类固醇雌激素在人工湿地根区的生物降解机制及强化研究

污水处理厂尾水和农村养殖面源污染中的类固醇雌激素(SEs)污染是水生态保护的一大难题。尽管高级氧化、活性炭吸附、膜技术等对SEs去除效果较好，但成本过高无法推广应用。人工湿地省投资、易管理、低能耗，非常适合尾水处理及面源控制，并已开始应用，但关于其去除SEs的机理及应用研究都十分缺乏。本课题围绕湿地中SEs的生物降解这一关键问题，采用室内试验与数值模拟相结合的方法，研究:1)硝化作用耦合的SEs共代谢降解,2)根系分泌物选择性驯化根区微生物与SEs降解之间的耦合关系，及3)根区关键氧化还原酶的活性对SEs降解的影响。并探索沸石对强化硝化共代谢降解SEs、和压缩填料层深度对强化根系分泌物诱导根区微生物共代谢降解SEs的作用。研究成果将从共代谢和生长代谢两方面揭示SEs在湿地根区的降解机制，为如何提高人工湿地对SEs的去除能力提供科学依据，对减小SEs的生态影响、保护水环境具有十分重要的意义。

本课题首先研究优化了类固醇雌激素(SEs)的定量测定方法。采用响应面法优化固相萃取程序，采用二次多项式模型预测回收率和各影响因素之间的关系。雌酮(E1)，17β-雌二醇(E2)和17α-乙炔基雌二醇(EE2)的回收率分别达到81.63%, 88.86%和84.55%。在此优化条件下对江苏三种典型工艺的污水处理厂进、出水中的SEs进行了测定。.等温吸附试验表明，对雌激素的吸附量顺序为陶粒>沸石>钢渣，且陶粒对E1的吸附量大于EE2，沸石和钢渣对E1的吸附量小于EE2。Freundlich模型对实验结果的拟合性较好。脱附率大小表现为陶粒>沸石>钢渣。红外光谱检测结果表明，湿地填料对雌激素的吸附主要是物理吸附。. 在种植植物的湿地中，不管进水氨氮浓度如何变动，E1的去除率和微生物数量之间总是有正相关关系，表明E1和微生物降解有关；而EE2的去除率和硝化细菌数量呈正相关关系，表明EE2的去除可能和硝化反应之间存在共代谢关系。. 在添加了模拟根系分泌物的人工湿地中，SEs降解更加显著。这可能是因为根系分泌物能促进某些微生物种群的繁殖，而这些微生物种群分泌的酶也能同时分解SEs。在添加不同浓度模拟根系分泌物的条件下，E1的去除率和根系微生物密度之间存在正相关关系，表明E1和模拟根系分泌物之间可能存在共代谢关系。实际的芦苇和美人蕉的根系分泌物也能明显促进EE2的去除，去除率达到95%。. 研究了不同深度的人工湿地（20cm、30cm、40cm）对SEs的去除效果，结果表明，填料深度越浅，水中溶解氧浓度越高，微生物密度越大，对SEs的去除速率越快。各湿地SEs去除速率与细菌密度、硝化强度呈正相关。. 在本研究过程中尝试了在人工湿地根区构建微生物燃料电池(MFC)，以达到污水处理和产能的双赢，并强化去除SEs。研究构建了一种单室无质子交换膜的连续上向流微生物燃料电池型人工湿地，阴极在湿地表面，利用空气中的氧气进行还原反应，阳极则设置在湿地底部靠近根系的地方。研究结果表明，MFC和人工湿地耦合后，可大幅度提高SEs的去除效率。. 研究成果表明，氨氮硝化作用，添加植物根系分泌物，压缩植物根系空间，以及将微生物燃料电池嵌入人工湿地结构中，都能有效强化人工湿地对SEs的去除效果，为人工湿地强化去除雌激素提供了理论依据。