（生物医学工程专业论文）老港垃圾填埋场地下水系统的污染物和微生物群落研究.pdf

上海交遁大学蹲士学位论文 i i i 地下水总d n a 提取方法 总d n a 提取质量决定后继操作能否对微生物进行准确分析 因此论文专门 对地下水总d n a 提取的最优方法进行了研究 从文献选用5 种适合方法加上实 验室常规方法 同步进行地下水总d n a 提取 从d n a 产率 纯度 片段大小 抑制物及多样性角度比较d n a 提取质量 综合比较后 产率最高且其它各项指 标均较好的k e l l e r 改进方法被推荐采用 此方法简单快速 可满足地下水分子生 态学研究的需要 i v 地下水微生物多样性和典型群落结构 从两种尺度对该地区的地下水微生物群落进行了研究 1 宏观尺度 用r i s a 图谱概览分析技术 调查地下水微生物群落的总体空间差异和时间变化 2 微 观尺度 聚焦典型地下水样 通过克隆和测序技术 利用g c n b a n k 数据库和生 物学软件进行系统发育分析 深入分析其中的微生物群落结构和多样性 结果显示 在宏观尺度 该地区的地下水微生物群落具有明显的空闽异质性 同一空间点的微生物群落则具有一定的时间稳定性 相比而言 微生物群落的空 问差异要大于时问变化 在受垃圾渗沥液和海水共同影响的典型地下水样中 绝 大多数微生物来自细菌域 也发现少量古细菌和真核域微生物存在 属于细菌域 的系统发育类群 括号表示丰度 b a c t e r o i d e t e s 2 0 3 p 7 6 和 e p r o t e o b a c t e r i a 4 7 3 6 8 5 4 和2 7 f i r m i c u t e s 1 4 a c t i n o b a c t e r i a 2 7 c y a n o b a c t e r i a 2 7 大部分1 6 sr r n a 序列代表过去从未描述过的 微生物 其中许多与海水或高盐环境微生物具有高同源性 也有较多与厌氧发酵 菌同源 还有一组序列与氯酸盐还原菌 c 出 同源 丰度较高 2 0 3 v 评估分子方法用于判别地下水氧化还原环境的潜力 氧化还原环境不仅影响污染物降解的程度和速率 而且影响金属元素的价态 和溶解性 与污染物的转化和迁移具有极为密切的关系 对其类型进行判别 是 评估污染蔓延趋势 预测生物自修复潜力和选择修复方法的先决条件 为评估分子方法用于判别氧化还原环境的潜力 采集了两组地下水样品 分 别反映氧化还原环境的空问和时问变化 用克隆和r f l p 技术确定其中的优势种 群 与其所在的氧化还原环境类型进行了相关性比较 i i 上海交通大学博士学位论文 研究发现 硝酸盐还原环境的优势微生物种群多数为争p r o t e o b a c t e r i a 而硫 酸盐还原环境的优势种群主要是革兰氏阳性菌 绝大多数微生物优势种群从未被 描述过 它们与氧化还原环境的相关性表现为 一些优势种群的最同源微生物所 具备的氧化还原反应能力与其所在的氧化还原环境类型是一致的 研究表明 分子生物学方法对于其它氧化还原环境判别方法是一个重要的补 充手段 它能从微生物角度获得一些氧化还原方面的信息 如 有助于分辨同时 发生的氧化还原过程 但是 单独采用分子方法还不足以充分判定氧化还原环境 需与其它方法相结合才能得到可靠结论 关键词 垃圾填埋场 海水 地下水 垃圾渗沥液 d n a 提取 微生物群落 多样性 1 6 sr r n a 克隆文库 系统发育分析 氧化还原环境 i i i 上海交通大学媾 学位论文 s t u d y o nc o n t a m i n a n t sa n dm i c r o b i a lc o m m u n i t i e si n g r o u n d w a t e rs y s t e m so f t h el a o g a n gl a n d f i l l a b s t r a c t s h a n g h a il g a n gl a n d f i l li sl o c a t e da tt h es e a s h o r ez o n e a n di t sg r o u n d w a t e r s y s t e mi ss u b j e c tt ot h ec o m b i n e di n f l u e n c eb yt h el e a c b a t ea n ds e a w a t e r h o w e v e r t o o u rk n o w l e d g e t h e r eh a sb e e nn oi n v e s t i g a t i o na b o u ts e a s h o r el a n d f i l la q u 濂r s w h i c h a r ce n v i r o n m e n t so fs p e c i a lp h y s i c o c h e m i c a lc o n d i t i o n s n o to n l yh i g ho r g a n i cl o a d b u ta i mh i g hs a l i n 嘞 w i t ht h eg r o u n d w a t e rs y s t e m so f t h el a o g a n gl a n d f i l l t h ee 胁o f t h es e a w a t e r a n dl e a c h a t eo ng r o u n d w a t e r d n ae x t r a c t i o nf x o mg r o u n d w a t e r m o l e c u l a ra n a l y s i s o fm i c r o b i a lc o m m u n i t i e si ng r o u n d w a t e r e v a l u a t i o no ft h ep o t e n t i a lf o ru s i n g m o l e c u l a ra p p r o a c h e st od e d u c er e d o xc o n d i t i o n si ng r o u n d w a t e rc o n t a m i n a n tp k m a e s w e r es t u d i e d m a i nr e s e a r c ha n dt h ec o r 代s p o n d i n gr e s u l t sa r ed e s m b e da sf o u o w f r o mf i v ea s p e c t s me f f e c to f s e a w a t e ro ng r o u n d w a t e rs y s t e m si nt h el a o g a n gl a n d f i l la r e a t h ee f f e c to fs e a w a t e ro ng r o u n d w a t e rs y s t e m si nt h el a o g a n gl a n d f l ua r e aw a s i n v e s t i g a t e db yt h ec i c o n t e n t s a 缸时a n dh a r d n e s si ng r o u n d w a t e r t h er e s u l t s i n d i c a t et h a tm o s tg r o u n d w a t e ri nt h ea r e ab e l o n g st ot h ew a t e ro f t h et y p eo f c i n a s a l i n ea n de x t r e m e l yh i g hh a r d n e s s t h ec o n t e n to f c i o f t h eg r o u n d w a t e r w h i c hi si n t h ed e p t ho fl o r e a n d3 15 k mf a r 筋mt h ec o a s t a ll i n e i ss t i l la sh i g ha s6 1 6 9 m g l m o r ed e e pt h eg r o u n d w a t e ri sl o c a t e d i n o r es e r i o u se f f e c to fs e a w a t e rt h e r ei s t h e c o r r e a t i o no f t h es e a w a t e re 丘b c ta n dt h ed i s t a n c ef r o mc o a s t a ll i n ei sn o tc l e a r t h e r s i sn ot r e n do fs e a w a t e ri n t r u s i o no rd e s a l t i f i e a t i o nt oh ed i s c l o s e df o rg r o u n d w a t e ri n t h ea r e a t h ef l u c t u a t i o no ft h ec i c o n t e n t s a l i n i t ya n dh a r d n e s si ng r o u n d w a t e rw a s f o u n dw i t hm a n yf a c t o r s u c ha st i d ea n dp r e c i r i i t a t i o n i v 上海交通大学博士学位论文 b p o l l u t i o no ng r o u n d w a t e r s y s t e m sb yt h el e a c h a t ef r o mt h es e a s h o r el a n d f i l l i no r d e rt oi n v e s t i g a t et h eg r o u n d w a t e rp o l l u t i o nc a u s e do n l yb yt h el e a c h a t e a n o v e lm e t h o df o rg e n e r a t i n gc o n t r a s tv a l u e sw a sd e v e l o p e d w h i c hc a nm a s kt h e e f f e c to fs e a w a t e r t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h eg r o u n d w a t e rs y s t e mw a se v i d e n t l y c o n t a m i n a t e db yt h el e a c h a t e a n dp r i m a r yp o l l u t a n t si n c l u d e dn o n c o d m p b a n dc d t h es p a c i a ld i s t r i b u t i o na n dt e m p o r a lc h a n g eo fd i f f e r e n tp o l l u t a n t si n g r o u n d w a t e rs y s t e mi sd i v e r s e i tw a sd e t e c t e dt h a tt h ep o l l u t i o nl e v e lo f g r o u n d w a t e r b yt h el e a c h a t ew a sw o r s e n o nt h ew h o l e 己d n ae x t r a c t i o nf r o mg r o u n d w a t e rf o rm o l e c u l a rc o m m u n i t ya n a 静s i s f i v ep r o t o c o l ss e l e c t e df i o mr e f e r e n c e sa n dal a br o u t i n ep r o t o c o lw e r ea p p l i e d f o rd i r e c td n ae x t r a c t i o n 疳o mg r o u n d w a t e rs a m p l e i nt h ei n t e r e s to ff m d i n ga a p p r o p r i a t ep r o t o c 0 1 n l ee f f i c i e n e i e so fd n ae x t r a c t i o nb yt h e6p r o t o c o l sw e r e e v a l u a t e d 丘o mt h ea s p e c t so f d n ay i e l d p u r i t y f r a g m e n ts i z e i n h i b i t o re x i s t e n c e a n dd i v e r s i t y t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h em o d i f i e dk a l t e r sp r o t o c o lh a dt h em o s t d n a y i e l dw i t hg o o da p p r a i s e s 劬mo t h e ra s p e c t s t h i sp r o t o c o li sr a p i da n dl e s s i n s t r u m e n t d e p e n d e n t h a sp o t e n t i a l f o rm o l e c u l a rm i c r o b i a le c o l o g yw o r ki n g r o u n d w a t e rs y s t e m s d m o l e c u l a ra n a l y s i so fm i c r o b i a lc o m m u n i t i e si ng r o u n d w a t e rf r o mt h e s e a s h o r el a n d 矗 s e a s h o r el a n d f i la q u i f e r sa l ee n v i r o n m e n t so f 印e c i a ip h r s i c o c h e m i c a lc o n d k i o n s a n dm i c r o b e sl i v i n gt h e r eh a v en o te v e rb e e nc h a r a c t e r i z e d r i b o s o m a li n t e r g e n i cs p a c e ra n a l y s i s r i s a w a sa p p l i e df o rq u a n t i t a t i v ea n a l y s i s o fs p a t i a ld i f f e r e n c e sa n dt e m p o r a lt r a n s i t i o no fm i c r o b i a lc o m m u n i t i e si nl a n d f i l l l e a c h a t e p o l l u t e dg r o u n d w a t e rs y s t e m s c o m p u t e r a s s i s t e dc l u s t e ra n a l y s i so ft h e r i s af m g e r p r i n t si n d i c a t e dt h a tt h es p a t i a ld i f f e r e n c e si nt h eb a c t e r i a lc o m m u n i t i e s w e r el a r g er e l a t i v et ot h et e m p o r a lc h a n g e t h e r ew a sc l e a rd i s t i n c t n e s sa m o n gt h e r i s af i n g e r p r i n t so fs a m p l e sc o l l e c t e da tt h es a m ed a t eb u td i f f c r e ml o c a t i o n sa n d d e p t h s a n dc l u s t e ra n a l y s i sg r o u p e dt h e mi no n el a r g ec l u s t e ra tal e v e lo f s i m i l a r i t yo f 6 0 0 r 7 0 a c u l t u r e i n d e p e n d e n te x a m i n a t i o no fm i c r o b i a ld i v e r s i t yi ng r o u n d w a t e r 丘o ma v 上海蹙谶大学博士学位谚文 s e a s h o r el a n d f i l lw a sc o n d u c t e d 姆s e q u e n c ea n a l y s i so f1 6 sr r n ag e n ec l o n el i b r a r y a f t e rt o t a ld n aw a se x t r a c t e d t w oc l o n el i b r a r i e sw e r ec o n s t r u c t e dc o r r e s p o n d i n gt o 2s e t so fu n i v e r s a l1 6 sr r n ag e n ep r i m e r s s e q u e n c i n ga n a l y s i ss h o w e dt h a tt h e m a j o r i t yo fs e q u e n c e sb e l o n g e dt ob a c t e r i a 拶5 拂 w i t hp r o t e o b a e t e r i a 6 3 5 b e i n gt h ed o m i n a n td i v i s i o n o n ea r c h a ls e q u e n c ea n do n ee u k a r y o t i cs e q u e n c e w e r ef o u n da sw e l l b a c t e r i a ls e q u e n c e sb e l o n g i n gt ot h ef o l l o w i n gp h y l o g e n i cg r o u p s w e r ei d e n t i f i e d b a c t e r o i d e t e s 2 0 3 争 嚣sa n d s u b d i v i s i o n so fp r o t e o b a c t e r i a 4 7 3 9 5 5 4a n d1 3 r e s p e c t i v e l y 尼嗍衄脚 1 4 a c t i n o b a c t e r i a 2 7 c y a n o b a c t e r i a 2 乃幻 t h ep e r c e n t a g e so f p r o t e o b a e t e r i aa n db a c t e r o i d e sa r eg r e b e l t h a nt h o s ef o rt h eg r o u n d w a t e rf r o man o n s e a s h o r el a n d f l u i n d i c a t i n gap o s s i b l e i n f l u e n c eo fs e a w a t e r q u i t eaf e ws e q u e n c e sh a v ec l o s er e l a t i v e si n 蛸赫o r h y p e r s a l i n ee n 妇o n m e n t s m a n ys e q u e n c e ss h o wa f f i l i a t i o n sw i t hm i e r o h e si n v o l v e d i na n a e r o b i cf e r m e n t a t i o n t h er e m a r k a b l ea b u n d a n c eo fs e q u e n c e sr e l a t e dt o p e r c h l o r a t e r e d u c i n gb a c t e r i a c r a b i n t h eg r o u n d w a t e ri ss i 磬a i t i c a n t 也e v a l u a t i o no ft h ep o t e n t i a lf o ru s i n gm o l e c u l a ra p p r o a c h e st od 州u r e d o x c o n d i t i o n si ng r o u n d w a t e rc o n t a m i n a n tp l u m e s e v a l u a t i o no ft h e 础xc o n d i t i o n si so r e nap r e r e q u i s i t ef o ru n d e r s t a n d i n gt h e b e h a v i o u ro ft h ep o l l u t a n t si nt h ep l u m ea n df o rs e l e c t i n gr e m e d l a t i o na p p r o a c h e s t h ep o t e n t i a lo fu s i n gm o l e c u l a ra p p r o a c h e st od e d u c er e d o xc o n d i t i o n sw a s e v a l u a t e di n t h i ss t u d y t w og r o u p so fg r o l m d w a t e rs a m p l e s r e f l e c t i n gs p a e i a l d i f f e r e n c e sa n dt e m p o r a lc h a n g e so f r e d o xc o n d i t i o n si na q u i f e r s 瞎撑c o l l e c t e d t h e c l o n el i b r a r i e so f1 6 sr r n ag e n ea n dt h ea n a l y s e so fr e s t r i c t i o nf r a g m e n tl e n g t h p o l y m o r p h i s m r f l p w e r eu p p l i e dt od e t e r m i n et h ed o m i n a n tm i c r o b i a lp o p u l a t i o n s i nt h e s es a m p l e s t h er e s u l t sw e r ec o m p a r e da n dd i s c u s s e di nt h ec o n t e x to f t h er e d o x c o n d i t i o n sd e d u c e db yd i s s o l v e dr e d o x s e m i t i v es p e c i e s m o s td o m i n a n tp o p u l a t i o n si nt h es a m p l e sf r o mn i t r a t e r e d u c t i o ne n v i r o n m e n t s w c r ef o u n dt ob eb a c t e r i ah e k m g i n gt o 争p r o t e o b a c t e r l a w h i l er e l a t i v e l yd o m i n a n t m i c r o b i a lg r o u p sv d e r eg r a m p o s i t h z eb a c t e r i af e g f i r m i c u t e s f u s o b a c t e r i a i nt h e s a m p l e sf r o ms u l f a t e r e d u c t i o ne n v i r o n m e n t s i ts h o u l db en o t e dt h a tt h e c l o s e s t r e l a t i v e so fs o l l 鹭d o m i n a n to t u s o p e r a t i o n a lt a x o n o m i cu n i t i nl i b r a r i e sw e r e v l 上海交远大学博士学位论文 a c c o r d a n tw i t ht h er e d o xc o n d i t i o n sd e d u c e db yd i s s o l v e dr e d o xs e n s i t i v es p e c i e s b a s e do nt h eg e n b a n k si n d i c a t i o n so rc l u e so nt h ea b i l i t yt op e r f o r mr e d o xr e a c t i o n s ac o r r e l a t i o no ft h er e d o xc o n d i t i o n sw i t ht h ed o m i n a n tm i c r o b i a lp o p u l a t i o n si n g r o u n d w a t e rc o u l d b er o u g h l yd i s c e r n e d 眦s t u d ys u g g e s t st h a tm o l e c u l a r a p p r o a c h e sp r o v i d es u p p l e m e n t a r yi n f o r m a t i o nt oo t h e ra p p r o a c h e s h o w e v e r s of a r u s i n gm o l e c u l a ra p p r o a c h e sa sas o l ew a yt o i n d i c a t er e d o xp r o c e s s e si sn o t a p p r o p r i a t e k e yw o r d s l a n d f i l l s e a w a t e r g r o u n d w a t e r l e a c h a t e d n ae x t r a c t i o n m i c r o b i a l c o m m u n i t y d i v e r s i t y 1 6 sr r n a c l o n el i b r a r y p h y l o g e n e t i ca n a l y s i s r e d o xe o n d i t i o n s v 上海交通大学学位论文答辩决议书 所在学科 申 请 者 田扬捷 生物医学工程 专业 论文题目老港垃圾填埋场地下水系统的污染物和微生物群落研究 答辩日期 2 0 0 5 年4 月2 8 日 地点 上海交通大学徐汇校区生命学院 答辩委员会成员 t 姓 名单位职称签 名 林志新上海交通大学生命学院教授 数妊永 徐亚同华东师范大学教授 石酬 钟江复旦大学教授 纠 林逢凯华东理工大学 教授 缀 抖邑 朱章玉上海交通大学生命学院教授 李蕉宝上海交通大学生命学院教授 套劾 杨虹上海交通大学生命学院教授 彳u 评语和决议 本论文选题自国家自然科学基金项目 垃圾填埋场地下水中生物 自修复进程的分子监测 2 0 3 7 7 0 3 0 该论文研究意义为 l 研究老港填埋场特殊地下水环境的污染物和微生物多样性 可以丰富污染 生态学和微生物生态学知识 为重要微生物资源开发提供了依据 2 有助于增进对生物自修复规律的 认识 为通过微生物来监测地下水生物自修复进程 积累必需的理论指导和实践基础 该论文创新点为 1 运用分子生物学技术 首次研究了受海水和垃圾渗沥液共同污染的地下水微 生物优势种群与氧化还原环境的相关性 2 首次针上述特殊环境 用分子生物学技术进行了微生物群 j 落研究 描述了生存于该环境的微生物群落 3 研究了上述特殊环境中的污染物情况 l 论文条理清晰 文字简洁 结构严谨 试验数据充分 理论分析和数据处理正确 表明作者具有扎 i 实的专业基础及良好的科研能力 在答辩过程中 答辩者思路清晰 表达清楚 回答准确 耀答辩委员会蚕员讨论和评议 一致通过田扬捷同学的答辩 并建议授予田扬捷同学博士学位j 嘉 表决结果 一一 答辩委员会成员七名 实到七名 全票通过 答辩委员会主席3 求之李 签名 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独立进行研究工作所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果 对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名 团才纫也 日期 2 0 0 5 年4 月1 0 日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文 保密口 在一年解密后适用本授权书 本学位论文属于 不保密卧 v 请在以上方框内打 4 学位论文作者签名 胡才纫璁 指导教师签名 日期 2 0 0 5 年4 月1 0 日日期 2 0 0 5 年4 月1 0 日 上海交道大学博士学位论文 导言 垃圾填埋是最终处置市政固体垃圾的主要方式 雨水和其它液体渗入填埋 场与垃圾充分接触 带走其中的可溶组分便形成垃圾渗沥液 渗沥液成份复杂多 变 通常含高浓度有机物 氨氮 溶解态阳离子 高毒性有机物和重金属离子等 严重威胁地下水资源及公众健康 上海老港垃圾填埋场位于滨海地区 其地下水系统受到垃圾渗沥液和海水 的共同影响 属于特殊的地球化学环境 据调查 这种特殊环境中的污染物和微 生物群落从未被探索过 这方面的研究可以丰富污染生态学和微生物生态学知 识 为微生物资源开发提供知识基础 此外 本课题与环境科学领域的研究热点一生物修复研究紧密相关 众所 周知 人工修复被垃圾渗沥液所污染的地下水系统不仅困难而且昂贵 但研究显 示 由于环境的生物自修复能力 本论文把不需人为促进 由环境容纳的微生物 自发进行的污染降解过程称为生塑宦篮复 填埋场造成的地下水污染蔓延程度 并没有人们当初想象得严重 如果能够了解生物自修复规律 对该过程有效监控 并预测潜力 将有助于减少需要人工主动修复的填埋场数量 节约大量资金 且 有助于指导填埋场合理运行 对生物自修复的调查和研究 目前主要通过监测地球化学参数来进行分析 推论 地球化学监测是必要的 它能反映污染程度和环境变化 但需测定指标种 类繁多 不能反映生物自修复的主体一微生物的变化 对被石油污染的地下水研 究发现 苯的降解与地球化学参数没有明显关系 却与g e o b a c t e r 属微生物的丰 度显著相关 所以可以用这种微生物来监控和预测苯的生物自修复态势 这项研 究启示我们 直接以地下水微生物为对象进行生物自修复研究 将有助于把握问 题的关键 地下水一旦受到污染 会相应发生一定程度的生物自修复 微生物群落作 为污染的主要降解者 将自发调整以适应该进程 因此 从理论上 生物自修复 念势与微生物群落之问应该会具有某种关联 利用微生物监测地下水生物自修复 进程是一个很有自i 途的研究方向 上海交通大学博士学位论文 要寻找生物自修复态势与微生物群落之间的相关性 首先必须对地下水的污 染物和微生物群落及其相关性进行研究 这项工作实际上非常繁杂 文献资料表 明 研究生物修复进程 最新趋势和必要条件是调查受污染区域的氧化还原环境 氧化还原环境之所以重要是因为它控制着污染物一切 行为 尤其是降解途径 和效率 同时面临的问题是 确定地下水的氧化还原环境也是一项难题 至今还 没有公认的判定方法 因此 上述研究工作的突破口可以选定为 是否能在微生 物群落与氧化还原环境类型之间发现相关性 在上述思路的指引下 笔者选取 老港垃圾填埋场地下水系统的污染物和微 生物群落研究 作为博士论文选题 并基于国家自然科学基金资助课题 垃圾填 埋场地下水中生物自修复进程的分子监测 编号 2 0 3 7 7 0 3 0 进行系统的研究 由于环境中绝大多数微生物 超过9 5 不能用传统微生物技术进行培养 和分离 因此本文的研究是建立在现代分子生物学技术的基础上 近十多年来发 展的基于r d n a 同源性分析的分子方法 可以比较准确和及时地反映微生物多样 性及群落结构的动态变化 本论文总体目标 对老港垃圾填埋场地下水系统进行污染生态学和微生物生态学研究 为微 生物资源开发和分子监测生物自修复进程提供必需的知识基础和理论指导 主要研究内容 1 研究和评价海水对老港垃圾填埋场地区地下水系统的影响 2 研究和评价老港垃圾填埋场渗沥液对周边地下水系统的污染 3 研究可用f 微生物分子生态学分析的地下水总d n a 提取方法 4 老港垃圾填埋场地下水微生物多样性和典型群落结构分析 5 评估分子生物学方法在监测地下水氧化还原环境方面的潜力 上海交遥大学博士学位论文 第一章绪论 第一节课题的研究背景及研究意义 一 垃圾的卫生填埋 垃圾是人类生活和生产中必然产生的遗留物质 是人类在现阶段经济技术 水平下不能充分利用而被遗弃的废物 随着自然资源不断开发利用和社会的发 展 特别是随着人口高度集中和城市化迅速发展 数量庞大的各类垃圾 正日益 严重地污染着人类的生存环境 威胁着人类的正常生活 张澄博 1 9 9 9 对城市生活垃圾的处理 目前国内外普遍按照 资源化 减量化 无害化 的原则进行 采用的主要方法有卫生填埋 堆肥和焚烧 堆肥和焚烧 虽然属于 垃圾资源化和减量化处理手段 但由于堆肥受垃圾成份的影响和销路的制约 目 前难于推广使用 焚烧技术复杂 成本是填埋的数倍 并且焚烧容易造成空气污 染 焚烧后的灰渣最终也必须填埋 显然 堆肥和焚烧都不可能单独解决垃圾处 理问题 相比之下 填埋具有成本低 处理容量大 终级化处理程度高和操作简 便等优点 被普遍认为是一种经济的处理方式 因此 在世界上得到广泛的采用 b o o t h ee ta 1 2 0 0 1 如美国卫生填埋率为9 5 英国为8 0 德国为6 7 9 即使在土地面积较小的日本 垃圾填埋率也达到3 7 1 张澄博 1 9 9 9 卫生填埋技术以不危害公众健康及环境安全为目标 包括底部衬里系统 底部导排系统 渗沥液收集系统和顶部覆盖系统 衬里起阻止渗沥液污染地下水 的功能 导排和收集系统可以尽可能地降低渗沥液的水力梯度 并将渗沥液导向 污水处理厂进行处理 压实的覆盖系统能有效地减少雨水进入垃圾体的入渗量 通常在垃圾层中还需附设排气系统 以疏导垃圾分解时产生的可燃性气体 在垃圾填埋工程中 地质环境既是填埋垃圾的载体 又是填埋工程的重要组 成部分 同时还是被填埋垃圾的主要污染对象 在过去几十年里 有关环境保护 的研究内容主要限于废水对地表水体的污染 废气对大气的影响 而忽视了垃圾 及其它废弃物对地质环境 尤其是对地下水系统造成的各种污染 张澄博 1 9 9 9 一1 一 上海交通大学博士学垃论文 二 垃圾渗沥液对地下水的污染 埋藏在地表以下岩土孔隙 裂隙及溶隙 包括溶洞等 中的水构成地下水 刘兆昌 1 9 8 8 它是全人类赖以生存的重要水资源 地球上适于饮用的淡水 只占全球水量的4 9 其中6 8 是地下水 世界上5 0 的人口以地下水为饮用 水源 r e d d ye ta 1 2 0 0 0 但是 随着人口高度集中和工农业生产的发展 很多 地区的地下水受到了污染 陈坚 1 9 9 9 垃圾填埋场是一个重要的地下水污染源 对于未使用适当衬垫的垃圾填埋 场 在数十年的演变周期中垃圾渗沥液会持续产生并在相当长时期内造成污染 b o o t h ee ta 1 2 0 0 1 即使是卫生填埋技术也存在着衬垫层破损使垃圾渗沥液泄 漏而造成地下水污染的潜在危险 a l i e ne ta 1 2 0 0 1 在荷兰 尽管目前许多旧垃圾填埋场已经关闭 但仍能发现污染向环境的 继续泄漏 r 6 1 i n ge ta 1 2 0 0 0 美国已有的7 5 0 0 0 个卫生填埋场中 7 5 的填埋 场对土壤和地下水产生了较为明显的污染 陈坚 1 9 9 9 加拿大对其2 2 0 0 个填 埋场中的3 0 0 个进行抽样调查 发现8 0 的填埋场己对周围地下水造成不同程度 的影响 其他发达国家也有类似情况 张澄博 1 9 9 9 我国从8 0 年代中期少数 城市开始采用填埋法处理垃圾 直到1 9 9 7 年1 0 月 我国才有第一座现代化卫生 填埋场一下坪垃圾填埋场在深圳建成 钟振洋 1 9 9 9 目前我国大部分填埋场 仍达不到卫生填埋的要求 渗沥液对地下水源及附近地区的饮用水源的污染事件 时有发生 在不远的将来估计会变得越来越尖锐 黄立南 1 9 9 9 垃圾渗沥液是雨水等液体渗入垃圾填埋场并与垃圾充分接触 带走其中的 可溶性组分所形成 其成分非常复杂 通常含有高浓度的可溶性有机物 大量的 氨氮 各种溶解态的阳离子 某些高毒性有机化合物和多种重会属离子等 对地 下水等贫营养自然水体危害极大 c h r i s t e n s e ne ta l 1 9 9 4 渗沥液会导致填埋场下游的地下水质和微生物群落发生显著变化 原本贫 营养的地下含水层慢慢变得丰饶 有机物被微生物降解 电子受体被耗尽 使得 在空间和时问上形成一系列氧化还原区 c h r i s t e n s e ne ta 1 1 9 9 4 铁还原和锰还 原在受污染地下含水层中是两个重要的氧化还原过程 a l b r e c h t s e ne ta 1 1 9 9 9 h e r o ne ta 1 1 9 9 4 固体氢氧化铁和氧化锰被还原 并释放可溶金属离子进入地 上每受遵大学蹲士学位论文 下水 这些金属和其它还原性的物质 如 甲烷 氨 硫化氢 对饮用水和贫营 养的天然环境构成了威胁 l o v l e x l 9 9 7 渗沥液中还可能含病原菌 尤其值得 注意的是进入地下水中的芳香族污染物 特别是苯 甲苯 乙苯 二甲苯 b e l l z e n e t o l u e n e e 廿l y l b e f l z e n e a n d y l e n e 简称b t e x 这些化合物在垃圾填埋场中经常 能被发现 尽管它们占渗沥液有机物的百分比很少 但它们的毒性和相对较高的 可溶性值得我们关注 在好氧条件下 b t e x 很容易被降解 但在厌氧条件下 垃 圾填埋场内及其下游 却会持久存在 很难降解 r 6 1 i n ge ta i 2 0 0 1 一些有毒 重金属也能够渗入地下含水层污染地下水 三 老港垃圾填埋场的地下水系统 上海老港垃圾填埋场属于滩涂型海滨垃圾填埋场 在中国 许多沿海城市 如上海 大连 青岛 的市政垃圾最终被填埋在海边滩涂地带 原因是这里的 地价便宜 地势空旷 对公众干扰少 而且新淤涨的土地可以解快后期扩建工程 的用地问题 海边的地下水位一般较高 垃圾埋深较浅 因此填埋场占地面积很 庞大 如老港垃圾填埋场占地4 1 平方公里 相当于整个上海黄埔区的面积 这 些填埋场由于面积庞大一般未铺设防渗衬底 垃圾渗沥液对地下水系统构成了严 重威胁 此外 由于位于海边 这里的地下淡水与海水在同一个水循环系统中 之问 存在着密切的水力联系 所以 老港填埋场的地下水系统受到垃圾渗沥液和海水 的双重作用 据调查 这种特殊环境中的污染物和微生物群落迄今尚未被研究过 这方面的调查和研究可以为开发能在高盐环境下降解污染的具有环保应用价值 的微生物资源提供知识基础 四 受污染地下水系统的生物修复 鉴于地下水污染对环境和人类自身的严重危害 目前许多国家已颁布相关 法规 采取了相应的防护措旌 同时也开展了关于地下水污染治理的研究 李 静 1 9 9 7 受污染地下水系统是最雉净化的环境之一 由于地下水的巨大体积 一5 上海交通太学碍士学位论文 人们不可能将其抽出进行异位处理 况且受污染地下水被抽出后 污染物会继续 从沉积物沥出并污染更多的地下水 为了原位处理地下水污染 有报道说可以通 过设置某种地下活性屏障来去除地下水污染物 但这种方法仅对于较浅并