人工湿地中的生物膜对石油炼制废水中的BTEX（苯并三氯乙烯、苯并二甲氧基乙烯、苯并四氯乙烯）的生物降解作用：基于化合物特异性同位素分析的见解

《Science of The Total Environment》：BTEX biodegradation by biofilms from constructed wetlands treating petroleum refinery wastewater: insights from compound-specific isotope analysis

　　石油炼制废水中的苯系物（BTEX）降解机制研究显示，生物降解贡献约50%，其中乙苯和二甲苯降解率更高。通过双元素同位素分析（δ13C和δ2H）结合微生物群落分析，证实厌氧条件下以BTEX单键断裂和硫酸盐还原为特征的降解路径占主导，种植系统的微生物活性显著增强。该研究为优化人工湿地设计提供了理论依据。

　　石油炼制废水是复杂的污染源，其中包含多种有机物、硫化物和酚类化合物，特别是苯、甲苯、乙苯和二甲苯（BTEX）由于其毒性、溶解性和在水体中的持久性而备受关注。传统废水处理方式往往能耗高且难以实现对BTEX的完全去除，而人工湿地（CWs）作为一种经济高效且可持续的替代方案，能够结合物理、化学和生物过程进行处理。然而，区分BTEX的生物降解与物理去除机制仍然具有挑战性，且人工湿地的配置和相关微生物群落对BTEX转化的影响尚未完全明确。本研究通过建立生物膜微宇宙实验，利用双元素化合物特异性同位素分析（CSIA）和微生物群落图谱分析，以区分BTEX的生物降解与挥发和吸附过程。结果表明，生物降解在总BTEX去除过程中占比约为50%，其中乙苯和二甲苯的转化率高于苯和甲苯。

为了更准确地评估BTEX的去除机制，研究人员利用CSIA和微生物群落分析相结合的方法，研究了不同配置的人工湿地生物膜对BTEX的降解能力。该方法能够克服在完整人工湿地系统中，由于挥发、吸附和植物吸收等过程与微生物降解相互交织而导致的监测局限性。研究发现，植生人工湿地中的微生物活动和降解能力显著高于非植生系统，这可能是由于植物根系分泌物对微生物的刺激作用。在厌氧条件下，关键的微生物类群包括变形菌门、放线菌门和硫酸盐还原菌门，这些类群在BTEX的转化过程中起到了重要作用。尽管生物降解是主要的BTEX去除途径，但预测数据表明，挥发和吸附也可能在人工湿地中对BTEX去除产生显著贡献。

研究通过构建不同类型的水平流和垂直流人工湿地系统，并进行一系列的实验，以评估BTEX的去除过程。在实验中，研究人员利用了从这些系统中提取的生物膜，并将其接种到实验室微宇宙中，以模拟真实条件下的降解情况。实验过程中，微宇宙被置于黑暗环境中，并持续摇动，以确保良好的降解条件。研究还监测了pH值和电导率，以及总有机碳和溶解有机碳的含量，以评估水化学特性对BTEX去除的影响。

在微生物活动方面，研究采用了荧光素二乙酸（FDA）水解实验，该实验通过测量酯酶活性来评估代谢活动。结果表明，植生人工湿地的微生物活动显著高于非植生系统，这与根系分泌物对微生物的促进作用有关。在非植生系统中，由于缺乏这些刺激因素，微生物活动较弱，导致BTEX的去除效率较低。此外，通过分析微生物群落的组成，研究发现变形菌门、放线菌门和硫酸盐还原菌门在BTEX降解过程中占据主导地位，而其他类群的相对丰度较低。

研究还探讨了不同BTEX化合物的降解动力学，发现乙苯和二甲苯的降解速率高于苯和甲苯，这与它们在厌氧条件下的降解机制有关。通过双同位素分析，研究人员确定了碳和氢同位素的富集因子，这些数据进一步确认了BTEX的生物降解过程。此外，研究发现，微生物群落的多样性在不同系统中存在显著差异，这可能与人工湿地的配置和水力条件有关。

通过结合同位素分析和微生物群落数据，研究人员能够更准确地识别BTEX的降解路径。研究还发现，微生物群落的变化和活动可能受到人工湿地中物理过程和化学过程的影响，这些因素共同作用于BTEX的去除效率。研究结果表明，人工湿地的配置和微生物群落对BTEX的去除具有重要影响，这为优化人工湿地的设计和运行提供了科学依据。

综上所述，本研究通过实验室微宇宙实验和同位素分析相结合的方法，揭示了人工湿地中BTEX的降解机制。研究结果表明，生物降解在BTEX去除过程中起主导作用，而挥发和吸附等物理过程也具有一定贡献。通过分析微生物群落的组成和活动，研究人员能够更准确地识别BTEX的降解路径，并为人工湿地的优化设计和运行提供支持。这些发现为人工湿地在石油废水处理中的应用提供了重要的科学依据，并有助于开发更有效的生物修复技术。