硝酸盐/Fe(Ⅱ)复合污染地下水的微生物修复与机理研究

【摘要】：随着社会经济和工业的快速发展,地下水硝酸盐/Fe(Ⅱ)复合型污染已成为威胁居民饮用水安全的严重环境问题。但这两种污染物在厌氧处理过程中的相互影响机制尚不清楚,本研究采用异养反硝化菌同时进行反硝化和Fe(Ⅱ)氧化,探讨两种污染物在同步去除过程中的互作关系及机理,为硝酸盐/Fe(Ⅱ)复合型污染地下水的修复提供新的途径。首先采用合成污染地下水,在不同硝酸盐和Fe(Ⅱ)浓度下证实了异养反硝化菌同时反硝化和氧化Fe(Ⅱ)的能力,除较高Fe(Ⅱ)浓度为200 mg/L时异养反硝化菌受到抑制失去活性,其他浓度条件下(≤100 mg/L)硝酸盐去除效率均达到约100%,Fe(Ⅱ)氧化效率(12.5%~100%)与硝酸盐初始浓度和还原量成正相关。然后,利用Box-Bechken设计和响应曲面法(RSM)优化污染物去除反应的温度、pH及C/N比条件,确定了最佳条件为24.93℃、pH 7.23和C/N比1.43。本研究还证实了使用实际污染地下水时,异养反硝化菌仍能够有效地进行反硝化和Fe(Ⅱ)氧化反应,且反应速率高于合成污染地下水。在研究不同Fe(Ⅱ)浓度对异养反硝化菌的影响时发现,当Fe(Ⅱ)浓度较低时,能够促进微生物的代谢活性,且能够提高微生物群落的多样性、丰富度和均匀度,而当Fe(Ⅱ)较高时,反硝化过程呈现出明显的滞后期且反应过程中亚硝酸盐积累量增加,表明体系中高浓度Fe(Ⅱ)对微生物产生毒性。通过对微生物电子传递系统活性的分析(ETSA),发现Fe(Ⅱ)对异养反硝化菌的抑制临界浓度为13.84 mg/L,50%抑制浓度为45.19 mg/L。通过向反应体系中投加麦饭石,由于其可以溶出多种微生物所必须的金属元素(Ca、Mn、Mo等),能够明显提高微生物的反硝化速率以及对胁迫的抵抗力;投加磷矿石能够为微生物提供磷源,也能够提高微生物的反硝化能力。同时发现,在体系中添加天然矿物(麦饭石、磷矿石)可有效促进微生物群落的多样性和丰富度。通过对反硝化相关酶的基因(narG、napA、nirS和nirK)在反应不同时刻进行相对定量,发现Fe(Ⅱ)对反硝化酶基因表达水平的抑制发生在100 mg/L高浓度时;50 mg/L时,基因表达有所延迟但并未受到明显抑制,反硝化速率降低的主要原因可能是高浓度Fe(Ⅱ)影响了翻译过程或抑制了反硝化酶的活性。通过分析微生物的群落结构,发现不同条件下微生物群落的门水平组成相似,但各组分所占比例不同,其中最优势门类是β-变形菌门(相对丰度39.9%~84.1%),其次为拟杆菌门(相对丰度4.7%~16.5%)。从属水平分析,最优势的是Methyloversatilis,一种能够以C-1化合物为碳源和能源的反硝化细菌,其他与反硝化相关的类群还包括Denitratisoma、Azonexus和Dechloromonas等。对不同实验条件下的微生物群落进行综合分析发现,Fe(Ⅱ)和天然矿物对微生物群落的影响体现在物种组成水平,而对其功能组成几乎没有影响;不同条件下微生物群落属水平组成和各组分所占比例存在差异,不同种类微生物之间既有合作关系也有竞争关系,微生物的合作和竞争构成了体系中宏观水平的动态平衡。本研究建立了以甲醇为碳源的异养反硝化菌同时反硝化和铁氧化的反应机理及代谢路径模型,硝酸盐还原和Fe(Ⅱ)氧化反应由硝酸盐还原酶催化在细胞内进行,Fe(Ⅱ)进入细胞的速率决定了其氧化速率。本研究揭示了异养反硝化菌介导的反硝化和Fe(Ⅱ)氧化过程及反应机理,为修复硝酸盐/Fe(Ⅱ)复合污染地下水奠定了理论基础,并为该工艺的应用提供了技术支持。