不同配方菌剂对黑臭水体及底泥修复效果差异研究

陈世杰，汪凯，谭勇，刘思韵，周金艳，裴昌盈，黄铭涛，李柏林*

1.中煤科工重庆设计研究院(集团)有限公司

2.武汉理工大学资源与环境工程学院

近年来，投菌法因其经济高效、能耗低、无二次污染、不会破坏水体生态系统等优点[1-2]，在黑臭水体及底泥修复领域得到广泛关注与研究[3-4]。但在实际应用中，投菌法也存在一定不足，特定菌剂只能高效降解特定污染物，针对其他污染物去除效果不理想[5]，且菌剂修复效果易受溶解氧、温度、pH 等环境因素影响。

目前，黑臭水体修复中投加的菌剂根据现有研究热点和方向，主要分为3 类：1）复合微生物菌剂，使用多种微生物制作成菌剂，通过微生物间的协同作用降解污染物[6]，具有较好黑臭水体修复效果，如杜聪等[7]使用乳酸菌、酵母菌和丝状菌组成的复合微生物菌剂修复黑臭水体时，上覆水中COD、TN 和NH4+-N 去除率分别达到87.37%、90.70%和95.24%，水体透明度显著提高；2）化学-纯微生物菌剂，通过单一微生物与化学材料协同作用，可改善水体和底泥环境，促进微生物持续降解污染物[8-9]，相关研究表明反硝化细菌、硝酸钙和锆改性沸石联用可有效控制水体底泥中磷和氨氮释放[10]；3）化学-复合微生物菌剂，通过多种微生物和化学材料协同作用，对黑臭水体及底泥污染物有较高去除效果，有学者将沼泽红假单胞菌、枯草芽孢杆菌与过氧化钙联合使用修复黑臭水体，试验后上覆水COD、TN 和NH4+-N 去除率分别为85.10%、88.76%和87.76%，底泥酸可挥发性硫（AVS）去除率为92.66%[11]。然而单一投加复合微生物菌剂存在抗水力冲击差、菌种易流失和修复效果易受环境影响[12]等问题；投加化学-纯微生物菌剂存在特定微生物高效去除特定污染物的缺点[13]；投加的化学药剂可能会改变水体理化参数，存在破坏原有生态环境、造成二次污染的可能性[14]。近年来，采用微生物菌剂修复黑臭水体底泥多集中在菌种选择、配方研制和化学材料研究等方面[15-17]，而不同配方菌剂对黑臭水体底泥修复效果差异原因及微生物群落结构演化方向的研究仍相对较少。

综上，本研究采用不同配方菌剂治理黑臭水体，通过对比最优投加量下的不同配方菌剂对上覆水及底泥污染物的处理效果，明确不同配方菌剂对上覆水理化性质及底泥AVS、有机质等指标的影响，并通过底泥微生物群落结构的变化，分析微生物群落结构改变对底泥污染物质变化的影响，以期为黑臭水体及底泥生态修复提供数据支持与理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 微生物菌剂与样品测定

试验选用自制菌剂与市售菌剂对上覆水及底泥进行处理，其中自制菌剂是由本课题组前期试验研制的化学-复合微生物菌剂配方，即Ca(NO3)20.50 g/L，芽孢杆菌0.10 g/L，光合细菌0.20 g/L，沸石2.00 g/L，载镧膨润土0.50 g/L，经过验证，对黑臭水体及底泥具有较好的修复效果。参考现有文献及市场上菌剂功能与销售情况，选取4 种不同的市售菌剂进行对比。市售菌剂的组成及性质如表1 所示。

表1 市售菌剂性质Table 1 List of properties of commercially available microbial agents

通过高通量测序对4 种市售菌剂微生物组成进行分析。图1 为各菌剂在属水平下的微生物种群结构。菌剂1 中芽孢杆菌属（Bacillus）为主要菌属，相对丰度达到99.87%；菌剂2 中主要菌属为Bacillus和肠球菌属（Enterococcus），相对丰度分别达到89.68%和10.17%；菌剂3 中主要菌属为Bacillus和乳酸杆菌属（Lactobacillus），其相对丰度分别为83.03%和16.65%；菌剂4 中红假单胞菌属（Rhodopseudomonas）和嗜热放线菌属（Thermoactinomyces）为主要菌属，其相对丰度分别达41.11%和17.52%。菌剂3 和4 中均存在不属于该市售菌剂配方中的微生物，分别是乳酸杆菌属和嗜热放线菌属，有可能导致菌剂3 和4 在实际修复黑臭水体及底泥中无法达到预期效果。

图1 属水平下市售菌剂微生物种群结构Fig.1 Microbial population structure of commercially available microbial agents at the genus level

1.1.2 样品采集与处理

水样及底泥取自湖北省武汉市东西湖区某人工湖，该人工湖水体及底泥发黑，有轻度臭味。采样时利用抓斗采泥器采集表层底泥，并在取样点对应位置采取上覆水样。样品运回实验室后，将底泥中的杂草、废物、大颗粒石块等残渣去除后，将一部分底泥和水样放置在-20 ℃下保存，另一部分放置在4℃下保存。经测定，上覆水及底泥中污染物指标如表2 所示。

表2 上覆水及底泥污染物指标Table 2 Pollutant indicators of overlying water and sediment

1.2 试验方案

采用6 个容量为2 L 的烧杯，烧杯外部用黑色遮光布覆盖避光。取0.6 L 新鲜底泥均匀铺在每个烧杯底部，并采用虹吸法加入1.4 L 水样，静置2 d 后开展静态试验。试验菌剂采用自制菌剂和4 种市售菌剂，根据市售菌剂使用说明书和实验室自制复合菌剂相关研究，称取最优投加量的不同微生物菌剂，溶于上覆水中制成菌液，并将菌液均匀加入到上覆水中，不同菌剂投加量如表3 所示。试验前10 d 每3 d取一次上覆水样，后续每5 d 取一次样，持续运行30 d，每次取上覆水25 mL 用于测其理化指标。底泥样品取0、30 d 泥样，用于测定有机质、AVS 等指标。

表3 试验组中投加的菌剂种类及数量Table 3 Type and quantity of microbial agents added in the experimental group

1.3 分析测定方法

1.3.1 上覆水及底泥指标测定

上覆水中CODCr、NH4+-N、TP 的分析测定方法参考《水和废水检测分析方法》（4 版）[18]；DO 和pH的检测采用膜电极法，以DR-3 900 型哈希便携测试仪测定。底泥中有机质采用烧失量法[19]进行测定；AVS 的检测采用徐桂茹[20]的测定方法，以A360型翱艺分光光度计测定。

1.3.2 微生物群落结构分析

为探究不同配方菌剂处理前后底泥微生物群落结构变化，在试验中取0 d 初始底泥和30 d 后各试验装置内的表层底泥，密封冷冻保存，送至杭州联川生物技术股份有限公司进行细菌16S rDNA V3-V4 区的高通量测序分析。

2 结果与讨论

2.1 不同菌剂对上覆水理化性质的影响

2.1.1 上覆水pH、DO 的变化

图2 为投加不同菌剂后各上覆水样pH、DO 浓度的变化。由图2 (a)可知，各试验组水样pH 均呈波动上升趋势。试验开始后，各投加菌剂组上覆水pH 快速上升，在第9 天达到最大值，但均小于空白组pH（8.44），随后上覆水pH 呈波动下降趋势。最终各投加菌剂组上覆水pH 为8.06~8.39，在空白组上覆水pH（8.19）上下略微波动。空白组与投加菌剂组上覆水pH 不具有显著性差异（P>0.05），表明投加菌剂对上覆水pH 影响不大。

由图2 (b)可见，菌剂1~4 组上覆水DO 浓度在前期急剧下降，且空白组与菌剂1~4 组上覆水DO 浓度具有极其显著性差异（P<0.01），这可能是试验所用水样DO 浓度较高，投加菌剂后微生物增多从而快速消耗O2降解污染物，导致上覆水DO 浓度迅速下降，随后因水面复氧和微生物繁殖，上覆水DO 浓度呈波动下降。从图2 (b)还可以看出，空白组与自制菌剂组上覆水DO 浓度不具有显著性差异（P>0.05）；试验结束后，自制菌剂组上覆水DO 浓度降至6.66 mg/L，略低于空白样（6.95 mg/L），说明投加的Ca(NO3)2刺激了反硝化细菌的活性，消耗了大量的硫化物和易降解有机质，使水体复氧能力提高，从而维持了上覆水DO 浓度[21]。

2.1.2 上覆水氨氮去除效果

上覆水NH4+-N 浓度变化如图3 所示。空白组与投加菌剂组上覆水NH4+-N 浓度不具有显著性差异（P>0.05），各试验组上覆水NH4+-N 浓度均呈先上升后下降趋势。试验前期，各试验组上覆水NH4+-N浓度迅速上升，这可能是底泥扰动引起NH4+-N 释放[22]及菌剂中添加的营养物质氧化分解产生游离氨所致。自制菌剂组上覆水NH4+-N 浓度在试验初期上升幅度最小，这是由于沸石对NH4+-N 有很强的亲和力与吸附力，从而对底泥NH4+-N 释放具有较好抑制作用[17]。试验后期，空白组NH4+-N 浓度增加0.21 mg/L，而投加菌剂组上覆水NH4+-N 浓度均低于空白组（1.56 mg/L），表明投加菌剂可促进底泥微生物向着脱氮方向演化，从而降低了上覆水NH4+-N 浓度。与试验前相比，30 d 后自制菌剂组上覆水NH4+-N 浓度达到0.20 mg/L，去除率为86.60%，明显高于其他菌剂组（6.40%~70.80%），说明沸石+Ca(NO3)2可有效抑制底泥NH4+-N 的释放，且Ca(NO3)2可促进底泥微生物的硝化作用[23]，从而有效去除上覆水中的NH4+-N。

图3 不同菌剂对上覆水NH4+-N 浓度的影响Fig.3 Effects of different bacterial agents on NH4+-N of overlying water

2.1.3 上覆水CODCr去除效果

各试验组上覆水CODCr变化如图4 所示。投加菌剂组上覆水CODCr在前期急剧升高后逐渐下降，其中自制菌剂组在试验前期上升幅度最大，这是因为投加菌剂中的营养物质及未适应新环境而死亡的微生物，导致上覆水CODCr大幅上升，且Ca(NO3)2的投加可刺激微生物的活动，使底泥有机物分解成小分子有机物进入到水体中[24]。随后因微生物生长繁殖，使上覆水CODCr呈持续下降趋势，试验结束后，各菌剂投加组上覆水CODCr去除率均高于空白组的18.00%。其中菌剂1、4 组对上覆水CODCr的去除效果较其他试验组好，去除率分别达到61.55%和77.31%，这是由于菌剂1 主要为芽孢杆菌属，可分解有机物[25]，菌剂4 投加有大量红假单胞菌属微生物，可利用低级脂肪酸、氨基酸等作为碳源，从而有效去除上覆水CODCr。自制菌剂组对CODCr去除效果略低于菌剂1、4 组，30 d 时上覆水CODCr为25.56 mg/L，去除率为51.05%，但自制菌剂组与空白组上覆水CODCr表现出显著性差异（P<0.05），表明自制菌剂中光合细菌和芽孢杆菌均具有有机物降解能力，二者存在共生关系[26]，协同作用能达到较好的CODCr去除效果。

图4 不同菌剂对上覆水CODCr 的影响Fig.4 Effects of different bacterial agents on CODCr of overlying water

2.1.4 上覆水TP 去除效果

上覆水TP 浓度变化如图5 所示。各试验组上覆水TP 浓度均呈波动下降趋势，菌剂1~4 组上覆水TP 浓度在试验初期迅速下降后呈波动上升，但最终上覆水TP 浓度均低于试验前，去除率为27.34%~52.45%。试验过程中，自制菌剂组上覆水TP 浓度由0.56 mg/L 降至0.19 mg/L，去除率达到66.07%，去除效果最好，且空白组与自制菌剂组上覆水TP 浓度表现出极其显著性差异（P<0.01），这是因为菌剂中的Ca(NO3)2溶于水后产生的Ca2+与游离磷酸根生成共沉淀，使得上覆水TP 浓度降低，另外底泥中游离的Fe2+被NO3-氧化为Fe3+，加强其对磷的吸附作用，从而使Fe-P 的释放减少[27]。同时载镧膨润土因其内部通道和表面活性位点较多，具有较好的吸附除磷性能[28]，此外膨润土上的镧能和水中磷酸盐结合生成不可溶的磷酸镧，使上覆水TP 具有较好的去除效果。

图5 不同菌剂对上覆水TP 浓度的影响Fig.5 Effects of different bacterial agents on TP of overlying water

2.2 不同菌剂对底泥理化性质的影响

2.2.1 底泥AVS 去除效果

底泥AVS 的变化如图6 所示。试验完成后，微生物菌剂投加组底泥AVS 去除效果均有所提高，菌剂1~4 组中底泥AVS 去除率为5.15%~12.31%，均大于空白组（1.82%）。自制菌剂组底泥AVS 浓度由553.95 mg/kg 降至第30 天的115.22 mg/kg，去除率达79.20%，为其他菌剂的6~15 倍。这是由于菌剂中的Ca(NO3)2强化了微生物的活性，加速了自养反硝化速率，使AVS 转化为稳定的硫或硫酸盐，从而有效削减了底泥中的AVS[29]。综上，化学药剂联合微生物的自制菌剂对底泥AVS 有较好的处理效果。

图6 不同菌剂处理后底泥AVS 浓度变化Fig.6 Changes of AVS content in the sediment after treatment with different bacterial agents

2.2.2 底泥有机质去除效果

图7 显示底泥中有机质浓度的变化。在30 d 时，菌剂1~4 组底泥有机质去除率为2.78%~5.97%，略高于空白组（1.53%），说明增加载体或微生物能增加有机质的去除效果。自制菌剂组对有机质的去除效果远优于其他试验组，30 d 时底泥有机质浓度为4.44 mg/kg，去除率达到52.71%，说明投加Ca(NO3)2能使底泥中以硝酸盐为电子受体的微生物活性得以提升[30]，促进了底泥有机物的降解，且菌剂中的芽孢杆菌和光合细菌可以有效利用底泥有机质为能量来源，从而使底泥有机质得到有效去除。

图7 不同菌剂处理后底泥有机质浓度变化Fig.7 Changes of organic matter content in the sediment after treatment with different bacterial agents

2.3 微生物群落变化

各试验组底泥属水平微生物群落组成如图8 所示。由图8 可见，各试验组底泥中的优势菌属均为Thermodesulfovibrionia 下的某属，相对丰度为3.92%~4.82%。Thermodesulfovibrionia 属于硝化螺旋菌门（Nitrospira），在微生物氮循环、硫酸盐还原等方面具有重要作用[31]。不同菌剂处理后，各试验组中厌氧绳菌科（Anaerolineaceae）下的某属的相对丰度明显增加，为1.46%~2.83%，均高于原底泥组（1.27%）。Anaerolineaceae为严格厌氧微生物，具有去除碳水化合物和氨基酸等有机物作用[32]，说明投加菌剂有利于底泥中有机物和水体中CODCr的去除。当投加菌剂为自制菌剂时，底泥中固醇杆菌科（Steroidobacteraceae）下的某属的相对丰度为3.44%，显著高于原底泥组（2.94%）与空白组（2.84%）；Vicinamibacterales下的某属的相对丰度为3.01%，明显高于其他底泥样品组（ 1.07%~2.18%） 。Steroidobacteraceae 具有使硝酸盐还原为二氮或氨的 能 力[33]； Vicinamibacterales 属 于 酸 杆 菌 门（Acidobacteriota），是一种能利用有机酸和复杂的蛋白质基质的嗜温菌[34]，这说明自制菌剂对碳氮硫污染物具有较好去除效果。硫杆菌属（Thiobacillus）具有去除水体硝态氮，转化和降解底泥中硫化物的能力[35]；Sva0081_sediment_group为硫酸盐还原菌（sulfate-reducing bacteria，SRB），具有将硫酸盐还原成硫化氢的作用[36]。试验结束后，原底泥组中Thiobacillus和Sva0081_sediment_group的相对丰度略微下降，而自制菌剂组底泥中Thiobacillus和Sva0081_sediment_group的相对丰度分别达到1.25%和1.19%，均高于空白组（1.12%和1.01%），说明自制菌剂对底泥AVS 具有较好去除效果。综上，化学药剂与微生物联合修复时，有利于增加硝化、反硝化细菌和有机质降解类细菌的含量；投加化学药剂有利于改善底泥生态环境，促进底泥微生物群落向着有机物降解与脱氮除硫方向演化和繁殖。

图8 属水平下不同菌剂处理后底泥微生物种群结构Fig.8 Microbial population structure in sediments treated with different bacterial agents at the genus level

3 结论

（1）投加菌剂对上覆水pH 影响不大，但菌剂1~4 对DO 的消耗较大，而自制菌剂可有效维持上覆水DO 浓度，30 d 时自制菌剂组上覆水DO 浓度为6.66 mg/L，略低于空白组。

（2）试验结束后，各菌剂组上覆水NH4+-N、TP、CODCr去除率均有明显提升，且投加自制菌剂时，上覆水NH4+-N、TP 浓度分别降至0.20、0.19 mg/L，去除率分别达到86.60%和66.07%，去除效果明显高于其他试验组。菌剂1、4 组上覆水CODCr去除率分别达到61.55%和77.31%，略高于自制菌剂组（51.05%）。

（3）化学-微生物菌剂有利于改善底泥生态环境，促进底泥功能菌大量繁殖。试验结束后，自制菌剂组底泥中与有机物降解、脱氮除硫等作用的微生物 群 落， 如Steroidobacteraceae、Anaerolineaceae、Vicinamibacterales 下的某属以及Thiobacillus和Sva0081_sediment_group的相对丰度均较高，从而促进了底泥AVS和有机质的去除，最终自制菌剂组底泥AVS 和有机质的去除率分别达到79.20%和52.71%，去除效果明显优于其他试验组。