2.4粉煤灰基载氧沸石对微生物的影响


2.4.1微生物群落组成分析粉煤灰基载氧沸石覆盖沉积物25d后表层沉积物和覆盖层中微生物群落在门水平上物种组成（合并丰度<0.01）如图8（a）所示。覆盖层中的变形菌门（Proteobacteria）的相对丰度与对照组相比明显升高，在0.5，1和2cm覆盖厚度组中其相对丰度分别达到41.0%、45.4%和60.1%。结合不同覆盖厚度粉煤灰基载氧沸石的脱氮效果可以看出（图4（d）），变形菌门的增加将加强氮的去除，这与之前的研究结论一致，因为变形菌门是脱氮的主要菌门，其中包含大量与硝化作用与反硝化作用相关的功能菌。


对属水平上的微生物群落组成进一步分析（图8（b）），各组沉积物的微生物群落之间没有明显差异，但粉煤灰基载氧沸石覆盖层与表层沉积物中的微生物群落相比，其富集了甲基孢囊菌属（Methylocystis）、甲基单胞菌属（Methylomonas）、硫自养反硝化菌属（Thiobacillus）、假单胞菌属（Pseudomonas）、申氏杆菌属（Shinella）、丹毒丝菌属（Erysipelothrix）、盐单胞菌属（Halomonas）、硝化螺菌属（Nitrospira）、亚硝化单胞菌属（Nitrosomonas）、厌氧醋菌属（Acetoanaerobium）和小纺锤状菌属（Fusibacter）等功能微生物（图8（b））。其中亚硝化单胞菌属和硝化螺菌属属于硝化菌，它们分别参与将氨态氮转化为亚硝酸盐氮的亚硝化过程和将亚硝酸盐氮转化为硝酸盐氮的硝化过程。硫自养反硝化菌属、假单胞菌属、申氏杆菌属、盐单胞菌属和小纺锤状菌属均属于反硝化相关菌。此外，甲基单胞菌属具有norB基因，能够独立实现好氧甲烷氧化耦合反硝化过程，并以氧化亚氮为最终产物。此外，厌氧醋菌属产生醋酸的过程可以为异养反硝化提供电子和碳源，从而参与到反硝化过程中。


这种高丰度的微生物群落聚集，可能是由于高浓度的硝酸盐氮造成的（图4（c）和5（b））。值得注意的是，与大多数微生物在缺氧条件下进行反硝化作用不同，假单胞菌属、申氏杆菌属与硫自养反硝化菌属均能够在好氧条件下进行，属于（兼性）好氧反硝化菌。


粉煤灰基载氧沸石覆盖后带来了高浓度的溶解氧（图2），造成好氧反硝化菌大量聚集在覆盖层。此外，上述微生物中仅有硫自养反硝化菌属为自氧反硝化菌。这是因为自养反硝化菌利用无机物质，如氢和还原态的硫/铁化合物，而异养反硝化菌利用有机物质。本次试验使用的沉积物和上覆水采集于重庆市某典型黑臭水体，其中可能含有不适用于自养反硝化菌的有机物质，因此更有利于异养反硝化菌的聚集。


2.4.2硝化和反硝化过程相关功能酶的预测为进一步探究粉煤灰基载氧沸石覆盖对表层沉积物和覆盖层中硝化和反硝化过程相关功能酶丰度的影响，利用PICRUSt2（Phylogenetic Investigation of Communities by Reconstruction of Unobserved States）软件预测了功能酶的丰度，并使用KEGG（Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes）数据库估计其代谢功能。在硝化过程中，调控氨氧化成羟胺的微粒甲烷单加氧酶（EC:1.14.18.13）、调控羟胺氧化成亚硝酸盐氮的羟胺脱氢酶（EC:1.7.2.6）与硝酸还原酶（EC:1.7.99.4）在覆盖层中的相对丰度均高于其覆盖层下的沉积物和对照组，并且随着覆盖深度的增加其相对丰度也增加（图8（c））。同时上覆水和沉积物氨氮的去除效果与载氧沸石覆盖厚度正相关（图4（a）和5（a）），这表明粉煤灰基载氧沸石能够通过增加硝化作用的相关酶从而增强对水中氨氮的转化。反硝化过程中调控硝酸盐氮还原为亚硝酸盐氮的铁氧还原蛋白~硝酸还原酶（EC:1.7.7.2）、亚硝酸盐氮还原酶（EC:1.7.2.1）、依赖细胞色素c的一氧化氮还原酶（EC:1.7.2.5）、氧化亚氮还原酶（EC:1.7.2.4）在覆盖层中的相对丰度明显高于其覆盖层下的沉积物，并且2cm覆盖厚度的反硝化功能酶的丰度最高。依赖细胞色素c的一氧化氮还原酶（EC:1.7.2.5）在对照组和覆盖组中的丰度具有明显差异，并随着覆盖厚度的增加而增加，这个结果与氧化亚氮释放通量（图7）的规律相同。以上结果表明，粉煤灰基载氧沸石覆盖后，其覆盖层中能够发生强烈的硝化作用和反硝化作用，进而控制沉积物中氮向上覆水的释放。

图8微生物群落在的相对丰度和基于KEGG数据库的硝化和反硝化路径中功能酶的相对丰度


Z05cm，Z1cm，Z2cm分别为0.5cm覆盖，1cm覆盖，2cm覆盖组的覆盖层；SC，S05cm，S1cm，S2cm分别为对照组，0.5cm覆盖，1cm覆盖组，2cm覆盖组0——2cm深度的沉积物（去除覆盖层之后）


2.5粉煤灰基载氧沸石对硝化和反硝化功能基因的影响


粉煤灰基载氧沸石覆盖25d后沉积物和覆盖层中硝化和反硝化相关功能基因（amoA、narG、napA、nirS和nirK）的丰度如图9所示。其中amoA编码的氨单加氧酶（AMO）能将氨氧化成羟胺来活化氨。如图9（a）所示，覆盖了粉煤灰基载氧沸石的沉积物中amoA基因显著高于对照组（P<0.05）。在0.5，1和2cm覆盖厚度组的覆盖层均检测出amoA基因，各处理组中AMO基因丰度分别为1.28×105，1.84×105和1.63×105copies/g.Cai等使用沸石进行农田径流脱氮同样观察到了amoA基因在沸石中的积累，其基因丰度为1.2×105copies/g.粉煤灰基载氧沸石释放出来的氧气可能是造成覆盖层和沉积物中amoA基因丰度升高的原因。以上结果表明，通过覆盖粉煤灰基载氧沸石造成上覆水和沉积物中氨氮的快速削减，不仅仅是通过吸附造成的，微生物作用下的硝化反应也发挥重要作用。


与不含有粉煤灰基载氧沸石的对照组沉积物相比，在覆盖粉煤灰基载氧沸石的沉积物中narG、napA、nirS和nirK等反硝化相关功能基因的丰度均升高（图9（b——e））。1cm覆盖处理组覆盖层中同样积累了大量与反硝化相关的功能基因，并且narG、nirS、nirK基因检测出的丰度甚至高于对照组。造成反硝化功能基因高丰度的原因是多方面的，一方面硝化作用转化而来的亚硝酸盐氮与硝酸盐氮为反硝化菌的生长提供了丰富的底物；另一方面沸石的高比表面积和复杂的孔道系统为反硝化菌提供了丰富的生境，使得反硝化菌能够在沸石表面的聚集。值得注意的是，粉煤灰基载氧沸石覆盖增加了沉积物中napA基因的丰度（图9（b））。napA基因编码周质硝酸还原酶（NAP）能够在有氧条件下将硝酸盐氮转化为亚硝酸盐氮，从而发生好氧反硝化，这不同于narG编码的膜结合硝酸还原酶（NAR），因为NAR对氧敏感，仅在缺氧条件下进行表达。周质硝酸盐氮还原酶（NAP）以及膜结合硝酸盐氮还原酶（NAR）的富集表明在表面沉积物中发生了耦合的有氧~缺氧反硝化过程。此外，覆盖更多载氧沸石的并不能增强硝化和反硝化相关功能基因的丰度（图9），这表明覆盖更多的材料观察到的氮削减能力增强可能是通过吸附作用的增强造成的，而非微生物的脱氮作用。

图9粉煤灰基载氧沸石覆盖下硝化和反硝化作用相关功能基因的丰度


2.6粉煤灰基载氧沸石对沉积物~水体系中氮去除的机制


粉煤灰基载氧沸石具有高效吸附氨氮和持续释放氧气的能力，覆盖在受污染沉积物表面后，可通过3个方面降低沉积物~水体系中的氮含量（图10）。


第一，该材料能够隔离受污染的沉积物以减少污染物的迁移；第二，粉煤灰基沸石是一种微孔晶体水合铝硅酸盐，其中的铝离子将产生一个净负电荷，将通过框架中额外的阳离子来平衡，这使得粉煤灰基沸石对带正电荷的氨氮具有极强的吸附能力，因此它能够迅速吸附沉积物~水体系中的氨氮。第三，粉煤灰基沸石的多孔结构能够负载大量氧气，进而在投放到沉积物~水界面后能够持续提高沉积物~水体系中的溶解氧浓度，进而改善表层沉积物和覆盖层中的微生物群落结构，激发好氧~缺氧反硝化耦合的脱氮过程，从而降低了沉积物~水体系中的氮含量，控制了沉积物中氮的释放。


未经处理的粉煤灰中直接投加到天然水体后，其中的铅与汞等有害元素会浸出进而造成水体次生风险。但当粉煤灰被制备成沸石后，其所含的有害元素浸出会被限制。因此粉煤灰基沸石被认为是对环境安全的，并广泛应用于水体污染物去除。已有原位研究证实，载氧多孔材料覆盖后，可以有效阻止污染物再次由沉积物释放到上覆水。因此，释氧结束后粉煤灰基载氧沸石在沉积物上可持续作为覆盖层进而减缓内源污染物的释放。此外，对于水生态修复过程，以沉水植物为核心的水生植物群落能有效抑制沉积物的污染物释放与底泥再悬浮。因此，如通过投加粉煤灰基载氧沸石进而改善沉水植物生境，可能会诱导水生态系统的恢复并避免材料的多次投加，但上述思路需进一步研究。

图10粉煤灰基载氧沸石对沉积物~水体系中氮去除的机制


3结论


3.1

3种不同来源的粉煤灰合成的沸石均具有良好的吸附性能，其最大吸附量分别为50.24，49.95和55.16mg/g.3种载氧后的煤灰合成的沸石均具有良好的增氧能力，可使水中溶解氧从<0.9mg/L最大增加至7.21，6.91，7.54mg/L。


3.2

粉煤灰基载氧沸石能够有效增加上覆水和沉积物中的溶解氧浓度，并降低氮含量，并且溶解氧浓度、溶解氧在沉积物中的穿透深度、对氨氮和总氮的去除效果均与覆盖厚度呈正相关关系。覆盖25d后，0.5，1.0和2.0cm覆盖厚度处理组中沉积物~水界面处的溶解氧浓度分别达到1.79，3.69，6.26mg/L，相较于对照组分别增长了43.18%、93.01%和397.22%。


同时粉煤灰基载氧沸石削减了沉积物中氨氮的释放通量。相于对照组，0.5，1和2cm覆盖厚度的粉煤灰基载氧沸石分别削减了31.4%、47.0%和50.47%的氨氮释放通量。


3.3

覆盖粉煤灰基载氧沸石改变了表层沉积物的微生物群落组成，并提高了硝化菌和反硝化菌的相对丰度，2cm覆盖厚度处理组中变形菌门的相对丰度提高到了60.1%。同时覆盖层中富集了更多的参与硝化和反硝化作用的功能微生物。KEGG数据库中氮代谢功能酶的预测表明粉煤灰基载氧沸石促进了硝化和反硝化作用的进行。粉煤灰基载氧沸石显著增加了表层沉积物中硝化功能基因（amoA）和反硝化功能基因（narG、napA、nirS和nirK）的相对丰度（P<0.05）。覆盖粉煤灰基载氧沸石覆盖下表层沉积物中检测出显著高于对照组的好氧反硝化基因napA（P<0.05），说明在表面沉积物中发生了耦合的有氧~缺氧反硝化过程。


粉煤灰基载氧沸石的制备、化学成分及对沉积物-水剖面氮去除的机制（一） 

粉煤灰基载氧沸石的制备、化学成分及对沉积物-水剖面氮去除的机制（二）

粉煤灰基载氧沸石的制备、化学成分及对沉积物-水剖面氮去除的机制（三） 

粉煤灰基载氧沸石的制备、化学成分及对沉积物-水剖面氮去除的机制（四）

粉煤灰基载氧沸石的制备、化学成分及对沉积物-水剖面氮去除的机制（五）