钝化市政污水污泥对巨芒根际氮磷循环的微生物介导效应

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Microbially Mediated Effects of Passivated Municipal Sewage Sludge on Nitrogen and Phosphorus Cycling in the Rhizosphere of Miscanthus giganteus

　　

摘要：

市政污泥 (SS) 富含有机质 (OM) 和养分，包括氮 (N) 和磷 (P)，具有巨大的资源利用潜力。然而，直接土地利用通常受到高盐度和重金属生物有效性的限制，这会抑制根际微生物并破坏养分循环。钝化处理旨在减轻这些风险，但压力缓解如何恢复微生物氮和磷循环功能仍不清楚。在一项关于巨菌草 (Miscanthus giganteus) 的盆栽实验中，采用鸟枪法宏基因组学来研究这些机制。处理组包括未改良土壤、未钝化污泥 (CK) 以及用各种钝化组合改良的污泥。与 CK 相比，复合钝化处理使土壤 pH 值增加了 1.23–1.28 个单位，并将重金属生物有效性降低了 1.4–2.3 倍。这些变化伴随着有效氮 (5.19–6.17 倍)、磷 (1.8–2.6 倍)、钾 (3.2–4.0 倍) 和有机质 (3.92–5.69 倍) 的显著增加。根际酶活性 (如蔗糖酶和过氧化氢酶) 增加了 4.18–179 倍。宏基因组分析显示，氮循环基因库主要由有机氮代谢和同化硝酸盐还原主导，而磷循环主要与有机磷矿化和转运相关。复合处理富集了控制这些通路的基因，并加强了氮循环和磷循环基因之间的共现网络，其中 gltB 和 phoA 是关键枢纽基因。路径建模表明，钝化引起的土壤性质改善和重金属生物有效性降低，通过重塑微生物群落和刺激酶活性，间接增强了养分循环基因丰度。本研究阐明了从压力缓解到养分循环增强的级联过程，为钝化污泥的安全农业利用提供了机制基础，并为根际生态修复策略提供了信息。

引言

市政污泥 (SS) 是市政和工业废水处理的副产品，含有大量的有机质 (OM) 和必需养分，如氮 (N) 和磷 (P)。这些特征使其成为农业和生态应用中一种潜在的宝贵土壤改良剂 [1]。随着城市化加速和污水处理能力的持续扩大，全球污泥产量大幅增加。因此，污泥的减量化、稳定化和资源化利用已成为环境工程中的关键挑战 [28], [29]。尽管具有潜在益处，但未处理污泥的直接农业应用仍存在争议。高盐度、养分释放不稳定以及——最重要的是——重金属生物有效性的升高，对土壤生态系统功能和环境安全构成了重大风险 [11], [20]。

使用改良材料对污泥中的重金属进行化学钝化，已被广泛认为是一种减轻这些环境风险的有前景的策略 [18], [37]。然而，污泥的内在特征——如高盐度、养分分布不均、重金属浓度升高、物理结构差和透气性有限——会阻碍植物定植和长期生长 [3], [7]。因此，将污泥转化为支持植物可持续生长的类土壤基质，被认为是其安全再利用的先决条件 [49]。以前的研究主要专注于通过化学钝化来减轻环境风险。在这种方法中，常用粘土矿物、硅酸盐、磷酸盐和石灰等改良材料来固定重金属并改善基质性质 [17], [2], [22], [53]。这些材料可以增强自由金属离子的吸附和稳定，同时改变基质的物理化学性质。它们还可能有助于养分供应、土壤 pH 调节以及支持微生物生长的条件，从而提高微生物对毒性金属的耐受性 [27], [37]。总体而言，复合钝化改良剂的应用改善了污泥的物理化学条件，创造了一个更有利于微生物定植和植物长期生长的微环境。

微生物群落在调节氮和磷循环、介导重金属转化、支持植物生长和维护生态系统稳定性方面处于核心地位 [14]。根系分泌物和根际沉积物强烈影响微生物群落结构和功能基因表达，反映了根际复杂的植物 - 微生物相互作用 [16], [39]。在人为改变的基质如污泥中，微生物通过促进有机质积累、养分动员和污染物稳定，有助于类土壤基质的形成并促进植被定植 [10], [42], [47], [52]。因此，微生物群落结构和多样性被广泛认为是基质质量和生态恢复的敏感指标 [34]。自然演替和人为干预都可以通过调节代谢过程来重塑微生物群落及其功能潜力 [35]。与传统的物理化学指标相比，微生物功能基因为养分循环和污染物固定提供了更深入的机制见解 [4]。尽管对污泥钝化的兴趣日益浓厚，但大多数研究要么专注于物理化学性质的改善，要么关注微生物群落组成的变化，导致基于过程的机制尚未得到充分解决。特别是，缓解重金属和盐度压力如何使根际系统从压力耐受状态过渡到以增强氮和磷循环为特征的功能驱动状态仍不清楚 [13], [40]。解决这一知识差距需要一个整合环境压力缓解、微生物功能响应和养分循环过程的框架。在本研究中，选择具有庞大根系系统的多年生、高生物量草类 Miscanthus giganteus 作为模式植物，以检查钝化污泥 - 土壤系统中微生物介导的氮和磷循环。建立了一个受控的盆栽实验，使用未改良土壤 (CT)、未经处理的污泥 (CK) 和各种钝化改良组合 (S, P, SP1 和 SP2)。通过整合鸟枪法宏基因组测序与根际土壤物理化学性质、重金属生物有效性、酶活性和养分有效性的测量，系统地评估了涉及氮和磷循环的微生物功能基因响应及其关键驱动因素。具体而言，本研究的目的是 (i) 阐明钝化污泥的应用如何调节根际压力条件，(ii) 表征与氮和磷循环相关的微生物群落结构和功能基因的响应，以及 (iii) 识别增强养分循环的关键环境驱动因素和枢纽功能基因。我们假设复合钝化改良剂能更有效地缓解环境压力，从而使微生物群落将代谢资源重新分配到养分转化过程中，并通过生物和非生物途径的协调，增强根际的氮和磷循环。尽管盆栽实验不能完全复制田间条件，但它们提供了一个受控框架，用于阐明微生物养分循环和污染物转化过程。因此，它们为市政污泥的安全农业再利用和根际生态修复提供了相关的机制见解。

章节摘要

样品采集

本研究使用的污泥采集自中国贵州省贵阳市的一家市政污水处理厂 (106°41′ E, 26°41′ N)。该污水处理厂运行包括初级、二级和高级阶段以及厌氧 - 缺氧 - 好氧生物处理系统的综合工艺。污泥在使用板框压滤机进行机械脱水后采集，含水率约为 60%。采集后，污泥样品被

钝化污泥改良剂对根际土壤理化性质和生物有效重金属的影响

不同改良处理下土壤理化性质和生物有效重金属浓度的变化总结在表 1 中。与 CT 相比，CK 的应用显著增加了土壤盐度和重金属生物有效性 (p < 0.05)，表明根际的环境压力更大。具体而言，加施污泥后，土壤 pH 值从酸性水平 (5.47) 增加到中性至微碱性水平，而电导率 (EC) 从 117.97 显著增加到

钝化改良污泥改善根际养分条件并缓解环境压力

使用钝化材料进行改良已被广泛认为是一种减轻污泥应用相关环境风险同时促进其安全资源利用的有前景的策略 [29]。然而，在污泥改良土壤中，养分循环的限制并不完全由氮和磷的绝对有效性决定。相反，多种环境压力源可以严重限制微生物的功能表现。CK 通常以高盐度、升高为特征

结论

本研究阐明了复合钝化改良剂 (S, P, SP1 和 SP2) 调节 Miscanthus giganteus 根际微生物介导的氮和磷循环的机制途径。总体而言，复合钝化改良剂的应用有效缓解了根际环境压力，使微生物群落能够从压力耐受状态过渡到功能驱动的养分循环系统。这些改良剂显著改善了

未引用参考文献

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CRediT 作者贡献声明

吴永贵: 写作 - 审阅与编辑。 陆鸿培: 监督。 杨映芳: 写作 - 原始草稿。 强义兵: 监督。

竞争利益声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些利益或关系可能被认为影响了本论文报告的工作。

致谢

本研究由国家自然科学基金 (52160015); 国家重点研发计划 (2018YFC1802602); 贵州省高层次创新人才 ([2020]6002); 以及贵州省重大科技专项 ([2019]3010) 资助。

杨映芳 | 强义兵 | 吴永贵 | 陆鸿培

中国贵州省贵阳市贵州大学资源与环境工程学院，550025