沸石和页岩陶粒对沉积物营养盐释放的抑制效果试验

孙 健，杨 明，贺珊珊，蔡世颜，刘 琪，刘向荣

(中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北武汉 430010)

水体富营养化是一种严重的水质污染现象，给水生态系统和人类健康等带来许多不利影响[1-2]。外部污染源和内部污染源是水体富营养化的主要原因。污水、工业排放、农业径流等外部污染源含有大量的营养物质[3-4]，目前已有许多方法来控制外部营养物进入水体[5]。内部污染源，即富集的底泥，可以向水体释放养分，使水体恶化[6-7]。

水体底泥的治理方法有底泥疏浚、底泥覆盖、投加药剂以及水动力控制等措施。其中，底泥覆盖是将一层或多层材料铺设在污染底泥上部，通过隔断底泥与上覆水以达到阻止或减弱底泥中污染物释放的目的。在实际应用中，一般将覆盖材料通过表层倾倒或撒布的方式铺设在底泥上。但底泥覆盖需考虑一些以下条件：(1)水体控源截污已经实施完成；(2)底泥中污染物的毒性较低且迁移率较慢；(3)覆盖材料可就近取材；(4)静止水体或者流速较缓；(5)覆盖后水体现状及将来功能的影响较小。而覆盖材料的选择是该方法的关键，因为覆盖材料既能吸附养分，又能稳定沉积物[8-9]。笔者前期通过设置动态吸附试验和静态吸附试验研究发现，当沸石和页岩陶粒的组合配比为2∶1时，对沉积物营养盐吸收效果较好[10]。

因此，为进一步模拟沸石和页岩陶粒对水体沉积物营养盐释放的抑制效果，本研究设置沸石和页岩陶粒覆盖沉积物的试验，定期监测上覆水中TP、TN、氨氮、CODCr和叶绿素a(Chl.a)指标，同时在试验结束时对沉积物和基质进行微生物群落分析，旨在为富营养化水体的治理提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 沸石和页岩陶粒

沸石和页岩陶粒用自来水和蒸馏水冲洗3次，然后105 ℃烘干2 h，过筛网孔径为2～4 mm，置于干燥器内备用[11]。沸石和页岩陶粒的物理性质如表1所示。

表1 沸石和页岩陶粒的物理性质Tab.1 Physical Properties of Zeolite and Shale Ceramsite

1.1.2 沉积物

沉积物样品采自武汉黄孝河的表层底泥，采集后沉积物过筛(10目)除去杂质，待用。沉积物相关特征如下：氧化还原电位为229.20 mV；pH值为7.14；含水量为162.12%；TP、TN、氨氮、总有机碳质量分数分别为(2.57±0.02)、(1.65±0.04)、(0.16±0.01)、(0.65±0.09)mg/g。

1.2 试验方法

试验在体积为200 L的PVC桶中进行，共设置2个试验组，每组3个平行试验，试验周期为84 d。

(1)沉积物组(C1)：在桶内铺设厚为10 cm的底泥，缓缓注入深度为50 cm的自来水。

(2)沉积物+沸石和页岩陶粒组(C2)：在桶内铺设厚度为10 cm的底泥，再铺上厚度为10 cm的沸石和页岩陶粒，缓缓注入深度为50 cm的自来水。

1.3 样品采集与分析

1.3.1 水体水质

水质样品于每周二上午10：00采样1 L，用于分析水体中的TP、TN、氨氮、CODCr和Chl.a水质指标。TP、TN、氨氮和CODCr的测定均按照国家环保局标准分析方法。Chl.a的测定利用GF/C滤膜(0.45 mm)过滤，滤膜用90%丙酮萃取24 h后，再用分光光度计测定。

1.3.2 沉积物和基质微生物群落分析

取各试验组的沉积物和基质，迅速地将离心管(EP管)置于液氮冷冻3～4 h，然后转移至温度为-80 ℃的冰箱中保存待测。沉积物和基质每个样品DNA提取2次，然后混合，获得的DNA于-80 ℃进行保存。随后进行16S rDNA扩增和Illumina MiSeq高通量测序。测序完成后，通过序列(barcode)区分各样本。

1.4 数据分析

使用SPSS统计软件中的单方差分析(One-way ANOVA)对试验组C1和C2中的TP、TN、氨氮和Chl.a数据进行差异分析，三维ANOVA统计分析(Tukey test)用于TP、TN、氨氮、Chl.a均值的多重比较，显著水平设定为P<0.05。沉积物微生物序列分析如下。

(1)覆盖率

Coverage表示各样品文库的覆盖率。Coverage数值越高表示样本中序列没有被测出的概率就越低，通常用其来反映本次测序结果是否具有代表性，计算如式(1)。

(1)

其中：C——覆盖率；

n1——只含有一条序列的光转换单位(operation taxonomy units，OTU)数目；

N——抽样中出现的总序列数目。

(2)微生物群落分布丰度

Chao指数经常被用于评价微生物群落分布丰度，计算如式(2)。

(2)

其中：SChao1——估计的OTU数目；

Sobs——实际观测的OTU数目；

n2——只含2条序列的OTU数目。

(3)微生物群落多样性指数计算

Shannon指数常被用于评价微生物群落多样性，其值越大，说明多样性越高，计算如式(3)。

(3)

其中：HShannon——Shannon指数；

Ni——第i个OTU包含的序列数；

(4)OTU分类

将多条序列根据序列之间的距离进行聚类，之后再根据序列之间的相似性作为域值分成操作分类。在97%的相似水平下OTU进行生物信息统计分析。根据OTU的聚类结果，获取OTU聚类中丰度最高的作为OTU代表性序列，然后进行各类的OTU分析。同时在大于5个样本时，去除只对应一条序列的OTU。

2 结果

2.1 对TP的净化效果

在84 d试验周期内，C1上覆水中TP质量浓度为0.05～0.48 mg/L，C2上覆水中TP质量浓度为0.04～0.12 mg/L，整体呈逐渐上升趋势。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含量均显著高于C2上覆水中TP(P<0.05)(图1)。说明覆盖沸石和页岩陶粒能有效抑制沉积物中TP向上覆水释放速度。

注：a，b代表在相同时间不同试验组的显著差异(P<0.05)，n=3。图1 沸石和页岩陶粒对TP的净化效果Fig.1 Purification Effect of Zeolite and Shale Ceramsite on TP

2.2 对TN的净化效果

试验期间内，C1上覆水中TN质量浓度为1.19～6.64 mg/L，没有呈现一定变化趋势。C2上覆水中TN质量浓度为0.43～4.95 mg/L，整体呈上升状态。经C1和C2对比发现，除第63～77 d(C1低于C2，P<0.05)外，C2上覆水中TN含量均显著低于C1上覆水中TN(P<0.05)(图2)。因此，沸石和页岩陶粒的覆盖能有效缓解沉积物中TN释放。

注：a，b代表在相同时间不同试验组的显著差异(P<0.05)，n=3。图2 沸石和页岩陶粒对TN的净化效果Fig.2 Purification Effect of Zeolite and Shale Ceramsite on TN

2.3 对氨氮的净化效果

试验期间，C1上覆水中氨氮质量浓度为0.59～4.56 mg/L，在前28 d内先上升后下降，然后整体呈逐渐上升。C2上覆水中氨氮质量浓度为0.21～0.79 mg/L，整体逐渐上升。C1和C2两者相比，C2上覆水中氨氮含量显著低于C1(P<0.05)(图3)。所以，沸石和页岩陶粒能有效缓解沉积物中氨氮向上覆水的释放速度。

注：a，b代表在相同时间不同试验组的显著差异(P<0.05)，n=3。图3 沸石和页岩陶粒对氨氮的净化效果Fig.3 Purification Effect of Zeolite and Shale Ceramsite on Ammonia Nitrogen

2.4 对CODCr的净化效果

C1上覆水中CODCr质量浓度为17.65～129.00 mg/L，随着试验进行呈上升趋势。C2上覆水中CODCr质量浓度为12.67～145.05 mg/L，从第14 d开始整体呈上升趋势。对比C1和C2发现，第14～21 d，C1上覆水中CODCr含量显著高于C2(P<0.05)；第28～42 d，C1和C2中上覆水CODCr含量无显著差异(P>0.05)；第49～77 d，C1上覆水中CODCr含量显著低于C2(P<0.05)(图4)。这说明沸石和页岩陶粒覆盖后，上覆水中CODCr含量逐渐上升，且高于未覆盖沸石和页岩陶粒。

注：a，b代表在相同时间不同试验组的显著差异(P<0.05)，n=3。图4 沸石和页岩陶粒对CODCr的净化效果Fig.4 Purification Effect of Zeolite and Shale Ceramsite on CODCr

2.5 对Chl.a的净化效果

试验期间，C1上覆水中Chl.a质量浓度为0.34～4.55 mg/L，C2上覆水中Chl.a质量浓度为0.25～2.92 mg/L。C1和C2上覆水Chl.a含量变化幅度较大，且二者并没有表现出一定的高低趋势(图5)。

注：a，b代表在相同时间不同试验组的显著差异(P<0.05)，n=3。图5 沸石和页岩陶粒对Chl.a的净化效果Fig.5 Purification Effect of Zeolite and Shale Ceramsite on Chl.a

2.6 对微生物的影响

2.6.1 种群丰度和多样性分析

如表2所示，3个样品总产生283 133个有效序列，每个样品都产生了超过82 000个序列用于后续分析。在97%的相似水平下，3个样品总产生9 097个OTU。每个样品的OTU在2 654～3 321，这说明微生物群落结构复杂。Coverage指数≥98.67%，说明每个微生物样品的OTUs都具有代表性，可以很好地反映微生物样品信息。通过比较C1S、C2S的Chao1指数和Shannon指数发现二者数值比较接近，说明二者微生物丰富度和微生物多样性相似。C2Z的Shannon指数大于C1S、C2S，但其Chao1指数小于C1S和C2S，说明沸石和页岩陶粒中微生物多样性高于沉积物，而微生物丰富度小于沉积物(表2)。

表2 沉积物中微生物群落的丰度和多样性指数Tab.2 Richness and Diversity Indices of Microbial Communtities in Sediment

2.6.2 群落差异性分析

以高通量测序数据为基础，通过Venn图反映C1S、C2S、C2Z中微生物群落结构的差异。C1S、C2S和C2Z共有OTU数目分别占各自14.78%、15.73%、18.50%(图6)。说明C1S、C2S和C2Z中各自的微生物组成虽然有一定的相似度，但仍存在一些特异性的微生物类群。

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

2.6.3 群落组成分析

获得各样品中门和属水平的微生物组成和相对丰度如图7所示。

(1)门水平微生物组成及相对丰度

由图7(a)可知，C1S、C2S和C2Z这3组样品各有45种菌门，并且出现的大部分菌门较为相似，但三者的相对丰度不一样。例如，绿弯菌门(Chloroflexi)、变形菌门(Proteobacteria)和厚壁菌门(Firmicutes)在C1S中的相对丰度分别为27.27%、15.68%和14.71%，低于C2S(38.11%、17.06%和19.96%)。但C1S中的嗜热丝菌门(Caldiserica)和拟杆菌门(Bacteroidetes)相对丰度分别为15.78%和11.17%，高于C2S中的Caldiserica(6.89%)和Bacteroidetes(4.14%)。C2Z中的Proteobacteria、Chloroflexi、放线菌门(Actinobacteria)、浮霉菌门(Planctomycetes)和Firmicutes分别为32.61%、27.88%、6.92%、6.88%和5.96%。

图7 C1S、C2S和C2Z样本的群落结构分布图Fig.7 Community Structure Distribution Map of C1S, C2S and C2Z Samples

(2)属水平微生物组成及相对丰度

采用高通量测序获得各样品中属水平的微生物组成和相对丰度如图7(b)所示。属水平的高通量测序结果表明：C1S中的优势菌属为Caldisericum、纤绳菌属(Levilinea)、长绳菌属(Longilinea)、史密斯氏菌属(Smithella)、Ornatilinea、芽孢杆菌属(Bacillus)，其相对丰度分别是15.78%、10.94%、6.54%、3.18%、1.78%、1.51%。C2S中的优势菌属为Caldisericum、Levilinea、Longilinea、Smithella、Ornatilinea和Bacillus，其相对丰度分别是6.89%、16.18%、7.88%、3.93%、3.54%和4.57%。通过对比C1S和C2S发现，沸石和页岩陶粒覆盖后，C2S沉积物中Caldisericum的相对丰度降低，Levilinea、Longilinea、Ornatilinea和Bacillus的相对丰度升高。

3 讨论

本研究模拟沸石和页岩陶粒覆盖对黑臭水体沉积物营养盐释放的影响，并分析沉积物中微生物群落的变化。

在沉积物上覆盖沸石和页岩陶粒后，总体上，上覆水中TP、TN和氨氮含量显著降低，但CODCr和Chl.a无影响。沸石(又称为吸氨石)能有效吸附水溶液中的氨氮；页岩陶粒对水溶液中的P也表现出较强的吸附效果。二者按一定比例混合覆盖后，通过物理吸收和非特异性化学吸收作用，对N、P起到较好的吸附效果[10]。

沸石和页岩陶粒除了能通过吸附作用抑制沉积物N、P向上覆水释放，覆盖后还可能改变沉积物中微生物群落分布而影响生物脱氮除磷。通过对沉积物和沸石和页岩陶粒进行高通量测序，结果显示沸石和页岩陶粒覆盖的沉积物中Caldisericum的相对丰度降低，Levilinea、Longilinea、Ornatilinea和Bacillus的相对丰度升高。

Caldisericum为水解酸化菌属，可降解杂环化合物，目前的研究主要集中在石油和含酚等废水降解上[12-13]。另外，Caldisericum属于嗜热丝菌属，是一种异养的厌氧高温丝状菌[14]。因此，通过覆盖沸石和页岩陶粒降低了沉积物的温度，这可能是沸石和页岩陶粒覆盖的沉积物中Caldisericum相对丰度降低的主要原因。Levilinea和Longilinea属于厌氧菌属，覆盖沸石和页岩陶粒后可阻碍水体中溶解氧向沉积物中传输，从而促进这2种菌属的生长繁殖。同时，Levilinea和Longilinea能代谢多种碳水化合物，生成有机酸等物质，释放进入上覆水[15]。这就导致C2中上覆水CODCr含量较高。Ornatilinea属于反硝化菌属，对硝酸盐和亚硝酸盐等具有较强的反硝化脱氮功能[16-17]。覆盖沸石和页岩陶粒后，沉积物形成了一定的缺氧/厌氧微环境，促进Ornatilinea的繁殖生长，增加反硝化脱氮效率。Bacillus属于异养硝化和好氧反硝化菌[18]，具有脱氮功能。所以，覆盖沸石和页岩陶粒后沉积物中Ornatilinea和Bacillus相对丰度的升高，增加沉积物中的脱氮效率，减少N营养盐向上覆水的释放。

然而，沸石和页岩陶粒覆盖沉积物后，上覆水中TP和TN有时会出现高于未覆盖沸石和页岩陶粒的现象，分析原因可能与沸石和页岩陶粒基质中N、P营养盐的释放有关，说明只采取生态基质覆盖并不能达到稳定效果，建议采取生态基质与沉水植物对沉积物的联合生态修复措施。

4 结论

(1)沸石和页岩陶粒的覆盖能有效抑制沉积物中N、P营养盐向上覆水的释放，但会导致上覆水中CODCr含量上升，对上覆水Chl.a无影响。

(2)沸石和页岩陶粒抑制沉积物中P的释放主要是基质吸附作用；抑制沉积物中N的释放主要是基质吸附作用和Ornatilinea、Bacillus微生物的脱氮作用。

(3)沸石和页岩陶粒引起上覆水中CODCr含量上升原因主要是Levilinea和Longilinea厌氧微生物的代谢作用。

(4)沸石和页岩陶粒的覆盖偶尔会引起上覆水N、P营养盐含量上升，建议生态基质与沉水植物联合作用进行生态修复。