內電解強化沉水植物凈化城市水體過程的微生物演變

劉嵐昕于素晗李娜，2，王赫冷雪飛李崇包震宇

(1.遼寧省生態環境保護科技中心，遼寧 沈陽 110161；2.大連理工大學環境學院，遼寧 大連 116023；3.沈陽師范大學實驗教學中心，遼寧 沈陽 110034)

隨著中國城市化的快速發展和工業的不斷擴張，生活污水和工業廢水的排放量顯著增加，使得水污染問題形勢嚴峻，大量含有氮磷的有機污染物進入城市水體，使得城市大量河流水質惡化嚴重，黑臭現象頻發[1]。黑臭水體污染日益增加，城市河道水體的生態結構受到嚴重的破壞，不僅威脅沿岸居民的身心健康，同時也制約著我國良好的城市發展模式[2]。國務院頒發的《水污染防治行動計劃》指出，到2030年這個時間節點，處于城市建成區的黑臭水體應該總體得到消除。雖然多年來在國家及省科技部門的大力支持下，已經研發了多項先進技術成果，突破了一些關鍵技術，取得了一些治理成效，但返黑返臭現象頻發。針對城市水體水質長效改善，現有水污染治理技術仍需完善提升，以滿足支撐遼河流域水環境改善的需求。

目前，國內外城市黑臭水體修復方法有物理法、化學法和生物生態法。物理方法，包括人工曝氣、疏浚沉積物、引水稀釋和機械除藻，這些是基本的傳統方法，需要大量的人力、物力、財力和時間。化學方法，包括化學氧化、增強絮凝、化學沉淀和化學除藻，使用這些方法產生二次污染是不可避免的。生物生態方法，包括植物凈化技術、微生物技術、生物膜技術、人工濕地技術和組合生物技術，這些方法都是環保的，旨在提高河流的自凈能力，恢復其生態系統[3]。與傳統的物理和化學方法相比，生物生態法可以更有效地去除污染物，對人類和環境的影響相對較小。目前，生物處理黑臭水體是一種長期可行的策略[4]。

生物-生態污水原位治理方法是利用植物或微生物的生命活動，對水體中的污染物進行轉移、轉化及降解，從而凈化水體的技術。沉水植物是水生態系統發展程度的標志，沉水植物可改善水體水質，恢復水體生態。趙文婧等[5]對金魚藻、穗花狐尾藻、苦草凈化富營養化水體的處理效果進行研究，結果表明，在人工浮床種植模式下，苦草、穗花狐尾藻和金魚藻對自然水體中總氮的去除率分別為49.4%、55.9%和53.8%，總磷的去除率分別為15.0%、39.6%和47.8%，表明沉水植物種植浮床生長模式可以有效凈化處理不同程度的富營養化水體。Zhang等[6]為了確定改善水質所需的最佳沉水植物覆蓋率，在我國白洋淀的一個子湖進行了實地調查和模擬試驗，檢驗了2個季節和5個沉水植物覆蓋梯度的影響，試驗結果顯示，覆蓋度為25%、50%、75%和90%的總氮含量分別比0%下降了76.43%、90.98%、88.28%和84.32%，總磷含量分別下降了85.15%、88.48%、87.76%和79.00%。然而，在實際應用過程中發現，生物-生態水體凈化技術難以實現穩定控制，優化生物生態治理技術，提高微生物、植物的適應性，將是下一步的研究方向。

鐵碳內電解是利用金屬腐蝕原理法，形成原電池對廢水進行處理的良好工藝，內電解技術是處理高濃度有機廢水的一種理想工藝。其是在不通電的情況下，利用填充在廢水中的微電解材料自身產生1.2V電位差對廢水進行電解處理，以達到降解有機污染物的目的。鐵碳內電解是一種低成本、高效的電化學方法，用于處理不同類型的廢水，包括制藥、石油、化工等廢水。Huang等[7]建立了含鐵碳填料和含陶粒填料的人工濕地，探索含鐵碳填料的人工濕地的污染物去除性能，結果表明，無碳源的CW-Fe系統具有更好的總磷去除性能。Li等[8]對鐵碳內電解基質人工濕地脫氮除磷及其機理進行研究，試驗結果表明，與傳統人工濕地相比，Fe和Fe-C組合的總氮去除率分別為76.1±0.6%和86.5±1.7%，對于Fe-C組合，Fe是去除硝酸鹽的電子供體。Fe產生了大量的Fe2+和Fe3+，生物炭為細菌粘附和Fe陽離子與磷酸鹽的共沉淀提供了大的表面，添加Fe-C后，總磷去除率高達98%，Fe-C組合是人工濕地的高效、環保的功能基質。

本研究從城市水體生態修復入手，以城市黑臭水體為處理對象，構建了鐵碳內電解強化的沉水植物凈化城市水體的耦合體系，分析其對城市水體的凈化效能以及耦合體系中的微生物群落結構演變，為黑臭水體除污富氧提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

試驗裝置如圖1所示。主體部分是總容積為25L的方形塑料箱，箱高35cm，上口徑邊長為30cm，下口徑邊長為27cm。苦草種植于圓形定植籃中，定植籃中的基質由上到下依次為鐵碳填料、生物填料、陶粒。將種植好苦草的定植籃按相應的投加量置于方桶底部，注入黑臭污水。試驗于室溫條件下進行，溫度為18～22℃，白天苦草用全光譜補光燈補充光照，照度為6000lx，6500～7500k冷色溫，光照10h。

圖1 試驗裝置示意圖

1.2 試驗材料

鐵碳填料是直徑為2.5cm的橢圓球體，鐵和碳的質量分數分別為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，再用清水沖洗至中性[9]。苦草為四季常青矮生苦草，選長勢好，根系發達，株高及葉片數相近的苦草進行試驗。陶粒為輕質陶粒，粒徑為1～2mm。生物填料為大連宇都改性生物懸浮填料。本試驗中為了試驗的快速啟動，生物填料先用模擬城市黑臭水掛膜培養20d，待填料表面生成生物膜后再置于定植籃中進行試驗。

1.3 試驗用水

黑臭水的水質受環境溫度、采樣時間和位置的影響很大，為保證試驗的可重復性，試驗采用模擬黑臭水進行。模擬黑臭水的配方[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。使用前將混合物在20～25℃密封桶中保存8d。

1.4 測試項目與方法

測試項目包括各種常規水質指標，均采用《水和廢水監測分析方法》中的標準方法進行監測。COD采用重鉻酸鉀法測定，氨氮、NO2--N和NO3--N分別采用納氏試劑比色法、N-(1-萘基)-乙二胺光度法監測和紫外分光光度法監測。

1.5 微生物高通量測序分析

為了考察系統中微生物群落結構的變化，對系統中苦草根際微生物群落進行了高通量測序分析。對苦草根際微生物進行DNA提取、PCR擴增和產物純化，并使用Illumina MiSeq測序平臺，由上海美吉生物醫藥科技有限進行測序分析。

2 結果與討論

2.1 耦合體系的處理效能

耦合體系經過25d的運行，氨氮的轉化率為90.51%，TN去除率為84.93%，TP的去除率為97.38%，取得了較好的處理效果。

2.2 耦合體系中微生物群落演變和相互作用

對耦合體系中的鐵碳填料、微生物填料和水體中的微生物群落結構進行了分析。耦合體系運行第5天，鐵碳填料、微生物填料和水體的微生物樣本分別為F1、B1、W1；耦合體系運行第25天，鐵碳填料、微生物填料和水體的微生物樣本分別為F2、B2、W2。

2.2.1 耦合體系中微生物的豐富性和多樣性

如圖2所示，測序數量隨著OTU數量的增加而增加。當測序次數少于10000次時，曲線迅速增加，表明檢測到許多新物種。當測序數量超過30000時，曲線增長較慢，表明檢測到的新物種較少。大多數物種是在生長趨勢為零時被發現的。每個樣本的測序數量平均達到40000多個，可以有效地反映物種的豐富度。此外，稀釋曲線可以反映每個樣本的物種豐富度。當測序數量超過10000時，鐵碳填料和生物填料中的微生物增長較快，耦合體系中物種豐富度的順序為F2>F1>B2>B1>W2>W1。

圖2 Alpha多樣性比較(稀釋曲線)

表1中的覆蓋指數反映了16s rRNA數據庫的測序覆蓋率，可以看出每個微生物樣本的覆蓋率均在99.80%以上。Alpha多樣性用于反映每個樣本的物種多樣性。在Alpha多樣性指數中，ACE和Shannon用于反映物種豐富度和群落多樣性，這在物種多樣性評估中很重要。ACE值越高，樣本的物種豐富度就越高，Shannon值越高，樣本的群落多樣性就越高。從表1中可以看出，物種豐富度的順序為F2>F1>B2>B1>W2>W1，這與稀釋曲線的結果一致。同時，根據各微生物樣本的Shannon值可以看出，隨著耦合體系的運行，系統中微生物的豐富度和多樣性都呈增加趨勢。這與Zhao等得出的結論，向人工濕地中添加鐵(Fe0、Fe2+、Fe3+)促進了Shannon指數相一致[11]。

表1 耦合體系微生物樣本的Alpha多樣性

2.2.2 微生物在耦合體系中的分布和演變

圖3所示的Sunburst圖展示了B1、B2、F1、F2、W1、W2 6個樣品微生物群落的層級分類學組成信息。從最里圈向最外圈依次為門、綱、目、科、屬，不同顏色表示不同的門。可以看出鐵碳填料、微生物填料和水體中的微生物群落結構是不同的，存在差異性，在黑臭水體的生態修復中的作用也不盡相同。從圖4微生物功能熱圖可以看出，隨著耦合體系的運行，系統的自養脫氮能力有所增強。

圖3 微生物多級物種Sunburst圖

圖4 微生物的功能熱圖

由圖5可以看出，耦合體系中的優勢菌Rhodobacter，Hydrogenophaga，Pseudomonas，Pseudoxanthomonas，Arenimonas和Rhodocyclaceae的豐度在系統中呈上升趨勢，均是有自養反硝化作用的微生物[12]。氨氧化菌Chitinophagaceae豐度在生物填料和鐵碳填料中增加，在水體中減少。與脫氮除磷除碳相關的微生物norank_f__Rhizobiales_Incertae_Sedis，norank_f__Caldilineaceae，AKYG587，unclassified_f__Comamonadaceae，norank_f__A4b的豐度在耦合體系中均呈上升趨勢。此外，Hydrogenophaga，Mycobacterium和Rhodobacter有同步硝化反硝化作用，Hydrogenophaga，Rhodobacter，Bacillus與磷循環相關，Rhodobacter和Pseudomonas是電活性菌，具有耐低溫特性。norank_f__JG30-KF-CM45利于苦草生長，Pseudomonadaceae可防植物病蟲害。在Proteobacteria菌門中發現了Nitrosomonadaceae，屬于AOB。

圖5 屬水平的微生物組成

3 結論

鐵碳內電解強化的沉水植物耦合體系凈化城市水體取得了較好的處理效果，對耦合體系中的微生物群落分析結果顯示，耦合體系經過20d的運行，微生物多樣性和豐富性顯著提高，有自養反硝化作用的微生物Rhodobacter，Hydrogenophaga，Pseudomonas，Pseudoxanthomonas，Arenimonas和Rhodocyclaceae在耦合體系中為優勢菌，其豐度呈上升趨勢，耦合體系的脫碳除磷能力增強。