一区W&R | 河海大学李轶课题组利用环境兼容的载氧生物炭修复缺

凌恩生物客户河海大学李轶课题组近期在《Water Research》期刊上(IF=13.4)发表的“Sustainable restoration of anoxic freshwater using environmentally-compatible oxygen-carrying biochar: Performance and mechanisms.”研究论文中，创新性地提出了一种利用载氧底泥基生物炭修复缺氧水体的新方法，证实了基于营养循环调节的微生物分子机制在缺氧水体修复中的重要性。

期刊：Water Research

影响因子：13.4

发表时间：2022

样本类型：水体、沉积物

客户单位：河海大学李轶课题组

一、研究背景

近年来，营养物质的人为输入加剧了水体中的氧气消耗，包括河流和湖泊在内的淡水系统中溶解氧（DO）水平的长期下降已成为全世界关注的问题，严重威胁着水质安全和人类健康。多孔材料可将氧纳米气泡输送至目标缺氧区域，同时缺氧水体的可持续修复依赖于原位微生物群落。目前新型的绿色载氧材料亟待开发，且其修复缺氧水体的微生物机制尚待探索。对此，本研究报道了一种利用局部沉积物生物炭作为新型氧纳米气泡载体的缺氧淡水的可持续恢复策略。

二、实验设计

本研究以底泥基生物炭作为新型载氧材料（O-SBC），取自污染淡水系统的固体废物应用于同一系统的营养污染物去除，符合环境相容性和可持续发展的理念。

通过检测SBC作为载氧材料的表观性能，探讨了SBC和ONB（氧纳米气泡）对水体营养还原的联合作用，并从微生物群落结构和代谢谱的角度阐明了缺氧水体恢复过程中营养循环调节的潜在机制。

图1实验设计

三、实验结果

1、环境相容性生物炭的表征

扫描电镜结果表明，低温热解的SBC呈现松散和层状结构，而层状结构在温度超过800°C时呈现塌陷。每个生物炭样品都表现出IV型N2吸附/解吸等温线（图1b），表明产生了中孔结构，这是吸附材料的共同特征。

图2 （a）SEM图像，（b）氮吸附-脱附等温线，（c）孔径分布曲线，（d）FTIR光谱，（e）XPS光谱和（f）C1s的高分辨率XPS光谱，（g）不同热解温度下底泥基生物炭（SBC）的O1s和（h）Si2p

2、载氧材料的充氧性能

图3a中所示的氧吸附曲线清楚地表明，各材料样品的氧吸附能力随压力的增加而不断增加。10天实验中覆盖水中的DO浓度如图4b所示，在对照组中，DO水平在整个培养过程中保持在约0.00-0.12 mg/L。

实验结束时氧水平的改善的顺序为：SBC600>SBC800>SBC400>沸石>SBC1000，这与载氧能力测试结果有很大的不同（图3b）。

图3 （a）沸石和不同SBC样品的携氧能力，（b）用不同携氧材料封盖时，在为期10天的实验中上覆水中的DO动力学 图4 对照组和实验组在28天期间的DO和ORP数据

3、水质参数的变化

28天实验中3种不同处理的上覆水的DO和ORP水平与预期的一样，DO和ORP分别保持在0.05 mg/L和−105 mV左右（图4a,b）。在28天的孵化过程中，对照组的水相（沉积物上方0.5 cm）中的DO范围为0.5至1.0 mg/L。

对于对照组，TN、NH4+-N、TP浓度不断上升，并且在上覆水中观察到PO43−-P，这可能与较长时间的缺氧有关（图5a和b），因为沉积物中减少的物种继续扩散出去并进入水柱。

图5 来自对照组和实验组在28天期间的化学数据

在对照系统中，在28天的培养过程中，沉积物中NH4+-N（图6a1）和PO43--P（图6b1）的总释放量分别为5.23 mg和0.35 mg。

 图6 在O-SBC中结合的多种作用的定量分析

4、功能微生物群落的变化

16S rRNA V3-V4区高通量测序结果表明，再氧化之后，水中的细菌多样性（shannon指数）增加了约5.05%，但沉积物中减少了约2.40%。研究观察到一些特定需氧种群的增殖，其中来自O-SBC的水中的硝化螺菌丰度比对照组高约10倍。

图7 对照组、SBC600和O-SBC600处理在（a）门和（b）属水平中细菌16S rRNA基因的分类

为了进一步阐明河流水-沉积物系统中细菌群落在营养减少过程中的功能机制，研究利用PICRUSt2预测了微生物组成的代谢途径。将氮代谢途径分为五组，即同化硝酸盐还原、异化硝酸盐还原、反硝化、固氮和调节氮（图8a）。观察到P循环的五个主要途径，包括多磷酸盐（polyP）合成、polyP降解、磷酸盐转运系统、磷酸盐转运系统和戊糖磷酸途径（图8b）。对S循环的分析确定了吸收硫酸盐还原、异化硫酸盐还原、硫酸盐还原和硫代硫酸盐氧化的途径（图8c）。

在以浮游植物为主的富营养化水生生态系统中，藻华的频繁崩溃和相关的氧气不足导致有氧代谢生物（如鱼类和浮游动物）的大量死亡，这可能会极大地改变食物网。

图8 在对照组、SBC600和O-SBC600处理的水和沉积物中，涉及(a)氮、(b)磷和(c)硫代谢的主要功能基因的变化 图9 在（a）缺氧条件和（b）缺氧条件下的再氧化过程中，营养转化网络的潜在进化转化为氧化条件

四、研究结论

综上所述，通过本研究中对沉积物-水微观世界的模拟，证明了SBC可以提高水和表面沉积物中的氧水平，同时导致养分的减少。本研究创新性地提供了一种利用载氧底泥基生物炭修复缺氧水体的新方法，证实了基于营养循环调节的微生物分子机制在缺氧水体修复中的重要性，为载氧材料应用于水生态修复领域提供了理论指导和技术支持。

参考文献

Sustainable restoration of anoxic freshwater using environmentally-compatible oxygen-carrying biochar: Performance and mechanisms. Water Research, 2022.