黑臭水体沉积物中氮循环关键过程及其微生物驱动机制研究

Black and odorous water is one of the environmental problems in China, especially in urban rivers. The nitrogen compounds, especially ammonium, are the important elements of black and odorous water. Ammonium, the main form of nitrogen released from sediment to overlying water, is considered to be a cause of acidification of freshwater, eutrophication, toxicity and other adverse effects. Its concentration depends on the nitrogen cycle processes of production, such as nitrogen mineralization and dissimilatory nitrate reduction to ammonium, and consumption processes such as nitrification and anaerobic ammonium oxidation (anammox). Hence, the processes of nitrogen cycle are essential to the understanding of ammonium accumulation in low oxygen environments or black and odorous water. Based on the sediment types in China, the conversion rates of nitrogen cycle in the black and odorous water were studied on the environmental factors and the function and contribution of the microbe-driving nitrogen cycle. Furthermore, a method by the application of the isotopic trace will be established for the determination of nitrogen cycling rate in black and Odorous of different regions of china. Our study is very important for researcher and engineerspeople to understand the key processes of nitrogen cycle processes in sediments of black and odorous water.

河流黑臭是目前我国河流尤其是城市河道面临的主要水环境问题之一。氨氮、有机氮等氮类物质尤其是NH3是造成水体黑臭的重要原因之一。氨氮还被认为是淡水酸化、富营养化、毒性和其他副作用的一个原因，是从沉积物向上覆水释放氮的主要形态。在氮循环过程中，氨氮浓度取决于氨氮的产生（例如有机氮矿化和异化硝酸盐还原）以及消耗（例如硝化和氨氧化过程）。对氮循环过程的认识有利于河流黑臭问题的解决。本项目依托我国复杂多样的沉积物类型，深入开展黑臭水体氮循环过程研究，探讨沉积物黑臭水体中环境因子-氮转化速率-微生物耦合机制，建立一套针对我国不同区域黑臭河流沉积物的较为普适的氮循环速率测定的研究方法体系。这一方法体系的构建对于帮助人们深入认识沉积物中氮循环关键过程在黑臭水体中的作用至关重要。该项目的研究也将有利于我国河流水体治理，对水环境治理工程起到支撑与指导作用。

针对海河流域典型河流滏阳河严重的氮污染问题，研究了滏阳河水体及表层沉积物中氮的赋存形态和空间分布特征，以准确了解滏阳河氮污染状况及空间分布差异性；并进一步研究不同因素对其赋存形态和空间分布特征的影响，了解水体和沉积物之间存在不同形态氮之间的相互影响和转化的特点，为下面的研究提供了基础；选择不同河段的代表性样点估算水—沉积物界面无机氮的扩散通量和年负荷贡献量，估算滏阳河沉积物内源释放对水体氮的贡献；最后通过分析表层沉积物的氨化速率和潜在硝化速率及沉积物对氨氮的吸附—解吸特性，明确迁移和转化过程对沉积物氨氮的影响，为海河流域典型河流的氮污染治理和生态恢复提供基础数据和理论支撑。.滏阳河表层水TN的平均浓度为24.95mg/L，超出国家地表水V类标准；表层沉积物TN的平均浓度为2902.02mg/kg，达到美国EPA沉积物评价标准的重污染程度。表层水氮素的主要赋存形态为可溶性无机氮（DIN），其中NH4+-N为主要污染成分，占DIN的83.6%。表层沉积物则以有机氮为主要存在形态，其占TN的89.02%；而DIN的主要赋存形态是NH4+-N，所占比例达到54.88%。. 滏阳河上覆水和孔隙水中DIN的赋存形态以NH4+-N为主，其占DIN的比例分别达到96.4%和94.2%。在垂直尺度上，上覆水NH4+-N、NO3--N和NO2--N的浓度随深度增加基本保持稳定，而孔隙水中其波动较大，并且NH4+-N和NO3--N均在0~10cm范围内出现最大值。在石家庄段，氨氮的扩散通量达到-42.18 mg/（m2·d）。. 滏阳河表层沉积物氨化速率和潜在硝化速率的平均值分别为4.30μg N/（g·h）和0.152μg N/（g·h），前者约为后者的28倍。滏阳河氨化速率和PNR的变化范围较大，具有明显的空间差异性。沉积物的吸附—解吸平衡浓度在0.55~26.15mg/L之间，沉积物的本底吸附量介于8.181~402.68mg/kg之间。各点的平衡解吸量的变化范围为36.50~400.59mg/kg。