锰离子对硫自养反硝化去除地下水硝态氮的影响机制

摘要

水体中的硝态氮污染问题日益严重，威胁人类健康。硫自养反硝化（SADN）技术因其高效、低碳的优点被广泛应用于地下水硝态氮的去除。然而，地下水中常常存在高浓度二价锰离子(Mn²⁺),其对SADN的影响尚不明确。本研究通过批量实验，采用硫磺（S⁰）作为电子供体，分析不同Mn²⁺浓度对SADN性能的影响，并探讨体系中微生物群落结构及氮循环和硫氧化功能基因对Mn²⁺的响应规律。结果显示，低浓度Mn²⁺（≤1 mmol/L）显著促进SADN过程，硝态氮去除速率最高达0.735 mmol/（L·d）,主导SADN过程的微生物Thiobacillus占比由9.41%最高上升至14.92%,反硝化基因nirS、nosZ和硫氧化基因dsrA、soxB的相对表达量也显著上升。而高浓度Mn²⁺（>4 mmol/L）则抑制SADN过程，硝态氮去除速率降低至0.674 mmol/（L·d）,体系中SADN微生物Thiobacillus和Longilinea占比由23.11%最低降至15.60%,反硝化基因narG、nirS、nirK、norB和硫氧化基因dsrA的表达也受到抑制。综上，Mn²⁺通过调控SADN体系中功能基因和微生物群落结构进而影响体系的脱氮性能，其中亚硝态氮还原以及S⁰和硫代硫酸根氧化是不同Mn²⁺浓度下SADN重要的限速过程。本文从群落结构与功能基因层面揭示Mn²⁺对SADN过程的响应机制，可为SADN技术在含Mn²⁺地下水的硝态氮去除应用提供理论依据。

关键词

二价锰 / 硫自养反硝化 / 硝态氮 / 微生物群落 / 功能基因