给水厂废弃铁铝泥对镉的吸附特征及影响因素

通过批量实验探讨了给水厂废弃铁铝泥(Ferric and Alum Water Treatment Residuals,FARs)对Cd2+的吸附特征及影响因素.实验结果表明,在最初的6 h内,FARs对Cd2+的吸附量已经达到其平衡吸附量的90%,吸附较符合伪二级动力学模型(R2=0.99),并且Langmuir(R2=0.99)和Freundlich(R2=0.90)方程均能较好地描述FARs对Cd2+的等温吸附过程,其Cd2+的饱和吸附量达35.39 mg·g-1.初始溶液p H由3.0增加到8.0时,FARs对Cd2+的吸附量缓慢增加,当p H升为9.0时,其对Cd2+去除率可达97%.FARs对Cd2+的吸附量随溶液体系离子强度的增加而减小.随着柠檬酸浓度的升高,FARs对Cd2+的吸附量显著降低,而水杨酸和酒石酸则微弱促进了对Cd2+的吸附.解吸实验证明,在p H为3.0时Cd2+的解吸率最高,但仅为11%左右.分级提取结果进一步表明,被吸附的Cd2+主要以酸溶态和残渣态存在.综合实验结果表明,FARs可以作为一种高效的吸附剂用于水体除镉.     

武汉东湖沉积物好氧氨氧化微生物时空分布

采用实时荧光定量PCR(qPCR)技术,测定了武汉东湖沉积物中氨氧化古菌(AOA)和氨氧化细菌(AOB)氨单加氧酶基因(amoA)的丰度,并结合沉积物水体环境中各形态氮素的含量,分析氮素含量对AOA和AOB的时空分布的影响.结果显示,AOA amoA基因丰度大于AOB amoA基因丰度,表明AOA对氨氧化过程的贡献较大...     

给水处理厂废弃铁铝泥对正磷酸盐的吸附特征

以给水处理厂废弃铁铝泥（ferric-alum residuals,FARs）为载体,探究了FARs对正磷酸盐的吸附特征.ICP、SEM和XRD测试结果表明,FARs富含铁铝元素且为无定形结构.批量平衡实验法证实,FARs对正磷酸盐的吸附较符合伪二级动力学模型.在酸性环境条件下,磷的吸附效果最好,当pH值从4.6升至7...     

热活化和酸活化给水处理厂废弃铁铝泥的吸磷效果

探讨了酸活化和热活化方式对给水厂废弃铁铝泥(ferric and alum water treatment residuals,FARs)吸附磷能力的影响.结果表明,酸活化和热活化均能提高FARs的磷吸附能力,其中经2mol·L-1HCl酸活化的FARs(AH2.0-FARs)和300℃热活化的FARs(H300-FARs)取得最好的磷吸附效果.结合SEM和XRD表征技术对活化机制分析得知,两种活化方式均会使FARs变得疏松、多孔,从而提高FARs对磷的吸附能力.Langmuir和Freundlich两种模型均可很好地反映活化前后FARs的等温吸附过程,FARs对磷的理论饱和吸附量由活化前的20.48mg·g-1分别增加到22.86mg·g-1(AH2.0-FARs)和29.66mg·g-1(H300-FARs).低pH值有利于FARs对磷的吸附.此外,解吸附实验结果表明活化后的FARs能够更好地固定磷.因此,活化后的FARs是一种相对更好的磷的吸附材料.     

湖泊沉积物中氨氧化微生物的amoA基因数量

采用定量PCR方法测定了4个湖泊沉积物中氨氧化微生物的amoA基因数量,并分析了其与环境因子之间的关系. 结果表明:小南湖AOA(氨氧化古菌)和AOB(氨氧化细菌)的amoA基因数量最多,分别达2.1×104和2.8×103copies/g(以干质量计,下同);梁子湖仅检测到了AOA amoA基因的存在,平均值为4.9×103copies/g. 东湖和汤逊湖的AOA amoA基因数量比较接近,约为3.0×103copies/g,然而AOB的amoA基因数量在这2个湖泊中仅分别为37和86copies/g;在这些采样点中,AOA的amoA基因数量是AOB的3~278倍. 统计分析发现,随着湖泊营养水平和间隙水中ρ(NH₄+)的上升,AOA和AOB的amoA基因数量均呈增加趋势,但ρ(NH₄+)增加对AOB的促进作用要大于AOA,导致AOA和AOB的amoA基因数量比值与间隙水中ρ(NH₄+)呈显著负相关. pH上升对2类氨氧化微生物的抑制作用则与ρ(NH₄+)增加对它们的促进作用相反. 沉积物中amoA基因数量与间隙水中ρ(NO₂-)无显著相关性,但与ρ(NO₃-)呈显著正相关. 由于ρ(NH₄+)与ρ(DO)之间呈显著负相关,因此认为ρ(DO)与氨氧化微生物amoA基因数量之间的显著负相关可能更多的是对ρ(NH₄+)与氨氧化微生物amoA基因数量之间紧密关系的一种间接反应.      

洞庭湖岸边带沉积物氨氧化古菌的丰度、多样性及对氨氧化的贡献

采用分子生物学的方法(定性/定量PCR、克隆文库)对洞庭湖岸边带沉积物中氨氧化古菌(Ammonia-Oxidizing Archaea,AOA)进行分子水平的多样性和丰度分析,并结合硝化速率潜势(Potential Nitrification Rate,PNR)剖析AOA在洞庭湖岸边带沉积物中氨氧化的作用.采用实时荧光定量PCR技术对氨氧化古菌AOA和氨氧化细菌(Ammonia-Oxidizing Bacteria,AOB)进行靶向amoA基因(氨氧化关键功能基因)的定量分析,发现古菌amoA基因的丰度为1.49×107 ～ 1.97×10s copies· g-1(以干土计),高于细菌amoA基因丰度(1.52×104 ～2.45×106copies·g-1,以干土计)1～4个数量级.洞庭湖岸边带沉积物硝化速率潜势为1.11 ～6.47 nmol·g-1·h-1(以N计),比细胞硝化速率为0.55 ～1.68 fmol· cell-1·d-1(以NH3计).硝化速率潜势与古菌amoA基因丰度之间呈现正向变化趋势,而与细菌amoA基因丰度呈负向变化趋势,指示了低氨氮环境下AOA在氨氧化过程中的主导作用.生物多样性分析表明,经酶切分型后得到的22个古菌amoA基因序列以97％的相似度划分为8个独立操作单元(Operational Taxonomic Unit,OTU).系统发育分析显示,OTU 1～6(14个序列)属于第一分支,OTU 7～8(8个序列)属于第二分支,且均属于一个新命名的古菌类群——奇古菌门(Thaumarchaeota).     

基于引物的湖泊沉积物氨氧化细菌PCR扩增策略比较

PCR扩增是检测环境中β-变形杆菌纲氨氧化细菌(β-AOB)群落的主要方法,但是引物的敏感性和特异性对结果具有关键影响.本研究首先比较了2组常用的β-AOB 16S rRNA基因引物,结果显示,在扩增一组不同性质湖泊沉积物样品时,βAMO引物均获得明亮的单一条带,但CTO引物则未能全部扩增.克隆及序列分析证实,βAMO引物扩增获得的序列均不属于β-AOB所在的Nitrosomonadales目,而CTO引物扩增获得的序列来自β-AOB中的Nitrosomonas europaea/"Nitrosococcus mobilis"分支.采用变性梯度凝胶电泳方法,对4种不同引物组合PCR策略扩增所得产物进行分析,发现以βAMO或16S rRNA通用引物结合CTO引物的巢式方案可以提高扩增的效率,且β-AOB的群落轮廓与CTO引物直接扩增方案高度相似.这些结果表明βAMO引物具有较高的敏感性但特异性较低,而CTO引物则相反.因此,特定巢式扩增方案既可提高扩增的效率,也能真实反映湖泊沉积物中β-AOB的群落轮廓,是较为理想的β-AOB研究方法.     

东太湖水产养殖对沉积物中氨氧化原核生物的影响

本研究旨在了解东太湖水产养殖区表层沉积物中氨氧化微生物的群落特征.以编码氨单加氧酶的α亚基(amo A)基因为标记,通过实时荧光定量PCR技术(real-time q PCR)分析环境中好氧氨氧化原核生物的丰度;通过构建克隆文库、测序,进而划分操作分类单元(OTUs)构建系统发育树,分析氨氧化微生物的群落结构与多样性.分析养殖区和对照区表层沉积物中氨氧化微生物群落结构和多样性发现,养殖区中氨氧化细菌(ammonia-oxidizing bacteria,AOB)的丰度更高而对照区中氨氧化古菌(ammonia-oxidizing archaea,AOA)的丰度更高;AOA在养殖区多样性更高,AOB在对照区多样性更高;AOA在养殖区和对照区沉积物中的优势类群均为Nitrosopumilus,AOB在养殖区和对照区沉积物中的优势类群相同均为亚硝化螺旋菌属(Nitrosospira).水产养殖主要通过影响沉积物中的氨氮含量来影响AOA和AOB的丰度,养殖过程会影响AOA的群落结构而对AOB的群落结构则无明显影响.     

施用给水厂残泥对南北方不同类型农田土壤质量的影响

为评估WTR(给水厂残泥)在农业区污染控制领域的土地应用风险,从土壤理化性质、土壤养分含量、有机质活性、微生物生长和土壤酶活性等五方面,考察了不同WTR添加量(w为0%、2%、5%、10%)对3个南北方农田(土壤)(常州水稻田、寿光和天津蔬菜种植区土壤,依次记做常州土壤、寿光土壤和天津土壤)质量的影响.结果表明:①WTR添加后,各土壤中CEC(阳离子交换容量)提高了23.7%～63.9%;添加WTR有利于调节酸性和碱性土壤pH,使之更适合作物生长,随着WTR添加量由0%增至10%,常州土壤pH由5.45升至6.69,寿光和天津土壤pH则分别由7.57、7.88降至7.26、7.64.②添加适量WTR不会造成土壤中P、K、Fe、Al、Ca、Mg、Cu、Mn和Zn等多种有效态元素含量的缺失,特别是在富P(>50 mg/g)土壤中施加2%～10%的WTR,既能满足植物生长对有效P的需求,又能降低P的淋溶风险.③在施肥和不施肥条件下,WTR添加量≤5%时均能增加土壤w(活性有机质),促进土壤微生物生长,提高土壤脱氢酶和总磷酸酶活性.由于WTR对有机P底物的强吸附作用,不施肥条件下,WTR添加量达到10%时,土壤总磷酸酶活性降低了55%;而施加有机肥会削弱或抵消这种不利影响,土壤总磷酸酶活性可提高至未添加WTR时的1.7倍.因此,添加适量WTR能有效改善我国南北方不同类型农田土壤质量.      

给水厂残泥免烧陶粒对Pb与Cd的吸附特征

针对高效低廉的吸附材料——WTR（water treatment residuals,给水厂残泥）因颗粒细小在水处理工艺中难以应用的问题,利用免烧法制备出WTR陶粒,研究其对Pb和Cd的吸附特征.批量吸附试验结果表明,准二级动力学模型和Langmuir等温吸附模型能较好地描述WTR免烧陶粒对Pb和Cd的吸附动力学（R2>0.995 8）与等温吸附过程（R2>0.994 8）.在溶液pH为5、恒温25℃、振荡24 h下,Langmuir等温吸附模型计算得到的WTR免烧陶粒对Pb和Cd的最大吸附容量分别为13.97和18.60 mg/g.单因素条件试验结果表明,WTR免烧陶粒对Pb和Cd的吸附量均随溶液初始pH的升高而增加,当pH由3升至9时,WTR免烧陶粒对Pb和Cd的吸附量分别增加了1.44和0.95倍;离子强度的增加不利于WTR免烧陶粒对Pb和Cd的吸附.批量等温解吸试验结果表明,在pH为4~8的溶液中,Pb和Cd较难从WTR免烧陶粒中解吸出来,解吸率均在3.5%以内;当溶液pH为3时,Pb和Cd的解吸率分别高达65.88%和45.01%.BCR分级提取结果表明,Pb和Cd均主要以酸提取态形式（占比在68.18%以上）存在于WTR免烧陶粒中;同时,随着初始吸附量的增加,酸提取态比例显著减少,而还原态和残渣态比例显著增加.研究显示,WTR免烧陶粒对Pb和Cd具有较强的吸附能力,可作为一种高效的重金属吸附材料应用于水处理工艺中.      

Comparison of different phosphate species adsorption by ferric and alum water treatment residuals

As safe byproducts of drinking water treatment processes,ferric and alum water treatment residuals(FARs) have the potential to be new phosphate(P) immobilization materials.In this study,batch experiments were conducted to investigate and compare the adsorption characteristics of three P species by FARs.The results showed that the kinetic processes of different P species’ adsorption by FARs could be described by a pseudo second-order model.The ranking list of the initial adsorption rates with respect to different phosphates was pyrophosphate,phytate,orthophosphate,hexametaphosphate and glycerophosphate.Of the six models considered,the two-site Langmuir model most effectively described the adsorption characteristics of the various P species.Upon fitting the results,the maximum adsorption capacities were determined to be 40.24 mg/g for phytate,18.04 mg/g for pyrophosphate,17.14 mg/g for orthophosphate,15.86 mg/g for hexametaphosphate and 10.81 mg/g for glycerophosphate.In addition,the adsorption processes of the different P species were spontaneous endothermic processes and were favored at lower pH values.The pH dependency was found to be especially true for orthophosphate,where the adsorption capacity decreased by 1.22 mg/g with an increase in pH from 5 to 9.Fractionation of the adsorbed P species from the FARs demonstrated that Al-P and Fe-P were the dominating forms,constituting approximately 80%-90% of the total P fractions,which indicated that the adsorbed P species had a low leaching risk and could stably exist in the FARs.Therefore,the FARs could be effective in controlling pollution in water caused by different P species.     

去除氧化铁对Al在土壤中吸附-解吸的影响

用连二亚硫酸钠-柠檬酸钠-碳酸氢钠(DCB)法研究了去除土壤中的氧化铁后Al的吸附-解吸特征的变化情况.结果表明,在pH值<4.5条件下,去除氧化铁可使土壤对Al的吸附量有所增加,这种变化在赤红壤中尤为明显;而此后随pH值的升高,原土和去铁土对Al的吸附量基本相等.造成该现象的原因可归纳为去除氧化铁能降低土壤的电荷零点(ZPC)和增加土壤表面负电荷的数量,从而增强了土壤表面与离子之间的静电引力.另一方面,去除氧化铁后Al的解吸量也增加.其原因是与原土相比,去铁土吸附Al的机理中包含有部分静电吸附,这从离子强度对去铁土吸附Al的影响实验能得到较好的验证,因为在pH值<4.5时,提高离子强度将降低Al的吸附量,用高岭石做参考材料时也发现了类似的现象.     

巢湖完全氨氧化细菌的丰度、群落结构及其影响因素研究

完全氨氧化过程（complete ammonia oxidation, comammox）的发现使研究者们对硝化作用和氮循环都有了新的认识.本研究选取巢湖冬夏季表层（0~10 cm）沉积物样品,运用高通量测序、实时定量PCR等分子生物学技术对comammox细菌的丰度和群落结构进行研究.结果表明：基于amoA基因的comammox细菌的丰度为（5.20±0.72）×10⁶~（4.06±1.23）×10⁷ copies·g^-1;氨氧化古菌的丰度为（5.39±1.01）×10⁵~（1.60±0.18）×10⁷ copies·g^-1;氨氧化细菌的丰度为（6.16±1.57）×10⁵~（4.30±0.19）×10⁶ copies·g^-1.comammox细菌的绝对丰度显著高于氨氧化古菌和氨氧化细菌.多样性分析表明冬季巢湖表层沉积物中的comammox细菌的物种多样性大于夏季.其中Candidatus Nitrospira nitrificans、Candidatus Nitrospira nitrosa和Candidatus Nitrospira inopinata的相对丰度最高占比分别为78.72%、49.80%和6.28%,且夏季样点中Candidatus Nitrospira inopinata的相对丰度显著高于冬季样点.主坐标分析（Principle Coordinate Analysis, PcoA）结果表明,comammox细菌的群落结构具有明显的时间异质性.理化因子中,NH₄⁺和NO₃^-与comammox细菌的丰度呈负相关关系.本研究在一定程度上揭示了comammox细菌的丰度、群落组成、多样性及其与理化因子的关系.     

底泥疏浚对湖泊沉积物的生态毒性效应的影响

采用淡水沉积物质量基准和微生物毒性试验方法,对疏浚前后五里湖沉积物提取液和全底泥沉积物的生态毒性进行了研究与分析.结果表明,疏浚后,沉积物中各重金属污染物的总体含量均显著降低,但是铬、铅和镍的含量仍然分布在阈值效应低值(TEL)和可能效应水平值(PEL)之间的灰色区域,仍可能对水体生态系统产生不良影响;疏浚后1个月,沉积物提取液中发光菌发光试验的EC50值降低约50%,毒性增加近1倍;与疏浚前相比,全底泥沉积物的细菌毒性试验的EC₅₀值降低11%～30%;全底泥月芽藻毒性试验的EC₅₀值也有显著降低.     

我国北方四类土壤中氨氧化古菌和氨氧化细菌的活性及对氨氧化的贡献

氨氧化古菌(ammonia-oxidizing archaea,AOA)与氨氧化细菌(ammonia-oxidizing bacteria,AOB)是目前已知的两类好氧氨氧化微生物,广泛分布于各类生态系统中.采用双氰胺(dicyandiamide;DCD)和1-辛炔(1-octyne)抑制剂的方法对我国北方湿地、草原、农田、沙漠4类生态系统的土壤中AOA和AOB的氨氧化速率(ammonia oxidation rate,AR)分别进行定量测定,剖析AOA、AOB对不同土壤中氨氧化的贡献.结果表明:在氨氮含量较高的湿地土壤((32.58±1.38)mg·kg~(-1))中氨氧化速率由AOB主导(ARAOB占AR的86.19%),而在氨氮含量较低的草原土壤((10.40±0.69)mg·kg~(-1))、农田土壤((5.09±0.25)mg·kg~(-1))中氨氧化速率则由AOA主导(ARAOA分别占AR的65.50%、62.20%).氨氮含量是影响AOA、AOB相对活性的主要限制性因素.湿地土壤中氨氧化速率最高,为3.22 mg·kg~(-1)·d~(-1)(以N计),其次是草原土壤和农田土壤,其AR分别为1.11、1.00 mg·kg~(-1)·d~(-1),沙漠土壤中未检测到氨氧化速率.对氨氧化古菌、细菌的amoA基因进行定量分析的结果表明:在氨氮含量最高的湿地土壤和最低的沙漠土壤((1.27±0.05)mg·kg~(-1))中AOA丰度高于AOB丰度,在草原、农田土壤中AOB丰度高于AOA丰度.amoA基因生物多样性分析表明,377个古菌amoA序列以85%相似度可以划分为19个独立操作单元(operational taxonomic unit,OTU),具有较高的生物多样性,其Shannon指数为1.51~1.73.直接通过氨氧化微生物amoA基因丰度来推测AOA、AOB的活性具有一定的缺陷,而依靠AOA、AOB分别的氨氧化速率能够准确地衡量其在不同生态系统中对氨氮去除的相对贡献,对于理解不同生态系统中氨氮去除过程和效应有着重要的意义.     

Spatial distribution of archaeal and bacterial ammonia oxidizers in the littoral buffer zone of a nitrogen-rich lake

The spatial distribution and diversity of archaeal and bacterial ammonia oxidizers (AOA and AOB) were evaluated targeting amoA genes in the gradient of a littoral buffer zone which has been identified as a hot spot for N cycling. Here we found high spatial heterogeneity in the nitrification rate and abundance of ammonia oxidizers in the five sampling sites. The bacterial amoA gene was numerically dominant in most of the surface soil but decreased dramatically in deep layers. Higher nitrification potentials were detected in two sites near the land/water interface at 4.4-6.1 μg NO₂^--N/(g dry weight soil·hr), while only 1.0-1.7 μg NO₂^--N/(g dry weight soil·hr) was measured at other sites. The potential nitrification rates were proportional to the amoA gene abundance for AOB, but with no significant correlation with AOA. The NH4 + concentration was the most determinative parameter for the abundance of AOB and potential nitrification rates in this study. Higher richness in the surface layer was found in the analysis of biodiversity. Phylogenetic analysis revealed that most of the bacterial amoA sequences in surface soil were affiliated with the genus of Nitrosopira while the archaeal sequences were almost equally affiliated with Candidatus ‘Nitrososphaera gargensis’ and Candidatus ‘Nitrosocaldus yellowstonii’. The spatial distribution of AOA and AOB indicated that bacteria may play a more important role in nitrification in the littoral buffer zone of a N-rich lake.     

游离氨对硝化菌活性的抑制及可逆性影响

为考察游离氨(FA)对硝化菌(氨氧化菌AOB和亚硝酸盐氧化菌NOB)活性的抑制影响,采用SBR反应器,基于FA与过程控制协同作用在实现短程硝化的基础上,考察了不同FA浓度(1.0,5.3,16.6,13.4,9.9,5.2,1.0mg/L)梯度下,FA对AOB和NOB活性的抑制作用及可逆性.结果表明,当FA浓度达到13.4mg/L时,系统内亚硝态氮积累率(NiAR)逐渐增加,硝态氮积累率(NaAR)逐渐减小,且NiAR/ NaAR>1时,系统实现了稳定短程硝化.在此FA浓度条件下,FA对AOB和NOB活性均产生一定的抑制作用,但相对于AOB,NOB对FA的抑制作用更加敏感.当AOB活性被短暂抑制后,其活性又迅速恢复;而NOB活性被完全抑制.此后当FA浓度又逐渐降至1.0mg/L时,AOB活性始终维持较高水平,而NOB活性尚未恢复.也即是说,在本试验控制的FA浓度条件下,FA对AOB活性的抑制作用是可逆的,而对NOB活性的抑制作用不可逆.