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構

來源：Journal of Environmental Management 316 (2022) 115226

 

 

摘要核心內容

 

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。核心發現包括：

 

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：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）。環境因子（DO、pH、硝酸鹽）與微生物群落變化顯著相關（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。

 

解析微生物響應：明確硝酸鹽是否促進NR-SOB增殖，從而優化硫循環路徑。

 

指導生態修復：為黑臭水體治理中水生植物技術的應用提供理論依據。

 

研究思路與技術路線

 

采用 “控制變量法” 設計四組處理（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。

 

監測指標：

 

環境參數：DO、pH（圖2A-B）、COD（圖2C）。

 

 

硫循環：SO?2?、H?S、S2?（圖3）。

 

氮轉化：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）。

 

數據分析：結合方差分析（ANOVA）、主坐標分析（PCoA）和Pearson相關性（圖6），解析環境因子與微生物群落的關聯。

 

關鍵數據及研究意義

1. 溶解氧（DO）與pH動態（圖2A-B）

 

數據：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。硝酸鹽進一步協同增強該效應。

 

2. 硫釋放抑制（圖3B-C）

 

數據：VNN組H?S和S2?濃度分別穩定<6.1 μmol/L和未檢出水平，抑硫效率達98.8%。

 

意義：量化苦草+硝酸鹽對黑臭水體硫釋放的協同控制效果，為生態修復提供參數優化依據。

 

3. 氮轉化與COD去除（圖2C, 圖4）

 

數據：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-氮代謝競爭關系，提示需平衡脫氮與抑硫目標。

 

4. 微生物群落重構（圖5, 圖6）

 

數據：

 

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——硝酸鹽驅動微生物群落從“硫還原”向“硫氧化”功能轉型。

 

核心結論

 

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的關鍵棲息地，其群落結構受植物分泌物調控。

 

應用啟示：苦草種植結合硝酸鹽添加是黑臭水體修復的有效策略，但需關注亞硝酸鹽積累風險。

 

Unisense電極數據的專項解讀

技術原理與測量目標

 

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

 

測量指標：水體中H?S濃度（μmol/L），精度達微摩爾級（圖3B）。

 

關鍵發現與機制解析

 

動態監測硫釋放（圖3B）：

 

Unisense數據揭示H?S釋放的時空異質性：AP組H?S持續升高（峰值>25 μmol/L），而VNN組穩定<6.1 μmol/L。

 

意義：高分辨率數據證實硝酸鹽添加后苦草的抑硫效果具有持續穩定性。

 

關聯環境因子（圖2A, 圖3B）：

 

H?S濃度與DO、pH呈強負相關（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）對應葉片生物膜中SOB（Aeromonas）和NR-SOB（Hydrogenophaga）的高豐度。

 

意義：Unisense數據為“硝酸鹽驅動微生物硫氧化”提供直接證據，彌補了傳統方法無法實時監測硫形態轉化的缺陷。

 

研究意義

 

方法創新性：首次將Unisense微電極應用于水生植物-微生物互作研究，實現H?S原位動態監測。

 

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

 

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

 

總結：本研究通過Unisense電極精準捕捉苦草與硝酸鹽協同抑硫的動態過程，結合微生物群落分析，闡明“植物-化學-微生物”三方互作機制，為黑臭水體修復技術的優化提供理論和實踐依據。