摇蚊幼虫扰动下沉积物微环境和微界面对物理扰动强度的响应

以太湖梅梁湾沉积物为研究对象,借助Rhizon间隙水采样技术、Unisense微电极技术,解析了物理扰动和摇蚊幼虫组合扰动下,沉积物微环境及微界面特征对物理扰动强度的响应规律.结果表明,高强度物理扰动下(240 r·min-1),溶解氧渗透深度(OPD)达到12.1 mm,远高于低强度(60 r·min-1)的3.8 mm.沉积物总氧气交换速率(TOE)、TOE与DOE差值、ORP、溶解氧渗透深度(OPD)、DO空间分布的差异性等均显示了与物理扰动强度正相关趋势.沉积物中p H增加的区域和幅度及Fe2+减小的区域和幅度也显示了相同响应规律;在沉积物表层0~6 cm范围内,相同深度沉积物的含水率、孔隙度、总微生物活性均随物理扰动强度增加呈递增趋势,并对物理扰动强度的响应程度随沉积物深度递增逐渐减弱.这暗示了物理扰动胁迫摇蚊幼虫构造更深和更多的廊道,进而从垂向的角度改造了沉积物微界面和微环境.     

不同扰动下外源磷在形态磷间的分布规律

研究了3种扰动方式对外源磷在上覆水、间隙水、底泥中的数量分布的影响,并分析了内源磷形态间的转化过程.结果表明,与对照实验相比,物理扰动能促进上覆水中磷向底泥迁移,并高于生物扰动和组合扰动的促进作用,并且,三者均高于对照实验.这可归因于溶解氧的渗入.物理扰动能降低间隙水中DIP的平均含量,相比对照实验降低了12.13%(第6 d和第10 d平均值),但降低程度不如生物扰动(38.63%)和组合扰动(50.79%).3种扰动均能促进Fe/Al-P和Ca-P的形成,其中,物理扰动下Fe/Al-P和Ca-P平均形成量最大,物理扰动下AAP含量一直在减小,暗示物理扰动明显促进了AAP向闭蓄态的Fe/Al-P或者Ca-P转化.     

不同扰动强度下城市重污染河道底泥对磷吸收和固定的影响

以重污染河道底泥和上覆水为材料,研究了周期性加入外源磷条件下,不同扰动强度下底泥吸附和固定磷的作用机制.结果表明,扰动可以增加底泥对外源磷的吸附,而且扰动强度越大,底泥对外源磷吸附效率越高.另外,尽管加入的磷以溶解性磷酸盐(DIP)形态存在,但扰动强化了DIP向颗粒态磷(PP)的转化,从而降低了水体中生物可利用磷含量.内源磷形态分析表明,弱吸附态磷(NH4Cl-P)呈降低趋势,而铁铝结合态磷(Fe/Al-P)、钙结合态磷(HCl-P)和残渣磷(Res-P)均呈增加趋势,但以Fe/Al-P增加幅度最大(占总磷的百分比超过80%,以3种扰动强度下平均值计).结合到非闭蓄态Fe/Al-P中的外源磷逐渐增加占Fe/Al-P净增加量的百分比分别为37.49%(100 r·min-1)、42.32%(200 r·min-1)、54.24%(300r·min-1),导致闭蓄态铁铝结合态磷净增加量占总磷净增加量的百分比随扰动强度增加有所降低,同样,钙结合态磷的变化趋势也基本一致.说明在较短的时间尺度上和较大的扰动强度下,连续加入的外源磷主要以易释放态磷形式存在,即底泥对外源磷的吸附以暂时性的持留为主.     

物理和摇蚊幼虫组合扰动对内源磷再生和形态转化的协同作用

为探讨物理和摇蚊幼虫组合扰动对内源磷再生和形态转化的协同作用,选取了苏州某富营养化河道为研究对象.利用室内静态培养试验和Rhizon间隙水采样技术,着重对比了单纯的摇蚊幼虫扰动和组合扰动下,上覆水、间隙水、沉积物中磷形态数量分布的变化规律.结果表明,组合扰动下,上覆水中不同形态磷含量(TP、PP、DTP、DIP)均处于较高水平,明显高于摇蚊幼虫扰动.这可归因于微生物活性的显著增加.与摇蚊幼虫扰动相比,组合扰动下,间隙水中DIP和Fe2+浓度的降低幅度和降低范围明显更大.这主要是由于物理扰动和底栖生物扰动产生的叠加效应,导致溶解氧渗透深度增加.另外,0~2 cm沉积物中,NH4Cl-P含量明显降低,Fe/Al-P明显增加,并且,NH4Cl-P和Fe/Al-P的变化幅度均在组合扰动下最大.这暗示了物理扰动和底栖生物扰动对磷再生和迁移产生的叠加效应.     

京杭大运河(苏州段)内源磷形态分布及其对扰动的响应

以京杭大运河(苏州段)不同外源汇入断面的沉积物和上覆水为实验材料,研究了扰动条件下上覆水、沉积物中不同形态磷数量分布及形态转化过程.结果表明,污水厂尾水排放口处的沉积物内源磷更容易释放,且扰动期间上覆水中不同形态磷(TP、PP、DTP、DIP)均处于较高水平,明显高于风景区和居民区,此外,也归因于水丝蚓的生物扰动.但随着扰动次数的增加,上覆水中各形态磷含量呈降低趋势.扰动显著改变了上覆水中形态磷分布规律,DIP/DTP、DIP/TP及DIP/DTP比值呈降低趋势,并在第11 d以后趋于稳定,但在有水丝蚓扰动下,改变幅度变小.扰动导致沉积物中不同形态磷含量发生变化,NH_4Cl-P含量明显降低,Fe/Al-P明显增加,其中,污水厂尾水排放口沉积物中NH4Cl-P和Fe/Al-P的变化幅度最大.     

城市重污染河道底泥对外源磷的吸附和固定机制

以重污染河道底泥和上覆水为材料,研究了周期性加入外源磷条件下,间歇扰动对底泥吸附和固定外源磷的作用机制.结果表明,扰动状态下,39d内底泥对外源磷的累积吸附量达到363.4 mg·kg-1,远高于静态试验(213.2 mg·kg-1).内源磷形态分析表明,扰动状态下底泥吸附的外源磷中超过61%被结合到铁铝结合态磷(Fe...     

底泥不同悬浮方式对水体生物有效磷的影响

以太湖月亮湾底泥为材料,通过室内模拟实验研究了底泥不同悬浮方式(底泥扰动、底泥曝气)对水体中生物有效磷的影响。结果表明:底泥再悬浮导致颗粒态磷生物有效性呈下降趋势,10 d时,藻类可利用磷(AAP)占总磷(TP)的百分比仅为初始状态(39.86%)时的34.75%(底泥扰动)和17.03%(底泥曝气)。内源磷形态分析表明,悬浮物中Fe/Al-P含量、非闭蓄态Fe/Al-P(AAP)占Fe/Al-P的比重均有下降的趋势。这主要与底泥再悬浮导致溶解氧融入(溶解氧从2.59 mg/L(初始状态)分别增加至5 mg/L(底泥扰动)和6 mg/L(底泥曝气)左右)和pH改变(pH值从8.07(初始状态)分别降至7.4(底泥扰动)和7.3(底泥曝气))有关。实验结束时颗粒态磷生物有效性突然升高,出现这种现象的原因较复杂,可能与底泥再悬浮状态下底泥的物理化学变化和水中微生物的作用有关,还需要进一步探究。底泥再悬浮导致水体中可被利用颗粒态磷(BAPP)和溶解态磷(DTP)含量降低,从而导致上覆水中生物有效磷(BAP)含量降低。     

底泥间歇扰动-沉降过程对静止水体中生物有效磷的影响

通过模拟试验研究了底泥间歇扰动-沉降过程(每天底泥扰动10 min,然后静置沉淀1 430 min,共持续17 d)上覆水中生物有效磷(BAP)的变化规律.结果表明,每次底泥扰动后0 h,BAP含量显著升高,并在第1 d(第1次扰动)达到最高值(2.82mg.L-1);然而,随着静置沉淀时间的延长(1、6、24 h),BAP呈逐渐下降的趋势.另外,随着底泥扰动次数的增加,各采样时段(0、1、6、24 h)的BAP均明显降低,但每次扰动后0 h时的BAP含量仍远高于其它时段(1、6、24 h),这主要是由于底泥扰动导致BAPP的"瞬间释放"所致,试验过程中此时段的BAPP/BAP平均值高达95.3%.随着静置沉淀时间的延长,这一比值逐渐降低.试验开始后的第5 d,每次底泥扰动后0、1、6、24 h时的TDP达到平衡浓度(0.053、0.062、0.051、0.045 mg.L-1),而且TDP在BAP中所占的比重也逐渐降低.说明底泥扰动抑制了BAPP向TDP的转化,"延缓"了静止水体富营养化发展进程.底泥中内源磷形态分析也表明,底泥扰动后,难释放态磷占总磷的百分比由原底泥中的72.8%升至77.3%,其主要与闭蓄态铁铝结合态磷含量增加有关.说明底泥扰动促使易释放态磷向难释放态磷转化.     

电动脱除孔隙水削减底泥内源磷的效果研究

选择污染严重的底泥为研究对象,采用基于孔隙水脱除的电动修复装置,进行了底泥脱水排磷实验,探究了电动脱除孔隙水的底泥减磷效果,分析了底泥各形态磷在电动脱除孔隙水中的迁移转化过程.结果表明：电动脱水过程中阴极总脱水量为5740mL,远大于阳极（2121mL）,但脱水中总磷浓度为阳极大于阴极,80%以上的磷从阳极排出,电迁移在电动脱水排磷中起主要作用,通电使排磷总量增加了70%以上,其中在0.25V/cm的电压梯度下修复18d的条件下,排磷量最大;电动脱水排磷效率在通电48h内达到最高[0.73mg/（kW·h）],随后急剧减小;经过电动脱水排磷后,底泥含水率下降了14.07%,底泥总磷降幅最高可达231.92mg/kg,底泥中交换态磷（Ex-P）、铁结合态磷（Fe-P）、闭蓄态磷（Oc-P）、钙结合态磷（Ca-P）平均脱除率分别为80.01%、14.75%、40.65%和19.22%,其中阳极酸化导致氧化铁的溶解和Ca-P的释放,故阳极附近Oc-P、Ca-P降幅较大,而阴极碱化使Fe-P释放,故阴极附近Fe-P降幅较大.经计算可知,通过电动脱除孔隙水,底泥中生物可利用性磷（Ex-P+Fe/Al-P）平均下降了14.12%,底泥内源磷释放的风险得以降低.     

再悬浮条件下底泥中磷赋存形态的转化研究

以富营养化河流的底泥和上覆水为材料,研究了底泥再悬浮条件下,磷的赋存形态的变化特征,并对不同形态磷之间可能的转化途径进行了探讨.结果表明,底泥再悬浮条件下,磷的释放及吸附均与底泥再悬浮的频率密切相关.再悬浮导致底泥中不同形态磷的数量分布发生了明显变化. BD-P和NaOH-nrP的含量显著减少,而Ca-P的含量明显增加,其余各形态磷的变化幅度很小.这表明, BD-P和NaOH-nrP可能转化成Ca-P.而潜在活性磷与生物有效磷的形成量也表明,底泥再悬浮促进了易释放态磷与生物有效磷向难释放态磷与难被生物利用态磷的转化,并且这种促进作用随着底泥再悬浮的频率的增加而增加.     

基于反硝化脱氮的硫铁复合填料除磷机制

为提高硫铁复合填料反硝化脱氮同步除磷效果,对比研究了不同填料和耦合微生物后的除磷效果,分析了微生物耦合硫铁复合填料反硝化脱氮同步实现除磷的机制.结果表明与单纯海绵铁填料比较,硫磺与海绵铁复合填料除磷效率提高30%,达到95%以上,出水磷含量可降至0.1 mg·L~(-1)以下.X射线衍射(XRD)和总铁浓度分析表明,硫铁复合填料除磷系统反应产物主要为FeOOH、FeS和Fe_4(PO_4)_3(OH)_3固体物质和溶解性铁离子,产生于海绵铁的腐蚀和除磷过程;腐蚀产生的Fe~(2+)及Fe~(3+)的水解产物FeOOH和Fe S通过吸附沉淀作用将PO_4~(3-)转化为Fe_4(PO_4)_3(OH)_3去除.微生物耦合硫铁炭复合填料反应器运行稳定后,TN、TP去除率分别在90%左右和83%以上;硫自养反硝化产生的H~+和生物铁作用也可以促进海绵铁腐蚀和除磷过程,体系将"异养协同自养"复合反硝化与化学除磷有机结合,实现了城市污水处理厂尾水高效反硝化脱氮同步除磷的目的.     

类芬顿调理污泥用于微生物电解池产氢与磷回收的研究

为提高微生物电解池(MEC)利用剩余污泥产氢气和磷回收的效率,采用Fe~(3+)、原儿茶酸(PCA)和H_2O_2体系预调理污泥,探究中性PCA/Fe~(3+)/H_2O_2体系的试剂投加量对污泥液相总磷含量和溶解性化学需氧量(SCOD)的影响.在单因素试验的基础上,通过表面响应法(RSM)优化得到Fe~(3+)和H_2O_2投加量分别为12.96 mmol·L~(-1)和0.45 mol·L~(-1),液相总磷含量和SCOD含量实际值分别为(60.14±0.08) mg·L~(-1)和(3357.67±66.37) mg·L~(-1),模拟效果显著.与未处理的剩余污泥MEC反应器出水相比,经过调理后的剩余污泥MEC反应器出水中的总化学需氧量(TCOD)、多糖和蛋白质的去除率分别提高了30.03%、50.16%和97.31%,氢气转化率提升了1.31倍,有效提升了MEC产氢效率.通过鸟粪石结晶回收MEC污泥上清液中的磷,发现在初始pH值为10、Mg~(2+)浓度为0.056 mol·L~(-1)和NH~+_4浓度为0.08 mol·L~(-1)时效果最佳.鸟粪石晶体质量浓度最高可达7.6 g·L~(-1),晶体纯度最大为88.30%,上清液中77.55%的磷以鸟粪石的形式得到回收.在本研究最优化条件下进行中性PCA/Fe~(3+)/H_2O_2体系调理剩余污泥微生物电解池产氢与磷回收全过程中产出经济价值达到2.36元.实验研究最终表明,经过Fe~(3+)/PCA/H_2O_2体系调理污泥可促进污泥中磷的释放和MEC处理污泥的产氢效率,为探究污泥资源化提供了新的研究思路.     

环境中磷化氢对水稻根际环境与土壤有效磷的影响研究

以稻田湿地中磷化氢为研究对象,采用室内模拟的方法,考察了不同浓度的磷化氢(0,1.4,4.2,7.0 mg·m-3)对水稻根际与非根际土壤的p H值、氧化还原电位、Fe2+、Mn2+、磷酸酶活性及有效磷的影响.结果表明:磷化氢导致根际土壤p H明显下降,非根际土壤中p H变化不明显.而氧化还原电位(Eh)则不同,磷化氢使水稻根际与非根际土壤的Eh均增大.磷化氢对Fe2+、Mn2+和碱性磷酸酶的影响具有相似性,磷化氢处理的前15 d,根际土壤中的Fe2+、Mn2+和碱性磷酸酶变化不明显,随着水稻的生长,根际土壤中的Fe2+和Mn2+随磷化氢浓度的增大而增加,随暴露时间的增加而减少;而根际土壤中的碱性磷酸酶随磷化氢浓度和暴露时间的增加而增加.非根际土壤中的Fe2+、Mn2+和碱性磷酸酶在磷化氢作用下变化不明显.水稻在磷化氢的环境影响下,根际与非根际土壤的有效磷含量都提高,表明一定浓度的磷化氢对土壤磷表现出活化效应.     

覆盖条件下底泥微环境对内源磷释放的影响

底泥微环境对内源磷释放有重要的影响.本研究对比了2种不同的原位覆盖材料对底泥微环境的影响以及内源磷释放的控制效果,沉积物微环境以间隙水中NH₄⁺-N、Fe²⁺浓度和微生物活性来表示.结果表明,CaO₂改性材料（ACPM）覆盖条件下较锁磷剂（Phoslock^®）组NH₄⁺-N和Fe²⁺浓度均处于较低状态,微生物活性值FDA增加了42.57%,说明其微生物活性较高,也显示了ACPM覆盖下其氧化还原电位高于Phoslock^®,且底泥微环境处于好氧状态.与Phoslock^®组相比,ACPM组上覆水和间隙水中DIP浓度均较高,表明Phoslock^®对磷酸盐的吸附能力优于ACPM,也暗示了底泥微环境并不是磷吸附的唯一衡量标准.在内源磷固定过程中,2种覆盖材料均有利于内源磷的固定,Ca-P均显著增加.然而,具有氧化性的ACPM导致NH₄Cl-P增加,Fe/Al-P大量减少,促进了活性磷的释放,使得底泥中的磷向覆盖层迁移,有利于清洁底泥.     

Phosphorus content in sediment and eroded soils in the southeastern part of West Siberia

Water erosion as a result of spring snowmelt damages agricultural land and is accompanied by great losses of plant nutrients, including a considerable amount of phosphorus. The main objectives of this study are as follows: (1) to examine the distribution of total phosphorus (TP) and plant available phosphorus (K₂SO₄-P) in deposited sediment; and (2) to evaluate the phosphorus pool of eroded and drift soils by TP and fractional mineral phosphorus (FP_min) content. This study was carried out on Haplic Chernozem (non-eroded, moderately eroded, and strongly eroded) and stratified, slightly drift Colluvic Regosol in the southeastern part of West Siberia on slopes under both virgin and 5-year natural fallow conditions. Soils and deposited sediment were analysed for total, plant-available and fractional mineral phosphorus. The mineral phosphorus forms were classified into the following groups: fraction P_I – phosphate of alkaline metals and NH₄, acid and fresh-precipitated Ca (Mg)-P, Fe²⁺; fraction P_II – base-different Ca (Mg)-P, Fe²⁺; fraction P_III – Al-P; fraction P_IV – Fe-P; fraction P_V – Ca-P apatite type. The distribution and content of the TP and K₂SO₄-P in the deposited sediment was similar in character and was accumulated in the fine soil particles. The content (mg P kg^?1) of total phosphorus decreased and the sum of all mineral phosphorus fractions increased in the soils situated on the slope in the following order: non-eroded (1308 TP, 249 FP_min) to moderately eroded (785 TP, 279 FP_min) to strongly eroded (567 TP, 344 FP_min). The approach of A, AB and B horizons to the soil surface enriched the 0–20-cm layer of the eroded soils with calcium phosphates of the apatite type hardly available to plants. The drift soil exhibited the maximum content of total phosphorus (916 TP) and the sum of all mineral phosphorus fractions (414 FP_min), especially were enriched in the first two fractions.     

凤眼莲对二价铁锰离子的吸附及机理研究

利用凤眼莲根、茎、叶粉末吸附水溶液中的Fe2+、Mn2+,并通过一系列的条件优化,确定了最佳的吸附条件.同时,采用等温吸附模型与动力学模型拟合研究了吸附特性.结果表明,凤眼莲根、茎、叶对Fe2+的吸附能力依次为根＞叶＞茎,对Mn2的吸附能力依次为茎＞叶＞根;在Fe2+、Mn2+起始浓度分别为45 mg·L-1和75 mg·L-1,pH分别为4.0和5.0,吸附剂添加量为0.4g,摇床转速为180 r·min-1,温度为50℃的条件下,根对Fe2+的最大吸附量为(21.73±0.38) mg·g-1,茎对Mn2+的最大吸附量为(15.55±0.58) mg·g-1,去除率分别达到96.58％和82.93％.Langmuir模型和准二级动力学模型能够较好地拟合Fe2+、Mn2+的吸附过程,吸附活化能与傅立叶红外光谱等表明该过程为物理化学吸附.与现有的Fe2+、Mn2+吸附生物质相比,凤眼莲粉末吸附水溶液中Fe2+、Mn2+的能力较突出,是一种极具潜力的吸附材料.     

湿地土壤Fe与N耦合过程研究进展

地球系统的耦合过程研究是目前地球表层系统地理过程研究的重点内容,湿地是地球表层生态系统重要的组成部分.湿地土壤季节性或长期处于积水的厌氧状态,这一厌氧环境中的Fe、N在氧化还原过程中存在微生物作用下的耦合过程.这种耦合过程主要表现在3个方面,即微生物利用NO 3-氧化Fe2+、利用Fe3+氧化NH 4+以及湿地厌氧土壤中NO 3-对于Fe3+还原的抑制作用.这一耦合过程的研究对于认识湿地中Fe、N的循环具有重要意义.文章从3个方面综述了湿地土壤Fe与N耦合过程的研究现状.总体看来,目前对于NO 3-氧化Fe2+方面的研究较另外两方面更深入,因此应加强Fe3+氧化NH 4+的微生物机制、Fe与N耦合过程的综合评价等方面的研究,从而为人们更好地了解和掌握湿地生物地球化学循环过程提供理论依据.