地下水是重要的水资源组成部分,在维持生态系统平衡、保障人类生活用水和支持社会经济发展等方面发挥着重要作用。伴随着近年来工业、农业生产快速发展,由地下水重金属污染引发的生态环境负效应、水质安全和人体健康问题,引起了世界各国和相关领域的高度重视,使重金属污染地GSKJ4下水风险管控和修复成为环境领域研究热点之一。产脲酶菌主导的微生物诱导碳酸盐沉淀技术(MICP)因其具有修复效果好、修复成本低、操作简单等优点,被认为是一种有前景的重金属污染地下水修复方法。然而到目前为止,针对低温、缺氧、寡营养环境进行的MICP修复重金属污染地下水的相关研究甚少,MICP对地下水中重金属的作用机制尚不明确,MICP过程中尿素分解产生的副产物NH_4~+-N问题尚未解决,迫切需要开展相关研究工作,为MICP技术在实际重金属污染地下水修复工程中的应用提供科学依据。本论文依托国家重点研发项目,开展复合功能菌主导MICP作用对Pb~(2+)/Cd~(2+)污染地下水的修复机制研究,在分析研究区地下水Pb~(2+)/Cd~(2+)污染现状和微生物群落特征基础上,以地下水中土著功能微生物为菌源筛选出具有MICP功能与NH_4~+-N降解功能的复合功能菌UN-1,分析其主导的MICP作用对Pb~(2+)/Cd~(2+)的去除规律,揭示单细胞尺度上的MICP成矿机理,研发能够在地下水环境中促进UN-1发挥MICP功能的生物刺激剂PMB-1,并通过小试试验验证UN-1主导的MICP作用原位修复Pb~(2+)/Cd~(2+)污染地下水的可行性,研究成果为MICP技术修复Pb~(2+)/Cd~(2+)污染地下水的实际应用提供了理论依据和重要技术支撑。本研究主要取得以下认识:(1)分析了研究区浅层地下水生境条件、Pb~(2+)/Cd~(2+)污染现状和微生物群落特性,为后续研究奠定了科学依据,提供了复合功能菌的土著菌菌源。研究区浅层地下水为微承压水,岩性介质主要为粗砂,地下水温度约15～20℃,pH值约4.95～7.04,DO浓度低于2.16 mg/L,氧化还原电位低于-28.70 m V,属于缺氧、弱还原环境,水化学类型为SO_4-Ca型水,Pb~(2+)/Cd~(2+)浓度普遍超出地下水质量标准(GB/T14848-2022)Ⅳ类限值,最高浓度分别为1.89 mg/L和2.05 mg/L;研究区地下水优势菌受到Pb~(2+)/Cd~(2+)污染影响显著,Pb~(2+)/Cd~(2+)浓度较低的地下水优势菌属主要为Chitinophaga、Ralstonia、Phenylobacterium等,Pb~(2+)/Cd~(2+)浓度较高的地下水优势菌属主要为Bacillus、Clostridium、GP1等,其中Bacillus为已报道的具有MICP作用和NH_4~+-N降解功能的微生物菌属。(2)驯化出了具有MICP功能与副产物NH_4~+-N降解功能的复合功能菌UN-1,分析了其菌群组成和多样性,预测了其尿素水解与NH_4~+-N降解代谢通路,揭示了其在地下水环境中的微生物特性。从研究区地下水中驯化获得的主导MICP与NH_4~+-N降解功能的复合功能菌UN-1,主要由Sporosarcina、Bacillus、Tumebacillus、Nitrospira、Alkaliphilus等菌属组成,其脲酶功能基因UreA、UreB、UreC和UreG丰度和氨氧化、羟胺氧化、亚硝酸盐还原、NO还原、N_2O还原等功能基因丰度相比于研究区土著功能菌显著上调;UN-1的最佳生长周期为36-48 h,最佳培养温度为15-35℃,最佳培养pH值为6.0-9.0;复合功能菌UN-1与Pb~(2+)/Cd~(2+)接触时可产生吸附反应,吸附过程遵循Langmuir等温吸附模型,其生物量、脲酶活性、细胞分散性、细胞膜通透性和疏水性的表达与Pb~(2+)/Cd~(2+)浓度存在响应关系。(3)分析了复合功能菌UN-1主导MICP作用去除地下水中Pb~(2+)/Cd~(2+)的动态过程,表征了MICP矿物的形貌、成分和结晶性,研究了Pb~(2+)/Cd~(2+)单一和共存体系、地下水环境因素、含水层岩性介质等因素对MICP作用效果的影响规律。实验室条件下,复合功能菌UN-1主导MICP作用可在3 h内对地下水中初始浓度为10.00 mg/L的Pb~(2+)/Cd~(2+)去除率>99%,过程中产生的副产物NH_4~+-N在120 h内被UN-1产生的HAO、NIR、和NAR等氮降解酶消除,MICP去除地下水中Pb~(2+)/Cd~(2+)后分别形成了具有良好结晶性的Pb CO_3不规则立方体单晶与Cd CO_3不规则球形多晶;MICP作用可对c(Pb~(2+))<200.00 mg/L、c(MK-4827Cd~(2+))<20.00mg/L的单一污染物、以及c(Pb~(2+))<100.00 mg/L且c(Cd~(2+))<10.00 mg/L的混合污染物实现高效去除,但高于该浓度的Pb~(2+)/Cd~(2+)单一和共存体系对UN-1修复效果具有明显的抑制作用;UN-1主导的MICP作用适宜在pH值为6.0-9.0,地下水温度10-35℃条件下进行,其作用效果受到地下水中Na~+、K~+、Ca~(2+)、Mg~(2+)、Cl~-、SO_4~(2-)浓度与岩性介质粒径的影响不显著。(4)以复合功能菌UN-1中的主要产脲酶功能菌种S.pasteurii为研究对象,识别了单细胞尺度上去除Pb~(2+)/Cd~(2+)过程中产生的MICP矿物类型,分析了脲酶驱动下Pb~(2+)/Cd~(2+)与碳酸盐在细胞界面的矿物成因,揭示了单细胞尺度上的MICP成矿机理。在不同的初始Pb~(2+)/Cd~(2+)浓度条Mindfulness-oriented meditation件下,S.pasteurii主导的MICP作用可形成三种不同形态的碳酸盐矿物沉淀:吸附型矿物沉淀、桥连型矿物沉淀、结晶型矿物沉淀;吸附型矿物沉淀可在Pb~(2+)初始浓度为1.00-100.00 mg/L(Cd~(2+)为0.50-50.00 mg/L)时形成;桥连型矿物沉淀可在Pb~(2+)初始浓度为10.00-100.00mg/L(Cd~(2+)为5.00-50.00 mg/L)时形成;结晶型矿物沉淀仅在Pb~(2+)初始浓度为100.00 mg/L(Cd~(2+)为50.00 mg/L)时产生;吸附型矿物沉淀位于细菌细胞表面,其形成归因于MICP反应前微生物细胞表面结构与官能团对Pb~(2+)/Cd~(2+)的吸附作用;桥连型矿物沉淀位于细菌细胞之间,其形成归因于MICP反应前Pb~(2+)/Cd~(2+)对不同微生物细胞个体间的桥连作用;结晶型矿物沉淀以结晶形式存在于反应体系中,其形成归因于矿物结晶从其对应碳酸盐过饱和地下水溶液中析出。(5)对比了多种包覆型缓释材料的合成效率、缓释性能与缓释动力学机制,确定了生物刺激剂PMB-1的最佳合成方法与制备配方,分析了其对复合功能菌UN-1的MICP作用靶向刺激效率。石蜡基MICP生物刺激剂相比于以淀粉基和硅胶基MICP生物刺激剂具有更好载药率和缓释效果,当设置石蜡包覆层数为3层、磁力搅拌器转速为200 rpm、成分配方m(Urea):m(葡萄糖):m(Na Cl):m(KNO_3):m(Ca Cl_2):m(Mg SO_4):m(Na_2HPO_3):m(KH_2PO_4)=30:30:5:3:4:2:3:3时制备的生物刺激剂PMB-1具有最佳的缓释性能与刺激效果,24 h和7 d累积释放率为3.26%和20.33%,有效成分的释放过程遵循logistic方程。0.50 g/L的PMB-1在实验室条件下可刺激UN-1主导MICP反应对连续4个周期(28 d)初始浓度为10.00 mg/L的Pb~(2+)/Cd~(2+)污染地下水实现完全修复(去除率>99%)。(6)研究了Pb~(2+)/Cd~(2+)在MICP作用的含水层中的动态迁移规律,分析了原位MICP作用过程中生物刺激强度、功能微生物丰度和副产物NH_4~+-N的响应特性,揭示了Pb~(2+)/Cd~(2+)在含水层中迁移过程中的MICP成矿稳定化作用机制。UN-1主导的MICP作用可通过将地下水环境中Pb~(2+)/Cd~(2+)从可交换态转化为碳酸盐结合态和有机物结合态从而阻滞Pb~(2+)/Cd~(2+)在地下水含水层中的迁移,Pb~(2+)/Cd~(2+)的迁移过程满足Two-site吸附模型,其迁移速率随生物刺激强度和地下水pH值的升高而降低,MICP作用在粗砂含水层中对地下水中的Pb~(2+)/Cd~(2+)具有更大的截留量。MICP作用对Pb~(2+)/Cd~(2+)污染地下水的成矿稳定化修复效果受到MICP生物刺激剂中营养成分的调节,原位注入复合功能菌UN-1与生物刺激剂PMB-1后,地下水中出现了Sporosarcina、Bacillus、Nitrospira等功能微生物菌属,微生物生物量和生物酶活性明显上升,运行监测28 d过程中,Pb~(2+)/Cd~(2+)浓度逐渐降低,28 d时MICP作用对Pb~(2+)/Cd~(2+)去除率分别为95%和90%。