硝酸盐刺激富硫底泥中多环芳烃降解的微生物作用机制

The pollution of sulfide and polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in urban river sediment is a hot environmental issue recently. Biostimulation with nitrate is an effective strategy for in situ remediation under anaerobic condition. Though this method has been practically applied, the mechanisms of how nitrate affects sulfur cycle and promotes the PAHs degradation are still unclear. We propose a hypothesis that PAHs are degraded by nitrate reduction followed by sulfate reduction, where the sulfate is produced by “nitrate reduction driven sulfide oxidation” process. Microcosms and sediment column experiments will be prepared to study the kinetics of nitrogen- and sulfur-cycle ions and PAHs degradation. High-throughput sequencing and functional gene array will be used to analyze the alternation of nitrogen and sulfur cycles bacterial and PAHs degrader communities. In this project, the function of “nitrate reduction driven sulfide oxidation” in promoting PAHs degradation will be illuminated, and how the nitrogen- and sulfur-cycle, and PAHs-degrading bacterium response to the nitrate addition in the sediment will be revealed. The findings will be helpful to further understand the mechanism on nitrate reduction driven sulfide oxidation, and will be instructive for application of nitrate stimulation for PAHs degradation.

城市河道底泥污染是当今的热点环境问题，由硫化物引起的黑臭及持久性有机物残留所致的风险是其主要特征。微生物刺激法是修复底泥中复合污染的有效方法，其中硝酸盐作为主要的厌氧电子受体在厌氧环境修复中备受关注。该方法虽在实际应用中取得成效，但有关硝酸盐添加对底泥中硫循环的影响及其对有机物降解的促进机制仍有待阐明。本项目针对多环芳烃（PAHs）污染的黑臭底泥，研究硝酸盐添加后驱动的硫循环及PAHs降解过程，提出PAHs分别被硝酸盐还原和硫酸盐还原过程分步降解的假设，利用微环境培养、模拟土柱、高通量测序和功能基因芯片等技术分析该过程中氮、硫循环离子的转化及相关功能菌群的演替，阐明“硝酸盐还原-硫氧化-硫酸盐还原”过程在促进PAHs降解中的作用，揭示污染底泥中氮、硫功能微生物和PAHs降解菌对硝酸盐添加的响应规律。为深入了解硝酸盐驱动的碳氮硫耦合循环机理，改进硝酸盐刺激修复法提供科学依据。

黑臭河道污染是限制城市水生态文明发展的重要因素，此污染主要表现为水体厌氧，底泥物质以还原态存在，缺乏电子受体。本项目以珠江三角洲黑臭河道底泥为对象，研究以硝酸盐为电子受体，促进底泥恢复的过程中，微生物呼吸产能耦合多环芳烃（PAHs）降解转化规律。项目调查了珠江河道底泥中PAHs的分布及其生物可利用性，发现河道底泥中的PAHs生物有效态高，具潜在生态毒性，但生物有效态的分布与总量分布并非线性关系，鉴于PAHs的老化作用，仅以总量为基准的风险评价可能存在偏差，项目提出以温和提取法提取的活性PAHs作为风险评价的标准，同时活性PAHs也可作为新鲜PAHs的源解析。基于以上调查，采集典型污染底泥研究硝酸盐刺激作用，发现硝酸盐刺激富硫底泥，促进异养细菌反硝化降解PAHs，微生物的PAHs降解基因响应于反硝化过程；同时促进自养细菌氧化低价硫产生硫酸盐，但硫酸盐虽是电子受体，其对PAHs降解的促进作用却远低于硝酸盐还原条件；经微生物生态网络及零和模型分析，原始微生物群落组成是电子受体利用效率的主因。因此，电子受体和土著菌群共同决定了厌氧底泥中有机污染物的降解效率，解释了硝酸盐刺激富硫底泥中PAHs降解的微生物作用机制。本研究探索了硝酸盐-生物炭修复底泥PAHs污染的效果，发现生物炭既能对底泥PAHs预富集，并可作为多孔介质成为细菌的良好载体，生物炭的这两种作用增加了PAHs与潜在降解者的接触机会，在得到硝酸盐的刺激下，增加了PAHs的降解效果。基于以上原理，本项目研发了一种用于黑臭河道底泥修复的新型环保矿物基硝酸钙缓释颗粒，获得发明专利授权，已许可企业进行成果转化，应用于河涌修复。