有機碳源對微生物代謝所致水體黑臭現(xiàn)象形成的影響機制

劉 輝，周瓊芝，朱嘉浩，魯杰羅，葛 飛,*

(1.湘潭大學環(huán)境與資源學院，湖南湘潭 411105；2.復雜重金屬廢水高效凈化與應用湖南省工程實驗室，湖南湘潭 411105)

隨著我國城市化進程加快，黑臭水體已成為最亟需解決的城市水環(huán)境問題[1-2]。國務院在2015年發(fā)布的《水污染防治行動計劃》中提出：“到2020年，地級及以上城市建成區(qū)黑臭水體均控制在10%以內；到2030年，城市建成區(qū)黑臭水體總體得到消除”[3]。根據(jù)我國住房和城鄉(xiāng)建設部與生態(tài)環(huán)境部聯(lián)合搭建的城市黑臭水體整治監(jiān)督平臺數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示：截至2021年4月20日，全國認定了2 914個黑臭水體，其中98.2%黑臭水體已完成治理[4]。但由于管網(wǎng)建設不完善和實際黑臭水體成因復雜等，部分經(jīng)過治理后的黑臭水體出現(xiàn)了返黑、返臭現(xiàn)象[5]。

水體黑臭的形成是一種生物地球化學過程[6]。水體遭受有機物嚴重污染時，好氧微生物消耗水中溶解氧(DO)分解有機物造成水體缺氧，水體缺氧條件下有機物被厭氧微生物降解生成揮發(fā)性有機硫化物(VOSCs)、硫化氫(H2S)和氨氣(NH3)等致臭物質，同時H2S與沉積物中的鐵、錳等金屬礦物形成硫化亞鐵(FeS)、硫化錳(MnS)等致黑物質[7]。黑臭水體作為突出的水環(huán)境問題，受到廣泛關注，目前已有學者在水體黑臭形成機理[8-9]、水體中致黑及致臭物質[10-11]和水體黑臭的形成條件[12-13]等方面進行了研究。實際黑臭水體是一系列復雜生物化學作用后的結果，受到多種環(huán)境因素及污染物的影響，難以全面研究其影響因素。水體黑臭的根本原因是有機污染物過量，而含碳有機物是最重要的有機污染物之一，但有機碳源對黑臭現(xiàn)象形成的影響尚不明晰，不利于黑臭水體的精準治理。

常見的有機碳源為易生物降解型(如甲醇、乙酸等)和慢速可生物降解型(淀粉、蛋白質等)等[14]。慢速可生物降解有機物是城市污水的主要組成部分[15]，而淀粉是最常用的慢速可生物降解碳源，因此試驗選擇淀粉作為有機碳源。本文以淀粉為有機碳源、實際黑臭水為菌液，在封閉靜態(tài)微生態(tài)系統(tǒng)中模擬水樣黑臭現(xiàn)象的形成過程。通過測定水體黑臭標準指標[DO和氧化還原電位(ORP)]、水體黑臭表觀指標(色度和臭閾值)、微生物代謝反應指標(pH)和致黑、致臭物質指標(Fe2+、S2-和FeS)的變化，探究有機碳源對水樣黑臭現(xiàn)象形成的影響及機制，以期為黑臭水體的精準治理提供科學依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 黑臭菌液來源

實際黑臭水體的水質變化波動大且成分復雜，用于試驗將增添不確定因素，因此，以實際黑臭水為菌液，接種到添加一定營養(yǎng)物質的超純水中，構建封閉靜態(tài)微生態(tài)系統(tǒng)以模擬黑臭水的形成。

對某水體進行長期水質監(jiān)測，結果顯示該水體屬于輕度黑臭水體。試驗所用黑臭菌液為該黑臭水體所采水樣經(jīng)過定性中速濾紙(孔徑為30～50 μm)重力過濾后所得濾液，菌液密封在具塞玻璃瓶中置于冰箱4 ℃保存?zhèn)溆谩＞和ㄟ^16S rDNA高通量測序分析鑒定，主要菌門為變形菌門(Proteo-bacteria，43.0%)、厚壁菌門(Firmicutes，31.4%)、放線菌門(Actinobacteria，9.7%)和擬桿菌門(Bacteroi-detes，6.2%)。

1.2 人工模擬黑臭水配比

選取質量濃度為402 mg/L的淀粉[總有機碳(TOC)質量濃度為200 mg/L]；質量濃度為107 mg/L的尿素(TN質量濃度為50 mg/L)；質量濃度為100 mg/L的FeSO4·7H2O(Fe2+質量濃度為20 mg/L)；質量濃度為126 mg/L的Na2HPO4·12H2O；質量濃度為10 mg/L的KH2PO4；質量濃度為100 mg/L的MgSO4·7H2O和89 mg/L的CaCl2[16]。

1.3 菌液比對水樣黑臭現(xiàn)象形成影響試驗

在無菌操作臺中加1 L無菌超純水于滅菌處理的具塞玻璃瓶中，按照人工模擬黑臭水配比加入相應營養(yǎng)物質，分別接種0、1、2、4、8 mL黑臭水菌液，使菌液比分別為0、1∶1 000、1∶500、1∶250、1∶125，置于恒溫培養(yǎng)箱，設置溫度為28 ℃恒溫，遮光靜態(tài)封閉培養(yǎng)，每組設置3個平行。每2 d測定水樣的DO、ORP、色度、臭閾值、pH、Fe2+、S2-以及FeS，試驗進行至各試驗組的各項測試指標基本穩(wěn)定時，試驗結束，并確定后續(xù)試驗的試驗周期。

1.4 有機碳源濃度對水樣黑臭現(xiàn)象形成影響試驗

在無菌操作臺中分別添加0.000 0、0.100 5、0.201 0、0.301 5、0.402 0 g淀粉于含有1 L無菌超純水的具塞玻璃瓶中，有機碳源質量濃度(以TOC計)分別為0、50、100、150、200 mg/L，按照配比加入營養(yǎng)物質，根據(jù)適宜菌液比加入黑臭菌液，置于恒溫培養(yǎng)箱，設置溫度為28 ℃恒溫，遮光靜態(tài)封閉培養(yǎng)，每組設置3個平行。每2 d測定水樣的DO、ORP、色度、臭閾值、pH、Fe2+、S2-以及FeS。

圖1 菌液比對水樣中DO、ORP、色度和臭閾值的影響Fig.1 Influence of Bacteria-Liquid Ratio on DO, ORP, Chromaticity and Odor Threshold in Water Samples

1.5 水質參數(shù)測定方法

試驗開始后每2 d取樣1次，取樣深度為具塞玻璃瓶中水樣深度的1/2處。DO采用上海雷磁JPBJ-608型溶解氧儀測定。pH和ORP采用上海雷磁PHS-3E型pH計測定。Fe2+采用《水質 鐵的測定 鄰菲啰啉分光光度法(試行)》(HJ/T 345—2007)。S2-和臭閾值分別采用《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第四版)中的對氨基二甲基苯胺光度法(亞甲藍法)(A)和臭閾值法(B)測定。色度采用姚國等[17]改進的分光光度法測定。FeS采用馮紫艷[18]提出的分光光度法測定。

2 結果與討論

2.1 菌液比對水樣黑臭現(xiàn)象形成的影響

DO和ORP是目前我國城市黑臭水體污染程度分級標準指標[19]，色度和臭閾值可以直觀反映水樣黑臭程度[2]。配制不同菌液比的水樣，試驗持續(xù)進行25 d，共取樣測定13次。測定水樣黑臭現(xiàn)象形成過程中DO、ORP、色度和臭閾值4個水質參數(shù)的變化，結果如圖1所示。

如圖1(a)所示，試驗組(添加菌液試驗組)的DO最小值均為0達到重度黑臭標準(<0.2 mg/L)，且水樣變黑并有明顯異味。試驗組的DO均降至0后逐漸回升，其中菌液比為1∶1 000和1∶500的試驗組DO分別在第15 d和第17 d為0；而菌液比為1∶250和1∶125的試驗組DO為0出現(xiàn)在第9 d，且菌液比為1∶250的試驗組DO下降速率大于菌液比為1∶125的試驗組，以上結果表明試驗中適宜的菌液比為1∶250。對照組(未添加菌液試驗組)的DO最小值為1.07 mg/L達到輕度黑臭標準(0.2～2 mg/L)，但試驗過程中水樣未變黑或有明顯異味。對照組在試驗取樣過程中可能混入了空氣中的微生物，致使有機物被好氧微生物分解，但缺乏自然水體中導致黑臭的關鍵微生物如硫酸鹽還原菌和鐵還原菌等[7]，因此DO達到輕度黑臭標準卻無黑臭現(xiàn)象。

由圖1(b)可知，在第1～5 d ORP變化波動小，此時添加微生物正處于適應期；第5～7 d添加菌液試驗組均顯著提升，此時微生物適應了環(huán)境且以好氧微生物為主，好氧微生物將長碳鏈有機物降解成二氧化碳，并伴隨著氧化產(chǎn)物的生成，ORP提高。隨著水中的DO降低，微生物以厭氧分解為主，生成還原產(chǎn)物，隨后ORP下降。在試驗過程中各試驗組ORP呈現(xiàn)整體下降趨勢，均達到輕度黑臭標準(-200～50 mV)，表明水樣的氧化還原性質由氧化狀態(tài)向還原狀態(tài)轉變。

圖2 菌液比對水樣中pH值、Fe2+、S2-和FeS的影響Fig.2 Influence of Bacteria-Liquid Ratio on pH Value, Fe2+, S2- and FeS in Water Samples

如圖1(c)～圖1(d)所示，對照組的色度和臭閾值變化波動小，而試驗組的色度和臭閾值上升后下降，菌液比為1∶250時，色度在第1～9 d從55度增至140度;臭閾值在第1～7 d從0增加到20，第10～25 d水樣色度和臭閾值逐漸下降，水樣黑臭程度降低。其中，對照組和添加菌液比為1∶250、1∶125的試驗組臭閾值在21 d后基本穩(wěn)定不變，而添加菌液比為1∶1 000、1∶500的試驗組21 d后臭閾值劇烈上升，通過比對推測該現(xiàn)象出現(xiàn)的原因是菌液比低的試驗組微生物含量低，可能需要更長的時間使水樣黑臭。

pH是反映微生物代謝反應的重要指標[20]。導致水體發(fā)黑的物質主要包括金屬硫化物和可溶性有機物，其中FeS是城市黑臭水體的主要致黑物質；導致水體發(fā)臭的物質可能有上千種，H2S和VOSCs是主要致臭物質[7]。因此，F(xiàn)e2+、S2-和FeS是指示水樣中致黑、致臭物質的重要指標。為進一步分析水樣黑臭現(xiàn)象形成的原因，試驗中測定pH、Fe2+、S2-和FeS這4個水質參數(shù)，結果如圖2所示。

上述試驗結果表明，水樣黑臭形成受微生物驅動，試驗條件下適宜的菌液比為1∶250。19 d后各試驗組的水質參數(shù)均基本穩(wěn)定，因此后續(xù)試驗周期可設置為19 d。

2.2 有機碳源濃度對水樣黑臭現(xiàn)象形成的影響

通過改變添加淀粉的質量，配置不同有機碳源濃度水樣(以TOC計)，試驗周期為19 d，共取樣測定10次。測定水樣黑臭現(xiàn)象形成過程中DO、ORP、色度和臭閾值4個水質參數(shù)的變化，結果如圖3所示。

圖3 有機碳源對水樣DO、ORP、色度和臭閾值的影響Fig.3 Influence of Organic Carbon Source on DO, ORP, Chromaticity and Odor Threshold in Water Samples

圖4 有機碳源對水樣pH值、Fe2+、S2-和FeS的影響Fig.4 Influence of Organic Carbon Source on pH Value, Fe2+, S2- and FeS in Water Samples

本試驗對試驗周期內的DO、ORP、色度和臭閾值的最值(DO最小值、ORP最小值、色度最大值和臭閾值最大值)與有機碳源濃度進行了皮爾遜相關性分析。試驗組的DO隨時間先下降后上升[圖3(a)]，DO最小值與有機碳源濃度的皮爾遜相關性分析結果為極顯著負相關(p<0.01，r2=0.98)。有機碳源充足時水樣中微生物分解有機碳源的耗氧速率大于復氧速率，DO下降；有機碳源不足時水樣復氧速率大于耗氧速率，DO回升，表明有機碳源是影響水樣中微生物活動的重要因素[2]。試驗組的ORP均呈下降趨勢[圖3(b)]，試驗表明水樣黑臭現(xiàn)象形成伴隨著ORP下降。

2.3 有機碳源對水樣黑臭現(xiàn)象形成的影響機制

水樣黑臭現(xiàn)象形成過程如圖5所示主要包括黑臭前期(好氧分解階段)、黑臭出現(xiàn)(缺氧還原階段)和黑臭衰退(營養(yǎng)物質消耗殆盡階段)3個階段。

表1 水樣黑臭現(xiàn)象與水質參數(shù)的皮爾遜相關性分析Tab.1 Pearson Correlation Analysis of Black and Odor Phenomenon of Water Samples and Water Quality Parameters

圖5 有機碳源對水樣黑臭現(xiàn)象形成的影響機制Fig.5 Influence Mechanism of Organic Carbon Source on Formation of Black and Odor in Water Samples

(1)

(2)

(3)

有機碳源未被耗盡時產(chǎn)生的H2S等小分子氣體使FeS懸浮在水中，導致水樣發(fā)黑。有機碳源含量逐漸降低甚至耗盡時不再產(chǎn)生小分子氣體，F(xiàn)eS逐漸沉積到水底，水樣黑臭衰退(色度、臭閾值和FeS濃度降低)。

3 結論與展望

3.1 結論

(1)水樣黑臭現(xiàn)象形成受微生物驅動，試驗條件下適宜的菌液比為1∶250。在該菌液比下，有機碳源質量濃度(淀粉，以TOC計)≥100 mg/L時水樣出現(xiàn)黑臭現(xiàn)象。皮爾遜相關性分析顯示水樣黑臭程度與有機碳源濃度顯著正相關，而DO與有機碳源濃度極顯著負相關(p<0.01，r2=0.98)，說明有機碳源是水體黑臭的重要因素。

3.2 展望

本研究僅在實驗室條件下進行試驗，沒有考慮水生生態(tài)系統(tǒng)中其他的生物(例如生產(chǎn)者植物、藻類，消費者動物等)的影響，也沒有考慮部分環(huán)境條件的影響(如溫度變化對微生物耗氧速率的影響，風、浪等水動力條件變化的復氧作用等)。因此，本研究與實際的天然水體的黑臭形成過程有一定差異，后續(xù)研究可考慮構建原位試驗體系，并結合宏基因組等組學探究黑臭水體形成過程中微生物功能基因的變化。