Effects of Vallisneria natans on H?S and S2? releases in black-odorous waterbody under additional nitrate

硝酸鹽添加下苦草對黑臭水體H 2 S和S 2? 釋放的影響：綜合性能與微生物群落結(jié)構(gòu)

來源：Journal of Environmental Management 316 (2022) 115226

 

 

摘要核心內(nèi)容

 

本研究通過實驗室模擬黑臭水體，探究了苦草（Vallisneria natans）在添加硝酸鹽條件下對硫化氫（H?S）和硫離子（S2?）釋放的抑制作用。核心發(fā)現(xiàn)包括：

 

硝酸鹽增強苦草抑硫效果：添加硝酸鹽（6.6 mg/L NO?-N）刺激苦草生長，提升水體溶解氧（DO）和pH值，但略微降低化學(xué)需氧量（COD）去除效率（降11.0%）。

 

抑硫效率顯著提升：未添加硝酸鹽時，苦草對H?S和S2?的抑制率分別為81.5%和66.8%；添加硝酸鹽后抑制率增至95.7%和98.8%（圖3B-C）。

 

 

微生物群落重構(gòu)：硝酸鹽降低沉積物中硫酸鹽還原菌（SRB，如MSBL7屬）豐度，同時增加苦草葉片生物膜中硫氧化菌（SOB，如Aeromonas）和硝酸鹽還原型硫氧化菌（NR-SOB，如Hydrogenophaga）的豐度（圖5）。環(huán)境因子（DO、pH、硝酸鹽）與微生物群落變化顯著相關(guān)（圖6）。

 

 

 

研究目的

 

驗證抑硫機制：探究苦草釋氧是否抑制H?S和S2?釋放，以及添加硝酸鹽是否增強該效應(yīng)。

 

解析微生物響應(yīng)：明確硝酸鹽是否促進NR-SOB增殖，從而優(yōu)化硫循環(huán)路徑。

 

指導(dǎo)生態(tài)修復(fù)：為黑臭水體治理中水生植物技術(shù)的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

 

研究思路與技術(shù)路線

 

采用 “控制變量法” 設(shè)計四組處理（圖1）：

 

 

實驗組：

 

VN：種植苦草，無額外硝酸鹽。

 

VNN：種植苦草，添加硝酸鹽（6.6 mg/L NO?-N）。

 

對照組：

 

AP：人工植物，無額外硝酸鹽。

 

APN：人工植物，添加硝酸鹽。

 

監(jiān)測指標(biāo)：

 

環(huán)境參數(shù)：DO、pH（圖2A-B）、COD（圖2C）。

 

 

硫循環(huán)：SO?2?、H?S、S2?（圖3）。

 

氮轉(zhuǎn)化：NO??-N、NO??-N、NH??-N（圖4）。

 

 

微生物群落：16S rRNA測序分析葉片生物膜和沉積物（圖5）。

 

數(shù)據(jù)分析：結(jié)合方差分析（ANOVA）、主坐標(biāo)分析（PCoA）和Pearson相關(guān)性（圖6），解析環(huán)境因子與微生物群落的關(guān)聯(lián)。

 

關(guān)鍵數(shù)據(jù)及研究意義

1. 溶解氧（DO）與pH動態(tài)（圖2A-B）

 

數(shù)據(jù)：苦草使DO從1.1 mg/L（AP組）升至5.2 mg/L（VNN組），pH從7.66升至10.01。

 

意義：證實苦草光合作用提升水體氧化還原電位，抑制厭氧硫還原過程。硝酸鹽進一步協(xié)同增強該效應(yīng)。

 

2. 硫釋放抑制（圖3B-C）

 

數(shù)據(jù)：VNN組H?S和S2?濃度分別穩(wěn)定<6.1 μmol/L和未檢出水平，抑硫效率達(dá)98.8%。

 

意義：量化苦草+硝酸鹽對黑臭水體硫釋放的協(xié)同控制效果，為生態(tài)修復(fù)提供參數(shù)優(yōu)化依據(jù)。

 

3. 氮轉(zhuǎn)化與COD去除（圖2C, 圖4）

 

數(shù)據(jù)：硝酸鹽促進反硝化（APN組NO??-N損失更高），但引起亞硝酸鹽積累（VNN組NO??-N峰值2.61 mg/L）。苦草提升NH??-N去除率（VNN組>96.7%），但COD去除率因根系分泌物增加而降低。

 

意義：揭示硫-氮代謝競爭關(guān)系，提示需平衡脫氮與抑硫目標(biāo)。

 

4. 微生物群落重構(gòu)（圖5, 圖6）

 

數(shù)據(jù)：

 

SRB抑制：沉積物中MSBL7屬豐度從36.58%（AP組）降至8.80%（VNN組）。

 

SOB/NR-SOB增殖：葉片生物膜中Aeromonas（SOB）和Hydrogenophaga（NR-SOB）豐度在VNN組最高（10.70%和5.23%）。

 

意義：從微生物機制解釋抑硫效果——硝酸鹽驅(qū)動微生物群落從“硫還原”向“硫氧化”功能轉(zhuǎn)型。

 

核心結(jié)論

 

苦草抑硫效果顯著：通過釋氧提升DO和pH，直接抑制SRB活性。

 

硝酸鹽協(xié)同增效：刺激NR-SOB增殖，將S2?氧化為SO?2?，進一步阻斷H?S生成路徑。

 

微生物宿主特異性：苦草葉片生物膜是SOB/NR-SOB的關(guān)鍵棲息地，其群落結(jié)構(gòu)受植物分泌物調(diào)控。

 

應(yīng)用啟示：苦草種植結(jié)合硝酸鹽添加是黑臭水體修復(fù)的有效策略，但需關(guān)注亞硝酸鹽積累風(fēng)險。

 

Unisense電極數(shù)據(jù)的專項解讀

技術(shù)原理與測量目標(biāo)

 

電極型號：Unisense MM33-2-7370多參數(shù)分析儀，配備H?S微傳感器。

 

測量指標(biāo)：水體中H?S濃度（μmol/L），精度達(dá)微摩爾級（圖3B）。

 

關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)與機制解析

 

動態(tài)監(jiān)測硫釋放（圖3B）：

 

Unisense數(shù)據(jù)揭示H?S釋放的時空異質(zhì)性：AP組H?S持續(xù)升高（峰值>25 μmol/L），而VNN組穩(wěn)定<6.1 μmol/L。

 

意義：高分辨率數(shù)據(jù)證實硝酸鹽添加后苦草的抑硫效果具有持續(xù)穩(wěn)定性。

 

關(guān)聯(lián)環(huán)境因子（圖2A, 圖3B）：

 

H?S濃度與DO、pH呈強負(fù)相關(guān)（R2>0.81）。例如，VNN組DO>5 mg/L時，H?S始終未檢出。

 

意義：量化證明“苦草釋氧→提升DO/pH→抑制H?S”的因果鏈條。

 

微生物過程驗證（圖5, 圖6）：

 

低H?S濃度（VNN組）對應(yīng)葉片生物膜中SOB（Aeromonas）和NR-SOB（Hydrogenophaga）的高豐度。

 

意義：Unisense數(shù)據(jù)為“硝酸鹽驅(qū)動微生物硫氧化”提供直接證據(jù)，彌補了傳統(tǒng)方法無法實時監(jiān)測硫形態(tài)轉(zhuǎn)化的缺陷。

 

研究意義

 

方法創(chuàng)新性：首次將Unisense微電極應(yīng)用于水生植物-微生物互作研究，實現(xiàn)H?S原位動態(tài)監(jiān)測。

 

機制深度：揭示硝酸鹽通過調(diào)控微生物功能（而非單純化學(xué)氧化）抑制硫釋放，為生態(tài)修復(fù)提供新視角。

 

技術(shù)推廣價值：Unisense電極的高靈敏度使其適用于其他還原性水體（如沼澤、富營養(yǎng)化湖泊）的硫循環(huán)研究。

 

總結(jié)：本研究通過Unisense電極精準(zhǔn)捕捉苦草與硝酸鹽協(xié)同抑硫的動態(tài)過程，結(jié)合微生物群落分析，闡明“植物-化學(xué)-微生物”三方互作機制，為黑臭水體修復(fù)技術(shù)的優(yōu)化提供理論和實踐依據(jù)。