城市河道介體強化總氮削減的微生物群落結構分析

韓靜 許怡雯 何巖 黃民生

摘要：通過比較3種介體材料（生物炭、毛氈和無紡布）對城市河道總氮削減強化的效果，發(fā)現經過84 d的運行，相比空白組，無紡布對總氮的削減強化效果最好，削減率可提升23.4%;其次是毛氈，削減率可提升13.9%;生物炭對總氮削減效果不佳.在此基礎上，系統探究了不同介體強化組中的微生物多樣性及結構分布特征，表明與空白組相比，無紡布組可以顯著增加菌群多樣性和豐富度，而且與氮轉化相關的變形菌門豐度明顯高于毛氈組和生物炭組，特別是一些典型的反硝化菌屬Azospirillum、Thiobacillus和Azoarcus的豐度均顯著高于其他實驗組，而與反硝化菌存在競爭關系的產甲烷菌屬Syntrophorhabdus低于空白和生物炭組;毛氈組的微生物菌群結構呈現出與無紡布相似的趨勢，但其中的反硝化菌屬豐度均低于無紡布組;生物炭組微生物群落組成與空白組最為相似，推測無紡布介體材料具有較好的生物相容性，更有利于掛膜，從而促使反硝化菌屬的生長.綜合比較，無紡布介體材料更有利于對城市河道總氮的削減.

關鍵詞：介體材料;城市河道;總氮削減;微生物作用

中圖分類號：X522 文獻標志碼：A DOI：10.3969/j.issn.1000-5641.2018.06.012

0前言

河道黑臭是我國城市水環(huán)境污染的典型現象之一.隨著河道修復與治理工作的相繼開展，污染負荷得到大幅度削減，黑臭現象逐步得到消除，但氮營養(yǎng)鹽累積問題卻凸顯且難以解決當前黑臭河道治理過程中往往只關注氨氮的去除，側重于氨氮的硝化轉化卻忽視對總氮的去除導致總氮處于較高水平.如果不加以重視，將會引發(fā)從“黑臭”到“水華”新的環(huán)境問題.因此，如何有效的去除城市河道中的總氮是目前亟待解決的問題.

當前，關于提高城市河道總氮去除率主要從硝化一反硝化耦合優(yōu)化曝氣方式硫、鐵元素耦合強化反硝化進行總氮去除以及異位處理等方式實現;也有一些人試圖探討新的氮去除途徑，如通過好氧反硝化強化氮營養(yǎng)鹽去除：也有研究者采用新的緩釋碳源材料通過提高碳氮比（c/N）強化反硝化脫氮;一些學者通過使用新的介體材料如生物沸石、沸石復合菌劑等降低上覆水總氮濃度.本文嘗試使用生物炭、毛氈和無紡布等介體材料，利用其較大的比表面積，通過吸附截留和促使生物膜的生成來強化對總氮的去除，確定出優(yōu)化的介體覆蓋材料，以期為提高總氮去除率的問題提供參考.

1材料與方法

本實驗以取自里店浦的底泥為實驗對象，采用PVC柱狀反應器作為實驗裝置，實驗裝置內鋪設不同介體材料，在84 d運行期間內測試上覆水總氮濃度并計算削減率，運行結束后采集介體材料上附著的生物膜進行高通量測試，解析生物膜內的細菌結構及豐度的響應變化.

1.1研究對象

本試驗所需的河道底泥和上覆水均采集于上海市普陀區(qū)桃浦鎮(zhèn)里店浦，該河為上海市工業(yè)河的一條支流，河水的水動力條件較差，采樣時已經過疏浚治理，但仍然存在總氮含量超標的問題.樣品取回實驗室后，放在4°c冰箱里冷藏備用.底泥的基本理化性質：含水率（62.1～3.2）%;TOC含量（18.5～2.3）g/kg.稻殼生物炭購自于上海滿緣植材，粒徑為3-10 mm，超純水清洗后備用.毛氈購自于宿遷市香軒花卉園藝公司，無紡布購自于紅葉無紡布，材質為丙綸粘纖，重量為200 g/m2.上覆水基本水質指標見表1，里店浦地理位置圖見圖1.

1.2試驗裝置

本試驗采用的裝置為自制的PVC柱狀反應器，內徑15 cm，高度60cm.裝置內盛放城市河道底泥，介體材料與上覆水，具體試驗裝置見圖2所示.

將等量河道底泥放入不同柱子中，上面分別鋪設3種介體材料（生物炭、毛氈和無紡布），最后采用虹吸方法緩慢注入采集的河水.生物炭的鋪設厚度為1cm，毛氈和無紡布都鋪設一層，上面用碎石壓住防止浮起.為了獲得介體材料的覆蓋效果，再設一個不覆蓋任何材料的空白柱作為比較.每個柱子的底泥高為12.5 cm，上覆水高為37.5cm.試驗均在室溫下進行，待穩(wěn)定后每周取樣測定上覆水總氮的含量，以分析評價不同介體材料對河道底泥總氮削減的效果.

1.3分析方法

上覆水總氮按標準方法采用紫外分光光度儀測定.pH值采用pH計測定，上覆水溶解氧采用便攜式溶解氧儀測定.

1.4高通量測序分析

各試驗組經過84 d運行根據其穩(wěn)定時的理化指標分析，選取試驗組中介體材料上附著的生物膜進行細菌通用引物的高通量測序分析，以解析生物膜中細菌豐度及結構的響應變化.所用引物見表2.所用的測序設備為Ⅲumina MiSeq2x300bp測序儀，其采用可逆性末端邊合成邊測序技術;不同水平下的群落組成和結構特征采用STAMP軟件（版本2.1.3）來分析組問差異，多樣性指數計算使用Mothur軟件（版本1.30.1）;計算各個樣品Shannon、Chaol、ACE和Simpson指數.

2結果與討論

2.1不同介體對總氮去除性能研究

試驗考察了所有試驗柱上覆水總氮（TN）濃度隨試驗天數的變化情況，其結果見圖3a.可以看出各試驗組（除生物炭組）初期上覆水TN濃度均呈現不同程度的上升趨勢，推斷認為這是由于底泥所釋放的大量氨氮來不及進行硝化一反硝化轉化引起的，到28 d降低到較低水平隨后又逐漸升高，推測可能是由于吸附在介體材料上的氨氮釋放所引起的.到試驗結束時裝置經過84d的運行，無任何介體材料的空白組TN濃度為3.58mg/L，以毛氈作為介體覆蓋材料的試驗組TN濃度為3.08 mg/L，生物炭試驗組的TN濃度為4.29mg/L，無紡布試驗組的TN濃度為2.74 mg/L.所有試驗柱上覆水總氮的穩(wěn)定值與去除率如圖3（b）所示.由圖可以看出，與實驗結束時上覆水總氮都得到了一定程度的削減，其中無紡布對總氮削減效果最為明顯，毛氈對總氮去除也有一定效果，但與空白組差異不明顯.與空白組相比，毛氈作為介體覆蓋材料對上覆水TN削減率最高提升13.9%，生物炭對TN削減率降低19.8%，無紡布對上覆水TN削減率最高提升23.4%.這說明無紡布、毛氈作為介體材料可以實現對總氮的削減，其中無紡布的效果大于毛氈，可能的原因一方面是無紡布和毛氈表面形成了生物膜，其中附著的微生物的活動對總氮削減起到一定效果，另一方面無紡布和毛氈本身對總氮產生吸附作用，但無紡布吸附效果相對更好.生物炭則對總氮削減效果不佳，其原因可能是在實驗過程中生物炭釋放了本身含有的氮[13].