張 鸝，夏永秋，劉雪梅，顏曉元，胡 琳
(1：華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，南昌 330013) (2：中國科學(xué)院南京土壤研究所，江蘇常熟農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外觀測研究站，南京 210018) (3：上饒市婺源生態(tài)環(huán)境局，上饒 334099)
隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)集約化程度的提高和工業(yè)化、城市化進(jìn)程的加快，高強(qiáng)度的人類活動(dòng)加重了氮污染的程度[1-2]，水體中的氮濃度不斷升高[3]，活性氮污染正引發(fā)新一輪的環(huán)境危機(jī)[4]。過量的活性氮會(huì)造成水體富營養(yǎng)化、水生生境破壞、生物多樣性減少等一系列問題[5-7]。反硝化作用是在缺氧或厭氧條件下，微生物將硝酸鹽及亞硝酸鹽還原成氮氧化物和氮?dú)獾倪^程[8]。在水生生態(tài)系統(tǒng)中，反硝化作用能夠有效去除水體中的硝態(tài)氮，消除因硝酸積累對(duì)生物的毒害作用，防止水體富營養(yǎng)化，平衡生物固氮輸入通量[9-12]。反硝化過程是去除活性氮的主要途徑[13]，據(jù)估算，在全球范圍內(nèi)輸入河流的總氮約有50%被反硝化作用去除[14]。隨著對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)活性氮污染問題的重視，水體反硝化過程的研究得到了極大的發(fā)展。
在水生生態(tài)系統(tǒng)中，反硝化過程主要發(fā)生在上覆水、沉積物以及沉積物-水界面[15-18]。目前，針對(duì)水體反硝化過程開展了大量的研究[19-24]。但是這些研究主要集中在沉積物界面，很少關(guān)注到上覆水系統(tǒng)的反硝化，尤其是上覆水中懸浮物參與的反硝化過程。通常，懸浮物粒徑小于1 mm，是一種非理想球狀復(fù)雜的非均質(zhì)有機(jī)-無機(jī)復(fù)合體。懸浮物的組成如圖1所示，有機(jī)組分主要包括浮游動(dòng)植物、微生物、營養(yǎng)物(氮、磷等)、有機(jī)碎屑(生物體殘骸、糞便等代謝物質(zhì))、有機(jī)微污染物(農(nóng)藥化合物、多環(huán)芳烴類、激素以及內(nèi)分泌感染物等)[25]；
無機(jī)組分包括泥沙、礦物碎屑(鐵錳氧化物、硅酸鹽、碳酸鹽等自生礦物以及生物過程中生成的硅骨架碎屑)等；
其他(高分子化合物、微塑料、納米材料等新興污染物[26])。由于懸浮物中存在厭氧環(huán)境，微生物附著在懸浮物上可以發(fā)生直接反硝化或耦合硝化反硝化[27]。此外，懸浮物的碰撞、絮凝、溶解、沉降、再懸浮、離子交換、吸附解吸等一系列物理化學(xué)過程是造成營養(yǎng)物質(zhì)、溶解氧等在上覆水、沉積物中遷移轉(zhuǎn)化的重要原因[28-29]，間接影響到水體中的反硝化速率。在不同水體中懸浮物的濃度、粒徑、組成和種類存在差異，加之水動(dòng)力擾動(dòng)的影響，使得懸浮物對(duì)反硝化作用的影響存在許多不確定因素。水體懸浮物反硝化是深入和系統(tǒng)了解水生生態(tài)系統(tǒng)氮素循環(huán)過程機(jī)理，乃至水體活化氮輸入、輸出和動(dòng)態(tài)響應(yīng)的切入點(diǎn)之一[30-31]。
圖1 水體懸浮物的組成(綠色表示有機(jī)；
藍(lán)色表示無機(jī)；
棕色表示其他)Fig.1 Composition of suspended matter in water
本文將根據(jù)水體懸浮物影響反硝化的國內(nèi)外研究成果，梳理懸浮物在水體反硝化中的作用與貢獻(xiàn)，總結(jié)不同濃度、粒徑、組成和種類的懸浮物對(duì)反硝化的影響，闡述水體懸浮物對(duì)反硝化的影響機(jī)理，回顧懸浮物反硝化速率測定方法。據(jù)此，提出現(xiàn)階段水體懸浮物反硝化研究的不足，以期為后續(xù)研究提供參考。
自1986年Caron等[32]觀察到細(xì)菌更喜歡附著于水體中懸浮物以來，水體反硝化的關(guān)注點(diǎn)逐漸從沉積物、上覆水過渡到懸浮物上。1987年P(guān)lummer等[33]提出水體中的懸浮物可以增強(qiáng)反硝化細(xì)菌活性，人們開始意識(shí)到懸浮物與需要反硝化細(xì)菌參與的反硝化作用可能存在一定的關(guān)系，陸續(xù)開展了一系列懸浮物與反硝化關(guān)系的研究。研究大致可以分為兩個(gè)階段：2010年之前的探索階段，該階段由于方法和認(rèn)知的不成熟，研究主題大多以現(xiàn)象和影響因素為主。如1997年Michotey等[34]在海洋研究中發(fā)現(xiàn)吸附在懸浮物上的細(xì)菌直接參與了反硝化過程，證明了懸浮物上能夠進(jìn)行反硝化作用，這為后續(xù)進(jìn)一步深化懸浮物反硝化研究奠定了基礎(chǔ)。1998年van der Perk[35]利用動(dòng)態(tài)水質(zhì)模型校準(zhǔn)和可識(shí)別性分析相結(jié)合的方法，分析了水體流速、水體中懸浮物濃度快速變化對(duì)水質(zhì)模型中反硝化消納過程的影響，為后期利用模型來評(píng)估懸浮物對(duì)反硝化的影響提供了參考。2010年之后水體中懸浮物反硝化研究步入快速發(fā)展階段，該時(shí)期通過室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)和野外觀測實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，逐步向理論和模型方面深化。例如，Klawonn等[36]提出了懸浮藻類顆粒脫氮過程的理論模式，即懸浮物內(nèi)部處于厭氧環(huán)境，擴(kuò)散進(jìn)來的硝酸鹽發(fā)生反硝化作用生成氮?dú)猓⒂?5N示蹤方法證實(shí)了懸浮藻類顆粒內(nèi)部確實(shí)存在復(fù)雜的生物地球化學(xué)過程。該理論是耦合硝化-反硝化過程的雛形。在該階段，研究還針對(duì)不同懸浮物種類(懸浮泥沙、藻類)，探究懸浮物濃度、粒徑對(duì)反硝化過程的影響，以及懸浮物參與的直接反硝化和耦合硝化-反硝化過程等方面。
國家自然科學(xué)基金委員會(huì)對(duì)該主題十分重視，如針對(duì)黃河水少沙多、含有大量污染物(耗氧有機(jī)污染物、氮、有毒有機(jī)污染物)的特點(diǎn)，在2002年布置聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目“黃河典型污染物遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律”，2015年開展了“黃河長江源區(qū)河水含氮化合物的來源及水-沙界面過程”重大研究計(jì)劃，研究水沙條件對(duì)反硝化過程的影響。為進(jìn)一步探討水體中懸浮泥沙等對(duì)反硝化作用機(jī)制及生物地球化學(xué)過程的影響，2020年開展了“河流水沙條件變異對(duì)氮轉(zhuǎn)化的影響機(jī)制及環(huán)境效應(yīng)”等重點(diǎn)項(xiàng)目。此外，懸浮物在水體反硝化中的作用也是國際研究的熱點(diǎn)。2004年舉辦的“澳大利亞熱帶河流可持續(xù)未來會(huì)議”中就強(qiáng)調(diào)農(nóng)牧業(yè)對(duì)河流懸浮泥沙和顆粒營養(yǎng)物的影響，以及物質(zhì)和能量循環(huán)對(duì)水體懸浮物濃度增加的響應(yīng)。2005年舉行的“大型淺水湖泊富營養(yǎng)化過程與控制”國際學(xué)術(shù)研討會(huì)，進(jìn)一步探討了沉積物再懸浮、水華形成與聚集等與大型淺水湖泊富營養(yǎng)化過程與恢復(fù)途徑。國際上水環(huán)境研究機(jī)構(gòu)也逐步增加對(duì)懸浮物的研究。如加州大學(xué)戴維斯塔霍環(huán)境研究中心每年都會(huì)對(duì)Tahoe湖泊和周邊河流的營養(yǎng)和懸浮物狀況進(jìn)行通報(bào)[37]。懸浮物對(duì)水體反硝化影響的研究逐漸成為國內(nèi)外水環(huán)境領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題之一。
為全面掌握國內(nèi)外懸浮物反硝化研究進(jìn)展，分別選擇國際上Web of Science核心合集數(shù)據(jù)庫(以下簡稱WOS數(shù)據(jù)庫)和中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(以下簡稱CNKI數(shù)據(jù)庫)中的文獻(xiàn)進(jìn)行檢索，文獻(xiàn)檢索時(shí)間跨度為1900年1月1日-2021年12月31日。通過設(shè)定WOS數(shù)據(jù)庫的檢索式“TS=((denitrification)AND(suspended sediment OR suspended particles))”，設(shè)定CNKI檢索主題“懸浮物”和“反硝化”，共檢索到215篇中文和519篇英文(圖2)。篩選出自然水體的研究文獻(xiàn)后，在CiteSpace中進(jìn)行共詞分析構(gòu)建主題詞知識(shí)圖譜(圖3)，用以刻畫懸浮物反硝化領(lǐng)域的研究主題。通過對(duì)比把握了中外水體懸浮物反硝化研究的特點(diǎn)和規(guī)律，為該領(lǐng)域后續(xù)研究提供借鑒。
圖2 發(fā)表的有關(guān)“水體懸浮物反硝化”的中、英文文獻(xiàn)與引頻次數(shù)統(tǒng)計(jì)Fig.2 Published literature and citation frequency statistics on denitrification of suspended particles in the water body
圖3 懸浮物反硝化研究主題詞聚類圖譜Fig.3 Cluster map of keywords in the suspended particles denitrification research
主題詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)得到的節(jié)點(diǎn)較多。從出現(xiàn)頻次來看，有6個(gè)主題詞占據(jù)前列：“denitrification rate”“suspended sediment”“bacteria”、“nitrate”“water column”“anoxic condition”，即“反硝化速率”“懸浮泥沙”“細(xì)菌”“硝酸鹽”“水柱”“缺氧條件”。這些詞能側(cè)重反映出懸浮物反硝化研究的綜合特征，表明影響因素和沉積物再懸浮是懸浮物反硝化研究的主要內(nèi)容。
由于懸浮物存在好氧-缺氧的微環(huán)境，往往成為水體反硝化的熱點(diǎn)微區(qū)。了解懸浮物對(duì)水體反硝化的影響對(duì)于更準(zhǔn)確地認(rèn)識(shí)水體中氮素循環(huán)十分重要。由于懸浮物自身特征與性質(zhì)的差異，懸浮物對(duì)水體反硝化影響有很強(qiáng)的時(shí)空變異。在已有的研究中，主要從懸浮物的濃度、粒徑和組成等特性方面來解釋懸浮物對(duì)反硝化的影響。
2.1 懸浮物濃度的影響
自然界中水體懸浮物濃度存在顯著差異，我國黃河水體中懸浮物濃度最高，平均為22 g/L，長江河口的懸浮物濃度在0.1～26 g/L之間[38]。世界第4大河流密西西比河的懸浮物濃度為5.1 g/L[39]。已有研究表明，懸浮物濃度與水體反硝化速率呈正相關(guān)關(guān)系。Liu等[40]比較了5種不同懸浮物濃度的水體反硝化速率，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)反硝化速率隨著懸浮物濃度的增加而增加。Xia等[27]通過將懸浮物濃度分別為1與8 g/L時(shí)的反硝化速率進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)高濃度懸浮物的反硝化速率更大。Yao等[41]通過模擬實(shí)驗(yàn)證明出懸浮物濃度是鄱陽湖反硝化速率的主控因素。懸浮物濃度影響反硝化是因?yàn)殡S著水體中懸浮物濃度的增加，懸浮物上低氧微區(qū)增加，供反硝化菌附著的空間增多。且隨著懸浮物濃度的增加，懸浮物與水體接觸面積增大，水體中硝酸鹽供給幾率升高，反硝化菌利用率增加，從而反硝化速率升高。
2.2 懸浮物粒徑的影響
同樣的懸浮物濃度下，懸浮物的粒徑大小也會(huì)對(duì)反硝化速率產(chǎn)生顯著影響。Drummond等[42]發(fā)現(xiàn)微生物的代謝和再活化都更依賴于細(xì)顆粒，細(xì)顆粒可以為反硝化細(xì)菌提供更多的吸附面積和更完全的厭氧條件，從而提高反硝化細(xì)菌的代謝率。為了進(jìn)一步了解懸浮物粒徑影響反硝化的機(jī)制，Yao等[41]以4和63 μm為界限將懸浮物粒徑分為3組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果證實(shí)了粒徑較小的懸浮物可以提供更多的反硝化菌和厭氧微環(huán)境。而后Xia等[27]從硝化細(xì)菌、反硝化細(xì)菌豐度與懸浮物粒徑的關(guān)系著手，將懸浮物粒徑大小分為5組進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，探究懸浮物粒徑與反硝化速率的關(guān)系。研究結(jié)果表明，懸浮物粒徑越小，懸浮物內(nèi)氧含量越低，可以為反硝化提供更多的厭氧微環(huán)境，從而誘導(dǎo)更強(qiáng)的耦合硝化-反硝化過程。
2.3 懸浮物組成的影響
懸浮物的種類和組成多樣，含有水體中難以凸現(xiàn)的環(huán)境和地球化學(xué)信息[43]。一般而言，江河湖泊中的懸浮物與水體表層沉積物具有同源和同質(zhì)性，組成成分以泥沙黏土顆粒為主。受暴雨沖刷、匯水流入、航運(yùn)、疏浚采礦活動(dòng)等影響，懸浮物具有很大的時(shí)空變異性。如鄱陽湖水體在疏浚和采礦活動(dòng)的影響下,砂性懸浮物濃度可高達(dá)3 g/L[44]。此外，還有一些水體受人類活動(dòng)干擾出現(xiàn)富營養(yǎng)化問題，易致使藻類暴發(fā)，懸浮物以藻類居多[45]，如太湖葉綠素a濃度最高可達(dá)132 μg/L[46]。懸浮物組成不同，對(duì)反硝化的影響也會(huì)存在差異。如富營養(yǎng)化水體中以藻類為主的懸浮物，其對(duì)反硝化的影響顯著區(qū)別于以泥沙為主的懸浮物。劉志迎等[47]研究發(fā)現(xiàn)藍(lán)藻越多反硝化作用越強(qiáng)。這歸因于藍(lán)藻在生長期將活性氮轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C(jī)氮，在衰亡期又能通過降解礦化釋放大量的銨態(tài)氮，繼而轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，為反硝化作用提供大量的底物。而Zhu等[48]則認(rèn)為藻類密度與反硝化并不是線性相關(guān)，而是存在一個(gè)先升高后降低的過程。研究結(jié)果顯示隨著藻類生物量增加，反硝化速率先升高后降低。研究認(rèn)為，當(dāng)藻類密度較低時(shí)，藻類腐爛可以提供有機(jī)碳并消耗氧氣，有利于反硝化過程進(jìn)行，反硝化速率隨藻類密度增加逐漸升高。但是藻類過多時(shí)，藻類衰亡會(huì)耗盡氧氣，抑制硝化作用，導(dǎo)致硝酸鹽供應(yīng)受限，耦合硝化-反硝化過程斷裂，從而限制了反硝化速率。
除了懸浮泥沙和藻類外，水體中還有以重金屬、高分子化合物、納米材料等新興污染物[49]為主的懸浮物。新興污染物來源廣泛，且與人類生活息息相關(guān)，可通過污水排放、污水溢流、雨水、農(nóng)田徑流、地表徑流、大氣沉降、地下水補(bǔ)給等多種方式進(jìn)入到自然水體中，加大水體污染的風(fēng)險(xiǎn)。像納米材料又能成為其他污染物的載體并產(chǎn)生生物富集，其化學(xué)特性及毒理效應(yīng)都會(huì)改變。微塑料這種懸浮載體也有污染物復(fù)合行為。目前研究認(rèn)為，這些懸浮物會(huì)對(duì)微生物產(chǎn)生毒害作用，從而影響水體反硝化過程。如重金屬富集而成的懸浮物對(duì)細(xì)胞有生物毒性，會(huì)損壞細(xì)胞并干擾和抑制其代謝過程[50]，從而抑制反硝化過程。但也有一些反硝化菌可以對(duì)重金屬產(chǎn)生抗性[51]。微塑料等高分子化合物、納米銀等納米材料累積而成的懸浮物也會(huì)對(duì)反硝化產(chǎn)生抑制作用[52-54]。目前，關(guān)于新興污染物為主的懸浮物對(duì)反硝化的影響也逐步受到關(guān)注。
總之，懸浮物的組成復(fù)雜，來源多樣，對(duì)反硝化的影響受其自身特性和環(huán)境條件綜合控制。開展不同特性的懸浮物反硝化研究，明確不同組成對(duì)反硝化的影響，對(duì)于深入認(rèn)識(shí)水體懸浮物反硝化的機(jī)制至關(guān)重要。
懸浮物通過直接或間接作用影響水體反硝化過程。一方面，懸浮物與水接觸的薄層上，以及被溶解氧滲透的淺表層和懸浮物的孔隙中存在好氧微環(huán)境，可以與懸浮物內(nèi)部的缺氧微環(huán)境形成好氧-缺氧條件，附著在懸浮物上的微生物可以發(fā)生直接反硝化或耦合硝化-反硝化。另一方面，懸浮物在水體流動(dòng)過程中發(fā)生碰撞、絮凝、溶解等使自身粒徑改變。粒徑越小其比表面積就越大，吸附作用越強(qiáng)烈。懸浮物通過表面吸附和解吸作用使得其表面或內(nèi)部攜帶的營養(yǎng)物、有機(jī)質(zhì)等含量發(fā)生變化，通過離子交換過程會(huì)導(dǎo)致其攜帶的營養(yǎng)鹽、重金屬等在上覆水、沉積物中轉(zhuǎn)化[55-57]。而懸浮物的沉降、再懸浮會(huì)使其孔隙水中的氨氮等迅速釋放到水中加速氮轉(zhuǎn)化，也會(huì)使有機(jī)氮暴露于水體有氧環(huán)境中，加速有機(jī)氮礦化從而向水體中釋放氨氮。此外，有機(jī)氮礦化時(shí)經(jīng)常伴隨著微生物對(duì)有機(jī)碳的分解，分解有機(jī)碳會(huì)消耗水體中的溶解氧，產(chǎn)生低氧環(huán)境從而有利于反硝化作用[58]。這些都會(huì)間接影響到水體中的反硝化速率。懸浮物上反硝化作用概念模型如圖4所示。綜合近年來的研究，懸浮物對(duì)水體反硝化的影響主要通過以下因素實(shí)現(xiàn)(圖4)。
圖4 懸浮物上反硝化作用概念模型Fig.4 Conceptual model of denitrification on suspended particles
3.1 溶解氧
3.2 功能微生物
反硝化過程涉及諸多功能微生物，如礦化細(xì)菌、硝化細(xì)菌、反硝化細(xì)菌等。水體懸浮物表面附著的硝化細(xì)菌、反硝化細(xì)菌是耦合硝化-反硝化過程的直接參與者，它們的豐度、數(shù)量、活性等因素都會(huì)對(duì)耦合硝化-反硝化過程的發(fā)生及其速率產(chǎn)生影響。然而細(xì)菌又受到環(huán)境條件的影響，如懸浮物上供其吸附的位點(diǎn)多少、發(fā)生反應(yīng)時(shí)所需能量源的強(qiáng)弱、生存環(huán)境中溶解氧濃度是否適宜等。Xia等[27]對(duì)水體懸浮物上耦合硝化-反硝化過程的研究發(fā)現(xiàn)，反硝化速率與硝化菌和反硝化菌數(shù)量呈正相關(guān)。且反硝化菌的數(shù)量隨著懸浮物粒徑的增加而減少，硝化菌、反硝化菌還與懸浮物中的總有機(jī)碳濃度呈正相關(guān)。之后Zhu等[61]在研究懸浮物介導(dǎo)的耦合硝化-反硝化過程時(shí)發(fā)現(xiàn)，懸浮物濃度會(huì)影響水體中硝化菌、反硝化菌群落的組成和豐度。懸浮物的粒徑、濃度、有機(jī)成分影響著反硝化細(xì)菌，進(jìn)而影響反硝化作用。懸浮物的粒徑越小則比表面積越大，懸浮物濃度越高，所提供給細(xì)菌的吸附位點(diǎn)就越多。而反硝化細(xì)菌作為一種異養(yǎng)微生物，合成需要有機(jī)碳作為能量源[62]，有機(jī)碳的分解會(huì)消耗溶解氧，有利于形成低氧微環(huán)境。此外，其他一些微生物也會(huì)對(duì)反硝化產(chǎn)生影響。如礦化作用時(shí)通常會(huì)伴隨異養(yǎng)微生物對(duì)有機(jī)碳的分解，消耗水體的溶解氧，創(chuàng)造低氧環(huán)境，從而有利于反硝化過程[63]。
3.3 無機(jī)氮
反硝化作用受銨態(tài)氮、亞硝態(tài)氮、硝態(tài)氮3種無機(jī)氮的影響。其中，硝態(tài)氮和亞硝酸氮作為反硝化過程的底物，它們的濃度會(huì)直接影響反硝化速率。而硝態(tài)氮濃度變化受銨態(tài)氮硝化作用產(chǎn)生的硝酸鹽和反硝化還原的硝酸鹽的影響[64]。水體中的懸浮物可以既作為氮的載體使氮在懸浮物和水體間進(jìn)行交換，又可以作為氮的源、匯或緩沖因子影響上覆水和沉積物中氮的含量。懸浮物對(duì)無機(jī)氮的吸附與解吸是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過程，隨著水體環(huán)境不斷變化，懸浮物各個(gè)組分對(duì)無機(jī)氮的吸附機(jī)理各不相同。黏土礦物吸附無機(jī)氮屬于化學(xué)吸附，有機(jī)物質(zhì)和表層生物膜組成成分較為復(fù)雜，對(duì)水體中無機(jī)氮吸附屬于生物吸收和表面吸附[65]。此外，懸浮物的沉降和再懸浮過程也會(huì)使懸浮物自身和水體中的無機(jī)氮濃度發(fā)生改變。懸浮物表面吸附的或水體可提供的硝態(tài)氮濃度越高，即供給反硝化的底物也越多，越有利于反硝化作用。而銨態(tài)氮作為硝化作用的底物影響著懸浮物中耦合硝化-反硝化過程[47]。
3.4 有機(jī)碳
反硝化過程需要反硝化細(xì)菌的參與, 反硝化細(xì)菌大部分是異養(yǎng)菌，其活性受有機(jī)質(zhì)電子供應(yīng)的影響[66-67]。除此之外, 有機(jī)碳還是反硝化菌合成的能量源，吸附在懸浮物上的反硝化菌利用懸浮物中有機(jī)碳或者水體中的有機(jī)碳作為能源參與反硝化作用。所以反硝化菌的數(shù)量會(huì)隨著總有機(jī)碳濃度的增加而增加[68-69]。Zeng等[70]研究了溶解性和顆粒態(tài)有機(jī)碳對(duì)水體反硝化的影響，發(fā)現(xiàn)水體中顆粒態(tài)有機(jī)碳對(duì)反硝化潛勢貢獻(xiàn)超過70%，而顆粒態(tài)有機(jī)碳和懸浮物一起對(duì)反硝化潛勢的貢獻(xiàn)高達(dá)80%，反硝化菌優(yōu)先利用顆粒態(tài)有機(jī)碳而不是溶解性有機(jī)碳。懸浮物可以通過吸附作用獲得有機(jī)碳，或者某些懸浮物本身就是有機(jī)碳顆粒或內(nèi)部含有有機(jī)碳，如水生動(dòng)植物殘骸。藻類衰亡分解也會(huì)使水中有機(jī)碳濃度增加。朱為靜[71]在研究杭州灣河口懸浮物介導(dǎo)的硝化反硝化耦合機(jī)理時(shí)，發(fā)現(xiàn)顆粒性有機(jī)碳的濃度隨懸浮物濃度增加而顯著降低，表明反硝化作用的增強(qiáng)消耗了更多的有機(jī)碳。
綜上，懸浮物會(huì)影響溶解氧、功能微生物、無機(jī)氮、有機(jī)碳等多種因素，從而對(duì)水體反硝化作用產(chǎn)生影響，目前關(guān)于懸浮物影響水體反硝化過程的因子方面研究已取得了一定進(jìn)展。然而，復(fù)雜環(huán)境條件下各因子之間相互作用不明確，今后應(yīng)加強(qiáng)環(huán)境因素、人為要素、水力因素等綜合環(huán)境條件下懸浮物對(duì)水體反硝化作用的影響規(guī)律及其調(diào)控機(jī)制研究。
懸浮物對(duì)水體反硝化的影響過程非常復(fù)雜，定量懸浮物對(duì)水體反硝化的貢獻(xiàn)是評(píng)估水生系統(tǒng)中氮素收支和刻畫水體氮素循環(huán)的重要研究內(nèi)容。而懸浮物反硝化速率的準(zhǔn)確測定是定量其對(duì)水體反硝化貢獻(xiàn)的基礎(chǔ)。
水體反硝化的測定方法有很多，包括乙炔抑制法、15N同位素示蹤法、膜進(jìn)樣質(zhì)譜法(MIMS)和N2∶Ar法、氮素質(zhì)量平衡法、化學(xué)計(jì)量法等，表1比較了水體反硝化作用不同測定方法的原理和主要優(yōu)缺點(diǎn)、適用性[14]。這些方法可以測定水體(包括沉積物、沉積物-水界面、懸浮物、上覆水)總體的反硝化，如需進(jìn)一步量化懸浮物對(duì)反硝化的貢獻(xiàn)，可以在上述水體反硝化速率測定的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)懸浮物梯度控制實(shí)驗(yàn)，間接實(shí)現(xiàn)水體懸浮物反硝化速率的測定。
Liu等[40]設(shè)計(jì)了上覆水-底泥與上覆水-懸浮物-底泥兩個(gè)體系，使用同位素示蹤法測定兩個(gè)體系的反硝化速率，最后根據(jù)體系之間的差值確定懸浮物反硝化作用的貢獻(xiàn)。該方法以相同環(huán)境下是否含有懸浮物為對(duì)比，通過將模擬實(shí)驗(yàn)與反硝化測定相結(jié)合，得出了懸浮物在水體反硝化中的貢獻(xiàn)。Jia等[72]則用15N同位素示蹤法測定了相同濃度下不同粒徑的懸浮物反硝化速率。該方法以懸浮物的粒徑為變量，用15N同位素示蹤法測定懸浮物反硝化速率差，從而確定懸浮物粒徑對(duì)反硝化影響的目的。Yao等[41]將乙炔抑制法與培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，將底泥再懸浮后進(jìn)行了7組不同懸浮物濃度(0～5 g/L)的模擬實(shí)驗(yàn)，通過不同濃度懸浮物和反硝化速率做線性插值，計(jì)算懸浮物對(duì)水體反硝化速率的貢獻(xiàn)。
由于懸浮物反硝化速率主要通過水體反硝化測定方法間接測定，因此，懸浮物反硝化測定的準(zhǔn)確度受限于水體反硝化速率測定的精度。近年來，基于N2∶Ar測定原理的MIMS快速發(fā)展，極大地推動(dòng)了水體氮轉(zhuǎn)化過程的研究。由于其測定精度高、測定速度快等優(yōu)點(diǎn)，該方法成為目前最具潛力的反硝化直接測定技術(shù)[73]，也是懸浮物反硝化測定的潛在方法。
1)加強(qiáng)以新興污染物為主的懸浮物對(duì)水體反硝化影響的研究。隨著社會(huì)的快速發(fā)展，越來越多難降解或有生物毒性的新興物質(zhì)通過各種途徑進(jìn)入水體積聚成懸浮物或吸附于懸浮物上對(duì)水體反硝化造成影響，這些新興污染物如微塑料、納米材料等種類繁多、性質(zhì)各異，對(duì)反硝化造成相關(guān)影響的研究有待加強(qiáng)。
2)推進(jìn)機(jī)理模型研究。由于水體懸浮物反硝化影響因素之間復(fù)雜的相互作用，為了深入探索懸浮物對(duì)水體反硝化的影響，需要確定出各因素如何直接影響反硝化，以及這些因素如何通過與其他因素的相互作用間接影響反硝化。根據(jù)懸浮物各因素對(duì)反硝化速率的影響機(jī)理，識(shí)別懸浮物種類、粒徑、濃度等因素對(duì)反硝化過程中的限制因素(如溶解氧、營養(yǎng)物質(zhì)濃度、微生物等)的影響路徑，構(gòu)建懸浮物對(duì)水體反硝化影響的機(jī)理模型，從而深入探索人為活動(dòng)和自然因素對(duì)水體反硝化的影響，提高水體懸浮物對(duì)反硝化脫氮能力的估算精度。
3)改進(jìn)懸浮物反硝化測定方法。受測定方法的限制，水中懸浮物影響反硝化的研究工作進(jìn)展緩慢。近幾年，遙感技術(shù)憑借其大范圍的動(dòng)態(tài)監(jiān)測的優(yōu)勢，在水質(zhì)參數(shù)反演工作中取得了很大進(jìn)展。由于懸浮物的光學(xué)特性，通過遙感技術(shù)實(shí)現(xiàn)快速、低成本、大面積獲取懸浮物參數(shù)已十分方便。找出懸浮物與反硝化之間的關(guān)系，再基于遙感獲取懸浮物的基本信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)遙感技術(shù)對(duì)懸浮物反硝化速率的快速反演，是未來發(fā)展的可行方向。
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