有機(jī)碳源對(duì)微生物代謝所致水體黑臭現(xiàn)象形成的影響機(jī)制

劉 輝，周瓊芝，朱嘉浩，魯杰羅，葛 飛,*

(1.湘潭大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，湖南湘潭 411105；2.復(fù)雜重金屬?gòu)U水高效凈化與應(yīng)用湖南省工程實(shí)驗(yàn)室，湖南湘潭 411105)

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程加快，黑臭水體已成為最亟需解決的城市水環(huán)境問(wèn)題[1-2]。國(guó)務(wù)院在2015年發(fā)布的《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》中提出：“到2020年，地級(jí)及以上城市建成區(qū)黑臭水體均控制在10%以內(nèi)；到2030年，城市建成區(qū)黑臭水體總體得到消除”[3]。根據(jù)我國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部與生態(tài)環(huán)境部聯(lián)合搭建的城市黑臭水體整治監(jiān)督平臺(tái)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示：截至2021年4月20日，全國(guó)認(rèn)定了2 914個(gè)黑臭水體，其中98.2%黑臭水體已完成治理[4]。但由于管網(wǎng)建設(shè)不完善和實(shí)際黑臭水體成因復(fù)雜等，部分經(jīng)過(guò)治理后的黑臭水體出現(xiàn)了返黑、返臭現(xiàn)象[5]。

水體黑臭的形成是一種生物地球化學(xué)過(guò)程[6]。水體遭受有機(jī)物嚴(yán)重污染時(shí)，好氧微生物消耗水中溶解氧(DO)分解有機(jī)物造成水體缺氧，水體缺氧條件下有機(jī)物被厭氧微生物降解生成揮發(fā)性有機(jī)硫化物(VOSCs)、硫化氫(H2S)和氨氣(NH3)等致臭物質(zhì)，同時(shí)H2S與沉積物中的鐵、錳等金屬礦物形成硫化亞鐵(FeS)、硫化錳(MnS)等致黑物質(zhì)[7]。黑臭水體作為突出的水環(huán)境問(wèn)題，受到廣泛關(guān)注，目前已有學(xué)者在水體黑臭形成機(jī)理[8-9]、水體中致黑及致臭物質(zhì)[10-11]和水體黑臭的形成條件[12-13]等方面進(jìn)行了研究。實(shí)際黑臭水體是一系列復(fù)雜生物化學(xué)作用后的結(jié)果，受到多種環(huán)境因素及污染物的影響，難以全面研究其影響因素。水體黑臭的根本原因是有機(jī)污染物過(guò)量，而含碳有機(jī)物是最重要的有機(jī)污染物之一，但有機(jī)碳源對(duì)黑臭現(xiàn)象形成的影響尚不明晰，不利于黑臭水體的精準(zhǔn)治理。

常見(jiàn)的有機(jī)碳源為易生物降解型(如甲醇、乙酸等)和慢速可生物降解型(淀粉、蛋白質(zhì)等)等[14]。慢速可生物降解有機(jī)物是城市污水的主要組成部分[15]，而淀粉是最常用的慢速可生物降解碳源，因此試驗(yàn)選擇淀粉作為有機(jī)碳源。本文以淀粉為有機(jī)碳源、實(shí)際黑臭水為菌液，在封閉靜態(tài)微生態(tài)系統(tǒng)中模擬水樣黑臭現(xiàn)象的形成過(guò)程。通過(guò)測(cè)定水體黑臭標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)[DO和氧化還原電位(ORP)]、水體黑臭表觀指標(biāo)(色度和臭閾值)、微生物代謝反應(yīng)指標(biāo)(pH)和致黑、致臭物質(zhì)指標(biāo)(Fe2+、S2-和FeS)的變化，探究有機(jī)碳源對(duì)水樣黑臭現(xiàn)象形成的影響及機(jī)制，以期為黑臭水體的精準(zhǔn)治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 黑臭菌液來(lái)源

實(shí)際黑臭水體的水質(zhì)變化波動(dòng)大且成分復(fù)雜，用于試驗(yàn)將增添不確定因素，因此，以實(shí)際黑臭水為菌液，接種到添加一定營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的超純水中，構(gòu)建封閉靜態(tài)微生態(tài)系統(tǒng)以模擬黑臭水的形成。

對(duì)某水體進(jìn)行長(zhǎng)期水質(zhì)監(jiān)測(cè)，結(jié)果顯示該水體屬于輕度黑臭水體。試驗(yàn)所用黑臭菌液為該黑臭水體所采水樣經(jīng)過(guò)定性中速濾紙(孔徑為30～50 μm)重力過(guò)濾后所得濾液，菌液密封在具塞玻璃瓶中置于冰箱4 ℃保存?zhèn)溆谩＞和ㄟ^(guò)16S rDNA高通量測(cè)序分析鑒定，主要菌門為變形菌門(Proteo-bacteria，43.0%)、厚壁菌門(Firmicutes，31.4%)、放線菌門(Actinobacteria，9.7%)和擬桿菌門(Bacteroi-detes，6.2%)。

1.2 人工模擬黑臭水配比

選取質(zhì)量濃度為402 mg/L的淀粉[總有機(jī)碳(TOC)質(zhì)量濃度為200 mg/L]；質(zhì)量濃度為107 mg/L的尿素(TN質(zhì)量濃度為50 mg/L)；質(zhì)量濃度為100 mg/L的FeSO4·7H2O(Fe2+質(zhì)量濃度為20 mg/L)；質(zhì)量濃度為126 mg/L的Na2HPO4·12H2O；質(zhì)量濃度為10 mg/L的KH2PO4；質(zhì)量濃度為100 mg/L的MgSO4·7H2O和89 mg/L的CaCl2[16]。

1.3 菌液比對(duì)水樣黑臭現(xiàn)象形成影響試驗(yàn)

在無(wú)菌操作臺(tái)中加1 L無(wú)菌超純水于滅菌處理的具塞玻璃瓶中，按照人工模擬黑臭水配比加入相應(yīng)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，分別接種0、1、2、4、8 mL黑臭水菌液，使菌液比分別為0、1∶1 000、1∶500、1∶250、1∶125，置于恒溫培養(yǎng)箱，設(shè)置溫度為28 ℃恒溫，遮光靜態(tài)封閉培養(yǎng)，每組設(shè)置3個(gè)平行。每2 d測(cè)定水樣的DO、ORP、色度、臭閾值、pH、Fe2+、S2-以及FeS，試驗(yàn)進(jìn)行至各試驗(yàn)組的各項(xiàng)測(cè)試指標(biāo)基本穩(wěn)定時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束，并確定后續(xù)試驗(yàn)的試驗(yàn)周期。

1.4 有機(jī)碳源濃度對(duì)水樣黑臭現(xiàn)象形成影響試驗(yàn)

在無(wú)菌操作臺(tái)中分別添加0.000 0、0.100 5、0.201 0、0.301 5、0.402 0 g淀粉于含有1 L無(wú)菌超純水的具塞玻璃瓶中，有機(jī)碳源質(zhì)量濃度(以TOC計(jì))分別為0、50、100、150、200 mg/L，按照配比加入營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，根據(jù)適宜菌液比加入黑臭菌液，置于恒溫培養(yǎng)箱，設(shè)置溫度為28 ℃恒溫，遮光靜態(tài)封閉培養(yǎng)，每組設(shè)置3個(gè)平行。每2 d測(cè)定水樣的DO、ORP、色度、臭閾值、pH、Fe2+、S2-以及FeS。

圖1 菌液比對(duì)水樣中DO、ORP、色度和臭閾值的影響Fig.1 Influence of Bacteria-Liquid Ratio on DO, ORP, Chromaticity and Odor Threshold in Water Samples

1.5 水質(zhì)參數(shù)測(cè)定方法

試驗(yàn)開(kāi)始后每2 d取樣1次，取樣深度為具塞玻璃瓶中水樣深度的1/2處。DO采用上海雷磁JPBJ-608型溶解氧儀測(cè)定。pH和ORP采用上海雷磁PHS-3E型pH計(jì)測(cè)定。Fe2+采用《水質(zhì) 鐵的測(cè)定 鄰菲啰啉分光光度法(試行)》(HJ/T 345—2007)。S2-和臭閾值分別采用《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》(第四版)中的對(duì)氨基二甲基苯胺光度法(亞甲藍(lán)法)(A)和臭閾值法(B)測(cè)定。色度采用姚國(guó)等[17]改進(jìn)的分光光度法測(cè)定。FeS采用馮紫艷[18]提出的分光光度法測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 菌液比對(duì)水樣黑臭現(xiàn)象形成的影響

DO和ORP是目前我國(guó)城市黑臭水體污染程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)[19]，色度和臭閾值可以直觀反映水樣黑臭程度[2]。配制不同菌液比的水樣，試驗(yàn)持續(xù)進(jìn)行25 d，共取樣測(cè)定13次。測(cè)定水樣黑臭現(xiàn)象形成過(guò)程中DO、ORP、色度和臭閾值4個(gè)水質(zhì)參數(shù)的變化，結(jié)果如圖1所示。

如圖1(a)所示，試驗(yàn)組(添加菌液試驗(yàn)組)的DO最小值均為0達(dá)到重度黑臭標(biāo)準(zhǔn)(<0.2 mg/L)，且水樣變黑并有明顯異味。試驗(yàn)組的DO均降至0后逐漸回升，其中菌液比為1∶1 000和1∶500的試驗(yàn)組DO分別在第15 d和第17 d為0；而菌液比為1∶250和1∶125的試驗(yàn)組DO為0出現(xiàn)在第9 d，且菌液比為1∶250的試驗(yàn)組DO下降速率大于菌液比為1∶125的試驗(yàn)組，以上結(jié)果表明試驗(yàn)中適宜的菌液比為1∶250。對(duì)照組(未添加菌液試驗(yàn)組)的DO最小值為1.07 mg/L達(dá)到輕度黑臭標(biāo)準(zhǔn)(0.2～2 mg/L)，但試驗(yàn)過(guò)程中水樣未變黑或有明顯異味。對(duì)照組在試驗(yàn)取樣過(guò)程中可能混入了空氣中的微生物，致使有機(jī)物被好氧微生物分解，但缺乏自然水體中導(dǎo)致黑臭的關(guān)鍵微生物如硫酸鹽還原菌和鐵還原菌等[7]，因此DO達(dá)到輕度黑臭標(biāo)準(zhǔn)卻無(wú)黑臭現(xiàn)象。

由圖1(b)可知，在第1～5 d ORP變化波動(dòng)小，此時(shí)添加微生物正處于適應(yīng)期；第5～7 d添加菌液試驗(yàn)組均顯著提升，此時(shí)微生物適應(yīng)了環(huán)境且以好氧微生物為主，好氧微生物將長(zhǎng)碳鏈有機(jī)物降解成二氧化碳，并伴隨著氧化產(chǎn)物的生成，ORP提高。隨著水中的DO降低，微生物以厭氧分解為主，生成還原產(chǎn)物，隨后ORP下降。在試驗(yàn)過(guò)程中各試驗(yàn)組ORP呈現(xiàn)整體下降趨勢(shì)，均達(dá)到輕度黑臭標(biāo)準(zhǔn)(-200～50 mV)，表明水樣的氧化還原性質(zhì)由氧化狀態(tài)向還原狀態(tài)轉(zhuǎn)變。

圖2 菌液比對(duì)水樣中pH值、Fe2+、S2-和FeS的影響Fig.2 Influence of Bacteria-Liquid Ratio on pH Value, Fe2+, S2- and FeS in Water Samples

如圖1(c)～圖1(d)所示，對(duì)照組的色度和臭閾值變化波動(dòng)小，而試驗(yàn)組的色度和臭閾值上升后下降，菌液比為1∶250時(shí)，色度在第1～9 d從55度增至140度;臭閾值在第1～7 d從0增加到20，第10～25 d水樣色度和臭閾值逐漸下降，水樣黑臭程度降低。其中，對(duì)照組和添加菌液比為1∶250、1∶125的試驗(yàn)組臭閾值在21 d后基本穩(wěn)定不變，而添加菌液比為1∶1 000、1∶500的試驗(yàn)組21 d后臭閾值劇烈上升，通過(guò)比對(duì)推測(cè)該現(xiàn)象出現(xiàn)的原因是菌液比低的試驗(yàn)組微生物含量低，可能需要更長(zhǎng)的時(shí)間使水樣黑臭。

pH是反映微生物代謝反應(yīng)的重要指標(biāo)[20]。導(dǎo)致水體發(fā)黑的物質(zhì)主要包括金屬硫化物和可溶性有機(jī)物，其中FeS是城市黑臭水體的主要致黑物質(zhì)；導(dǎo)致水體發(fā)臭的物質(zhì)可能有上千種，H2S和VOSCs是主要致臭物質(zhì)[7]。因此，F(xiàn)e2+、S2-和FeS是指示水樣中致黑、致臭物質(zhì)的重要指標(biāo)。為進(jìn)一步分析水樣黑臭現(xiàn)象形成的原因，試驗(yàn)中測(cè)定pH、Fe2+、S2-和FeS這4個(gè)水質(zhì)參數(shù)，結(jié)果如圖2所示。

上述試驗(yàn)結(jié)果表明，水樣黑臭形成受微生物驅(qū)動(dòng)，試驗(yàn)條件下適宜的菌液比為1∶250。19 d后各試驗(yàn)組的水質(zhì)參數(shù)均基本穩(wěn)定，因此后續(xù)試驗(yàn)周期可設(shè)置為19 d。

2.2 有機(jī)碳源濃度對(duì)水樣黑臭現(xiàn)象形成的影響

通過(guò)改變添加淀粉的質(zhì)量，配置不同有機(jī)碳源濃度水樣(以TOC計(jì))，試驗(yàn)周期為19 d，共取樣測(cè)定10次。測(cè)定水樣黑臭現(xiàn)象形成過(guò)程中DO、ORP、色度和臭閾值4個(gè)水質(zhì)參數(shù)的變化，結(jié)果如圖3所示。

圖3 有機(jī)碳源對(duì)水樣DO、ORP、色度和臭閾值的影響Fig.3 Influence of Organic Carbon Source on DO, ORP, Chromaticity and Odor Threshold in Water Samples

圖4 有機(jī)碳源對(duì)水樣pH值、Fe2+、S2-和FeS的影響Fig.4 Influence of Organic Carbon Source on pH Value, Fe2+, S2- and FeS in Water Samples

本試驗(yàn)對(duì)試驗(yàn)周期內(nèi)的DO、ORP、色度和臭閾值的最值(DO最小值、ORP最小值、色度最大值和臭閾值最大值)與有機(jī)碳源濃度進(jìn)行了皮爾遜相關(guān)性分析。試驗(yàn)組的DO隨時(shí)間先下降后上升[圖3(a)]，DO最小值與有機(jī)碳源濃度的皮爾遜相關(guān)性分析結(jié)果為極顯著負(fù)相關(guān)(p<0.01，r2=0.98)。有機(jī)碳源充足時(shí)水樣中微生物分解有機(jī)碳源的耗氧速率大于復(fù)氧速率，DO下降；有機(jī)碳源不足時(shí)水樣復(fù)氧速率大于耗氧速率，DO回升，表明有機(jī)碳源是影響水樣中微生物活動(dòng)的重要因素[2]。試驗(yàn)組的ORP均呈下降趨勢(shì)[圖3(b)]，試驗(yàn)表明水樣黑臭現(xiàn)象形成伴隨著ORP下降。

2.3 有機(jī)碳源對(duì)水樣黑臭現(xiàn)象形成的影響機(jī)制

水樣黑臭現(xiàn)象形成過(guò)程如圖5所示主要包括黑臭前期(好氧分解階段)、黑臭出現(xiàn)(缺氧還原階段)和黑臭衰退(營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)消耗殆盡階段)3個(gè)階段。

表1 水樣黑臭現(xiàn)象與水質(zhì)參數(shù)的皮爾遜相關(guān)性分析Tab.1 Pearson Correlation Analysis of Black and Odor Phenomenon of Water Samples and Water Quality Parameters

圖5 有機(jī)碳源對(duì)水樣黑臭現(xiàn)象形成的影響機(jī)制Fig.5 Influence Mechanism of Organic Carbon Source on Formation of Black and Odor in Water Samples

(1)

(2)

(3)

有機(jī)碳源未被耗盡時(shí)產(chǎn)生的H2S等小分子氣體使FeS懸浮在水中，導(dǎo)致水樣發(fā)黑。有機(jī)碳源含量逐漸降低甚至耗盡時(shí)不再產(chǎn)生小分子氣體，F(xiàn)eS逐漸沉積到水底，水樣黑臭衰退(色度、臭閾值和FeS濃度降低)。

3 結(jié)論與展望

3.1 結(jié)論

(1)水樣黑臭現(xiàn)象形成受微生物驅(qū)動(dòng)，試驗(yàn)條件下適宜的菌液比為1∶250。在該菌液比下，有機(jī)碳源質(zhì)量濃度(淀粉，以TOC計(jì))≥100 mg/L時(shí)水樣出現(xiàn)黑臭現(xiàn)象。皮爾遜相關(guān)性分析顯示水樣黑臭程度與有機(jī)碳源濃度顯著正相關(guān)，而DO與有機(jī)碳源濃度極顯著負(fù)相關(guān)(p<0.01，r2=0.98)，說(shuō)明有機(jī)碳源是水體黑臭的重要因素。

3.2 展望

本研究?jī)H在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行試驗(yàn)，沒(méi)有考慮水生生態(tài)系統(tǒng)中其他的生物(例如生產(chǎn)者植物、藻類，消費(fèi)者動(dòng)物等)的影響，也沒(méi)有考慮部分環(huán)境條件的影響(如溫度變化對(duì)微生物耗氧速率的影響，風(fēng)、浪等水動(dòng)力條件變化的復(fù)氧作用等)。因此，本研究與實(shí)際的天然水體的黑臭形成過(guò)程有一定差異，后續(xù)研究可考慮構(gòu)建原位試驗(yàn)體系，并結(jié)合宏基因組等組學(xué)探究黑臭水體形成過(guò)程中微生物功能基因的變化。