卓坤慶、胡芳瑜、謝瑞豪、陳淑珍、劉書羽 / 工研院綠能所
本技術整合研發之營養源配方、專利菌劑與智能化生物整治系統，提高生物整治中脫氯菌群之降解成效，以達到低成本、高效益及綠色永續方式去除地下水中的含氯有機污染物。本研究團隊建立完全脫氯功能基因分析技術及研發新型營養源配方ITRI-D23，可提升菌群還原脫氯效率達78%，加速移除污染及其中間產物。實場整治運用，除證實營養源配方之有效性外，搭配智能化生物整治系統可達到自動化、精準化藥劑添加與水質控制，提高生物整治執行效率。
【內文精選】
前 言
2. 研究重點
本技術整合創新之配方營養源藥劑、專利菌劑、基因賦活劑與智能化生物整治系統(Intelligent Bioremediation System)(技術開發流程如圖一)，以其有效性、安全性、經濟性及永續性的方法來解決在工業發展過程中造成的環境污染問題，大幅降低污染物危害性並減少有害物質的殘留，達到節能、節水與減碳的環境效益，保護人體健康和環境，達成經濟、社會及環境三贏的目標，確保土壤與地下水資源的永續利用。
圖一、地下水三氯乙烯污染之精準整治技術開發流程
生物整治的核心是利用微生物菌群將目標污染物降解為毒性較低或無害物質。以三氯乙烯污染為例，在厭氧條件下微生物菌群由厭氧還原脫氯反應(Reductive Dehalogenation)以含氯乙烯有機物為電子接收者，逐步進行脫氯，將氯離子置換為氫離子，依序形成二氯乙烯(Dichloroethene; DCE)、氯乙烯(Vinyl Chloride; VC)至乙烯(Ethylene)，甚至最終被代謝成二氧化碳。
要將三氯乙烯完全降解成乙烯，至少需要有三大類菌群以協同作用(Synergistic Interaction)將氯化有機物完全脫氯。①第一類菌群—脫氯菌，如脫鹵擬球菌屬(Dehalococcoides, Dhc)之細菌，主要進行還原脫鹵呼吸作用，將三氯乙烯的氯離子置換為氫離子；②第二類菌群—醱酵菌，如梭菌屬(Clostridium)之細菌，將有機物醱酵產生氫氣或電子及小分子揮發酸，氫氣或電子提供給脫氯菌還原脫氯所需，小分子揮發酸則可作為脫氯菌之生長碳源；③第三類菌群—輔因子供給菌，如真細菌科(Eubacteriaceae)之細菌等，可提供含鈷輔因子給脫氯菌，促成完全脫氯反應。透過本技術開發營養源藥劑，並且調控上述菌群的種類、數量、活性以及其共營結構，讓菌群間可以透過協同作用迅速將三氯乙烯完全還原至無毒的乙烯。
研究成果
1. 研發菌劑成效
本研發團隊結合過往研發經驗，透過微生物體學分析，解析關鍵脫氯菌群，以mDCB-1培養基搭配研發之營養源藥劑配方，馴養出可將三氯乙烯完全降解成乙烯之菌群，以質量平衡實驗驗證可將三氯乙烯完全降解成乙烯，並進一步開發成高效完全脫氯微生物製劑。透過繼代培養、寄(保)存暨活化測試，完成專利申請，為完全脫氯複合微生物製劑專利，相較於國際上販售產品，脫氯菌濃度減少100~1,000倍，但脫氯速率高1.4~7倍，顯示本研發團隊開發之營養源藥劑可提升每單位脫氯菌之脫氯速率，具有良好之脫氯成效。
2. 以基因表現量分析開發基因活化劑
厭氧還原脫氯反應係藉由還原性脫鹵酶進行催化作用，其中脫鹵菌群(Dehalococcoides spp.)，為發生還原脫氯反應最主要的菌群。目前已知負責編碼(Encode)此類還原酶的基因有pceA、tceA、bvcA、vcrA及mbrA等。根據研究指出，對三氯乙烯還原脫氯作用中脫鹵菌群之功能基因大致可分為兩類：①含tceA功能基因之脫鹵菌群，可將三氯乙烯降解為二氯乙烯；②含vcrA功能基因之脫鹵菌群，可將二氯乙烯及氯乙烯進一步降解為無害之乙烯。
4. 智能化生物整治系統
由於生物工法執行過程，需要添加營養基質進行環境調控，常用採取如重力批次式加藥或PLC儀控連續灌注技術進行營養基質藥劑灌注，不過仍常有對加藥量的評估失準狀況發生，導致厭氧環境調控狀況不佳。因此，本團隊研發智能化生物整治系統設備(圖八所示)，系統硬體設備架構包含兩大部分：①水質監測設備及數據監控平台；②抽水/注藥系統。水質監控可自動監測下游監測井在加藥前後之水質變化，包括酸鹼度(pH)、氧化還原電位(ORP)、溶氧(DO)及導電度(EC)等，相關水質感測數據可即時透過網路上傳到水質數據監控及遠端操控平台。而營養藥劑添加量調整，除由上述一般水質監測數據評估外，並增加即時總有機碳(TOC)分析數據，進行現場藥劑量調整且能遠端管理現場試驗區域執行狀況---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖八、智能化生物整治系統示意圖
★本文節錄自《工業材料雜誌》434期，更多資料請見下方附檔。