城市河道介体强化总氮削减的微生物群落结构分析

韩静 许怡雯 何岩 黄民生

摘要：通过比较3种介体材料（生物炭、毛毡和无纺布）对城市河道总氮削减强化的效果，发现经过84 d的運行，相比空白组，无纺布对总氮的削减强化效果最好，削减率可提升23.4%;其次是毛毡，削减率可提升13.9%;生物炭对总氮削减效果不佳.在此基础上，系统探究了不同介体强化组中的微生物多样性及结构分布特征，表明与空白组相比，无纺布组可以显著增加菌群多样性和丰富度，而且与氮转化相关的变形菌门丰度明显高于毛毡组和生物炭组，特别是一些典型的反硝化菌属Azospirillum、Thiobacillus和Azoarcus的丰度均显著高于其他实验组，而与反硝化菌存在竞争关系的产甲烷菌属Syntrophorhabdus低于空白和生物炭组;毛毡组的微生物菌群结构呈现出与无纺布相似的趋势，但其中的反硝化菌属丰度均低于无纺布组;生物炭组微生物群落组成与空白组最为相似，推测无纺布介体材料具有较好的生物相容性，更有利于挂膜，从而促使反硝化菌属的生长.综合比较，无纺布介体材料更有利于对城市河道总氮的削减.

关键词：介体材料;城市河道;总氮削减;微生物作用

中图分类号：X522 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1000-5641.2018.06.012

0前言

河道黑臭是我国城市水环境污染的典型现象之一.随着河道修复与治理工作的相继开展，污染负荷得到大幅度削减，黑臭现象逐步得到消除，但氮营养盐累积问题却凸显且难以解决当前黑臭河道治理过程中往往只关注氨氮的去除，侧重于氨氮的硝化转化却忽视对总氮的去除导致总氮处于较高水平.如果不加以重视，将会引发从“黑臭”到“水华”新的环境问题.因此，如何有效的去除城市河道中的总氮是目前亟待解决的问题.

当前，关于提高城市河道总氮去除率主要从硝化一反硝化耦合优化曝气方式硫、铁元素耦合强化反硝化进行总氮去除以及异位处理等方式实现;也有一些人试图探讨新的氮去除途径，如通过好氧反硝化强化氮营养盐去除：也有研究者采用新的缓释碳源材料通过提高碳氮比（c/N）强化反硝化脱氮;一些学者通过使用新的介体材料如生物沸石、沸石复合菌剂等降低上覆水总氮浓度.本文尝试使用生物炭、毛毡和无纺布等介体材料，利用其较大的比表面积，通过吸附截留和促使生物膜的生成来强化对总氮的去除，确定出优化的介体覆盖材料，以期为提高总氮去除率的问题提供参考.

1材料与方法

本实验以取自里店浦的底泥为实验对象，采用PVC柱状反应器作为实验装置，实验装置内铺设不同介体材料，在84 d运行期间内测试上覆水总氮浓度并计算削减率，运行结束后采集介体材料上附着的生物膜进行高通量测试，解析生物膜内的细菌结构及丰度的响应变化.

1.1研究对象

本试验所需的河道底泥和上覆水均采集于上海市普陀区桃浦镇里店浦，该河为上海市工业河的一条支流，河水的水动力条件较差，采样时已经过疏浚治理，但仍然存在总氮含量超标的问题.样品取回实验室后，放在4°c冰箱里冷藏备用.底泥的基本理化性质：含水率（62.1～3.2）%;TOC含量（18.5～2.3）g/kg.稻壳生物炭购自于上海满缘植材，粒径为3-10 mm，超纯水清洗后备用.毛毡购自于宿迁市香轩花卉园艺公司，无纺布购自于红叶无纺布，材质为丙纶粘纤，重量为200 g/m2.上覆水基本水质指标见表1，里店浦地理位置图见图1.

1.2试验装置

本试验采用的装置为自制的PVC柱状反应器，内径15 cm，高度60cm.装置内盛放城市河道底泥，介体材料与上覆水，具体试验装置见图2所示.

将等量河道底泥放入不同柱子中，上面分别铺设3种介体材料（生物炭、毛毡和无纺布），最后采用虹吸方法缓慢注入采集的河水.生物炭的铺设厚度为1cm，毛毡和无纺布都铺设一层，上面用碎石压住防止浮起.为了获得介体材料的覆盖效果，再设一个不覆盖任何材料的空白柱作为比较.每个柱子的底泥高为12.5 cm，上覆水高为37.5cm.试验均在室温下进行，待稳定后每周取样测定上覆水总氮的含量，以分析评价不同介体材料对河道底泥总氮削减的效果.

1.3分析方法

上覆水总氮按标准方法采用紫外分光光度仪测定.pH值采用pH计测定，上覆水溶解氧采用便携式溶解氧仪测定.

1.4高通量测序分析

各试验组经过84 d运行根据其稳定时的理化指标分析，选取试验组中介体材料上附着的生物膜进行细菌通用引物的高通量测序分析，以解析生物膜中细菌丰度及结构的响应变化.所用引物见表2.所用的测序设备为Ⅲumina MiSeq2x300bp测序仪，其采用可逆性末端边合成边测序技术;不同水平下的群落组成和结构特征采用STAMP软件（版本2.1.3）来分析组问差异，多样性指数计算使用Mothur软件（版本1.30.1）;计算各个样品Shannon、Chaol、ACE和Simpson指数.

2结果与讨论

2.1不同介体对总氮去除性能研究

试验考察了所有试验柱上覆水总氮（TN）浓度随试验天数的变化情况，其结果见图3a.可以看出各试验组（除生物炭组）初期上覆水TN浓度均呈现不同程度的上升趋势，推断认为这是由于底泥所释放的大量氨氮来不及进行硝化一反硝化转化引起的，到28 d降低到较低水平随后又逐渐升高，推测可能是由于吸附在介体材料上的氨氮释放所引起的.到试验结束时装置经过84d的运行，无任何介体材料的空白组TN浓度为3.58mg/L，以毛毡作为介体覆盖材料的试验组TN浓度为3.08 mg/L，生物炭试验组的TN浓度为4.29mg/L，无纺布试验组的TN浓度为2.74 mg/L.所有试验柱上覆水总氮的稳定值与去除率如图3（b）所示.由图可以看出，与实验结束时上覆水总氮都得到了一定程度的削减，其中无纺布对总氮削减效果最为明显，毛毡对总氮去除也有一定效果，但与空白组差异不明显.与空白组相比，毛毡作为介体覆盖材料对上覆水TN削减率最高提升13.9%，生物炭对TN削减率降低19.8%，无纺布对上覆水TN削减率最高提升23.4%.这说明无纺布、毛毡作为介体材料可以实现对总氮的削减，其中无纺布的效果大于毛毡，可能的原因一方面是无纺布和毛毡表面形成了生物膜，其中附着的微生物的活动对总氮削减起到一定效果，另一方面无纺布和毛毡本身对总氮产生吸附作用，但无纺布吸附效果相对更好.生物炭则对总氮削减效果不佳，其原因可能是在实验过程中生物炭释放了本身含有的氮[13].