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(píng)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(duì)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(dòng)氮與其他元素循環(huán)機(jī)制的基礎(chǔ)理論提供了有益補(bǔ)充.

關(guān)鍵詞：城市河道;內(nèi)源硫;厭氧氨氧化;氮削減

中圖分類號(hào)：x522 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DoI：10.3969/j.issn.1000-5641.2018.06.008

0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(duì)于接納污水處理廠尾水（一級(jí)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(duì)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(gè)數(shù)量級(jí)以上，且與水體污染最為直接的感官指標(biāo)“黑臭”密切相關(guān).對(duì)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(duì)于完善“氮循環(huán)”機(jī)制的認(rèn)識(shí)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(duì)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(duì)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(duì)河道脫氮貢獻(xiàn)的定量分析，對(duì)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(gè)數(shù)量級(jí)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(duì)于其中氮、硫相互作用的研究主要針對(duì)“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，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(duì)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(duì)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(huì)對(duì)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厭氧氨氧化菌對(duì)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(duì)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(huì)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(huì)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(gè)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(gè)主要相互過程，即厭氧氨氧化、硫自養(yǎng)反硝化和硫酸鹽還原過程，均由微生物驅(qū)動(dòng)（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，并且底泥投加硝酸鈣會(huì)顯著增加Jettenia菌屬的相對(duì)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(duì)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Thiobacillus成為優(yōu)勢菌屬.對(duì)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(duì)于硫酸鹽還原厭氧氨氧化菌（sR-ANAMMOX）的研究目前主要針對(duì)菌群的分離鑒定、廢水處理反應(yīng)器的啟動(dòng)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(duì)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(huì)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(duì)進(jìn)一步削減城市河道的氮營養(yǎng)鹽給予重視.對(duì)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(duì)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)的厭氧氨氧化過程在河道氮轉(zhuǎn)化過程中作用也值得重視，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)系等.這些不僅為強(qiáng)化氮營養(yǎng)鹽的去除提供嶄新的視角，而且為闡明水圈微生物驅(qū)動(dòng)氮與其他元素循環(huán)機(jī)制的基礎(chǔ)理論提供有益補(bǔ)充.