陳世杰，汪凱，譚勇，劉思韻，周金艷，裴昌盈，黃銘濤，李柏林*

1.中煤科工重慶設計研究院(集團)有限公司

2.武漢理工大學資源與環(huán)境工程學院

近年來，投菌法因其經(jīng)濟高效、能耗低、無二次污染、不會破壞水體生態(tài)系統(tǒng)等優(yōu)點[1-2]，在黑臭水體及底泥修復領域得到廣泛關(guān)注與研究[3-4]。但在實際應用中，投菌法也存在一定不足，特定菌劑只能高效降解特定污染物，針對其他污染物去除效果不理想[5]，且菌劑修復效果易受溶解氧、溫度、pH 等環(huán)境因素影響。

目前，黑臭水體修復中投加的菌劑根據(jù)現(xiàn)有研究熱點和方向，主要分為3 類：1）復合微生物菌劑，使用多種微生物制作成菌劑，通過微生物間的協(xié)同作用降解污染物[6]，具有較好黑臭水體修復效果，如杜聰?shù)萚7]使用乳酸菌、酵母菌和絲狀菌組成的復合微生物菌劑修復黑臭水體時，上覆水中COD、TN 和NH4+-N 去除率分別達到87.37%、90.70%和95.24%，水體透明度顯著提高；2）化學-純微生物菌劑，通過單一微生物與化學材料協(xié)同作用，可改善水體和底泥環(huán)境，促進微生物持續(xù)降解污染物[8-9]，相關(guān)研究表明反硝化細菌、硝酸鈣和鋯改性沸石聯(lián)用可有效控制水體底泥中磷和氨氮釋放[10]；3）化學-復合微生物菌劑，通過多種微生物和化學材料協(xié)同作用，對黑臭水體及底泥污染物有較高去除效果，有學者將沼澤紅假單胞菌、枯草芽孢桿菌與過氧化鈣聯(lián)合使用修復黑臭水體，試驗后上覆水COD、TN 和NH4+-N 去除率分別為85.10%、88.76%和87.76%，底泥酸可揮發(fā)性硫（AVS）去除率為92.66%[11]。然而單一投加復合微生物菌劑存在抗水力沖擊差、菌種易流失和修復效果易受環(huán)境影響[12]等問題；投加化學-純微生物菌劑存在特定微生物高效去除特定污染物的缺點[13]；投加的化學藥劑可能會改變水體理化參數(shù)，存在破壞原有生態(tài)環(huán)境、造成二次污染的可能性[14]。近年來，采用微生物菌劑修復黑臭水體底泥多集中在菌種選擇、配方研制和化學材料研究等方面[15-17]，而不同配方菌劑對黑臭水體底泥修復效果差異原因及微生物群落結(jié)構(gòu)演化方向的研究仍相對較少。

綜上，本研究采用不同配方菌劑治理黑臭水體，通過對比最優(yōu)投加量下的不同配方菌劑對上覆水及底泥污染物的處理效果，明確不同配方菌劑對上覆水理化性質(zhì)及底泥AVS、有機質(zhì)等指標的影響，并通過底泥微生物群落結(jié)構(gòu)的變化，分析微生物群落結(jié)構(gòu)改變對底泥污染物質(zhì)變化的影響，以期為黑臭水體及底泥生態(tài)修復提供數(shù)據(jù)支持與理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 微生物菌劑與樣品測定

試驗選用自制菌劑與市售菌劑對上覆水及底泥進行處理，其中自制菌劑是由本課題組前期試驗研制的化學-復合微生物菌劑配方，即Ca(NO3)20.50 g/L，芽孢桿菌0.10 g/L，光合細菌0.20 g/L，沸石2.00 g/L，載鑭膨潤土0.50 g/L，經(jīng)過驗證，對黑臭水體及底泥具有較好的修復效果。參考現(xiàn)有文獻及市場上菌劑功能與銷售情況，選取4 種不同的市售菌劑進行對比。市售菌劑的組成及性質(zhì)如表1 所示。

表1 市售菌劑性質(zhì)Table 1 List of properties of commercially available microbial agents

通過高通量測序?qū)? 種市售菌劑微生物組成進行分析。圖1 為各菌劑在屬水平下的微生物種群結(jié)構(gòu)。菌劑1 中芽孢桿菌屬（Bacillus）為主要菌屬，相對豐度達到99.87%；菌劑2 中主要菌屬為Bacillus和腸球菌屬（Enterococcus），相對豐度分別達到89.68%和10.17%；菌劑3 中主要菌屬為Bacillus和乳酸桿菌屬（Lactobacillus），其相對豐度分別為83.03%和16.65%；菌劑4 中紅假單胞菌屬（Rhodopseudomonas）和嗜熱放線菌屬（Thermoactinomyces）為主要菌屬，其相對豐度分別達41.11%和17.52%。菌劑3 和4 中均存在不屬于該市售菌劑配方中的微生物，分別是乳酸桿菌屬和嗜熱放線菌屬，有可能導致菌劑3 和4 在實際修復黑臭水體及底泥中無法達到預期效果。

圖1 屬水平下市售菌劑微生物種群結(jié)構(gòu)Fig.1 Microbial population structure of commercially available microbial agents at the genus level

1.1.2 樣品采集與處理

水樣及底泥取自湖北省武漢市東西湖區(qū)某人工湖，該人工湖水體及底泥發(fā)黑，有輕度臭味。采樣時利用抓斗采泥器采集表層底泥，并在取樣點對應位置采取上覆水樣。樣品運回實驗室后，將底泥中的雜草、廢物、大顆粒石塊等殘渣去除后，將一部分底泥和水樣放置在-20 ℃下保存，另一部分放置在4℃下保存。經(jīng)測定，上覆水及底泥中污染物指標如表2 所示。

表2 上覆水及底泥污染物指標Table 2 Pollutant indicators of overlying water and sediment

1.2 試驗方案

采用6 個容量為2 L 的燒杯，燒杯外部用黑色遮光布覆蓋避光。取0.6 L 新鮮底泥均勻鋪在每個燒杯底部，并采用虹吸法加入1.4 L 水樣，靜置2 d 后開展靜態(tài)試驗。試驗菌劑采用自制菌劑和4 種市售菌劑，根據(jù)市售菌劑使用說明書和實驗室自制復合菌劑相關(guān)研究，稱取最優(yōu)投加量的不同微生物菌劑，溶于上覆水中制成菌液，并將菌液均勻加入到上覆水中，不同菌劑投加量如表3 所示。試驗前10 d 每3 d取一次上覆水樣，后續(xù)每5 d 取一次樣，持續(xù)運行30 d，每次取上覆水25 mL 用于測其理化指標。底泥樣品取0、30 d 泥樣，用于測定有機質(zhì)、AVS 等指標。

表3 試驗組中投加的菌劑種類及數(shù)量Table 3 Type and quantity of microbial agents added in the experimental group

1.3 分析測定方法

1.3.1 上覆水及底泥指標測定

上覆水中CODCr、NH4+-N、TP 的分析測定方法參考《水和廢水檢測分析方法》（4 版）[18]；DO 和pH的檢測采用膜電極法，以DR-3 900 型哈希便攜測試儀測定。底泥中有機質(zhì)采用燒失量法[19]進行測定；AVS 的檢測采用徐桂茹[20]的測定方法，以A360型翱藝分光光度計測定。

1.3.2 微生物群落結(jié)構(gòu)分析

為探究不同配方菌劑處理前后底泥微生物群落結(jié)構(gòu)變化，在試驗中取0 d 初始底泥和30 d 后各試驗裝置內(nèi)的表層底泥，密封冷凍保存，送至杭州聯(lián)川生物技術(shù)股份有限公司進行細菌16S rDNA V3-V4 區(qū)的高通量測序分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同菌劑對上覆水理化性質(zhì)的影響

2.1.1 上覆水pH、DO 的變化

圖2 為投加不同菌劑后各上覆水樣pH、DO 濃度的變化。由圖2 (a)可知，各試驗組水樣pH 均呈波動上升趨勢。試驗開始后，各投加菌劑組上覆水pH 快速上升，在第9 天達到最大值，但均小于空白組pH（8.44），隨后上覆水pH 呈波動下降趨勢。最終各投加菌劑組上覆水pH 為8.06~8.39，在空白組上覆水pH（8.19）上下略微波動?？瞻捉M與投加菌劑組上覆水pH 不具有顯著性差異（P>0.05），表明投加菌劑對上覆水pH 影響不大。

由圖2 (b)可見，菌劑1~4 組上覆水DO 濃度在前期急劇下降，且空白組與菌劑1~4 組上覆水DO 濃度具有極其顯著性差異（P<0.01），這可能是試驗所用水樣DO 濃度較高，投加菌劑后微生物增多從而快速消耗O2降解污染物，導致上覆水DO 濃度迅速下降，隨后因水面復氧和微生物繁殖，上覆水DO 濃度呈波動下降。從圖2 (b)還可以看出，空白組與自制菌劑組上覆水DO 濃度不具有顯著性差異（P>0.05）；試驗結(jié)束后，自制菌劑組上覆水DO 濃度降至6.66 mg/L，略低于空白樣（6.95 mg/L），說明投加的Ca(NO3)2刺激了反硝化細菌的活性，消耗了大量的硫化物和易降解有機質(zhì)，使水體復氧能力提高，從而維持了上覆水DO 濃度[21]。

2.1.2 上覆水氨氮去除效果

上覆水NH4+-N 濃度變化如圖3 所示。空白組與投加菌劑組上覆水NH4+-N 濃度不具有顯著性差異（P>0.05），各試驗組上覆水NH4+-N 濃度均呈先上升后下降趨勢。試驗前期，各試驗組上覆水NH4+-N濃度迅速上升，這可能是底泥擾動引起NH4+-N 釋放[22]及菌劑中添加的營養(yǎng)物質(zhì)氧化分解產(chǎn)生游離氨所致。自制菌劑組上覆水NH4+-N 濃度在試驗初期上升幅度最小，這是由于沸石對NH4+-N 有很強的親和力與吸附力，從而對底泥NH4+-N 釋放具有較好抑制作用[17]。試驗后期，空白組NH4+-N 濃度增加0.21 mg/L，而投加菌劑組上覆水NH4+-N 濃度均低于空白組（1.56 mg/L），表明投加菌劑可促進底泥微生物向著脫氮方向演化，從而降低了上覆水NH4+-N 濃度。與試驗前相比，30 d 后自制菌劑組上覆水NH4+-N 濃度達到0.20 mg/L，去除率為86.60%，明顯高于其他菌劑組（6.40%~70.80%），說明沸石+Ca(NO3)2可有效抑制底泥NH4+-N 的釋放，且Ca(NO3)2可促進底泥微生物的硝化作用[23]，從而有效去除上覆水中的NH4+-N。

圖3 不同菌劑對上覆水NH4+-N 濃度的影響Fig.3 Effects of different bacterial agents on NH4+-N of overlying water

2.1.3 上覆水CODCr去除效果

各試驗組上覆水CODCr變化如圖4 所示。投加菌劑組上覆水CODCr在前期急劇升高后逐漸下降，其中自制菌劑組在試驗前期上升幅度最大，這是因為投加菌劑中的營養(yǎng)物質(zhì)及未適應新環(huán)境而死亡的微生物，導致上覆水CODCr大幅上升，且Ca(NO3)2的投加可刺激微生物的活動，使底泥有機物分解成小分子有機物進入到水體中[24]。隨后因微生物生長繁殖，使上覆水CODCr呈持續(xù)下降趨勢，試驗結(jié)束后，各菌劑投加組上覆水CODCr去除率均高于空白組的18.00%。其中菌劑1、4 組對上覆水CODCr的去除效果較其他試驗組好，去除率分別達到61.55%和77.31%，這是由于菌劑1 主要為芽孢桿菌屬，可分解有機物[25]，菌劑4 投加有大量紅假單胞菌屬微生物，可利用低級脂肪酸、氨基酸等作為碳源，從而有效去除上覆水CODCr。自制菌劑組對CODCr去除效果略低于菌劑1、4 組，30 d 時上覆水CODCr為25.56 mg/L，去除率為51.05%，但自制菌劑組與空白組上覆水CODCr表現(xiàn)出顯著性差異（P<0.05），表明自制菌劑中光合細菌和芽孢桿菌均具有有機物降解能力，二者存在共生關(guān)系[26]，協(xié)同作用能達到較好的CODCr去除效果。

圖4 不同菌劑對上覆水CODCr 的影響Fig.4 Effects of different bacterial agents on CODCr of overlying water

2.1.4 上覆水TP 去除效果

上覆水TP 濃度變化如圖5 所示。各試驗組上覆水TP 濃度均呈波動下降趨勢，菌劑1~4 組上覆水TP 濃度在試驗初期迅速下降后呈波動上升，但最終上覆水TP 濃度均低于試驗前，去除率為27.34%~52.45%。試驗過程中，自制菌劑組上覆水TP 濃度由0.56 mg/L 降至0.19 mg/L，去除率達到66.07%，去除效果最好，且空白組與自制菌劑組上覆水TP 濃度表現(xiàn)出極其顯著性差異（P<0.01），這是因為菌劑中的Ca(NO3)2溶于水后產(chǎn)生的Ca2+與游離磷酸根生成共沉淀，使得上覆水TP 濃度降低，另外底泥中游離的Fe2+被NO3-氧化為Fe3+，加強其對磷的吸附作用，從而使Fe-P 的釋放減少[27]。同時載鑭膨潤土因其內(nèi)部通道和表面活性位點較多，具有較好的吸附除磷性能[28]，此外膨潤土上的鑭能和水中磷酸鹽結(jié)合生成不可溶的磷酸鑭，使上覆水TP 具有較好的去除效果。

圖5 不同菌劑對上覆水TP 濃度的影響Fig.5 Effects of different bacterial agents on TP of overlying water

2.2 不同菌劑對底泥理化性質(zhì)的影響

2.2.1 底泥AVS 去除效果

底泥AVS 的變化如圖6 所示。試驗完成后，微生物菌劑投加組底泥AVS 去除效果均有所提高，菌劑1~4 組中底泥AVS 去除率為5.15%~12.31%，均大于空白組（1.82%）。自制菌劑組底泥AVS 濃度由553.95 mg/kg 降至第30 天的115.22 mg/kg，去除率達79.20%，為其他菌劑的6~15 倍。這是由于菌劑中的Ca(NO3)2強化了微生物的活性，加速了自養(yǎng)反硝化速率，使AVS 轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的硫或硫酸鹽，從而有效削減了底泥中的AVS[29]。綜上，化學藥劑聯(lián)合微生物的自制菌劑對底泥AVS 有較好的處理效果。

圖6 不同菌劑處理后底泥AVS 濃度變化Fig.6 Changes of AVS content in the sediment after treatment with different bacterial agents

2.2.2 底泥有機質(zhì)去除效果

圖7 顯示底泥中有機質(zhì)濃度的變化。在30 d 時，菌劑1~4 組底泥有機質(zhì)去除率為2.78%~5.97%，略高于空白組（1.53%），說明增加載體或微生物能增加有機質(zhì)的去除效果。自制菌劑組對有機質(zhì)的去除效果遠優(yōu)于其他試驗組，30 d 時底泥有機質(zhì)濃度為4.44 mg/kg，去除率達到52.71%，說明投加Ca(NO3)2能使底泥中以硝酸鹽為電子受體的微生物活性得以提升[30]，促進了底泥有機物的降解，且菌劑中的芽孢桿菌和光合細菌可以有效利用底泥有機質(zhì)為能量來源，從而使底泥有機質(zhì)得到有效去除。

圖7 不同菌劑處理后底泥有機質(zhì)濃度變化Fig.7 Changes of organic matter content in the sediment after treatment with different bacterial agents

2.3 微生物群落變化

各試驗組底泥屬水平微生物群落組成如圖8 所示。由圖8 可見，各試驗組底泥中的優(yōu)勢菌屬均為Thermodesulfovibrionia 下的某屬，相對豐度為3.92%~4.82%。Thermodesulfovibrionia 屬于硝化螺旋菌門（Nitrospira），在微生物氮循環(huán)、硫酸鹽還原等方面具有重要作用[31]。不同菌劑處理后，各試驗組中厭氧繩菌科（Anaerolineaceae）下的某屬的相對豐度明顯增加，為1.46%~2.83%，均高于原底泥組（1.27%）。Anaerolineaceae為嚴格厭氧微生物，具有去除碳水化合物和氨基酸等有機物作用[32]，說明投加菌劑有利于底泥中有機物和水體中CODCr的去除。當投加菌劑為自制菌劑時，底泥中固醇桿菌科（Steroidobacteraceae）下的某屬的相對豐度為3.44%，顯著高于原底泥組（2.94%）與空白組（2.84%）；Vicinamibacterales下的某屬的相對豐度為3.01%，明顯高于其他底泥樣品組（ 1.07%~2.18%） 。Steroidobacteraceae 具有使硝酸鹽還原為二氮或氨的 能 力[33]； Vicinamibacterales 屬 于 酸 桿 菌 門（Acidobacteriota），是一種能利用有機酸和復雜的蛋白質(zhì)基質(zhì)的嗜溫菌[34]，這說明自制菌劑對碳氮硫污染物具有較好去除效果。硫桿菌屬（Thiobacillus）具有去除水體硝態(tài)氮，轉(zhuǎn)化和降解底泥中硫化物的能力[35]；Sva0081_sediment_group為硫酸鹽還原菌（sulfate-reducing bacteria，SRB），具有將硫酸鹽還原成硫化氫的作用[36]。試驗結(jié)束后，原底泥組中Thiobacillus和Sva0081_sediment_group的相對豐度略微下降，而自制菌劑組底泥中Thiobacillus和Sva0081_sediment_group的相對豐度分別達到1.25%和1.19%，均高于空白組（1.12%和1.01%），說明自制菌劑對底泥AVS 具有較好去除效果。綜上，化學藥劑與微生物聯(lián)合修復時，有利于增加硝化、反硝化細菌和有機質(zhì)降解類細菌的含量；投加化學藥劑有利于改善底泥生態(tài)環(huán)境，促進底泥微生物群落向著有機物降解與脫氮除硫方向演化和繁殖。

圖8 屬水平下不同菌劑處理后底泥微生物種群結(jié)構(gòu)Fig.8 Microbial population structure in sediments treated with different bacterial agents at the genus level

3 結(jié)論

（1）投加菌劑對上覆水pH 影響不大，但菌劑1~4 對DO 的消耗較大，而自制菌劑可有效維持上覆水DO 濃度，30 d 時自制菌劑組上覆水DO 濃度為6.66 mg/L，略低于空白組。

（2）試驗結(jié)束后，各菌劑組上覆水NH4+-N、TP、CODCr去除率均有明顯提升，且投加自制菌劑時，上覆水NH4+-N、TP 濃度分別降至0.20、0.19 mg/L，去除率分別達到86.60%和66.07%，去除效果明顯高于其他試驗組。菌劑1、4 組上覆水CODCr去除率分別達到61.55%和77.31%，略高于自制菌劑組（51.05%）。

（3）化學-微生物菌劑有利于改善底泥生態(tài)環(huán)境，促進底泥功能菌大量繁殖。試驗結(jié)束后，自制菌劑組底泥中與有機物降解、脫氮除硫等作用的微生物 群 落， 如Steroidobacteraceae、Anaerolineaceae、Vicinamibacterales 下的某屬以及Thiobacillus和Sva0081_sediment_group的相對豐度均較高，從而促進了底泥AVS和有機質(zhì)的去除，最終自制菌劑組底泥AVS 和有機質(zhì)的去除率分別達到79.20%和52.71%，去除效果明顯優(yōu)于其他試驗組。