城市河道底泥中硫酸盐还原氨氧化对氮硫循环的贡献及其环境效应研究

Sulfate-reducing ammonium oxidation (SRAO) is a process combining the nitrogen and sulfur conversion together, which has been documented in the marine sediments. It indicated the important effect of SRAO process on the nitrogen and sulfur cycle in the aquatic ecosystems. In recent years, the black and odorous problems caused by nitrogen and sulfur contaminants severely destroyed the ecosystem of urban rivers. Therefore, the distributed regularity and the key influencing factors of SRAO microorganisms in the urban river sediments will be explored in this project, using the molecular biology and biochemistry technologies. Furthermore, the reaction rates and the nitrogen gas producing rates, as well as the functional microorganisms and genes will be investigated, to reveal the contribution of SRAO to the nitrogen and sulfur cycle of urban river sediments. Finally, a simulated urban river system will be established, for which the enriched SRAO microorganisms will be added in the sediments. The water quality, biodiversity and enzymes will be detected to discover the effects of SRAO microorganisms on the urban river, and further illuminate its environmental impact. The research results can improve understanding of nitrogen and sulfur cycle in urban river, and help illustrate the microbial mechanism of the transport and transformation of nitrogen and sulfur pollutants.

硫酸盐还原氨氧化是一种氮、硫共转化过程，目前已在海洋沉积物中发现了该现象，预示着其对水域系统的氮、硫循环有着重要的贡献。近年来，由氮、硫污染引起的水体黑臭问题严重破坏了城市河道的生态系统。因此，本项目拟以城市河道底泥中的硫酸盐还原氨氧化作用为研究对象，综合运用分子生物学及生物化学方法，考察其功能菌群的分布规律，明晰该过程的关键驱动因子；分析参与氮、硫循环的各生物过程的反应速率及氮气产生比率，同时利用荧光定量扩增技术测定功能微生物和功能基因的丰度，阐明硫酸盐还原氨氧化在城市河道氮、硫污染物转化中的功能效应，进而揭示其对底泥氮、硫循环的贡献；并在模拟黑臭河道体系中投加硫酸盐还原氨氧化富集菌群，跟踪分析水质、微生物组成及关键酶活的变化，揭示其对黑臭河道的作用机制，进而阐明硫酸盐还原氨氧化过程的环境效应。本研究结果可丰富城市河道氮、硫共循环理论，有助于阐明氮、硫污染物迁移转化过程的微生物驱动机制。

近年来，由氮、硫污染引起的水体黑臭问题严重破坏了城市河道的生态系统。厌氧氨氧化（Anammox）已被证实在多种水域系统的氮循环中起着关键作用，而硫酸盐型的厌氧氨氧化-硫酸盐还原氨氧化（SRAO）作用则对水域系统的氮、硫共循环有着重要的贡献。本项目考察了SRAO菌群在城市河道底泥中的分布规律、SRAO作用在河道底泥氮、硫循环中的功能效应以及SRAO菌群对城市黑臭河道的作用机制，并延伸性的探讨了氮、硫污染物同步去除的可行性，以及重金属、抗生素及纳米颗粒等新兴污染物对Anammox相关菌群的影响机制。结果表明，有机物在底泥中的含量较低，主要存在于上覆水和孔隙水中；氨氮主要存在孔隙水中，且在春、夏两季含量较高，秋、冬两季的底泥中氨氮增多；硝氮主要存在于底泥中，春、秋两季含量较高；硫酸盐与氨氮的变化呈正相关，主要存在于孔隙水中，在夏季达到最高值。SRAO菌群相关的菌门Verrucomicrobia在底泥中的相对丰度为0.45%-2.05%（春季）、0.21%-1.02%（夏季）、0.01%-1.05%（秋季）、1.22%-2.24%（冬季），菌群分布受季节影响较大，与底泥中的氨氮、硫酸盐含量显著相关。河道底泥通过Anammox、SRAO、异养反硝化、硫自养反硝化作用去除总氮的潜力分别为0.0071、0.0020、0.011、0.0015 mg/（g SS·h），这四个过程对总氮去除的贡献率分别为32.9%、9.3%、50.9%、6.9%。将培养好的SRAO及Anammox相关菌群按1：20比例投加到底泥中，对底泥经由SRAO和Anammox作用去除氨氮的潜力分别提升了4.4和2.7倍。好氧条件下Anammox与多种菌群耦合时，其对重金属、抗生素、纳米颗粒等新兴污染物的抵抗能力较强，因此在利用Anammox相关菌群修复河道底泥时，可将水体环境的DO浓度及与其它菌群的耦合作为考虑因素。本项目的研究结果丰富了城市河道氮、硫共循环理论，有助于阐明氮、硫污染物迁移转化过程的微生物驱动机制，为城市河道的生态修复提供了技术及理论支撑，具有较为重要的科学价值和社会环境意义。