城市河道内源硫影响厌氧氨氧化过程的研究进展何岩

第６期２０１８年１１月华东师范大学学报（自然科学版）ＪｏｕｒｎａｌｏｆＥａｓｔＣｈｉｎａＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅ）Ｎｏ．６Ｎｏｖ．２０１８文章编号：１０００－５６４１（２０１８）０６－００６８－０６城市河道内源硫影响厌氧氨氧化过程的研究进展何岩１＞２，陈静涵１＞２，黄民生１＞２，许怡雯夂２（１．华东师范大学生态与环境科学学院，上海２００２４１；２．华东师范大学上海市城市化生态过程与生态恢复重点实验室，上海２００２４１）摘要：评述了当前城市河道内源硫影响厌氧氨氧化过程的研究现状以及二者之间可能的微生物作用关系；指出了对于黑臭河道治理后呈现的高氮营养盐和较低碳氮比（Ｃ／Ｎ）生境，今后应重视新型化能自养的厌氧氨氧化过程在河道氮转化过程中的作用，包括“硫自养部分反硝化－厌氧氨氧化”、“硫酸盐型厌氧氨氧化”和“铁自养型厌氧氨氧化”等，以及内源硫如何影响厌氧氨氧化过程的发生和二者之间的耦合关系；不仅为强化氮营养盐的去除提供了崭新的视角，而且为阐明水圈微生物驱动氮与其他元素循环机制的基础理论提供了有益补充．关键词：城市河道；内源硫；厌氧氨氧化；氮削减中图分类号：Ｘ５２２文献标志码：ＡＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．ｌ０００－５６４１．２０１８．０６．００８ＡｒｅｖｉｅｗｏｆｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｅｎｄｏｇｅｎｏｕｓｓｕｌｆｕｒｏｎａｎａｅｒｏｂｉｃａｍｍｏｎｉｕｍｏｘｉｄａｔｉｏｎｉｎｕｒｂａｎｒｉｖｅｒｓＨＥＹａｎ１，２，ＣＨＥＮＪｉｎｇ－ｈａｎ１，２，ＨＵＡＮＧＭｉｎ－ｓｈｅｎｇ１，２，ＸＵＹｉ－ｗｅｎ１，２（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｃｏｌｏｇｉｃａｌａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＳｃｉｅｎｃｅｓ，ＥａｓｔＣｈｉｎａＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２００２４１，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｈａｎｇｈａｉＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｆｏｒＵｒｂａｎＥｃｏｌｏｇｉｃａｌＰｒｏｃｅｓｓｅｓａｎｄＥｃｏ－Ｒｅｓｔｏｒａｔｉｏｎ，ＥａｓｔＣｈｉｎａＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２００２４１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｒｅｖｉｅｗｓｔｈｅｓｔａｔｅｏｆｃｕｒｒｅｎｔｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｅｎｄｏｇｅｎｏｕｓｓｕｌｆｕｒｉｎｔｅｒ？ｖｅｎｉｎｇｉｎａｎａｅｒｏｂｉｃａｍｍｏｎｉｕｍｏｘｉｄａｔｉｏｎａｓｗｅｌｌａｓｐｏｓｓｉｂｌｅｃｏｕｐｌｅｄｍｉｃｒｏｂｉａｌｐｒｏｃｅｓｓｅｓ．Ｆｕｔｕｒｅｒｅｓｅａｒｃｈｓｈｏｕｌｄｆｏｃｕｓｏｎｔｈｅｒｏｌｅｏｆｎｅｗ－ｔｙｐｅａｕｔｏｔｒｏｐｈｉｃａｎａｅｒｏｂｉｃａｍｍｏｎｉｕｍｏｘｉｄａｔｉｏｎｉｎｎｉｔｒｏｇｅｎ－ｃｙｃｌｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｅｓｉｎｕｒｂａｎｒｉｖｅｒｓ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｓｕｌｆｕｒ－ｄｒｉｖｅｎａｕｔｏｔｒｏｐｈｉｃｐａｒｔｉａｌｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｗｉｔｈａｎａｅｒｏｂｉｃａｍｍｏｎｉｕｍｏｘｉｄａｔｉｏｎ，ｓｕｌｆａｔｅ－ｔｙｐｅａｎａｅｒｏｂｉｃａｍｍｏ？ｎｉｕｍｏｘｉｄａｔｉｏｎ，ａｎｄｆｅｒｒｉｃｉｒｏｎｒｅｄｕｃｔｉｏｎｃｏｕｐｌｅｄｗｉｔｈａｎａｅｒｏｂｉｃａｍｍｏｎｉｕｍｏｘｉｄａｔｉｏｎ；ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ，ｆｕｔｕｒｅｒｅｓｅａｒｃｈｓｈｏｕｌｄｅｘｐｌｏｒｅｔｈｅｒｏｌｅｏｆｅｎｄｏｇｅｎｏｕｓｓｕｌｆｕｒｉｎｉｎｔｅｒｖｅｎｉｎｇｉｎａｎａｅｒｏｂｉｃａｍｍｏｎｉｕｍｏｘｉｄａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｉｒｃｏｕｐｌｅｄｐｒｏｇｒｅｓｓｉｎｔｒｅａｔｉｎｇｕｒｂａｎｒｉｖｅｒｓｗｉｔｈａｈｉｇｈｌｅｖｅｌｏｆｎｉｔｒｏｇｅｎａｎｄａｌｏｗＣ／Ｎｒａｔｉｏ．Ｔｈｉｓｉｓｏｆｇｒｅａｔｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｆｏｒｓｏｌｖｉｎｇｔｈｅｉｓｓｕｅｏｆｈｉｇｈｎｉｔｒｏｇｅｎｌｅｖｅｌｓｉｎｔｒｅａｔｉｎｇｐｏｌｌｕｔｅｄｕｒｂａｎｒｉｖｅｒｓａｓｗｅｌｌａｓｉｍｐｒｏｖｉｎｇｏｕｒ收稿日期：２０１８－０９－１２基金项目：国家自然科学基金（４１８７７４７７）；上海市自然科学基金（１６ＺＲ１４０８８００；）；上海市科技创新重点项目（１８ＤＺ１２０３８０６）；上海市浦江人才计划（１６ＰＪＤ０２３）第一作者：何岩，女，副教授，硕士生导师，研究方向为水环境治理与修复、难降解工业废水处理等．Ｅ－ｍａｉｌ：[e-mail]．第６期何辑，攀城市轲電＿１娜＿ｉ■奪屬氧化过：程翁儀鸾雜展８９ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇｏｆｍｉｃｒｏｂｉａｌｐｒｏｃｅｓｓｅｓｏｆＮ－ａｎｄＳ－ｃｙｃｌｉｎｇｉｎａｑｕａｔｉｃｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｕｒｂａｎｒｉｖｅｒ；ｅｎｄｏｇｅｎｏｕｓｓｕｌｆｕｒ；ａｎａｅｒｏｂｉｃａｍｍｏｎｉｕｍｏｘｉｄａｔｉｏｎ；ｎｉｔｒｏｇｅｎｒｅｍｏｖａｌｏ引言健康的水体环境是城市可持续发展的童：要保障．为了尽快遏制我国城市水污染趋势、改善城市水环境质意近年来许多城市根据自身特点，开展了相应的黑臭河道整治工程？污染负荷得到了大幅度削减，然而：氮費养盐仍处于较高的水平３其主要庳爾是目前柯道治理中往往关注氡氮的去除，侧童于氮氣的硝化转化而忽视氮．的脱除过程，导致总氯去除率偏低的现象普遍存在Ｍ；而且对于接纳污水处理厂尾水（一级Ａ总氮排放标准：ＩＳｍｇ／Ｌ）的河道，硝酸盐氮在水体中的积累进一獻加太了提高总氮去除率的維縻ｆｓ＿５ｌ图１为生活汚水排放与河流水质标准的比较，黑臭河道治理后的高氮营养盐往＆是使河道由“黑奥ｓ演变为“水华”的重要因素，这也是本课题组在黑臭河道治理的工程实践和调研其他城市河道治理经验中发现的新问题ｆＹ－生活污水排放标准一级Ａ—级Ｂ二级圈１生靖污本排放和河海水廣标淮傅比較Ｆｉｇ．１Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｄｏｍｅｓｔｉｃｗａｓｔｅｗａｔｅｒｄｉｓｃｈａｒｇｅｓｔａｎｄａｒｄｓａｎｄｒｉｖｅｒｗａｔｅｒｑｕａｌｉｔｙｓｔａｎｄａｒｄｓ真＿＿化作为穩的生物地球化学猶坏的：虞要坏节＞其＿節ｔ鐘：负荷削减过痕中的作用日，益受到重视，特别是黑臭河遣治理后，有机负荷得到了大幅度削减，呈现的商氮營养盐和较低Ｃ／Ｎ生境更有利于厌氧氨氧化过程的发生．相比于氮营养盐，｜前对城市河道内源硫的环境行为关注较少．事实上，硫作为生物地球化学循环的重要元素，其在河道体系内的含量往往富于氮营养盐１个数量级以上且与水体污染最为直接的感官指标“黑臭８密切相关Ｉ１气对于黑臭河道治理后里现的高氮营养盐和较低Ｃ／Ｎ生境，新型化能自养的“斑＿氣＿化”如何参趣其中的氮转化过糧，内源硫如何德响厌氧氣輕化过義的复ｆｔ：，：梟一项值得探讨的工作，对于患善“氮循环”机制的认识以及氮营养盐的有效削减均具有重要的现实意义．１城市河道内源硫对厌氧氨氧化过程的影响长期以来，人们认为水环境中氮的去除主要归＿于反硝化作用，在城市河道内源氮老７０华东师范大学学报（自然科学版）２０１８年除方面也主要针对反硝化开展了较多的研究，包括不同环境因子如ｐＨ值、溶解氧（ＤＯ）、温度和有机质含量等对其的影响作用［１５＿１７１＋然而，自２００２年海洋中厌氧氨氧化过程的发现［１８！，越来越多的证据表明厌氧氨氧化在水生态系统（海洋！１９－２°１、河口！２１－２２！、湖泊！２３－２４］和湿地［２５－２６］｝氮素循环中起着不容忽视的作用．河流生态系统中厌氧氨氧化的功能特征也逐渐受到关注，当前研究主要集中在功能菌群分布＾°，２７＿２８１、活性特征Ｍ以及厌氧氨氧化过程对河道脱氮贡献的定量分析Ｉ２９－３＇对于黑臭河道治理后呈现的高氮营养盐和较低Ｃ／Ｎ生境，厌氧氨氧化如何参与其中氮转化过程的研究尚未见诸报道．硫是河道生态系统的重要组成元素，其含量往往高于氮营养盐１个数量级以上．目前关于城市河道中硫的环境行为的研究较少，主要从致黑、致臭角度进行较多分析［１４１，对于其中氮、硫相互作用的研究主要针对“投加硝酸钙（盐）”这一底泥修复条件下的硫自养反硝化过程Ｐｉ－３３１．不同的是，近几年硫对海洋、海湾、河口和湿地等沉积物中氮转化的作用日益受到重视［３４＿３６１．２０１４年Ｋｒａｆｔ等指出，海湾沉积物中大约２５％的硝酸盐去除与“神秘的硫循环（ｃｒｙｐｔｉｃｓｕｌｆｕｒｃｙｃｌｅ）”有关［３４１；—些文献对内源硫与厌氧氨氧化之间的关系也给予了初步分析和推测１３７＿３９１．这些研究证实了内源硫对氮转化过程的影响作用不容忽视．然而，目前关于硫化物如何影响厌氧氨氧化过程的研究结论仍存在分歧［３７，３９＿４５１，硫酸盐还原与厌氧氨氧化的交互作用（共生或竞争）也尚未定论１３４，３８，４６１＋例如，一些研究表明［４Ｑ＿４２１，硫化物对厌氧氨氧化过程呈现明显的抑制作用，并且属于不可逆抑制＠１；另外一些学者１３７，４４＿４５１则认为，硫化物并不会对厌氧氨氧化产生抑制，甚至会具有一定的促进作用，推测硫化物参与的自养反硝化可为厌氧氨氧化过程提供亚硝酸盐１３７１以及可能存在一些厌氧氨氧化菌对硫化物具有耐受性１４６１另外，内源硫对于厌氧氨氧化过程的影响作用还受到周边环境因子的影响．例如，ｐＨ值是决定硫化物对ＡＮＡＭＭＯＸ（ＡｎａｅｒｏｂｉｃＡｍｍｏｎｉｕｍＯｘｉｄａｔｉｏｎ）微生物毒性的关键因子，较低ｐＨ值下产生的Ｈ２Ｓ会增强硫化物的毒性，而在碱性条件下，其毒性明显削弱Ｐ１．有机物的存在会加速异养反硝化作用，并与厌氧氨氧化及自养反硝化竞争基质，从而抑制厌氧氨氧化及硫自养反硝化活性［４８＿４９］＋黑臭河道治理后，有机负荷得到了大幅度削减，呈现的较低Ｃ／Ｎ生境有利于化能自养的硫自养反硝化和厌氧氨氧化过程的发生，而且体系中较高的ｐＨ值（７．３￣８．２）也有利于削弱硫化物对厌氧氨氧化的毒性，然而二者如何共存以及各自在氮转化过程中的作用和地位尚不明确．还原态的硫化物参与硫自养反硝化过程１３１＿３２１，可通过电子供受体（ＮＯｆ或ＮＯｆ）与厌氧氨氧化形成交互（共生或竞争）作用１３７１；而氧化态的硫酸盐的还原可促使硫化物的再生，同时也可能参与到硫酸盐还原的厌氧氨氧化过程（ＳＯ〗或ＮＨＪ—Ｓ２或Ｎ２）！３８ｌ，这些都会直接或间接影响到厌氧氨氧化过程的发生．因此，探明内源硫如何介入厌氧氨氧化过程，对于完善“氮循环”机制的认识以及解决黑臭河道治理后凸现的高氮营养盐问题，具有重要的学术意义和工程应用价值．２城市河道内源硫与厌氧氨氧化过程相互作用的微生物特性城市河道内源硫与厌氧氨氧化过程的相互作用是一个涉及化学、生物、物理等多种因素的多相复杂的生物地球化学过程，其中涉及的３个主要相互过程，即厌氧氨氧化、硫自养反硝化和硫酸盐还原过程，均由微生物驱动（图２）．随着２００２年海洋中厌氧氨氧化过程的发现其在水圈氮循环中的作用日益受到重视１１９＿２６１；２００６年Ｓｃｈｕｂｅｒｔ等首次在淡水湖泊ＬａｋｅＴａｎｇａｎｙｉｋａ中证实了厌氧氨氧化的存在目前关于厌氧氨氧化菌（ＡＮＡＭＭＯＸ）的第６期何辑，攀城市轲電＿１娜＿ｉ■奪屬氧化过：程翁儀鸾雜展７１研究主要集中在其菌群的分布和功