1.1 选题依据及研究意义
水是生命之源，地球上的任何生物都离不开水的滋养，经过历史车轮的辗转，可供人类使用的地表水变得缺乏，进而转向大量开采可利用的地下水源。地下水分布广泛，变化稳定，不易被污染，是现实目前最好的水源，也是经济社会发展的储备资源和战略资源。地下水有着变化稳定不易污染的特点，同时地下水存在污染后难治理的问题。近年来地下水的污染问题由隐性变为显性，由局部慢慢扩展到区域，由简单污染发展到复杂污染，造成了污染超过地下水本身的净化能力，这不仅给水资源缺乏的现状雪上加霜，同时也对生态平衡和人类健康产生极大的威胁。尽管已经存在许多的修复技术，但是如果不能从源头上解决，就会存在污染物的残留[1]。废水中含有各种不同的污染物，是造成生态系统污染的重要来源，会导致富营养化和破坏水生生活。废水中含有具有诱变性、致癌性、致畸性和有毒的多种不同类型的有机化合物，且难以用传统的方法去除[2]。污染物在地下水系统中的行为特征值得关注和研究，了解污染物在地下水系统中的迁移规律、分布特点、转化机制等对有效防治地下水污染是非常重要的。 地下水系统是一个极其复杂、关系量众多的单元。地下水是物质与能量流动的主要载体，其流动路径也显著影响着污染物在地下环境内的迁移扩散行为。地表面以下赋存在岩石空隙中的水为地下水，它不仅可以在岩石空隙中自由流动，也可以自由流动在土壤空隙中。地下水具有自己特定的系统，包括补给系统、径流系统、排泄系统等，为了保持所有系统之间的平衡状态，地下水会不断运动，从而表现为水位的不断变化。地下水在水力梯度作用下发生水平运动的同时，开采或回灌地下水、潮汐、河道水位涨落、降雨、干旱和洪涝灾害以及工程施工降水等作用会促进地下水位反复下降与回升，促使地下水位不同程度的波动[3]，存在地下水位有规律性波动的区域被称为水位波动带。水位波动在干旱地区可以作为生态和水文的重要指标[4]，也可以作为某些地区滑坡的重要参照[5]。
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1.2 国内外研究现状
苯系物通常包括苯、甲苯、乙苯和二甲苯。苯是一种具有强烈芳香气味的无色透明液体，易挥发、易燃、不溶于水，可溶于乙醇等许多有机溶剂，有毒。甲苯和二甲苯都是无色、有芳香气味、具有挥发性、易燃、易溶于有机溶剂的有毒物质[20, 21]。乙苯是一种无色有芳香气味的液体有机物，易燃、易爆，与空气混合形成爆炸性混合物，其挥发性较大，在地表水体中的主要迁移过程会发生挥发以及在空气中的光解。苯系物的部分物理指标如表 1.1 所示。日常生活中处处可见苯系物，例如烟草的烟雾、油漆、染色剂、香水、洗涤剂等[20, 21]。石油类污染物作为苯系物的主要成员，在勘探、开采、运输和加工过程中，常遇淋落、泄露等环境污染事故[22]，通过渗漏进入含水层，严重威胁地下水环境安全[23]。最近的几年里，由于非监管和监管的有机污染物出现在环境水域中，环境污染成为人类非常大的担忧，这些污染物通常通过处理的或者未处理的废水进入到地下环境[24]。中国 90% 的城市地下水存在有机和无机有毒有害污染物污染的情况，污染严重的城市占 64%[25]。很多研究证明持久性环境化学污染物会严重影响人类的身体健康[26]。
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第 2 章 BTEX 污染含水层水位波动室内模拟方案
2.1 污染含水层水位波动概念模型
一般情况下，有机污染物一旦进入地下环境，大部分会迁移到包气带，并进入到毛细管边缘区和地下水位附近[75]。尽管浅层地下环境既含有饱和区也含有非饱和区，有机污染物的迁移和转化都会通过不同的土壤介质，受到大量不同环境因素的影响，尤其是在地下水位波动带，有着频繁的饱和-非饱和交替循环变化。在这种特殊地下水条件下，有机污染物和地下水位波动，会对地下环境中的物理-化学-生物特征都产生影响。地下水位波动改变了有机物的存在位置和状态，同时改变了环境中氧气浓度，化学-生物作用针对环境的改变发生适时的变化。如图 2.1 所示，当地下水位上升时，多孔介质充满水变为饱和状态，污染物可以随着水流发生分散和迁移，介质为厌氧条件，还原反应突出，厌氧微生物适宜生存（图 2.1，B），当地下水位下降时，多孔介质变成非饱和状态，残余的污染物以气-液-固三相状态存在，氧气含量有所改变，氧化、还原反应可能同时存在，好氧菌、厌氧菌、兼性菌均可能存在（图 2.1，A）。
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2.2 室内模拟实验设计
为了更好理解污染物在不同水力条件下的迁移，实验用砂柱模拟水位波动带内的一个典型单元体。实验装置如图 2.2 所示，砂柱及介质基本物理性质如表 2.1所示。实验共设计三组实验，条件分别为无生物条件下饱和-非饱和交替（图 2.2，A）、含生物条件下饱和-非饱和交替（图 2.2，A）、含生物条件下饱水条件（图2.2，B）。实验砂柱为直径 10 cm，高 5 cm 的有机玻璃柱，按照一定的密度向实验砂柱中分别充填已选好的介质，并保证各柱之间密度相差不大，高度相同。并在充填过程中向实验砂柱介质中分别加入相同浓度的甲苯（密度 0.866 mg/L）1 m L，混合均匀。为保证实验装置的气密性，在连接处均按有开关装置，除释水时间均为关闭状态，且为了不使释水过程气态甲苯泄露进入空气环境，在砂柱顶部开关处安装有气体采样袋（图 2.2，A）。实验装置中，采用软管将有机玻璃柱柱底与蠕动泵和供水瓶连通。水位的变化通过蠕动泵的停止和运行及实验砂柱开关的开闭来控制，并使用土壤水分动态监测系统（TDR）对实验过程中实验柱的含水率进行实时监测。
第 3 章 不同水位变动条件下甲苯的自然衰减过程 ............. 27
3.1 甲苯的衰减过程曲线 ............. 27
3.1.1 饱和渗流条件下甲苯含量的变化特征 ...... 27
3.1.2 水位波动条件下释水中甲苯含量变化 ...... 28
3.2 水位波动过程中的水动力特征 ..... 29
3.3 介质内残留态甲苯特征 ........... 32
3.4 甲苯衰减过程的控制机制 ......... 35
第 4 章 地下水位波动过程中水文地球化学变化规律 ........... 37
4.1 水化学组成变化特征 ............. 37
4.2 氧化还原特征 ......... 40
4.3 BTEX 污染水化学特征小结 ........ 50
第 5 章 地下水位波动过程中微生物种群特征变化规律 ......... 51
5.1 DNA 提取结果和 PCR 扩增 ........ 51
5.2 高通量测序结果 ....... 52
5.3 多样性指数 ........... 58
5.4 种群组成结构特征 ..... 62
5.5 地下环境生物特征小结 ........... 68
第 5 章 地下水位波动过程中微生物种群特征变化规律
BTEX 污染胁迫和水位波动双重条件下地下水系统的环境微生物响应，也是继水文地球化学特征之后的另一个主要特征，这也会为深入理解 BTEX 污染生物修复奠定基础。本章主要论述水位波动与非波动过程实验中的环境微生物部分。为了保证实验结果可信，实验对水样中采集的微生物分别进行了好氧和厌氧两种条件的培养。实验过程中均保持在无菌环境中操作。
5.1 DNA 提取结果和 PCR 扩增
在实验室模拟研究的基础上，进一步对水样样品的微生物通过向培养基中加入水样样品的方式进行采集。室内模拟实验一共进行了 40 天，共取得 160个实验水样，4 个实验土样。最后对典型水样土样以及原始水样和土样进行了微生物培养，DNA 提取后进行微生物测序。微生物测序结果仅代表可培养微生物，因为自然界中可培养微生物仅占总微生物数量的 0.1%~10%[96]。 首先对实验收集到的水样进行细菌培养。分别利用厌氧培养和好氧培养的通用培养基对采集到的水样进行培养，当细菌浓度达到 DNA 提取要求时，按照菌液试剂盒说明书顺序进行提取。土样中的微生物 DNA 按照土壤 DNA 提取试剂盒说明书顺序进行提取。 在上述 DNA 提取基础上，进一步进行 PCR 扩增和凝胶电泳。使用 2% 琼脂糖凝胶电泳检测 PCR 产物，3 μl 上样检测电泳图，结果显示 PCR 产物目的条带大小正确，浓度合适，进行的后续实验有效（图 5.1）。 考虑到本硕士论文的时效性，DNA 提取和 PCR-DGGE 没有太多开展。除了作为方法性的对照使用，并为后续的进一步当代分子生物学手段（例如高通量测序）提供实验基础。
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结论
本文利用室内一维砂柱来模拟地下水位波动带的典型微小单元体，以污染的砂柱内介质为研究对象，探究在地下水位波动过程中，污染物在地下水环境中的衰减规律，以及地下水环境中物-化-生指标变化。根据实验所得成果，得出以下结论：
1、水位波动过程中随水流迁移的甲苯浓度衰减速率符合一阶衰减模型，不同介质条件下的衰减速率不同，中砂和含 10% 黏土细砂中甲苯衰减速率分别为6.4 mg·L-1·
