沸石和頁巖陶粒對沉積物營養鹽釋放的抑制效果試驗

孫 健，楊 明，賀珊珊，蔡世顏，劉 琪，劉向榮

(中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北武漢 430010)

水體富營養化是一種嚴重的水質污染現象，給水生態系統和人類健康等帶來許多不利影響[1-2]。外部污染源和內部污染源是水體富營養化的主要原因。污水、工業排放、農業徑流等外部污染源含有大量的營養物質[3-4]，目前已有許多方法來控制外部營養物進入水體[5]。內部污染源，即富集的底泥，可以向水體釋放養分，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、投加藥劑以及水動力控制等措施。其中，底泥覆蓋是將一層或多層材料鋪設在污染底泥上部，通過隔斷底泥與上覆水以達到阻止或減弱底泥中污染物釋放的目的。在實際應用中，一般將覆蓋材料通過表層傾倒或撒布的方式鋪設在底泥上。但底泥覆蓋需考慮一些以下條件：(1)水體控源截污已經實施完成；(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)覆蓋后水體現狀及將來功能的影響較小。而覆蓋材料的選擇是該方法的關鍵，因為覆蓋材料既能吸附養分，又能穩定沉積物[8-9]。筆者前期通過設置動態吸附試驗和靜態吸附試驗研究發現，當沸石和頁巖陶粒的組合配比為2∶1時，對沉積物營養鹽吸收效果較好[10]。

因此，為進一步模擬沸石和頁巖陶粒對水體沉積物營養鹽釋放的抑制效果，本研究設置沸石和頁巖陶粒覆蓋沉積物的試驗，定期監測上覆水中TP、TN、氨氮、CODCr和葉綠素a(Chl.a)指標，同時在試驗結束時對沉積物和基質進行微生物群落分析，旨在為富營養化水體的治理提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 沸石和頁巖陶粒

沸石和頁巖陶粒用自來水和蒸餾水沖洗3次，然后105 ℃烘干2 h，過篩網孔徑為2～4 mm，置于干燥器內備用[11]。沸石和頁巖陶粒的物理性質如表1所示。

表1 沸石和頁巖陶粒的物理性質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，采集后沉積物過篩(10目)除去雜質，待用。沉積物相關特征如下：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、總有機碳質量分數分別為(2.57±0.02)、(1.65±0.04)、(0.16±0.01)、(0.65±0.09)mg/g。

1.2 試驗方法

試驗在體積為200 L的PVC桶中進行，共設置2個試驗組，每組3個平行試驗，試驗周期為84 d。

(1)沉積物組(C1)：在桶內鋪設厚為10 cm的底泥，緩緩注入深度為50 cm的自來水。

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

1.3 樣品采集與分析

1.3.1 水體水質

水質樣品于每周二上午10：00采樣1 L，用于分析水體中的TP、TN、氨氮、CODCr和Chl.a水質指標。TP、TN、氨氮和CODCr的測定均按照國家環保局標準分析方法。Chl.a的測定利用GF/C濾膜(0.45 mm)過濾，濾膜用90%丙酮萃取24 h后，再用分光光度計測定。

1.3.2 沉積物和基質微生物群落分析

取各試驗組的沉積物和基質，迅速地將離心管(EP管)置于液氮冷凍3～4 h，然后轉移至溫度為-80 ℃的冰箱中保存待測。沉積物和基質每個樣品DNA提取2次，然后混合，獲得的DNA于-80 ℃進行保存。隨后進行16S rDNA擴增和Illumina MiSeq高通量測序。測序完成后，通過序列(barcode)區分各樣本。

1.4 數據分析

使用SPSS統計軟件中的單方差分析(One-way ANOVA)對試驗組C1和C2中的TP、TN、氨氮和Chl.a數據進行差異分析，三維ANOVA統計分析(Tukey test)用于TP、TN、氨氮、Chl.a均值的多重比較，顯著水平設定為P<0.05。沉積物微生物序列分析如下。

(1)覆蓋率

Coverage表示各樣品文庫的覆蓋率。Coverage數值越高表示樣本中序列沒有被測出的概率就越低，通常用其來反映本次測序結果是否具有代表性，計算如式(1)。

(1)

其中：C——覆蓋率；

n1——只含有一條序列的光轉換單位(operation taxonomy units，OTU)數目；

N——抽樣中出現的總序列數目。

(2)微生物群落分布豐度

Chao指數經常被用于評價微生物群落分布豐度，計算如式(2)。

(2)

其中：SChao1——估計的OTU數目；

Sobs——實際觀測的OTU數目；

n2——只含2條序列的OTU數目。

(3)微生物群落多樣性指數計算

Shannon指數常被用于評價微生物群落多樣性，其值越大，說明多樣性越高，計算如式(3)。

(3)

其中：HShannon——Shannon指數；

Ni——第i個OTU包含的序列數；

(4)OTU分類

將多條序列根據序列之間的距離進行聚類，之后再根據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進行生物信息統計分析。根據OTU的聚類結果，獲取OTU聚類中豐度最高的作為OTU代表性序列，然后進行各類的OTU分析。同時在大于5個樣本時，去除只對應一條序列的OTU。

2 結果

2.1 對TP的凈化效果

在84 d試驗周期內，C1上覆水中TP質量濃度為0.05～0.48 mg/L，C2上覆水中TP質量濃度為0.04～0.12 mg/L，整體呈逐漸上升趨勢。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)。說明覆蓋沸石和頁巖陶粒能有效抑制沉積物中TP向上覆水釋放速度。

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

2.2 對TN的凈化效果

試驗期間內，C1上覆水中TN質量濃度為1.19～6.64 mg/L，沒有呈現一定變化趨勢。C2上覆水中TN質量濃度為0.43～4.95 mg/L，整體呈上升狀態。經C1和C2對比發現，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代表在相同時間不同試驗組的顯著差異(P<0.05)，n=3。圖2 沸石和頁巖陶粒對TN的凈化效果Fig.2 Purification Effect of Zeolite and Shale Ceramsite on TN

2.3 對氨氮的凈化效果

試驗期間，C1上覆水中氨氮質量濃度為0.59～4.56 mg/L，在前28 d內先上升后下降，然后整體呈逐漸上升。C2上覆水中氨氮質量濃度為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代表在相同時間不同試驗組的顯著差異(P<0.05)，n=3。圖3 沸石和頁巖陶粒對氨氮的凈化效果Fig.3 Purification Effect of Zeolite and Shale Ceramsite on Ammonia Nitrogen

2.4 對CODCr的凈化效果

C1上覆水中CODCr質量濃度為17.65～129.00 mg/L，隨著試驗進行呈上升趨勢。C2上覆水中CODCr質量濃度為12.67～145.05 mg/L，從第14 d開始整體呈上升趨勢。對比C1和C2發現，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)。這說明沸石和頁巖陶粒覆蓋后，上覆水中CODCr含量逐漸上升，且高于未覆蓋沸石和頁巖陶粒。

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

2.5 對Chl.a的凈化效果

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

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

2.6 對微生物的影響

2.6.1 種群豐度和多樣性分析

如表2所示，3個樣品總產生283 133個有效序列，每個樣品都產生了超過82 000個序列用于后續分析。在97%的相似水平下，3個樣品總產生9 097個OTU。每個樣品的OTU在2 654～3 321，這說明微生物群落結構復雜。Coverage指數≥98.67%，說明每個微生物樣品的OTUs都具有代表性，可以很好地反映微生物樣品信息。通過比較C1S、C2S的Chao1指數和Shannon指數發現二者數值比較接近，說明二者微生物豐富度和微生物多樣性相似。C2Z的Shannon指數大于C1S、C2S，但其Chao1指數小于C1S和C2S，說明沸石和頁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

以高通量測序數據為基礎，通過Venn圖反映C1S、C2S、C2Z中微生物群落結構的差異。C1S、C2S和C2Z共有OTU數目分別占各自14.78%、15.73%、18.50%(圖6)。說明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豐度如圖7所示。

(1)門水平微生物組成及相對豐度

由圖7(a)可知，C1S、C2S和C2Z這3組樣品各有45種菌門，并且出現的大部分菌門較為相似，但三者的相對豐度不一樣。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樣本的群落結構分布圖Fig.7 Community Structure Distribution Map of C1S, C2S and C2Z Samples

(2)屬水平微生物組成及相對豐度

采用高通量測序獲得各樣品中屬水平的微生物組成和相對豐度如圖7(b)所示。屬水平的高通量測序結果表明：C1S中的優勢菌屬為Caldisericum、纖繩菌屬(Levilinea)、長繩菌屬(Longilinea)、史密斯氏菌屬(Smithella)、Ornatilinea、芽孢桿菌屬(Bacillus)，其相對豐度分別是15.78%、10.94%、6.54%、3.18%、1.78%、1.51%。C2S中的優勢菌屬為Caldisericum、Levilinea、Longilinea、Smithella、Ornatilinea和Bacillus，其相對豐度分別是6.89%、16.18%、7.88%、3.93%、3.54%和4.57%。通過對比C1S和C2S發現，沸石和頁巖陶粒覆蓋后，C2S沉積物中Caldisericum的相對豐度降低，Levilinea、Longilinea、Ornatilinea和Bacillus的相對豐度升高。

3 討論

本研究模擬沸石和頁巖陶粒覆蓋對黑臭水體沉積物營養鹽釋放的影響，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無影響。沸石(又稱為吸氨石)能有效吸附水溶液中的氨氮；頁巖陶粒對水溶液中的P也表現出較強的吸附效果。二者按一定比例混合覆蓋后，通過物理吸收和非特異性化學吸收作用，對N、P起到較好的吸附效果[10]。

沸石和頁巖陶粒除了能通過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。通過對沉積物和沸石和頁巖陶粒進行高通量測序，結果顯示沸石和頁巖陶粒覆蓋的沉積物中Caldisericum的相對豐度降低，Levilinea、Longilinea、Ornatilinea和Bacillus的相對豐度升高。

Caldisericum為水解酸化菌屬，可降解雜環化合物，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，是一種異養的厭氧高溫絲狀菌[14]。因此，通過覆蓋沸石和頁巖陶粒降低了沉積物的溫度，這可能是沸石和頁巖陶粒覆蓋的沉積物中Caldisericum相對豐度降低的主要原因。Levilinea和Longilinea屬于厭氧菌屬，覆蓋沸石和頁巖陶粒后可阻礙水體中溶解氧向沉積物中傳輸，從而促進這2種菌屬的生長繁殖。同時，Levilinea和Longilinea能代謝多種碳水化合物，生成有機酸等物質，釋放進入上覆水[15]。這就導致C2中上覆水CODCr含量較高。Ornatilinea屬于反硝化菌屬，對硝酸鹽和亞硝酸鹽等具有較強的反硝化脫氮功能[16-17]。覆蓋沸石和頁巖陶粒后，沉積物形成了一定的缺氧/厭氧微環境，促進Ornatilinea的繁殖生長，增加反硝化脫氮效率。Bacillus屬于異養硝化和好氧反硝化菌[18]，具有脫氮功能。所以，覆蓋沸石和頁巖陶粒后沉積物中Ornatilinea和Bacillus相對豐度的升高，增加沉積物中的脫氮效率，減少N營養鹽向上覆水的釋放。

然而，沸石和頁巖陶粒覆蓋沉積物后，上覆水中TP和TN有時會出現高于未覆蓋沸石和頁巖陶粒的現象，分析原因可能與沸石和頁巖陶粒基質中N、P營養鹽的釋放有關，說明只采取生態基質覆蓋并不能達到穩定效果，建議采取生態基質與沉水植物對沉積物的聯合生態修復措施。

4 結論

(1)沸石和頁巖陶粒的覆蓋能有效抑制沉積物中N、P營養鹽向上覆水的釋放，但會導致上覆水中CODCr含量上升，對上覆水Chl.a無影響。

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

(3)沸石和頁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)沸石和頁巖陶粒的覆蓋偶爾會引起上覆水N、P營養鹽含量上升，建議生態基質與沉水植物聯合作用進行生態修復。