氧化物、硫酸鹽、二氧化碳及幾種氯代烴溶劑等。

在好氧(有氧)條件下，許多細菌將有機化合物(電子供體)的氧化反應與氧(電子受體)的還原反應結合起來。在好氧條件下，所有主要的可溶石油碳氫污染物都可被生物降解，而僅有一些氯代烴溶劑能夠進行好氧降解。相互作用的微生物群體被稱為“群落”，在厭氧條件下，大多數有機化合物就可被多組微生物群落所降解。在群落內部，不同種類的有機體參與不同的特定反應，當各個特定反應結合起來的時候，就能引起特定化合物的完全礦化(尤其是轉化成二氧化碳和水)。在有機體間的新陳代謝相互作用是很複雜的，而且在特定的一系列條件下，這些相互作用間的聯繫是非常緊密的，以至於穩定的群落可能被誤認為是單一的物種。溶解石油類碳氫化合物的內在生物修復作用是普遍存在的作用過程，厭氧群落在這些污染物羽狀流束中是很常見的。常見氯代烴溶劑的內在生物修復作用並不像石油類碳氫化合物那樣普遍存在，但也可以出現在厭氧群落中。

另外兩類反應是發酵和共代謝。在發酵過程中，化合物能被生物降解成電子供體和電子受體。由於發酵為群落中的其他有機體提供了溶解氫，因此，它是一個重要的反應。溶解氫是重要的高效電子供體，它能在非常廣泛的反應中，包括氯代烴溶劑的原位生物降解，起著電子供體的作用。在共代謝過程中，由微生物產生的酶恰巧能降解有機污染物。在這個過程中，微生物從有機化合物的降解中並沒有得到什麼好處(例如並未獲得能量)。共代謝過程緩慢，在自然條件下通常是不重要的。

McCarty(1996)把內在生物修復作用劃分為以下類型：

(i) 有機化合物被用作主要的生長基質的反應，包括將有機化合物(如BTEX)用作電子供體，從而發生供應生長的有機化合物的生物氧化反應；將有機化合物(如氯代烴溶劑)用作電子受體(如鹵素呼吸作用)，從而發生供應生長的有機化合物的生物還原反應，以及發酵反應。

(ii) 共代謝。

共代謝是污染物(特別是氯代烴溶劑)或新陳代謝的中間產物被酶或協同因子降解的過程，而酶或協同因子又正好是由有機體為了其他目的而產生的。當化合物通過新陳代謝而被生物降解時，在以生物為媒介的氧化還原反應中，化合物並不直接作為主要基質。在某些情況下，共代謝降解實際上可能對負責生產酶或協同因子的微生物有害。在共代謝過程中，氯代烴溶劑通常僅僅被部分轉化，故需要附加的生物或非生物降解作用來完成整個轉化過程。

在地下水環境中，已經觀察到兩類共代謝反應：協同氧化反應和協同還原反應。當像甲烷這樣的基質被甲烷消化菌作為電子供體，而氧氣被用作電子受體時，就會發生協同氧化反應。在該反應過程中，產生了能降解某些氯代烴溶劑(如TCE)的酶。在淺部地表下，由於氧氣和甲烷很明顯存在於極其不同的地球化學條件下(也就是說，生物成因的甲烷是在強烈的厭氧條件下產生的)，因此，這類反應只有在工程控制條件下才會發生。協同氧化反應也能影響石油類碳氫化合物在生物降解過程中產生的中間產物的生物降解作用。第二類共代謝反應是還原反應，該反應引起了氯代烴溶劑的還原性脫氯作用。然而，需要明確的是，在自然條件下，這兩類反應是非常有限的，不構成重要的自然衰減作用過程。