内电解强化沉水植物净化城市水体过程的微生物演变

刘岚昕于素晗李娜，2，王赫冷雪飞李崇包震宇

(1.辽宁省生态环境保护科技中心，辽宁 沈阳 110161；2.大连理工大学环境学院，辽宁 大连 116023；3.沈阳师范大学实验教学中心，辽宁 沈阳 110034)

随着中国城市化的快速发展和工业的不断扩张，生活污水和工业废水的排放量显著增加，使得水污染问题形势严峻，大量含有氮磷的有机污染物进入城市水体，使得城市大量河流水质恶化严重，黑臭现象频发[1]。黑臭水体污染日益增加，城市河道水体的生态结构受到严重的破坏，不仅威胁沿岸居民的身心健康，同时也制约着我国良好的城市发展模式[2]。国务院颁发的《水污染防治行动计划》指出，到2030年这个时间节点，处于城市建成区的黑臭水体应该总体得到消除。虽然多年来在国家及省科技部门的大力支持下，已经研发了多项先进技术成果，突破了一些关键技术，取得了一些治理成效，但返黑返臭现象频发。针对城市水体水质长效改善，现有水污染治理技术仍需完善提升，以满足支撑辽河流域水环境改善的需求。

目前，国内外城市黑臭水体修复方法有物理法、化学法和生物生态法。物理方法，包括人工曝气、疏浚沉积物、引水稀释和机械除藻，这些是基本的传统方法，需要大量的人力、物力、财力和时间。化学方法，包括化学氧化、增强絮凝、化学沉淀和化学除藻，使用这些方法产生二次污染是不可避免的。生物生态方法，包括植物净化技术、微生物技术、生物膜技术、人工湿地技术和组合生物技术，这些方法都是环保的，旨在提高河流的自净能力，恢复其生态系统[3]。与传统的物理和化学方法相比，生物生态法可以更有效地去除污染物，对人类和环境的影响相对较小。目前，生物处理黑臭水体是一种长期可行的策略[4]。

生物-生态污水原位治理方法是利用植物或微生物的生命活动，对水体中的污染物进行转移、转化及降解，从而净化水体的技术。沉水植物是水生态系统发展程度的标志，沉水植物可改善水体水质，恢复水体生态。赵文婧等[5]对金鱼藻、穗花狐尾藻、苦草净化富营养化水体的处理效果进行研究，结果表明，在人工浮床种植模式下，苦草、穗花狐尾藻和金鱼藻对自然水体中总氮的去除率分别为49.4%、55.9%和53.8%，总磷的去除率分别为15.0%、39.6%和47.8%，表明沉水植物种植浮床生长模式可以有效净化处理不同程度的富营养化水体。Zhang等[6]为了确定改善水质所需的最佳沉水植物覆盖率，在我国白洋淀的一个子湖进行了实地调查和模拟试验，检验了2个季节和5个沉水植物覆盖梯度的影响，试验结果显示，覆盖度为25%、50%、75%和90%的总氮含量分别比0%下降了76.43%、90.98%、88.28%和84.32%，总磷含量分别下降了85.15%、88.48%、87.76%和79.00%。然而，在实际应用过程中发现，生物-生态水体净化技术难以实现稳定控制，优化生物生态治理技术，提高微生物、植物的适应性，将是下一步的研究方向。

铁碳内电解是利用金属腐蚀原理法，形成原电池对废水进行处理的良好工艺，内电解技术是处理高浓度有机废水的一种理想工艺。其是在不通电的情况下，利用填充在废水中的微电解材料自身产生1.2V电位差对废水进行电解处理，以达到降解有机污染物的目的。铁碳内电解是一种低成本、高效的电化学方法，用于处理不同类型的废水，包括制药、石油、化工等废水。Huang等[7]建立了含铁碳填料和含陶粒填料的人工湿地，探索含铁碳填料的人工湿地的污染物去除性能，结果表明，无碳源的CW-Fe系统具有更好的总磷去除性能。Li等[8]对铁碳内电解基质人工湿地脱氮除磷及其机理进行研究，试验结果表明，与传统人工湿地相比，Fe和Fe-C组合的总氮去除率分别为76.1±0.6%和86.5±1.7%，对于Fe-C组合，Fe是去除硝酸盐的电子供体。Fe产生了大量的Fe2+和Fe3+，生物炭为细菌粘附和Fe阳离子与磷酸盐的共沉淀提供了大的表面，添加Fe-C后，总磷去除率高达98%，Fe-C组合是人工湿地的高效、环保的功能基质。

本研究从城市水体生态修复入手，以城市黑臭水体为处理对象，构建了铁碳内电解强化的沉水植物净化城市水体的耦合体系，分析其对城市水体的净化效能以及耦合体系中的微生物群落结构演变，为黑臭水体除污富氧提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验装置

试验装置如图1所示。主体部分是总容积为25L的方形塑料箱，箱高35cm，上口径边长为30cm，下口径边长为27cm。苦草种植于圆形定植篮中，定植篮中的基质由上到下依次为铁碳填料、生物填料、陶粒。将种植好苦草的定植篮按相应的投加量置于方桶底部，注入黑臭污水。试验于室温条件下进行，温度为18～22℃，白天苦草用全光谱补光灯补充光照，照度为6000lx，6500～7500k冷色温，光照10h。

图1 试验装置示意图

1.2 试验材料

铁碳填料是直径为2.5cm的椭圆球体，铁和碳的质量分数分别为78.57%、11.21%。使用前用1%硫酸溶液浸泡10min，去除填料表面的氧化物，再用清水冲洗至中性[9]。苦草为四季常青矮生苦草，选长势好，根系发达，株高及叶片数相近的苦草进行试验。陶粒为轻质陶粒，粒径为1～2mm。生物填料为大连宇都改性生物悬浮填料。本试验中为了试验的快速启动，生物填料先用模拟城市黑臭水挂膜培养20d，待填料表面生成生物膜后再置于定植篮中进行试验。

1.3 试验用水

黑臭水的水质受环境温度、采样时间和位置的影响很大，为保证试验的可重复性，试验采用模拟黑臭水进行。模拟黑臭水的配方[10]：400mg·L-1淀粉，100mg·L-1尿素，100mg·L-1FeSO4·7H2O，50mg·L-1Na2HPO4，10mg·L-1KH2PO4，89mg·L-1CaCl2，50mg·L-1MgSO4，20mg·L-1活性污泥。使用前将混合物在20～25℃密封桶中保存8d。

1.4 测试项目与方法

测试项目包括各种常规水质指标，均采用《水和废水监测分析方法》中的标准方法进行监测。COD采用重铬酸钾法测定，氨氮、NO2--N和NO3--N分别采用纳氏试剂比色法、N-(1-萘基)-乙二胺光度法监测和紫外分光光度法监测。

1.5 微生物高通量测序分析

为了考察系统中微生物群落结构的变化，对系统中苦草根际微生物群落进行了高通量测序分析。对苦草根际微生物进行DNA提取、PCR扩增和产物纯化，并使用Illumina MiSeq测序平台，由上海美吉生物医药科技有限进行测序分析。

2 结果与讨论

2.1 耦合体系的处理效能

耦合体系经过25d的运行，氨氮的转化率为90.51%，TN去除率为84.93%，TP的去除率为97.38%，取得了较好的处理效果。

2.2 耦合体系中微生物群落演变和相互作用

对耦合体系中的铁碳填料、微生物填料和水体中的微生物群落结构进行了分析。耦合体系运行第5天，铁碳填料、微生物填料和水体的微生物样本分别为F1、B1、W1；耦合体系运行第25天，铁碳填料、微生物填料和水体的微生物样本分别为F2、B2、W2。

2.2.1 耦合体系中微生物的丰富性和多样性

如图2所示，测序数量随着OTU数量的增加而增加。当测序次数少于10000次时，曲线迅速增加，表明检测到许多新物种。当测序数量超过30000时，曲线增长较慢，表明检测到的新物种较少。大多数物种是在生长趋势为零时被发现的。每个样本的测序数量平均达到40000多个，可以有效地反映物种的丰富度。此外，稀释曲线可以反映每个样本的物种丰富度。当测序数量超过10000时，铁碳填料和生物填料中的微生物增长较快，耦合体系中物种丰富度的顺序为F2>F1>B2>B1>W2>W1。

图2 Alpha多样性比较(稀释曲线)

表1中的覆盖指数反映了16s rRNA数据库的测序覆盖率，可以看出每个微生物样本的覆盖率均在99.80%以上。Alpha多样性用于反映每个样本的物种多样性。在Alpha多样性指数中，ACE和Shannon用于反映物种丰富度和群落多样性，这在物种多样性评估中很重要。ACE值越高，样本的物种丰富度就越高，Shannon值越高，样本的群落多样性就越高。从表1中可以看出，物种丰富度的顺序为F2>F1>B2>B1>W2>W1，这与稀释曲线的结果一致。同时，根据各微生物样本的Shannon值可以看出，随着耦合体系的运行，系统中微生物的丰富度和多样性都呈增加趋势。这与Zhao等得出的结论，向人工湿地中添加铁(Fe0、Fe2+、Fe3+)促进了Shannon指数相一致[11]。

表1 耦合体系微生物样本的Alpha多样性

2.2.2 微生物在耦合体系中的分布和演变

图3所示的Sunburst图展示了B1、B2、F1、F2、W1、W2 6个样品微生物群落的层级分类学组成信息。从最里圈向最外圈依次为门、纲、目、科、属，不同颜色表示不同的门。可以看出铁碳填料、微生物填料和水体中的微生物群落结构是不同的，存在差异性，在黑臭水体的生态修复中的作用也不尽相同。从图4微生物功能热图可以看出，随着耦合体系的运行，系统的自养脱氮能力有所增强。

图3 微生物多级物种Sunburst图

图4 微生物的功能热图

由图5可以看出，耦合体系中的优势菌Rhodobacter，Hydrogenophaga，Pseudomonas，Pseudoxanthomonas，Arenimonas和Rhodocyclaceae的丰度在系统中呈上升趋势，均是有自养反硝化作用的微生物[12]。氨氧化菌Chitinophagaceae丰度在生物填料和铁碳填料中增加，在水体中减少。与脱氮除磷除碳相关的微生物norank_f__Rhizobiales_Incertae_Sedis，norank_f__Caldilineaceae，AKYG587，unclassified_f__Comamonadaceae，norank_f__A4b的丰度在耦合体系中均呈上升趋势。此外，Hydrogenophaga，Mycobacterium和Rhodobacter有同步硝化反硝化作用，Hydrogenophaga，Rhodobacter，Bacillus与磷循环相关，Rhodobacter和Pseudomonas是电活性菌，具有耐低温特性。norank_f__JG30-KF-CM45利于苦草生长，Pseudomonadaceae可防植物病虫害。在Proteobacteria菌门中发现了Nitrosomonadaceae，属于AOB。

图5 属水平的微生物组成

3 结论

铁碳内电解强化的沉水植物耦合体系净化城市水体取得了较好的处理效果，对耦合体系中的微生物群落分析结果显示，耦合体系经过20d的运行，微生物多样性和丰富性显著提高，有自养反硝化作用的微生物Rhodobacter，Hydrogenophaga，Pseudomonas，Pseudoxanthomonas，Arenimonas和Rhodocyclaceae在耦合体系中为优势菌，其丰度呈上升趋势，耦合体系的脱碳除磷能力增强。