李衛(wèi)平，張少康,，李曉光，王 凡，李國(guó)文，郝 禹，張列宇,*

1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010 2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，國(guó)家環(huán)境保護(hù)地下水污染過(guò)程模擬與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012 3.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院流域水環(huán)境污染綜合治理研究中心，北京 100012

底泥是水體生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是水體中氮磷營(yíng)養(yǎng)物主要儲(chǔ)存庫(kù)[1].底泥有機(jī)質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)鹽在厭氧條件下被SRB (硫酸鹽還原菌)發(fā)酵并分解，產(chǎn)生CH4、H2S、CH4S、FeS和MnS等惡臭氣體及黑色物質(zhì),造成水體變臭發(fā)黑[2-3].近年來(lái)，底泥污染物對(duì)上覆水的釋放累積導(dǎo)致水體污染現(xiàn)象屢見(jiàn)不鮮[4].因此，底泥污染的內(nèi)源治理是防治黑臭水體“反彈”的關(guān)鍵[5].

消除底泥黑臭主要有清淤疏浚和原位修復(fù)兩類方法.通常清淤疏浚工程龐雜，不利于底泥的快速處理和二次利用[6].其中，以硝酸鈣為修復(fù)劑的底泥原位處理技術(shù)得到廣泛關(guān)注[7-9]，其修復(fù)機(jī)理為缺氧條件下，硝酸鈣為底泥微生物提供電子受體，促進(jìn)脫氮菌群快速繁殖，抑制SRB生長(zhǎng)并降低AVS(酸揮發(fā)性硫化物)的生成和釋放，該技術(shù)成本低廉且快捷有效.TANG等[7]利用硝酸鈣和好氧反硝化菌來(lái)控制底泥中的氮素，修復(fù)115 d時(shí)TN含量減少了16.5%，可轉(zhuǎn)移態(tài)氮含量從0.097 mg/g增至0.109 mg/g.劉樹(shù)娟等[10]以硝酸鈣為修復(fù)劑處理深圳河底泥，其中92%的AVS被去除.但當(dāng)硝酸鈣投加量過(guò)高(硝酸鈣用量占底泥質(zhì)量比例為2.5%～6.0%)時(shí)，將導(dǎo)致底泥硝酸鹽含量的急劇升高，對(duì)底棲動(dòng)物和水體動(dòng)植物造成巨大危害[2,11].減少硝酸鈣用量可在一定程度上消除硝酸鹽激增引發(fā)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，并降低投藥成本，但硝酸鈣修復(fù)劑仍有可能在厭氧條件下發(fā)生DNRA(異化還原成銨)過(guò)程，并進(jìn)一步對(duì)水體產(chǎn)生危害[12].研究[13-14]表明，低氧曝氣技術(shù)可有效提升并改善水體DO及ORP條件，促進(jìn)底泥微生物脫氮并防止硝酸鹽的DNRA過(guò)程，這對(duì)于恢復(fù)泥水體系自凈功能至關(guān)重要，而針對(duì)提升低氧曝氣條件下硝酸鈣對(duì)黑臭水體修復(fù)效果的研究仍鮮見(jiàn)報(bào)道.

基于此，該研究將低劑量硝酸鈣作為修復(fù)劑聯(lián)合水體低氧曝氣技術(shù)，探討不同修復(fù)條件下對(duì)底泥-上覆水體系中DO、ORP、TN、NH3-N、NO3--N、TOC(總有機(jī)碳)及AVS等指標(biāo)含量的影響，確定最佳反應(yīng)參數(shù).結(jié)合高通量測(cè)序技術(shù)，探究該技術(shù)方法在底泥修復(fù)過(guò)程中的優(yōu)勢(shì)菌群，明確底泥菌群轉(zhuǎn)化規(guī)律，以期為黑臭水體治理工程提供一種經(jīng)濟(jì)且高效的技術(shù)方法.

1 材料與方法

1.1 樣品采集及預(yù)處理

試驗(yàn)底泥采自白洋淀與大清河流域(雄安新區(qū))某污水庫(kù)納污坑塘(38°47′50″N、115°39′43″E).利用彼得森采泥器收集深度為0.4～0.8 m受污染底泥，去除枝葉和石塊等雜質(zhì)，裝入自封袋；采集20 L河水裝入采樣桶用作試驗(yàn)上覆水.將密封好的底泥、水樣樣品迅速運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，儲(chǔ)存于4 ℃冰箱中，避光保存.

1.2 底泥及上覆水修復(fù)

常溫下，利用氮吹儀將底泥樣品中的植物殘?jiān)图?xì)沙礫去除并攪拌均質(zhì).稱取1 kg底泥樣品倒入有機(jī)玻璃柱容器底部并投加硝酸鈣修復(fù)劑，硝酸鈣用量分別占底泥質(zhì)量的0.5%和1.2%，充分?jǐn)嚢柚敝寥咳苡跐衲嘀?，分別記作C1和C2組.為防止過(guò)量的硝酸鈣向水體釋放，將未經(jīng)處理的底泥覆蓋在已處理底泥上方(厚約2 cm)，再將2 L河水水樣緩慢注入玻璃容器中，密封容器以防止水分蒸發(fā).重復(fù)上述步驟，利用氣體流量計(jì)控制曝氣速率(0.05～0.10 m3/h)對(duì)底泥界面上方進(jìn)行持續(xù)低氧曝氣，分別記作CH1和CH2組.設(shè)置3組平行試驗(yàn)，并做空白組對(duì)照，試驗(yàn)周期為30 d，分別在第1、2、3、5、7、10、14、21、30天采集水樣和泥樣進(jìn)行指標(biāo)測(cè)定.

1.3 高通量測(cè)序

采用1%的瓊脂糖凝膠電泳完成樣本DNA組提取，利用PCR擴(kuò)增儀(ABI GeneAmp? 9700型)對(duì)底泥樣品細(xì)菌的16S rRNA進(jìn)行擴(kuò)增，設(shè)計(jì)引物及序列分別為338F(ACTCCTACGGGAGGCAGCAG)和806R(GGACTACHVGGGTWTCTAAT).反應(yīng)參數(shù)：95 ℃預(yù)變性3 min；95 ℃變性30 s、55 ℃退火30 s、72 ℃延伸45 s，并循環(huán)27次；72 ℃延伸10 min，終止溫度為10 ℃；擴(kuò)增產(chǎn)物作為變性梯度凝膠電泳(PCR-DGGE)上樣樣品進(jìn)行終測(cè).通過(guò)Illumina MiSeq平臺(tái)獲得細(xì)菌物種分類的OTU (operational taxonomic unit)，并將所有序列進(jìn)行OTU劃分，對(duì)97%相似水平的OTU利用QIIME軟件進(jìn)行生物信息統(tǒng)計(jì)分析[15].

1.4 檢測(cè)指標(biāo)及分析方法

水溫、pH、ρ(DO)和ORP采用水質(zhì)多參數(shù)測(cè)定儀(WTW，Multi360 IDS，北京博峰天成科技有限公司)測(cè)定；上覆水中ρ(TN)、ρ(NH3-N)、ρ(NO3--N)和ρ(TOC)分別采用HJ 11894—1989《堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法》、HJ 535—2009《納氏試劑分光光度法》、HJ/T 346—2007《紫外分光光度法》和GB 13193—1991《非色散紅外線吸收法》測(cè)定；底泥中w(NH3-N)和w(NO3--N)采用HJ 634—2012《氯化鉀溶液提取-分光光度法》測(cè)定，w(AVS)采用酸化-吹氣法[10,16]測(cè)定.底泥-上覆水體系中各指標(biāo)背景值如表1所示.

表1 上覆水及底泥指標(biāo)背景值Table 1 Background value of sediment and overlying water index

2 結(jié)果與討論

2.1 底泥-上覆水體系中指標(biāo)變化

2.1.1上覆水中pH、ρ(DO)及ORP變化

上覆水中pH、ρ(DO)、ORP指標(biāo)如表2所示.由表2可見(jiàn)，4個(gè)處理組上覆水中pH無(wú)顯著變化，第30天時(shí)pH穩(wěn)定于7.29～7.44之間，接近上覆水原樣(空白組)中pH.該結(jié)果與王霖等[3]的研究結(jié)果基本一致，表明底泥生化過(guò)程形成如硫化物、亞硝酸鹽和硝酸鹽等產(chǎn)物并不對(duì)水體pH產(chǎn)生顯著影響.

表2 各處理組上覆水中pH、ρ(DO)、ORP指標(biāo)第30天時(shí)測(cè)定值Table 2 Variation in the 30 day of pH,DO and ORP in overlying water of each processed group

未經(jīng)曝氣的C1和C2組的ρ(DO)與空白組相比，ρ(DO)呈現(xiàn)小幅上升，這可能是由于大氣復(fù)氧和試驗(yàn)采樣對(duì)水體進(jìn)行擾動(dòng)所致，但總體上ρ(DO)恢復(fù)效果較差.而CH1和CH2組上覆水在低氧曝氣的條件下，其ρ(DO)在第30天時(shí)分別升至3.70和4.08 mg/L.CHANG等[17]研究表明，低氧修復(fù)可增加底泥-上覆水體系電子受體，增強(qiáng)水體和底泥臨界處兼性菌群的活性，并促進(jìn)有機(jī)質(zhì)或還原性污染物的降解轉(zhuǎn)化，從而提高底泥-水覆水體系的自凈能力.此外，CH組的底泥間隙水ρ(DO)在試驗(yàn)期內(nèi)也呈現(xiàn)類似的提升，這表明在底泥-上覆水體系完成了良好的氧傳遞，ρ(DO)的升高可為底泥兼性微生物提供有利的生長(zhǎng)條件.

空白組ORP在30 d內(nèi)均保持在0 mV以下.由于硝酸鈣具有較強(qiáng)氧化性，第30天時(shí)C1和C2組ORP分別升至5.44和-16.75 mV.研究[18]表明，水體中ORP與ρ(DO)有顯著相關(guān)性，經(jīng)過(guò)低氧處理的CH1和CH2組上覆水中ORP在第30天時(shí)分別達(dá)101.20和119.89 mV，比C組提升更明顯.ORP的升高可為底泥-水覆水體系中的脫氮菌群創(chuàng)造適宜條件，并抑制SRB、產(chǎn)甲烷菌等厭氧微生物釋放的H2S或CH4等氣體[19-20].

2.1.2底泥-上覆水體系中氮素轉(zhuǎn)化及有機(jī)質(zhì)去除

底泥-上覆水體系中NH3-N含量變化規(guī)律如圖1所示.水樣初始ρ(NH3-N)為10.48 mg/L，空白、C1和C2組的ρ(NH3-N)在第30天時(shí)分別升至11.63、11.99和12.45 mg/L〔見(jiàn)圖1(a)〕，其主要是底泥中NH3-N向上覆水?dāng)U散遷移造成.此外，投加至底泥中的硝酸鹽參與DNRA過(guò)程也可能會(huì)導(dǎo)致水體中ρ(NH3-N)升高，因而僅投加硝酸鈣并不能有效去除水體中NH3-N，反而可能會(huì)加劇底泥中NH3-N的形成和累積[2,21].CH組ρ(NH3-N)變化趨勢(shì)大致可分為3個(gè)階段：由于底泥中NH3-N的擴(kuò)散作用，0～7 d上覆水中ρ(NH3-N)逐漸升高；7～21 d，水體中ρ(NH3-N)快速下降，這表明隨著水體中ρ(DO)升高，NH3-N作為耗氧污染物被迅速轉(zhuǎn)化降解[22]，因此呈現(xiàn)與C組ρ(NH3-N)變化的差異；21～30 d，ρ(NH3-N)下降速率減緩，水體氮轉(zhuǎn)化過(guò)程趨于穩(wěn)定，第30天時(shí)，CH1和CH2組上覆水中ρ(NH3-N)分別降至7.47和6.82 mg/L.

圖1 試驗(yàn)期內(nèi)各處理組底泥-上覆水體系中NH3-N含量的變化Fig.1 Changes of NH3-N in sediment-overlying water system of each processed group during the experiment

底泥(以干質(zhì)量計(jì)，下同)中w(NH3-N)的變化規(guī)律如圖1(b)所示.試驗(yàn)期內(nèi)空白組中w(NH3-N)穩(wěn)定在0.35～0.37 mg/g之間，由于硝酸鈣的投加為底泥微生物提供了電子受體及化合態(tài)的氧[23-24]，有利于兼性硝化菌群的繁殖增長(zhǎng)，使NH3-N在微生物作用下參與了硝化過(guò)程，從而有效降低了底泥中w(NH3-N).同時(shí)，CH組在低氧曝氣條件下，其上覆水與底泥間存在氧傳遞作用，加速了表層底泥NH3-N的氧化過(guò)程.因此，各不同處理組中w(NH3-N)從第3天起均呈現(xiàn)明顯下降，第10天后C1和C2組對(duì)NH3-N降解速率減緩，最終去除率分別為42.2%和57.3%.而CH1和CH2組對(duì)底泥中NH3-N的去除效率顯著優(yōu)于C組，其NH3-N去除率分別為66.2%和76.8%.該結(jié)果表明，隨著泥水體系中ρ(DO)的緩慢提升及硝酸鈣鹽對(duì)微生物的激活，底泥由厭氧環(huán)境逐漸向缺氧或好氧環(huán)境轉(zhuǎn)變，NH3-N被逐漸氧化去除，有效降低了NH3-N重新向水體釋放，導(dǎo)致水體黑臭反復(fù)發(fā)生.

圖2 試驗(yàn)期內(nèi)各處理組底泥-上覆水體系中NO3--N含量的變化Fig.2 Changes of NO3--N in sediment-overlying water system of each processed group during the experiment

底泥-上覆水體系中NO3--N含量的變化規(guī)律如圖2所示.由圖2(a)可見(jiàn)，4個(gè)處理組的水體中ρ(NO3--N)均不同程度升高.未經(jīng)曝氣C1和C2組NO3--N從底泥中釋放并在上覆水中逐漸累積，在第7天時(shí)分別達(dá)34.04和44.95 mg/L.7～30 d時(shí)，C1和C2組ρ(NO3--N)呈下降趨勢(shì)，這可能是因底泥的吸附作用和厭氧環(huán)境下DNRA硝酸鹽異化還原成銨過(guò)程導(dǎo)致其濃度降低，并在第30天分別降至24.39和36.13 mg/L.CH1和CH2組上覆水中ρ(NO3--N)在試驗(yàn)期內(nèi)一直保持累積的趨勢(shì)，第30天時(shí)分別達(dá)15.83和22.62 mg/L，均低于C組，這主要是由于CH、C組底泥微生物對(duì)NO3--N利用速率不同所致〔見(jiàn)圖2(b)〕，投加硝酸鈣后，C1、C2、CH1和CH2組底泥中w(NO3--N)快速上升，1～2 d內(nèi)達(dá)最高值，分別為0.67、1.35、0.65和1.31 mg/g，且根據(jù)投加劑量的不同，最高值也呈現(xiàn)出不同梯度.除部分NO3--N向上覆水釋放外，在反硝化的作用下，底泥中w(NO3--N)在第3天開(kāi)始快速下降，且CH組底泥中w(NO3--N)的降低速率明顯快于C組.由于低氧曝氣作用，改善了底泥菌群的DO條件和微生態(tài)環(huán)境，好氧或兼性好氧菌群快速繁殖[24]，使NO3--N作為電子受體被微生物更快速的利用[4]，有效減緩了NO3--N向上覆水的釋放量.C1、C2、CH1和CH2組底泥中w(NO3--N)在第30天分別穩(wěn)定至0.03、0.08、0.02和0.05 mg/g，均接近初始值(0.08 mg/g)，底泥中w(NO3--N)快速降低有利于實(shí)現(xiàn)底泥礦化及改善底泥生態(tài)環(huán)境.Yamada等[9]認(rèn)為，當(dāng)水生環(huán)境中ρ(NO3--N)和ρ(NO2--N)累積到一定水平時(shí)，就被初級(jí)生產(chǎn)者同化為氮源或通過(guò)細(xì)菌脫氮轉(zhuǎn)為N2.若ρ(NO3--N)劇烈升高，會(huì)對(duì)浮游動(dòng)植物及底棲生物造成危害，當(dāng)投加硝酸鈣第85天時(shí)，水體中ρ(NO3--N)最高為253 mg/L，受試蕨類植物Ceriodaphniasilvestrii保持極高的死亡率.Sueitt等[11]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水體中ρ(NO3--N)分別累積至76.72和296.46 mg/L時(shí)，分別達(dá)到受試蕨類植物Ceriodaphniasilvestrii和受試動(dòng)物Chironomusxanthus的半數(shù)有效濃度(EC50).C1、C2、CH1和CH2組1～30 d試驗(yàn)期內(nèi)上覆水中ρ(NO3--N)平均值依次為28.38、40.52、13.81和20.86 mg/L，均低于上述參考數(shù)值.采用硝酸鈣投加法，必會(huì)造成部分NO3--N向上覆水的釋放和累積，相對(duì)于NH4+-N及NO2--N，其毒性較小，但長(zhǎng)期累積仍有危害[7-9].因而利用低劑量硝酸鈣對(duì)底泥進(jìn)行修復(fù)，雖造成上覆水中ρ(NO3--N)升高，但對(duì)水生生物造成的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)仍處于安全可控的范圍.

上覆水中ρ(TN)和ρ(TOC)在第1、10、30天的變化情況如圖3所示.由圖3可見(jiàn)，由于硝酸鈣投加和底泥釋放的原因，各處理組上覆水中ρ(TN)均明顯上升.空白、C1、C2、CH1、CH2組上覆水中ρ(TN)平均值分別為23.86、38.96、51.47、24.24、32.25 mg/L，說(shuō)明投加硝酸鈣向底泥-上覆水體系引入新的氮源導(dǎo)致了ρ(TN)的升高.然而CH1組平均ρ(TN)相對(duì)于空白組提升并不明顯，表明低劑量硝酸鈣+低氧曝氣條件處理方法不會(huì)導(dǎo)致ρ(TN)的過(guò)量累積.此外，隨著底泥反硝化過(guò)程的持續(xù)進(jìn)行，各處理組上覆水中ρ(TN)在30 d時(shí)均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì).一般來(lái)說(shuō)，硝酸鈣修復(fù)黑臭底泥會(huì)引起底泥-上覆水體系TN含量的升高[9,11]，但CH組對(duì)ρ(TN)的控制好于C組，較C組降低了37.5%，結(jié)合底泥-上覆水體系對(duì)NH3-N和NO3--N良好的去除及利用效果，試驗(yàn)期結(jié)束后CH組上覆水中ρ(TN)仍有進(jìn)一步降低的趨勢(shì).由于底泥有機(jī)污染物向水體擴(kuò)散遷移，使ρ(TOC)相比于空白組有少量升高，達(dá)61.86 mg/L，且第30天相較其他試驗(yàn)期沒(méi)有明顯降低.但C1、C2、CH1和CH2組ρ(TOC)均有不同程度降低，第30天時(shí)分別為37.24、41.95、18.39和8.66 mg/L，比空白組分別下降了35.0%、26.8%、67.9%和84.9%.TANG等[4]的研究表明，硝酸鈣的投加強(qiáng)化了底泥微生物對(duì)有機(jī)污染物的生物降解的性能，并刺激底泥脫氮菌群利用外源碳轉(zhuǎn)化為內(nèi)部營(yíng)養(yǎng)并實(shí)現(xiàn)快速繁殖.此外，低氧曝氣對(duì)底泥-上覆水體系中TOC也具備氧化降解作用，結(jié)合上述底泥-上覆水系統(tǒng)脫氮結(jié)果表明，低劑量硝酸鈣聯(lián)合低氧曝氣可實(shí)現(xiàn)碳、氮的同步去除.

圖3 不同試驗(yàn)期各處理組上覆水中ρ(TN)、ρ(TOC)的變化規(guī)律Fig.3 Changes of ρ(TN) and ρ(TOC) in overlying water of each processed group during different experimental periods

2.2 底泥AVS去除

各處理組底泥中w(AVS)變化及CH2組底泥顏色變化如圖4所示.由圖4可見(jiàn)，底泥中初始w(AVS)在5.2～5.5 mg/g之間，第30天時(shí)，空白組w(AVS)基本保持不變，而C1和C2組AVS去除率分別為23.7%和40.7%，CH1和CH2組AVS去除效果更為顯著，AVS去除率分別高達(dá)90.7%和97.4%.隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，CH組的底泥顏色也由接觸上覆水一側(cè)向下產(chǎn)生變化，從深黑色逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橥咙S色或褐黃色.研究[9,21,25]表明，提高投加硝酸鹽劑量可增大AVS的降解速率，促進(jìn)底泥菌群對(duì)有機(jī)物的利用和分解，但過(guò)量的硝酸鹽將增加河流及湖泊的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn).因此，該試驗(yàn)在低氧曝氣輔助作用下，為底泥-上覆水體系提供了因硝酸鈣劑量降低而缺失的電子受體，以DO作電子受體更易被底泥好氧或兼性菌群利用[26]，從而實(shí)現(xiàn)了底泥中AVS的氧化去除.由表3可見(jiàn)，該修復(fù)技術(shù)處理周期短，硝酸鈣用量少，對(duì)底泥AVS的去除率高，且ρ(DO)及ORP的提升將有助于增強(qiáng)體系的自凈功能.

(a) 各處理組底泥中w(AVS)變化

(b) CH2組底泥顏色變化圖4 各處理組底泥中w(AVS)變化及CH2組顏色變化規(guī)律Fig.4 Changes of w(AVS) in sediment of different processed groups and color of group-CH2

2.3 高通量測(cè)序分析

鑒于CH2組對(duì)底泥的修復(fù)效果最優(yōu)，選取第5、10、15、30天的CH2組底泥樣品進(jìn)行高通量測(cè)序，其序列信息及多樣性數(shù)據(jù)如表4所示.樣品有效序列數(shù)均高于 30 000 條，樣品覆蓋度均達(dá)0.99，表明底泥樣品的測(cè)序結(jié)果可真實(shí)表達(dá)微生物的多樣性特征.Ace指數(shù)可反映樣品細(xì)菌群落的豐富度，5個(gè)測(cè)試樣品的Ace指數(shù)均在224.4～266.2之間，表明底泥細(xì)菌群落的豐度基本相似.Shannon-Wiener指數(shù)及Simpson指數(shù)可全面反映樣品群落中物種的多樣性，Shannon-Wiener指數(shù)越大或Simpson指數(shù)越小則表明群落中各物種均勻度越大，物種多樣性越好，同時(shí)也表明優(yōu)勢(shì)菌種占樣品生物總量的比值越低.由表4可見(jiàn)，CH2組在第30天相較于其他時(shí)期Shannon-Wiener指數(shù)較低且Simpson指數(shù)較高，表明投加硝酸鈣聯(lián)合低氧曝氣方法在一定程度上降低了底泥菌群的多樣性，促進(jìn)了優(yōu)勢(shì)菌群的轉(zhuǎn)化.

底泥樣品菌群在綱水平上微生物的相對(duì)豐度如圖5所示.由圖5可見(jiàn)，底泥原樣主要以梭菌綱(Clostridia)、放線菌綱(Actinobacteria)和厭氧繩菌綱(Anaerolineae)為主要優(yōu)勢(shì)菌群，三者總占比約為46.8%，這主要與底泥厭氧的環(huán)境有關(guān)[29].不同試驗(yàn)階段的CH2組微生物菌群結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了較大的改變，兼性好氧菌群競(jìng)爭(zhēng)力得到增強(qiáng)，γ-變形菌綱(Gamma-proteobacteria)、β-變形菌綱(Beta-proteobacteria)、α-變形菌綱(Alpha-proteobacteria)及芽孢桿菌綱(Bacilli)等菌種相對(duì)豐度隨著試驗(yàn)的進(jìn)行也顯著升高，尤其γ-變形菌綱在底泥中繁殖迅速，30 d試驗(yàn)期內(nèi)相對(duì)豐度由6.7%增至60.0%，成為底泥優(yōu)勢(shì)菌種.研究[30]表明，該類微生物以底泥有機(jī)物作為電子供體，以NO3--N作為電子受體進(jìn)行生物脫氮，多數(shù)反硝化細(xì)菌已被證實(shí)屬于變形菌門(proteobacteria).這也證明了硝酸鈣的投加為底泥反硝化菌提供了電子受體，實(shí)現(xiàn)了其大量繁殖.同時(shí)，隨著底泥DO條件的改善，梭菌綱(Clostridia)、放線菌綱(Actinobacteria)及厭氧繩菌綱(Anaerolineae)的相對(duì)豐度分別由初始階段的20.4%、16.2%和10.3%分別逐漸降至1.2%、6.0%和0.1%，該結(jié)果說(shuō)明低氧曝氣抑制了厭氧菌群的生長(zhǎng)，促進(jìn)微生物群落結(jié)構(gòu)的演變，并加快了底泥-上覆水體系脫氮的過(guò)程.

表3 硝酸鈣用量、試驗(yàn)周期及指標(biāo)對(duì)比結(jié)果Table 3 Comparison results of calcium nitrate dosage,experimental cycle and index

表4 底泥微生物菌群相對(duì)豐度及多樣性數(shù)據(jù)Table 4 Relative abundance and diversity data of bacterial community in sediment

圖5 底泥樣品在綱水平上微生物的相對(duì)豐度Fig.5 Microbial abundance of sediment samples at the Class level

圖6 底泥樣品在屬水平上微生物的相對(duì)豐度Fig.6 Microbial abundance of sediment samples at the Genus level

底泥樣品菌群在屬水平上微生物的相對(duì)豐度如圖6所示.底泥原樣微生物具有較高多樣性，各物種相對(duì)豐度比較均勻.熱單胞菌屬(Thermomonas)相對(duì)豐度在第10天升至9.6%；腸桿菌屬(Enterobacter)相對(duì)豐度從初始階段0.1%逐漸升至第30天的12.3%，這些菌種屬于異養(yǎng)反硝化菌[31]，進(jìn)一步證實(shí)投加低劑量硝酸鈣聯(lián)合低氧曝氣可以實(shí)現(xiàn)底泥修復(fù)過(guò)程中反硝化作用.第15天時(shí)，硫桿菌屬(Thiobacillus)的相對(duì)豐度由0.1%增至16.3%，該菌屬可氧化H2S、S2O3等物質(zhì)并有效阻斷AVS的生成，與SRB形成強(qiáng)烈的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，抑制其生長(zhǎng)繁殖[32-33].第30天時(shí)，產(chǎn)黃桿菌屬(Rhodanobacter)成為底泥修復(fù)過(guò)程中的優(yōu)勢(shì)菌種，其相對(duì)豐度達(dá)38.7%，該菌種屬于革蘭氏陰性菌，具有好氣性，其存在也證明了底泥氧環(huán)境的改善.上述菌種大多具備氨氧化、亞硝酸氧化和反硝化功能[3,34-35]，是底泥氮轉(zhuǎn)化及有機(jī)物分解的主要參與者，這對(duì)底泥氮轉(zhuǎn)化及有機(jī)質(zhì)的降解起到關(guān)鍵作用.

3 結(jié)論

a) 利用低劑量硝酸鈣+低氧曝氣技術(shù)對(duì)黑臭底泥進(jìn)行修復(fù)，當(dāng)硝酸鈣用量占底泥質(zhì)量1.2%、持續(xù)低氧曝氣(0.05～0.10 m3h)的修復(fù)效果最優(yōu).上覆水中ρ(DO)由0.48 mg/L升至4.08 mg/L，ORP由-58.60 mV升至119.89 mV.

b) 投加藥劑后底泥硝酸鈣含量快速升高，并在短期內(nèi)降至初始水平，減小了因NO3--N含量急劇變化引起的潛在危害；CH組對(duì)TN的控制好于C組，其上覆水中ρ(TN)平均值較C組降低了37.5%；CH2組上覆水中TOC、底泥中NO3--N和AVS去除率平均值分別達(dá)84.9%、76.8%和97.4%，底泥顏色由深黑色轉(zhuǎn)變?yōu)橥咙S色.

c) 微生物多樣性因底泥條件改變而降低，其優(yōu)勢(shì)菌種由梭菌綱(Clostridia)轉(zhuǎn)變?yōu)棣?變形菌綱(Gamma-proteobacteria)，CH2-30 d菌種相對(duì)豐度達(dá)60.0%.在細(xì)菌屬水平上出現(xiàn)產(chǎn)黃桿菌屬(Rhodanobacter)、硫桿菌屬(Thiobacillus)和熱單胞菌屬(Thermomonas)等反硝化菌群.低劑量硝酸鈣+低氧曝氣技術(shù)可促進(jìn)脫氮功能菌群的生長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)底泥高效的原位修復(fù).