污泥堆肥改良盐碱土过程中汞的形态转化与释放特征

《Ecotoxicology and Environmental Safety》：Speciation transformation and release characteristics of mercury during the improvement of saline-alkali soil with sludge compost

　　

将污泥堆肥施用于盐碱土是实现污泥可持续管理与退化土地改良的关键策略。生活污水污泥富含改土养分但含较高汞。然而，污泥堆肥介导盐碱土改良过程中汞的环境行为仍不清楚。研究人员选取黄河三角洲盐碱土为供试土壤，以污水污泥与玉米秸秆共堆肥为改良剂，探究改良过程中总汞(THg)、汞形态、Hg0大气释放的变化。结果显示THg含量下降；施入污泥堆肥后，可动汞组分与腐殖酸络合态比例上升；非淹水近水位土层与淹水表层土中净甲基化率提高；淹水条件下产甲基微生物相对丰度增加；孔隙水中溶解总汞(DTHg)浓度升高，汞迁移性增强；非淹水促进Hg0释放，淹水不利于Hg0释放；淹水抬升甲基汞(MeHg)生成风险，非淹水推动土壤汞向大气释放。该研究揭示了不同情景下污泥改良盐碱土中汞的污染风险。

研究背景方面，生活污水污泥土地利用可回用有机质与养分，但污泥富集汞等重金属；盐碱土（如黄河三角洲）有机质与氮素匮乏、盐碱胁迫严重。现有研究多关注污泥堆肥对农业土壤理化性质的影响，少有关于盐碱土改良中汞形态转化、Hg⁰释放及MeHg生成生态效应的系统认知，因此研究人员开展本研究以评估环境风险与污泥安全利用路径。论文发表于《Ecotoxicology and Environmental Safety》。

主要关键技术方法上，研究人员采集青岛世界园艺博览会净化水厂二沉池污水污泥、商品玉米秸秆与东营滨海盐碱土（0–20 cm），将污泥与秸秆按干重11:9好氧堆肥120天制改良剂；随后开展2 L烧杯微宇宙培养（添加0、1%、2%、5%、10%堆肥，非淹水、控湿与光暗周期，并用特氟龙气袋与活性炭管捕集Hg⁰）；再采用内径15 cm、高55 cm有机玻璃土柱设置水位?20 cm（非淹水）与+2 cm（淹水），以Rhizon MOM取孔隙水，并用Na₂MoO₄、BES、Na₂SO₄、FeOOH调控硫酸盐还原/产甲烷/铁还原过程；汞定量采用冷蒸气原子荧光光谱仪(CVAFS)、气相色谱?冷蒸气原子荧光(GC-CVAFS)与MERX-T，微生物群落基于Illumina NovaSeq对细菌16S rRNA V3-V4区测序。

3.1 堆肥中THg与理化性质：研究人员通过堆肥过程采样分析发现，共堆肥后THg由1.07 mg/kg降至0.93 mg/kg（降13.14%），可动汞与元素汞/结晶氧化物占比下降，硫化汞及难溶态占比升至89.95%，表明好氧堆肥使汞稳定化、操作定义下的汞活性降低；TOC下降、TN先升后降。

3.2 污泥堆肥施用对盐碱土汞的影响：烧杯培养显示，施堆肥降低容重、增孔隙度、降pH、升EC与微生物量碳、脲酶活性和TOC、TN、速效钾磷；THg随用量增加而升高但44天后下降；汞形态中以硫化汞及难溶态为主，可动汞与腐殖酸络合态比例上升，5%处理硫化汞及难溶态比例最高（65.28%），较10%更具稳定化趋势；Hg⁰释放通量前期高、7天后趋稳，累积释放顺序为5% > 10% > 2% > 1% > 0%，高有机质会络合抑释。

3.3 不同水位下汞行为：选5%用量做土柱试验。垂直分布上，THg表低深高；MeHg在淹水表层（0–5 cm）最高、非淹水近水位（20–25 cm）最高；净甲基化率(MeHg/THg)淹水表层高于非淹水。机制上，非淹水近水位原以产甲烷菌为主，施堆肥后硫酸盐还原菌(SRB)贡献增强；淹水表层施堆肥后SRB、产甲烷菌与Desulfobacterota、Firmicutes等含hgcA/hgcB基因类群丰度上升。孔隙水中，施堆肥提升溶解总汞(DTHg)与活性汞(RHg)，非淹水RHg升、淹水因H₂S生成使RHg未明显升；溶解气态汞(DGM)淹水表层高、后期因腐殖质络合抑制而降。Hg⁰释放通量为非淹水（5%堆肥）> 非淹水对照 > 淹水（5%堆肥）> 淹水对照，淹水抑制Hg⁰而留存汞促MeHg。

讨论部分总结：研究人员指出，堆肥输入有机质既可通过官能团络合降低汞操作活性，又可在分解后释放可动汞、促进甲基化与Hg⁰光/微生物还原；水位通过改变氧化还原与微生物类群调控甲基化热点，非淹水推大气释放、淹水推MeHg累积，实验室条件不能完全代表天然低洼地水文过程，需田间验证。

结论部分翻译：污水污泥与玉米秸秆共堆肥使THg下降、不稳定汞比例降低、硫化不溶汞比例升高，即堆肥促进汞钝化。施堆肥后土壤汞以硫化汞及结晶氧化物为主，可动汞最低但可动汞与腐殖酸络合态比例上升；5%处理硫化汞及难溶态更高、操作定义活性更低；Hg⁰释放通量先高后降，累积释放为5% > 10% > 2% > 1% > 0%。水位对THg含量与垂直分布影响不显著，但淹水0–5 cm为MeHg形成主区且净甲基化率最高、风险更大；淹水甲基化强于非淹水，堆肥促进近水位甲基化。非淹水近水位产甲烷菌重要，施堆肥后SRB主导；淹水表层堆肥利好SRB与产甲烷菌。堆肥提升孔隙水DTHg与RHg、增强汞迁移。Hg⁰释放是先峰后衰的损失途径，淹水释放低于非淹水，更多汞滞留并增产MeHg，环境风险更高。堆肥改善孔径、水肥与肥力，但总汞虽达标却增加了相关风险。