利用废水来提高海洋碱度可以减轻废水对沿海细菌群落的干扰

《Environmental Research》：Wastewater-based ocean alkalinity enhancement alleviates effluent-induced disturbance on coastal bacterial community

　　

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  橄榄石驱动的碱化作用将废水的pH值从6.83提高到了8.47。
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  基于废水的OAE处理使废水中的TA（总碱度）在与海水混合后增加了140 μM。
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  降低

  CO₂浓度可以减少CO₂的释放潜力。

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  基于废水的OAE处理使细菌相互作用网络更加稳定。
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  基于废水的OAE处理改变了细菌群落的演替动态和结构。

引言

人为产生的二氧化碳（CO₂）排放加剧了气候变化，因此迫切需要可行的二氧化碳去除（CDR）策略（Friedlingstein等人，2023年；IPCC，2023年）。为了实现《巴黎协定》设定的1.5°C温控目标，到本世纪末每年必须捕获大约1至15 Gt的CO₂（UNFCCC，2015年；Rogelj等人，2018年）。通过提高海水的碱度来促进大气中CO₂的吸收，海洋碱度增强（OAE）作为一种潜在的二氧化碳去除方法受到了越来越多的关注，其二氧化碳封存潜力估计为每年3–30 Gt（Renforth和Henderson，2017a；Oschlies等人，2023年）。在提出的OAE方法中，基于废水的OAE方法——即在废水排放前向其添加碱性物质——作为一种利用现有废水处理基础设施向沿海水域输送碱度的方法被看好（Cai和Jiao，2022年）。

这些化学条件有利于碱性矿物的溶解和随后的碳储存。传统处理的废水通常具有较低的pH值和较高的CO₂分压（pCO₂），这会导致接收的沿海水域酸化，并削弱海洋的CO₂吸收能力（Yang等人，2018年；Li等人，2023年；Cai和Jiao，2022年）。此外，基于废水的OAE方法还能将二氧化碳去除与现有的废水处理基础设施结合起来（Cai和Jiao，2022年）。全球范围内，家庭和市政废水的产生量约为每年360立方千米，其中149立方千米（41.4%）在污水处理厂（WWTPs）得到处理后排放（Jones等人，2021年；Ehalt Macedo等人，2022年）。最近的研究展示了基于废水的OAE方法在二氧化碳去除方面的潜力，并证实了其化学可行性。例如，向处理后的废水中添加Mg(OH)₂可以使每摩尔添加的碱度吸收0.73摩尔的CO₂（Kitidis等人，2024年）。橄榄石在充气废水中的溶解速度比在海水中快约20倍，预计其全球每年二氧化碳封存潜力为18.8 ± 6.0 Tg（Zheng等人，2025年）。

然而，碱化废水对沿海细菌群落的生态影响尚不清楚，而这些细菌群落是海洋生物地球化学循环的基本调节者。已知传统处理的废水会通过改变碳酸盐化学性质、微生物群落结构和生物地球化学过程来扰乱沿海生态系统（Vaquer-Sunyer等人，2016年；Tao等人，2017年；Yang等人，2018年；Wu等人，2022年；Li等人，2023年），但碱化废水是否会缓解或加剧现有的扰动仍然是一个未解之谜。海洋细菌在海洋生物地球化学循环中起着关键作用，它们参与有机物的分解、养分循环和碳转化（Azam和Malfatti，2007年；Pinhassi等人，2022年）。它们对碳酸盐系统（如pH值和CO₂可用性）的变化以及有机物供应和养分负荷的变化非常敏感（Krause等人，2012年；Huang等人，2018年；Vaquer-Sunyer等人，2016年；Park等人，2020年；Pinhassi等人，2022年）。通过在排放前修改废水的碳酸盐化学性质（如增加碱度和pH值），基于废水的OAE处理可能会影响微生物多样性、相互作用和整个生态系统功能。

目前对于细菌在废水与海水混合后对碱化反应的理解仍然有限，因为大多数现有证据来自基于海水的OAE实验，而非基于废水的碱度输送。现有的OAE研究表明，细菌对碱度增强的反应取决于具体环境，包括碱度来源、颗粒特性和环境条件（Ren等人，2022年；Antoni等人，2025a，2025b；de Castro等人，2025年）。溶解性或相对适度的碱度添加通常对细菌总丰度的影响有限，但可能会影响特定细菌种类或细胞外酶活性（Antoni等人，2025b；de Castro等人，2025年）。相比之下，直接添加颗粒状碱性物质（如橄榄石）可能会引起特定类型的反应（Ren等人，2022年；Antoni等人，2025a）。然而，这些基于海水的OAE情景可能无法完全反映基于废水的OAE条件，因为废水的pH值较低，并且含有丰富的有机物、养分和微生物（Yang等人，2018年；Cai和Jiao，2022年），这些因素可能会通过改变细菌群落的多样性、组成和相互作用结构来影响其功能（Vaquer-Sunyer等人，2016年；Wu等人，2022年；Wei等人，2025年）。因此，目前尚不清楚基于废水的OAE处理是否会对沿海细菌群落产生影响。

为了解决这一空白，我们的研究首次对橄榄石碱化废水对沿海细菌群落的潜在影响进行了评估。选择橄榄石是因为其天然丰富、溶解速度快且成本效益较高（Montserrat等人，2017年；Renforth和Henderson，2017b；Bach等人，2019年）。具体来说，我们假设基于废水的OAE处理：（1）可以缓解由废水引起的碳酸盐扰动；（2）能够改变细菌群落的组成和演替；（3）提高细菌网络的稳定性，并降低其对废水压力的敏感性。

章节概述

橄榄石的特性

本研究使用的橄榄石来自中国河南省南阳市西峡县，其粒径分布参数为Dv(10) = 6.88 μm，Dv(50) = 30.4 μm，Dv(90) = 78.8 μm，通过Mastersizer 3000（英国Malvern公司）测定。通过电感耦合等离子体光发射光谱法（ICP-OES）在酸消化后确认了橄榄石的化学组成，主要为镁铁橄榄石（Mg₂SiO₄）。

基于废水的OAE对碳酸盐系统的影响

在与海水混合之前，碱化处理显著改变了废水的碳酸盐化学性质，总碱度（TA）从1062 μmol kg^?1增加到1922 μmol kg^?1（ΔTA = 860 μmol kg^?1），pH值从6.83升高到8.47，DIC（碳酸氢盐浓度）从1260 μmol kg^?1增加到1759 μmol kg^?1，而

CO₂浓度从5894 μatm降低到203 μatm。

混合后，海水（S）、未碱化的废水混合物（SW）和碱化废水混合物（SWO）显示出不同的碳酸盐化学变化。S中的TA最高，SW中最低，SWO中处于中间值。

讨论

本研究表明，基于废水的OAE作为一种潜在的方法，可以同时影响碳酸盐化学性质和废水与海水混合后的细菌群落反应。在受控的微宇宙条件下，碱化处理部分缓冲了由废水引起的碳酸盐扰动，并与细菌群落的演替和更稳定的细菌网络相关。

在海水混合之前，碱化处理...

结论

基于废水的OAE处理提高了废水的TA和pH值，降低了水中的CO₂浓度，并部分缓冲了由废水引起的碳酸盐系统扰动。细菌的α多样性基本保持不变，而不同处理组的细菌丰度和群落组成有所不同。与非碱化废水相比，碱化废水促进了更加紧密连接且抗干扰的细菌网络的形成。总体而言，基于废水的OAE处理调节了微生物...

CRediT作者贡献声明

Jihua Liu：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理和资金申请、概念制定。Xinyue Pang：撰写——初稿撰写、数据可视化、方法设计、实验设计和数据分析。Liwen Zheng：撰写——审阅与编辑、监督、方法设计、概念制定。Lei Sheng：撰写——初稿撰写、方法设计、数据分析。Xiaoke Xin：撰写——审阅与编辑、结果验证、监督。Lianbao Zhang：撰写——审阅与编辑、数据可视化。

未引用参考文献

De Castro等人，2025年；IPCC等人，2023年。

利益冲突声明

? 作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能会影响本文的研究结果。

致谢

中国国家重点研发计划（2024YFF0507000）的支持。同时，我们也感谢山东省海洋负碳排放（ONCE）计划和泰山学者计划（tstp20250703）对本文研究的资助。

Xinyue Pang|Lianbao Zhang|Xiaoke Xin|Lei Sheng|Liwen Zheng|Jihua Liu