沸石和頁(yè)巖陶粒對(duì)沉積物營(yíng)養(yǎng)鹽釋放的抑制效果試驗(yàn)

孫 健，楊 明，賀珊珊，蔡世顏，劉 琪，劉向榮

(中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北武漢 430010)

水體富營(yíng)養(yǎng)化是一種嚴(yán)重的水質(zhì)污染現(xiàn)象，給水生態(tài)系統(tǒng)和人類健康等帶來(lái)許多不利影響[1-2]。外部污染源和內(nèi)部污染源是水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要原因。污水、工業(yè)排放、農(nóng)業(yè)徑流等外部污染源含有大量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[3-4]，目前已有許多方法來(lái)控制外部營(yíng)養(yǎng)物進(jìn)入水體[5]。內(nèi)部污染源，即富集的底泥，可以向水體釋放養(yǎng)分，使水體惡化[6-7]。

水體底泥的治理方法有底泥疏浚、底泥覆蓋、投加藥劑以及水動(dòng)力控制等措施。其中，底泥覆蓋是將一層或多層材料鋪設(shè)在污染底泥上部，通過(guò)隔斷底泥與上覆水以達(dá)到阻止或減弱底泥中污染物釋放的目的。在實(shí)際應(yīng)用中，一般將覆蓋材料通過(guò)表層傾倒或撒布的方式鋪設(shè)在底泥上。但底泥覆蓋需考慮一些以下條件：(1)水體控源截污已經(jīng)實(shí)施完成；(2)底泥中污染物的毒性較低且遷移率較慢；(3)覆蓋材料可就近取材；(4)靜止水體或者流速較緩；(5)覆蓋后水體現(xiàn)狀及將來(lái)功能的影響較小。而覆蓋材料的選擇是該方法的關(guān)鍵，因?yàn)楦采w材料既能吸附養(yǎng)分，又能穩(wěn)定沉積物[8-9]。筆者前期通過(guò)設(shè)置動(dòng)態(tài)吸附試驗(yàn)和靜態(tài)吸附試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)沸石和頁(yè)巖陶粒的組合配比為2∶1時(shí)，對(duì)沉積物營(yíng)養(yǎng)鹽吸收效果較好[10]。

因此，為進(jìn)一步模擬沸石和頁(yè)巖陶粒對(duì)水體沉積物營(yíng)養(yǎng)鹽釋放的抑制效果，本研究設(shè)置沸石和頁(yè)巖陶粒覆蓋沉積物的試驗(yàn)，定期監(jiān)測(cè)上覆水中TP、TN、氨氮、CODCr和葉綠素a(Chl.a)指標(biāo)，同時(shí)在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)對(duì)沉積物和基質(zhì)進(jìn)行微生物群落分析，旨在為富營(yíng)養(yǎng)化水體的治理提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 沸石和頁(yè)巖陶粒

沸石和頁(yè)巖陶粒用自來(lái)水和蒸餾水沖洗3次，然后105 ℃烘干2 h，過(guò)篩網(wǎng)孔徑為2～4 mm，置于干燥器內(nèi)備用[11]。沸石和頁(yè)巖陶粒的物理性質(zhì)如表1所示。

表1 沸石和頁(yè)巖陶粒的物理性質(zhì)Tab.1 Physical Properties of Zeolite and Shale Ceramsite

1.1.2 沉積物

沉積物樣品采自武漢黃孝河的表層底泥，采集后沉積物過(guò)篩(10目)除去雜質(zhì)，待用。沉積物相關(guān)特征如下：氧化還原電位為229.20 mV；pH值為7.14；含水量為162.12%；TP、TN、氨氮、總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為(2.57±0.02)、(1.65±0.04)、(0.16±0.01)、(0.65±0.09)mg/g。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在體積為200 L的PVC桶中進(jìn)行，共設(shè)置2個(gè)試驗(yàn)組，每組3個(gè)平行試驗(yàn)，試驗(yàn)周期為84 d。

(1)沉積物組(C1)：在桶內(nèi)鋪設(shè)厚為10 cm的底泥，緩緩注入深度為50 cm的自來(lái)水。

(2)沉積物+沸石和頁(yè)巖陶粒組(C2)：在桶內(nèi)鋪設(shè)厚度為10 cm的底泥，再鋪上厚度為10 cm的沸石和頁(yè)巖陶粒，緩緩注入深度為50 cm的自來(lái)水。

1.3 樣品采集與分析

1.3.1 水體水質(zhì)

水質(zhì)樣品于每周二上午10：00采樣1 L，用于分析水體中的TP、TN、氨氮、CODCr和Chl.a水質(zhì)指標(biāo)。TP、TN、氨氮和CODCr的測(cè)定均按照國(guó)家環(huán)保局標(biāo)準(zhǔn)分析方法。Chl.a的測(cè)定利用GF/C濾膜(0.45 mm)過(guò)濾，濾膜用90%丙酮萃取24 h后，再用分光光度計(jì)測(cè)定。

1.3.2 沉積物和基質(zhì)微生物群落分析

取各試驗(yàn)組的沉積物和基質(zhì)，迅速地將離心管(EP管)置于液氮冷凍3～4 h，然后轉(zhuǎn)移至溫度為-80 ℃的冰箱中保存待測(cè)。沉積物和基質(zhì)每個(gè)樣品DNA提取2次，然后混合，獲得的DNA于-80 ℃進(jìn)行保存。隨后進(jìn)行16S rDNA擴(kuò)增和Illumina MiSeq高通量測(cè)序。測(cè)序完成后，通過(guò)序列(barcode)區(qū)分各樣本。

1.4 數(shù)據(jù)分析

使用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件中的單方差分析(One-way ANOVA)對(duì)試驗(yàn)組C1和C2中的TP、TN、氨氮和Chl.a數(shù)據(jù)進(jìn)行差異分析，三維ANOVA統(tǒng)計(jì)分析(Tukey test)用于TP、TN、氨氮、Chl.a均值的多重比較，顯著水平設(shè)定為P<0.05。沉積物微生物序列分析如下。

(1)覆蓋率

Coverage表示各樣品文庫(kù)的覆蓋率。Coverage數(shù)值越高表示樣本中序列沒(méi)有被測(cè)出的概率就越低，通常用其來(lái)反映本次測(cè)序結(jié)果是否具有代表性，計(jì)算如式(1)。

(1)

其中：C——覆蓋率；

n1——只含有一條序列的光轉(zhuǎn)換單位(operation taxonomy units，OTU)數(shù)目；

N——抽樣中出現(xiàn)的總序列數(shù)目。

(2)微生物群落分布豐度

Chao指數(shù)經(jīng)常被用于評(píng)價(jià)微生物群落分布豐度，計(jì)算如式(2)。

(2)

其中：SChao1——估計(jì)的OTU數(shù)目；

Sobs——實(shí)際觀測(cè)的OTU數(shù)目；

n2——只含2條序列的OTU數(shù)目。

(3)微生物群落多樣性指數(shù)計(jì)算

Shannon指數(shù)常被用于評(píng)價(jià)微生物群落多樣性，其值越大，說(shuō)明多樣性越高，計(jì)算如式(3)。

(3)

其中：HShannon——Shannon指數(shù)；

Ni——第i個(gè)OTU包含的序列數(shù)；

(4)OTU分類

將多條序列根據(jù)序列之間的距離進(jìn)行聚類，之后再根據(jù)序列之間的相似性作為域值分成操作分類。在97%的相似水平下OTU進(jìn)行生物信息統(tǒng)計(jì)分析。根據(jù)OTU的聚類結(jié)果，獲取OTU聚類中豐度最高的作為OTU代表性序列，然后進(jìn)行各類的OTU分析。同時(shí)在大于5個(gè)樣本時(shí)，去除只對(duì)應(yīng)一條序列的OTU。

2 結(jié)果

2.1 對(duì)TP的凈化效果

在84 d試驗(yàn)周期內(nèi)，C1上覆水中TP質(zhì)量濃度為0.05～0.48 mg/L，C2上覆水中TP質(zhì)量濃度為0.04～0.12 mg/L，整體呈逐漸上升趨勢(shì)。除第28 d(P>0.05)和第56 d(P>0.05)、第42 d(C2高于C1，P<0.05)、第49 d(C2高于C1，P<0.05)和第70 d(C2高于C1，P<0.05)外，C1上覆水中TP含量均顯著高于C2上覆水中TP(P<0.05)(圖1)。說(shuō)明覆蓋沸石和頁(yè)巖陶粒能有效抑制沉積物中TP向上覆水釋放速度。

注：a，b代表在相同時(shí)間不同試驗(yàn)組的顯著差異(P<0.05)，n=3。圖1 沸石和頁(yè)巖陶粒對(duì)TP的凈化效果Fig.1 Purification Effect of Zeolite and Shale Ceramsite on TP

2.2 對(duì)TN的凈化效果

試驗(yàn)期間內(nèi)，C1上覆水中TN質(zhì)量濃度為1.19～6.64 mg/L，沒(méi)有呈現(xiàn)一定變化趨勢(shì)。C2上覆水中TN質(zhì)量濃度為0.43～4.95 mg/L，整體呈上升狀態(tài)。經(jīng)C1和C2對(duì)比發(fā)現(xiàn)，除第63～77 d(C1低于C2，P<0.05)外，C2上覆水中TN含量均顯著低于C1上覆水中TN(P<0.05)(圖2)。因此，沸石和頁(yè)巖陶粒的覆蓋能有效緩解沉積物中TN釋放。

注：a，b代表在相同時(shí)間不同試驗(yàn)組的顯著差異(P<0.05)，n=3。圖2 沸石和頁(yè)巖陶粒對(duì)TN的凈化效果Fig.2 Purification Effect of Zeolite and Shale Ceramsite on TN

2.3 對(duì)氨氮的凈化效果

試驗(yàn)期間，C1上覆水中氨氮質(zhì)量濃度為0.59～4.56 mg/L，在前28 d內(nèi)先上升后下降，然后整體呈逐漸上升。C2上覆水中氨氮質(zhì)量濃度為0.21～0.79 mg/L，整體逐漸上升。C1和C2兩者相比，C2上覆水中氨氮含量顯著低于C1(P<0.05)(圖3)。所以，沸石和頁(yè)巖陶粒能有效緩解沉積物中氨氮向上覆水的釋放速度。

注：a，b代表在相同時(shí)間不同試驗(yàn)組的顯著差異(P<0.05)，n=3。圖3 沸石和頁(yè)巖陶粒對(duì)氨氮的凈化效果Fig.3 Purification Effect of Zeolite and Shale Ceramsite on Ammonia Nitrogen

2.4 對(duì)CODCr的凈化效果

C1上覆水中CODCr質(zhì)量濃度為17.65～129.00 mg/L，隨著試驗(yàn)進(jìn)行呈上升趨勢(shì)。C2上覆水中CODCr質(zhì)量濃度為12.67～145.05 mg/L，從第14 d開始整體呈上升趨勢(shì)。對(duì)比C1和C2發(fā)現(xiàn)，第14～21 d，C1上覆水中CODCr含量顯著高于C2(P<0.05)；第28～42 d，C1和C2中上覆水CODCr含量無(wú)顯著差異(P>0.05)；第49～77 d，C1上覆水中CODCr含量顯著低于C2(P<0.05)(圖4)。這說(shuō)明沸石和頁(yè)巖陶粒覆蓋后，上覆水中CODCr含量逐漸上升，且高于未覆蓋沸石和頁(yè)巖陶粒。

注：a，b代表在相同時(shí)間不同試驗(yàn)組的顯著差異(P<0.05)，n=3。圖4 沸石和頁(yè)巖陶粒對(duì)CODCr的凈化效果Fig.4 Purification Effect of Zeolite and Shale Ceramsite on CODCr

2.5 對(duì)Chl.a的凈化效果

試驗(yàn)期間，C1上覆水中Chl.a質(zhì)量濃度為0.34～4.55 mg/L，C2上覆水中Chl.a質(zhì)量濃度為0.25～2.92 mg/L。C1和C2上覆水Chl.a含量變化幅度較大，且二者并沒(méi)有表現(xiàn)出一定的高低趨勢(shì)(圖5)。

注：a，b代表在相同時(shí)間不同試驗(yàn)組的顯著差異(P<0.05)，n=3。圖5 沸石和頁(yè)巖陶粒對(duì)Chl.a的凈化效果Fig.5 Purification Effect of Zeolite and Shale Ceramsite on Chl.a

2.6 對(duì)微生物的影響

2.6.1 種群豐度和多樣性分析

如表2所示，3個(gè)樣品總產(chǎn)生283 133個(gè)有效序列，每個(gè)樣品都產(chǎn)生了超過(guò)82 000個(gè)序列用于后續(xù)分析。在97%的相似水平下，3個(gè)樣品總產(chǎn)生9 097個(gè)OTU。每個(gè)樣品的OTU在2 654～3 321，這說(shuō)明微生物群落結(jié)構(gòu)復(fù)雜。Coverage指數(shù)≥98.67%，說(shuō)明每個(gè)微生物樣品的OTUs都具有代表性，可以很好地反映微生物樣品信息。通過(guò)比較C1S、C2S的Chao1指數(shù)和Shannon指數(shù)發(fā)現(xiàn)二者數(shù)值比較接近，說(shuō)明二者微生物豐富度和微生物多樣性相似。C2Z的Shannon指數(shù)大于C1S、C2S，但其Chao1指數(shù)小于C1S和C2S，說(shuō)明沸石和頁(yè)巖陶粒中微生物多樣性高于沉積物，而微生物豐富度小于沉積物(表2)。

表2 沉積物中微生物群落的豐度和多樣性指數(shù)Tab.2 Richness and Diversity Indices of Microbial Communtities in Sediment

2.6.2 群落差異性分析

以高通量測(cè)序數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過(guò)Venn圖反映C1S、C2S、C2Z中微生物群落結(jié)構(gòu)的差異。C1S、C2S和C2Z共有OTU數(shù)目分別占各自14.78%、15.73%、18.50%(圖6)。說(shuō)明C1S、C2S和C2Z中各自的微生物組成雖然有一定的相似度，但仍存在一些特異性的微生物類群。

圖6 C1S、C2S和C2Z的Venn圖Fig.6 Venn of C1S, C2S and C2Z

2.6.3 群落組成分析

獲得各樣品中門和屬水平的微生物組成和相對(duì)豐度如圖7所示。

(1)門水平微生物組成及相對(duì)豐度

由圖7(a)可知，C1S、C2S和C2Z這3組樣品各有45種菌門，并且出現(xiàn)的大部分菌門較為相似，但三者的相對(duì)豐度不一樣。例如，綠彎菌門(Chloroflexi)、變形菌門(Proteobacteria)和厚壁菌門(Firmicutes)在C1S中的相對(duì)豐度分別為27.27%、15.68%和14.71%，低于C2S(38.11%、17.06%和19.96%)。但C1S中的嗜熱絲菌門(Caldiserica)和擬桿菌門(Bacteroidetes)相對(duì)豐度分別為15.78%和11.17%，高于C2S中的Caldiserica(6.89%)和Bacteroidetes(4.14%)。C2Z中的Proteobacteria、Chloroflexi、放線菌門(Actinobacteria)、浮霉菌門(Planctomycetes)和Firmicutes分別為32.61%、27.88%、6.92%、6.88%和5.96%。

圖7 C1S、C2S和C2Z樣本的群落結(jié)構(gòu)分布圖Fig.7 Community Structure Distribution Map of C1S, C2S and C2Z Samples

(2)屬水平微生物組成及相對(duì)豐度

采用高通量測(cè)序獲得各樣品中屬水平的微生物組成和相對(duì)豐度如圖7(b)所示。屬水平的高通量測(cè)序結(jié)果表明：C1S中的優(yōu)勢(shì)菌屬為Caldisericum、纖繩菌屬(Levilinea)、長(zhǎng)繩菌屬(Longilinea)、史密斯氏菌屬(Smithella)、Ornatilinea、芽孢桿菌屬(Bacillus)，其相對(duì)豐度分別是15.78%、10.94%、6.54%、3.18%、1.78%、1.51%。C2S中的優(yōu)勢(shì)菌屬為Caldisericum、Levilinea、Longilinea、Smithella、Ornatilinea和Bacillus，其相對(duì)豐度分別是6.89%、16.18%、7.88%、3.93%、3.54%和4.57%。通過(guò)對(duì)比C1S和C2S發(fā)現(xiàn)，沸石和頁(yè)巖陶粒覆蓋后，C2S沉積物中Caldisericum的相對(duì)豐度降低，Levilinea、Longilinea、Ornatilinea和Bacillus的相對(duì)豐度升高。

3 討論

本研究模擬沸石和頁(yè)巖陶粒覆蓋對(duì)黑臭水體沉積物營(yíng)養(yǎng)鹽釋放的影響，并分析沉積物中微生物群落的變化。

在沉積物上覆蓋沸石和頁(yè)巖陶粒后，總體上，上覆水中TP、TN和氨氮含量顯著降低，但CODCr和Chl.a無(wú)影響。沸石(又稱為吸氨石)能有效吸附水溶液中的氨氮；頁(yè)巖陶粒對(duì)水溶液中的P也表現(xiàn)出較強(qiáng)的吸附效果。二者按一定比例混合覆蓋后，通過(guò)物理吸收和非特異性化學(xué)吸收作用，對(duì)N、P起到較好的吸附效果[10]。

沸石和頁(yè)巖陶粒除了能通過(guò)吸附作用抑制沉積物N、P向上覆水釋放，覆蓋后還可能改變沉積物中微生物群落分布而影響生物脫氮除磷。通過(guò)對(duì)沉積物和沸石和頁(yè)巖陶粒進(jìn)行高通量測(cè)序，結(jié)果顯示沸石和頁(yè)巖陶粒覆蓋的沉積物中Caldisericum的相對(duì)豐度降低，Levilinea、Longilinea、Ornatilinea和Bacillus的相對(duì)豐度升高。

Caldisericum為水解酸化菌屬，可降解雜環(huán)化合物，目前的研究主要集中在石油和含酚等廢水降解上[12-13]。另外，Caldisericum屬于嗜熱絲菌屬，是一種異養(yǎng)的厭氧高溫絲狀菌[14]。因此，通過(guò)覆蓋沸石和頁(yè)巖陶粒降低了沉積物的溫度，這可能是沸石和頁(yè)巖陶粒覆蓋的沉積物中Caldisericum相對(duì)豐度降低的主要原因。Levilinea和Longilinea屬于厭氧菌屬，覆蓋沸石和頁(yè)巖陶粒后可阻礙水體中溶解氧向沉積物中傳輸，從而促進(jìn)這2種菌屬的生長(zhǎng)繁殖。同時(shí)，Levilinea和Longilinea能代謝多種碳水化合物，生成有機(jī)酸等物質(zhì)，釋放進(jìn)入上覆水[15]。這就導(dǎo)致C2中上覆水CODCr含量較高。Ornatilinea屬于反硝化菌屬，對(duì)硝酸鹽和亞硝酸鹽等具有較強(qiáng)的反硝化脫氮功能[16-17]。覆蓋沸石和頁(yè)巖陶粒后，沉積物形成了一定的缺氧/厭氧微環(huán)境，促進(jìn)Ornatilinea的繁殖生長(zhǎng)，增加反硝化脫氮效率。Bacillus屬于異養(yǎng)硝化和好氧反硝化菌[18]，具有脫氮功能。所以，覆蓋沸石和頁(yè)巖陶粒后沉積物中Ornatilinea和Bacillus相對(duì)豐度的升高，增加沉積物中的脫氮效率，減少N營(yíng)養(yǎng)鹽向上覆水的釋放。

然而，沸石和頁(yè)巖陶粒覆蓋沉積物后，上覆水中TP和TN有時(shí)會(huì)出現(xiàn)高于未覆蓋沸石和頁(yè)巖陶粒的現(xiàn)象，分析原因可能與沸石和頁(yè)巖陶?；|(zhì)中N、P營(yíng)養(yǎng)鹽的釋放有關(guān)，說(shuō)明只采取生態(tài)基質(zhì)覆蓋并不能達(dá)到穩(wěn)定效果，建議采取生態(tài)基質(zhì)與沉水植物對(duì)沉積物的聯(lián)合生態(tài)修復(fù)措施。

4 結(jié)論

(1)沸石和頁(yè)巖陶粒的覆蓋能有效抑制沉積物中N、P營(yíng)養(yǎng)鹽向上覆水的釋放，但會(huì)導(dǎo)致上覆水中CODCr含量上升，對(duì)上覆水Chl.a無(wú)影響。

(2)沸石和頁(yè)巖陶粒抑制沉積物中P的釋放主要是基質(zhì)吸附作用；抑制沉積物中N的釋放主要是基質(zhì)吸附作用和Ornatilinea、Bacillus微生物的脫氮作用。

(3)沸石和頁(yè)巖陶粒引起上覆水中CODCr含量上升原因主要是Levilinea和Longilinea厭氧微生物的代謝作用。

(4)沸石和頁(yè)巖陶粒的覆蓋偶爾會(huì)引起上覆水N、P營(yíng)養(yǎng)鹽含量上升，建議生態(tài)基質(zhì)與沉水植物聯(lián)合作用進(jìn)行生態(tài)修復(fù)。