2.4粉煤灰基載氧沸石對(duì)微生物的影響

2.4.1微生物群落組成分析粉煤灰基載氧沸石覆蓋沉積物25d后表層沉積物和覆蓋層中微生物群落在門水平上物種組成（合并豐度<0.01）如圖8（a）所示。覆蓋層中的變形菌門（Proteobacteria）的相對(duì)豐度與對(duì)照組相比明顯升高，在0.5，1和2cm覆蓋厚度組中其相對(duì)豐度分別達(dá)到41.0%、45.4%和60.1%。結(jié)合不同覆蓋厚度粉煤灰基載氧沸石的脫氮效果可以看出（圖4（d）），變形菌門的增加將加強(qiáng)氮的去除，這與之前的研究結(jié)論一致，因?yàn)樽冃尉T是脫氮的主要菌門，其中包含大量與硝化作用與反硝化作用相關(guān)的功能菌。

對(duì)屬水平上的微生物群落組成進(jìn)一步分析（圖8（b）），各組沉積物的微生物群落之間沒有明顯差異，但粉煤灰基載氧沸石覆蓋層與表層沉積物中的微生物群落相比，其富集了甲基孢囊菌屬（Methylocystis）、甲基單胞菌屬（Methylomonas）、硫自養(yǎng)反硝化菌屬（Thiobacillus）、假單胞菌屬（Pseudomonas）、申氏桿菌屬（Shinella）、丹毒絲菌屬（Erysipelothrix）、鹽單胞菌屬（Halomonas）、硝化螺菌屬（Nitrospira）、亞硝化單胞菌屬（Nitrosomonas）、厭氧醋菌屬（Acetoanaerobium）和小紡錘狀菌屬（Fusibacter）等功能微生物（圖8（b））。其中亞硝化單胞菌屬和硝化螺菌屬屬于硝化菌，它們分別參與將氨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽氮的亞硝化過(guò)程和將亞硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮的硝化過(guò)程。硫自養(yǎng)反硝化菌屬、假單胞菌屬、申氏桿菌屬、鹽單胞菌屬和小紡錘狀菌屬均屬于反硝化相關(guān)菌。此外，甲基單胞菌屬具有norB基因，能夠獨(dú)立實(shí)現(xiàn)好氧甲烷氧化耦合反硝化過(guò)程，并以氧化亞氮為最終產(chǎn)物。此外，厭氧醋菌屬產(chǎn)生醋酸的過(guò)程可以為異養(yǎng)反硝化提供電子和碳源，從而參與到反硝化過(guò)程中。

這種高豐度的微生物群落聚集，可能是由于高濃度的硝酸鹽氮造成的（圖4（c）和5（b））。值得注意的是，與大多數(shù)微生物在缺氧條件下進(jìn)行反硝化作用不同，假單胞菌屬、申氏桿菌屬與硫自養(yǎng)反硝化菌屬均能夠在好氧條件下進(jìn)行，屬于（兼性）好氧反硝化菌。

粉煤灰基載氧沸石覆蓋后帶來(lái)了高濃度的溶解氧（圖2），造成好氧反硝化菌大量聚集在覆蓋層。此外，上述微生物中僅有硫自養(yǎng)反硝化菌屬為自氧反硝化菌。這是因?yàn)樽责B(yǎng)反硝化菌利用無(wú)機(jī)物質(zhì)，如氫和還原態(tài)的硫/鐵化合物，而異養(yǎng)反硝化菌利用有機(jī)物質(zhì)。本次試驗(yàn)使用的沉積物和上覆水采集于重慶市某典型黑臭水體，其中可能含有不適用于自養(yǎng)反硝化菌的有機(jī)物質(zhì)，因此更有利于異養(yǎng)反硝化菌的聚集。

2.4.2硝化和反硝化過(guò)程相關(guān)功能酶的預(yù)測(cè)為進(jìn)一步探究粉煤灰基載氧沸石覆蓋對(duì)表層沉積物和覆蓋層中硝化和反硝化過(guò)程相關(guān)功能酶豐度的影響，利用PICRUSt2（Phylogenetic Investigation of Communities by Reconstruction of Unobserved States）軟件預(yù)測(cè)了功能酶的豐度，并使用KEGG（Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes）數(shù)據(jù)庫(kù)估計(jì)其代謝功能。在硝化過(guò)程中，調(diào)控氨氧化成羥胺的微粒甲烷單加氧酶（EC:1.14.18.13）、調(diào)控羥胺氧化成亞硝酸鹽氮的羥胺脫氫酶（EC:1.7.2.6）與硝酸還原酶（EC:1.7.99.4）在覆蓋層中的相對(duì)豐度均高于其覆蓋層下的沉積物和對(duì)照組，并且隨著覆蓋深度的增加其相對(duì)豐度也增加（圖8（c））。同時(shí)上覆水和沉積物氨氮的去除效果與載氧沸石覆蓋厚度正相關(guān)（圖4（a）和5（a）），這表明粉煤灰基載氧沸石能夠通過(guò)增加硝化作用的相關(guān)酶從而增強(qiáng)對(duì)水中氨氮的轉(zhuǎn)化。反硝化過(guò)程中調(diào)控硝酸鹽氮還原為亞硝酸鹽氮的鐵氧還原蛋白~硝酸還原酶（EC:1.7.7.2）、亞硝酸鹽氮還原酶（EC:1.7.2.1）、依賴細(xì)胞色素c的一氧化氮還原酶（EC:1.7.2.5）、氧化亞氮還原酶（EC:1.7.2.4）在覆蓋層中的相對(duì)豐度明顯高于其覆蓋層下的沉積物，并且2cm覆蓋厚度的反硝化功能酶的豐度最高。依賴細(xì)胞色素c的一氧化氮還原酶（EC:1.7.2.5）在對(duì)照組和覆蓋組中的豐度具有明顯差異，并隨著覆蓋厚度的增加而增加，這個(gè)結(jié)果與氧化亞氮釋放通量（圖7）的規(guī)律相同。以上結(jié)果表明，粉煤灰基載氧沸石覆蓋后，其覆蓋層中能夠發(fā)生強(qiáng)烈的硝化作用和反硝化作用，進(jìn)而控制沉積物中氮向上覆水的釋放。

圖8微生物群落在的相對(duì)豐度和基于KEGG數(shù)據(jù)庫(kù)的硝化和反硝化路徑中功能酶的相對(duì)豐度

Z05cm，Z1cm，Z2cm分別為0.5cm覆蓋，1cm覆蓋，2cm覆蓋組的覆蓋層；SC，S05cm，S1cm，S2cm分別為對(duì)照組，0.5cm覆蓋，1cm覆蓋組，2cm覆蓋組0——2cm深度的沉積物（去除覆蓋層之后）

2.5粉煤灰基載氧沸石對(duì)硝化和反硝化功能基因的影響

粉煤灰基載氧沸石覆蓋25d后沉積物和覆蓋層中硝化和反硝化相關(guān)功能基因（amoA、narG、napA、nirS和nirK）的豐度如圖9所示。其中amoA編碼的氨單加氧酶（AMO）能將氨氧化成羥胺來(lái)活化氨。如圖9（a）所示，覆蓋了粉煤灰基載氧沸石的沉積物中amoA基因顯著高于對(duì)照組（P<0.05）。在0.5，1和2cm覆蓋厚度組的覆蓋層均檢測(cè)出amoA基因，各處理組中AMO基因豐度分別為1.28×105，1.84×105和1.63×105copies/g.Cai等使用沸石進(jìn)行農(nóng)田徑流脫氮同樣觀察到了amoA基因在沸石中的積累，其基因豐度為1.2×105copies/g.粉煤灰基載氧沸石釋放出來(lái)的氧氣可能是造成覆蓋層和沉積物中amoA基因豐度升高的原因。以上結(jié)果表明，通過(guò)覆蓋粉煤灰基載氧沸石造成上覆水和沉積物中氨氮的快速削減，不僅僅是通過(guò)吸附造成的，微生物作用下的硝化反應(yīng)也發(fā)揮重要作用。

與不含有粉煤灰基載氧沸石的對(duì)照組沉積物相比，在覆蓋粉煤灰基載氧沸石的沉積物中narG、napA、nirS和nirK等反硝化相關(guān)功能基因的豐度均升高（圖9（b——e））。1cm覆蓋處理組覆蓋層中同樣積累了大量與反硝化相關(guān)的功能基因，并且narG、nirS、nirK基因檢測(cè)出的豐度甚至高于對(duì)照組。造成反硝化功能基因高豐度的原因是多方面的，一方面硝化作用轉(zhuǎn)化而來(lái)的亞硝酸鹽氮與硝酸鹽氮為反硝化菌的生長(zhǎng)提供了豐富的底物；另一方面沸石的高比表面積和復(fù)雜的孔道系統(tǒng)為反硝化菌提供了豐富的生境，使得反硝化菌能夠在沸石表面的聚集。值得注意的是，粉煤灰基載氧沸石覆蓋增加了沉積物中napA基因的豐度（圖9（b））。napA基因編碼周質(zhì)硝酸還原酶（NAP）能夠在有氧條件下將硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽氮，從而發(fā)生好氧反硝化，這不同于narG編碼的膜結(jié)合硝酸還原酶（NAR），因?yàn)镹AR對(duì)氧敏感，僅在缺氧條件下進(jìn)行表達(dá)。周質(zhì)硝酸鹽氮還原酶（NAP）以及膜結(jié)合硝酸鹽氮還原酶（NAR）的富集表明在表面沉積物中發(fā)生了耦合的有氧~缺氧反硝化過(guò)程。此外，覆蓋更多載氧沸石的并不能增強(qiáng)硝化和反硝化相關(guān)功能基因的豐度（圖9），這表明覆蓋更多的材料觀察到的氮削減能力增強(qiáng)可能是通過(guò)吸附作用的增強(qiáng)造成的，而非微生物的脫氮作用。

圖9粉煤灰基載氧沸石覆蓋下硝化和反硝化作用相關(guān)功能基因的豐度

2.6粉煤灰基載氧沸石對(duì)沉積物~水體系中氮去除的機(jī)制

粉煤灰基載氧沸石具有高效吸附氨氮和持續(xù)釋放氧氣的能力，覆蓋在受污染沉積物表面后，可通過(guò)3個(gè)方面降低沉積物~水體系中的氮含量（圖10）。

第一，該材料能夠隔離受污染的沉積物以減少污染物的遷移；第二，粉煤灰基沸石是一種微孔晶體水合鋁硅酸鹽，其中的鋁離子將產(chǎn)生一個(gè)凈負(fù)電荷，將通過(guò)框架中額外的陽(yáng)離子來(lái)平衡，這使得粉煤灰基沸石對(duì)帶正電荷的氨氮具有極強(qiáng)的吸附能力，因此它能夠迅速吸附沉積物~水體系中的氨氮。第三，粉煤灰基沸石的多孔結(jié)構(gòu)能夠負(fù)載大量氧氣，進(jìn)而在投放到沉積物~水界面后能夠持續(xù)提高沉積物~水體系中的溶解氧濃度，進(jìn)而改善表層沉積物和覆蓋層中的微生物群落結(jié)構(gòu)，激發(fā)好氧~缺氧反硝化耦合的脫氮過(guò)程，從而降低了沉積物~水體系中的氮含量，控制了沉積物中氮的釋放。

未經(jīng)處理的粉煤灰中直接投加到天然水體后，其中的鉛與汞等有害元素會(huì)浸出進(jìn)而造成水體次生風(fēng)險(xiǎn)。但當(dāng)粉煤灰被制備成沸石后，其所含的有害元素浸出會(huì)被限制。因此粉煤灰基沸石被認(rèn)為是對(duì)環(huán)境安全的，并廣泛應(yīng)用于水體污染物去除。已有原位研究證實(shí)，載氧多孔材料覆蓋后，可以有效阻止污染物再次由沉積物釋放到上覆水。因此，釋氧結(jié)束后粉煤灰基載氧沸石在沉積物上可持續(xù)作為覆蓋層進(jìn)而減緩內(nèi)源污染物的釋放。此外，對(duì)于水生態(tài)修復(fù)過(guò)程，以沉水植物為核心的水生植物群落能有效抑制沉積物的污染物釋放與底泥再懸浮。因此，如通過(guò)投加粉煤灰基載氧沸石進(jìn)而改善沉水植物生境，可能會(huì)誘導(dǎo)水生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)并避免材料的多次投加，但上述思路需進(jìn)一步研究。

圖10粉煤灰基載氧沸石對(duì)沉積物~水體系中氮去除的機(jī)制

3結(jié)論

3.1

3種不同來(lái)源的粉煤灰合成的沸石均具有良好的吸附性能，其最大吸附量分別為50.24，49.95和55.16mg/g.3種載氧后的煤灰合成的沸石均具有良好的增氧能力，可使水中溶解氧從<0.9mg/L最大增加至7.21，6.91，7.54mg/L。

3.2

粉煤灰基載氧沸石能夠有效增加上覆水和沉積物中的溶解氧濃度，并降低氮含量，并且溶解氧濃度、溶解氧在沉積物中的穿透深度、對(duì)氨氮和總氮的去除效果均與覆蓋厚度呈正相關(guān)關(guān)系。覆蓋25d后，0.5，1.0和2.0cm覆蓋厚度處理組中沉積物~水界面處的溶解氧濃度分別達(dá)到1.79，3.69，6.26mg/L，相較于對(duì)照組分別增長(zhǎng)了43.18%、93.01%和397.22%。

同時(shí)粉煤灰基載氧沸石削減了沉積物中氨氮的釋放通量。相于對(duì)照組，0.5，1和2cm覆蓋厚度的粉煤灰基載氧沸石分別削減了31.4%、47.0%和50.47%的氨氮釋放通量。

3.3

覆蓋粉煤灰基載氧沸石改變了表層沉積物的微生物群落組成，并提高了硝化菌和反硝化菌的相對(duì)豐度，2cm覆蓋厚度處理組中變形菌門的相對(duì)豐度提高到了60.1%。同時(shí)覆蓋層中富集了更多的參與硝化和反硝化作用的功能微生物。KEGG數(shù)據(jù)庫(kù)中氮代謝功能酶的預(yù)測(cè)表明粉煤灰基載氧沸石促進(jìn)了硝化和反硝化作用的進(jìn)行。粉煤灰基載氧沸石顯著增加了表層沉積物中硝化功能基因（amoA）和反硝化功能基因（narG、napA、nirS和nirK）的相對(duì)豐度（P<0.05）。覆蓋粉煤灰基載氧沸石覆蓋下表層沉積物中檢測(cè)出顯著高于對(duì)照組的好氧反硝化基因napA（P<0.05），說(shuō)明在表面沉積物中發(fā)生了耦合的有氧~缺氧反硝化過(guò)程。

粉煤灰基載氧沸石的制備、化學(xué)成分及對(duì)沉積物-水剖面氮去除的機(jī)制（一） 

粉煤灰基載氧沸石的制備、化學(xué)成分及對(duì)沉積物-水剖面氮去除的機(jī)制（二）

粉煤灰基載氧沸石的制備、化學(xué)成分及對(duì)沉積物-水剖面氮去除的機(jī)制（三） 

粉煤灰基載氧沸石的制備、化學(xué)成分及對(duì)沉積物-水剖面氮去除的機(jī)制（四）

粉煤灰基載氧沸石的制備、化學(xué)成分及對(duì)沉積物-水剖面氮去除的機(jī)制（五）