城市河道內(nèi)源硫影響厭氧氨氧化過程的研究進(jìn)展

1、    城市河道內(nèi)源硫影響厭氧氨氧化過程的研究進(jìn)展    何巖 陳靜涵 黃民生 許怡雯摘要：評述了當(dāng)前城市河道內(nèi)源硫影響厭氧氨氧化過程的研究現(xiàn)狀以及二者之間可能的微生物作用關(guān)系;指出了對于黑臭河道治理后呈現(xiàn)的高氮營養(yǎng)鹽和較低碳氮比（c/n）生境，今后應(yīng)重視新型化能自養(yǎng)的厭氧氨氧化過程在河道氮轉(zhuǎn)化過程中的作用，包括“硫自養(yǎng)部分反硝化一厭氧氨氧化”、“硫酸鹽型厭氧氨氧化”和“鐵自養(yǎng)型厭氧氨氧化”等，以及內(nèi)源硫如何影響厭氧氨氧化過程的發(fā)生和二者之間的耦合關(guān)系;不僅為強(qiáng)化氮營養(yǎng)鹽的去除提供了嶄新的視角，而且為闡明水圈微生物驅(qū)動氮與其他元素循環(huán)機(jī)制的基礎(chǔ)理論提供了

2、有益補(bǔ)充.關(guān)鍵詞：城市河道;內(nèi)源硫;厭氧氨氧化;氮削減：x522 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：a doi：10.3969/j.issn.1000-5641.2018.06.0080引言健康的水體環(huán)境是城市可持續(xù)發(fā)展的重要保障.為了盡快遏制我國城市水污染趨勢、改善城市水環(huán)境質(zhì)量，近年來許多城市根據(jù)自身特點(diǎn)，開展了相應(yīng)的黑臭河道整治工程，污染負(fù)荷得到了大幅度削減，然而氮營養(yǎng)鹽仍處于較高的水平，其主要原因是目前河道治理中往往關(guān)注氨氮的去除，側(cè)重于氨氮的硝化轉(zhuǎn)化，而忽視氮的脫除過程，導(dǎo)致總氮去除率偏低的現(xiàn)象普遍存在;而且對于接納污水處理廠尾水（一級a總氮排放標(biāo)準(zhǔn)：15mg/l）的河道，硝酸鹽氮在水體中的積累進(jìn)一步加大

3、了提高總氮去除率的難度.圖1為生活污水排放與河流水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的比較.黑臭河道治理后的高氮營養(yǎng)鹽往往是使河道由“黑臭”演變?yōu)椤八A”的重要因素，這也是本課題組在黑臭河道治理的工程實(shí)踐和調(diào)研其他城市河道治理經(jīng)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的新問題.厭氧氨氧化作為氮的生物地球化學(xué)循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，其在河道氮負(fù)荷削減過程中的作用日益受到重視，特別是黑臭河道治理后，有機(jī)負(fù)荷得到了大幅度削減，呈現(xiàn)的高氮營養(yǎng)鹽和較低c/n生境更有利于厭氧氨氧化過程的發(fā)生.相比于氮營養(yǎng)鹽，目前對城市河道內(nèi)源硫的環(huán)境行為關(guān)注較少.事實(shí)上，硫作為生物地球化學(xué)循環(huán)的重要元素，其在河道體系內(nèi)的含量往往高于氮營養(yǎng)鹽1個數(shù)量級以上，且與水體污染最為直接的感官指標(biāo)“

4、黑臭”密切相關(guān).對于黑臭河道治理后呈現(xiàn)的高氮營養(yǎng)鹽和較低c/n生境，新型化能自養(yǎng)的“厭氧氨氧化”如何參與其中的氮轉(zhuǎn)化過程，內(nèi)源硫如何影響厭氧氨氧化過程的發(fā)生，是一項(xiàng)值得探討的工作，對于完善“氮循環(huán)”機(jī)制的認(rèn)識以及氮營養(yǎng)鹽的有效削減均具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.1城市河道內(nèi)源硫?qū)捬醢毖趸^程的影響長期以來，人們認(rèn)為水環(huán)境中氮的去除主要?dú)w因于反硝化作用，在城市河道內(nèi)源氮去除方面也主要針對反硝化開展了較多的研究，包括不同環(huán)境因子如ph值、溶解氧（do）、溫度和有機(jī)質(zhì)含量等對其的影響作用.然而，自2002年海洋中厭氧氨氧化過程的發(fā)現(xiàn)，越來越多的證據(jù)表明厭氧氨氧化在水生態(tài)系統(tǒng)（海洋、河口、湖泊和濕地氮素循環(huán)中

5、起著不容忽視的作用.河流生態(tài)系統(tǒng)中厭氧氨氧化的功能特征也逐漸受到關(guān)注，當(dāng)前研究主要集中在功能菌群分布、活性特征以及厭氧氨氧化過程對河道脫氮貢獻(xiàn)的定量分析，對于黑臭河道治理后呈現(xiàn)的高氮營養(yǎng)鹽和較低c/n生境，厭氧氨氧化如何參與其中氮轉(zhuǎn)化過程的研究尚未見諸報(bào)道.硫是河道生態(tài)系統(tǒng)的重要組成元素，其含量往往高于氮營養(yǎng)鹽1個數(shù)量級以上.目前關(guān)于城市河道中硫的環(huán)境行為的研究較少，主要從致黑、致臭角度進(jìn)行較多分析，對于其中氮、硫相互作用的研究主要針對“投加硝酸鈣（鹽）”這一底泥修復(fù)條件下的自養(yǎng)反硝化過程.不同的是，近幾年硫?qū)Ｑ?、海灣、河口和濕地等沉積物中氮轉(zhuǎn)化的作用日益受到重視.2014年kraft等指出

6、，海灣沉積物中大約25%的硝酸鹽去除與“神秘的硫循環(huán)（cryptic sulfur cycle）”有關(guān);一些文獻(xiàn)對內(nèi)源硫與厭氧氨氧化之間的關(guān)系也給予了初步分析和推測.這些研究證實(shí)了內(nèi)源硫?qū)ΦD(zhuǎn)化過程的影響作用不容忽視.然而，目前關(guān)于硫化物如何影響厭氧氨氧化過程的研究結(jié)論仍存在分歧，硫酸鹽還原與厭氧氨氧化的交互作用（共生或競爭）也尚未定論.例如，一些研究表明40-42，硫化物對厭氧氨氧化過程呈現(xiàn)明顯的抑制作用，并且屬于不可逆抑制;另外一些學(xué)者37，44-45則認(rèn)為，硫化物并不會對厭氧氨氧化產(chǎn)生抑制，甚至?xí)哂幸欢ǖ拇龠M(jìn)作用，推測硫化物參與的自養(yǎng)反硝化可為厭氧氨氧化過程提供亞硝酸鹽以及可能存在一些

7、厭氧氨氧化菌對硫化物具有耐受性.另外，內(nèi)源硫?qū)τ趨捬醢毖趸^程的影響作用還受到周邊環(huán)境因子的影響.例如，ph值是決定硫化物對anammox（anaerobic ammonium oxidation）微生物毒性的關(guān)鍵因子，較低ph值下產(chǎn)生的h2s會增強(qiáng)硫化物的毒性，而在堿性條件下，其毒性明顯削弱矧.有機(jī)物的存在會加速異養(yǎng)反硝化作用，并與厭氧氨氧化及自養(yǎng)反硝化競爭基質(zhì)，從而抑制厭氧氨氧化及硫自養(yǎng)反硝化活性.2城市河道內(nèi)源硫與厭氧氨氧化過程相互作用的微生物特性城市河道內(nèi)源硫與厭氧氨氧化過程的相互作用是一個涉及化學(xué)、生物、物理等多種因素的多相復(fù)雜的生物地球化學(xué)過程，其中涉及的3個主要相互過程，即厭氧氨

8、氧化、硫自養(yǎng)反硝化和硫酸鹽還原過程，均由微生物驅(qū)動（圖2）.隨著2002年海洋中厭氧氨氧化過程的發(fā)現(xiàn)，其在水圈氮循環(huán)中的作用日益受到重視;2006年schubert等首次在淡水湖泊lake tanganyika中證實(shí)了厭氧氨氧化的存在.目前關(guān)于厭氧氨氧化菌（anammox）的研究主要集中在其菌群的分布和功能基因（hzoa，hzob和hzsa）的定量分析.已有研究表明，海洋環(huán)境中的厭氧氨氧化菌群結(jié)構(gòu)較為單一，大多是scalindua屬，而brocadia和kuenenia屬的厭氧氨氧化菌則主要存在于淡水環(huán)境中;本課題組發(fā)現(xiàn)黑臭河道中厭氧氨氧化優(yōu)勢菌屬為jettenia和kuenenia屬，并且底

9、泥投加硝酸鈣會顯著增加jettenia菌屬的相對豐度.由于硫自養(yǎng)反硝化可以實(shí)現(xiàn)硝酸鹽和硫化物的“同步削減”，對于反硝化脫硫菌（nrsob，nitrate-reducing-sulfide-oxidizing bacteria）的研究逐步受到關(guān)注，目前主要集中在地下水、油田以及高濃度硫酸工業(yè)廢水.最近的研究報(bào)道，nr-sob在感潮型沉積物中起著重要的角色;然而關(guān)于河道底泥中nr-sob的研究較少，已有文獻(xiàn)表明thiobacillusdenitricans和sulfrimonas denitricans是常見的反硝化脫硫菌;本課題組近期在黑臭河道底泥中也檢測到了上述反硝化脫硫菌，且發(fā)現(xiàn)投加硝酸鈣后

10、thiobacillus成為優(yōu)勢菌屬.對于黑臭河道治理后呈現(xiàn)的高氮營養(yǎng)鹽和較低c/n生境，反硝化脫硫菌在其氮轉(zhuǎn)化過程中的作用和地位值得重視.另外，硫酸鹽還原菌（srb，sulfate reducing bacteria）在海洋、河口以及濕地沉積物中的分布得到了較多的關(guān)注，對于硫酸鹽還原厭氧氨氧化菌（sr-anammox）的研究目前主要針對菌群的分離鑒定、廢水處理反應(yīng)器的啟動以及探討培養(yǎng)體系中發(fā)生sr-anammox的可能性，關(guān)于城市河道中srb種群結(jié)構(gòu)和數(shù)量變化的研究很少，只是對其給予初步的分析和推測.3結(jié)論與展望自從2015年“水十條”的頒布以來，全國各地廣泛開展了城市黑臭河道的整治工作，然而黑臭河道治理后凸現(xiàn)的高氮營養(yǎng)鹽問題將會引發(fā)城市河道由“黑臭”演變?yōu)椤八A”這一新的環(huán)境問題，因此必須對進(jìn)一步削減城市河道的氮營養(yǎng)鹽給予重視.對于黑臭河道治理后呈現(xiàn)的高氮營養(yǎng)鹽和較低c/n生境，為了實(shí)現(xiàn)對內(nèi)源氮的有效削減，不僅探討如何強(qiáng)化傳統(tǒng)的硝化一反硝化耦合脫氮過程（例如優(yōu)化曝氣方式或覆蓋介體材料以創(chuàng)造好氧一缺氧微環(huán)境、引入緩釋碳源以提高c/n等），而且新型化能自養(yǎng)的