河道黑臭底泥硫自养反硝化的脱氮过程及其微生态效应机制

The problem of urban river sediment pollution is quite serious in China currently. Therefore, the in-situ biochemical oxidation technology with low cost has a good research and application prospect. Previous studies had shown that the nitrate-induced sulfur autotrophic denitrification was the major procedure of the nitrate reduction in the process of marine sediment remediation. However, the research about the sulfur autotrophic denitrification in the black-odor river sediment has rarely been reported until now. Therefore, this research project will concern about the sulfur autotrophic denitrification in black-odor river sediment, investigate the course and the contribution rate of autotrophic denitrification in process of nitrogen reduction using the isotope tracer technology which combined with the nutrient material balance analysis. In the control experiments of environmental factors on sediment autotrophic denitrification, investigation which based on macro genome technology will be conducted to analysis the correlations between the NR-SOB and SRB population changes in sediment, as well as the by-product accumulation mechanism in process of nitrogen reduction. The implementation of this subject is intended to provide basic data and technical reference for the in situ remediation research of the river water environment.

在我国当前城市河道底泥污染严重的背景下，成本较低的底泥原位生化修复技术具有较好的研究和应用前景。已有的相关研究表明，硝酸钙介导的硫自养反硝化反应是海洋污染底泥原位修复过程中的主要氮还原途径，然而关于河道底泥硫自养反硝化的研究却鲜见报道。本课题以硝酸盐介导的城市河道黑臭底泥硫自养反硝化反应为研究对象，利用同位素示踪技术并结合氮硫营养盐的物料平衡来分析硫自养反硝化的脱氮过程及脱氮贡献率。通过环境因子对黑臭底泥硫自养反硝化的调控，利用基于宏基因组的分子生态学技术研究底泥自养反硝化菌和硫酸盐还原菌的种群演替规律和种间生态关系，揭示环境因子影响自养反硝化氮还原副产物累积的微生态学机制。本项课题的实施拟为河道水环境的原位修复研究工作提供基础数据和技术参考。

在城市河道底泥中投加硝酸钙消除和抑制河道黑臭现象是一项经济有效的技术，且在国内外已有一定的工程应用。然而，硝酸钙溶液投加到底泥中以后，硝酸盐的快速释放，硝酸盐介导的自养反硝化、厌氧氨氧化等反应的定量分析，以及相应的底泥微生物多样性变化值得关注。本项目研究了典型城市黑臭河道的水质、底泥相关理化指标以及微生物多样性的时空变化，硝酸盐的投加参数优化及其机理，以及底泥自养反硝化的脱氮贡献率。主要研究结果包括：1）所研究的城市河道整体水质为劣Ⅴ类且黑臭，4月份水质最差，8月份水质最好；底泥黑臭严重但受季节的影响不明显。2）底泥的优势微生物类群主要为Gammaproteobacteria 和Deltaproteobacteria；外源污染可以减少底泥的微生物多样性，但并未导致不同点位微生物种群结构的均质化。3）与传统的硝酸钙溶液注射比较，投加硝酸钙缓释颗粒修复黑臭底泥具有更好的技术经济优势。多种材料的筛选和底泥修复试验表明，缓释颗粒（硝酸钙+黄土+蛭石）释放到上覆水中的硝酸盐量相对最低，在黑臭底泥中消耗的硝酸盐最多，对底泥的修复效果最好；且该处理下底泥的微生物种类相对最多，与其它组差异最大。4）在底泥表面投加缓释颗粒对表层底泥的微生物产生了明显的影响。无论投药与否，表层样品（0～3cm）的微生物种群结构均与中层（6～9cm）和底层（12～15cm）的差异较大。5）外加硝酸盐主导了底泥中自养反硝化的发生，且该反应几乎完全消耗了外加的硝酸盐，该反应的强度在15天左右达到最大。6）在149gN/m2的投加量下自养反硝化的效率最高，在投药后的15-18d 左右，底泥的自养反硝化反应的产气量的增加率最大。自养反硝化的贡献率的变化范围为22%～52%，在15～20天左右脱氮贡献率最高。异养反硝化的贡献率在实验的开始和结束的几天最高。厌氧氨氧化的在实验中后期贡献率最高，约在30～35天。