利用沉水大型植物和载氧多孔材料调控黑臭水体中S2-和H2S的释放：效果与机制

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Regulation of S2- and H 2S release from black-odorous waterbody using submerged macrophyte and oxygen-loaded porous material: Performance and mechanisms

本研究提出 submerged macrophytes 与 oxygen-loaded volcanic stone 的整合策略，有效抑制黑臭水体中硫化物释放，维持溶解氧稳定，并通过微生物群落与功能基因分析揭示调控机制。

　　

姚璐|张永清|吴一潇|张晓倩|龚泽瑞|黄少斌

华南理工大学环境与能源学院，高等教育 Mega 中心，广州 510006，中国

摘要

黑臭水体中的严重缺氧条件导致硫化物（S^2-）和硫化氢（H₂S）持续释放，这对水生生态系统和公共健康构成严重威胁，因此需要有效的修复策略。本文提出了一种综合策略，通过结合沉水植物和载氧多孔材料来可持续调节硫化物和硫化氢的释放。筛选了五种多孔材料以确定最佳的氧气载体，并评估了它们的载氧能力和释放性能。虽然活性炭表现出优异的载氧能力，但火山岩在维持较高溶解氧（DO）水平方面更为有效。在实验室规模的模拟中，沉水植物与载氧火山岩相结合的系统能够将溶解氧浓度稳定在约 2.24 mg/L，持续时间超过 36 天，这一结果明显优于仅使用沉水植物或仅使用载氧材料的处理效果。生理评估证实，火山岩提供的氧气有效缓解了环境压力，从而促进了沉水植物的生长。此外，这种联合应用显著抑制了硫酸盐（SO₄^2-）的还原，使得硫化物（S^2-）和硫化氢（H₂S）的释放量分别减少了 90.95% 和 94.61%。值得注意的是，本研究从微生物群落和功能基因响应的角度探讨了硫代谢的调控机制。该综合系统显著增强了沉积物和叶膜中的细菌多样性。与对照组相比，联合处理中某些硫酸盐还原菌的数量显著减少，而某些硫氧化菌的数量则有所增加。此外，与硫酸盐还原相关的功能基因受到抑制，而与硫氧化相关的功能基因则上调。

引言

溶解氧（DO）对水生生态系统的长期稳定性至关重要，其耗竭会严重影响生态系统的功能、生物多样性和生物地球化学循环 [15]。全球水生系统中普遍观察到溶解氧水平持续下降 [11]，这主要是由于过量污染物排放导致富营养化以及随后的藻类爆发 [12]。当水体发生缺氧时，硫化物离子（S^2-）和硫化氢（H₂S）会以较高浓度释放 [4]，这些物质是导致水体变黑和产生异味的罪魁祸首 [4]。这一过程形成了黑臭水体，对生态系统质量和公共健康构成严重威胁 [4]。因此，为了减少硫化物和硫化氢的释放并促进黑臭水体的恢复，需要采取人工干预措施来改善缺氧条件。

传统的工程和生物技术方法，如人工曝气和混合 [8]、[22]、化学投加 [16] 以及水生植物种植 [37]，已经引起了广泛关注。然而，人工曝气和混合通常受到高成本和高能耗的限制，而且引入的氧气可能会扰动沉积物，可能释放出内源性污染物 [9]。化学投加方法（包括使用 H₂O₂ 和 MgO₂）在可持续性和二次污染风险方面存在挑战 [15]。考虑到成本效益、环境影响和可持续性，水生植物成为解决缺氧问题的有希望的方案。一旦在水体中建立水生植物群落，特别是以沉水植物为主的情况下，水生植物可以通过光合作用和吸收作用显著提高溶解氧水平 [26]。这种水环境的改善反过来可能影响微生物过程，从而有助于控制硫化物和硫化氢的释放。然而，黑臭水体中氧气耗尽和极高的有机物含量会抑制水生植物的生长，从而降低它们提高溶解氧水平的能力 [18]。因此，需要整合额外的溶解氧调节技术来弥补水生植物在增强氧含量方面的不足。

能够将氧气输送到水体缺氧区域的天然载氧多孔材料对于实现溶解氧的持续改善具有特别意义。具体而言，沸石和火山岩等矿物已被用作氧气载体，其在沉积物覆盖中的应用已被证明可以有效提高溶解氧水平，同时减少碳、氮和磷的营养物质浓度 [18]、[29]、[40]。值得注意的是，黑臭水体的长期恢复不仅取决于溶解氧的提高，还取决于硫化物和硫化氢释放的控制，因为这些物质是形成黑臭水体的关键因素 [4]、[20]。尽管先前的研究已经证明了沉水植物和载氧多孔材料在缓解黑臭水体缺氧方面的有效性，但硫化物和硫化氢释放的动态机制以及相关的微生物机制（包括微生物群落结构和功能基因）仍大部分尚未得到探索。因此，这一领域的研究仍处于早期阶段，需要进一步研究。

据我们所知，本研究首次系统地研究了使用沉水植物和载氧多孔材料组合系统对模拟黑臭水体中硫化物和硫化氢释放的协同调节作用。本研究的目标是：（1）筛选和确定最佳的天然多孔材料以实现持续氧气释放；（2）量化该综合系统在提高溶解氧水平、促进沉水植物生长以及最重要的是抑制硫化物和硫化氢释放方面的长期效果；（3）阐明缺氧修复过程中硫代谢的潜在机制，重点关注微生物群落结构和功能基因。本研究旨在为新一代环保的黑臭水体修复策略提供机制基础和实际方案。

部分摘要

溶解氧（DO）对水生生态系统的长期稳定性至关重要，其耗竭会严重影响生态系统的功能、生物多样性和生物地球化学循环 [15]。全球水生系统中普遍观察到溶解氧水平持续下降 [11]，这主要是由于过量污染物排放导致富营养化和随后的藻类爆发 [12]。当水体发生缺氧时，硫化物离子（S^2-）和硫化氢（H₂S）会以较高浓度释放 [4]，这些物质分别是导致水体变黑和产生异味的罪魁祸首 [4]。这一过程形成了黑臭水体，对生态系统质量和公共健康构成严重威胁 [4]。因此，为了减少硫化物和硫化氢的释放并促进黑臭水体的恢复，需要采取人工干预措施来改善缺氧条件。

传统的工程和生物技术方法，如人工曝气和混合 [8]、[22]、化学投加 [16] 以及水生植物种植 [37]，已经引起了广泛关注。然而，人工曝气和混合通常受到高成本和高能耗的限制，而且引入的氧气可能会扰动沉积物，可能释放出内源性污染物 [9]。化学投加方法（包括使用 H₂O₂ 和 MgO₂）在可持续性和二次污染风险方面存在挑战 [15]。考虑到成本效益、环境影响和可持续性，水生植物成为解决缺氧问题的有希望的方案。一旦在水体中建立水生植物群落，特别是以沉水植物为主的情况下，水生植物可以通过光合作用和吸收作用显著提高溶解氧水平 [26]。这种水环境的改善可能反过来影响微生物过程，从而有助于控制硫化物和硫化氢的释放。然而，黑臭水体中氧气耗尽和极高的有机物含量会抑制水生植物的生长，从而降低它们提高溶解氧水平的能力 [18]。因此，需要整合额外的溶解氧调节技术来弥补水生植物在增强氧含量方面的不足。

能够将氧气输送到水体缺氧区域的天然载氧多孔材料对于实现溶解氧的持续改善具有特别意义。具体而言，沸石和火山岩等矿物已被用作氧气载体，其在沉积物覆盖中的应用已被证明可以有效提高溶解氧水平，同时减少碳、氮和磷的营养物质浓度 [18]、[29]、[40]。值得注意的是，黑臭水体的长期恢复不仅取决于溶解氧的提高，还取决于硫化物和硫化氢释放的控制，因为这些物质是形成黑臭水体的关键因素 [4]、[20]。尽管先前的研究已经证明了沉水植物和载氧多孔材料在缓解黑臭水体缺氧方面的有效性，但硫化物和硫化氢释放的动态机制以及相关的微生物机制（包括微生物群落结构和功能基因）仍大部分尚未得到探索。因此，这一领域的研究仍处于早期阶段，需要进一步研究。

据我们所知，本研究首次系统地研究了使用沉水植物和载氧多孔材料组合系统对模拟黑臭水体中硫化物和硫化氢释放的协同调节作用。本研究的目标是：（1）筛选和确定最佳的天然多孔材料以实现持续氧气释放；（2）量化该综合系统在提高溶解氧水平、促进沉水植物生长以及最重要的是抑制硫化物和硫化氢释放方面的长期效果；（3）阐明缺氧修复过程中硫代谢的潜在机制，重点关注微生物群落结构和功能基因。本研究旨在为新一代环保的黑臭水体修复策略提供机制基础和实际方案。

多孔材料及其特性

本研究使用了颗粒活性炭、珊瑚石、火山岩、沸石和麦饭石作为氧气载体。这些天然多孔材料均来自中国东莞的千叶贸易有限公司。多孔材料的比表面积、孔体积和孔径分布是通过 Brunauer–Emmett–Teller（BET）方法（Micromeritics, ASAP 2460, Version 3.01）基于氮吸附-解吸等温线测定的。

载氧多孔材料的制备

首先用清水冲洗多孔材料

载氧能力

图 1 中的氧气吸附曲线表明，随着压力的增加，每种材料吸附的氧气量持续增加，说明在指定压力范围内材料孔隙内有效的氧气吸附作用。具体而言，在 2.0 巴压力下，活性炭的最大氧气吸附量为 0.52 cm³/g，其次是珊瑚石（0.46 cm³/g）、火山岩（0.18 cm³/g）、沸石（0.15 cm³/g）和麦饭石（0.06 cm³/g）。值得注意的是，活性炭

结论

本研究提出了一种通过结合沉水植物和载氧多孔材料来可持续改善水体缺氧状况和控制硫化物及硫化氢释放的有前景策略。在所研究的五种多孔材料中，载氧火山岩由于其适中的孔径结构，在提高溶解氧水平方面表现出最高的效率。通过用载氧火山岩覆盖沉积物并进行培养

CRediT 作者贡献声明

姚璐：撰写——原始草稿、方法学、数据管理、概念构思。张永清：撰写——审稿与编辑、监督。吴一潇：方法学、数据分析。张晓倩：撰写——审稿与编辑、概念构思。龚泽瑞：研究、数据管理。黄少斌：监督、资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了广西壮族自治区科学技术厅（项目编号 GuiKe AD23026330 和 GuiKe AB23026119）以及国家自然科学基金（项目编号 52270105）的财政支持。