紫色母巖作基質或覆蓋材料對景觀水體氮磷去除效果研究*

黃雪嬌 馮 密 李振輪 謝德體

（西南大學資源環境學院，土壤多尺度界面過程與調控重點實驗室，重慶 400715）

眾多研究表明，城市景觀水體富營養化的根本原因是氮、磷兩種營養鹽含量超標［1-2］。因此，削減水體中的氮、磷是景觀水體富營養化治理的關鍵。目前，景觀水體治理主要通過末端治理及源頭治理兩種途徑。現有的末端治理技術有物化處理法和生物修復法。常用的物化處理法包括曝氣充氧［3］、絮凝沉淀［4］、投加殺藻劑［5］和吸附法［6］，具有運行穩定、處理效果好、修復時間短的優點，但物化處理法費用高，且往水體中添加處理劑具有二次污染的風險。生物修復法具有運行費用低、去污效果好、不造成二次污染等優點，被廣泛應用于景觀水體修復，主要包括微生物修復、生態浮床、人工濕地等［7-9］，其中，人工濕地法利用基質及微生物聯合治理技術，在凈化水質的同時又可美化環境，備受國內外研究學者的青睞。近年來，眾多學者致力于基質材料的篩選研究，應用于污水處理的基質由過去傳統的砂粒和礫石擴展到了黏土礦物、沸石等［10-11］。水體基質的選擇和鋪設對景觀水體治理效果有較大影響。

源頭污染包括外源和內源，截流是控制外源污染的有效方法，內源污染治理主要通過抑制底泥中氮磷釋放，減少上覆水體氮磷含量，從而減少水體富營養化風險。常用的治理技術有曝氣法、添加硝酸鹽法、底泥疏浚法、生物擾動法和原位覆蓋法［12-16］。曝氣法和底泥疏浚法具有處理效果好的優點，但成本高。添加硝酸鹽法具有成本低、效果好的優點，但會對水體生態系統造成威脅。生物擾動法具有成本低、安全的優點，但易受外界環境條件影響，效果不穩定、且修復周期長。原位覆蓋技術具有控制效果好、有效性長等優點，已成為底泥污染物治理的主要方法之一。目前，底泥覆蓋材料主要有改性沸石［17］和鑭改性膨潤土［18］，具有處理效果好的優點，但工藝要求高且成本較高。因此，有必要探索處理效果好且成本低的天然覆蓋材料。

紫色母巖是西南地區廣泛分布的自然沉積巖，具有礦物成分較礫石復雜、風化形成紫色土磷含量低［19］、可吸附水體磷素［20］的優點，因此，可作為治理景觀水污染的基質材料或覆蓋材料。過去關于紫色母巖的研究大多集中在風化破碎成紫色土過程的物理顆粒變化、形成的紫色土養分及電荷特性等方面［21-24］，關于利用紫色母巖治理景觀水體污染方面的研究較少見。因此，本研究選擇重慶市普遍存在的蓬萊鎮組、飛仙關組及遂寧組3種紫色母巖，研究3種自然巖石作基質或覆蓋材料時對水體總氮（TN）和總磷（TP）的去除效果及對系統中微生物群落結構的影響，以期為景觀水體治理提出合理化建議。

1 材料與方法

1.1 樣品采集及預處理

供試紫色母巖材料選用重慶地區分布面積較廣的蓬萊鎮組（J3p）、飛仙關組（T1f）和遂寧組（J3s）這3種具有不同沉積相的典型紫色母巖。飛仙關組紫色母巖采自重慶市北碚區雞公山，遂寧組和蓬萊鎮組紫色母巖采自重慶市巴南區界石鎮與南岸區長生鎮之間的倒置低山區。紫色母巖均采集自地表10 cm以下地區。取樣后去除雜草、樹枝等雜質，并將一部分母巖樣品處理成2 cm左右的小塊在通風干燥的地方風干，作基質材料備用；將另一部分母巖樣品置于陰涼通風處干燥后，研磨，過60目篩，作覆蓋材料備用。紫色母巖材料的基本理化性狀包括全氮、全磷及pH，主要化學成分包括SiO2、Al2O3、CaO等，所有指標均參照《土壤農化分析與環境監測》［25］進行測定，結果見表1。供試水樣采自西南大學崇德湖，初始pH、總氮（TN）、總磷（TP）分別為8.2、1.86 mg·L-1、0.16 mg·L-1。供試底泥采自四川省玉龍湖中心部位，水底6～7 m處，其初始pH、TN、TP分別為7.0、2.53 g·kg-1、1.29 g·kg-1。

表1 供試母巖的基本性狀和主要化學成分Table 1 Basic properties of the parent rocks

1.2 基質處理試驗

將121℃高壓滅菌 25 min 后的3種不同紫色母巖樣品（J3p、T1f、J3s）分別置于3個干凈的 20 L透明塑料桶底部，每桶加入1 kg紫色母巖，加入15 L崇德湖采集混合水樣，完成模擬生態缸構建。將模擬生態缸置于2 000 cd光照、12 h 光照周期、25℃ 條件下培養。將僅有水樣不加紫色母巖的生態缸作為空白對照（CK），每個處理3次重復。并定期于水面下5 cm處采用虹吸法取樣測定上覆水體TN、TP。試驗結束后，通過虹吸式吸取各試驗組水體，用于水體微生物磷脂脂肪酸（PLFA）分析。

1.3 覆蓋處理試驗

實驗分為對照組（CK）、蓬萊鎮覆蓋組（J3p）、飛仙關覆蓋組（T1f）、遂寧覆蓋組（J3s）。采用15 L廣口玻璃瓶（內徑20 cm）作為底泥覆蓋模擬試驗的反應器，將1 L完全混合均勻（將采集到的底泥置于干燥的50 L廣口塑料桶中，并用干凈木棒攪拌均勻）的新鮮底泥自反應器口部用漏斗管道直接導入底部，使底泥層厚度保持約為4 cm。空白組加入底泥后通過虹吸式加入10 L去離子水，各活性材料覆蓋組分別添加500 g對應覆蓋材料，再通過虹吸式向各覆蓋組中加入10 L去離子水,密封后放入恒溫培養箱中（20±1）℃黑暗培養，每個處理3次重復。并定期于水面下5 cm處采用虹吸法取樣測定上覆水體TN、TP，模擬期間上覆水體保持厭氧狀態（采用氮氣吹脫實現）。底泥TN、TP釋放的抑制率（Qe）計算公式：

式中，Qe為底泥TN、TP釋放的抑制率，%；C0和Ce分別為CK及處理組中上覆水體TN、TP 的濃度，mg·L-1。

20 d后，通過虹吸式吸取各試驗組上覆水體，用于上覆水體微生物磷脂脂肪酸（PLFA）分析。吸取完上覆水體后，去掉上部覆蓋層，收集底泥進行底泥微生物群落磷脂脂肪酸（PLFA）分析。

1.4 等溫吸附實驗

配制濃度梯度為0、0.5、1、3、5、10、30、50 mg·L-1的磷酸二氫鉀溶液及硝酸鉀溶液。準確稱取母巖材料 0.5 g于50 mL離心管中，加入25 mL不同濃度的磷酸二氫鉀溶液、硝酸鉀溶液，恒溫震蕩［ 200 r·min-1，(25±1)℃］ 24 h 后，4 500 r·min-1離心8 min， 取一定上清液過0.22 μm 濾膜，測定濾液的TN、TP濃度。

1.5 母巖浸出液測定

取200 g過篩（0.25 mm）保存的母巖粉末，加入裝有1 L去離子水的燒杯中，100 r·min-1攪拌10 min，將燒杯置于暗處浸提7 d。在超凈工作臺中用0.22 μm 濾膜過濾浸出液。利用原子吸收光譜（Agilent 5110，美國）法測定浸出液中B、Ca、Mg、Al、Zn、Fe、Cu、Mn、Mo、Ni等元素的含量［26］。

1.6 分析方法

水體pH、TN及TP均按照國家標準［27］進行測定。

磷脂脂肪酸（PLFA）分析微生物群落結構：基質處理試驗中每個處理組分別取2 L水樣進行微生物群落結構分析。覆蓋處理試驗中每個處理組分別取2 L上覆水體及50 g底泥進行微生物群落結構分析。水樣用醋酸纖維濾膜（0.22 μm）抽濾，將抽濾后的濾膜進行提取、皂化、甲基化、萃取及堿洗滌后獲得上機樣品。將底泥直接進行提取、皂化、甲基化、萃取及堿洗滌后獲得上機樣品。用氣相色譜儀（FID 檢測器，Agilent 6850，美國）分析磷脂脂肪酸（PLFA）的成分。色譜條件為：HP-5柱（25.0 m×200 μm×0.33 μm），進樣量1 μL，分流比10∶1，載氣H2，尾吹氣高純N2，助燃氣空氣，流速0.8 mL·min-1；汽化室溫度250oC、檢測器溫度300oC，柱前壓68.95 kPa，質譜全掃描范圍30～600 質荷比；二階程序柱溫170oC（5 min）→260oC →310oC，維持1.5 min。各成分脂肪酸通過MIDI Sherlock微生物鑒定系統（Version 6.1, MIDI，Inc，Newark，DE）進行。標準品購于美國MIDI公司的C9-C20的脂肪酸甲酯，PLFA用C19∶0 做內標換算PLFA的絕對含量。

1.7 數據處理

采用SPSS 17. 0軟件的單因子方差分析各處理間的差異顯著性。采用 Excel 2003和 Origin 8.6 軟件進行作圖。

2 結 果

2.1 不同處理方式下總氮變化

圖1a為利用紫色母巖作基質對水體TN變化的影響。隨時間推移，不同處理組水樣TN去除率均呈現上升趨勢。其中，蓬萊鎮組紫色母巖（J3p）對水體TN的去除率顯著高于其他處理，而另外2種母巖處理組和對照組之間無顯著差異。20 d后，蓬萊鎮組紫色母巖對TN的去除效果最好（去除率為45.10%），遂寧組紫色母巖對TN的去除效果較差（去除率為12.38%）。紫色母巖作覆蓋材料抑制底泥TN向上覆水體釋放結果如圖1b所示。相比于對照組，3種母巖均可顯著抑制底泥TN向上覆水體釋放，且3種處理間無顯著差異。20 d 后，蓬萊鎮組紫色母巖對TN釋放的抑制效果最好（抑制率為59.7%），遂寧組紫色母巖對TN釋放的抑制效果較差（抑制率為42.8%）。不同處理方式對水體氮的治理效果不同。利用母巖作基質時蓬萊鎮組可顯著去除水體TN，而另外2種母巖無顯著作用；利用母巖作覆蓋材料時3種母巖均可顯著抑制底泥TN的釋放。

2.2 不同處理方式下總磷變化

利用紫色母巖作基質時，相比于對照組，蓬萊鎮組和遂寧組紫色母巖對TP的去除率極顯著上升，飛仙關組紫色母巖對TP的去除率顯著上升。15 d后，蓬萊鎮組紫色母巖對TP的去除率最大（去除率為62.30%），飛仙關組紫色母巖對TP的去除率最小（去除率為34.1%）（圖2a）。利用紫色母巖作覆蓋材料時，3種母巖對底泥TP釋放的抑制率在整個試驗過程均呈上升趨勢。20 d后，3種母巖覆蓋材料對底泥TP向上覆水體釋放的抑制率由高到低依次為：T1f （94.4%）＞J3s（91.3%）＞J3p（88.8%）（圖2b）。說明3種紫色母巖作覆蓋材料均可有效抑制底泥TP向上覆水體釋放。其中，飛仙關組紫色母巖的抑制作用最強。利用3種紫色母巖作基質時對水體TP的去除效果差異較大，蓬萊鎮組紫色母巖表現出較好的去除效果；而利用3種紫色母巖作覆蓋材料時對底泥TP釋放的抑制效果均較好，無顯著差異。

圖2 紫色母巖作為基質（a）或覆蓋材料（b）對水體總磷的去除效果Fig. 2 TP removing efficiency of the rock relative to treatment as substrate (a) or cover material (b)

2.3 紫色母巖處理下總氮、總磷吸附等溫曲線

圖3為3種母巖處理下水體TN、TP的吸附等溫曲線圖。由圖可知，在低濃度階段（0 ～ 20 mg·L-1），3種紫色母巖對TN、TP的吸附量均隨溶液濃度的升高而迅速增大，當濃度進一步增大時（20 ～ 50 mg·L-1），TN、TP在3種紫色母巖上的吸附逐漸趨于平衡。其中，3種母巖對TN的吸附量大小順序為：J3p ＞T1f ＞J3s（圖3a）；對TP的吸附量大小順序為：T1f ＞J3s ＞ J3p（圖3b）。采用Langmuir和Freundlich 吸附等溫方程對3種紫色母巖在298 K 溫度下反應平衡后的數據進行非線性擬合，發現3種母巖對TN的吸附符合Langmuir 和Freundlich吸附等溫模型（表2），說明利用3種母巖吸附水體TN時同時存在單層分子吸附和表面吸附［26］。3種母巖對TP的吸附比較符合Langmuir吸附等溫模型（表3），說明3種母巖吸附水體TP時以單層分子吸附為主導。

圖3 紫色母巖處理下總氮（a）、總磷（b）吸附等溫曲線Fig. 3 Adsorption isotherm of TN (a) and TP (b) on the purple parent rocks

表2 三種紫色母巖吸附總氮等溫線模型參數Table 2 Isotherm models and parameters for TN adsorption of the purple parent rock relative to kind of the rock

表3 三種紫色母巖吸附總磷等溫線模型參數Table 3 Isotherm models and parameters for TP adsorption on the purple parent rock relative to kind of the rock

2.4 不同處理方式對系統微生物群落結構的影響

2種不同景觀水體治理方式對系統中微生物群落結構影響不同。從微生物類群上看，利用紫色母巖作基質時，系統中可檢測到細菌、真菌及原生動物3種類群；而利用紫色母巖作覆蓋材料時，系統中僅檢測到細菌及真菌2種類群。從微生物含量上看，相比于對照組，利用紫色母巖作基質可促進水體細菌、真菌及原生動物生長。其中，飛仙關組紫色母巖可顯著增加水體細菌含量，另外2種母巖對細菌生長無顯著促進效果。飛仙關組和遂寧組紫色母巖較對照組顯著增加水體真菌和原生動物含量，而蓬萊鎮組紫色母巖對水體真菌及原生動物生長無促進作用。

利用紫色母巖作覆蓋材料均可顯著促進系統中底泥及水體細菌生長，而不同母巖覆蓋材料對底泥及水體真菌的影響效果不同。飛仙關組紫色母巖對水體真菌生長抑制作用顯著，對底泥真菌生長無顯著抑制作用。蓬萊鎮組和遂寧組紫色母巖較對照組顯著降低底泥真菌含量卻顯著增加水體真菌含量（表4）。將基質處理系統及覆蓋處理系統中均可檢測到的3種磷脂脂肪酸標記與上覆水體TN、TP含量進行相關性分析，發現基質系統水體中PLFA 18:0標記的細菌含量與水體TN含量呈顯著正相關（P＜ 0.05），覆蓋處理系統底泥及上覆水體中PLFA 16:0標記的細菌含量均與上覆水體TP含量呈顯著負相關（P＜ 0.05）（表5），可見不同處理系統中不同種類的細菌均會與水體TN、TP呈現相關性。

表4 兩種處理系統中微生物群落Table 4 Microbial community in the system relative to treatment

表5 兩種處理系統中微生物與水體中總氮、總磷含量的相關性Table 5 Correlation analysis of microbes with TN and TP content in the water relative to treatment

2.5 不同母巖浸出液中元素含量

如表6所示，3種紫色母巖浸出液中各元素的含量均不同。其中，蓬萊鎮組紫色母巖浸出液中的Ca、Cu、K、Mn、Mo等自然界中常見微量元素的含量顯著高于飛仙關組和遂寧組紫色母巖浸出液。而遂寧組紫色母巖浸出液中除Al、B、Ca、Zn 這4種元素外，其余元素含量均顯著低于蓬萊鎮組和飛仙關組紫色母巖浸出液。

表6 母巖浸出液中元素含量Table 6 Element contents in the parent rock extracts/(mg·L-1)

3 討 論

景觀水體是人類居住環境的有機組成部分，在城市生態環境建設中具有不可替代的功能［29］。但由于水體環境缺陷及人為破壞，景觀水體污染問題日益嚴峻。因此，研發行之有效的景觀水體處理技術迫在眉睫。本研究選擇重慶市分布范圍較廣的3種紫色母巖作為處理材料，分別研究利用紫色母巖作基質或覆蓋材料對景觀水體污染的治理效果。結果發現，無論利用紫色母巖作基質或覆蓋材料，均可有效治理景觀水體氮磷污染。利用母巖作基質時，蓬萊鎮組紫色母巖對水體TN、TP去除效果最好，去除率分別為45.1%、62.3%。而劉紅美等［30］研究發現，在TN、TP濃度分別為1.9 mg·L-1、0.16 mg·L-1時，利用天然沸石和水化硅酸鈣為基質對水體TN、TP的去除率分別為21.56%、60%。說明在初始TN、TP濃度一致及處理時間相同條件下，利用蓬萊鎮組紫色母巖作為基質對水體氮磷的治理效果較利用天然沸石和水化硅酸鈣作基質的效果好。利用母巖作覆蓋材料時，3種母巖覆蓋材料對底泥TN、TP釋放的抑制率均達50%、85%以上，說明利用紫色母巖作覆蓋材料可有效抑制底泥TN、TP釋放，且不同母巖效果一致。而在相同實驗條件下，利用方解石和石灰石作為覆蓋材料對底泥TN釋放的抑制率僅為12.86%及38.30%；對底泥TP釋放的抑制率為71.08%及84.34%［31］均低于3種紫色母巖對底泥TN、TP釋放的抑制率。說明紫色母巖作為覆蓋材料可有效抑制底泥污染物釋放。

本研究發現，利用紫色母巖作基質或覆蓋材料均能有效治理景觀水體氮磷污染問題，這可能得益于母巖自身的吸附性能。通過繪制3種不同母巖對水體TN、TP的吸附等溫曲線，并采用Langmuir和Freundlich吸附等溫方程對3種紫色母巖在298 K 溫度下反應平衡后的數據進行非線性擬合，發現3種母巖對TN的吸附為單層分子吸附和表面吸附，對TP的吸附主要為單層分子吸附。3種母巖對TN的理論最大吸附量與3種母巖作基質時對TN的去除效果一致（圖1a），且與3種母巖作覆蓋材料時對底泥TN釋放的抑制效果一致（圖1b），說明利用母巖作基質或覆蓋材料治理水體TN污染時，主要的去除機理均為母巖的物理吸附作用，其中，蓬萊鎮組紫色母巖的物理吸附能力最強。3種母巖對TP的理論最大吸附量與3種母巖作覆蓋材料時對底泥TP釋放的抑制效果一致（圖2a），而與3種母巖作基質時對水體TP去除效果不一致（圖2b），說明利用母巖作覆蓋材料治理水體TP污染時主要依靠母巖的物理吸附作用，而利用母巖作基質治理水體TP污染時，母巖的物理吸附作用不占主導作用。

研究還發現，將母巖作基質或覆蓋材料時均會改變系統中微生物群落結構，從而影響氮磷的去除效果，但不同種類母巖對水體微生物群落結構的影響不同（表4）。且不同種類紫色母巖浸出液中微量元素的種類一致，但含量具有顯著性差異（表6），說明不同種類母巖在處理景觀水體過程中會向水體釋放不同含量的微量元素，可能會影響系統中的微生物群落結構，進而影響治理效果。其中，蓬萊鎮組紫色母巖向水體中釋放的Ca、K、Cu、Mn、Mo 元素均顯著高于飛仙關組和遂寧組紫色母巖。已有研究也表明，微量元素的種類及含量會影響微生物種群、功能菌群［32-34］以及微生物對氮磷的去除效果［35-36］。由于景觀水體是一個完整的水生態系統，其內微生物群落復雜多樣，而紫色母巖又是一種復雜的沉積巖，其內包含多種微量元素及其化合物，因此，需進一步研究不同元素及其化合物對水體微生物種群、硝化及反硝化功能基因及水體氮磷去除效果的影響，并進行長期原位修復試驗，確認紫色母巖對景觀水體氮磷的治理效果，以期優化篩選出一種可便捷、高效去除景觀水體氮磷的方法。

4 結 論

3種紫色母巖作基質時對水體總氮、總磷的去除效果差異較大；作覆蓋材料時對底泥總氮、總磷釋放的抑制效果無顯著差異。無論作基質還是覆蓋材料，蓬萊鎮組母巖對氮磷的治理效果較好。作基質時，對水體總氮、總磷的去除率分別達45.1%、62.3%；作覆蓋材料時，對底泥總氮、總磷向上覆水體排放的抑制率分別為59.7%、88.8%。這主要得益于其良好的物理吸附性能。3種紫色母巖作基質或覆蓋材料時均會向水體中釋放微量元素，影響系統微生物群落結構，從而影響景觀水體氮磷的治理效果，具體機理需進一步研究。