2018, Vol. 56
众多研究表明，城市景观水体富营养化的根本原因是氮、磷两种营养盐含量超标[1-2]。因此，削减水体中的氮、磷是景观水体富营养化治理的关键。目前，景观水体治理主要通过末端治理及源头治理两种途径。现有的末端治理技术有物化处理法和生物修复法。常用的物化处理法包括曝气充氧[3]、絮凝沉淀[4]、投加杀藻剂[5]和吸附法[6]，具有运行稳定、处理效果好、修复时间短的优点，但物化处理法费用高，且往水体中添加处理剂具有二次污染的风险。生物修复法具有运行费用低、去污效果好、不造成二次污染等优点，被广泛应用于景观水体修复，主要包括微生物修复、生态浮床、人工湿地等[7-9]，其中，人工湿地法利用基质及微生物联合治理技术，在净化水质的同时又可美化环境，备受国内外研究学者的青睐。近年来，众多学者致力于基质材料的筛选研究，应用于污水处理的基质由过去传统的砂粒和砾石扩展到了黏土矿物、沸石等[10-11]。水体基质的选择和铺设对景观水体治理效果有较大影响。
源头污染包括外源和内源，截流是控制外源污染的有效方法，内源污染治理主要通过抑制底泥中氮磷释放，减少上覆水体氮磷含量，从而减少水体富营养化风险。常用的治理技术有曝气法、添加硝酸盐法、底泥疏浚法、生物扰动法和原位覆盖法[12-16]。曝气法和底泥疏浚法具有处理效果好的优点，但成本高。添加硝酸盐法具有成本低、效果好的优点，但会对水体生态系统造成威胁。生物扰动法具有成本低、安全的优点，但易受外界环境条件影响，效果不稳定、且修复周期长。原位覆盖技术具有控制效果好、有效性长等优点，已成为底泥污染物治理的主要方法之一。目前，底泥覆盖材料主要有改性沸石[17]和镧改性膨润土[18]，具有处理效果好的优点，但工艺要求高且成本较高。因此，有必要探索处理效果好且成本低的天然覆盖材料。
紫色母岩是西南地区广泛分布的自然沉积岩，具有矿物成分较砾石复杂、风化形成紫色土磷含量低[19]、可吸附水体磷素[20]的优点，因此，可作为治理景观水污染的基质材料或覆盖材料。过去关于紫色母岩的研究大多集中在风化破碎成紫色土过程的物理颗粒变化、形成的紫色土养分及电荷特性等方面[21-24]，关于利用紫色母岩治理景观水体污染方面的研究较少见。因此，本研究选择重庆市普遍存在的蓬莱镇组、飞仙关组及遂宁组3种紫色母岩，研究3种自然岩石作基质或覆盖材料时对水体总氮(TN)和总磷(TP)的去除效果及对系统中微生物群落结构的影响，以期为景观水体治理提出合理化建议。
1 材料与方法 1.1 样品采集及预处理供试紫色母岩材料选用重庆地区分布面积较广的蓬莱镇组(J3p)、飞仙关组(T1f)和遂宁组(J3s)这3种具有不同沉积相的典型紫色母岩。飞仙关组紫色母岩采自重庆市北碚区鸡公山，遂宁组和蓬莱镇组紫色母岩采自重庆市巴南区界石镇与南岸区长生镇之间的倒置低山区。紫色母岩均采集自地表 10 cm以下地区。取样后去除杂草、树枝等杂质，并将一部分母岩样品处理成2 cm左右的小块在通风干燥的地方风干，作基质材料备用; 将另一部分母岩样品置于阴凉通风处干燥后，研磨，过60目筛，作覆盖材料备用。紫色母岩材料的基本理化性状包括全氮、全磷及pH，主要化学成分包括SiO2、Al2O3、CaO等，所有指标均参照《土壤农化分析与环境监测》[25]进行测定，结果见表 1。供试水样采自西南大学崇德湖，初始pH、总氮(TN)、总磷(TP)分别为8.2、1.86 mg·L-1、0.16 mg·L-1。供试底泥采自四川省玉龙湖中心部位，水底6~7 m处，其初始pH、TN、TP分别为7.0、2.53 g·kg-1、1.29 g·kg-1。
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表 1 供试母岩的基本性状和主要化学成分 Table 1 Basic properties of the parent rocks |
将121℃高压灭菌25 min后的3种不同紫色母岩样品(J3p、T1f、J3s)分别置于3个干净的20 L透明塑料桶底部，每桶加入1 kg紫色母岩，加入15 L崇德湖采集混合水样，完成模拟生态缸构建。将模拟生态缸置于2 000 cd光照、12 h光照周期、25℃条件下培养。将仅有水样不加紫色母岩的生态缸作为空白对照(CK)，每个处理3次重复。并定期于水面下5 cm处采用虹吸法取样测定上覆水体TN、TP。试验结束后，通过虹吸式吸取各试验组水体，用于水体微生物磷脂脂肪酸(PLFA)分析。
1.3 覆盖处理试验实验分为对照组(CK)、蓬莱镇覆盖组(J3p)、飞仙关覆盖组(T1f)、遂宁覆盖组(J3s)。采用15 L广口玻璃瓶(内径20 cm)作为底泥覆盖模拟试验的反应器，将1 L完全混合均匀(将采集到的底泥置于干燥的50 L广口塑料桶中，并用干净木棒搅拌均匀)的新鲜底泥自反应器口部用漏斗管道直接导入底部，使底泥层厚度保持约为4 cm。空白组加入底泥后通过虹吸式加入10 L去离子水，各活性材料覆盖组分别添加500 g对应覆盖材料，再通过虹吸式向各覆盖组中加入10 L去离子水, 密封后放入恒温培养箱中(20±1)℃黑暗培养，每个处理3次重复。并定期于水面下5 cm处采用虹吸法取样测定上覆水体TN、TP，模拟期间上覆水体保持厌氧状态(采用氮气吹脱实现)。底泥TN、TP释放的抑制率(Qe)计算公式：
| $ {Q_{\rm{e}}} = \frac{{{C_{\rm{e}}} - {C_0}}}{{{C_0}}} $ |
式中，Qe为底泥TN、TP释放的抑制率，%; C0和Ce分别为CK及处理组中上覆水体TN、TP的浓度，mg·L-1。
20 d后，通过虹吸式吸取各试验组上覆水体，用于上覆水体微生物磷脂脂肪酸(PLFA)分析。吸取完上覆水体后，去掉上部覆盖层，收集底泥进行底泥微生物群落磷脂脂肪酸(PLFA)分析。
1.4 等温吸附实验配制浓度梯度为0、0.5、1、3、5、10、30、50 mg·L-1的磷酸二氢钾溶液及硝酸钾溶液。准确称取母岩材料0.5 g于50 mL离心管中，加入25 mL不同浓度的磷酸二氢钾溶液、硝酸钾溶液，恒温震荡[200 r·min-1，(25±1)℃] 24 h后，4 500 r·min-1离心8 min，取一定上清液过0.22 μm滤膜，测定滤液的TN、TP浓度。
1.5 母岩浸出液测定取200 g过筛(0.25 mm)保存的母岩粉末，加入装有1 L去离子水的烧杯中，100 r·min-1搅拌10 min，将烧杯置于暗处浸提7 d。在超净工作台中用0.22 μm滤膜过滤浸出液。利用原子吸收光谱(Agilent 5110，美国)法测定浸出液中B、Ca、Mg、Al、Zn、Fe、Cu、Mn、Mo、Ni等元素的含量[26]。
1.6 分析方法水体pH、TN及TP均按照国家标准[27]进行测定。
磷脂脂肪酸(PLFA)分析微生物群落结构：基质处理试验中每个处理组分别取2 L水样进行微生物群落结构分析。覆盖处理试验中每个处理组分别取2 L上覆水体及50 g底泥进行微生物群落结构分析。水样用醋酸纤维滤膜(0.22 μm)抽滤，将抽滤后的滤膜进行提取、皂化、甲基化、萃取及碱洗涤后获得上机样品。将底泥直接进行提取、皂化、甲基化、萃取及碱洗涤后获得上机样品。用气相色谱仪(FID检测器，Agilent 6850，美国)分析磷脂脂肪酸(PLFA)的成分。色谱条件为：HP-5柱(25.0 m×200 μm×0.33 μm)，进样量1 μL，分流比10:1，载气H2，尾吹气高纯N2，助燃气空气，流速0.8 mL·min-1; 汽化室温度250ºC、检测器温度300ºC，柱前压68.95 kPa，质谱全扫描范围30~600质荷比; 二阶程序柱温170ºC(5 min)→260ºC →310ºC，维持1.5 min。各成分脂肪酸通过MIDI Sherlock微生物鉴定系统(Version 6.1, MIDI，Inc，Newark，DE)进行。标准品购于美国MIDI公司的C9-C20的脂肪酸甲酯，PLFA用C19:0做内标换算PLFA的绝对含量。
1.7 数据处理采用SPSS 17. 0软件的单因子方差分析各处理间的差异显著性。采用Excel 2003和Origin 8.6软件进行作图。
2 结果 2.1 不同处理方式下总氮变化图 1a为利用紫色母岩作基质对水体TN变化的影响。随时间推移，不同处理组水样TN去除率均呈现上升趋势。其中，蓬莱镇组紫色母岩(J3p)对水体TN的去除率显著高于其他处理，而另外2种母岩处理组和对照组之间无显著差异。20 d后，蓬莱镇组紫色母岩对TN的去除效果最好(去除率为45.10%)，遂宁组紫色母岩对TN的去除效果较差(去除率为12.38%)。紫色母岩作覆盖材料抑制底泥TN向上覆水体释放结果如图 1b所示。相比于对照组，3种母岩均可显著抑制底泥TN向上覆水体释放，且3种处理间无显著差异。20 d后，蓬莱镇组紫色母岩对TN释放的抑制效果最好(抑制率为59.7%)，遂宁组紫色母岩对TN释放的抑制效果较差(抑制率为42.8%)。不同处理方式对水体氮的治理效果不同。利用母岩作基质时蓬莱镇组可显著去除水体TN，而另外2种母岩无显著作用; 利用母岩作覆盖材料时3种母岩均可显著抑制底泥TN的释放。
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注：CK表示空白对照。下同Note: CK represents blank control. The same below 图 1 紫色母岩作为基质(a)或覆盖材料(b)对水体总氮的去除效果 Fig. 1 TN removing efficiency of the rock relative to treatment as substrate (a) or cover material (b) |
利用紫色母岩作基质时，相比于对照组，蓬莱镇组和遂宁组紫色母岩对TP的去除率极显著上升，飞仙关组紫色母岩对TP的去除率显著上升。15 d后，蓬莱镇组紫色母岩对TP的去除率最大(去除率为62.30%)，飞仙关组紫色母岩对TP的去除率最小(去除率为34.1%)(图 2a)。利用紫色母岩作覆盖材料时，3种母岩对底泥TP释放的抑制率在整个试验过程均呈上升趋势。20 d后，3种母岩覆盖材料对底泥TP向上覆水体释放的抑制率由高到低依次为：T1f (94.4%) > J3s(91.3%) > J3p (88.8%)(图 2b)。说明3种紫色母岩作覆盖材料均可有效抑制底泥TP向上覆水体释放。其中，飞仙关组紫色母岩的抑制作用最强。利用3种紫色母岩作基质时对水体TP的去除效果差异较大，蓬莱镇组紫色母岩表现出较好的去除效果; 而利用3种紫色母岩作覆盖材料时对底泥TP释放的抑制效果均较好，无显著差异。
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图 2 紫色母岩作为基质(a)或覆盖材料(b)对水体总磷的去除效果 Fig. 2 TP removing efficiency of the rock relative to treatment as substrate (a) or cover material (b) |
图 3为3种母岩处理下水体TN、TP的吸附等温曲线图。由图可知，在低浓度阶段(0 ~ 20 mg·L-1)，3种紫色母岩对TN、TP的吸附量均随溶液浓度的升高而迅速增大，当浓度进一步增大时(20 ~ 50 mg·L-1)，TN、TP在3种紫色母岩上的吸附逐渐趋于平衡。其中，3种母岩对TN的吸附量大小顺序为：J3p > T1f > J3s(图 3a); 对TP的吸附量大小顺序为：T1f > J3s > J3p(图 3b)。采用Langmuir和Freundlich吸附等温方程对3种紫色母岩在298 K温度下反应平衡后的数据进行非线性拟合，发现3种母岩对TN的吸附符合Langmuir和Freundlich吸附等温模型(表 2)，说明利用3种母岩吸附水体TN时同时存在单层分子吸附和表面吸附[26]。3种母岩对TP的吸附比较符合Langmuir吸附等温模型(表 3)，说明3种母岩吸附水体TP时以单层分子吸附为主导。
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图 3 紫色母岩处理下总氮(a)、总磷(b)吸附等温曲线 Fig. 3 Adsorption isotherm of TN (a) and TP (b) on the purple parent rocks |
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表 2 三种紫色母岩吸附总氮等温线模型参数 Table 2 Isotherm models and parameters for TN adsorption of the purple parent rock relative to kind of the rock |
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表 3 三种紫色母岩吸附总磷等温线模型参数 Table 3 Isotherm models and parameters for TP adsorption on the purple parent rock relative to kind of the rock |
2种不同景观水体治理方式对系统中微生物群落结构影响不同。从微生物类群上看，利用紫色母岩作基质时，系统中可检测到细菌、真菌及原生动物3种类群; 而利用紫色母岩作覆盖材料时，系统中仅检测到细菌及真菌2种类群。从微生物含量上看，相比于对照组，利用紫色母岩作基质可促进水体细菌、真菌及原生动物生长。其中，飞仙关组紫色母岩可显著增加水体细菌含量，另外2种母岩对细菌生长无显著促进效果。飞仙关组和遂宁组紫色母岩较对照组显著增加水体真菌和原生动物含量，而蓬莱镇组紫色母岩对水体真菌及原生动物生长无促进作用。
利用紫色母岩作覆盖材料均可显著促进系统中底泥及水体细菌生长，而不同母岩覆盖材料对底泥及水体真菌的影响效果不同。飞仙关组紫色母岩对水体真菌生长抑制作用显著，对底泥真菌生长无显著抑制作用。蓬莱镇组和遂宁组紫色母岩较对照组显著降低底泥真菌含量却显著增加水体真菌含量(表 4)。将基质处理系统及覆盖处理系统中均可检测到的3种磷脂脂肪酸标记与上覆水体TN、TP含量进行相关性分析，发现基质系统水体中PLFA 18:0标记的细菌含量与水体TN含量呈显著正相关(P < 0.05)，覆盖处理系统底泥及上覆水体中PLFA 16:0标记的细菌含量均与上覆水体TP含量呈显著负相关(P < 0.05)(表 5)，可见不同处理系统中不同种类的细菌均会与水体TN、TP呈现相关性。
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表 4 两种处理系统中微生物群落 Table 4 Microbial community in the system relative to treatment |
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表 5 两种处理系统中微生物与水体中总氮、总磷含量的相关性 Table 5 Correlation analysis of microbes with TN and TP content in the water relative to treatment |
如表 6所示，3种紫色母岩浸出液中各元素的含量均不同。其中，蓬莱镇组紫色母岩浸出液中的Ca、Cu、K、Mn、Mo等自然界中常见微量元素的含量显著高于飞仙关组和遂宁组紫色母岩浸出液。而遂宁组紫色母岩浸出液中除Al、B、Ca、Zn这4种元素外，其余元素含量均显著低于蓬莱镇组和飞仙关组紫色母岩浸出液。
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表 6 母岩浸出液中元素含量 Table 6 Element contents in the parent rock extracts/(mg·L-1) |
景观水体是人类居住环境的有机组成部分，在城市生态环境建设中具有不可替代的功能[29]。但由于水体环境缺陷及人为破坏，景观水体污染问题日益严峻。因此，研发行之有效的景观水体处理技术迫在眉睫。本研究选择重庆市分布范围较广的3种紫色母岩作为处理材料，分别研究利用紫色母岩作基质或覆盖材料对景观水体污染的治理效果。结果发现，无论利用紫色母岩作基质或覆盖材料，均可有效治理景观水体氮磷污染。利用母岩作基质时，蓬莱镇组紫色母岩对水体TN、TP去除效果最好，去除率分别为45.1%、62.3%。而刘红美等[30]研究发现，在TN、TP浓度分别为1.9 mg·L-1、0.16 mg·L-1时，利用天然沸石和水化硅酸钙为基质对水体TN、TP的去除率分别为21.56%、60%。说明在初始TN、TP浓度一致及处理时间相同条件下，利用蓬莱镇组紫色母岩作为基质对水体氮磷的治理效果较利用天然沸石和水化硅酸钙作基质的效果好。利用母岩作覆盖材料时，3种母岩覆盖材料对底泥TN、TP释放的抑制率均达50%、85%以上，说明利用紫色母岩作覆盖材料可有效抑制底泥TN、TP释放，且不同母岩效果一致。而在相同实验条件下，利用方解石和石灰石作为覆盖材料对底泥TN释放的抑制率仅为12.86%及38.30%;对底泥TP释放的抑制率为71.08%及84.34%[31]均低于3种紫色母岩对底泥TN、TP释放的抑制率。说明紫色母岩作为覆盖材料可有效抑制底泥污染物释放。
本研究发现，利用紫色母岩作基质或覆盖材料均能有效治理景观水体氮磷污染问题，这可能得益于母岩自身的吸附性能。通过绘制3种不同母岩对水体TN、TP的吸附等温曲线，并采用Langmuir和Freundlich吸附等温方程对3种紫色母岩在298 K温度下反应平衡后的数据进行非线性拟合，发现3种母岩对TN的吸附为单层分子吸附和表面吸附，对TP的吸附主要为单层分子吸附。3种母岩对TN的理论最大吸附量与3种母岩作基质时对TN的去除效果一致(图 1a)，且与3种母岩作覆盖材料时对底泥TN释放的抑制效果一致(图 1b)，说明利用母岩作基质或覆盖材料治理水体TN污染时，主要的去除机理均为母岩的物理吸附作用，其中，蓬莱镇组紫色母岩的物理吸附能力最强。3种母岩对TP的理论最大吸附量与3种母岩作覆盖材料时对底泥TP释放的抑制效果一致(图 2a)，而与3种母岩作基质时对水体TP去除效果不一致(图 2b)，说明利用母岩作覆盖材料治理水体TP污染时主要依靠母岩的物理吸附作用，而利用母岩作基质治理水体TP污染时，母岩的物理吸附作用不占主导作用。
研究还发现，将母岩作基质或覆盖材料时均会改变系统中微生物群落结构，从而影响氮磷的去除效果，但不同种类母岩对水体微生物群落结构的影响不同(表 4)。且不同种类紫色母岩浸出液中微量元素的种类一致，但含量具有显著性差异(表 6)，说明不同种类母岩在处理景观水体过程中会向水体释放不同含量的微量元素，可能会影响系统中的微生物群落结构，进而影响治理效果。其中，蓬莱镇组紫色母岩向水体中释放的Ca、K、Cu、Mn、Mo元素均显著高于飞仙关组和遂宁组紫色母岩。已有研究也表明，微量元素的种类及含量会影响微生物种群、功能菌群[32-34]以及微生物对氮磷的去除效果[35-36]。由于景观水体是一个完整的水生态系统，其内微生物群落复杂多样，而紫色母岩又是一种复杂的沉积岩，其内包含多种微量元素及其化合物，因此，需进一步研究不同元素及其化合物对水体微生物种群、硝化及反硝化功能基因及水体氮磷去除效果的影响，并进行长期原位修复试验，确认紫色母岩对景观水体氮磷的治理效果，以期优化筛选出一种可便捷、高效去除景观水体氮磷的方法。
4 结论3种紫色母岩作基质时对水体总氮、总磷的去除效果差异较大; 作覆盖材料时对底泥总氮、总磷释放的抑制效果无显著差异。无论作基质还是覆盖材料，蓬莱镇组母岩对氮磷的治理效果较好。作基质时，对水体总氮、总磷的去除率分别达45.1%、62.3%;作覆盖材料时，对底泥总氮、总磷向上覆水体排放的抑制率分别为59.7%、88.8%。这主要得益于其良好的物理吸附性能。3种紫色母岩作基质或覆盖材料时均会向水体中释放微量元素，影响系统微生物群落结构，从而影响景观水体氮磷的治理效果，具体机理需进一步研究。
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