不同河流修复措施下硫循环与厌氧氨氧化耦合过程的比较

《Journal of Environmental Management》：Comparison of sulfur cyclings coupled with anaerobic ammonium oxidation in response to different river remediations

硫驱动反硝化与厌氧氨氧化耦合机制及其在修复后城市河流中的氮去除效能研究。通过投加Ca(NO3)2显著提升耦合效率，总氮去除率达93.89%，宏基因组学证实Thiobacillus、Thermomonas和Candidatus Brocadia为关键微生物，不同硫形态（Na2S2O3和FeS2）对耦合强度影响显著，为低C/N河流氮减排提供新策略。

　　近年来，城市河流的修复工作取得了显著进展，尤其是在2015年《水污染防治行动计划》实施之后（Wang et al., 2021）。然而，随着氮负荷的增加，城市河流从“恶臭”向“藻类爆发”的转变问题逐渐引起关注。特别是在经过修复的河流中，氮含量较高，容易引发藻类的快速繁殖，这不仅影响水质，还对生态环境构成威胁。与此同时，修复后的河流通常表现出较低的碳氮比（C/N ratio），这使得异养型反硝化作用难以有效解决高氮负荷的问题，因为碳源不足。

为了应对这一挑战，厌氧氨氧化（anammox）和硫驱动反硝化（SDD）作为关键的自养型氮去除途径，被认为是修复后低C/N比河流中去除氮负荷的有力候选方法。在城市河流中，已经发现多种典型的anammox细菌，表明它们在氮循环中扮演着重要角色（Deng et al., 2024; Zheng et al., 2019）。我们的前期研究也表明，anammox在恶臭河流修复中具有重要作用，其对氮去除的贡献范围在10.83%至57.85%之间，具体取决于C/N比（Weng et al., 2022）。然而，关于SDD在河流生态系统中的作用，以及其与anammox的耦合机制，目前仍知之甚少。以往的研究主要集中在硫（S）在恶臭诱导过程中的影响（Cao et al., 2020; Li et al., 2023; Rong et al., 2020），而忽视了S在氮转化过程中的潜力。

硫元素在河流生态系统中具有重要作用，它不仅参与营养物质的循环，还在氮转化过程中发挥关键作用。例如，硫可以作为电子供体，促进反硝化作用，这一过程被称为硫驱动反硝化（SDD）。然而，不同形式的硫在实际应用中表现出不同的特性。元素硫（S?）、硫化物（S2?）、硫代硫酸盐（S?O?2?）和黄铁矿（FeS?）等都被广泛用于SDD过程中，作为电子供体。其中，元素硫具有成本低、无毒性和稳定性等优点（Wang et al., 2022），但其实际应用常受到溶解性差和非极性特征的限制，从而影响质量传递效率（Sierra-Alvarez et al., 2007）。此外，硫化物由于其固有的不稳定性以及对微生物活性的负面影响，也存在一定的局限性（Liang et al., 2020）。值得注意的是，硫代硫酸盐的反应速率高于元素硫，且毒性低于硫化物（Cardoso et al., 2006），同时是这些电子供体中生物可利用性最高的（Miao et al., 2022）。此外，黄铁矿作为水体中沉积硫的主要形式之一（J?rgensen et al., 2019），近年来在氮转化过程中受到越来越多的关注。然而，黄铁矿在促进反硝化作用方面的有效性仍然存在争议，一方面，它可能作为电子供体促进反硝化作用；另一方面，由于其晶体结构，也可能抑制微生物活性（Haaijer et al., 2007; Ntagia and Lens, 2023; Hu et al., 2020）。因此，有必要进一步研究黄铁矿以及硫代硫酸盐在调控氮去除过程中的作用，特别是在城市河流中，以期为治理氮负荷和解决藻类爆发问题提供有效的策略。

钙硝酸盐（Ca(NO?)?）的注入已被广泛应用于原位沉积物修复技术（Cheng et al., 2023）。我们的前期研究发现，钙硝酸盐的注入可能促进anammox的发生，通过诱导异养和硫自养反硝化作用（Sheng et al., 2021）。此外，已有研究表明，SDD和anammox的耦合（SDDA）在海洋生态系统和废水处理中具有显著的关联性（Rios-Del Toro and Cervantes, 2016; Deng et al., 2022）和（Deng et al., 2021; Huo et al., 2022a）。然而，在城市河流中，特别是不同修复方式的背景下，SDD与anammox的耦合机制仍不清楚。与海洋生态系统相比，城市河流更容易受到人为干扰，这迫使原生细菌群落适应恶劣的环境，并可能发展出独特的内在特性。此外，城市河流中硫和氮的化学计量关系也不同于海洋生态系统。同样，人工废水处理系统与河流生态系统的背景差异也较为明显。这些差异可能会影响SDDA的耦合程度。因此，有必要深入研究城市河流中SDDA的耦合机制，特别是在不同修复方式下，以期为建立有效的氮去除方法提供科学依据。

在本研究中，我们构建了沉积物培养实验和河流模拟系统，以系统评估城市河流在恶臭修复后的SDDA耦合潜力。同时，我们通过宏基因组和宏转录组分析，评估了SDDA耦合过程中的微生物机制。研究结果有望加深对河流生态系统中氮硫循环的理解，并为缓解修复后河流的氮负荷提供参考依据。

为了进一步验证这些发现，我们对上海市的四条典型恶臭河流——桃浦河、工一河、李渡河和张泾河进行了采样。这些河流在2015年都经历了全面的修复，包括截污工程、清淤、人工曝气和生态浮床等措施。然而，修复后的河流在夏季仍经常出现季节性藻类爆发，主要原因是氮含量较高。地理上，工一河位于桃浦河的东侧，并与长江相连。这一地理位置使其更容易受到上游污染的影响，进而加剧了氮负荷问题。此外，这些河流的底泥中硫的可溶性硫（AVS）含量仍然相对较高（图S2），范围在2356.15至4042.54 mg·kg?1之间。硫酸盐的浓度在47.38至101.95 mg·L?1之间，而硫化物的含量则较低。这些数据表明，尽管经过修复，这些河流的氮负荷仍然较高，硫的存在为SDD提供了潜在的电子供体，从而影响了氮去除的效率。

研究还发现，在厌氧环境中，钙硝酸盐的注入显著增强了SDD和anammox的耦合（SDDA），使得总氮（TN）去除率达到最高93.89%。这表明，在修复后的城市河流中，通过调整电子供体的种类和浓度，可以有效提升氮去除的效率。进一步的宏基因组和宏转录组分析显示，参与SDDA耦合的关键微生物类群在不同修复方式下表现出不同的变化。例如，在Na?S?O?组中，SDDA的耦合最为显著，这得益于其高丰度的soxB（0.14%）、narG（0.05%）、nirS（5.92%）和hzsB（6.14%）基因。这些基因与SDD和anammox过程密切相关，表明Na?S?O?作为电子供体在促进氮去除方面具有优势。相比之下，FeS?组表现出中等的耦合程度，而Ca(NO?)?组则表现出最弱的性能。这一发现表明，不同电子供体对SDDA的耦合效果存在显著差异，需要根据具体环境条件进行选择和优化。

此外，在实际河流环境中，Na?S?O?组表现出优异的总氮去除效果（87.58%），表明其在氮去除策略中具有广阔的应用前景。这提示我们，在城市河流修复过程中，可以考虑使用硫代硫酸盐作为电子供体，以促进SDD和anammox的协同作用，从而有效降低氮负荷。然而，如何在实际应用中优化这些过程，仍需进一步研究。例如，硫代硫酸盐的使用需要考虑其溶解性和生物可利用性，以及与其他电子供体的相互作用。此外，不同河流的环境条件（如pH值、温度、水流速度等）也会影响SDDA的耦合效果，因此需要针对不同河流进行定制化的修复方案。

研究还发现，在修复后的河流中，某些微生物类群在氮去除过程中发挥着关键作用。例如，在Na?S?O?组中，Thiobacillus、Thermomonas和Candidatus_Brocadia被识别为关键微生物，它们的活动分别提高了0.060%、0.015%和0.498%。这些微生物的活动与SDD和anammox过程密切相关，表明它们在氮去除中具有重要作用。而在FeS?组中，Sulfurisoma、Sulfurimonas和Candidatus_Scalindua则成为关键微生物，它们在FeS?的参与下表现出更高的氮去除效率。这些结果提示我们，不同形式的硫在促进氮去除过程中可能具有不同的微生物机制，需要进一步研究这些微生物的代谢途径和功能特性，以期为优化氮去除策略提供科学依据。

此外，研究还发现，在不同的修复方式下，SDDA的耦合程度存在显著差异。例如，Na?S?O?组表现出最强的耦合能力，而Ca(NO?)?组则表现出最弱的性能。这一发现表明，不同电子供体对SDDA的耦合效果存在显著差异，需要根据具体环境条件进行选择和优化。例如，在高氮负荷的河流中，使用硫代硫酸盐作为电子供体可能更有效，而在低氮负荷的河流中，使用其他形式的硫可能更合适。因此，有必要进一步研究不同电子供体对SDDA的耦合效果，以期为城市河流的修复提供更科学的依据。

本研究的结果不仅有助于理解河流生态系统中的氮硫循环，还为缓解修复后河流的氮负荷提供了新的思路。通过调整电子供体的种类和浓度，可以有效提升SDD和anammox的协同作用，从而实现更高的氮去除效率。此外，研究还发现，某些微生物类群在氮去除过程中具有重要作用，这些微生物的活动与电子供体的种类密切相关。因此，在实际应用中，可以通过调控这些微生物的活动来优化氮去除过程。

总体而言，本研究为城市河流的氮去除策略提供了重要的科学依据。通过分析不同电子供体对SDDA的耦合效果，以及关键微生物类群在氮去除过程中的作用，可以为制定有效的氮去除方案提供参考。此外，研究还发现，某些微生物类群在特定的电子供体条件下表现出更高的活性，这提示我们，在实际应用中可以通过优化这些条件来提升氮去除效率。因此，未来的研究需要进一步探讨不同电子供体对SDDA的耦合效果，以及关键微生物类群在氮去除过程中的作用机制，以期为城市河流的修复和治理提供更全面的解决方案。